JP3815673B2

JP3815673B2 - 電波発生装置

Info

Publication number: JP3815673B2
Application number: JP2002010946A
Authority: JP
Inventors: 己煥朴; 渉中條; 徳隆原; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003215651A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波などの電波を発生する電波発生装置に関し、特に、スペクトル幅が極めて狭い電波を発生できるようにする電波発生装置に関する。
【０００２】
モバイル機器などでは電波を使って情報をやり取りする。このとき、多重化通信を実現すべく、電波の周波数を分割して複数のチャンネルを実現するという構成を採っている。これから、このチャンネル数を増加させるには、各チャンネルを構成する電波のスペクトル幅を狭くする必要がある。
【０００３】
このようなことを背景にして、スペクトル幅がなるべく狭くなる電波を発生できるようにする新たな電波発生技術の構築が叫ばれている。
【０００４】
【従来の技術】
従来では、様々な方法で電波を発生するようにしているが、いずれの方法を用いる場合にあっても、従来の電波発生技術で発生される電波のスペクトル幅は数ＭＨｚ程度といったように非常に大きなものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の電波発生技術に従っていると、発生電波のスペクトル幅が非常に大きなものとなる。
【０００６】
これから、電波の周波数を分割して複数のチャンネルを実現するという構成を採る場合、チャンネル間の干渉を防ぐために、隣同士のチャンネル間の周波数の差を大きくしなければならず、これがためにチャンネル数を多くできないという問題点がある。
【０００７】
このようなことを背景にして、最近、高速なフォトダイオードを用いた電波発生の試みが学会で発表されるようになってきているが、周波数バンドが狭いといった問題点があり、実用性に乏しいというのが実情である。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、スペクトル幅が極めて狭い電波を発生できるようにする新たな電波発生装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の電波発生装置は、（１）１つのレーザ光から、波長の隔たりが発生電波の周波数と一致する２つのレーザ光を生成するレーザ光生成手段と、（２）入力する光強度に応じて屈折率を非線形に変化させる光学導波路で構成されて、レーザ光生成手段の生成した２つのレーザ光を入力として、その２つのレーザ光の波長の隔たりに応じた周波数を持つ電波を発生する電波発生手段と、（３）電波発生手段の光学導波路に当接あるいは規定以下の隙間を持つ形態で配設される金属のストリップ導波路で構成され、その光学導波路の導波路方向から突出する形態で設けられる突出部を有して、その突出部から電波発生手段により発生された電波を取り出す電波取出手段とを備えるように構成する。
【００１０】
この構成を採るときに、電波発生手段は、リチウム・ナイオベートの基板にチタンが拡散されることにより構成される光学導波路で構成されることがある。
また、レーザ光生成手段は、発生電波の周波数の１／２の周波数のバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する光強度変調器と、その光強度変調器の出力するレーザ光をフィルタリングする光学的フィルタとで構成されることがある。
【００１５】
このように構成される本発明の電波発生装置では、レーザ光生成手段は、例えば、発生電波の周波数の１／２の周波数のバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する光強度変調器と、その光強度変調器の出力するレーザ光をフィルタリングする光学的フィルタという構成に従って、１つのレーザ光から、波長の隔たりが発生電波の周波数と一致する２つのレーザ光を生成する。
【００１６】
