JP4982861B2

JP4982861B2 - 無線信号受信分離装置

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Publication number: JP4982861B2
Application number: JP2007223266A
Authority: JP
Inventors: 博司村田
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP2009060183A

Description

本発明は、マイクロ波およびミリ波帯無線信号と光とが融合した通信技術として位置づけられる無線信号受信分離装置に関する。

近年の無線通信技術の社会への浸透には目を見張るものがある。携帯電話はもちろん、ＥＴＣ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＴｏｌｌＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）やＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグも現在では身近なものとなりつつある。今後も、多種多様な無線通信サービスの展開が計画されている。

それゆえ、多数の電波信号が飛び交う中で、所望の信号だけを受信する技術、さらには、複数の無線信号を同時に受信して分離する技術が非常に重要となっている。

例えば、Ｗ−ＣＤＭＡ（ＷｉｄｅｂａｎｄＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）やモバイルＷｉＭＡＸ（ＷｏｒｌｄｗｉｄｅＩｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｆｏｒＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｃｃｅｓｓ）に代表される携帯電話システムやＩＥＥＥ８０２．１１ｎの室内無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）などの無線ブロードバンド通信技術として今後有望なＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）などがこれにあたる。

また、上述したような無線ブロードバンド通信技術を発展させるために、無線周波数資源の新規開拓も必須課題となっており、マイクロ波帯だけでなく、準ミリ波帯やミリ波帯を利用する通信システムも必要とされている。

従来、上述したようなマイクロ波帯やミリ波帯の無線信号分離を実現するため、送信側と受信側の双方に多数のアンテナ素子を二次元的あるいは三次元的に配置したアレイアンテナを用いて無線信号を受信し、各アンテナ素子からの電気信号をアンテナ素子ごとにダウンコンバートし、あるいはそのままでアンテナ素子の後段に接続されたマイクロ波回路に入力して分離するという技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００６−２３８２２５号公報

しかしながら、アンテナ素子数が増加すると、アンテナ素子の後段に配置されるマイクロ波回路の構成が非常に複雑となり、回路内での伝搬損失や信号間の相互誘導や混信が大きな問題となる。また、分離特性を高めるためには、精密な信号振幅や位相の調整回路も必要である。

また、ミリ波帯のような高周波帯での信号を分離するには、さらに回路内での損失が増大し、この損失を抑えるには準光学的な立体部品を組み合わせる必要があるが、回路規模が大きくなってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ波帯やミリ波帯の複数の無線信号を受信して分離抽出するにあたり、複雑なマイクロ波回路を必要とせず複数の無線信号を同時に分離できる小型で軽量な無線信号受信分離装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る無線信号受信分離装置は、電気光学変調効果により少なくとも入射角度または周波数の異なる複数の無線信号を光信号に変換して分離する無線信号受信分離装置であって、前記光信号を伝送する、互いに独立した複数の光導波路と、前記複数の無線信号を受信するアンテナと、前記アンテナに接続された複数の変調電極とを備え、前記複数の変調電極は、前記光信号が前記無線信号で変調されるよう前記複数の光導波路のそれぞれに対して近接して配置され、前記複数の光導波路のそれぞれは、前記光信号の伝搬方向に一定周期の分極反転構造を有し、互いに異なる分極反転周期を有し、前記複数の無線信号のうち前記分極反転周期に依存して定まる前記入射角度または前記周波数を有する一の無線信号により変調された前記光信号を出力することにより、前記複数の無線信号から前記一の無線信号を抽出することを特徴とする。

これにより、異なる分極反転周期構造をもつ光導波路のそれぞれは、分極反転周期によって特定される入射角度、もしくは周波数をもつ無線信号のみを検出することが可能となる。従って、アンテナ後段で複数の無線信号を分離するための複雑なマイクロ波回路を必要とせず、無線信号の受信と同時に信号分離が実現される。

また、電気光学変調効果により複数の無線信号を光信号に変換して分離する無線信号受信分離装置であって、前記光信号を伝送する複数の光導波路と、前記複数の無線信号を受信するアンテナと、前記アンテナに接続された複数の変調電極とを備え、前記複数の変調電極は、前記光信号が前記無線信号で変調されるよう前記複数の光導波路のそれぞれに対して近接して配置され、前記複数の光導波路のそれぞれは、前記光信号の伝搬方向に一定周期の分極反転構造を有し、互いに異なる分極反転周期を有することが好ましい。

