JP4549980B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は光変調器に係り、特に片側の側波帯を抑圧した変調信号を生成する光ＳＳＢ変調器に関する。

マイクロ波帯の無線周波数が逼迫する中、各種の次世代無線システムで利用される周波数は高周波数側へ移行しつつある。しかし、無線システムの高周波数化は、一つのセルの範囲を狭いものにするとともに、電波の直進性からビルの影等によるブラインドエリアを生じさせ、また屋内への電波の進入を困難にしてしまう。
このような状況の下、無線信号を光信号に変換し、光ファイバによって必要な場所まで低損失に信号を引き込み、電波の必要となる場所で光／電波変換を行って無線配信する、いわゆる光ファイバ無線システムの重要性が増している。
このような光ファイバ無線システムでは、様々な周波数の無線信号が光ファイバで伝送されるため、広い周波数範囲にわたって光変調を施すことが必要となる（例えば、特許文献１参照）。また、光ファイバ伝送路の分散によって信号が劣化することを回避する方法として、片側の側波帯を抑圧した変調信号を生成するＳＳＢ（Single Side Band）変調器の利用が考えられている。
特開２００５−２７４８０６号公報 橋本他、ミリ波自己ヘテロダイン／光ヘテロダイン検波方式デジタル地上波配信システムにおける最適光変調指数に関する実験的考察、電子情報通信学会総合大会、２００５年

しかしながら、従来のＳＳＢ変調器では、ＲＦキャリアとデータ信号を合成した広帯域信号でＳＳＢ変調を行っているため、広帯域の信号源が必要となる。
また、一般的に高周波数領域においてＳＳＢ変調器の変調効率が劣化することが知られており、これを改善するために共振電極構造を用いた変調器が提案されているが、特定の周波数での変調効率の向上には効果があるものの、変調器の構造に依存してＲＦキャリア周波数が決まるのでＲＦキャリアに応じて構造の異なる複数の変調器を揃えることが必要となってしまう。
また、従来提案されている、受信後のＣＮ比を最適化するためキャリア電力と信号電力の比率を調整するＳＳＢ変調方式（非特許文献１）においても、高周波数領域では十分な特性を得ることはできなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低周波数から高周波数まで広帯域にわたって高効率な変調を施すことが可能であり、キャリア電力と信号電力の比率を任意に調整することが可能な光変調器を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、入力された光波を２つに分岐する光分岐手段と、分岐されたそれぞれの光波を伝搬させる２つの光導波路と、前記光導波路の一方に設けられ、伝搬する光波をキャリア周波数で変調して単一の側波帯からなる光波に変換する第１のＳＳＢ変調手段と、もう一方の前記光導波路に設けられ、伝搬する光波にデータ信号による変調を施して単一の側波帯スペクトルを有する信号光を生成する第２のＳＳＢ変調手段と、前記第１および第２のＳＳＢ変調手段によって変調された各光波を合波して出力する合波手段と、を具備したことを特徴とする光変調器である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記ＳＳＢ変調手段は、２つのマッハツェンダー干渉系を有し、前記各マッハツェンダー干渉系に位相が互いにπ／２異なる変調信号を入力し、それぞれを通過する光波を位相変調する変調信号入力手段と、前記各マッハツェンダー干渉系から出力される光波に位相差π／２若しくは−π／２を付与する位相差付与手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光変調器において、前記第２のＳＳＢ変調手段に、変調信号としてデータ信号を直接入力することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光変調器において、前記第２のＳＳＢ変調手段に、データ信号を中間周波数の信号に重畳させた信号を変調信号として入力することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光変調器において、一つの信号源から発生させたキャリア周波数の信号を２つに分けて、その一方を前記第１のＳＳＢ変調手段に入力し、他方をデータ信号と積算して前記第２のＳＳＢ変調手段に入力することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの項に記載の光変調器において、前記光導波路の少なくとも一方に光波の位相を調整する位相調整手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの項に記載の光変調器において、前記光導波路の少なくとも一方に光波の光強度を調整する強度調整手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、キャリア周波数でＳＳＢ変調する第１のＳＳＢ変調手段とデータ信号でＳＳＢ変調する第２のＳＳＢ変調手段とを設け、これら２つのＳＳＢ変調手段によってキャリア変調とデータ変調を別々に行うようにしたので、無線で用いるキャリア周波数を自在に変更することが可能である。また、キャリア信号とデータ信号を合波する前段においては、各エレメントとして周波数特性の狭帯域なものを適用可能である。これにより、光変調器を広帯域にわたって高効率に動作させることができる。

