JP4072053B2 - 周波数シンセサイザ - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、ゼロヘルツ付近からにミリ波およびサブミリ波帯の範囲の周波数を生成するシンセサイザに関する。より具体的には、本発明は、光検出器を用いてレーザ信号を検出することによって出力周波数を生成し、最小出力周波数と最大出力周波数の間で、周波数の任意の小増分を可能にするシンセサイザに関する。
【０００２】
発明の背景
非常に広い周波数範囲にわたって動作できる周波数シンセサイザに対して多くの用途が存在する。計装、ミリ波およびサブミリ波、レーダ、通信システム、イメージングシステム、分光法用途および一般研究所テスト機器は、この分野における要求を有する。本発明がカバーする範囲における、現行の超広帯域周波数発生器は全ては、要求される出力周波数が特定の発生器タイプの範囲を超える際に、あるタイプの周波数発生器から別のタイプに切り換わることによって作動する。
【０００３】
２つ以上のレーザ源を合成し、この合成された信号を光検出器に与えることによって作動するあるタイプのシンセサイザが存在する。光検出器の出力は、とりわけｆＬ１−ｆＬ２を含み、ｆＬ１およびｆＬ２は２つのレーザ源のそれぞれの周波数である。ｆＬ１およびｆＬ２を適当に選択することによって、光検出器の帯域幅内の任意の周波数を生成することができる。この技法については幾つかの不都合がある。通常のレーザのライン幅は数メガヘルツ（ＭＨｚ）幅であり、光ダイオード内で２つの無相関のレーザ源を合成することは、ほとんどの実用的な目的に対しては雑音の多過ぎる出力信号を生成するであろう。この問題を２つのレーザ源を共通の基準信号に同期させることによって軽減する技法が存在する１、２。共通の基準信号としては、たとえば、雑音の殆どが相関しているため、必要とする出力には現れないような別のレーザ源があげられる。注入同期レーザは、基準レーザ源に容易に同期するため、そのレーザ源として一般に使用されるであろう。
【０００４】
これらの技法を使用して、低雑音の出力周波数を供給することができるが、これらの技法は、システム出力周波数が、最小約２、３百ＭＨｚの増分で調整できるだけである点で、システム出力周波数をやや変えにくいという欠点を有する。たとえば、基準源として複数の周波数出力を有するレーザが使用される場合、注入同期レーザのそれぞれは異なる出力に同期するが、信号が光検出器内で合成されると、出力周波数ステップは、基準レーザからの２つの連続する出力の間の差に制限される。最小ステップサイズを減ずるために、単位帯域幅当たりの、基準からの周波数出力の数を増やす場合、レーザ源のそれぞれを、特定の１つの周波数ラインに固定しておくことはより難しくなるであろう。ラインが互いに非常に近接している場合には、注入同期レーザのドリフトによって、周波数が、隣接するスペクトルラインに同期するであろう。
【０００５】
本発明は、これらの制限を克服し、また、所望の周波数の間で非常に高速の変化を実現する。
【０００６】
発明の記述、および利点
本発明によれば、第１光出力を供給し、少なくとも２つの異なる光周波数出力を供給することができる光基準発振器システムからの入力を取り込む、少なくとも１つの光周波数選択および変換デバイスを備える無線周波数シンセサイザが提供され、上記選択および変換デバイスからの上記第１出力は、上記光基準発振器システムから導出される第２光出力信号と合成され、検出される。
【０００７】
周波数選択機構と共に周波数変換デバイス（光基準システムの構成要素のいずれの構成要素の周波数とも異なる出力周波数を供給できるデバイス）を使用することによって、システム出力周波数を選ぶ際により大きな自由度が得られる。使用が可能でありタイプが異なる周波数変換デバイスがいくつか存在する。現行の方法は、限定はしないが、ヘテロダイン光位相同期ループ、音響光学周波数シフター、電気光学周波数シフターおよびヘテロダイン光注入位相同期ループを含む。これらの周波数変換デバイスは、特定のスペクトルライン周波数間隔で動作する光基準発振器システムからの入力信号を取り込んで、所望のスペクトルラインを選択し、選択されたスペクトルラインから、変換デバイスに入力される基準周波数に従った量だけ異なる出力信号を生成することができる。これらのデバイスのあるものは、光入力信号を取り込んで、入力信号の周波数を移動させるが、他のデバイスは、光入力信号を新しい光信号を生成する基礎として使用する。したがって、周波数変換デバイスのあるものは可変源として働くが、他のデバイスは、純粋に周波数シフターとして働く。後者のタイプは、基準発振器システムから好ましくない入力を除去するために、その動作に固有のフィルタリング作用がない場合は、可変光フィルタの付加を必要とするであろう。両方のタイプの周波数変換デバイスは、本発明と共に使用するのに適している。本発明は、上で明記した周波数変換デバイスの使用に限定するのではなくて、入力として光信号を取り込み、入力から統制された量だけ周波数が異なる出力として光信号を供給することができる任意のデバイスが、本発明を実施するのに適していることが理解されるであろう。
【０００８】
本明細書において、光信号は、レーザ技法を用いて生成することができる信号であると考えられることに留意されたい。これらの光信号は、約１０ＴＨｚ（３０μｍの波長に対応する）以上である。光検出器から出力されることができる信号は、ＲＦ信号であると考えられる。現行の技術によって、約１５０ＧＨｚの信号を検出することが可能だが、本発明は、より高い周波数上限を有する光検出器と共に機能するであろう。
【０００９】
以下で述べるように、第２出力信号はまた、周波数選択および変換デバイスから得られるため、本発明から、任意の出力周波数を選択することが、より便利になるのは有利である。
【００１０】
光基準発振器システムは、既知の周波数間隔でいくつかのスペクトルラインを生成できる光周波数コム（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂ：ＯＦＣ）発生器であるのが好ましい。しかし、光基準発振器システムは、共通信号源周波数に同期した２つ以上のレーザのシステムを備えることもでき、各レーザは異なる出力周波数を供給する。一般的に、光基準発振器システムは、基準を周波数選択機構に供給できる、異なる周波数の出力信号を２つ以上有する如何なるシステムでもよい。
【００１１】
種々のタイプのＯＦＣ発生器が存在し、その中のあるものは、他のものより本発明により適するであろう。隣接するコムライン（ｃｏｍｂ ｌｉｎｅ）の間の間隔は、周波数が一定しており、なおかつ所望の周波数に調整可能であるのが好ましい。使用される全スペクトルラインの振幅は同じであるのが好ましい。全コムラインは高い位相相関を有するのが好ましい。最小コム間隔は、周波数変換器が１つのスペクトルラインから別のラインへホッピングしないように、約１ＧＨｚから１０ＧＨｚであるのが好ましい。
【００１２】
いくつかの可能性は以下の通りである。
【００１３】
・モード同期レーザ２：
この方法は、複数ラインレーザを使用し、複数ラインレーザのモードは、レーザ共振器の周期的摂動（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）によって同期される。
【００１４】
・光パラメトリック発振器周波数分周器ＯＦＣ発生器３：
この方法は、単一レーザを使用して、一組の光パラメトリック発振器をポンピングする。その発振器の均等な間隔を持つ出力は、コムの主要な周波数マーカを形成する。
【００１５】
・外部共鳴キャビティ電気光学ＯＦＣ発生器４：
この方法は、単一搬送波周波数から、均等な間隔を持つモードのコムを生成することに依存する。電気光学変調器を使用して、光搬送波周波数の上にマイクロ波周波数を重ね合わせる。この方法は、正確にマイクロ波周波数の間隔を有するモードのコムを生じる。
【００１６】
・ファイバ法５：
ＯＣＦ生成のための単純な光ファイバループを使用するいくつかの技法が存在する。そのうちの一つは、ＨｏとＫａｈｎ６によって提案されたものであり、電気光学位相変調器ファイバループ構造を使用する。この技法の基本概念は、位相変調器を再循環ループ内に設置することであり、その結果、変調器を通る複数の光学パスによって位相変調が強められる。ループはまた、光増幅器を含んでラウンドトリップ損失を補償する。
【００１７】
本発明において使用するのに適していると思われるＯＦＣ生成のための他の技法が存在する。
【００１８】