これにより、後段で複数の無線信号を分離するための複雑なマイクロ波回路を必要とせず、電気光学結晶基板をベースとしたコンパクトな構成で同時分離が実現される。

また、前記アンテナは、複数のダイポールアンテナ素子を有し、前記複数のダイポールアンテナ素子のそれぞれは、前記電気光学結晶基板の上に形成され、前記光導波路のそれぞれに対し垂直に配置され、前記複数の変調電極のそれぞれは、前記無線信号の伝搬方向と前記光信号の伝搬方向とが同一方向となるよう、前記光導波路のそれぞれに対し平行に配置されていることが好ましい。

これにより、無線信号の受信部であるアンテナが電気光学結晶基板上に形成されるので、信号の伝搬損失が抑制され、電気光学結晶基板をベースとしたコンパクトで高感度な無線信号受信分離装置が実現される。

また、前記複数の光導波路のそれぞれは、ｃ／｛ｆ_m（ｎ_g−ｎ₀ｓｉｎθ）｝に基づいて定められた分極反転周期を具備し、ｃは光速であり、θは前記電気光学結晶基板の法線方向からの入射角度を０度としたときの角度であり、ｆ_mは前記θから入射した無線信号の周波数であり、ｎ_gは前記電気光学結晶基板の群屈折率であり、ｎ₀は空気の屈折率であることが好ましい。

これにより、分離して抽出すべき無線信号の入射角度及び周波数により、分極反転周期が一意に決定されるので、信号分離度の高い無線信号受信分離装置が実現される。

なお、本発明は、このような特徴的な手段を備える無線信号受信分離装置として実現することができるだけでなく、無線信号の入射角度分離方法や無線信号の周波数分離方法として実現できる。

本発明により、複数の無線信号を受信して分離するにあたり、複雑なマイクロ波回路を不要とし、小型で軽量な構成で複数の無線信号を同時に分離することができる。

本実施の形態における無線信号受信分離装置は、アンテナと、アンテナに接続され電気光学結晶基板上に形成された複数の変調電極と、異なる分極反転周期を有する複数の光導波路とを備える。これにより、コンパクトな構成で、かつ複雑なマイクロ波回路を必要とせず、複数の無線信号を同時分離することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における無線信号受信分離装置の構成を示す外観図である。同図における無線信号受信分離装置は、無線信号受信分離デバイス１とレーザ光２とを備え、異なる方向から飛来した無線信号３及び無線信号４を受信し分離する。

無線信号受信分離デバイス１は電気光学結晶基板１１と、光導波路部１２と、アンテナ部１３とを備える。

レーザ光２としては、例えば、波長１．５５μｍや６３３ｎｍのレーザが光ファイバを介して光導波路部１２へ入射される。

電気光学結晶基板１１の材料としては、例えば、ｚ−ｃｕｔＬｉＴａＯ₃であり、光学的異方性をもつ強誘電体が選択される。これに外部電界がかかると屈折率の変化を起こすという電気光学効果が生じる。

なお、電気光学結晶基板１１の材料としては、ＬｉＴａＯ₃だけでなく、例えば、ＬｉＮｂＯ₃やＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）等であってもよい。

電気光学結晶基板１１の厚みは、例えば、０．４ｍｍである。

また、同図に示される電気光学結晶基板１１には、意図した領域のみ分極反転が施されている。分極反転により、外部電界が印加された状態では屈折率が変化する。この分極反転は、例えば、パルス電圧印加法により作製される。

パルス電圧印加法は、ＬｉＴａＯ₃基板の分極反転させたい部分に反転抗電界強度を超えるようなパルス電圧を印加することにより、自発分極の極性を反転させるというものである。フォトリソグラフィーにより予めＡｌなどの金属薄膜を基板表面にパターニングしておき、また裏面全面にもＡｌなどの金属薄膜を成膜しておき、表裏両面間に上述したパルス電圧を印加することにより、電気光学結晶基板１１および光導波路部１２の所望の基板位置に分極反転構造が形成される。