さらに、強度調整手段によってキャリア光と信号光の電力比を調整でき、最適なＣＮ比での変調が可能である。また、位相調整手段によってキャリア光と信号光の位相関係を最適化でき、検波効率が低下するのを抑制することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光変調器１０の構成図である。同図（ａ）は光変調器１０の各機能ブロックを表し、同図（ｂ）は導波路と電極の構成を表している。図１（ａ）において、光変調器１０は、入力導波路１０１と、第１メインマッハツェンダー導波路１０２と、第１メインマッハツェンダー導波路１０２の一方のアームに設けられた第１ＳＳＢ変調部１０３ａと、その後段に設けられた光アッテネータ１０４ならびに位相変調部１０５と、もう一方のアームに設けられた第２ＳＳＢ変調部１０３ｂと、出力導波路１０６と、第１メインマッハツェンダー導波路１０２と入力導波路１０１および出力導波路１０６とをそれぞれ繋ぐＹ字型分岐導波路１０７、１０８と、ＲＦキャリア発生部１０９と、信号発生部１１０と、２つの位相シフタ１１１とから構成されている。

入力導波路１０１に入力された光波は、Ｙ字型分岐導波路１０７によって２つに分岐されて第１メインマッハツェンダー導波路１０２の各アームに導入され、第１ＳＳＢ変調部１０３ａと第２ＳＳＢ変調部１０３ｂに入力される。第１ＳＳＢ変調部１０３ａはＲＦキャリア発生部１０９からのＲＦキャリア周波数で光波を変調し、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂは信号発生部１１０からのデータ信号により光波を変調する。位相シフタ１１１は変調信号に所定の位相を与えるために用いられる。変調された光波は、光アッテネータ１０４によって光強度を、位相変調部１０５によって位相をそれぞれ調整された後、Ｙ字型分岐導波路１０８によって合波されて出力導波路１０６へ出力される。

図２は、第１および第２ＳＳＢ変調部１０３ａ・ｂ（以下ＳＳＢ変調部１０３と記載する）の構成を示したものである。ＳＳＢ変調部１０３は、第２メインマッハツェンダー導波路１２１の各アームにそれぞれ第１と第２のサブマッハツェンダー導波路１２２、１２３を配置した導波路構成を有しており、また、これら各メインおよびサブマッハツェンダー導波路１２１〜１２３上には、電圧印加によって伝搬光の位相を変化させるための電極１２４〜１２６（ただし図２には簡略化のためアース電極は図示していない）が装荷されている。

第２メインマッハツェンダー導波路１２１には、周波数ｆ_０の光波が入力される。この入力光は、分岐後に２つのサブマッハツェンダー導波路１２２、１２３に導入されて位相変化を受け、再び合波されて出力される。

第１サブマッハツェンダー導波路１２２上のＤＣ電極１２６ａには、当該マッハツェンダー導波路を構成している各アームを伝搬する光波の位相差がπとなるようにＤＣ電圧を印加し、ＲＦ電極１２５ａには、変調周波数ｆ_ｍのＲＦ電圧を印加する。また、第２サブマッハツェンダー導波路１２３上のＤＣ電極１２６ｂには同様のＤＣ電圧を印加し、ＲＦ電極１２５ｂには、ＲＦ電極１２５ａに対する位相差がπ／２となるように図示されていない位相シフタ１１１によって調整された変調周波数ｆ_ｍのＲＦ電圧を印加する。さらに、第２メインマッハツェンダー導波路１２１上の電極１２４には、２つのサブマッハツェンダー導波路１２２、１２３間の位相差がπ／２または−π／２となるようなＤＣ電圧を印加する。

ここで、ＳＳＢ変調部１０３の基本的動作を説明する。図３は、ＳＳＢ変調部１０３の導波路の各点（図２中のＡ〜Ｇ）における光波の周波数スペクトルと位相を示したものである。ただし、電極１２４のＤＣ電圧による光波の位相差はπ／２とする。同図において横軸は周波数を表す。また、周波数軸上の矢印はその周波数のスペクトルを表し、矢印の向きは位相を表している。位相の値は、上向き矢印が０、右斜め上向き矢印がπ／２、下向き矢印がπ、左斜め下向き矢印が３π／２であるとする。

