JP4706048B2 - 光電気発振器及び光電気発振方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電気発振器及び光電気発振方法に関し、例えば、光ファイバ無線信号源、光ファイバ伝送における光クロック発生及び信号処理、長距離光ファイバ伝送システム、大容量波長分割多重光ファイバネットワーク、アクセス系光ファイバ無線システム、及び光計測システムなどに用いられる。

光通信システムや、光無線通信システムの送信機や受信機で高度な光信号処理を行うためには、局発となる発振器が欠かせない。光信号や光無線信号のキャリア（搬送波）を生成する機能が必要となるためである。そのためには、高精度かつ制御性の良い発振器が必要となる。

光電気発振器とは、光信号が入力されることにより、所定周波数の光信号や電気信号を発振するデバイスであり、光信号の変調サイドバンド成分を帰還（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（下記、非特許文献１を参照。）。

＜従来の光電気発振器＞
図８は、従来の光電気発振器の概略構成図である。図８に示すように、従来の光電気発振器（７０）は、例えば、光源から出力された光信号を変調する光変調器（７１）と、光変調器（７１）からのサイドバンド成分を有する光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（例えば、フォトダイオード）（７２）と、光検出器（７２）からの電気信号を増幅する増幅器（７４）と、増幅された電気信号を光変調器（７１）の電極に正帰還する導線（７５）と、光変調器（７１）のバイアス点を制御するバイアス電源（７６）とからなり、十分なループ利得を得ることにより発振するようになっている。なお、符号７７は光源を表す。

光電気発振器（７０）は、光検出器からの所定周波数の電気信号を変調信号として光変調器の電極に正帰還することにより、光変調器において自走発振動作で変調サイドバンド成分を生成させることができるため、外部発振器が不要となる利点がある。

また、発振器の帰還ループが光回路及びＲＦ回路で構成されているため、発振動作時には、光変調信号、ＲＦ信号の両方で同一周波数の発振信号を同時に得ることができる。また、光信号、ＲＦ信号のいずれに対しても、注入同期動作により発振周波数を制御することができることも特徴である。

＜マッハツェンダー型光変調器＞
一方、光変調技術の進展は近年めざましい。特にＬｉＮｂＯ₃結晶内で誘起される電気光学効果を利用した光変調器は、高効率・高速の変調特性であったり、低損失であったり、集積導波路を作製することができたりする等の特徴を有し、光通信技術における要素技術とされている。

マッハツェンダー型光変調器は、光導波路をマッハツェンダー干渉計構造で形成してなり、電気光学効果により得られる位相変調信号を強度変調信号へと変換させる光変調器である（下記、非特許文献２を参照。）。特に、ＬｉＮｂＯ₃基板上に形成された光変調器は、マッハツェンダー型ＬＮ光変調器と呼ばれる。

このマッハツェンダー型ＬＮ光変調器が有する特徴の一つとして、バイアス点及び駆動電気信号を適切に制御することにより、多様な光信号を得ることができるという特徴がある。例えば、干渉計アームにπ／４の位相差をバイアスとして与え、周波数ｆ_mの正弦波駆動信号を入力すると、光正弦波信号を得ることができる。また、位相差π（パイ）のバイアス点（ゼロバイアス点）において、周波数ｆ_mの正弦波駆動信号を導入すると、周波数２ｆ_mの光信号を得ることができる。特に後者の場合において、得られる光信号の光スペクトルに着目すると、光キャリアが抑圧され、両側波帯のみが存在する光スペクトルが得られる。すなわち、周波数差２ｆ_mの光２トーン信号を生成することができる。

これらの背景をもとに、マッハツェンダー型ＬＮ光変調器を用いた光電気発振器が提案されている（上記、非特許文献１を参照。）。この光電気発振器は、その構成素子である光変調器として、マッハツェンダー型ＬＮ光変調器を適用したものである。

X.S.Yao and L.Maleki,IEEE Photon. Technol. Lett.,vol.30,p.1525 (1994) T.Sakamoto,T.Kawanishi,S.Shinada,and M.Izutsu,ECOC 2004,WE4.P.048 (2004)

しかしながら、従来のマハツェンダー型光変調器を用いた光電気発振器では、上述したバイアス点をゼロに設定して光２トーン信号を生成することは原理的に不可能であり、バイアス設定点が限定的であるという問題があった。これは、バイアス点をゼロに設定してマッハツェンダー型光変調器から光２トーン信号を出力した場合には、光２トーン信号には２逓倍の２ｆ_m成分が主として含まれ、マッハツェンダー型光変調器における変調周波数として必要なｆ_m成分はほとんど消滅してしまうため、光電気発振に必要とされるフィードバック信号を得ることができないからである。

このため、従来のマハツェンダー型光変調器を用いた光電気発振器では、主として、バイアス点をπ／４に設定して正弦波信号を生成すること着目して開発が行われていた。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、任意のバイアス条件での発振、特に、バイアス点をゼロに設定して光２トーン信号を生成することができる光電気発振器を提供することを目的とする。また、光２トーン信号を生成することにより、フェージング効果を抑制した光電気発振器を提供することを目的とする。

本発明は、基本的には、光電気発振器において任意のバイアス条件での発振、特に、バイアス点をゼロに設定して光２トーン信号を生成するにあたり、変調周波数成分を含まないフィードバック信号を分周して変調周波数の成分を生成することで、任意のバイアス条件での発振を可能にするという知見に基づくものである。

上記課題を解決する本発明に係る光電気発振器は、
光源から出力された光信号を変調する光変調器（１）と、
前記光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、
前記光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、
前記分周された電気信号を変調信号として前記光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）と、
を具備する光電気発振器（１０）である。

