JP3831787B2

JP3831787B2 - 共振電極構造を有する光変調器を用いた光電気発振器

Info

Publication number: JP3831787B2
Application number: JP2004042955A
Authority: JP
Inventors: 哲也川西; 雅之井筒; 高秀坂本
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005236639A

Description

この発明は、レーザ光のエネルギーを受けて、ミリ波やマイクロ波などの高周波信号を発振することのできる光電気発振器に関するものである。

光電気発振器は、レーザ光の変調によるサイドバンド成分を再び変調信号としてフィードバックすることによって発振動作が得られる発振器である。発振器の帰還ループが光回路及びＲＦ（高周波）回路で構成されるため、発振動作時には、同一周波数の発振信号が、光変調信号とＲＦ信号との両方を同時に得ることができる。また、光信号、あるいはＲＦ信号いずれに対しても、注入同期動作により発振周波数制御が行えることもよく知られている。

単一モード発振は、発振器の高安定動作に欠かせないが、従来の光電気発振器では、発振器の単一モード発振動作が課題であった。従来の光電気発振器の構成を、図１のブロック図に示す。レーザ光源からのレーザ光は、光変調器で強度変調され、強度変調された光は増幅された後、フォトダイオードで高周波信号に変換される。この高周波信号は、増幅された後、バンドパスフィルタを通って、再びレーザ光の変調に用いられる。この様に、従来の光電気発振器では、単一モード発振動作を得るために、目標とする周波数帯外のループ利得を抑制している。これには、他モードでの発振を抑制する必要があるため、バンドパスフィルタを適用しなくてはならず、構成の複雑化が避けられない。また、ここで用いられる光変調器は進行波型の広帯域変調器であるため、サイズが大きく変調効率の改善が困難であった。そのため、発振動作時にはレーザ光も含めて、必要な電力が大きいという欠点があった。

上記の様に、従来の光電気発振器では、サイズが大きく変調効率の改善が困難であり、発振動作時の消費電力が大きいという欠点があった。

このため、本発明では共振電極構造型光変調器を適用して、小型にし、また、変調効率を改善して省電力を実現するものである。

この発明は、共振電極構造型光変調器を用いるので、変調器の電極が短くなり小型になる。また、変調効率が改善されるので、高周波発振の開始するレーザ光の強度の閾値が低下し、必要な消費電力を抑制することができる。また、変調器が濾波作用をもつため、帰還回路にバンドパスフィルタを設ける必要が無くなり、構成が簡単になる。

本発明の第１の特徴は、光電気発振器に関して、レーザ光の入射部と光路に沿って設けられた共振電極構造を持った光変調器と、前記の光変調器で変調された光を電気信号に変換する光電変換器と、前記の光電変換器の出力を上記の光変調器に変調信号として帰還する帰還回路からなる発振回路と、さらに、上記の光電変換器あるいは帰還回路から高周波電気信号を取り出す出力部とを備え、上記の変調電極の長さは上記の変調信号の波長より短く、上記の入射部から上記の帰還回路に高周波発振が起こる閾値を超える強度のレーザ光を上記の光路に入射して、該レーザ光により励起された高周波電気信号を出力部から出力するようにする点にある。

また、第２の特徴は、帰還回路には、光変調器の濾波特性と重なり部分のある濾波特性をもった高周波電気信号の増幅器が設けられていることである。

また、第３の特徴は、光電気発振器の帰還回路に、遅延時間の調整可能な遅延器を設けることである。これを用いて光電気発振器の安定化を図り発振周波数制御を行う。

また、第４の特徴は、光変調器からの出力を、光増幅器で増幅した後、光電変換器に入力して高周波信号に変換することである。

また、第５の特徴は、帰還回路には、発振による高周波電気信号のほかの、第２の高周波電気信号を注入する注入点を備え、注入された第２の高周波電気信号が、高周波電気信号の出力部から出力されるようにして、安定な発振をえることである。

また、第６の特徴は、光電気発振器の電気回路と光路で形成される帰還ループ上の光路に、遅延時間の調整可能な光遅延器を設けることである。これを用いて光電気発振器の安定化を図り発振周波数制御を行う。

また、第７の特徴は、光電気発振器の電気回路と光路で形成される帰還ループ上の光路に、入射したレーザ光ほかの、第３の高周波電気信号が重畳された第２の光信号を注入する注入点を備え、第３の高周波電気信号が、高周波電気信号の出力部から出力されるようにして、安定な発振を得ることである。

また、第８の特徴は、共振電極構造を持った光変調器の温度を変えて物性定数を変えることにより共振周波数を変えるものであり、このため光変調器の温度を調整する電熱器などの手段を備え、この手段を用いて、光電気発振器の発振周波数を調整することである。

