JP4674361B2

JP4674361B2 - 光電気発振器

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Publication number: JP4674361B2
Application number: JP2004169650A
Authority: JP
Inventors: 哲也川西; 雅之井筒; 高秀坂本; 聡品田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005351951A

Description

この発明は、レーザ光のエネルギーを受けて、ミリ波やマイクロ波などの高周波信号を発振することのできる光電気発振器に関するものであり、特に、発振器内で用いられる光変調器に周波数逓倍機能を持たせることにより、発振器回路内における帰還信号の整数倍の周波数を持った光電気発振信号が得られるものに関している。ここで言う周波数逓倍機能とは、入力する変調周波数を逓倍する機能である。

光電気発振器は、レーザ光の変調による側波帯成分を再び変調信号としてフィードバックすることによって発振動作が得られる発振器である。発振器の帰還ループが光回路及びＲＦ（高周波）回路で構成されるため、発振動作時には、外部変調信号を用いずに、同一周波数の発振周波数を持った光変調信号とＲＦ信号との両方を同時に得ることができる。また、光信号、あるいはＲＦ信号いずれに対しても、注入同期動作により発振周波数制御が行えることもよく知られている。

しかしながら、従来の光電気発振器では、発振動作時に得られる光信号と電気信号の周波数は同一であった。従来の光電気発振器の構成を、図１のブロック図に示す。レーザ光源からのレーザ光は、光変調器で強度変調され、強度変調された光は増幅された後、フォトダイオードで高周波信号に変換される。この高周波信号は、増幅された後、バンドパスフィルタを通って、再びレーザ光の変調に用いられる。光電気発振時の光信号は図１内に記載されている「光出力」の部分から、電気信号は図１内の「RF出力」の部分から同時に、同一の周波数で出力される。一般に、このような光電気発振器を構成する場合、その発振周波数の上限値は、帰還回路部分における電気回路の周波数帯域の上限値により律則されることは良く知られている。これは、一般に、光回路は広帯域動作が十分に実現されているのに対し、電気回路の広帯域化は技術的に困難であるためである。この電気回路の帯域制限により、従来の光電気発振器で得られる光変調信号の周波数には限界があった。

上記のように、従来の光電気発振器においては、レーザ光によって励起された高周波信号を帰還して発振に用い、この電気信号を出力している。しかし、一般に、光強度変調あるいは光位相変調において、変調信号の強度を増して変調度を高くすることによって、高次の側帯波が得られる事が知られている。

このため、本発明では、光電気発振器においても、高次の側帯波に相当する側帯波を備える光信号を発生するための光電気発振器を得ることを目的としている。

この発明は、光電気発振器であるが、周波数逓倍機能を持った光変調器を用いるので、電気回路技術により生成できる発振周波数の限界を超えた光電気発振動作を得ることができる。発振器の帰還制御自体はこの電気回路制御の帯域で行われるにもかかわらず、その整数倍の光変調信号を生成することができるので、等価的に既存技術では不可能な高周波の光電気発振器を実現できる。

本発明の光電気発振器は、レーザ光の入射部と、
前記入射部から続く光路上にあって複数の逓倍された変調信号を含む光信号を出力する光変調器と、
前記の逓倍された複数の変調信号を含む光信号を高周波電気信号に変換する光電変換器と、
前記の光電変換器で得られた高周波電気信号のうち、変調信号に等しい周波数の電気信号を上記の光変調器に再び変調信号として帰還する帰還回路と、
上記の光信号の出力部あるいは上記の高周波電気信号の出力部を備える発振回路で、
上記光変調器は、上記変調信号の周波数分の周波数差をもった少なくとも１対の側帯波を出力するものであり、
上記帰還回路を用いて帰還する変調信号は、上記1対の側帯波を混合して生成した上記電気信号で上記変調信号に等しい周波数の電気信号であり、
上記の入射部から、上記の発振回路に高周波発振が起こる閾値を超える強度のレーザ光を入射して高周波電気信号を生成し、前記高周波電気信号あるいは、前記高周波電気信号が重畳された光信号を出力する。

また、上記の光電気発振器は、逓倍された変調信号を含む光信号を、光変調器の非線形特性によって生成することによっても実現できる。これにより、簡単な構成で高次の側帯波を得て、課題を解決することができる。