また、前記光変調器（１）は、あらかじめバイアス点が固定されていてもよい。更に、前記光変調器（１）のバイアス点を制御するバイアス電源（６）を設けたり、前記光変調器（１）の温度を調整してバイアス点を制御する温度調整器を設けたりしてもよい。

上述する光電気発振器では、光検出器から出力された電気信号を、分周器により、光変調器に適切な変調周波数の電気信号に分周する。これにより、任意のバイアス条件、特に位相差π（パイ）となるバイアス点（ゼロバイアス点）に設定した場合であっても、適切なフィードバック信号を得ることができ、光電気発振動作を可能とする。光変調器からの出力信号として十分な強度の高次高調波が得られるならば、この信号を偶数次分周することによりフィードバック信号を得ることもできる。また、光２トーン信号を生成することができるので、フェージング効果を抑制した光電気発振器が実現する。

なお、光２トーン信号とは、２つの周波数成分からなる光信号である。例えば、概念的には図２（ａ）に示すように、具体例としては図６に示すように、上側波帯信号（Upper-Side-Band：ＵＳＢ）と下側波帯信号（Lower-Side-Band：ＬＳＢ）とからなる両側波帯信号である。

本発明に係る光電気発振器によれば、光検出器からの所定周波数の電気信号を分周することにより、任意のバイアス条件であっても、電気信号から変調周波数の成分を生成して、発振動作を行うことができる。特に、バイアス点をゼロに設定して光２トーン信号を生成することができる。また、光２トーン信号を生成することにより、フェージング効果を抑制した光電気発振器とすることができる。

＜１．光電気発振器＞
図１は、実施形態に係る光電気発振器の概略構成図である。図１に示すように、実施形態に係る光電気発振器（１０）は、光源から出力された光信号を変調する光変調器であるマッハツェンダー型光変調器（１）と、光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、任意のＲＦ増幅器（４）と、分周された電気信号を変調信号として光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）と、光変調器（１）のバイアス点を制御するバイアス電源（６）とを具備する。なお、符号７は光源を表す。

光検出器（２）から出力される電気信号は、分周器（３）により分周された後、変調信号として光変調器（１）の変調電極に入力される際に、増幅器（４）により増幅して入力される。なお、実施形態に係る光電気発振器において、増幅器（４）は光検出器（２）と分周器（３）との間（すなわち、増幅した後、分周する。）に設置してもよい。また、実施形態に係る光電気発振器において、増幅器（４）は適宜設置すればよい構成素子であって、なくてもよい。

また、実施形態に係る光電気発振器において、バイアス電源（６）は適宜設置すればよい構成装置である。本実施形態に係る光電気発振器は、下記詳細に説明するように、バイアス電圧の如何に関わらず発振動作が可能だからである。また、近年、あらかじめバイアス点を設計してバイアス電圧を不要とした光変調器も開発されており、このような、あらかじめバイアス点が固定されている光変調器を適用してもよい。更に、光変調器に温度を調整する温度調整器を設置して、光変調器の温度によりバイアス点を制御してもよい。温度調整器としては、公知のものを用いることができ、例えば、薄膜ヒータなどの温度調整器により制御すればよい。

＜１．１．光源＞
光電気発振器の光源として、公知の光源を採用できる。好ましい光電気発振器の光源は、ダイオード、レーザーダイオードなどである。

また、光源の例としては、擬似ランダム信号を出力するものがある。擬似ランダム信号は、特開平5-45250号公報、特開平7-218353号公報、及び特開2003-50410号公報などに記載されたものを用いることができる。擬似ランダム信号を用いれば、様々な特性を有する信号を発生できる。光源の好ましい別の態様は、周期性を持って配列された光信号を出力するものである。周期性を持って配列された光信号として、パルス信号があげられる。また連続光源であってもよい。

光源から出力される光の波長としては、1200ｎｍ〜1900ｎｍが挙げられ、好ましくは1300ｎｍ〜1800ｎｍ、より好ましくは1400ｎｍ〜1700ｎｍや1500ｎｍ〜1600ｎｍである。また、光源から出力される光の強度としては、0.1ｍＷ以上が挙げられ、好ましくは１ｍＷ以上であり、より好ましくは10ｍＷ以上である。具体的な光源としては、例えば、アジレント（Agilent）社製HP8166Aや81689Aなどが挙げられる。

＜１．２．光変調器＞
光変調器としては、マッハツェンダー型光変調器を実施形態として例示したが、これに限定されない。光変調器は、光の周波数、光の強度、及び光の位相のうち少なくともひとつに変調を加えるための装置である。このような光変調器として、周波数変調器、強度変調器、及び位相変調器があげられる。

強度変調器としては、例えば光単側波帯変調器（光ＳＳＢ変調器）、光周波数シフトキーイング変調器（光ＦＳＫ変調器）又は光搬送波抑圧両側波帯変調器（光ＤＳＢ−ＳＣ変調器）などの変調器があげられる。強度変調器は、導波路を伝播する光信号の強度（振幅）を制御するための装置である。強度変調器として、周知の可変光減衰器（ＶＯＡ）を用いることができる。強度変調器として、ＬＮを用いたＶＯＡ素子を用いても良い（例えば、特開平10-142569号公報参照）。