図３において、点Ａと点Ｂのキャリア光（周波数ｆ_０）は、ＤＣ電極１２６ａに印加されたＤＣ電圧によって互いに逆位相（位相差π）となっている。また、周波数ｆ_ｍのＲＦ電圧で位相変調を与えたことによって、キャリア光の周波数ｆ_０を中心として周波数ｆ_ｍ間隔で高周波成分が発生する。ただし、ここでは２次以上の高次成分は無視して±１次の成分だけを考える。このとき、＋１次の変調光（周波数ｆ_０＋ｆ_ｍ）と−１次の変調光（周波数ｆ_０−ｆ_ｍ）は、点Ａと点Ｂにおいてそれぞれ同位相（位相差０）となっている。

第１サブマッハツェンダー導波路１２２の各アーム上の点Ａ、Ｂでこのような位相関係を持った伝搬光が点Ｅで合波されると、逆位相であるキャリア光は打ち消しあって無くなり、±１次の変調成分だけが残存することになる。
また、第２サブマッハツェンダー導波路１２３の各アーム上の点Ｃ、Ｄにおける伝搬光の位相関係も上記と同様であり、点Ｆでは±１次の変調成分だけが残存する。

さらに点Ｅと点Ｆでは、図３に示すように、＋１次の変調光は同位相、−１次の変調光は逆位相となっている。その結果、第２メインマッハツェンダー導波路１２１の出力側にある点Ｇにおいて、合波された光波は＋１次の変調成分のみ有することとなる。また、電極１２４のＤＣ電圧による光波の位相差を−π／２とした場合には、点Ｇにおいて残存するのは−１次の変調成分となる。

このようにＳＳＢ変調部１０３の出力は、キャリア光と一方の側波帯が抑圧されて単一の側波帯からなるスペクトルを有する。＋側と−側のどちらの単一側波帯となるかは、電極１２４に印加するＤＣ電圧によって選択することができる。

図１（ｂ）の光変調器１０の全体構成図に戻って説明を続ける（なお同図においてもアース電極は図示していない）。
第１ＳＳＢ変調部１０３ａでは、各サブマッハツェンダー導波路上のＤＣ電極１２６ａおよび１２６ｂ、ＲＦ電極１２５ａおよび１２５ｂには上述の通りＤＣ電圧と周波数ｆ_ｍのＲＦ電圧を印加し、メインマッハツェンダー導波路上の電極１２４には位相差−π／２のＤＣ電圧を印加する。一方、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂでは、ＤＣ電極１２６ａおよび１２６ｂに上述のＤＣ電圧、ＲＦ電極１２５ａおよび１２５ｂに対しては上記のＲＦ電圧に代えてデータ信号による変調電圧をそれぞれ印加し、電極１２４には位相差π／２のＤＣ電圧を印加する。

すると、第１ＳＳＢ変調部１０３ａと第２ＳＳＢ変調部１０３ｂの出力端（図１中の点Ｐと点Ｑ）における光波のスペクトルは、それぞれ図４（ａ）と（ｂ）に示すようなものとなる。同図において、第１ＳＳＢ変調部１０３ａからの出力は、変調周波数ｆ_ｍに対応して単一の周波数スペクトルを有し、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂからの出力は、データ信号による変調に対応して広がりを持ったスペクトルを有する。また、電極１２４に印加したＤＣ電圧が逆位相のため、２つのＳＳＢ変調部から出力される単一側波帯は互いに反対（＋側と−側）となる。ただし、電極１２４への印加電圧を同相とし、２つのＳＳＢ変調部からの単一側波帯が同じ側に出現するようにして光変調器１０を動作させることもできる。

このとき、第１および第２ＳＳＢ変調部１０３ａ・ｂから出力導波路１０６へ導入される光波のパワーをそれぞれＰ_１、Ｐ_２とし、これら光波間の位相差をΔφとすると、本光変調器１０の出力光からデータ信号を復調する際の復調効率は、Ｐ_１・Ｐ_２・ｃｏｓΔφと表すことができる。第１ＳＳＢ変調部１０３ａの後段に設けられた光アッテネータ１０４と位相変調部１０５は、条件Ｐ_１＝Ｐ_２かつΔφ＝０が満たされるように、第１ＳＳＢ変調部１０３ａからの出力光に対してそれぞれ光強度と位相を調整する。