また、第９の特徴は、多数の共振周波数をもった光変調器の効果を種々の割合で合成して、総合的に見た周波数特性を制御するものであり、共振電極構造を持った光変調器は、マッハツェンダー干渉型変調器であり、該マッハツェンダー干渉型変調器を構成する２つの光路には、共振周波数の異なる共振電極構造を持った複数の位相変調器が設けられ、それぞれの位相変調器には、光電変換器の出力の振幅あるいは位相が調整された信号が印加され、上記の振幅あるいは位相の調整を変えて、上記のマッハツェンダー干渉型変調器の高周波電気信号に対する透過周波数特性を変えることである。

また、第１０の特徴は、位相変調器を対で調整するものであり、マッハツェンダー干渉型変調器を構成する２つの光路に設けられた位相変調器について、第１の光路に設けられた位相変調器と、前記の位相変調器と共通する共振帯域をもち第２の光路に設けられた位相変調器とには、前記の共通する共振帯域に属する高周波信号が、予め決められた位相差をもって印加され、上記の高周波信号は、光電変換器の出力信号であることである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図２、図３を用いて説明する。

図２は、本発明の実施例の一つをしめすブロック図である。図２では、レーザ光源１からのレーザ光は、共振電極型光変調器２で強度変調され、強度変調された光は光増幅器３で増幅された後、フォトダイオードの光電変換器４で高周波信号に変換される。この高周波信号は、ＲＦ増幅器５で増幅された後、帰還信号として、再び共振電極型光変調器２に加えられる。このように光電気発振器に共振電極型光変調器を使う利点は、第一にその変調効率の高さにある。また、そのサイズを小さくできる点にも利点がある。光電変換器４に入射する光強度が十分高く、得られるＲＦ信号の強度が大きいときには、光増幅器３、あるいは、ＲＦ増幅器５を省略することができる。

共振電極型光変調器の変調効率を十分に高くできる場合は、図３に示すように、共振電極型光変調器２の出力を増幅なしで光電変換器４に入力し、また、光電変換器４の出力を共振電極型光変調器２に入力する循環回路で高周波発振を持続することができる。注目すべき点は、この循環回路は、受動回路である点である。この回路で高周波発振を持続させるためには、レーザ光源１からのレーザ光の強度は、十分に高い必要があり、発振の開始する閾値と、発振を維持する閾値とがあることが知られている。後述するように、この光電気発振器は、一般にファイバーラジオと呼ばれる分野で用いることが期待されている。このファイバーラジオに用いる場合には、レーザ光以外のエネルギー供給なしに高周波信号が得られることが理想的である。

図１に示した従来の光電気発振器の場合と比べて、本発明の光電気発信器の場合は、上記の発振の開始する閾値、発振を維持する閾値をより小さくできる。これは、共振電極型光変調器の変調効率が高いことに由来するものであるので、これをなるべく高くするように設計することが望ましい。この変調効率を高くするためには、共振特性を調整することが必要である。また、この共振特性は、変調器内に生じる定在波を十分に高くすることで改善されることが知られている。また、図１に示した従来の光電気発振器と比べて、変調電極が短く、小型化が図れるため、光路と帰還回路とで作られる回路を信号が一巡する時間で決まる時間が短くなりこの時間で決まる発振モード間隔が広くなって、共振電極型光変調器の共振帯域にある前記のモード数を減少させることができ、発振動作の安定性を強化することができる。

図２あるいは図３に示すブロック図で用いる共振電極型光変調器としては、図４（ａ）に示す対称なオープンスタブ型の変調電極にインピーダンス整合用のキャパシタを設けたものや、図４（ｂ）に示す対称なオープンスタブ型の変調電極の周りに接地電極（共通電極）を設けたものを用いることができる。また、図５あるいは、図６に示すように、変調電極の給電点にスタブを設けた対称電極型の共振電極型光変調器も用いることができる。また、図７あるいは図８に示すような、左右が非対称な変調電極をもった共振電極型光変調器も用いることができる。

ここで、共振電極の長さについては、その基本共振周波数がｆ₀のとき、ｎを自然数として、ｆ₀／ｎ、あるいは、２ｆ₀／（２ｎ+1）、が基本共振周波数の共振電極を用いても動作することは明らかである。