光変調器として、光信号の周波数をシフトして出力するものに光単側波帯変調器（光ＳＳＢ（Single Side-Band）変調器）がある。光ＳＳＢ変調器及びその動作は、たとえば、「川西哲也，井筒雅之，"光ＳＳＢ変調器を用いた光周波数シフター"，信学技報，TECHNICAL REPORT OF IEICE, OCS2002-49,PS2002-33,OFT2002-30(2002-08)」、「日隅ら，Ｘカットリチウムニオブ光ＳＳＢ変調器，エレクトロンレター，vol.37，515-516 (2001)．」などに詳しく報告されている。すなわち、光ＳＳＢ変調器によれば、所定量周波数がプラスにシフトした上側波帯信号（ＵＳＢ）、及び下側波帯信号（ＬＳＢ）を得ることができる。

光ＤＳＢ−ＳＣ変調器の具体的な構成として、例えば、導波路上に形成された金属薄膜ヒータを熱源としてマッハツェンダー導波路の一方のアーム導波路に熱光学効果によって屈折率変化を生じさせ、干渉計の出力強度を調整するものがあげられる（例えば、特開2000-352699号公報参照）。光ＤＳＢ−ＳＣ変調器として、信号源と、信号源から出力される信号の位相を調整する位相調整器とを具備し、マッハツェンダー導波路の両アームに印加される電気信号の位相が例えば１８０度異なるように調整されるものがあげられる。両アームに印加される電気信号の位相が１８０度異なるので、光ＤＳＢ−ＳＣ信号を出力できる。

本発明において、基本的に強度変調器は、その変調信号の変調周波数をその入力信号の中心周波数をｆ₀、変調周波数をf_mとすると、その出力信号は、主にｆ₀±f_m（ｆ₀＋f_mとｆ₀−f_m）である。このような周波数を有する出力信号を出力するもののうち、特にｆ₀成分が抑圧されるものを出力するものを光ＤＳＢ−ＳＣ変調器とよぶ。すなわち、光ＤＳＢ−ＳＣ変調器は、両側波帯の光信号を出力し、キャリア信号の周波数成分ｆ₀を抑圧する。

このような光ＤＳＢ−ＳＣ変調器としては、マッハツェンダー導波路であり、より好ましくはプッシュプル型マッハツェンダー導波路を具備するものがあげられ、これは下記の光ＦＳＫ変調器と同様にして製造できる。マッハツェンダー導波路であれば、光ＦＳＫ変調器と同一の基板上に設けることができるからである。また、マッハツェンダー導波路であれば、強度変調時の不要な光位相変化（周波数チャープ）を回避することが出来るからである。このようなマッハツェンダー導波路として、公知の光ＳＳＢ変調器などに用いられたマッハツェンダー導波路を利用できる。

光ＦＳＫ変調器としては、例えば、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）を具備する変調器である。当該変調器は、例えば、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力するための第一のサブＭＺ電極（電極Ａ）と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力するための第２のサブＭＺ電極（電極Ｂ）と、前記ＭＺ_Cを制御し、入力されるＲＦ信号の電圧値、または位相を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する電極（電極Ｃ）とを具備する。

それぞれのマッハツェンダー導波路は、例えば、略六角形状の導波路（これが２つのアームを構成する）を具備し、並列する２つの位相変調器を具備するようにして構成される。

通常、マッハツェンダー導波路や電極は基板上に設けられる。基板及び各導波路は、光を伝播することができるものであれば、特に限定されない。例えば、ＬＮ基板上に、Ｔｉ拡散のニオブ酸リチウム導波路を形成しても良いし、シリコン（Ｓｉ）基板上に二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）導波路を形成しても良い。また、ＩｎＰやＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ導波路を形成した光半導体導波路を用いても良い。基板として、ＸカットＺ軸伝搬となるように切り出されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）が好ましい。これは大きな電気光学効果を利用できるため低電力駆動が可能であり、かつ優れた応答速度が得られるためである。この基板のＸカット面（ＹＺ面）の表面に光導波路が形成され、導波光はＺ軸（光学軸）に沿って伝搬することとなる。Ｘカット以外のニオブ酸リチウム基板を用いても良い。また、基板として、電気光学効果を有する三方晶系、六方晶系といった一軸性結晶、又は結晶の点群がＣ_3V、Ｃ₃、Ｄ₃、Ｃ_3h、Ｄ_3hである材料を用いることができる。これらの材料は、電界の印加によって屈折率変化が伝搬光のモードによって異符号となるような屈折率調整機能を有する。具体例としては、ニオブ酸リチウムの他に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）、β−Ｂａ₂Ｏ₄（略称ＢＢＯ）、ＬｉＩＯ₃等を用いることができる。

基板の大きさは、所定の導波路を形成できる大きさであれば、特に限定されない。各導波路の幅、長さ、及び深さも本発明のモジュールがその機能を発揮しうる程度のものであれば特に限定されない。各導波路の幅としては、たとえば１〜２０マイクロメートル程度、好ましくは５〜１０マイクロメートル程度があげられる。また、導波路の深さ（厚さ）として、１０ｎｍ〜１マイクロメートルがあげられ、好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。

電極Ａ、電極Ｂ、電極Ｃとしては、たとえば金、白金などによって構成される。これらの電極の幅としては、１μｍ〜１０μｍが挙げられ、具体的には５μｍが挙げられる。これらの電極の長さとしては、変調信号の波長の０．１倍〜０．９倍が挙げられ、０．１８〜０．２２倍、又は０．６７倍〜０．７０倍が挙げられ、より好ましくは、変調信号の共振点より２０〜２５％短いものである。このような長さとすることで、スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるからである。より具体的なこれらの電極の長さとしては、３２５０μｍがあげられる。

電極Ａ、電極Ｂとしては、進行波型電極または共振型電極が挙げられ、好ましくは共振型電極である。共振型光電極（共振型光変調器）は、変調信号の共振を用いて変調を行う電極である。共振型電極としては公知のものを採用でき、例えば特開2002-268025号公報、「川西哲也，及川哲，井筒雅之，"平面構造共振型光変調器"，信学技報，TECHNICAL REPORT OF IEICE,IQE2001-3(2001-05)」に記載のものを採用できる。

