JP3851949B2

JP3851949B2 - 低雑音光周波数変換装置

Info

Publication number: JP3851949B2
Application number: JP2002238481A
Authority: JP
Inventors: 哲也川西; 雅之井筒
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-08-19
Also published as: JP2004077835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基準となる周波数を持った光から制御された周波数差の光に変換することのできる低雑音光周波数変換装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
入力された光の周波数を変換するための装置としては、次に述べる様にいくつかの方法が知られている。例えば、（１）非線型光学結晶に２種類の光を入力して、それらの光を混合する方法は既に良く知られており、レーザ光自体の周波数を２倍にする場合にも使われている。また、（２）モードロックレーザを用いる方法で、レーザ共振器中に光変調器とアイソレータとファブリーペローエタロンとを設置して光パルスを発生する方法は、位相変調周波数ｆｍよりＫｍ倍高次の周波数ｆｐ（ｆｐ＝Ｋｍ×ｆｍ）の側帯波を発生する方法としても知られている。あるいはまた、（３）光を高周波信号で変調して、その側帯波を取り出すことにより、光の周波数を変換すること、も既に知られている。
【０００３】
また、上記の（３）の形態については、さらに細分化すると、次の方法による形態があることが知られている。
【０００４】
（３−１）入力した光を高周波信号で強度変調あるいは位相変調し、目的とする側帯波を濾波器などを用いて選択的に取り出すことにより、光の周波数と高周波信号の周波数との和あるいは差の周波数の光を得る方法。この方法は、目的とする側帯波のみを選択できるという利点があるが、濾波器を必要とし、また、高周波信号を変化させる場合には、濾波器の濾波特性をそれに合わせて調整する必要があるという欠点がある。
【０００５】
（３−２）入力した光を高周波信号で位相変調するが、光搬送波や両側帯波の一方の側帯波を、光回路を工夫することにより相殺することで、他方の側帯波を取り出すことにより光の周波数を変換する方法。この方法は、光ＳＳＢ（片側波帯）変調として知られており、濾波器を用いないため、高周波信号を変化させても濾波器を調整する必要はないが、得られる光信号に高次の側帯波が含まれるという欠点がある。
【０００６】
本発明は、上記の（３−２）に関するので、この点について以下に説明する。
【０００７】
光ＳＳＢ変調については、例えば、文献１（下津、井筒、“次世代通信のためのＬｉＮｂＯ₃光ＳＳＢ変調器”、光アライアンス、２７巻、７月、２０００年）、あるいは文献２（日隈、他４名、“ＸカットＬｉＮｂＯ₃を用いた光周波数シフタ／ＳＳＢ−ＳＣ変調器の開発”、信学技報、TECHNICALREPORT OF OEICE. OPE 2001-159 (2002-2)）に詳しく記載されている。
【０００８】
特に、文献２には、ＸカットＬｉＮｂＯ₃を用いた光周波数シフタである図１に示す構成のＳＳＢ変調器１を用いて変調する場合が記載されている。ＳＳＢ変調器１は、光波を入力し、変調された光波を出力する変調器である。これは、第１のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器（ＭＺ_A）と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器（ＭＺ_B）とをそれぞれの光路に設けたもので、上記の光搬送波を変調するためのマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺ_C）型ＳＳＢ変調器である。
【０００９】
ここで、ωを入射光の角周波数、Ωを高周波信号の角周波数、φを変調度とするとき、入射光を、exp(jωt)、とし、また、変調する高周波信号を、説明を分かり易くするため単一周波数の信号と仮定して、これを、φsin(Ωｔ)、とする。この信号を１のＲＦ_Aに印加し、また、１のＲＦ_Bには、信号φcos(Ωｔ)、を印加する。この信号は、先の信号をπ/２（９０度）移相した信号であるので、この信号は、上記と同じ信号から移相器を用いて発生することができる。また、ＤＣ_C、にバイアス電圧を印加して、ＭＺ_Cの両アームを透過する光波間に位相差π/２を与える。また、同時に、ＤＣ_A、ＤＣ_Bにバイアス電圧を印加してＭＺ_A、ＭＺ_B、それぞれのアームを透過する光波間に位相差πを与えてキャリアを抑圧する。
【００１０】
ここで、ＭＺ_Aを透過する光波の受ける電場は、互いに逆向きであり、また位相差が与えられていることから、ＭＺ_A部の出力は次のようになる。
【数１】