光導波路部１２は、複数の光導波路１２１および１２２を有し、電気光学結晶基板１１の表面に形成され、レーザ光２を効率よく伝搬する。ここで、光導波路１２１が設けられた領域Ａにおける分極反転ピッチａ１と、光導波路１２２が設けられた領域Ｂにおける分極反転ピッチｂ１とは異なっている。

ここで、分極反転ピッチとは、分極反転周期の１／２である。

光導波路部１２は、上述した電気光学結晶基板１１に分極反転構造を施した後、例えば、プロトン交換法により作製される。プロトン交換法は、加熱融解した安息香酸（Ｃ₆Ｈ₅ＣＯＯＨ）中にＬｉＴａＯ₃基板を浸漬させると基板中のリチウムイオンと水素イオンが交換されるというものである。これにより、基板表面に高屈折率層が形成され低損失の導波路となる。フォトリソグラフィーにより予めＡｌなどの金属薄膜を基板表面にパターニングしておき、これに上述したプロトン交換法を適用することにより、図１に示されるように、所望の光導波路部１２が電気光学結晶基板１１の表面に形成される。光導波路のサイズは、例えば、幅３μｍ、深さ１．５μｍである。

アンテナ部１３は、半波長ダイポールアンテナ１３１と１／４波長コプレーナストリップ線路１３２が接続されたパターンを複数有している。それらのパターンは光導波路に沿って等間隔で配置されている。

半波長ダイポールアンテナ１３１は、電気光学結晶基板１１上に形成され、飛来してきた無線信号を効率よく受信するアンテナとして機能する。ここで、半波長ダイポールアンテナ１３１の長さは、無線信号周波数および電気光学結晶基板１１と空間とから決定される実効誘電率で決定され、例えば、本実施例では２．７８ｍｍである。このとき、無線信号周波数を１５ＧＨｚ、また、実効誘電率を１３．０とした。

また、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２は、半波長ダイポールアンテナ１３１に接続される電極である。よって、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２は、半波長ダイポールアンテナ１３１で受信した無線信号により電界を発生させ、光導波路部１２を導波するレーザ光２を変調する変調電極としての役割を担う。ここで、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の長さは、無線信号周波数およびコプレーナストリップ線路の実効誘電率で決定され、例えば、本実施例では１．０８ｍｍである。このとき、無線信号周波数を１５ＧＨｚ、また、実効誘電率を２１．３とした。

また、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の線路幅は、例えば、本実施例では１００μｍであり、線路同士の間隔は３０μｍである。また、半波長ダイポールアンテナ１３１の線路幅も１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の線路幅と同様とした。

上述した各種寸法および電気光学結晶基板１１の比誘電率や厚みなどにより、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の特性インピーダンスが導出され、半波長ダイポールアンテナ１３１とのインピーダンス整合がとられる。

また、半波長ダイポールアンテナ１３１は、入射した無線信号を効率よく受信するため、電気光学結晶基板１１表面での電界強度が最大となるところに配置されることが好ましい。

また、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２は、無線信号によりレーザ光２が効率よく変調されるよう、一本の光導波路に対して複数箇所に配置されている。

さらに、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２と光導波路部１２とは、無線信号により１／４波長コプレーナストリップ線路１３２で生じた電界が、光導波路を伝搬する光信号に効果的に作用して十分な変調強度が得られるような距離に配置されていることが好ましい。

上述した１／４波長コプレーナストリップ線路１３２と光導波路部１２との位置関係について、以下、より詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１に示された無線信号受信分離デバイス１のＹ−Ｙ’における断面図であり、同図（ｂ）は１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の電界分布を示すグラフである。無線信号３によるレーザ光２の変調度を高めるためには、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２で発生する電界と光導波路１２１及び１２２を通過するレーザ光２が相互作用することが必要である。同図（ｂ）におけるグラフは、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２が設けられた電気光学結晶基板１１の表面での電界分布を示している。この電界分布により、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の端部付近に電界が集中していることがわかる。

よって、光導波路部１２を構成する光導波路１２１および１２２は、いずれも１／４波長コプレーナストリップ線路１３２の直下に配置されることが好ましく、特に、端部の直下に配置されることが最適である。