進行波型電極（進行波型光変調器）は，光波と電気信号を同方向に導波させ導波している間に光を変調する電極（変調器）である（例えば、西原浩，春名正光，栖原敏明著，「光集積回路」（改訂増補版）オーム社，119頁〜120頁）。進行波型電極は公知のものを採用でき、例えば、特開平11−295674号公報、特開平11−295674号公報、特開2002−169133号公報、特開2002-40381号公報、特開2000-267056号公報、特開2000-471159号公報、特開平10-133159号公報などに開示されたものを用いることができる。進行波型の変調器は、両端の電極から変調信号を入力することで、どちらの向きから入力する光に対しても同じ特性で変調できるので好ましい。

進行波型電極として、好ましくは、いわゆる対称型の接地電極配置（進行波型の信号電極の両側に、少なくとも一対の接地電極が設けられているもの）を採用するものである。このように、信号電極を挟んで接地電極を対称に配置することによって、信号電極から出力される高周波は、信号電極の左右に配置された接地電極に印加されやすくなるので、高周波の基板側への放射を、抑圧できる。

電極Ｃは、進行波型の電極であることが好ましい。電極Ｃの切り換え速度が、光ＦＳＫ変調器のデータ速度になるので、電極Ｃを進行波型電極とすることで高速の切り換え（ＵＳＢ(Upper-Side-Band)とＬＳＢ(Lower-Side-Band)との切り換えし）が可能となるからである。

光導波路の形成方法としては、チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法など公知の形成方法を利用できる。すなわち、上記光ＦＳＫ変調器は、例えば以下のようにして製造できる。まず、ニオブ酸リチウムのウエハー上に、フォトリソグラフィー法によって、チタンをパターニングし、熱拡散法によってチタンを拡散させ、光導波路を形成する。この際の条件は、チタンの厚さを１００〜２０００オングストロームとし、拡散温度を５００〜２０００℃とし、拡散時間を１０〜４０時間とすればよい。基板の主面に、二酸化珪素の絶縁バッファ層（厚さ０．５−２μｍ）を形成する。次いで、これらの上に厚さ１５−３０μｍの金属メッキからなる電極を形成する。次いでウエハーを切断する。このようして、チタン拡散導波路が形成された光変調器が形成される。

光ＦＳＫ変調器は、たとえば以下のようにして製造できる。まず基板上に導波路を形成する。導波路は、ニオブ酸リチウム基板表面に、プロトン交換法やチタン熱拡散法を施すことにより設けることができる。例えば、フォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板上に数マイクロメートル程度のＴｉ金属のストライプを、ＬＮ基板上に列をなした状態で作製する。その後、ＬＮ基板を１０００℃近辺の高温にさらしてＴｉ金属を当該基板内部に拡散させる。このようにすれば、ＬＮ基板上に導波路を形成できる。

また、電極は上記と同様にして製造できる。例えば、電極を形成するため、光導波路の形成と同様にフォトリソグラフィー技術によって、同一幅で形成した多数の導波路の両脇に対して電極間ギャップが１マイクロメートル〜５０マイクロメートル程度になるように形成することができる。

なお、シリコン基板を用いる場合は、たとえば以下のようにして製造できる。シリコン（Ｓｉ）基板上に火炎堆積法によって二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を主成分とする下部クラッド層を堆積し、次に、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）をドーパントとして添加した二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を主成分とするコア層を堆積する。その後、電気炉で透明ガラス化する。次に、エッチングして光導波路部分を作製し、再び二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を主成分とする上部クラッド層を堆積する。そして、薄膜ヒータ型熱光学強度変調器及び薄膜ヒータ型熱光学位相変調器を上部クラッド層に形成する。

＜１．３．光検出器＞
光検出器は、光変調器（１）からの出力光を検出し、電気信号に変換するための手段である。光検出器として、公知のものを採用できる。光検出器として、例えばフォトダイオードを含むデバイスを採用できる。光検出器は、例えば、光信号を検出し、電気信号に変換するものがあげられる。光検出器によって、光信号の強度、周波数などを検出できる。光検出器として、たとえば「米津宏雄著”光通信素子工学”−発光・受光素子−，工学図書株式会社，第６版，平成１２年発行」に記載されているものを適宜採用できる。

＜１．４．分周器＞
分周器（３）は、光検出器（２）から出力された電気信号を分周するためのデバイスである。分周器は、公知の分周器を適宜用いることができ、特に限定されない。

分周器として、トグルフリップフロップ（Ｔ−ＦＦ）を用いたものがあげられる。Ｔ−ＦＦとして、マスタースレーブ（ＭＳ）Ｔ−ＦＦや、ダイナミックＴ−ＦＦがあげられる。具体的には、ダイナミックＴ−ＦＦ、バッファ、ＭＳＴ−ＦＦ、バッファ、ＭＳＴ−ＦＦ、ダイナミックＴ−ＦＦ、ＭＳＴ−ＦＦ、及びドライバをこの順に連結した分周器（ＮＴＴ製９０ＧＨｚＩｎＰＨＢＴダイナミック分周器）があげられる。この分周器では、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速な光通信システムにおいて、受信信号から抽出されるクロック信号を用いて低速なクロック信号を生成することができる。また、ＣＭＯＳフリップフロップにより構成される分周器（例えば、特許第3477844号の図３及び図４）を用いても良い。この分周器は、３個のＤフリップフロップをカスケード接続したものである。そして、各Ｄフリップフロップは複数のインバータにより構成される。より具体的には、インバータによりＣＭＯＳのＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタをプッシュプル接続して構成される。