例えば、図７に示す共振電極型光変調器の場合、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するためには、以下のような構造にすればよい。左側のオープンスタブ型の電極と共通電極（接地電極）との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ１７１０μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．２倍である。また、右側のオープンスタブ型電極と共通電極との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ２５６４μｍ（配線の幅の半分を含む）で、これは、変調信号である高周波信号の導波路上での波長の０．３倍である。これらの給電点からテーパー状変成器までは、１００μｍの配線が設けられている。この配線は、わずかな性能低下を許容すれば、省略することも可能である。また、テーパー状変成器は、入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻すことなく、変調電極に供給するためのものであり、長さ８００μｍで、幅は１００μｍから３５μｍに傾斜する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共通電極との距離も、３２５μｍから１０７．５μｍに傾斜している。

図９は、図８に示す共振電極型光変調器の共振点をずらす場合の構成である。この変調器の温度を調整して物性定数を変化せしめて、共振点をずらすものであり、電気光学基板の下に温度調整器を設けたものである。この温度調整器は、加熱用のヒータのみでもよい。

図１０に示すブロック図は、図２に示す光電気発信器の出力に、他の電気信号（外部信号）を重畳するための構成を示す図である。このためには、光信号を注入する方法、帰還信号と外部信号を混合する方法があり、これらを以下に示す。

光信号として外部信号を注入するためには、その外部信号で変調された光１０を光路７に注入すればよい。この注入は、光増幅器３の前段で行うのが望ましい。

また、帰還信号に重畳するためには、変調器・ミキサーあるいは加算器を用いて帰還信号と外部信号とを混合して帰還すればよい。

これら注入を同時に、同じ信号で行う場合は、光注入信号と帰還信号に重畳された外部信号とが逆相にならないように調整する必要がある。

上記の様に外部信号を注入する場合に限らず、高周波発振を安定に持続させるようにするには図１１に示すように、帰還回路６において遅延器１３を用いて帰還信号を遅延させることが望ましい。このような遅延器は、すでに市販されておりよく知られている。また、光路７上に光遅延器１２を設けて光信号を遅延せててもよい。このような光遅延器も既によく知られている。

図２に示す共振電極型光変調器２を、図１２に示す構成とすることにより、本発明の光電気発振器は、さらにユニークな特徴を発揮する。図１２の構成では、共振電極型光変調器用の変調電極をマッハツェンダー干渉計の光路上に複数配置したものである。このような構成にすることができるのは、上記のように変調電極を小さくすることができるという共振電極型光変調器の変調電極のためである。これらの変調電極のそれぞれには、変調信号の振幅を調整する減衰器１６、変調信号の位相を調整する移相器１５により調整された変調信号が供給される。ここで、
a_k：各変調電極への印加電圧（変調電極前の可変減衰器で調整）、
・_k：光変調がかかるまでの遅延（変調電極前の位相シフタで調整）、
M(f)：各共振型電極の伝達関数）
T（f）：変調効率の周波数特性、
とするとき、変調度が小さい領域において

と、近似することができる。このため、それぞれの変調電極の特性の分布内には限られるが、任意の伝達関数が合成できることがわかる。例えば、次の特徴がある。
例１）全て同じ変調電極構造にして、マッハツェンダー干渉計のそれぞれの光路上の変調電極には同位相で変調をかけ、他の光路上の変調電極にはその逆同位相で変調をかけると、急峻なバンドパスフィルタとしての伝達関数が得られ、光電気発振器全体としてのＱ値を上げることができる。
例２）共振周波数の異なる電極を用い、減衰器１６を調整してａ_kを制御すれば、発振周波数の選択が可能となる。

図１２に示す構成から、用いる部品を減らすように構成した例を図１３に示す。ここに示す例では、例えば、変調電極（共振周波数＝ｆ１）と変調電極（共振周波数＝ｆ２）の対では、同じ電極構造にして、同じ振幅であるが、異なる位相をもった変調信号を印加する。同様に、変調電極（共振周波数＝ｆｎ）と変調電極（共振周波数＝ｆｍ）の対では、同じ電極構造にして、同じ振幅であるが、異なる位相をもった変調信号を印加する。このような調整形態にした場合でも、周波数特性に幅を持たせることができる。

また、図１２あるいは図１３に示す構成とする場合は、それぞれの変調電極の共振特性を、図１４に示すように、周波数特性のほぼ半値のところで重ね合う特性とすることが望ましい。重ねあう領域がない場合は、合成できる伝達関数がとびとびに分布することになる。前者は、光電気発振器の発振周波数の連続的制御に適している。一方後者は、光電気発振器の発振周波数の離散的制御に適している。

本発明の光電気発振器を用いて、図１５に示すように、所謂ファイバーラジオを構成することができる。この場合は、レーザ光源１（周波数＝ｆ_L）からのレーザ光を光変調器１７で、周波数＝ｆ_Mの変調信号で変調し、伝送路２０を通して、共振電極型光変調器２と光電変換器４からなる循環回路でＲＦ発振（周波数＝ｆ_B）を起こし、このＲＦ信号とともに、先述の周波数＝ｆ_Mの変調信号を送信する。この場合のスペクトル２０を、図１５に示す。

