JP4562752B2

JP4562752B2 - 高周波発生装置

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Publication number: JP4562752B2
Application number: JP2007161352A
Authority: JP
Inventors: ホジンソン; 直文清水; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: JP2009004858A

Description

本発明は、高周波を発生させる技術に関する。

現在、０．１〜１０［ＴＨｚ］の周波数を有するサブミリメートル波やテラヘルツ波の電磁波は、蒸気やガス状態にある分子と強い相互作用を備えており、例えば、火災現場でのけが人の有無や食品の異物混入など、直接視認できない領域に応用することが可能となるため、分子分光学や電波天文学などの分野で大きな注目を集めている。

これらの分野で応用する場合には、広帯域で高い安定性を有し、低雑音で周波数精度の高い高周波発生装置が必要となる。ここで、従来の高周波発生装置の一例として、周波数を連続的に可変可能なテラヘルツ波発生装置について説明する。図８は、従来のテラヘルツ波発生装置の構成の一例を模式的に示した模式図である。このテラヘルツ波発生装置は、単一モードレーザ３０１で発生する単色光を光変調器３０２で多モード光に変換し、変換された多モード光を光平面回路３０３の内部に形成されたアレー導波路回折格子３０３１に導入して各モードの光に分解し、分解された任意の２つのモードを同じ光平面回路３０３の内部に形成された光カプラ３０３２で合波し、光増幅器３０４を介して合波された光をフォトミキサ３０５で光電変換してテラヘルツ波を発生させ、アンテナ３０６から出力する機能を備えている。

図８に示すテラヘルツ波発生装置は、発振器３０７から発振するＲＦ信号（基準信号）の逓倍波としてテラヘルツ波を発生させるため、アンテナ３０６から出力される信号は、ＲＦ信号と同等の極めて高い周波数精度と安定性を示すことになる。また、ＲＦ信号の周波数を変化させることで、発生するテラヘルツ波の周波数を微小に変化させることができる。更に、図９に示すように、光平面回路３０３の内部に複数の光スイッチ３０３３を集積し、アレー導波路回折格子３０３１で分解された各モードのうち、任意の２つのモードを光スイッチ制御器３０８により切り替えることで、フォトミキサ３０５から発生する光ビート周波数をモード間隔分シフトさせることができる。従い、発振器３０７によるＲＦ信号の周波数調整と、光スイッチ制御器３０８によるモードの組み合わせを切り替えることで、発生するテラヘルツ波の周波数を細かく、又は粗く調整することができる。

なお、図８で示すテラヘルツ波発生装置に関する技術については、非特許文献１に開示されている。
A. Hirata、外９名、「120-GHz-Band Millimeter-WavePhotonic Wireless Link for 10-Gb/s Data Transmission」、IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES、2006、vol.54、no.5、p.1937-1944

図１０は、アレー導波路回折格子３０３１の出力チャネルの周波数透過曲線を示すグラフである。図１０に示すように、ｉ，ｊ，ｋの各チャネルの周波数透過曲線は、辺縁部において隣接チャネルとクロスしている。ここで、例えば取り出したいモードがｊチャネルにある信号とし、ＲＦ信号の周波数調整によりこの信号がｊチャネルの辺縁部にシフトする場合には、ｊチャネルの信号以外に、本来であればｉチャネルにあるべき信号がｊチャネルに漏れ出すことになり、得られるテラヘルツ波の信号には不要な周波数の信号が混在することになる。

即ち、各チャネルの透過損最小の周波数から離れた辺縁部に対応する周波数の光は、隣接する２つのチャネルから同時に出力されるため、発生するテラヘルツ波の周波数を連続的に変化する場合に、一部の周波数領域において、テラヘルツ波信号に不要波としての雑音成分が重畳するという問題があった。