検出器は光ダイオードであるのが好ましい。複数の入力周波数が光ダイオードに送られる場合、光検出プロセスの２乗法則の性質によって、異なる周波数項が生成するであろう。２つの光入力ａおよびｂがあり、
ａ＝Ａｓｉｎω１ｔ、
ｂ＝Ｂｓｉｎω２ｔ
であると仮定すると、検出プロセスによって、｜ω１−ω２｜の周波数成分が生ずるであろう。これは、周波数シンセサイザシステムからの所望の出力である。他の、好ましくない周波数成分もまた生ずるが、これらの成分は、好ましい項の成分よりずっと小さい傾向にあるであろう。
【００１９】
本発明によれば、信号を合成する方法であって、
レーザが使用する周波数帯域内で複数のスペクトルラインを有する出力を有する基準システムを設けるステップと、
上記出力を周波数選択および変換デバイスに与え、当該周波数選択および変換デバイスは、このデバイスの入力における上記複数のスペクトルラインから選択され、周波数領域において基準周波数入力によって決まる量だけ並行移動した単一のスペクトルラインを含む出力を有するステップと、
基準システムの出力を、単一のスペクトルラインを選択することができる周波数選択デバイスに与えるステップと、
上記周波数選択および変換デバイスからの出力と上記周波数選択デバイスからの出力とを取り込み、上記２つの出力を合成し、ダウンコンバート（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔ）して、無線周波数信号を生成するステップとを含む方法もまた提供される。
【００２０】
上述した方法における基準システムは、基準システムへの入力上に設置される無線周波数基準に従って、隣接するスペクトルラインの間の間隔を変えることができるのが好ましい。
【００２１】
上述した方法における周波数選択デバイスもまた、周波数変換手段を組み込めるのが好ましい。このことによって、出力周波数を選ぶ際により大きな多用性が生ずる。
【００２２】
本発明を使用して、正弦波波形を生成することができる。本発明を使用して、複数の正弦波成分から構成される、より複雑な波形をＲＦ出力に生成することもできる。簡単な方法で、変調ＲＦ波形もまた生成することができる。光変調器を光学経路に付加して、光周波数での変調を提供することができるか、または、周波数変換器自体を使用して、光出力が変調されるであろう。変調は、周波数変換器内で行われるであろうことが好ましい。後で合成される、光信号のうちの２つ以上が変調されて、複雑な変調信号が生成されるであろう。
【００２３】
発明の詳細な説明
上述した従来技術は、２つの注入同期レーザ（各レーザは、基準システムからの異なるスペクトルラインに同期する）からの出力を光ダイオードにおいて合成し、ＲＦ出力周波数を生成する。こうしたデバイスの周波数を調整するために、レーザの１つまたは両方が、基準システムからの異なるスペクトルラインに同期しなければならない。こうしたシステムの出力での最小周波数ステップｆ１は、注入同期レーザが密な間隔のスペクトルラインを選択する一定の能力と結びついて、基準システムのスペクトルラインの間隔に制限される。実際には、この制限は約１ＧＨｚである。
【００２４】
本発明はこの方法を改良する。基準システムが、たとえば、クロック基準周波数ｆＣをｆＣ＋ΔｆＣに変えることによって、そのスペクトル間隔を変更することができる場合、選ばれた特定のスペクトルラインおよび周波数ΔｆＣの両方を変えることによって、所定の任意の細かい増分が得られる。これについての不都合な点は、細かい増分が、全帯域幅にわたって一様に得ることができないことである。すなわち、細かい増分は、選ばれた出力周波数および選ばれたスペクトルラインの間のスペクトルライン間隔の数ｎによって決まる。
【００２５】
このシステムにおいて、注入同期レーザの１つが、周波数選択および変換デバイスと置き換えられて、その入力として特定のスペクトルラインを取り込み、その出力として、可変の変換周波数ｆ１だけ周波数が移動した上記スペクトルラインを含む信号を生成した場合、任意の細かい周波数増分が、全システム帯域幅にわたって可能である。このシステムの出力は、Ｆ＝ｎｆＣ±ｆ１となるであろう。ｆ１がステップΔｆ１で増分される場合、Ｆは、ｎおよびＦにかかわらず、ステップΔｆ１で増分される。
【００２６】
動作を更に都合よくするために、第２注入同期レーザもまた、周波数変換デバイスによって置き換えられて、その入力として特定のスペクトルラインを取り込み、その出力として、変換周波数ｆ２だけ周波数が移動した上記スペクトルラインを含む信号を生成することができる。こうしたシステムの出力は、Ｆ＝ｎｆＣ±ｆ１±ｆ２となるであろう。ｆ２がステップΔｆ２で増分される場合、Ｆは、ｎおよびＦにかかわらず、ステップΔｆ２で増分される。さらに、Δｆ２をΔｆ１の約数にすることによって、周波数増分Δｆ１の間の補間が、全出力周波数範囲にわたって可能である。
【００２７】
基準信号ｆＣ、ｆ１、ｆ２を生成する回路は比較的簡単であり、多くの技法が従来技術において日常使用されている。
【００２８】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに特に適した一のシステムは、ヘテロダイン光注入位相同期ループ（ＯＩＰＬＬ）である。
【００２９】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは、光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）である。
【００３０】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは、フィルタリングされた音響光学または電気光学変換器である。
【００３１】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは光変調器である。これは、振幅変調器または位相変調器であってよく、単側波帯または両側波帯であってよく、電気光学、音響光学またはＯＦＣからの入力に影響を与える他の物理的原理を利用し得る。単側波帯変調器については、ＯＦＣから必要とするスペクトルラインを選択する可変光フィルタを変調器の入力に設置することができる。他の変調器については、可変光フィルタは、好ましくない出力を除去するために、変調器の出力に設置されなければならない。好ましくない出力は、好ましい出力から変換周波数だけ離れていると思われるため、好ましくない出力の十分な抑圧を確実に行うために、フィルタ感度には特別な注意が払われねばならない。可変フィルタは、変換器のスプリアス排除を改善するために、全ての変調器タイプについて、入力に設置されることができる。光変調器はまた、ある所望の変調信号で光信号を変調するのに特に適している。この変調信号は、通常、ある情報コンテンツを搬送する低周波すなわちベースバンド信号であるが、用途によっては、高周波信号が変調波形として使用されることを必要とする可能性がある。
【００３２】
これらのデバイスの詳細は、以下で、また適当な参照文献において示される。
【００３３】
周波数変換デバイスからの光信号の合成は、光検出器自体または個別のコンバイナのいずれにおいても行うことができ、合成された光信号は、任意の都合の良い手段で光ダイオードに運ばれる。変換デバイスからの信号の偏波が、合成される前または合成される際に一致していることが重要である。具体的には、信号の電界は、ベクトル的に加算されるときに実質的にアライメントがとられているべきである。ミスアライメントによって、効率のよくないカップリングがもたらされ、合算した光信号の大きさは減り、それによって、システムの信号対雑音性能の劣化が生ずるであろう。
【００３４】
本発明の特定の実施形態のいくつかの例が、ここで、添付の例示的な図面を参照して、単に例として説明されるであろう。
【００３５】
発明の詳細な説明
図１を参照すると、周波数同期入力９を有する光コム発生器ＯＣＧ１は、光基準発振器システムの役割を果たし、周波数同期入力９に出力された信号周波数だけ周波数が離れたスペクトルラインを含む信号出力を供給する。ＲＦ周波数基準器２は、信号ｆＣを周波数同期入力９に供給し、したがって、ｆＣの間隔で配置されたスペクトルラインをＯＣＧの出力に供給するのに資する。
【００３６】
周波数選択および変換デバイス３、５はそれぞれＯＣＧのスペクトルラインの１つに同期し、ラインの選択は所望の出力周波数で決まる。周波数選択および変換デバイス３、５は共に、それぞれそれ自身のＲＦ周波数基準器４、６を有する。
【００３７】