【００１１】
また、ＭＺ_Bを透過する光波は、
【数２】

であるので、ＭＺ_C部から出力される光波は、つぎの様になる。
【００１２】
【数３】

数３は、変調度φを小さくすると５次以降は微小で無視できる程度になるため、次の数４の様になる。
【００１３】
【数４】

【００１４】
数４から、１次の下側帯波と、３次の上側帯波が出力されることが分かる。ここで、変調指数φを小さくして高次の項が減衰するようにすることができることはよく知られている。また、上記と同様に見積って、ＭＺ_Cの両アームを透過する光波間に位相差-π/２（−９０度）を与えることにより１次の上側帯波と、３次の下側帯波が出力されることを導くことができる。
【００１５】
上記の様に、従来の光ＳＳＢ変調を用いた光周波数変換装置では、１次の側帯波にともなって３次の側帯波が出力されるという欠点がある。さらに、一般に変調指数φを大きくするに従って、より大きな高次奇数項に相当する側帯波が出力される、という欠点もある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
光ＳＳＢ変調を用いた光周波数変換においては、濾波器を用いないため、高周波信号を変化させても濾波器を調整する必要はないという利点があるが、光周波数変換出力として得られる光信号に３次以上の奇数次の高次側帯波が含まれるという欠点がある。
【００１７】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、光ＳＳＢ変調を用いているが、３次以上の奇数次の側帯波のうちで最も信号強度の高い３次の側帯波を抑制した光信号が得られる低雑音光周波数変換装置を実現するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、低雑音光周波数変換装置に関しており、入力した光波を予め決められた高周波電気信号で変調することにより、１次の上（あるいは下）側帯波と３次の下（あるいは上）側帯波とを含む光波を出力する周波数変換装置において、上記の入力した光波と同一の光波を上記の高周波信号の３倍の角周波数をもった信号で変調する構成を備え、この構成により得られる１次の下（あるいは上）側帯波をもった光波と、上記の３次の下（あるいは上）側帯波とが逆位相となるように合波する構成を備え、この構成により、３次の側帯波を抑制する機能をもつことを特徴としている。
【００１９】
また、マッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器を用いてそのような低雑音光周波数変換装置を実現できることから、第２の発明は、光波の入力部と、変調するための信号の入力部と、変調された光波の出力部と、第１のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器とをそれぞれの光路に設けた、上記の入力部に入力された光波を変調するためのマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器と、予め決められた高周波電気信号の基本波を入力する手段と、その基本波の３倍波を生成する回路と、上記の３倍波の振幅調整手段と、上記の高周波電気信号の基本波とその基本波の３倍波との位相差を調整することのできる遅延手段と、上記の基本波と上記の３倍波との合波手段と、前記の合波手段の出力を、上記の変調するための信号の入力部に給電する手段とを備え、上記の光周波数変換において、上記の高周波電気信号の基本波によるノイズ成分を上記の３倍波による変調によって発生する光波成分により抑制する機能をもつことを特徴としている。
【００２０】
また、上記の基本波とその３倍波との合成波から９０度の位相差を持った２つの信号波を得て、この信号を用いてＳＳＢ変調する際に、９０度ハイブリッドを用いると装置構成が簡単になることから、第３の発明は、上記の合波手段と、上記の変調するための信号の入力部に給電する手段は、合波された上記の基本波と上記の３倍波とを概略９０度位相の異なる２つの信号に分波する９０度ハイブリットであることを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、まず、本発明の原理を示し、次に、望ましい実施の形態を示す。
上記の数１から数４までの説明では、図１の構成のＳＳＢ変調器において、角周波数Ωの高周波信号でＳＳＢ変調する場合示した。これらの結果から、角周波数３Ωの高周波信号：RFA：-φsin(３Ωｔ)、RFB：φcos(３Ωｔ)、でＳＳＢ変調する場合は、つぎの側帯波が得られることが分かる。
【００２２】
【数５】