これを受けて、電波発生手段は、レーザ光生成手段の生成した２つのレーザ光を入力として、光学導波路の持つ非線形光学効果に従って、その２つのレーザ光の波長の隔たりに応じた周波数を持つ電波を発生し、これを受けて、電波取出手段は、金属のストリップ導波路の持つ突出部からその発生した電波を出力することにより、その発生した電波を取り出す。
【００１７】
このようにして、本発明の電波発生装置では、波長の隔たりが発生電波の周波数と一致するスペクトル幅の極めて狭い２つのレーザ光を、非線形光学効果を示す光学導波路に入力することで電波を発生するという構成を採ることから、スペクトル幅が極めて狭い電波を発生できるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明を具備するミリ波発生装置の一実施形態例を図示する。
【００２０】
本発明のミリ波発生装置は、スペクトル幅が極めて狭いミリ波を発生するものであって、このスペクトル幅が極めて狭いミリ波の発生を実現するために、レーザ光源１と、光強度変調器２と、ファブリーペロー干渉フィルタ３と、ファイバアンプ４と、バンドパスフィルタ５と、ＬＮ光学導波路６と、ミリ波増幅アンプ７とを備える。
【００２１】
ここで、図中に示す８はスペクトルアナライザーであって、本発明の有効性を検証すべく備えられるものである。また、レーザ光源１と光強度変調器２との間には、好ましくは偏波面コントローラが備えられることになる。
【００２２】
次に、本発明のミリ波発生装置の実現のために備えられる各構成要素について詳細に説明する。
【００２３】
（１）レーザ光源１
レーザ光源１は、例えば1554.1nmのレーザ光を連続発振する。
【００２４】
（２）光強度変調器２
光強度変調器２は、レーザ光源１の発生するレーザ光（1554.1nmのレーザ光）を入力として、発生電波の周波数の１／２の周波数のバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する。
【００２５】
この動作に従って、光強度変調器２は、例えば４０ＧＨｚのミリ波を発生するときには、２０ＧＨｚのバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調することで、キャリアのレーザ光（1554.1nmのレーザ光）を中心として、２０ＧＨｚずつ離れた波長位置に光強度のピークを持つレーザ光を生成する。
【００２６】
なお、図中に示す５０Ωは、５０Ωのターミネイターを示している。
【００２７】
（３）ファブリーペロー干渉フィルタ３
ファブリーペロー干渉フィルタ３は、光強度変調器２の出力するレーザ光を入力として、ファブリーペロー干渉計の構成に従って、その入力するレーザ光の中から、キャリアのレーザ光（1554.1nmのレーザ光）に最も近いピークを持つ２つのレーザ光のみを透過させる。
【００２８】
光強度変調器２が２０ＧＨｚのバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する場合、光強度変調器２の出力するレーザ光には、キャリアのレーザ光（1554.1nmのレーザ光）の他に、キャリアのレーザ光を中心として２０ＧＨｚずつ離れた波長位置に光強度のピークを持つレーザ光が生成されることになるので、ファブリーペロー干渉フィルタ３は、ファブリーペロー干渉計の構成に従って、その中から、キャリアのレーザ光に最も近いピークを持つ２つのレーザ光のみを透過させるのである。
【００２９】
（４）ファイバアンプ４
ファイバアンプ４は、エルビウムがドープされた光ファイバで構成されて、ファブリーペロー干渉フィルタ３の出力するレーザ光を例えば５ｍＷへと増幅する。
【００３０】
（５）バンドパスフィルタ５
バンドパスフィルタ５は、例えば1554±1.5nm のみの光を透過させる３nmのバンドパスフィルタで構成されて、ファイバアンプ４により発生された光ノイズを除去する。
【００３１】
（６）ＬＮ光学導波路６
ＬＮ光学導波路６は、▲１▼非線形光学効果を示すリチウム・ナイオベート（LiNbO₃) の基板にチタンが拡散されることで構成される光学導波路６０（例えば、光路長０.0４ｍで、断面積７.8５×１０^-11ｍ²)と、▲２▼光学導波路６０に好ましくは当接する形態で配設されて、ミリ波の出力口となる突出部６２を有する金属のストリップ導波路６１とで構成されて、バンドパスフィルタ５の出力するレーザ光（例えば波長の隔たりが４０ＧＨｚとなる２つのレーザ光から構成される）の入力に応答して例えば４０ＧＨｚのミリ波を生成して、それを突出部６２から出力する。