周波数選択および変換デバイスは個別に動作して、ＯＦＣに同期した光周波数を合成することができるが、ＲＦ合成は、図１に示す２つ以上の周波数選択および変換デバイスの出力を合成することか、または、１つ以上の周波数選択デバイスを有する１つの周波数選択および変換デバイスによって得られる。
【００３８】
以下に、ＲＦシンセサイザの動作を説明する。この説明において、取り上げる周波数は説明のためだけのものであり、本発明は、これらの周波数に限定されない。ＯＦＣは１ＧＨｚに設定された基準入力信号を有し、第１の周波数選択および変換デバイス３は、１ＭＨｚステップで、１ＧＨｚと２ＧＨｚの間の範囲のある周波数に設定されたＲＦ周波数基準器４を有し、第２の周波数選択および変換デバイス５は、１ＫＨｚステップで、１ＧＨｚと１．００１ＧＨｚの間の範囲のある周波数に設定されたＲＦ周波数基準器６を有する。ｆ１およびｆ２に対して選ばれる周波数範囲の下端は、理論的に必要とされるよりずっと高く設定されるので、１／ｆ雑音問題は低減され、ＯＰＬＬ／ＯＩＰＬＬが周波数選択および変換デバイスとして使用される際に、広いループ帯域幅を使用して、短い同期時間を得ることができる。
【００３９】
このシステムは、１ｋＨｚステップで、１ｋＨｚから光検出器の周波数上限までの周波数範囲を有するＲＦ出力を供給することができる。もちろん、ｆ２の増分サイズを小さくすることによって、任意の小周波数増分および最小周波数を得ることができる。
【００４０】
ＲＦ周波数基準器２、４、６はそれぞれ、ＲＦ周波数シンセサイザから構成され、基準器４および６は上述した制限された範囲にわたって周波数を変えることができる。全ての周波数基準器２、４、６は、図面上では示されていない共通基準に同期する。
【００４１】
基準器１３と共に別の周波数選択および変換デバイスがシステムに付加されて、上で想定される正弦波より複雑な波形を生成することができる。
【００４２】
図２ａは、ＯＣＧの出力に見られるであろう通常のコムラインを図式で示す。全体のスペクトルは、周波数選択および変換デバイス３、５の入力に与えられる。
【００４３】
図２ｂは、周波数選択および変換デバイス３がＯＣＧスペクトルの特定の成分を選択し、それをｆ１だけ変換する方法を示す。
【００４４】
図２ｃは、周波数選択および変換デバイス５がＯＣＧスペクトルの第２の成分を選択し、それをｆ２だけ変換する方法を示す。デバイス５が選択するコムラインは、デバイス３が選択するコムラインから２ｆＣだけ離れる。
【００４５】
図２ｄは、周波数選択および変換デバイス３および５の出力を合成した結果、光検出器に与えられる光スペクトルが、２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２だけ離れた２つの光成分を含むことを示す。
【００４６】
図２ｅは、包絡線検出後のＲＦスペクトルが２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２の単一成分を含むことを示す。
【００４７】
図３は、あるタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちＯＰＬＬの動作をより詳細に示す。
【００４８】
ＯＦＣ発生器１からの入力は、可変スレーブレーザ１４からの出力のサンプルと合成され、その結果、光検出器（ＰＤ）１６での検出の前に、その電界が重なる。ＰＤ１６からの出力は、増幅器（Ａ）１７で増幅され、ミキサ（Ｍ）１８の信号入力に送られる。オフセット周波数ｆｎは、ミキサ１８のローカル発振器入力に印加される。ミキサ１８（ゼロ周波数にまで延びる周波数応答を有しなければならない）の中間周波数出力ポートは、ループフィルタ（ＬＦ）１９の入力に接続される。ＬＦ１９は、よく知られている位相同期ループ理論に従って、必要とされる最小オフセット周波数ｆｎより大幅に小さい通過帯域を有するようにデザインされる。ＬＦ１９は、同期収集および検出回路を組み込むことができる。ＬＦ１９からの出力は、ＳＬ１４の同調制御部に接続される。ＳＬ１４は、可変外部キャビティレーザまたは好ましくは集積型可変レーザであってよい。ＳＬ１４からの出力は、周波数選択および変換機構からの出力を形成する。ＰＤ１６、Ａ１７、Ｍ１８、ＬＦ１９、ＳＬ１４を備える制御ループは、ＰＤ１６の出力のヘテロダイン周波数がオフセット周波数ｆｎにちょうど等しいときに同期する。
【００４９】
ＯＰＬＬは、信号が制御ループのまわりを伝搬するのにかかる時間が、ＳＬ１４のスペクトルライン幅の逆数に対して小さいところで使用するのに適する。
【００５０】
図４は、別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちヘテロダインＯＩＰＬＬの動作を詳細に示す。
【００５１】
この手法において、周波数変換デバイス（Ｔ）２０（電気光学、音響光学または他の物理的原理を用いた光単側波帯変調器または光強度若しくは位相変調器であってよい）は、上述したＯＰＬＬ回路内に付加される。周波数変換デバイス２０を使用して、ＯＦＣ発生器のスペクトルが、必要とされるオフセットだけ変換される。Ｔ２０からの出力をスレーブレーザ１４に合成して、その出力を必要とされる出力周波数に注入同期するようにする。この手法は、ＯＰＬＬの制御ループ遅延制約を回避し、したがって、ＳＬ１４が集積型半導体レーザである用途に好適である。ＰＤからＡ、ＭおよびＬＦを通ってＳＬに至る位相同期ループ経路は、ＳＬ上で環境外乱を追跡し、注入同期のみが使用されるときに得られるよりも、ずっと広い同期範囲を提供するように、狭い帯域幅を有するようデザインすることができる。オフセット信号源とＴ２０の間、およびオフセット信号源とＭの間の経路長は、注入同期プロセスと位相同期プロセスが建設的に足し合わされるように調整される。
【００５２】
図５は、別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちフィルタリングされた音響光学または電気光学変換器の動作を詳細に示す。
【００５３】
この手法において、周波数変換デバイスＴ（電気光学、音響光学または他の物理的原理を用いた光単側波帯変調器または光強度若しくは位相変調器であってよい）は、必要とするコムスペクトルをオフセットだけ変換するのに使用される。Ｔからの出力は、可変光フィルタＴＦに送られ、ＴＦは制御入力によって同調させられて、必要とするオフセットコムラインが選択される。単側波帯変換デバイスが使用されない場合、この手法が必要とするのは、最小オフセット周波数が可変光フィルタの帯域幅に対して大きいことである。図には示していないが、ミキシングプロセスから生じる好ましくないスプリアス信号を更に減らすため、周波数変換デバイスＴの前に可変光フィルタを含んでいると有利である。
【００５４】
図６は、光周波数選択および変換デバイスのうちの１つからの光経路内にある光変調器２１を示しており、光変調器２１は、システムが変調信号を生成することを可能にする。通常、変調信号ｆｍは、ベースバンド信号であるが、ベースバンド信号を用いて変調された搬送波をそれ自身が含む中間周波数（ＩＦ）信号であってもよい。変調器は、複数の選択および変換デバイスの光経路内に位置して、生成される最終のＲＦ信号の多用性を増す。変調器は、信号が合成される以前に位置するものとして図６に示されているが、コンバイナ（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）の後に位置することもできる。しかし、この時、変調器は、同じ変調信号を全ての光信号に加算できるだけである。
【００５５】
光周波数選択および変換デバイス３、５の出力は合成されて光検出器に加えられる。光検出器は、生成される最大周波数より大きな帯域幅を有するべきである。上述したように、合成プロセスは、２つの光出力の電界が重なるようになされるべきである。
【００５６】
本発明を組み込む通信システムは特別の利益を受けるだろう。広帯域通信が可能で、周波数変更を高速に行える。また、それぞれが独立した変調信号を有し、複数の出力を有する信号を生成することができる。このことは、複数のモバイル受信器に対して信号を生成するのに特に適する可能性がある。このシステムはまた、広帯域変調波を生成することをしばしば必要とするレーダシステムに組み込まれれば利益を受けるだろう。
【００５７】