別の分周器として、特許第3435751号公報の図６に示されるように、設定値Ｍ（Ｍ＝２など）のカウンタと、カウンタの入力信号と、カウンタの出力信号とが入力されるアンド回路とを含むものがあげられる。カウンタは、入力信号をカウントし、Ｍ周期毎に１周期間の出力をＬｏｗ出力とする。そして、アンド回路は、入力信号とカウンタの出力信号との論理和を取った信号を出力するので、アンド回路からの出力はＭ周期毎に１周期分のパルスが除去される。このようにして、たとえばＭ＝２の場合、２周期毎に１周期分のパルスが取り除かれるので、信号の周期が２倍となり、入力信号の周波数が半分となった信号が出力されることとなる。

別の分周器として、特許第3585114号公報の図５及び図６に示されるように、分周器集積回路を用いたものがあげられる。この分周器は、分周器を構成する分周器集積回路１に端子ＳＷ１および端子ＳＷ２を有し、端子ＳＷ１および端子ＳＷ２に印加する制御信号のＨレベル、Ｌレベルに基づいて、分周比を１／２、１／４、１／８に切り換えることができる。この分周器集積回路１の一つに例えば、モトローラ社製のＭＣ１２０９３があげられている。また、この分周器は、端子ＳＢ（スタンバイモードのための端子）、端子ＩＮ（入力端子）、端子ＩＮバー、端子Ｖｃｃ（電源端子）、端子ＧＮＤ（アース端子）、端子ＯＵＴ（出力端子）を具備する。そして、端子ＩＮには、結合コンデンサを介して入力信号が入力される。また、端子ＩＮバーは結合コンデンサを介して接地されている。そして、端子ＳＷ１および端子ＳＷ２に印加する制御信号レベルがともにＨレベルであるときに、分周比が１／２となるように設定されている。

＜１．５．バイアス電源＞
バイアス電源（６）は、光変調器（１）にバイアスをかける電源であり、図１に示す直流のバイアス電源の他に、交流のバイアス電源でもよい。また、光変調器を導波する光信号を任意の位相差とすることができるものであればよく、一般的な位相差π／４のバイアスだけでなく、位相差π（パイ）のバイアス（ゼロバイアス点）を与える電源を用いることができる。

＜１．６．プッシュプル式駆動＞
プッシュプル式の駆動とは、スイッチング電源を用いて行う駆動方式の名称であり、メインスイッチング素子をふたつ使用し、スイッチングトランスを交互に駆動するものである。差動増幅器（回路）とは、２つの入力端子の電圧の差を増幅する増幅器（回路）である。この差動増幅器（回路）としては、一般にアナログ回路で用いられている増幅器（回路）などの公知のものを用いることができる。下記実施例に係る光電気発振器（図３を参照。）では、マッハツェンダー光変調器の２つのアームに変調信号を入力する際に、差動増幅回路によりプッシュプル式に駆動するようにしている。

＜１．７．バンドパスフィルター＞
なお、導線（５）には、バンドパスフィルターを設置してもよい。バンドパスフィルターは、光検出器からの出力された種々の周波数成分が混合した電気信号の中から不要な周波数成分を除去し、必要な周波数成分だけを通過させる電子回路である。導線（５）には分周器（３）が設置されるが、バンドパスフィルターが分周器（３）よりも前段（光検出器と分周器との間）に設置されるか、又は後段（分周器と光変調器との間）に設置されるかにより、バンドパスフィルターのフィルタリング特性が異なる。例えば、後段に設置する場合には、分周後の電気信号、すなわち、光変調器（１）の変調周波数を含む所定領域の電気信号を通過させる特性を有する。

バンドパスフィルターとして、公知のバンドパスフィルターを用いることができ、ローパスフィルター（ＬＰＦ）やハイパスフィルター（ＨＰＦ）、又はＬＰＦとＨＰＦの組み合わせなどがあげられる。ローパスフィルターは、低い周波数成分を取り出す回路であり、抵抗（Ｒ）とコンデンサ（Ｃ）を組み合わせたＲＣ積分回路やコイル（Ｌ）とコンデンサ（Ｃ）を組み合わせたＬＣ積分回路などによって実現される。ハイパスフィルターは、高い周波数成分を取り出す回路であり、抵抗（Ｒ）とコンデンサ（Ｃ）を組み合わせたＲＣ微分回路や抵抗（Ｒ）とコイル（Ｌ）を組み合わせたＲＬ微分回路によって実現される。ＲＣ微分回路の場合のカットオフ周波数はｆ＝１／（２πＲＣ）であり、ＲＬ微分回路の場合のカットオフ周波数はｆ＝Ｒ／（２πＬ）である。周波数ｆよりも低周波の信号を減衰させ、高周波の信号を通過させる。

＜２．光電気発振器の動作原理＞
次に、実施形態に係る光電気発振器の動作原理について、光変調器（１）に光信号の位相差がπ（パイ）となるバイアスをかけた場合の動作原理を説明する。図２は、実施形態に係る光電気発振器を導波する光信号の状態を示す概念図であり、光変調器から出力される光信号である２トーン信号の概念図（図２（ａ））と、光検出器から出力される帰還信号の概念図（図２（ｂ））である。なお、図２（ａ）における「ＬＳＢ」は下側波帯信号を、「ＵＳＢ」は上側波帯信号を示す。また、図１に示す符号（ａ）は図２（ａ）に示す光信号に対応し、図１に示す符号（ｂ）は図２（ｂ）に示す光信号に対応している。