ここで、本光変調器１０において、光アッテネータ１０４は、マッハツェンダー導波路とＤＣ電極によって構成するものとし、この電極へ印加するＤＣ電圧を制御することによって光強度を調整する（減衰させる）ものとする。また、位相変調部１０５は、直線導波路上にＤＣ電極が装荷されており、同様にＤＣ電圧を制御して伝搬光に所望の位相変化を付与するようになっている。

上記のようにＲＦ周波数およびデータ信号によるＳＳＢ変調と、光強度および位相の調整を受けた光波が出力導波路１０６に導入されて合波されると、その光スペクトルは図４（ｃ）に示すようなものとなる。

ここで、ＲＦ周波数ｆ_ｍの値を適宜選択すると、ＲＦキャリア（周波数ｆ_０−ｆ_ｍ）を基準としたデータ信号の周波数Ｗを任意に変更することができる。このときデータ信号は影響を受けない。すなわち、本光変調器１０はデータ信号とは独立してＲＦ周波数を選択可能である。図５に種々の用途に対応した周波数Ｗの値の例を示す。

図６は、光変調器１０における導波路の断面構造を示した図である。基板１３１には、電気光学効果を有する強誘電体結晶としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；ＬＮ）を用いる。なお、電極１３３の配線を簡素化するために、ＸカットのＬＮ基板とする。導波路１３２は、チタン（Ｔｉ）を基板内部に熱拡散させることによって形成する。基板１３１表面には電極１３３が金（Ａｕ）メッキにより形成される。なお、図６の断面図はマッハツェンダー導波路のアーム部を表したものであるが、各アームは電極の中間部に配置し、印加された電界が２つのアームの導波路に対して均等になるようにする。

このように、本実施形態によれば、第１ＳＳＢ変調部１０３ａにおいて、サブマッハツェンダー導波路１２２、１２３でＲＦキャリア周波数ｆ_ｍの変調を行うとともにメインマッハツェンダー導波路１２１で位相差−π／２を付与し、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂにおいて、サブマッハツェンダー導波路１２２、１２３でデータ信号による変調を行うとともにメインマッハツェンダー導波路１２１で位相差π／２を付与している。その結果、第１ＳＳＢ変調部１０３ａから出力される光波（キャリア光）と第２ＳＳＢ変調部１０３ｂから出力される光波（信号光）は互いに反対側に単一側波帯を有することになる。光変調器１０ではこうしてキャリア信号とデータ信号が分離して生成されている。これにより、第１ＳＳＢ変調部１０３ａにおけるＲＦキャリア周波数ｆ_ｍを任意に調整することができ、様々な無線周波数に対応させることが可能となる。

また、このようにキャリア変調とデータ変調を独立して行っていることに加えて、本実施形態では、光アッテネータ１０４と位相変調部１０５によって第１ＳＳＢ変調部１０３ａからの出力光の光強度と位相を制御している。これにより、キャリア電力と信号電力の比率を任意に調整することが可能となる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、図７に示す光変調器２０のように、図１の光変調器１０において新たに中間周波数発生部２０１を設け、信号発生部１１０からのデータ信号をこの中間周波数発生部２０１が発生する中間周波数ｆ_ＩＦに重畳させて、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂを駆動するようにしてもよい。この場合、前述した図４（ｂ）に相当する第２ＳＳＢ変調部１０３ｂからの出力光のスペクトルは、図８に示すような形となる。すなわち、光変調器２０では、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂによって発生する単一側波帯は、中間周波数ｆ_ＩＦによる変調に対応した周波数ｆ_０＋ｆ_ＩＦの単一スペクトルと、その両サイドに現れるデータ信号による変調スペクトルとを有するものとなる。

また、図９に示す光変調器３０のように、位相シフタ１１１を２つのＳＳＢ変調部で共有する構成とすることも可能である。すなわち、ＲＦキャリア発生部１０９からのＲＦ信号は、分配器３０１によって分配されて第１ＳＳＢ変調部１０３ａと第２ＳＳＢ変調部１０３ｂに入力される。そして第２ＳＳＢ変調部１０３ｂについては、この分配されたＲＦ信号と信号発生部１１０からのデータ信号とが重畳されて入力される。その結果、光変調器３０において第２ＳＳＢ変調部１０３ｂによって発生する単一側波帯は、図１０に示すように、ＲＦ周波数に対応した単一スペクトルとその両サイドに現れるデータ信号による変調スペクトルとを有するものとなる。この構成では、位相シフタ１１１が一つで済むためコスト面でメリットがある。