【００３２】
ここで、ストリップ導波路６１は、光学導波路６０に当接する形態で配設される必要はなく、光学導波路６０との間に規定以下の隙間を持つ形態で配設されてもよい。但し、光学導波路６０に当接する形態で配設されると、発生するミリ波の損失が少なくなることを実現できるので好ましい。
【００３３】
（７）ミリ波増幅アンプ７
ミリ波増幅アンプ７は、ＬＮ光学導波路６から出力されるミリ波（ＭＭＷ）を増幅する。
【００３４】
なお、スペクトルアナライザー８は、上述したように、本発明の有効性を検証すべく設けられて、ミリ波増幅アンプ７の増幅するミリ波のスペクトル解析を行う。
【００３５】
次に、このように構成される本発明のミリ波発生装置の動作について説明する。
【００３６】
光強度変調器２は、レーザ光源１の発生するレーザ光（1554.1nmのレーザ光）を入力すると、例えば４０ＧＨｚのミリ波を発生するときには、２０ＧＨｚのバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調することで、キャリアのレーザ光（1554.1nmのレーザ光）を中心として、２０ＧＨｚずつ離れた波長位置に光強度のピークを持つレーザ光を生成して出力する。
【００３７】
この光強度変調器２の出力するレーザ光を受けて、ファブリーペロー干渉フィルタ３は、ファブリーペロー干渉計の構成に従って、光強度変調器２の出力するレーザ光の中から、キャリアのレーザ光に最も近いピークを持つ２つのレーザ光のみを透過させる。
【００３８】
光強度変調器２が２０ＧＨｚのバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する場合、光強度変調器２の出力するレーザ光には、キャリアのレーザ光（1554.1nmのレーザ光）の他に、キャリアのレーザ光を中心として２０ＧＨｚずつ離れた波長位置に光強度のピークを持つレーザ光が生成されることになるので、ファブリーペロー干渉フィルタ３は、ファブリーペロー干渉計の構成に従って、図２に示すように、その中から、キャリアのレーザ光に最も近いピークを持つ２つのレーザ光（図２中の▲１▼のレーザ光（波長1554.25nm)と、▲２▼のレーザ光（波長1553.95nm)) のみを透過させるのである。
【００３９】
なお、図２では、キャリアのレーザ光に最も近いピークを持つ２つのレーザ光以外のレーザ光もある程度透過してしまっているが、これは、ファブリーペロー干渉フィルタ３の調整が十分でないからであり、この調整が十分行われると、これらのレーザ光はかなりなレベルで遮断できることになる。
【００４０】
このとき透過させる２つのレーザ光の波長の隔たりは、図２に示すように４０ＧＨｚとなる。そして、このとき透過させる２つのレーザ光のスペクトル幅は、図中に示すように、おおよそ0.007nm と極めて狭いものとなっている。
【００４１】
このファブリーペロー干渉フィルタ３の出力するレーザ光を受けて、ファイバアンプ４は、ファブリーペロー干渉フィルタ３の出力するレーザ光を例えば５ｍＷへと増幅し、これを受けて、バンドパスフィルタ５は、ファイバアンプ４により発生された光ノイズを除去しつつ、ファイバアンプ４の増幅したレーザ光をＬＮ光学導波路６の光学導波路６０へと入力する。
【００４２】
このようにして、ＬＮ光学導波路６の光学導波路６０には、波長の隔たりが例えば４０ＧＨｚとなる２つのレーザ光から構成されるレーザ光が入力されることになる。
【００４３】
この波長の隔たりが４０ＧＨｚとなる２つのレーザ光から構成されるレーザ光の入力を受けて、ＬＮ光学導波路６の光学導波路６０では、非線形光学効果に従ってミリ波が発生して、そのようにして発生したミリ波はストリップ導波路６１の突出部６２から出力される。
【００４４】
このようにして、ＬＮ光学導波路６は、バンドパスフィルタ５の出力するレーザ光（例えば波長の隔たりが４０ＧＨｚとなる２つのレーザ光から構成される）の入力に応答して例えば４０ＧＨｚのミリ波を生成して、それを突出部６２から出力するように動作するのである。
【００４５】
図３に、このようにして発生したミリ波のスペクトル解析の実験結果（スペクトルアナライザー８により得られた解析結果）を図示する。
【００４６】