まず、光源から出力された周波数ｆ₀の光信号が、光変調器（１）に入力されると、周波数差２ｆ_mの光２トーン信号が出力される（図２（ａ）を参照。）。これは、バイアス電源（６）により、光変調器（１）に光信号の位相差がπ（パイ）となるバイアス（ゼロバイアス点）がかけられると共に、後述するように分周器（３）からの変調信号（周波数ｆ_m）により光変調器（１）が変調動作をしているためである。

光変調器から出力された周波数差２ｆ_mの光２トーン信号は、光検出器（５）に入力され、電気信号に変換される。光検出器（５）では、周波数差２ｆ_mの光２トーン信号は、周波数２ｆ_mの電気信号に変換される（図２（ｂ）を参照。）。これは、光変調器（１）の変調周波数であるｆ_m成分は、バイアス条件に大きく依存し、特に光変調器（１）がゼロバイアス点付近でバイアスされる場合、ほとんど消滅してしまうため、光２トーン信号には主として２ｆ_m成分が残るためである。

光検出器から出力された周波数２ｆ_mの電気信号は、分周器（３）において周波数ｆ_mの電気信号に分周（２分周）される。その後、任意の増幅器（４）により増幅され、導線（５）により光変調器（１）の変調電極に変調信号として入力される。

したがって、光検出器（２）の出力部では周波数２ｆ_m成分を含む電気信号であっても、分周器（３）で分周することにより、光変調器（１）の適切な変調信号（周波数ｆ_m）とすることができる。この結果、位相差π（パイ）となるバイアス（ゼロバイアス点）をかけた場合であっても、適切なフィードバック信号を得ることができ、光電気発振器の発振動作が可能となる。

また、任意のバイアス条件に対して常に両側波帯信号が得られ、電気信号の周波数２ｆ_m成分はバイアス条件に依存しない成分である（図２（ｂ）を参照。）。したがって、この２ｆ_m成分を帰還することにより、任意のバイアス条件に対して光電気発振動作が得られる。

このような光電気発振器の動作を基本として、光変調器の効率が十分高い、増幅器の増幅度が大きい、入力光パワーが大きいなどの自走発振動作の条件が整っているときに、ノイズなど外乱をきっかけにして発振が開始する。なお、光電気発振器における電気回路部分、光部分のどこかに外部から信号を供給して、その信号に同期した発振をさせることも可能である。

また、従来の光電気発振器では、キャリアと共に強度が変調されたサイドバンド成分が生成されるが、このような信号は分散性ファイバにおける送信には好ましくない。これは、ＲＦパワーレベルがフェージング効果によりファイバ中を伝播するにしたがって減少してしまうためである。一方、このフェージング効果に対しては、光２トーン信号が有効であることは良く知られている。本実施形態に係る光電気発振器によれば、光２トーン信号を生成することができるので、フェージング効果を抑制した光電気発振器とすることができる。

図３は、実施例に係る光電気発振器の概略構成図である。同図に示すように、実施例に係る光電気発振器（３０）は、デュアルドライブ型のマッハツェンダー型光変調器（３１）と、フォトダイオード（３２）と、分周器（３３）と、ＲＦ増幅器（３４）と、導線（３５）と、バイアス電源（３６）との基本構成とし、更に、光源であるレーザーダイオード（３７）と、光変調器からの出力光を光検出器に伝えると共に、光出力（Ａ）をサンプリングする光カプラー（４０）と、ＲＦ遅延線（４１）と、帯域フィルター（４２）と、光検出器からの電気信号を分周器に伝えると共に、ＲＦ出力（Ｂ）をサンプリングするＲＦカプラー（４３）と、差動増幅器（４４）と、変調周波数入力回路（４５）と、偏光調整器（ＰＣ）（４６）とから構成した。

なお、分周器（３３）、ＲＦ増幅器（３４）、ＲＦ遅延線（４１）、帯域フィルター（４２）及びＲＦカプラー（４３）のそれぞれの位置関係については、分周器（３３）に入力される電気信号が周波数２ｆ_mであり、光変調器（３１）に入力される変調信号が周波数ｆ_mであれば、図３に示す順番に限定されない。必須の構成素子である分周器（３３）を中心として説明すると、例えば、ＲＦ増幅器（３４）、ＲＦ遅延線（４１）、帯域フィルター（４２）は分周器（３３）の前段に設置しても、後段に設置してもよい。帯域フィルター（４２）を分周器（３３）の後段に設置する場合には、周波数ｆ_mを含む領域を選択するフィルターとすればよい。また、ＲＦカプラー（４３）は、分周前の電気信号をサンプリングする素子として分周器（３３）の前段に設置しているが、ＲＦ増幅器（３４）、ＲＦ遅延線（４１）又は帯域フィルター（４２）との位置関係は問わない。

光電気発振器に入力される光信号は、連続光であり、中心波長を１５５０ｎｍとする調整可能なレーザーダイオード（ＴＬＤ）（３７）により生成される。デュアルドライブ型のマッハツェンダー型光変調器（３１）には、バイアス電源により位相差π（パイ）となるようにバイアスがかけられ、差動増幅器（４４）を含む変調周波数入力回路（４５）によりプッシュプル式に駆動される。帯域フィルター（４２）は、不要な発振周波数を抑える役割を有し、帯域フィルターの中心周波数および帯域幅は、それぞれ１０．５ＧＨｚ、５０ＭＨｚであった。ＲＦ遅延線（４１）は、帰還信号の位相を制御するために光電気発振器の帰還ループに沿って配置されている。