特に上述の用途において使用される場合、任意の周波数シンセサイザについての重要な性能パラメータはスプリアス出力のレベルである。従来のマルチオクターブシンセサイザは、強い高調波スプリアス信号（好ましい出力に対して、＞−４０ｄＢ）およびサブ高調波スプリアス信号をしばしば生成する。本発明について、スプリアス信号のレベルは、光周波数選択デバイスまたは光周波数選択および変換デバイスのフィルタリング効率によって決まる。１７．５ＧＨｚのコムライン間隔を有する注入同期ＳＧ−ＤＢＲレーザを使用すると、＞３０ｄＢの隣接コムラインの抑圧が実証された７。これは、検出されるＲＦ出力で＞６０ｄＢの抑圧に対応する。詳細なモデリング８は、注入同期ＤＦＢレーザ出力パワーに対する−４０ｄＢの注入パワーについて、１０ＧＨｚだけ間隔のあるラインが、＞３６ｄＢだけ抑圧されることを示した。これは、検出されるＲＦ出力で＞７２ｄＢの抑圧に対応する。ライン間隔を１ＧＨｚに減ずることは、ＤＦＢレーザの利得変調効果により、光出力の抑圧を＜１６ｄＢに減ずることであり、これは、検出されるＲＦ出力で＜３２ｄＢの抑圧に対応する。こうした理由で、また注入同期ＤＦＢレーザの温度および電流制御要件を緩和するために、コムライン間隔＞２ＧＨｚが好ましい。
【００５８】
参考文献
１ 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」，Ｌ Ｇｏｌｄｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ，２２９−２３２，１９９０ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｄｉｇｅｓｔ．
２ 「Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈａｖｉｎｇ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−Ｌｏｃｋｅｄ ｔｏ ａ Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌａｓｅｒ」，Ｇｒａｎｔｅｄ ｐａｔｅｎｔ，ＵＳ ５，３７９，３０９．（米国特許第５，３７９，３０９号明細書）
３ 「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｄ Ｌｅｅ ａｎｄ ＮＣ Ｗｏｎｇ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１５ ｐｐ．１１２９−１１３１，１９９０．
４ 「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」，ＡＳ Ｂｅｌｌ，ＧＭ ＭｃＦａｒｌａｎｅ，Ｅ Ｒｉｉｓ，ａｎｄ Ｉ Ｆｅｒｇｕｓｏｎ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ ２０，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１４３５−１４３７，１９９５．
５ 「Ａ ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｏｕｒｃｅ ｈａｖｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｆｏｒ ＷＤＭ ｓｙｓｔｅｍｓ」，ＪＪ Ｖｅｓｅｌｋａ ａｎｄ ＳＫ Ｋｏｒｏｔｋｙ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１０，ｎｏ．７ １９９８．
６ 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏｏｐ」，ＫＰ ＨＯ ａｎｄ ＪＭ Ｋａｈｎ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．６，ｐ．７２１−７２５，１９９３．
７ 「Ｅｘａｃｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｖｅｒ ＞ １ＴＨｚ ｕｓｉｎｇ ＳＧ−ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ」，Ｃ．Ｆ．Ｃ．Ｓｉｌｖａ，Ｌ．Ｎ．Ｌａｎｇｌｅｙ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｓｅｅｄｓ，ＣＬＥＯ Ｅｕｒｏｐｅ ２０００，Ｎｉｃｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０００，ｐ．１６３．
８ 「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｂ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ」，Ｂ．Ｃａｉ，Ｄ．Ｗａｋｅ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｓｅｅｄｓ，ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ ＲＦ Ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｋｅｙｓｔｏｎｅ，ＵＳＡ，Ａｕｇｕｓｔ １９９５，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ １９９５ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇｓ，ｐｐ．１３−１４．
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態の主要構成部品の基本レイアウトを示すブロック図である。
【図２ａ】 図２ａは、図１に示すレイアウトのＯＣＧの出力に見られるであろう通常のコムラインを示す図である。
【図２ｂ】 図２ｂは、周波数選択および変換デバイスがＯＣＧスペクトルの特定の成分を選択し、それをｆ１だけ変換する方法を示す図である。
【図２ｃ】 図２ｃは、周波数選択および変換デバイスがＯＣＧスペクトルの第２の成分を選択し、それをｆ２だけ変換する方法を示す図である。
【図２ｄ】 図２ｄは、周波数選択および変換デバイスの出力を合成した結果、光検出器に与えられる光スペクトルが、２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２だけ離れた２つの光成分を含むことを示す。
【図２ｅ】 図２ｅは、包絡線検出後ＲＦスペクトルが２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２の単一成分を含むことを示す。
【図３】 １つのタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちヘテロダイン光位相同期ループの動作を詳細に示す図である。
【図４】 １つのタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわち光注入位相同期ループの動作を詳細に示す図である。
【図５】 別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちフィルタリングされた光変調器の動作を詳細に示す図である。
【図６】 変換器からの出力のうちの１つに光変調器を組み込んでいるシステムを示す図である。
本発明は、ゼロヘルツ付近からにミリ波およびサブミリ波帯の範囲の周波数を生成するシンセサイザに関する。より具体的には、本発明は、光検出器を用いてレーザ信号を検出することによって出力周波数を生成し、最小出力周波数と最大出力周波数の間で、周波数の任意の小増分を可能にするシンセサイザに関する。
【０００２】
発明の背景
非常に広い周波数範囲にわたって動作できる周波数シンセサイザに対して多くの用途が存在する。計装、ミリ波およびサブミリ波、レーダ、通信システム、イメージングシステム、分光法用途および一般研究所テスト機器は、この分野における要求を有する。本発明がカバーする範囲における、現行の超広帯域周波数発生器は全ては、要求される出力周波数が特定の発生器タイプの範囲を超える際に、あるタイプの周波数発生器から別のタイプに切り換わることによって作動する。
【０００３】
２つ以上のレーザ源を合成し、この合成された信号を光検出器に与えることによって作動するあるタイプのシンセサイザが存在する。光検出器の出力は、とりわけｆＬ１−ｆＬ２を含み、ｆＬ１およびｆＬ２は２つのレーザ源のそれぞれの周波数である。ｆＬ１およびｆＬ２を適当に選択することによって、光検出器の帯域幅内の任意の周波数を生成することができる。この技法については幾つかの不都合がある。通常のレーザのライン幅は数メガヘルツ（ＭＨｚ）幅であり、光ダイオード内で２つの無相関のレーザ源を合成することは、ほとんどの実用的な目的に対しては雑音の多過ぎる出力信号を生成するであろう。この問題を２つのレーザ源を共通の基準信号に同期させることによって軽減する技法が存在する１、２。共通の基準信号としては、たとえば、雑音の殆どが相関しているため、必要とする出力には現れないような別のレーザ源があげられる。注入同期レーザは、基準レーザ源に容易に同期するため、そのレーザ源として一般に使用されるであろう。