また、他の技術を用いた周波数連続可変テラヘルツ波を発生させる技術としては、図１１に示すように、発振器３０７と、複数の増幅器３０４と、複数の逓倍器３０９と、アンテナ３０６を用いることができる。この方法では、高い周波数分解能を実現することが可能であるが、電子回路の動作周波数の上限やバンド幅の影響により、動作周波数幅が狭いという問題があった。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高い周波数精度と安定性とを有し、周波数を変更可能とすると共に、雑音成分の出力を抑制する高周波発生装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、所定の周波数を有するマイクロ波信号を発振する発振器と、前記発振器で発振された前記マイクロ波信号を入力し、当該マイクロ波信号の周波数と同じ周波数の間隔で並ぶ複数のモードを有する光コムを発生する光コム発生器と、前記光コムのモード間隔と同じ又は当該モード間隔よりも小さい周波数間隔を有する複数のチャネルの各チャネルにより、前記光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第１の周波数分波器と、前記周波数間隔を有し、各チャネルの中心周波数が前記第１の周波数分波器における各チャネルの中心周波数に対して前記周波数間隔の半分シフトした複数のチャネルの各チャネルにより、前記光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第２の周波数分波器と、前記第１の周波数分波器又は前記第２の周波数分波器の出力から任意の２つのモードを取り出す光スイッチと、取り出した前記２つのモードを合波する光カプラと、合波された前記２つのモードを入力し、当該２つのモードの周波数差を周波数とする高周波を発生するフォトミキサと、を有し、前記発振器で発振する前記マイクロ波信号の周波数の変更と、前記光スイッチで取り出す前記モードの変更とに基づいて、前記フォトミキサから発生する前記高周波の周波数を変化させるものであり、前記光スイッチは、前記第１の周波数分波器の２つのチャネルからの出力を取り出しておき、前記発振器で発振する前記マイクロ波信号の周波数の変更によって、前記第１の周波数分波器の１つのチャネルから、所望のモードと当該所望のモードに隣接するモードとが同時に出力される場合に、前記所望のモードを前記第２の周波数分波器の１つのチャネルから取り出すことを要旨とする。

本発明にあっては、所定の周波数を有するマイクロ波信号を発振する発振器と、発振器で発振されたマイクロ波信号を入力し、入力されたマイクロ波信号の周波数と同じ周波数の間隔で並ぶ複数のモードを有する光コムを発生する光コム発生器と、光コムのモード間隔と同じ又は該モード間隔よりも小さい周波数間隔を有する複数のチャネルの各チャネルにより、光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第１の周波数分波器と、その周波数間隔を有し、各チャネルの中心周波数が第１の周波数分波器における各チャネルの中心周波数に対して周波数間隔の半分シフトした複数のチャネルの各チャネルにより、光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第２の周波数分波器と、第１の周波数分波器又は第２の周波数分波器の出力から任意の２つのモードを取り出す光スイッチと、取り出した２つのモードを合波する光カプラと、合波された２つのモードを入力し、その２つのモードの周波数差を周波数とする高周波を発生するフォトミキサとを有し、発振器で発振するマイクロ波信号の周波数の変更と、光スイッチで取り出すモードの変更とに基づいて、フォトミキサから発生する高周波の周波数を変化させるものであり、光スイッチは、第１の周波数分波器の２つのチャネルからの出力を取り出しておき、発振器で発振するマイクロ波信号の周波数の変更によって、第１の周波数分波器の１つのチャネルから、所望のモードと該所望のモードに隣接するモードとが同時に出力される場合に、その所望のモードを第２の周波数分波器の１つのチャネルから取り出すため、高い周波数精度と安定性とを有すると共に、不要波の出力を抑制した雑音成分の低い高周波を出力する高周波発生装置を実現することができる。

本発明にあっては、発振器で発振するマイクロ波信号の周波数の変更と、光スイッチで取り出すモードの変更とに基づいて、フォトミキサから発生する高周波の周波数を変化させるため、周波数を変更可能な高周波発生装置を実現することができる。

請求項２に記載の本発明は、前記光スイッチが、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチで構成されるものであって、前記第１の光スイッチは、前記第１の周波数分波器及び前記第２の周波数分波器の複数の出力のうち低周波側の半分の出力端に接続され、前記第２の光スイッチは、当該複数の出力のうち前記低周波側よりも周波数が高い高周波側の半分の出力端に接続されることを要旨とする。

請求項３に記載の本発明は、前記第１の周波数分波器及び／又は前記第２の周波数分波器は、アレー導波路回折格子であることを要旨とする。

本発明によれば、高い周波数精度と安定性とを有し、周波数を変更可能とすると共に、雑音成分の出力を抑制する高周波発生装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の形態に係る高周波発生装置の構成を模式的に示した模式図である。この高周波発生装置は、周波数可変なマイクロ波信号を発振する発振器１０１と、発振されたマイクロ波信号の周波数と同じ周波数間隔で並ぶ複数のモードを有する光コム信号を発生する光コム発生器１０２と、発生した光コム信号を２つの出力に分岐する分配器１０３と、分岐された一方の光コムを単一のモードに分波する第１の周波数分波器１０４と、分岐された他方の光コムを単一のモードに分波する第２の周波数分波器１０５と、分波された各モードから任意の２つのモードを取り出す第１の光スイッチ１０６及び第２の光スイッチ１０７と、取り出された２つのモードを合波する光カプラ１０８と、合波された２つのモードの周波数差を周波数とするテラヘルツ波を発生するフォトミキサ１０９と、発生したテラヘルツ波を空間に放射するアンテナ１１０とを備えた構成である。