光出力信号（Ａ）及びＲＦ出力信号（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ、光カプラー（４０）及びＲＦカプラー（４３）によって一部、抽出され、光スペクトル分析器及びＲＦスペクトル分析器によりサンプリングした。実施例にかかる光電気発振器では、発振周波数ｆ_mは５．２５ＧＨｚであり、分周器に入力される帰還信号は１０．５ＧＨｚ（周波数２ｆ_m）である。

まず、マッハツェンダー型光変調器が位相差π（パイ）となるようにバイアスされたときの、光電気発振器のしきい値特性を検討した。図４は、実施例に係る光電気発振器における入力光強度と出力ＲＦ強度との関係を示す図である。図４における「Threshold」は、しきい値を示す。入力する光強度を増加させていくと、光電気発振器は発振を開始し、安定な発振を維持するようになった。発振を始めるしきい値における入力強度は０．１ｍＷであった。発振特性の図形は、従来の光電気発振器のそれとは大きく異なっていた。これは、論理カウンタで構成された分周器により、変調器の変調電極に入力されたＲＦ信号が一定のレベルに制限されるからである。入力される光の強度は、帰還信号のレベルを変化させない。したがって、出力されるＲＦ信号の強度は入力強度の２乗に比例する。

図５は、実施例に係る光電気発振器におけるサイドバンド成分及びキャリアの光強度とバイアス条件との関係を示す図である。図５において、正方形、丸および三角形の点は、それぞれ、搬送波（図中「Ｃａｒｒｉｅｒ」）、上側波帯信号（図中「ＵＳＢ」）および下側波帯信号（図中「ＬＳＢ」）を示す。バイアス条件がゼロ点付近では、搬送波の強度は２０ｄＢ以上抑制された。しかし、２つのサイドバンドの信号レベルはバイアス条件に無依存であった。

図６は、実施例に係る光電気発振器における光出力（Ａ）のスペクトルを示す図である。図６に示すように、良好に光２トーン信号が生成していることが分かる。光電気発振器により生成された光スペクトルは、入力された光の強度がしきい値以上である限り、任意の光強度に対して同様の特性を維持した。光スペクトルにおいては、３次変調成分がＵＳＢ信号及びＬＳＢ信号の両サイドに観測された。これらの成分を抑制するためには、より線形の値域でマッハツェンダー型光変調器を運転するほうがよい。

図７は、実施例に係る光電気発振器におけるＲＦ出力（Ｂ），（Ｃ）のスペクトルを示す図であり、分周器へ入力されるＲＦ信号のスペクトルを示す図（図７（ａ））と、分周され、光変調器へ入力されるＲＦ信号のスペクトルを示す図（図７（ｂ））である。図７（ａ）から分かるように、分周器への入力スペクトルは、１０．５ＧＨｚの単一スペクトルであった。また、図７（ｂ）から分かるように、分周され、光変調器へ入力するスペクトルは、５．２５ＧＨｚの単一スペクトルであった。これらのＲＦスペクトルから算出されたサイドモードの抑制比は、両方とも、５０ｄＢ以上であった。この抑制比は、より狭いパスバンド周波数を備えた帯域フィルターを用いることにより改善することができると考えられる。

以上説明する通り、位相差π（パイ）となるようにバイアスされたプッシュプル式のマッハツェンダー光変調器を用いて構成された新規な光電気発振器を提案した。この光電気発振器において、分周器は良好に作動し、光変調器に適切な発振周波数の電気信号を入力することができた。この結果、自己発振式の発振器において、１０．５ＧＨｚの周波数分離を有する光２トーン信号を良好に生成することができた。

例えば、本発明に係る光電気発振器は、基準ミリ波・マイクロ波の信号源やファイバ無線用の信号源などを用いた光通信や電気通信の分野で利用することができる。また、光ファイバ無線信号源、光ファイバ伝送における光クロック発生及び信号処理、長距離光ファイバ伝送システム、大容量波長分割多重光ファイバネットワーク、アクセス系光ファイバ無線システム、光計測システム及び光計測信号源などの分野で利用することができる。

図１は、実施形態に係る光電気発振器の概略構成図である。 図２は、実施形態に係る光電気発振器を導波する光信号の状態を示す概念図であり、光変調器から出力される光信号である２トーン信号の概念図（図２（ａ））と、光検出器から出力される帰還信号の概念図（図２（ｂ））である。 図３は、実施例に係る光電気発振器の概略構成図である。 図４は、実施例に係る光電気発振器における入力光強度と出力ＲＦ強度との関係を示す図である。 図５は、実施例に係る光電気発振器におけるサイドバンド成分及びキャリアの光強度とバイアス条件との関係を示す図である。 図６は、実施例に係る光電気発振器における光出力（Ａ）のスペクトルを示す図である。 図７は、実施例に係る光電気発振器におけるＲＦ出力（Ｂ），（Ｃ）のスペクトルを示す図であり、分周器へ入力されるＲＦ信号のスペクトルを示す図（図７（ａ））と、分周され、光変調器へ入力されるＲＦ信号のスペクトルを示す図（図７（ｂ））である。 図８は、従来の光電気発振器の概略構成図である。

符号の説明

１ マッハツェンダー型光変調器
２ 光検出器
３ 分周器
４ ＲＦ増幅器
５ 導線
６ バイアス電源
７ レーザー光源
１０ 光電気発振器

３０ 光電気発振器
３１ マッハツェンダー型光変調器
３２ フォトダイオード
３３ 分周器
３４ ＲＦ増幅器
３５ 導線
３６ バイアス電源
３７ レーザーダイオード
４０ 光カプラー
４１ ＲＦ遅延線
４２ 帯域フィルター
４３ ＲＦカプラー
４４ 差動増幅器
４５ 変調周波数入力回路
４６ 偏光調整器