また、上記の光電気発振器は、逓倍された変調信号を含む光信号を、往復型光変調器を用いて生成することによっても実現できる。この構成によって、容易に高次の側帯波に相当する信号を得ることができる。

また、上記の光電気発振器は、逓倍された変調信号を含む光信号を、ループ構造の光路をもった光変調器を用いて生成することによっても実現できる。

また、上記の光電気発振器の帰還回路には、目標とする発振周波数と重なり部分のある濾波特性をもった電気フィルタを設ける事が望ましい。この構成によって発振周波数を安定化させることができる。

また、上記の光電気発振器の帰還回路には、目標とする発振周波数と重なり部分のある濾波特性をもった電気増幅器を設けることが望ましい。

また、上記の光電気発振器の帰還回路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることが望ましい。この遅延器を操作して高周波信号の周波数を調整することができる。

また、上記の光電気発振器の光変調器からの出力は、光増幅器で増幅された後、光電変換器に供給されることが望ましい。この増幅によって、光変調器の変調度を高くすることができる。

また、上記の光電気発振器の光変調器は光位相変調器であって、光フィルタが光変調器と光電変換器との間に設けられていることが望ましい。この光フィルタによって、再び変調信号として帰還するための高周波信号を効率的に選択することができる。

また、上記の光電気発振器の帰還回路に第２の高周波電気信号を注入して、第２の高周波電気信号と同期のとれた高周波信号、あるいは、逓倍された第２の高周波電気信号を含む光信号を出力することが可能である。

また、上記の光電気発振器の光路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることが望ましい。この遅延器を操作して高周波信号の周波数を微調整することができる。

また、また、上記の光電気発振器では、第３の高周波電気信号が重畳された第２の光信号を光路に注入し、第３の高周波電気信号と同期のとれた高周波電気信号、あるいは、逓倍された第３の高周波電気信号を含む光信号を出力することができる。ここで、第３の高周波電気信号と同期のとれた高周波電気信号とは、第３の高周波電気信号や第３の高周波電気信号の高調波などのように第３の高周波電気信号に周波数及び位相が一致した信号である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図２、図３を用いて説明する。

図２は、本発明の実施例の一つを示すブロック図である。図２（a）では、レーザ光源１からのレーザ光は、周波数逓倍型光変調器２に導入され、変調電極から入力される周波数f_mの高周波信号により変調を受ける。周波数逓倍変調器２は、高次（N）の逓倍周波数N×f_mの光変調信号を出力する光出力ポート３を有する。ここで言う周波数逓倍変調器とは，入力する変調周波数を逓倍する機能を持った光変調器を意味する。ここで、Ｎは、光変調器の種類に依存するが、２以上の整数である。光変調信号は、これらの光変調信号は光増幅器４で増幅された後、その一部は、光出力ポート３から出力される。また、光フィルタ５で、例えば、上側波帯が選択され、その一部は、光出力ポート６から出力される。光フィルタ５で選択された光は、フォトダイオードの光電変換器７で高周波信号に変換される。この高周波信号は、ＲＦ増幅器８で増幅された後、その一部は、ＲＦ出力ポート１０から出力され、残りは、周波数f_mを中心周波数とするバンドパスフィルタ９を介して、帰還信号として、再び周波数逓倍型光変調器２に加えられる。

上記の、周波数逓倍型光変調器を用いた光電気発振器において、帰還回路の帰還利得が十分に大きくなるように設計すれば、本発振器は周波数f_mで光電気発振を始める。通常の発振器と同じく、帰還利得が帰還ループの損失を超えたとき発振を始め、発振しきい値特性を持つ。発振動作時には、図３のRF出力ポート１０から周波数f_mの電気的発振信号が、光出力ポート６から周波数f_mの光変調信号が、そして光出力ポート３からは、周波数逓倍光変調信号が同時に取り出される。

周波数逓倍型光変調器を用いた図２の光電気発振器において、周波数逓倍型光変調器出力部から光電変換器入力部までの光回路部分は線形回路で構成することが出来るため、構成部品の接続順序は任意でよい。また、光電変換器出力部から周波数逓倍型光変調器入力部までの電気回路においても同様の理由で構成部品の接続順序は任意でよい。