ここで、電気光学結晶基板１１および光導波路部１２に施された分極反転構造により、特定の入射角度から飛来した無線信号を選択する原理ついて説明をする。

図３は、図１に示された無線信号受信分離デバイス１のＸ−Ｘ’における断面図である。

一般に、光導波路を通過する無線信号と光信号との間には速度差が存在するので、例えば、同図における電気光学結晶基板１１の左端から右端まで一様な分極構造をもつ変調域を確保しても、光信号と無線信号との速度非整合により十分な変調感度が得られない。そこで、本発明に係る実施の形態では、擬似速度整合という手法が採用されている。これは、無線信号や光信号の実際の伝搬速度を変化させて整合をとるのではなく、同図に示されるように、電気光学結晶基板１１の自発分極の向きを一部反転させることで、速度整合をとるというものである。

同図において、電気光学結晶基板１１の法線方向から角度θだけ傾いた方向から無線信号３１が入射されている。破線のそれぞれは、無線信号３１の等位相面を表す。図では、隣り合う半波長ダイポールアンテナ１３１１及び１３１２に入射する無線信号３１が逆位相の関係となっているため、電気光学結晶基板１１の分極状態が一様な場合は、光波群からみた無線信号の電界は同図（ｉ）のようになり、変調されて右方向へ伝搬されるべき光信号が相殺されてしまう。ここで、図のように、変調が相殺されてしまう領域において結晶の自発分極の向きを反転させる。自発分極の向きが反転した領域では屈折率が変化し実効的な変調作用が反転するので、光波群からみた無線信号の電界は同図（ｉｉ）のようになり、隣り合う領域間で変調作用が相殺されなくなり、むしろプラス効果が作用し大きな変調作用が得られる。

上記原理から、無線信号３１の入射方向が変わると等位相面が変化するので、入射角度θに応じて分極反転ピッチＬを最適化することで変調作用を最大化できる。

なお、同図に示された無線信号受信分離デバイス１では、変調された光信号２１の伝搬方向に分極反転構造をアレイ化して、変調感度を上げている。

入射角度θ以外の角度から入射する無線信号は、上記の原理から、最大の擬似速度整合変調感度が得られないので、分極反転ピッチＬの下では、特定角度θから入射した無線信号のみを優先的に選択することが可能となる。ここで、分極反転ピッチをＬ、光速をｃ、角度をθ、θから入射した無線信号周波数をｆ_m、電気光学結晶基板１１の群屈折率をｎ_g、および空気の屈折率をｎ₀とすると、
Ｌ＝ｃ／２ｆ_m（ｎ_g−ｎ₀ｓｉｎθ）（式１）
なる関係式が得られる。

図４は、上記式１における入射角度θと分極ピッチＬの関係を表したグラフである。ここで、同図では、ｆ_m＝１５×１０⁹（Ｈｚ）、ｎ_g＝２．１、ｎ₀＝１を代入している。横軸は、電気光学結晶基板１１の法線方向からの入射角度を０ｄｅｇとした場合の入射角度θを、縦軸は、電気光学結晶基板１１の分極反転ピッチＬを示す。同図より、θが決まれば最適なＬが一意に決定され、選択したいθにより予め分極反転ピッチＬの最適設計をすればよいことがわかる。

図５（ａ）は、変調強度を測定するシステムの構成図を示し、同図（ｂ）は、変調が観測されたときのスペクトルを示す。

同図（ａ）における変調強度の測定システムは、無線信号受信分離デバイス１と、オシレータ５１と、ＲＦアンプ５２と、ホーンアンテナ５３と、光レーザ源５４と、オプティカルファイバ５５と、オプティカルスペクトラムアナライザ５６とを備える。

オシレータ５１で発生したＲＦ信号は、ＲＦアンプ５２で増幅され、ホーンアンテナ５３を介して、無線信号３１として空間に放射される。空間放射された無線信号３１は、ホーンアンテナ５３により一定入射角度をもった信号として無線信号受信分離デバイス１上に放射され、無線信号受信分離デバイス１上に設けられた半波長ダイポールアンテナ１３１で受信され、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２に伝搬される。