このスペクトル解析の実験結果から、ＬＮ光学導波路６の発生する４０ＧＨｚのミリ波は、約３ｋＨｚという極めて狭いスペクトル幅を持つミリ波であるということが検証できた。
【００４７】
これから、本発明のミリ波発生装置を用いると、電波の周波数を分割して複数のチャンネルを実現するという構成を採る場合に、隣同士のチャンネル間の周波数の差を従来に比べて極めて小さくすることができることで、チャンネル数を大きく増加させることができるようになることが検証できた。
【００４８】
図４及び図５に、本発明のミリ波発生装置の有効性を検証するために行ったその他の実験の結果を図示する。
【００４９】
図４に示す実験結果は、ＬＮ光学導波路６に入力するレーザ光のパワーを変化させたときに、発生するミリ波のパワーがどのように変化するのかを調べた実験の結果である。
【００５０】
この実験は４０ＧＨｚのミリ波を発生することで行った。図４の横軸はＬＮ光学導波路６に入力するレーザ光のパワーを示し、縦軸は発生ミリ波のパワーを示している。
【００５１】
この実験結果から、発生ミリ波のパワーは、ＬＮ光学導波路６に入力するレーザ光のパワーにほぼ比例することが検証できた。
【００５２】
図５に示す実験結果は、ＬＮ光学導波路６に入力するレーザ光の持つ波長の隔たりを変化させたときに、発生するミリ波のパワーがどのように変化するのかを調べた実験の結果である。
【００５３】
この実験は１０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚのミリ波を発生することで行った。図５の横軸はＬＮ光学導波路６に入力するレーザ光の持つ波長の隔たりを示し、縦軸は発生ミリ波のパワーを示している。
【００５４】
この実験結果から、１０ＧＨｚから４０ＧＨｚの間の広い周波数範囲で、安定したパワーのミリ波を発生できることが検証できた。なお、発生するミリ波の周波数が増加するに従ってパワーが減少しているのは、ストリップ導波路６１の特性によるものと考えられる。
【００５５】
以上説明したことから分かるように、本発明のミリ波発生装置によれば、スペクトル幅が極めて狭いミリ波を発生できるようになるとともに、広い周波数範囲のミリ波を発生できることになり、これにより、図６に示すように、光通信ネットワークと電波通信ネットワークとの間の通信を効率的に実現できるようになる。
【００５６】
図７に、本発明に関連するミリ波発生装置の装置構成を図示する。
【００５７】
ここで、図中、図１で説明したものと同じものについては同一の記号で示してある。但し、光学導波路６０の大きさについては、図１の実施形態例のものと若干異なっている（光路長０.0５ｍで、断面積４.2×１０^-11ｍ²)。また、図中に示すＰ．Ｃは偏波面コントローラである。
【００５８】
この図に示すミリ波発生装置では、ＬＮ光学導波路６の発生するミリ波を取り出すための手段として、ストリップ導波路６１の代わりにミリ波導波管６３を用いるとともに、ＬＮ光学導波路６の形状に工夫を凝らしている。
【００５９】
図８に、この装置構成を実現する場合のＬＮ光学導波路６の一構成例を図示する。
【００６０】
この図８に示すＬＮ光学導波路６では、ストリップ導波路６１の代わりに、ＬＮ光学導波路６を取り囲む形態で配設されるミリ波導波管６３を用意することで、ＬＮ光学導波路６の発生するミリ波を外部に取り出すという構成を採っている。
【００６１】
このとき、ＬＮ光学導波路６の光学導波路６０から放射されるミリ波がリチウム・ナイオベート基板（図中に示すＬＮ）の内部を伝播してミリ波導波管６３に放射されていくことになるが、その放射を効率的なものとするために、図８に示すように、ミリ波の放射端となるリチウム・ナイオベート基板の先端部分がテーパ形状を有するように構成されている。
【００６２】
また、ＬＮ光学導波路６の光学導波路６０を伝播するレーザ光はＴＥ波しか存在しないとともに、ミリ波導波管６３を伝播するミリ波の示す電界は図９（ａ）中の破線で示すようになることから、発生するミリ波の損失を少なくするために、図９（ａ）に示すように、光学導波路６０を伝播するレーザ光の示す電界と、ミリ波導波管６３を伝播するミリ波の示す電界とが平行となる形になるようにと、ミリ波導波管６３を配置するという構成を採ることが好ましい。
【００６３】