【０００４】
これらの技法を使用して、低雑音の出力周波数を供給することができるが、これらの技法は、システム出力周波数が、最小約２、３百ＭＨｚの増分で調整できるだけである点で、システム出力周波数をやや変えにくいという欠点を有する。たとえば、基準源として複数の周波数出力を有するレーザが使用される場合、注入同期レーザのそれぞれは異なる出力に同期するが、信号が光検出器内で合成されると、出力周波数ステップは、基準レーザからの２つの連続する出力の間の差に制限される。最小ステップサイズを減ずるために、単位帯域幅当たりの、基準からの周波数出力の数を増やす場合、レーザ源のそれぞれを、特定の１つの周波数ラインに固定しておくことはより難しくなるであろう。ラインが互いに非常に近接している場合には、注入同期レーザのドリフトによって、周波数が、隣接するスペクトルラインに同期するであろう。
【０００５】
本発明は、これらの制限を克服し、また、所望の周波数の間で非常に高速の変化を実現する。
【０００６】
発明の記述、および利点
本発明によれば、第１光出力を供給し、少なくとも２つの異なる光周波数出力を供給することができる光基準発振器システムからの入力を取り込む、少なくとも１つの光周波数選択および変換デバイスを備える無線周波数シンセサイザが提供され、上記選択および変換デバイスからの上記第１出力は、上記光基準発振器システムから導出される第２光出力信号と合成され、検出される。
【０００７】
周波数選択機構と共に周波数変換デバイス（光基準システムの構成要素のいずれの構成要素の周波数とも異なる出力周波数を供給できるデバイス）を使用することによって、システム出力周波数を選ぶ際により大きな自由度が得られる。使用が可能でありタイプが異なる周波数変換デバイスがいくつか存在する。現行の方法は、限定はしないが、ヘテロダイン光位相同期ループ、音響光学周波数シフター、電気光学周波数シフターおよびヘテロダイン光注入位相同期ループを含む。これらの周波数変換デバイスは、特定のスペクトルライン周波数間隔で動作する光基準発振器システムからの入力信号を取り込んで、所望のスペクトルラインを選択し、選択されたスペクトルラインから、変換デバイスに入力される基準周波数に従った量だけ異なる出力信号を生成することができる。これらのデバイスのあるものは、光入力信号を取り込んで、入力信号の周波数を移動させるが、他のデバイスは、光入力信号を新しい光信号を生成する基礎として使用する。したがって、周波数変換デバイスのあるものは可変源として働くが、他のデバイスは、純粋に周波数シフターとして働く。後者のタイプは、基準発振器システムから好ましくない入力を除去するために、その動作に固有のフィルタリング作用がない場合は、可変光フィルタの付加を必要とするであろう。両方のタイプの周波数変換デバイスは、本発明と共に使用するのに適している。本発明は、上で明記した周波数変換デバイスの使用に限定するのではなくて、入力として光信号を取り込み、入力から統制された量だけ周波数が異なる出力として光信号を供給することができる任意のデバイスが、本発明を実施するのに適していることが理解されるであろう。
【０００８】
本明細書において、光信号は、レーザ技法を用いて生成することができる信号であると考えられることに留意されたい。これらの光信号は、約１０ＴＨｚ（３０μｍの波長に対応する）以上である。光検出器から出力されることができる信号は、ＲＦ信号であると考えられる。現行の技術によって、約１５０ＧＨｚの信号を検出することが可能だが、本発明は、より高い周波数上限を有する光検出器と共に機能するであろう。
【０００９】
以下で述べるように、第２出力信号はまた、周波数選択および変換デバイスから得られるため、本発明から、任意の出力周波数を選択することが、より便利になるのは有利である。
【００１０】
光基準発振器システムは、既知の周波数間隔でいくつかのスペクトルラインを生成できる光周波数コム（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂ：ＯＦＣ）発生器であるのが好ましい。しかし、光基準発振器システムは、共通信号源周波数に同期した２つ以上のレーザのシステムを備えることもでき、各レーザは異なる出力周波数を供給する。一般的に、光基準発振器システムは、基準を周波数選択機構に供給できる、異なる周波数の出力信号を２つ以上有する如何なるシステムでもよい。
【００１１】
種々のタイプのＯＦＣ発生器が存在し、その中のあるものは、他のものより本発明により適するであろう。隣接するコムライン（ｃｏｍｂ ｌｉｎｅ）の間の間隔は、周波数が一定しており、なおかつ所望の周波数に調整可能であるのが好ましい。使用される全スペクトルラインの振幅は同じであるのが好ましい。全コムラインは高い位相相関を有するのが好ましい。最小コム間隔は、周波数変換器が１つのスペクトルラインから別のラインへホッピングしないように、約１ＧＨｚから１０ＧＨｚであるのが好ましい。
【００１２】
いくつかの可能性は以下の通りである。
【００１３】
・モード同期レーザ２：
この方法は、複数ラインレーザを使用し、複数ラインレーザのモードは、レーザ共振器の周期的摂動（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）によって同期される。
【００１４】
・光パラメトリック発振器周波数分周器ＯＦＣ発生器３：
この方法は、単一レーザを使用して、一組の光パラメトリック発振器をポンピングする。その発振器の均等な間隔を持つ出力は、コムの主要な周波数マーカを形成する。
【００１５】
・外部共鳴キャビティ電気光学ＯＦＣ発生器４：
この方法は、単一搬送波周波数から、均等な間隔を持つモードのコムを生成することに依存する。電気光学変調器を使用して、光搬送波周波数の上にマイクロ波周波数を重ね合わせる。この方法は、正確にマイクロ波周波数の間隔を有するモードのコムを生じる。
【００１６】
・ファイバ法５：
ＯＣＦ生成のための単純な光ファイバループを使用するいくつかの技法が存在する。そのうちの一つは、ＨｏとＫａｈｎ６によって提案されたものであり、電気光学位相変調器ファイバループ構造を使用する。この技法の基本概念は、位相変調器を再循環ループ内に設置することであり、その結果、変調器を通る複数の光学パスによって位相変調が強められる。ループはまた、光増幅器を含んでラウンドトリップ損失を補償する。
【００１７】
本発明において使用するのに適していると思われるＯＦＣ生成のための他の技法が存在する。
【００１８】
検出器は光ダイオードであるのが好ましい。複数の入力周波数が光ダイオードに送られる場合、光検出プロセスの２乗法則の性質によって、異なる周波数項が生成するであろう。２つの光入力ａおよびｂがあり、
ａ＝Ａｓｉｎω１ｔ、
ｂ＝Ｂｓｉｎω２ｔ
であると仮定すると、検出プロセスによって、｜ω１−ω２｜の周波数成分が生ずるであろう。これは、周波数シンセサイザシステムからの所望の出力である。他の、好ましくない周波数成分もまた生ずるが、これらの成分は、好ましい項の成分よりずっと小さい傾向にあるであろう。
【００１９】
本発明によれば、信号を合成する方法であって、
レーザが使用する周波数帯域内で複数のスペクトルラインを有する出力を有する基準システムを設けるステップと、
上記出力を周波数選択および変換デバイスに与え、当該周波数選択および変換デバイスは、このデバイスの入力における上記複数のスペクトルラインから選択され、周波数領域において基準周波数入力によって決まる量だけ並行移動した単一のスペクトルラインを含む出力を有するステップと、
基準システムの出力を、単一のスペクトルラインを選択することができる周波数選択デバイスに与えるステップと、
上記周波数選択および変換デバイスからの出力と上記周波数選択デバイスからの出力とを取り込み、上記２つの出力を合成し、ダウンコンバート（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔ）して、無線周波数信号を生成するステップとを含む方法もまた提供される。
【００２０】
上述した方法における基準システムは、基準システムへの入力上に設置される無線周波数基準に従って、隣接するスペクトルラインの間の間隔を変えることができるのが好ましい。