一方、光レーザ源５４からオプティカルファイバ５５を介し、レーザ光２が光導波路部１２に入射される。

前述したように、１／４波長コプレーナストリップ線路１３２と光導波路部１２とは、無線信号と光信号が変調作用を起こすように配置されている。

また、それぞれの光導波路１２１及び１２２は、異なる分極反転ピッチを有しているため、各光導波路は特定の入射角からの無線信号による変調信号を最大化して出力する。

同図（ｂ）は、特定の角度θからの無線信号３１を照射したときの光導波路１２１の変調強度スペクトルを示す。横軸は観測された変調信号の周波数を表し、また、縦軸は観測された光信号の出力パワーを表す。同図におけるスペクトルは、レーザ光２であるキャリア（周波数は１９５．０９１７ＴＨｚ）の高域側および低域側の両側に、無線信号３１の周波数である１５ＧＨｚの分だけずれて側波帯成分が観測されている。この側波帯成分は、光信号の変調強度を表す。また、この側波帯成分とキャリア成分の相対比較により、変調指数が決定される。

一方、この特定の角度θからの無線信号３１を照射した場合の、光導波路１２２の変調強度スペクトルについては、キャリア帯信号が図５（ｂ）と同様に中央に観測されるが、無線信号３１の情報である側波帯成分は観測されない。

次に、２方向から飛来した無線信号３及び４を単独の無線信号に分離するという本発明の無線信号受信分離装置の原理について、測定結果を示しながら説明する。

図６は、図１に示される本発明の無線信号受信分離装置の変調指数の無線信号入射角度依存性、つまり受信指向特性を示すグラフである。同図におけるグラフは、異なる分極反転ピッチをもつ光導波路１２１及び１２２の受信指向特性の測定結果が示されている。設計条件は、アンテナ素子が８個、アンテナ間隔が４ｍｍであり、図中の実線はＬ＝４ｍｍである光導波路１２２の受信指向特性を、また、図中の破線はＬ＝５．５ｍｍである光導波路１２１の受信指向特性を示している。

同図における測定結果より、Ｌ＝４ｍｍの光導波路１２２では、θ＝−１７ｄｅｇで、変調指数が最大となり、θ＝１９ｄｅｇでは変調指数が最小値となっている。また、Ｌ＝５．５ｍｍの光導波路１２１ではθ＝−１７ｄｅｇで変調指数が最小値となっており、θ＝２１ｄｅｇで変調指数が最大となる。

以上の測定結果からθ＝−２０ｄｅｇ付近から入射した無線信号３はＬ＝４ｍｍの光導波路１２２でのみ変調され、θ＝２０ｄｅｇ付近から入射した無線信号４はＬ＝５．５ｍｍの光導波路１２１でのみ変調される。これにより、２種類の異なる入射角度をもつ無線信号３及び４は、異なる分極反転ピッチをもつ２種類の光導波路１２１及び１２２により完全信号分離される。

さらに、不要な無線信号を受信した場合には、本発明の無線信号受信分離装置により無線信号の識別度が飛躍的に向上する。例えば、図６において、θ＝−１７ｄｅｇの無線信号が受信すべき信号でありθ＝−１０ｄｅｇから不要波が入射した場合、光導波路１２２のみで検出すると、その変調指数はθ＝−１７ｄｅｇの場合と１ｄＢ程度の差しか見られない。すると、光導波路１２２はθ＝−１０ｄｅｇの無線信号をθ＝−１７ｄｅｇの必要な無線信号として誤検出してしまう可能性がある。つまり、分極反転構造を有する単一の光導波路のみでは、無線信号の識別能力は低い。

ところが、本発明の構成のように、異なる分極反転周期を有する別の光導波路１２１を設けておくことにより、光導波路１２１でも、θ＝−１０ｄｅｇの不要波は−７ｄＢ程度受信されることになる。この場合、複数の導波路を設けておくことにより、複数の光導波路で受信された信号の差分レベルや位相一致度などを比較し閾値などを設定しておくことにより、不要波を識別して完全排除することが可能となる。

つまり、入射する無線信号の数が多いほど、その数に応じた異なる分極反転周期を有する光導波路を多く設けることにより、無線信号の識別能力は向上する。また、この際、光導波路の本数が増加しても、無線信号の変調感度が低下することがない。光導波路の本数に応じて、レーザ光を分岐するのみで、単一の光導波路の場合と同様の変調感度が得られる。