これを、数４との和をとることによって、数６が得られる。
【００２３】
【数６】

従って、次の様にすることによって、１次の下側帯波には影響を与えずに、３次の上側帯波を抑制できることが分かる。
【００２４】
【数７】

【００２５】
また、上記と同じ入力信号に対して、角周波数５Ωの高周波信号で同様な操作を行なうことにより、５次の側帯波も抑制できることは明らかである。このように、高次の側帯波を、より高次の側帯波の成分に掃出すことが可能であり、低雑音光周波数変換装置を実現できることがわかる。
【００２６】
この結果を実現するための低雑音光周波数変換装置としては、図２に示す様に、１の構成のＳＳＢ変調器をＭＺ_CとＭＺ_Sの２つ用意して、一方ＭＺ_Cを角周波数Ωの信号で変調し、他方ＭＺ_Sを角周波数３Ωの信号で変調して、その出力を逆位相になるように合波すればよいことがわかる。各端子には、例えば、次の信号を印加する。
ＲＦ_A：sin(Ωｔ)、
ＲＦ_B：cos(Ωｔ)、
ＲＦ_S：-sin(3Ωｔ)、
ＲＦ_T：cos(3Ωｔ)。
この際、バイアス端子ＤＣ_AとＤＣ_B、およびＤＣ_SとＤＣ_Tとにも、図１のＳＳＢ変調器の場合と同じ位相関係になるようなバイアスを与える。
【００２７】
また、１次の上側帯波と、３次の下側帯波がある場合にも、類似の制御で３次の下側帯波を抑制することが可能である。
【００２８】
しかし、図２に示す構成には、重複する部分がある。電磁波は重ね合わせができることから、これらの重複部分を、共有することができる。この様に構成した本発明の望ましい構成を図３に示す。この共有する構成では、それぞれの構成部の温度変化などによる光路長などの変化が同一の値となるので、合波される際に相殺されるという利点がある。図３に示す低雑音光周波数変換装置におけるＳＳＢ変調器１は、１次の側帯波と、３次あるいはそれより高次の側帯波が出力される変調器であり、その例としては、図１に示した、マッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器がある。より具体的には、例えば、住友大阪セメント社製のＸcutLNSSB-SC変調器（ModelT. SBX1. 5-10-ADC）を用いることができる。この他には、例えば、上記の文献１に示された、Ｚカットのリチウムナイオベイト結晶を用いた光ＳＳＢ変調器を用いることができる。
【００２９】
このＳＳＢ変調器に入力する高周波信号は、高周波源７からの基本波と、この基本波の３倍波である。この３倍波は、基本波に位相同期して発生したものでもよいし、さらに基本波の基準である信号に位相同期して発生した信号でもよい。図３の場合は、上記の基本波もこの基準となる信号に位相同期した位相同期３逓倍器６で発生させている。この様に発生された３倍波は、数７の関係を満たす様にするため、振幅調整器５で増幅されるか、あるいは減衰される。この信号はさらに、可変遅延器４で遅延されることにより、位相差が与えられる。位相差の与えられた信号は、３により基本波と重畳されるが、重畳された信号は、９０度ハイブリッドにより９０度の位相差をもった２つの変調信号に分けられる。この９０度ハイブリッドは、広帯域型である必要がある。具体的には、例えば、ＫＲＹＳＴＡＲ社製の型番１８３１を用いることができる。これらの変調信号を、マッハ・ツェンダ干渉計型のＳＳＢ変調器１に印加する場合、各信号の位相の組合せとしては、次のものがある。
組合せ１：
ＲＦ_Aに印加する基本波の位相＝０
ＲＦ_Bに印加する基本波の位相＝９０度
ＲＦ_Aの位相変調器に印加する３倍波の位相＝０
ＲＦ_Bに印加する３倍波の位相＝-９０度
組合せ２：
ＲＦ_Aに印加する基本波の位相＝０
ＲＦ_Bに印加する基本波の位相＝-９０度
ＲＦ_Aに印加する３倍波の位相＝０
ＲＦ_Bに印加する３倍波の位相＝９０度
また、各バイアス端子には、図１のＳＳＢ変調器の場合と同じ位相関係になるようなバイアスをバイアス発生器２から与える。
【００３０】
以上の説明においては、３次の側帯波を抑制する場合を主眼とした。しかし、周波数変換装置としては、３次の側帯波に限らず、より高次の側帯波もノイズとなる。特に図３の例では、数６の右辺は、近似的に成立するが、さらに厳密には、僅かではあるが低次あるいは高次の側帯波も出力される、これらの低次あるいは高次の側帯波もノイズとなる。このため、実際の使用に当たっては、目的とする側帯波以外のパワースペクトルが最小値をとる様に、３倍波の振幅やその基本波に対する位相を調整することが望ましい。この場合は、バイアス端子に与えるバイアス電圧や、変調指数に関する最適な条件は、上記の条件から僅かにずれるが、このような設定も本発明の目的とする所である。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３２】
第１の発明では、光搬送波をＳＳＢ変調で周波数変換する場合に、目的とする側帯波以外の高次の側帯波が発生していたが、この高次の側帯波と逆相の側帯波を発生させる構成とすることによってこれを抑制できる様になる。
【００３３】
第２の発明では、マッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器により周波数変換する際に、目的とする側帯波以外の高次の側帯波が発生していたが、この高次の側帯波と逆相の側帯波を相殺させる構成にすることにより、基本波とその３倍波を上記のＳＳＢ変調器に入力し、その位相差を調整することにより、抑制できるようになる。
【００３４】
また、第３の発明では、第２の発明における変調信号を９０度ハイブリットを用いて概略９０度位相の異なる２つの信号に分波するようにしたので、簡単な装置構成となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器の構成を示す模式図である。
【図２】低雑音光周波数変換装置の構成を示す模式図である。
【図３】低雑音光周波数変換装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ＳＳＢ変調器
２バイアス発生器
３ハイブリッド回路
４可変遅延器
５振幅調整器
６位相同期３逓倍器
７高周波源