【００２１】
上述した方法における周波数選択デバイスもまた、周波数変換手段を組み込めるのが好ましい。このことによって、出力周波数を選ぶ際により大きな多用性が生ずる。
【００２２】
本発明を使用して、正弦波波形を生成することができる。本発明を使用して、複数の正弦波成分から構成される、より複雑な波形をＲＦ出力に生成することもできる。簡単な方法で、変調ＲＦ波形もまた生成することができる。光変調器を光学経路に付加して、光周波数での変調を提供することができるか、または、周波数変換器自体を使用して、光出力が変調されるであろう。変調は、周波数変換器内で行われるであろうことが好ましい。後で合成される、光信号のうちの２つ以上が変調されて、複雑な変調信号が生成されるであろう。
【００２３】
発明の詳細な説明
上述した従来技術は、２つの注入同期レーザ（各レーザは、基準システムからの異なるスペクトルラインに同期する）からの出力を光ダイオードにおいて合成し、ＲＦ出力周波数を生成する。こうしたデバイスの周波数を調整するために、レーザの１つまたは両方が、基準システムからの異なるスペクトルラインに同期しなければならない。こうしたシステムの出力での最小周波数ステップｆ１は、注入同期レーザが密な間隔のスペクトルラインを選択する一定の能力と結びついて、基準システムのスペクトルラインの間隔に制限される。実際には、この制限は約１ＧＨｚである。
【００２４】
本発明はこの方法を改良する。基準システムが、たとえば、クロック基準周波数ｆＣをｆＣ＋ΔｆＣに変えることによって、そのスペクトル間隔を変更することができる場合、選ばれた特定のスペクトルラインおよび周波数ΔｆＣの両方を変えることによって、所定の任意の細かい増分が得られる。これについての不都合な点は、細かい増分が、全帯域幅にわたって一様に得ることができないことである。すなわち、細かい増分は、選ばれた出力周波数および選ばれたスペクトルラインの間のスペクトルライン間隔の数ｎによって決まる。
【００２５】
このシステムにおいて、注入同期レーザの１つが、周波数選択および変換デバイスと置き換えられて、その入力として特定のスペクトルラインを取り込み、その出力として、可変の変換周波数ｆ１だけ周波数が移動した上記スペクトルラインを含む信号を生成した場合、任意の細かい周波数増分が、全システム帯域幅にわたって可能である。このシステムの出力は、Ｆ＝ｎｆＣ±ｆ１となるであろう。ｆ１がステップΔｆ１で増分される場合、Ｆは、ｎおよびＦにかかわらず、ステップΔｆ１で増分される。
【００２６】
動作を更に都合よくするために、第２注入同期レーザもまた、周波数変換デバイスによって置き換えられて、その入力として特定のスペクトルラインを取り込み、その出力として、変換周波数ｆ２だけ周波数が移動した上記スペクトルラインを含む信号を生成することができる。こうしたシステムの出力は、Ｆ＝ｎｆＣ±ｆ１±ｆ２となるであろう。ｆ２がステップΔｆ２で増分される場合、Ｆは、ｎおよびＦにかかわらず、ステップΔｆ２で増分される。さらに、Δｆ２をΔｆ１の約数にすることによって、周波数増分Δｆ１の間の補間が、全出力周波数範囲にわたって可能である。
【００２７】
基準信号ｆＣ、ｆ１、ｆ２を生成する回路は比較的簡単であり、多くの技法が従来技術において日常使用されている。
【００２８】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに特に適した一のシステムは、ヘテロダイン光注入位相同期ループ（ＯＩＰＬＬ）である。
【００２９】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは、光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）である。
【００３０】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは、フィルタリングされた音響光学または電気光学変換器である。
【００３１】
周波数選択および変換デバイスとして使用するのに適した別のシステムは光変調器である。これは、振幅変調器または位相変調器であってよく、単側波帯または両側波帯であってよく、電気光学、音響光学またはＯＦＣからの入力に影響を与える他の物理的原理を利用し得る。単側波帯変調器については、ＯＦＣから必要とするスペクトルラインを選択する可変光フィルタを変調器の入力に設置することができる。他の変調器については、可変光フィルタは、好ましくない出力を除去するために、変調器の出力に設置されなければならない。好ましくない出力は、好ましい出力から変換周波数だけ離れていると思われるため、好ましくない出力の十分な抑圧を確実に行うために、フィルタ感度には特別な注意が払われねばならない。可変フィルタは、変換器のスプリアス排除を改善するために、全ての変調器タイプについて、入力に設置されることができる。光変調器はまた、ある所望の変調信号で光信号を変調するのに特に適している。この変調信号は、通常、ある情報コンテンツを搬送する低周波すなわちベースバンド信号であるが、用途によっては、高周波信号が変調波形として使用されることを必要とする可能性がある。
【００３２】
これらのデバイスの詳細は、以下で、また適当な参照文献において示される。
【００３３】
周波数変換デバイスからの光信号の合成は、光検出器自体または個別のコンバイナのいずれにおいても行うことができ、合成された光信号は、任意の都合の良い手段で光ダイオードに運ばれる。変換デバイスからの信号の偏波が、合成される前または合成される際に一致していることが重要である。具体的には、信号の電界は、ベクトル的に加算されるときに実質的にアライメントがとられているべきである。ミスアライメントによって、効率のよくないカップリングがもたらされ、合算した光信号の大きさは減り、それによって、システムの信号対雑音性能の劣化が生ずるであろう。
【００３４】
本発明の特定の実施形態のいくつかの例が、ここで、添付の例示的な図面を参照して、単に例として説明されるであろう。
【００３５】
発明の詳細な説明
図１を参照すると、周波数同期入力９を有する光コム発生器ＯＣＧ１は、光基準発振器システムの役割を果たし、周波数同期入力９に出力された信号周波数だけ周波数が離れたスペクトルラインを含む信号出力を供給する。ＲＦ周波数基準器２は、信号ｆＣを周波数同期入力９に供給し、したがって、ｆＣの間隔で配置されたスペクトルラインをＯＣＧの出力に供給するのに資する。
【００３６】
周波数選択および変換デバイス３、５はそれぞれＯＣＧのスペクトルラインの１つに同期し、ラインの選択は所望の出力周波数で決まる。周波数選択および変換デバイス３、５は共に、それぞれそれ自身のＲＦ周波数基準器４、６を有する。
【００３７】
周波数選択および変換デバイスは個別に動作して、ＯＦＣに同期した光周波数を合成することができるが、ＲＦ合成は、図１に示す２つ以上の周波数選択および変換デバイスの出力を合成することか、または、１つ以上の周波数選択デバイスを有する１つの周波数選択および変換デバイスによって得られる。
【００３８】
以下に、ＲＦシンセサイザの動作を説明する。この説明において、取り上げる周波数は説明のためだけのものであり、本発明は、これらの周波数に限定されない。ＯＦＣは１ＧＨｚに設定された基準入力信号を有し、第１の周波数選択および変換デバイス３は、１ＭＨｚステップで、１ＧＨｚと２ＧＨｚの間の範囲のある周波数に設定されたＲＦ周波数基準器４を有し、第２の周波数選択および変換デバイス５は、１ＫＨｚステップで、１ＧＨｚと１．００１ＧＨｚの間の範囲のある周波数に設定されたＲＦ周波数基準器６を有する。ｆ１およびｆ２に対して選ばれる周波数範囲の下端は、理論的に必要とされるよりずっと高く設定されるので、１／ｆ雑音問題は低減され、ＯＰＬＬ／ＯＩＰＬＬが周波数選択および変換デバイスとして使用される際に、広いループ帯域幅を使用して、短い同期時間を得ることができる。
【００３９】
このシステムは、１ｋＨｚステップで、１ｋＨｚから光検出器の周波数上限までの周波数範囲を有するＲＦ出力を供給することができる。もちろん、ｆ２の増分サイズを小さくすることによって、任意の小周波数増分および最小周波数を得ることができる。
【００４０】
ＲＦ周波数基準器２、４、６はそれぞれ、ＲＦ周波数シンセサイザから構成され、基準器４および６は上述した制限された範囲にわたって周波数を変えることができる。全ての周波数基準器２、４、６は、図面上では示されていない共通基準に同期する。
【００４１】