光コム発生器１０２は、発振器１０１から発振するマイクロ波信号を入力として動作する電気光学結晶を用いた光変調器であり、図２に示す構成を備えている。図２は、光コム発生器１０２の構成の一例を模式的に示した模式図である。光コム発生器１０２は、発振器１０１から発振するマイクロ波信号に基づいて、レーザ２０１から出射した単一のスペクトルを光変調器２０２で位相変調し、光アンプ２０３及び非線形ファイバ２０４を介して、マイクロ波信号の周波数ｆ_ｒｅｆと同じ周波数間隔で離散的なスペクトルを有する光コム信号を発生する。

また、光コム発生器１０２は、前述したように発振器１０１から発振するマイクロ波信号を入力として動作し、且つ、このマイクロ波信号の周波数は発振器１０１により可変可能なので、マイクロ波信号の周波数を変更することにより、発生する光コム信号の周波数間隔を変更することができる。例えば、マイクロ波信号の周波数を２５［ＧＨｚ］に設定した場合には、周波数間隔を２５［ＧＨｚ］とするモード間隔の光コム信号が発生する。更に、光変調器２０２で与える変調の指数や光アンプ２０３の出力を調整することで、５０次以上のモードを発生することができる。

第１の周波数分波器１０４及び第２の周波数分波器１０５は、透過帯域幅，各チャネルの透過周波数間隔，各チャネルの周波数透過曲線の形がそれぞれ同じであって、例えば、アレー導波路回折格子などを用いることができる。但し、一方の周波数分波器における各チャネルの透過中心周波数は、他方の周波数分波器における各チャネルの透過中心周波数と異なるように設定・設計されている。具体的には、例えば図３に示すように、第２の周波数分波器１０５における各チャネルの透過中心周波数は、第１の周波数分波器１０４における各チャネルの透過中心周波数に対して、透過周波数間隔Δｆ_ｃｈの半分の周波数（Δｆ_ｃｈ／２）分シフトしている。また、透過周波数間隔は、発振器１０１から発振するマイクロ波信号の周波数ｆ_ｒｅｆ、言い換えれば光コム信号のモード間隔と同じ間隔とするか、若しくは、そのモード間隔よりも小さい間隔となるように設定しておく。例えば、前述のように光コム信号のモード間隔が２５［ＧＨｚ］の場合には、これら周波数分波器の出力チャネルの透過周波数間隔を２５［ＧＨｚ］に設定しておく。なお、周波数透過曲線は、例えばガウス関数型であってもよい。

また、第１の周波数分波器１０４及び第２の周波数分波器１０５における出力チャネルのうち、それぞれ偶数本が後段の第１の光スイッチ１０６及び第２の光スイッチ１０７に接続されている。ここで、第１の周波数分波器１０４のチャネルを低周波側から１，２，…，２ｎと称し、第２の周波数分波器１０５のチャネルを低周波側から１’，２’，…，２ｎ’と称する場合、各チャネルの透過中心周波数を低周波側から並べると、各チャネルは１，１’，２，２’，…，２ｎ，２ｎ’の順となる。このうち、低周波側の半分である１，１’，２，２’，…，ｎ，ｎ’を第１の光スイッチ１０６に接続し、高周波側の半分であるｎ＋１，ｎ＋１’，ｎ＋２，ｎ＋２’，…，２ｎ，２ｎ’を第２の光スイッチ１０７に接続する。この構成により得られるテラヘルツ波の最低周波数は、第１の光スイッチ１０６及び第２の光スイッチ１０７により、チャネルｎとｎ＋１とを出力とするチャネルを選択した場合、又は、チャネルｎ’とｎ＋１’とを出力とするチャネルを選択した場合である。一方、この構成により得られるテラヘルツ波の最高周波数は、第１の光スイッチ１０６及び第２の光スイッチ１０７により、チャネル１と２ｎとを出力とするチャネルを選択した場合、又は、チャネル１’と２ｎ’とを出力とするチャネルを選択した場合である。

