JP4041882B2

JP4041882B2 - 低雑音光周波数変換装置

Info

Publication number: JP4041882B2
Application number: JP2002242361A
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: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JP2004085602A

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製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製する必要はないが、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。
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ＬｉＮｂＯ_３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ＬｉＮｂＯ_３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。
【０００７】
特に、文献２には、ＸカットＬｉＮｂＯ_３を用いた光周波数シフタであるＳＳＢ変調器１を用いて変調する場合が記載されている。これを図１に示す。図１における１は、光搬送波を入力し、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。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°）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（＝１８０°）を与えてキャリアを抑圧する。
【０００８】
つまり、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】

また、ＭＺ_Ｂを透過する光波は、
【０００９】
【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。
【００１０】
【数３】

数３は、５次以降は微小でるため無視すると、次の数４の様になる。
【００１１】
【数４】

【００１２】
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。
【００１３】
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った。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。
【００１４】
また、上記の説明においては、ＲＦ_Ａにφsin(Ωｔ)、ＲＦ_Ｂにこれと９０度の位相差のあるφcos(Ωｔ)を印加している。この位相差が９０度からずれると、数３で相殺された項が相殺されなくなったり、３次以上の項が増大するようになったりして、ノイズ成分が増加する。
【００１５】
【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、変調信号として、９０度の位相差のある信号を用意する必要があり、この位相差が９０度からずれると、ノイズ成分が増加する。
【００１６】
また、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製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】
また、上記の光ＳＳＢ変調を用いた光周波数変換において、変換で増減する周波数を変えると、３次以上の奇数次の高次側帯波が増加する場合がある。
【００１８】
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、変調に用いる２つの信号間の位相差が９０度からずれた場合でもノイズ成分が抑制でき、また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次の側帯波を抑制することのできる低雑音光周波数変換装置を実現するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、マッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器を用いて３次の側帯波を抑制するために、第１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・ツェンダ干渉計型位相変調器と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型位相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、第１のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器に設けられた光波の位相を制御する第１の電極と、第２のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器に設けられた光波の位相を制御する第２の電極と、上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器のそれぞれのアームを伝搬する光波の位相を制御する第３の電極と、予め決められた高周波電気信号である基本波を入力する手段と、その基本波の３倍波を生成する手段と、上記の高周波電気信号である基本波とその基本波の３倍波との位相差を調製することのできる遅延手段と、上記の基本波と上記の３倍波とを合波して、概略９０度の位相差をもった２つ信号に分岐する手段と、これらの信号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、上記の概略９０度の位相差をもった２つ信号の位相差に応じて第３の電極に印加するバイアス電圧を変えることにより、上記の位相差により発生する上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器の出力に含まれる雑音成分を抑制することを特徴としている。
【００２１】
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２の発明は、第１の発明に加えて、上記の、概略９０度の位相差をもった２つ信号に分岐する手段は、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。
【００２２】
また、上記の高周波電気信号の周波数を周期的に変えると、周波数掃引光発生器として使えることから、第３の発明は、第１、あるいは第２の発明に加えて、上記の予め決められた高周波電気信号は、周期的に周波数の変化する高周波電気信号であり、出力される光の周波数が前記の高周波電気信号の周波数に応じて周波数が変化するという特徴をもつものである。
【００２３】
また、上記の様に本発明を周波数掃引光発生器とする場合には、周波数に応じて上記の雑音成分を抑制するための調整をすることが望ましいことから、第４の発明は、第３の発明に加えて、上記の予め決められた高周波電気信号は、時間的に周波数の変化する信号であり、この周波数に応じた上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器内のバイアス電圧を調整して光位相を調整する上記の雑音成分を抑制するための最適値とその周波数との対応関係を予め取得しておき、この予め取得した対応関係を用いて上記の雑音成分を抑制するように調整する構成を備えることを特徴としている。
【００２４】
【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。
【００２５】
２つの変調信号の位相差が９０度から僅かにずれる場合は、上記の説明において、ＲＦ_Ａにφsin(Ωｔ)、ＲＦ_Ｂにこれと９０度の位相差のあるφcos(Ωｔ)を印加していたものが、例えば、φcos(Ωｔ+δ)となる。ここで、δは、上記のずれに対応する微小な角度である。この場合数３から明らかな様に、exp(jπ/2)の項のjπ/2を僅かにεだけずらすことにより、δによる寄与とεによる寄与とを相殺することができる。これは、変調信号の位相のずれの影響を、変調器のバイアス電圧を変えることにより抑制することができることを示している。
【００２６】
また、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：ＲＦ_Ａ：-φsin(３Ωｔ)、ＲＦ_Ｂ：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。
【００２７】
【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。
【００２８】
【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。
【００２９】
【数７】