また、ＬＮ光学導波路６の表面からリチウム・ナイオベート基板の外部に放射されるミリ波をリチウム・ナイオベート基板のテーパ形状部分に効率的に伝播させるために、図９（ｂ）に示すように、光学導波路６０に当接する形態でテフロン（登録商標）やアルミナなどの誘電体を配設するという構成を採ったり、図９（ｃ）に示すように、光学導波路６０の配置面と対向する面に当接する形態でテフロンやアルミナなどの誘電体を配設するという構成を採ることが好ましい。
【００６４】
このとき、その誘電体を光学導波路６０に当接する形態で配設するのではなくて、光学導波路６０との間に規定以下の隙間を持つ形態で配設してもよい。但し、光学導波路６０に当接する形態で配設すると、ミリ波の損失が少なくなることを実現できるので好ましい。
【００６５】
図示実施形態例に従って本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態例では、光強度変調器２を使って、波長の隔たりが発生ミリ波の周波数と一致する２つのレーザ光を生成して、それをＬＮ光学導波路６に入力するという構成を採ったが、光強度変調器２以外のものを使って、波長の隔たりが発生ミリ波の周波数と一致する２つのレーザ光を生成して、それをＬＮ光学導波路６に入力するという構成を採ってもよい。
【００６６】
また、実施形態例では、リチウム・ナイオベートで構成される光学導波路６０を使ってミリ波を発生するという構成を採ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の非線形光学効果を示す光学導波路を使ってミリ波を発生するという構成を採ってもよい。
【００６７】
そして、実施形態例では、ミリ波の発生を具体例にして本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の波長領域の電波に対しても適用できるものである。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スペクトル幅が極めて狭い電波を発生できるようになるとともに、広い周波数範囲の電波を発生できるようになる。
【００６９】
これから、本発明の電波発生装置を用いることで、レーザ光という光信号を使って電波を生成するという構成を採ることから、光通信ネットワークと電波通信ネットワークとの間の通信を効率的に実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例である。
【図２】ファブリーペロー干渉フィルタの出力するレーザ光の説明図である。
【図３】実験結果の説明図である。
【図４】実験結果の説明図である。
【図５】実験結果の説明図である。
【図６】本発明の適用される通信システムの説明図である。
【図７】本発明に関連するミリ波発生装置の装置構成図である。
【図８】ＬＮ光学導波路の説明図である。
【図９】ＬＮ光学導波路の説明図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
２光強度変調器
３ファブリーペロー干渉フィルタ
４ファイバアンプ
５バンドパスフィルタ
６ＬＮ光学導波路
７ミリ波増幅アンプ
８スペクトルアナライザー
６０光学導波路
６１ストリップ導波路
６２突出部
６３ミリ波導波管

Claims

規定の波長の電波を発生する電波発生装置であって、
１つのレーザ光から、波長の隔たりが発生電波の周波数と一致する２つのレーザ光を生成するレーザ光生成手段と、
入力する光強度に応じて屈折率を非線形に変化させる光学導波路で構成されて、上記２つのレーザ光を入力として、上記波長の隔たりに応じた周波数を持つ電波を発生する電波発生手段と、
上記光学導波路に当接あるいは規定以下の隙間を持つ形態で配設される金属のストリップ導波路で構成され、上記光学導波路の導波路方向から突出する形態で設けられる突出部を有して、該突出部から上記電波発生手段により発生された電波を取り出す電波取出手段とを備えることを、
特徴とする電波発生装置。
請求項１記載の電波発生装置において、
上記電波発生手段は、リチウム・ナイオベートの基板にチタンが拡散されることにより構成される光学導波路で構成されることを、
特徴とする電波発生装置。
請求項１又は２記載の電波発生装置において、
上記レーザ光生成手段は、発生電波の周波数の１／２の周波数のバイアス信号でもって入力レーザ光の光強度を変調する光強度変調器と、該光強度変調器の出力するレーザ光をフィルタリングする光学的フィルタとで構成されることを、
特徴とする電波発生装置。