即ち、図１に示す高周波発生装置は、第１の光スイッチ１０６及び／又は第２の光スイッチ１０７で取り出すモードを変更する第１の方法、言い換えれば選択するチャネルを変更する方法により、発生するテラヘルツ波の周波数を変更することができる。また、発振器１０１で発振するマイクロ波信号の周波数を変更する第２の方法によっても、発生するテラヘルツ波の周波数を変更することができる。これら２つの方法は、一方の変更方法のみ行う場合であっても、両方の変更方法を同時に行う場合であっても、広帯域の周波数可変な高周波発生装置を実現することができる。

図４は、第１の方法又は第２の方法を行う前の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。図５は、第１の方法によりチャネルを変更した後の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。図４（ａ）及び図５（ａ）は図１のＡの位置、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は図１のＢの位置、図４（ｃ）及び図５（ｃ）は図１のＣの位置における周波数とモードとの関係を示している。図５（ｂ）及び図５（ｃ）で示す例では、図４（ｂ）及び図４（ｃ）と比較して、取り出すモードの片方を１チャネル分低周波側のチャネルに変更している。これにより、２つのモード間隔がｎからｎ＋１に変化したとすれば、発生するテラヘルツ波信号の周波数は、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、ｎ×ｆ_ｒｅｆから（ｎ＋１）×ｆ_ｒｅｆに変化することになる。

図６は、第２の方法によりマイクロ波信号の周波数を変更した後の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。図６（ａ）は図１のＡの位置、図６（ｂ）は図１のＢの位置、図６（ｃ）は図１のＣの位置における周波数とモードとの関係を示している。同図に示すように、発振器１０１から発振するマイクロ波信号の周波数をｆ_ｒｅｆからｆ_ｒｅｆ＋Δに変化することで、モード間の周波数差をｎ×ｆ_ｒｅｆからｎ×（ｆ_ｒｅｆ＋Δ）に変化することができる。

また、前述したように、第１の周波数分波器１０４及び第２の周波数分波器１０５における各チャネルの周波数透過曲線は、なだらかに低下する辺縁部において隣接するチャネルとクロスしている。ここで、図７に示すように、取り出したい所望のモードが第１の周波数分波器１０４におけるｊチャネルの中央に位置していた場合に、マイクロ波信号の周波数の変化によりｊチャネルの辺縁部にシフトすると、ｊチャネルで抜き出した場合であっても、ｋチャネルで抜き出した場合であっても、シフト後の隣のモードが同じチャネルから同時に出力されてしまい、出力された信号の純度が劣化する可能性がある。その場合には、透過中心周波数を透過周波数の１／２シフトさせた第２の周波数分波器１０５のｊ’チャネルから取り出すことで、隣接モードの漏洩を抑えた所望のモードのみを取り出すことができる。即ち、一方の周波数分波器における各チャネルの透過中心周波数をシフトすることにより、第１の周波数分波器１０４と第２の周波数分波器１０５とで隣接モードの漏洩を抑圧できない領域が周波数軸上で交互に現れることになり、結果として、チャネルの周波数透過曲線の中央付近に位置するモードを確実に選択することができる。よって、隣接モードの漏洩を抑圧できない領域を絶えず避けるように第１の光スイッチ１０６及び／又は第２の光スイッチ１０７でチャネルを選択することで、高い周波数精度と安定性とを有し、周波数を変更可能とすると共に、不要波の出力を抑制した雑音成分の低いテラヘルツ波を出力する高周波発生装置を実現することができる。

なお、必要に応じて、フォトミキサ１０９に入力する光を、図示しない光増幅器又は減衰器により調整することで、発生するテラヘルツ波の強度を変化させることができる。

最後に、本実施の形態では、テラヘルツ波の発生について説明したが、テラヘルツ波に限らず、例えばマイクロ波の発生などにも適用することができる。即ち、周波数の異なるレーザ光のビート成分から得られる高周波の発生に係る技術に適用することができる。

本実施の形態によれば、一定の透過周波数間隔を有する複数のチャネルにより、光コム信号を単一のモードに分波する第１の周波数分波器１０４と、その透過周波数間隔を有し、各チャネルの透過中心周波数が第１の周波数分波器１０４における各チャネルの透過中心周波数と異なる複数のチャネルにより、光コム信号を単一のモードに分波する第２の周波数分波器とを有するので、高い周波数精度と安定性とを有すると共に、不要波の出力を抑制した雑音成分の低い高周波を出力する高周波発生装置を実現することができる。