以上のように、本発明の実施の形態によれば、分離したい無線信号の入射角度に応じて分極反転ピッチを最適化し、分離したい無線信号の数に応じて異なる分極反転構造をもつ光導波路の本数を最適化することにより、異なる方向から飛来してきた複数の無線信号が完全分離される。

次に、本発明の無線信号受信分離装置が、同じ入射角度をもち異なる周波数をもつ複数の無線信号を分離する場合について、実施の形態における第１の変形例として説明する。

図７は、本発明の実施の形態における第1の変形例を示す無線信号受信分離装置の構成を示す外観図である。同図における無線信号受信分離装置は、無線信号受信分離デバイス８とレーザ光２とを備え、周波数の異なる無線信号６及び無線信号７を受信し分離する。

無線信号受信分離デバイス８は、電気光学結晶基板８１と、光導波路部８２と、アンテナ部８３とを備える。

また、無線信号受信分離デバイス８は、図１における無線信号受信分離デバイス１と比べ、分極反転ピッチｃ１、ｄ１、及びアンテナ部８３の形状が異なる。また、分離すべき無線信号６及び７は、入射角度は同一であるが周波数が異なる。前述した実施の形態と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

擬似速度整合を記述した式１は、無線信号入射角度θ、分極反転ピッチＬ、および無線信号周波数ｆ_mの３つのパラメータの関係を表している。前述した図４では、ｆ_mを一定とした場合のθとＬとの関係を示している。ここでは、θを一定とした場合に導かれるｆ_mとＬとの関係を利用することにより、周波数分離が実現される。

図７における無線信号６及び７は、同一角度から入射し、例えば、異なる周波数１８ＧＨｚ及び２６ＧＨｚをもつ信号である。この場合も、２本の光導波路１２３及び１２４が、それぞれの周波数により変調された光信号出力が最大化されるように、分極反転ピッチＬを決定することにより、無線信号６及び７は、完全信号分離することができる。

このような使用例は、Ｗ−ＣＤＭＡ（ＷｉｄｅｂａｎｄＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）やモバイルＷｉＭＡＸ（ＷｏｒｌｄｗｉｄｅＩｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｆｏｒＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｃｃｅｓｓ）などの次世代携帯電話の無線システムにおいて、同一基地局から異なった帯域の信号を携帯端末で受信する場合に有用となる可能性がある。現在普及している携帯電話においては、周波数の分離については、携帯端末のアンテナ直下にＲＦフィルタが設けられていることで信号分離されている。しかしながら、今後の無線周波数の高周波数化により、高性能なＲＦフィルタデバイスを確保することが困難となること、さらに情報量が増大することに伴い広帯域化の確保が必要となってくる。

これに対し、本実施の形態の第１の変形例における無線信号受信分離装置を適用すれば、ミリ波帯による光変調も同様の形態で実現できるので、無線周波数が高周波化しても複雑なＲＦ回路を要さず信号分離が行われるので、帯域幅の使用効率が向上する。

図８は、本発明の実施の形態における第２の変形例を示す無線信号受信分離装置の断面図である。

同図は、１／４波長コプレーナストリップ線路９３２の下に光導波路を４本配置した無線信号受信分離装置の断面図を示している。本実施の形態における第２の変形例の無線信号受信分離装置は、図１に示された無線信号受信分離装置が２本の光導波路を有しているのに比べ、４本の光導波路を有しており、分離できる無線信号の数を増やすことを目的としている。

例えば、図８において、領域Ｅ〜Ｈのそれぞれでは、分極反転ピッチが異なっており、分離したい４方向からの無線信号に応じて各々最適化された分極反転ピッチを有する４本の光導波路１２５ないし１２８により、４方向から入射される無線信号を分離することができる。

ここで、光の波長はミクロンオーダーであり、受信すべき無線信号の波長に比べ桁違いに小さい。１／４波長コプレーナストリップ線路９３２の線路幅は約１００μｍであるので、１／４波長コプレーナストリップ線路の下に複数本の光導波路が設けられても光導波路同士で干渉を起こさない配置が可能となる。また、フォトリソグラフィーを用いることにより、異なる分極反転ピッチをもつ複数の光導波路を作製することが可能となる。