前述の図２の、周波数逓倍型光変調器を用いた光電気発振器において、光出力ポート３から出力される周波数逓倍光変調信号を、光検出器を用いて光電変換を行うことにより、周波数N×f_m の逓倍高周波信号を得ることができる。

図２で使用される周波数逓倍型光変調器のひとつの例として、増幅したRF信号で駆動する型の光位相変調器（以降、高強度RF信号駆動型光位相変調器と称す）を用いた場合の基本構成を図３（a）に示す。この例では、Ｎ＝６である。一般に、光変調器に高強度のRF信号を導入すると、強度変調や位相変調あるいは周波数変調などの光変調の非線形特性により、光変調信号の高次側波帯成分が誘起されることは、よく知られている。特に光位相変調は原理的に非線形変調方式であり、簡単な構成で高次側波帯成分を生成できることも知られている。上記の高強度RF信号駆動型光位相変調器は、光変調器と変調信号を増幅するためのRF増幅器、及び光フィルタにより形成される。図３（a）の回路に、周波数＝fmの正弦波信号を十分に増幅して光位相変調器に導入した場合、図３（b）に代表される光スペクトルが得られる。これをf_mの整数（Ｎ）倍の離調間隔を持ち複数の透過特性のフリンジを持つ光フィルタ１４へと導入すると、光の周波数（ｆ₀）を中心に、例えば、図３（c）のスペクトル形状で表されるN×f_mの周波数距離にある側帯波を携えた光変調信号を得ることができる。また、光位相変調器の光出力をfmの離調間隔を持つ多峰性透過特性を持つ光フィルタ，もしくはfm以上の透過帯域幅を持つ光バンドパスフィルタ１５へ導入することにより、図３（d）のスペクトル形状で表されるf_mの周波数間隔の光変調信号を得ることができる。

図３の高強度RF信号駆動型光位相変調器を、図２の光電気発振器に適用する場合には、図３（a）の高強度RF信号駆動型光位相変調器の入力部に光電気発振器のバンドパスフィルタ９を接続する。また、周波数f_mの光フィルタ１５の出力信号を光電気発振器の帰還信号として用い、光増幅器を介して光電変換器部へと導入する。また、周波数N×f_mの光フィルタ１４の出力信号は逓倍光電気発振信号出力として用いる。ただし、上述の光フィルタ１４、１５の機能は、図２の光電気発振器の構成で用いられる光フィルタ回路で兼用して実現しても良い。

図２に示すブロック図で使用される周波数逓倍型光変調器の他の例として、往復逓倍型光変調器の基本構成を図４に示す。往復逓倍変調器は、光位相変調器及び二つの帯域反射型フィルタにより形成される。光位相変調器にはLiNbO₃結晶中の電気光学効果を用いた光位相変調器等の既存技術を適用することができる。また、帯域反射型フィルタには、光ファイバグレーティング等の周波数選択性の良い帯域反射型フィルタを適用することができる。

以上の構成での周波数逓倍動作の原理を図４に示す動作原理図に沿って以下に説明する。光フィルタ１６から入力された周波数ｆ₀の光は、光変調器１７により変調を受け、側波帯成分を生成する。簡単のためにここで用いられる変調方式では非線形成分が僅かにあるとすると、生成される側波帯成分は第１次両側波帯と弱い第２次両側波帯である。この光は光フィルタ１８により反射し、再び光変調器へと導入される。この際、搬送波と両側波とが変調を受け、図４（ｃ）に示すスペクトルが得られる。これらの光のうち、搬送波は光フィルタ１６を通過するので、図４（ｄ）の様に側波帯のみが反射され、更に変調を受けた後に図４（e）のスペクトルとなる。光フィルタ１６と光フィルタ１７との間を変調成分は反射を繰り返し、より高次の側波帯信号が生成される。最後には、光フィルタ１７の反射帯域を外れた高次側波帯信号成分が、光フィルタ１７を通過して出力され、得られた側波帯信号成分のビートにより周波数逓倍が実現される。ここで、変調特性が僅かに非線形である場合には、上記のように、２次の側帯波が変調のたびに生成されるので、その結果、出力に含まれる側帯波には、連続する２つの整数の次数をもった側帯波が含まれることになる。