本実施の形態によれば、発振器１０１で発信する電波の周波数の変更、及び／又は、第１の光スイッチ１０６及び／又は第２の光スイッチ１０７で取り出すモードの変更に基づいて、フォトミキサ１０９から出力される高周波の周波数が変化するため、周波数を変更可能な高周波発生装置を実現することができる。

本発明の形態に係る高周波発生装置の構成を模式的に示した模式図である。光コム発生器の構成の一例を模式的に示した模式図である。第１の周波数分波器及び第２の周波数分波器における出力チャネルの周波数透過曲線を示すグラフである。第１の方法又は第２の方法を行う前の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。第１の方法によりチャネルを変更した後の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。第２の方法によりマイクロ波信号の周波数を変更した後の図１に示す各位置における周波数とモードとの関係を示す図である。第１の周波数分波器及び第２の周波数分波器における出力チャネルの周波数透過曲線を示すグラフである。従来のテラヘルツ波発生装置の構成の一例を模式的に示した模式図である。光平面回路の構成を模式的に示した模式図である。アレー導波路回折格子の出力チャネルの周波数透過曲線を示すグラフである。従来のテラヘルツ波発生装置の構成の他の一例を模式的に示した模式図である。

符号の説明

１０１，３０７…発振器
１０２…光コム発生器
１０３…分配器
１０４…第１の周波数分波器
１０５…第２の周波数分波器
１０６…第１の光スイッチ
１０７…第２の光スイッチ
１０８…光カプラ
１０９，３０５…フォトミキサ
１１０，３０６…アンテナ
２０１…レーザ
２０２，３０２…光変調器
２０３…光アンプ
２０４…非線形ファイバ
３０１…単一モードレーザ
３０３…光平面回路
３０４…光増幅器
３０８…光スイッチ制御器
３０９…逓倍器
３０３１…アレー導波路回折格子
３０３２…光カプラ
３０３３…光スイッチ

Claims

所定の周波数を有するマイクロ波信号を発振する発振器と、
前記発振器で発振された前記マイクロ波信号を入力し、当該マイクロ波信号の周波数と同じ周波数の間隔で並ぶ複数のモードを有する光コムを発生する光コム発生器と、
前記光コムのモード間隔と同じ又は当該モード間隔よりも小さい周波数間隔を有する複数のチャネルの各チャネルにより、前記光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第１の周波数分波器と、
前記周波数間隔を有し、各チャネルの中心周波数が前記第１の周波数分波器における各チャネルの中心周波数に対して前記周波数間隔の半分シフトした複数のチャネルの各チャネルにより、前記光コムを単一のモード又は隣接するモードを含む２つのモードに分波する第２の周波数分波器と、
前記第１の周波数分波器又は前記第２の周波数分波器の出力から任意の２つのモードを取り出す光スイッチと、
取り出した前記２つのモードを合波する光カプラと、
合波された前記２つのモードを入力し、当該２つのモードの周波数差を周波数とする高周波を発生するフォトミキサと、を有し、
前記発振器で発振する前記マイクロ波信号の周波数の変更と、前記光スイッチで取り出す前記モードの変更とに基づいて、前記フォトミキサから発生する前記高周波の周波数を変化させるものであり、
前記光スイッチは、
前記第１の周波数分波器の２つのチャネルからの出力を取り出しておき、前記発振器で発振する前記マイクロ波信号の周波数の変更によって、前記第１の周波数分波器の１つのチャネルから、所望のモードと当該所望のモードに隣接するモードとが同時に出力される場合に、前記所望のモードを前記第２の周波数分波器の１つのチャネルから取り出すことを特徴とする高周波発生装置。
前記光スイッチは、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチで構成されるものであって、
前記第１の光スイッチは、前記第１の周波数分波器及び前記第２の周波数分波器の複数の出力のうち低周波側の半分の出力端に接続され、前記第２の光スイッチは、当該複数の出力のうち前記低周波側よりも周波数が高い高周波側の半分の出力端に接続されることを特徴とする請求項１に記載の高周波発生装置。
前記第１の周波数分波器及び／又は前記第２の周波数分波器は、アレー導波路回折格子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波発生装置。