また、光アッテネータ１０４と位相変調部１０５の配置場所は、第１ＳＳＢ変調部１０３ａの後段に限られない。同変調部１０３ａの前段に配置することもできるし、第２ＳＳＢ変調部１０３ｂ側のアームに配置してもよい。また、光アッテネータ１０４と位相変調部１０５の一方を第１ＳＳＢ変調部１０３ａ側のアーム、他方を第２ＳＳＢ変調部１０３ｂ側のアームに配置してもよいし、逆に両方のアームに重複して設けてもよい。なお、光アッテネータ１０４と位相変調部１０５は、その一方あるいは両方を省略することも可能であるが、その場合は変調効率が低下するデメリットが生じる。

さらに、本実施形態の光変調器はＬＮ基板上に形成した導波路デバイスとして説明したが、ＬＮ以外の導波路型変調器、例えば半導体基板を用いたＥＡ（電界吸収効果）変調器等を適用することも可能である。また、導波路型以外にも、各種のバルクの光学部品を適用することもできる。
また、ＳＳＢ変調部１０３により変調を行う際に、動作点を調整するためにバイアス電圧を各電極に印加することもできる。

本発明の一実施形態による光変調器の構成図である。 ＳＳＢ変調部の構成図である。 ＳＳＢ変調部内における光波の周波数スペクトルと位相の挙動を示した図である。 図１の光変調器における光波のスペクトルを示したものである。 各種用途に対応した周波数Ｗの例である。 図１の光変調器の導波路断面構造図である。 本発明に係る光変調器の他の構成を示す図である。 図７の光変調器における光波のスペクトルを示したものである。 本発明に係る光変調器のさらに他の構成を示す図である。 図９の光変調器における光波のスペクトルを示したものである。

符号の説明

１０、２０、３０…光変調器 １０１…入力導波路 １０２…第１メインマッハツェンダー導波路 １０３ａ…第１ＳＳＢ変調部 １０３ｂ…第２ＳＳＢ変調部 １０４…光アッテネータ １０５…位相変調部 １０６…出力導波路 １０７、１０８…Ｙ字型分岐導波路 １０９…ＲＦキャリア発生部 １１０…信号発生部 １１１…位相シフタ １２１…第２メインマッハツェンダー導波路 １２２…第１サブマッハツェンダー導波路 １２３…第２サブマッハツェンダー導波路 １２４〜１２６…電極 １３１…基板 １３２…導波路 １３３…電極 ２０１…中間周波数発生部 ３０１…分配器

Claims (7)

1. 入力された光波を２つに分岐する光分岐手段と、
   分岐されたそれぞれの光波を伝搬させる２つの光導波路と、
   前記光導波路の一方に設けられ、伝搬する光波をＲＦキャリア周波数で変調して光キャリア成分を含まない単一の側波帯からなる光波に変換する第１のＳＳＢ変調手段と、
   もう一方の前記光導波路に設けられ、伝搬する光波にデータ信号による変調を施して光キャリア成分を含まない単一の側波帯スペクトルを有する信号光を生成する第２のＳＳＢ変調手段と、
   前記第１および第２のＳＳＢ変調手段によって変調された各光波を合波して出力する合波手段と、
   を具備したことを特徴とする光変調器。
2. 前記ＳＳＢ変調手段は、
   ２つのマッハツェンダー干渉系を有し、
   前記各マッハツェンダー干渉系に位相が互いにπ／２異なる変調信号を入力してそれぞれを通過する光波を位相変調する変調信号入力手段と、
   前記各マッハツェンダー干渉系から出力される光波に位相差π／２若しくは−π／２を付与する位相差付与手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第２のＳＳＢ変調手段に、変調信号としてデータ信号を直接入力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第２のＳＳＢ変調手段に、データ信号を中間周波数の信号に重畳させた信号を変調信号として入力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
5. 一つの信号源から発生させたＲＦキャリア周波数の信号を２つに分けて、その一方を前記第１のＳＳＢ変調手段に入力し、他方をデータ信号と積算して前記第２のＳＳＢ変調手段に入力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
6. 前記光導波路の少なくとも一方に光波の位相を調整する位相調整手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの項に記載の光変調器。
7. 前記光導波路の少なくとも一方に光波の光強度を調整する強度調整手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかの項に記載の光変調器。
   
   

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