７０ 光電気発振器
７１ マッハツェンダー型光変調器
７２ 光検出器
７４ ＲＦ増幅器
７５ 導線
７６ バイアス電源
７７ レーザー光源

Claims (20)

1. 光源から出力された光信号を変調する光変調器（１）と、
   前記光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、
   前記光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、
   前記分周された電気信号を変調信号として前記光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）と、
   を具備する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
   前記分周器（３）は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する光電気発振器。
   
2. 光源から出力された光信号を変調する光変調器（１）と、
   前記光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、
   前記光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、
   前記分周された電気信号を変調信号として前記光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）とを具備し、
   前記光変調器（１）は、あらかじめバイアス点が固定されている光電気発振器において、
   前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
   前記分周器（３）は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する光電気発振器。
   
3. 光源から出力された光信号を変調する光変調器（１）と、
   前記光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、
   前記光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、
   前記分周された電気信号を変調信号として前記光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）と、
   前記光変調器（１）のバイアス点を制御するバイアス電源（６）と、
   を具備する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
   前記分周器（３）は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する光電気発振器。
   
4. 光源から出力された光信号を変調する光変調器（１）と、
   前記光変調器（１）からの光信号を受光して電気信号に変換する光検出器（２）と、
   前記光検出器（２）からの電気信号を分周する分周器（３）と、
   前記分周された電気信号を変調信号として前記光変調器（１）の変調電極に入力する導線（５）と、
   前記光変調器（１）の温度を調整してバイアス点を制御する温度調整器と、
   を具備する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
   前記分周器（３）は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する光電気発振器。
   
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）は、強度変調器である光電気発振器。
   
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）は、マッハツェンダー型光変調器である光電気発振器。
   
7. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）は、ＬｉＮｂＯ3基板上に形成された光変調器である光電気発振器。
   
8. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
   前記光変調器（１）の変調電極に、前記変調信号をプッシュプル式に入力する差動増幅器（４４）を有する光電気発振器。
   
9. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
   前記導線（５）に、前記変調周波数を含む所定の領域の電気信号を選択するバンドパスフィルター（４２）を有する光電気発振器。
   
10. 請求項１ないし４のいずれかに記載する光電気発振器において、
    前記光変調器（１）は、光単側波帯変調器（光ＳＳＢ変調器）、光周波数シフトキーイング変調器（光ＦＳＫ変調器）又は光搬送波抑圧両側波帯変調器（光ＤＳＢ−ＳＣ変調器）である光電気発振器。
    
11. 光源から出力された光信号を光変調器（１）により変調する工程と、
    前記光変調器（１）で変調された光信号を光検出器（２）により受光して電気信号に変換する工程と、
    前記光検出器（２）からの電気信号を分周器（３）により分周する工程と、
    前記分周された電気信号を変調信号として導線（５）により前記光変調器（１）の変調電極に入力する工程と、
    を含む光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
    前記分周する工程は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する工程である光電気発振方法。
    
12. 光源から出力された光信号を、あらかじめバイアス点が固定された、光変調器（１）により変調する工程と、
    前記光変調器（１）で変調された光信号を光検出器（２）により受光して電気信号に変換する工程と、
    前記光検出器（２）からの電気信号を分周器（３）により分周する工程と、
    前記分周された電気信号を変調信号として導線（５）により前記光変調器（１）の変調電極に入力する工程と、
    を含む光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
    前記分周する工程は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する工程である光電気発振方法。
    
13. 光源から出力された光信号を光変調器（１）により変調する工程と、
    前記光変調器（１）で変調された光信号を光検出器（２）により受光して電気信号に変換する工程と、
    前記光検出器（２）からの電気信号を分周器（３）により分周する工程と、
    前記分周された電気信号を変調信号として導線（５）により前記光変調器（１）の変調電極に入力する工程と、
    前記光変調器（１）のバイアス点をバイアス電源（６）により制御する工程と、
    を含む光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
    前記分周する工程は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する工程である光電気発振方法。
    
14. 光源から出力された光信号を光変調器（１）により変調する工程と、
    前記光変調器（１）で変調された光信号を光検出器（２）により受光して電気信号に変換する工程と、
    前記光検出器（２）からの電気信号を分周器（３）により分周する工程と、
    前記分周された電気信号を変調信号として導線（５）により前記光変調器（１）の変調電極に入力する工程と、
    前記光変調器（１）の温度を調整する温度調整器によりバイアス点を制御する工程と、
    を含む光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）のバイアス点は、前記光変調器を導波する光信号の位相差がπとなるバイアス点であり、
    前記分周する工程は、前記所定周波数の電気信号を偶数次分周する工程である光電気発振方法。
    
15. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）は、強度変調器である光電気発振方法。
    
16. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）は、マッハツェンダー型光変調器である光電気発振方法。
    
17. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）は、ＬｉＮｂＯ3基板上に形成された光変調器である光電気発振方法。
    
18. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）の変調電極に、差動増幅器（４４）により前記変調信号をプッシュプル式に入力する工程を含む光電気発振方法。
    
19. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記導線（５）に設けた前記変調周波数を含む所定の領域の電気信号を選択するバンドパスフィルター（４２）により、前記電気信号をフィルタリングする工程を含む光電気発振方法。
    
20. 請求項１１ないし１４のいずれかに記載する光電気発振方法において、
    前記光変調器（１）は、光単側波帯変調器（光ＳＳＢ変調器）、光周波数シフトキーイング変調器（光ＦＳＫ変調器）又は光搬送波抑圧両側波帯変調器（光ＤＳＢ−ＳＣ変調器）である光電気発振方法。
    

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