上記のように、本発明の光電気発振器は、共振電極型光変調器を用いる構成としたので、その変調効率が高く、また、サイズも小さいため、高周波発振開始のための、レーザ光強度の閾値を小さくすることができ、また、多数の変調電極を並べることができ、この構成を用いて発振波長を変更できるようになる。

また、本発明の光電気発振器を用いて、所謂ファイバーラジオを構成することができる。この場合は、ＲＦ出力部分は、受動型の回路とすることができて、他の電源を必要としない。

従来の光電気発振器を示すブロック図である。本発明の光電気発振器を示すブロック図である。本発明の光電気発振器を示すブロック図である。共振電極型光変調器の例を示す模式図である。共振電極型光変調器の例を示す模式図である。共振電極型光変調器の例を示す模式図である。共振電極型光変調器の例を示す模式図である。共振電極型光変調器の例を示す模式図である。温度調整器を設けた共振電極型光変調器の例を示す模式図である。光注入あるいは外部信号注入を行う場合の、本発明の光電気発振器を示すブロック図である。光遅延器あるいは遅延器を設けて動作の安定化を図った、本発明の光電気発振器を示すブロック図である。光遅延器あるいは遅延器を設けて動作の安定化を図った、本発明の光電気発振器を示すブロック図である。多数の変調電極をならべた共振電極型光変調器を用いて、その伝達特性に自由度を設けた本発明の光電気発振器を示すブロック図である。多数の変調電極をならべた共振電極型光変調器を用いて、その伝達特性に自由度を設けた本発明の光電気発振器を示すブロック図である。本発明の光電気発振器を用いて、所謂ファイバーラジオを構成した例を示すブロック図である。

符号の説明

１レーザ光源
２共振電極型光変調器
３光増幅器
４光電変換器
５ＲＦ増幅器
６帰還回路
７光路
８光出力
９ＲＦ出力
１０光注入
１１外部信号
１２光遅延器
１３遅延器
１４共振電極型光変調器電極
１５移相器
１６減衰器
１７光変調器
１８濾波器
１９アンテナ
２０スペクトル

Claims

レーザ光の入射部と光路に沿って設けられた共振電極構造を持った光変調器と、
前記の光変調器で変調された光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記の光電変換器の出力を上記の光変調器に変調信号として帰還する帰還回路からなる発振回路と、
さらに、上記の光電変換器あるいは帰還回路から、高周波電気信号を取り出す出力部とを備え、
上記の変調電極の長さは、上記の変調信号の波長より短く、
上記の入射部から、上記の帰還回路に高周波発振が起こる閾値を超える強度のレーザ光を上記の光路に入射して、該レーザ光により励起された高周波電気信号を出力部から出力することを特徴とする光電気発振器。
帰還回路には、光変調器の濾波特性と重なり部分のある濾波特性をもった高周波電気信号の増幅器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光変調器からの出力は、光増幅器で増幅された後、光電変換器に供給されることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路には、発振による高周波電気信号のほかの、第２の高周波電気信号を注入する注入点を備え、
注入された第２の高周波電気信号が、高周波電気信号の出力部から出力されることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光路には、入射したレーザ光ほかの、第３の高周波電気信号が重畳された第２の光信号を注入する注入点を備え、
第３の高周波電気信号が、高周波電気信号の出力部から出力されることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
共振電極構造を持った光変調器の温度を調整する手段を備え、前記の温度を調整する手段を用いて、光電気発振器の発振周波数を調整することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光電気発振器。
共振電極構造を持った光変調器は、マッハツェンダー干渉型変調器であり、該マッハツェンダー干渉型変調器を構成する２つの光路には、共振周波数の異なる共振電極構造を持った複数の位相変調器が設けられ、それぞれの位相変調器には、光電変換器の出力の振幅あるいは位相が調整された信号が印加され、
上記の振幅あるいは位相の調整を変えて、上記のマッハツェンダー干渉型変調器の高周波電気信号に対する透過周波数特性を制御する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
マッハツェンダー干渉型変調器を構成する２つの光路に設けられた位相変調器について、第１の光路に設けられた位相変調器と、前記の位相変調器と共通する共振帯域をもち第２の光路に設けられた位相変調器とには、前記の共通する共振帯域に属する高周波信号が、予め決められた位相差をもって印加され、上記の高周波信号は、光電変換器の出力信号であることを特徴とする請求項８に記載の光電気発振器。