【００３０】
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。
【００３１】
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π／２オフセットを与えた角周波数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。
【００３２】
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も可能である。
【００３３】
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。
【００３４】
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とな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π/２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。
【００３５】
一般に、９０度ハイブリッドからの２出力は、９０度から僅かにずれた位相差を持つ場合が多い。このような９０度ハイブリッドに基本波を入力してその出力の２波を用いて図１のＳＳＢ変調器のＲＦ_ＡとＲＦ_Ｂに入力した場合で、例えば、１次の上側帯波を出力するＳＳＢ変調の場合は、１次の下側帯波がキャンセルされずに出力されるようになる。ここで、ＤＣ_Ｃに印加するバイアス電圧を調整して、この１次の下側帯波がキャンセルされるようにすることができることは容易に理解できる。これは、９０度ハイブリッドの特性である位相不平衡（ＰＨＡＳＥＩＭＢＳＬＳＮＣＥ）による雑音成分を、ＤＣ_Ｃに印加するバイアス電圧を調整して抑制することができることを意味している。
【００３６】
また、この位相不平衡は、一般に周波数に依存するため、基本波の場合とその３倍波の場合とは異なるものである。ここで、さらに３次の側帯波による雑音成分を抑制する場合は、図２に示す構成を用いる。まず、ＭＺ_ＣとＭＺ_Ｓとで、ＤＣ_Ｃに印加するバイアス電圧を調整して９０度ハイブリッドの特性である位相不平衡による雑音成分を抑制しておく。次に図２のＤＣ_Ｗを調整して３次の側帯波による雑音成分を抑制するものである。
【００３７】
図４に示す構成は、図３に示した構成の高周波源７を高周波掃引発振器８に変更し、この高周波掃引発振器８とバイアス発生器２とをコントローラ９で制御するものである。高周波掃引発振器８の発振周波数を掃引すると、上記の様に９０度ハイブリッドの特性である位相不平衡が変化するため、掃引区間で雑音成分を基準値以下にすることが難しい場合がある。
【００３８】
この様な場合は、予め雑音成分を抑制できるバイアス電圧と発振周波数との関係をそれぞれのバイアス電極について求めておき、周波数を掃引するにしたがって、このバイアス電圧を制御するものである。図４のコントローラ９は、このような方法にしたがって掃引周波数とバイアス電圧を制御するものである。
【００３９】
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。
【００４０】
【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。
【００４１】
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、変調信号間の位相差が９０度から僅かにずれていてノイズ成分がある場合でも、低雑音光周波数変換装置に印加するバイアス電圧を調整するだけでノイズ成分を抑制することができるようになる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、第４の発明では、周期的に周波数の変化する高周波電気信号を用いることにより、周波数掃引光発生器が実現できる。
【００４５】
また、第５の発明では、９０度ハイブリットの位相不平衡特性がある場合でも雑音成分を抑制した周波数掃引光発生器が実現できる。
【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。
【図４】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
８高周波掃引発振器
９コントローラ

Claims

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・ツェンダ干渉計型位相変調器と第２のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器とを、２つのアームの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、
第１のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器に設けられた光波の位相を制御する第１の電極と、
第２のマッハ・ツェンダ干渉計型位相変調器に設けられた光波の位相を制御する第２の電極と、
上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器の上記の２つのそれぞれのアームを伝搬する光波の位相を制御する第３の電極と、
予め決められた高周波電気信号である基本波を入力する手段と、
その基本波の３倍波を生成する手段と、
上記の高周波電気信号である基本波とその基本波の３倍波との位相差を調製することのできる遅延手段と、
上記の基本波と上記の３倍波とを合波して、前記基本波と前記３倍波のそれぞれを概略９０度の位相差をもったそれぞれ２つ信号に分岐する分岐手段と、これらの信号を上記の変調するための信号の入力部に給電する給電手段とを備え、
前記基本波あるいは前記３倍波の分岐による上記の概略９０度の位相差をもった２つ信号の位相差の９０度からのずれに応じて第３の電極に印加するバイアス電圧を変えることにより、上記の位相差の９０度からのずれにより発生する上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器の出力に含まれる雑音成分を抑制することを特徴とする低雑音光周波数変換装置。
上記の分岐手段は、合波された上記の基本波と上記の３倍波とをそれぞれ概略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１に記載の低雑音光周波数変換装置。
上記の予め決められた高周波電気信号は、周期的に周波数の変化する高周波電気信号であり、出力される光の周波数が前記の高周波電気信号の周波数に応じて周波数が変化するという特徴を備えた請求項１から２のいずれかに記載された低雑音光周波数変換装置。
上記の予め決められた高周波電気信号は、時間的に周波数の変化する信号であり、上記の分岐手段は、この周波数の変化に応じて上記の位相差の９０度からのずれが変化する特性をもち、前記の位相差の９０度からのずれの代わりに上記の周波数を用いるものであって、
上記のマッハ・ツェンダ干渉計型ＳＳＢ変調器内のバイアス電圧を調整して光位相を調整する上記の雑音成分を抑制するための最適値と上記の周波数との予め取得した対応関係を用いて、周波数に応じて上記の雑音成分を抑制するバイアス電圧を選択する構成を備えることを特徴とする請求項３に記載の低雑音光周波数変換装置。