図４のブロック図内で用いられる光変調器は、側波帯生成を目的としているため、強度変調器等の他の異なる光変調器を用いても良い。また、十分な強度の側波帯成分の生成が可能である場合には、非線形成分の少ない変調方式を用いても良い。図３の高強度RF信号駆動型光位相変調器を併用すれば、高次側波帯成分の生成効率を更に改善することもできる。

上述の往復逓倍型光変調器を図２の光電気発振器に適用する場合には、本変調器の変調信号として光電気発振器の帰還信号であるバンドパスフィルタ９の出力を接続する。また、周波数差ｆ_mの光信号が往復逓倍変調器から出力されるので、これを光電変換することにより、周波数ｆ_mの高周波信号を得ることができる。これを光電気発振器の帰還信号として用いるには、光増幅器４を介して光電変換器部７へと導入する。この時，fmの帰還信号の強度変調成分を得るために，上側波帯ないしは下側波帯成分を光フィルタ5により選択する。ただし、往復逓倍変調に用いられる狭帯域光フィルタ16、17の光透過特性を、入力光に対して周波数的に非対称に設計することにより、上側波帯と下側波帯の成分比を変え、帰還信号の強度変調成分を得ることも出来る。この場合には光フィルタ５は不要となる。また、fm帰還信号を得るためには，図4内の出力側狭帯域光フィルタの反射率を下げ、反射帯域内から漏出する光信号を用いても良い。この場合においても、上記同様フィルタ5等で帰還信号の強度変調成分を選択する。

図２に示すブロック図で使用される周波数逓倍型光変調器の一つの例として、図５に示された基本構成を持つ周回構造型の周波数逓倍型光変調器を用いても良い。光変調器の出力の一部をループ構造により光変調器入力に接続し、変調光を複数回入力させることにより、往復逓倍構造と同様に、高次側波帯成分を効率良く生成する。光電気発振器への接続方法も、往復逓倍構造型光電気発振器の場合と同様である。

図６に示すブロック図は、図２に示す光電気発信器の出力に、他の光信号あるいは電気信号（外部信号）を重畳するための構成を示す図である。このためには、光信号を注入する方法、帰還信号と外部信号を混合する方法があり、これらを以下に示す。

光信号として外部信号を注入するためには、その外部信号で変調された光２０を光路１１に注入すればよい。この注入は、光増幅器４の前段で行うのが望ましい。

また、帰還信号に重畳するためには、変調器、ミキサーあるいは加算器を混合器２１として用いて帰還信号と外部信号とを混合して帰還すればよい。

これら注入を同時に、同じ信号で行う場合は、光注入信号と帰還信号に重畳された外部信号とが逆相にならないように調整する必要がある。

上記の様に外部信号を注入する場合に限らず、発振周波数を僅かに変えたり、高周波発振を安定に持続させるようにするには図７に示すように、帰還回路２４において遅延器２３を用いて帰還信号を遅延させることが望ましい。このような遅延器は、すでに市販されておりよく知られている。また、光路１１上に光遅延器２２を設けて光信号を遅延させてもよい。このような光遅延器も既によく知られている。

上記の本発明の光電気発振器を用いることにより、図８に示すように、所謂ファイバーラジオを構成することができる。この場合は、光電気発振器内の帰還信号をデータ変調信号で変調するか、もしくは、データ信号の重畳された周波数ｆ_MのRF信号で変調された光が、伝送路３０を通過した後、帰還信号周波数ｆ_Bをもった光電気発振器により、ｎを予め決めた自然数のひとつとして、周波数ｎ×ｆ_Bの信号を副搬送波とし、周波数ｆ_MのRF信号で変調された光が得られる。この光を光電変換し、必要な信号を濾波器で選択することにより、周波数ｎ×ｆ_Bの信号を搬送波とし周波数ｆ_Mの信号で変調されたラジオ波をえることができる。

また、図９に示すように、ｆ_Mの周波数で変調された光信号を、上記の本発明の光電気発振器に通すことにより、周波数ｎ×ｆ_Bの信号を副搬送波をもった光信号が得られるので、この光信号を伝送路３０で伝送する。この信号を無線送信機へ導入する。無線送信機内では、光電変換器により二乗検波して無線信号へ変換し、空中線から送信する。