基準器１３と共に別の周波数選択および変換デバイスがシステムに付加されて、上で想定される正弦波より複雑な波形を生成することができる。
【００４２】
図２ａは、ＯＣＧの出力に見られるであろう通常のコムラインを図式で示す。全体のスペクトルは、周波数選択および変換デバイス３、５の入力に与えられる。
【００４３】
図２ｂは、周波数選択および変換デバイス３がＯＣＧスペクトルの特定の成分を選択し、それをｆ１だけ変換する方法を示す。
【００４４】
図２ｃは、周波数選択および変換デバイス５がＯＣＧスペクトルの第２の成分を選択し、それをｆ２だけ変換する方法を示す。デバイス５が選択するコムラインは、デバイス３が選択するコムラインから２ｆＣだけ離れる。
【００４５】
図２ｄは、周波数選択および変換デバイス３および５の出力を合成した結果、光検出器に与えられる光スペクトルが、２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２だけ離れた２つの光成分を含むことを示す。
【００４６】
図２ｅは、包絡線検出後のＲＦスペクトルが２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２の単一成分を含むことを示す。
【００４７】
図３は、あるタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちＯＰＬＬの動作をより詳細に示す。
【００４８】
ＯＦＣ発生器１からの入力は、可変スレーブレーザ１４からの出力のサンプルと合成され、その結果、光検出器（ＰＤ）１６での検出の前に、その電界が重なる。ＰＤ１６からの出力は、増幅器（Ａ）１７で増幅され、ミキサ（Ｍ）１８の信号入力に送られる。オフセット周波数ｆｎは、ミキサ１８のローカル発振器入力に印加される。ミキサ１８（ゼロ周波数にまで延びる周波数応答を有しなければならない）の中間周波数出力ポートは、ループフィルタ（ＬＦ）１９の入力に接続される。ＬＦ１９は、よく知られている位相同期ループ理論に従って、必要とされる最小オフセット周波数ｆｎより大幅に小さい通過帯域を有するようにデザインされる。ＬＦ１９は、同期収集および検出回路を組み込むことができる。ＬＦ１９からの出力は、ＳＬ１４の同調制御部に接続される。ＳＬ１４は、可変外部キャビティレーザまたは好ましくは集積型可変レーザであってよい。ＳＬ１４からの出力は、周波数選択および変換機構からの出力を形成する。ＰＤ１６、Ａ１７、Ｍ１８、ＬＦ１９、ＳＬ１４を備える制御ループは、ＰＤ１６の出力のヘテロダイン周波数がオフセット周波数ｆｎにちょうど等しいときに同期する。
【００４９】
ＯＰＬＬは、信号が制御ループのまわりを伝搬するのにかかる時間が、ＳＬ１４のスペクトルライン幅の逆数に対して小さいところで使用するのに適する。
【００５０】
図４は、別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちヘテロダインＯＩＰＬＬの動作を詳細に示す。
【００５１】
この手法において、周波数変換デバイス（Ｔ）２０（電気光学、音響光学または他の物理的原理を用いた光単側波帯変調器または光強度若しくは位相変調器であってよい）は、上述したＯＰＬＬ回路内に付加される。周波数変換デバイス２０を使用して、ＯＦＣ発生器のスペクトルが、必要とされるオフセットだけ変換される。Ｔ２０からの出力をスレーブレーザ１４に合成して、その出力を必要とされる出力周波数に注入同期するようにする。この手法は、ＯＰＬＬの制御ループ遅延制約を回避し、したがって、ＳＬ１４が集積型半導体レーザである用途に好適である。ＰＤからＡ、ＭおよびＬＦを通ってＳＬに至る位相同期ループ経路は、ＳＬ上で環境外乱を追跡し、注入同期のみが使用されるときに得られるよりも、ずっと広い同期範囲を提供するように、狭い帯域幅を有するようデザインすることができる。オフセット信号源とＴ２０の間、およびオフセット信号源とＭの間の経路長は、注入同期プロセスと位相同期プロセスが建設的に足し合わされるように調整される。
【００５２】
図５は、別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちフィルタリングされた音響光学または電気光学変換器の動作を詳細に示す。
【００５３】
この手法において、周波数変換デバイスＴ（電気光学、音響光学または他の物理的原理を用いた光単側波帯変調器または光強度若しくは位相変調器であってよい）は、必要とするコムスペクトルをオフセットだけ変換するのに使用される。Ｔからの出力は、可変光フィルタＴＦに送られ、ＴＦは制御入力によって同調させられて、必要とするオフセットコムラインが選択される。単側波帯変換デバイスが使用されない場合、この手法が必要とするのは、最小オフセット周波数が可変光フィルタの帯域幅に対して大きいことである。図には示していないが、ミキシングプロセスから生じる好ましくないスプリアス信号を更に減らすため、周波数変換デバイスＴの前に可変光フィルタを含んでいると有利である。
【００５４】
図６は、光周波数選択および変換デバイスのうちの１つからの光経路内にある光変調器２１を示しており、光変調器２１は、システムが変調信号を生成することを可能にする。通常、変調信号ｆｍは、ベースバンド信号であるが、ベースバンド信号を用いて変調された搬送波をそれ自身が含む中間周波数（ＩＦ）信号であってもよい。変調器は、複数の選択および変換デバイスの光経路内に位置して、生成される最終のＲＦ信号の多用性を増す。変調器は、信号が合成される以前に位置するものとして図６に示されているが、コンバイナ（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）の後に位置することもできる。しかし、この時、変調器は、同じ変調信号を全ての光信号に加算できるだけである。
【００５５】
光周波数選択および変換デバイス３、５の出力は合成されて光検出器に加えられる。光検出器は、生成される最大周波数より大きな帯域幅を有するべきである。上述したように、合成プロセスは、２つの光出力の電界が重なるようになされるべきである。
【００５６】
本発明を組み込む通信システムは特別の利益を受けるだろう。広帯域通信が可能で、周波数変更を高速に行える。また、それぞれが独立した変調信号を有し、複数の出力を有する信号を生成することができる。このことは、複数のモバイル受信器に対して信号を生成するのに特に適する可能性がある。このシステムはまた、広帯域変調波を生成することをしばしば必要とするレーダシステムに組み込まれれば利益を受けるだろう。
【００５７】
特に上述の用途において使用される場合、任意の周波数シンセサイザについての重要な性能パラメータはスプリアス出力のレベルである。従来のマルチオクターブシンセサイザは、強い高調波スプリアス信号（好ましい出力に対して、＞−４０ｄＢ）およびサブ高調波スプリアス信号をしばしば生成する。本発明について、スプリアス信号のレベルは、光周波数選択デバイスまたは光周波数選択および変換デバイスのフィルタリング効率によって決まる。１７．５ＧＨｚのコムライン間隔を有する注入同期ＳＧ−ＤＢＲレーザを使用すると、＞３０ｄＢの隣接コムラインの抑圧が実証された７。これは、検出されるＲＦ出力で＞６０ｄＢの抑圧に対応する。詳細なモデリング８は、注入同期ＤＦＢレーザ出力パワーに対する−４０ｄＢの注入パワーについて、１０ＧＨｚだけ間隔のあるラインが、＞３６ｄＢだけ抑圧されることを示した。これは、検出されるＲＦ出力で＞７２ｄＢの抑圧に対応する。ライン間隔を１ＧＨｚに減ずることは、ＤＦＢレーザの利得変調効果により、光出力の抑圧を＜１６ｄＢに減ずることであり、これは、検出されるＲＦ出力で＜３２ｄＢの抑圧に対応する。こうした理由で、また注入同期ＤＦＢレーザの温度および電流制御要件を緩和するために、コムライン間隔＞２ＧＨｚが好ましい。
【００５８】
参考文献
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６ 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏｏｐ」，ＫＰ ＨＯ ａｎｄ ＪＭ Ｋａｈｎ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．６，ｐ．７２１−７２５，１９９３．