Claims

入力した光波を予め決められた高周波電気信号で変調することにより、１次の上（あるいは下）側帯波と３次の下（あるいは上）側帯波とを含む光波を出力する周波数変換装置において、
さらに、第１の高周波電気信号に、第１の高周波電気信号に同期し第１の高周波電気信号の３倍の角周波数をもった第２の高周波電気信号を重畳して変調する構成を備え、
この構成により得られる第２の高周波電気信号での変調による１次の下（あるいは上）側帯波と、第１の高周波電気信号での変調による３次の下（あるいは上）側帯波とが逆位相となるように前記の重畳を行うことにより、第１の高周波電気信号の３次の側帯波を抑制する機能をもつことを特徴とする低雑音光周波数変換装置。
光波の入力部と、変調するための信号の入力部と、変調された光波の出力部と、
第１のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器とをそれぞれの光路に設けた、上記の入力部に入力された光波を変調するためのマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器と、予め決められた高周波電気信号の基本波を入力する手段と、その基本波の３倍波を生成する回路と、
上記の３倍波の振幅調整手段と、
上記の高周波電気信号の基本波とその基本波の３倍波との位相差を調整することのできる遅延手段と、
上記の基本波と上記の３倍波との合波手段と、前記の合波手段の出力を、第１のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器に給電し、上記の合波手段の出力とは、基本波成分について概略９０度の位相差があり、３倍波成分については概略９０度の位相差がある高周波電気信号を第２のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器に給電する手段と、
第１のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器の出力と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器の出力とを合波する手段と、
を備え、
上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器の出力に含まれ上記の高周波電気信号の基本波成分での変調によって発生する基本波の３倍の周波数をもつノイズ成分を上記の３倍波成分での変調によって発生する光波成分により抑制して出力する機能をもつことを特徴とする低雑音光周波数変換装置。
上記の合波手段と、上記の変調するための信号の入力部に給電する手段は、合波された上記の基本波と上記の３倍波とを概略９０度位相の異なる２つの信号に分波する９０度ハイブリットであることを特徴とする請求項２に記載の低雑音光周波数変換装置。