これらの方式の特徴は、周波数逓倍型光変調器を用いた光電気発振器の周波数逓倍機構により、通常の電気的発振器では得られない高周波信号をキャリアとしたファイバラジオシステムを構成できる点である。

上記のように、本発明の光電気発振器は、周波数逓倍型光変調器を用いる構成としたので、電気技術の整数倍の光変調信号を生成することができる。そのため、本技術を用いれば、従来の電気回路技術では生成不能あるいは困難であった高周波数の発振器の機能を、簡易かつ低コストに実現できる。

また、本発明の光電気発振器は、発振信号の振幅制御、及び周波数制御機構を備えており、これらの制御により、生成される高周波信号に情報を乗せることができる。従って、本発明技術を発振器として用いたファイバーラジオを構成することができる。

従来の光電気発振器を示すブロック図である。本発明の周波数逓倍型光変調器を用いた光電気発振器を示すブロック図である。高強度RF信号駆動型光位相変調器の基本原理を示すブロック図である。往復逓倍型変調構造による周波数逓倍型光変調器の構成例を示すブロック図である。周回型変調構造による周波数逓倍型光変調器の構成例を示すブロック図である。光注入あるいは外部信号注入を行う場合の、本発明の光電気発振器を示すブロック図である。光遅延器あるいは遅延器を設けて動作の安定化を図った、本発明の光電気発振器を示すブロック図である。本発明の光電気発振器を用いて、所謂ファイバーラジオを構成した例を示すブロック図である。本発明の光電気発振器を用いて、所謂ファイバーラジオを構成した例を示すブロック図である。

符号の説明

１レーザ光源
２光変調器
３光出力ポート
４光増幅器
５光フィルタ
６光出力ポート
７光電変換器
８ＲＦ増幅器
９バンドパスフィルタ
１０ＲＦ出力ポート
１１光路
１２位相変調器
１３ＲＦ増幅器
１４、１５、１６、１７光フィルタ
１８光変調器
２０光
２１混合器
２２光遅延器
２３遅延器
２４帰還回路
３０伝送路
３１光変調器
３２濾波器
３３スペクトル

Claims

レーザ光の入射部と、
前記入射部から続く光路上にあって複数の逓倍された変調信号を含む光信号を出力する光変調器と、
前記の逓倍された複数の変調信号を含む光信号を高周波電気信号に変換する光電変換器と、
前記の光電変換器で得られた高周波電気信号のうち、変調信号に等しい周波数の電気信号を上記の光変調器に再び変調信号として帰還する帰還回路と、
上記の光信号の出力部あるいは上記の高周波電気信号の出力部を備える発振回路で、
上記光変調器は、上記変調信号の周波数分の周波数差をもった少なくとも１対の側帯波を出力するものであり、
上記帰還回路を用いて帰還する変調信号は、上記1対の側帯波を混合して生成した上記電気信号で上記変調信号に等しい周波数の電気信号であり、
上記の入射部から、上記の発振回路に高周波発振が起こる閾値を超える強度のレーザ光を入射して高周波電気信号を生成し、前記高周波電気信号あるいは、前記高周波電気信号が重畳された光信号を出力することを特徴とする光電気発振器。
逓倍された変調信号を含む光信号を、光変調器の非線形特性によって生成することを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
逓倍された変調信号を含む光信号を、往復型光変調器を用いて生成することを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
逓倍された変調信号を含む光信号を、ループ構造の光路をもった光変調器を用いて生成することを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路には、目標とする発振周波数と重なり部分のある濾波特性をもった電気フィルタが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路には，目標とする発振周波数と重なり部分のある濾波特性をもった電気増幅器が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光変調器からの出力は、光増幅器で増幅された後、光電変換器に供給されることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光変調器は光位相変調器であって、光フィルタが光変調器と光電変換器との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
帰還回路に第２の高周波電気信号を注入して、第２の高周波電気信号と同期のとれた高周波信号、あるいは、逓倍された第２の高周波電気信号を含む光信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
光路には、遅延時間の調整可能な遅延器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。
第３の高周波電気信号が重畳された第２の光信号を光路に注入し、第３の高周波電気信号と同期のとれた高周波電気信号、あるいは、逓倍された第３の高周波電気信号を含む光信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の光電気発振器。