７ 「Ｅｘａｃｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｖｅｒ ＞ １ＴＨｚ ｕｓｉｎｇ ＳＧ−ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ」，Ｃ．Ｆ．Ｃ．Ｓｉｌｖａ，Ｌ．Ｎ．Ｌａｎｇｌｅｙ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｓｅｅｄｓ，ＣＬＥＯ Ｅｕｒｏｐｅ ２０００，Ｎｉｃｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０００，ｐ．１６３．
８ 「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｂ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ」，Ｂ．Ｃａｉ，Ｄ．Ｗａｋｅ ａｎｄ Ａ．Ｊ．Ｓｅｅｄｓ，ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ ＲＦ Ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｋｅｙｓｔｏｎｅ，ＵＳＡ，Ａｕｇｕｓｔ １９９５，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ １９９５ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇｓ，ｐｐ．１３−１４．
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態の主要構成部品の基本レイアウトを示すブロック図である。
【図２ａ】 図２ａは、図１に示すレイアウトのＯＣＧの出力に見られるであろう通常のコムラインを示す図である。
【図２ｂ】 図２ｂは、周波数選択および変換デバイスがＯＣＧスペクトルの特定の成分を選択し、それをｆ１だけ変換する方法を示す図である。
【図２ｃ】 図２ｃは、周波数選択および変換デバイスがＯＣＧスペクトルの第２の成分を選択し、それをｆ２だけ変換する方法を示す図である。
【図２ｄ】 図２ｄは、周波数選択および変換デバイスの出力を合成した結果、光検出器に与えられる光スペクトルが、２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２だけ離れた２つの光成分を含むことを示す。
【図２ｅ】 図２ｅは、包絡線検出後ＲＦスペクトルが２ｆＣ−ｆ１＋ｆ２の単一成分を含むことを示す。
【図３】 １つのタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちヘテロダイン光位相同期ループの動作を詳細に示す図である。
【図４】 １つのタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわち光注入位相同期ループの動作を詳細に示す図である。
【図５】 別のタイプの周波数選択および変換デバイス、すなわちフィルタリングされた光変調器の動作を詳細に示す図である。
【図６】 変換器からの出力のうちの１つに光変調器を組み込んでいるシステムを示す図である。
Claims (21)
- 第１光出力を供給するために使用される第１の光周波数選択および変換デバイス（３）と、
光基準発信器システム（１）と、
光入力および無線周波数出力を有する検出器手段（７）とを備える周波数シンセサイザであって、
光基準発振器システムが、少なくとも第１および第２の周波数で少なくとも１つの基準光出力を供給するように構成されており、
光周波数選択および変換デバイスが、光基準発振器システムの出力に周波数同期されており、
第２光出力が、光基準発振器システムの出力に同期された第２の光周波数選択および変換デバイス（５）によって供給され、第１および第２光出力が、検出器手段と光で通信するように構成されている
ことを特徴とする、周波数シンセサイザ。 - 各周波数選択および変換デバイスに入力される無線周波数基準周波数を使用して、前記光基準発振器システムからの入力と前記周波数選択および変換デバイスからの出力との間の周波数差が導出される請求項１に記載の周波数シンセサイザ。
- 各周波数選択および変換デバイスが同期される基準周波数が異なる請求項２に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記光基準発振器システムおよび全ての無線周波数基準が、共通周波数基準信号に連結されている請求項３に記載の周波数シンセサイザ。
- 少なくとも１つの周波数選択および変換デバイスが、ヘテロダイン位相同期ループである請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 少なくとも１つの周波数選択および変換デバイスが、ヘテロダイン光注入位相同期ループである請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 少なくとも１つの周波数選択および変換デバイスが、音響光学周波数シフターである請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 少なくとも１つの周波数選択および変換デバイスが、電気光学周波数シフターである請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 少なくとも１つの周波数選択および変換デバイスが、光注入位相同期ループである請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記周波数選択および変換デバイスが、ベースバンド変調信号を供給される請求項１から９のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記周波数選択および変換デバイスからの光出力が、光変調器に供給される請求項１から１０のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記信号源光基準発振器システムが、光周波数コム発生器である請求項１から１１のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザ。
- 隣接する出力の間の周波数間隔が、前記光周波数コム発生器に入力される基準信号の周波数によって決まる請求項１２に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記光周波数コム発生器が、光パラメトリック発振器周波数分周器である請求項１３に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記光周波数コム発生器が、外部共鳴キャビティ電気光学光周波数コム発生器である請求項１３に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記光周波数コム発生器が、ファイバリング構造を使用する請求項１３に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記光周波数コム発生器が、モード同期レーザを使用する請求項１３に記載の周波数シンセサイザ。
- 検出器が、光検出器からなる請求項１から１７に記載の周波数シンセサイザ。
- 請求項１から１８のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザを組み込んだ通信システム。
- 請求項１から１８のいずれか一項に記載の周波数シンセサイザを組み込んだレーダシステム。
- 信号を合成する方法であって、
レーザが使用する周波数帯域内で複数のスペクトルラインを有する出力を有する基準システム（１）を設けるステップと、
前記出力を第１の周波数選択および変換デバイス（３）に与え、前記第１の周波数選択および変換デバイスは、該デバイスの入力における前記複数のスペクトルラインから選択され、周波数領域において基準周波数入力によって決まる量だけ並行移動した単一のスペクトルラインを含む出力を有するステップと、
前記出力を第２の周波数選択および変換デバイス（５）に与え、前記第２の周波数選択および変換デバイスは、該デバイスの入力における前記複数のスペクトルラインから選択され、周波数領域において基準周波数入力によって決まる量だけ並行移動した単一のスペクトルラインを含む出力を有するステップと、
前記第１および第２の周波数選択および変換デバイスからの出力を取り込み、前記２つの出力を合成し、ダウンコンバートして、無線周波数信号（８）を生成するようにするステップと、を含む方法。
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