これにより、例えば、前述した実施の形態における無線信号受信分離デバイス１のような、約３５ｍｍ×６ｍｍ×０．４ｍｍのコンパクトな短冊形状で、複数の無線信号の同時受信および同時分離が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態における第２の変形例によれば、分離したい無線信号の数に応じて、必要な本数の光導波路を変調電極の下に配置することが可能である。さらに、各光導波路の分極反転ピッチを最適化して、それぞれの光導波路につき１つの無線信号により変調された光信号を出力させることが可能となる。このコンパクトな無線信号受信分離装置により、複雑なＲＦ回路を要さず多数の無線信号を同時に分離することが実現される。

以上のように、本発明の無線信号受信分離装置によれば、分極反転構造、アンテナ、変調電極、および光導波路との組み合わせ構造により、無線信号の入射角度や周波数に対し選択性を持たせることができる。その選択性を利用し、異なる複数の分極反転構造を組み合わせることにより、複数の無線信号を完全分離して後段の回路へ伝送することができる。

これにより、後段で複数の無線信号を分離するための複雑なマイクロ波回路を必要としない同時分離が実現される。

以上、本発明の無線信号受信分離装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施に施したものや、実施の形態や変形例における構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、実施の形態における図１で示された無線信号受信分離装置では、異なる角度から飛来し類似した周波数を有する複数の無線信号を分離する機能を有している。一方、実施の形態の第１の変形例における図７で示された無線信号受信分離装置では、同一角度から入射し異なる周波数をもつ複数の無線信号を分離する機能を有している。上記２つの場合の組み合わせ、つまり、受信して分離すべき複数の無線信号が互いに異なる周波数および異なる入射角度を有していても、本発明の無線信号受信分離装置で受信分離することができる。ただし、この場合は、それぞれの無線信号の入射角度および周波数によって決定される分極反転周期が、互いに一致しないことが条件となる。

また、ここでは実施の形態として、電気光学結晶基板上にマイクロストリップ構造を有したダイポールアンテナが形成されているが、無線信号を受信するアンテナはこの構造をとらなくてもよい。例えば、アンテナは電気光学結晶基板上になくてもよく、電気光学結晶基板以外で各種アンテナが構成され、そこで受信した無線信号が高周波伝送線路を介して電気光学結晶基板上の各変調電極に供給されるような構成であってもよい。

また、上述した実施の形態を通じて、光導波路の位置は、電界強度が最大となる変調電極の端部の直下としているが、光信号が変調電極の電界と作用を及ぼすところであればよく、例えば、変調電極中央部の直下などであってもよい。

また、上述した実施の形態を通じて、光導波路は電界強度が最大となる変調電極の端部に接して配置されているが、変調電極と光導波路の間にバッファ層が配置され、両者が接していないような構造としてもよい。

また、上述した実施の形態を通じて、一本の光導波路は、一定の分極反転周期を有する構造としているが、広帯域信号を受信する際には、一本の光導波路内であっても分極反転周期を微妙に変化させた構造をとってもよい。

また、上述した実施の形態を通じて、複数の光導波路は同一の電気光学結晶基板内に設けられているが、本装置が設置される場所の諸条件、無線信号の受信条件、及び光信号の入射条件などにより、複数の電気光学結晶基板で構成されていてもよい。

本発明の無線信号受信分離装置は、室内無線ＬＡＮやＷ−ＣＤＭＡ／ＷｉＭＡＸなどの無線ブロードバンド技術を備えた携帯電話などの通信インターフェイスに利用することができる。また、ＭＩＭＯやアダプティブアンテナとの融合による新しい通信分野における信号分離装置としても利用することができる。

本発明の実施の形態における無線信号受信分離装置の構成を示す外観図である。（ａ）図１のＹ−Ｙ’における断面図である。（ｂ）１／４波長コプレーナストリップ線路の電界分布を示すグラフである。図１のＸ−Ｘ’における断面図である。（式１）における入射角度θと分極ピッチＬの関係を表したグラフである。（ａ）変調強度を測定するシステムの構成図である。（ｂ）変調が観測されたときのスペクトルを示す図である。本発明の無線信号受信分離装置の受信指向特性を示すグラフである。本発明の実施の形態における第1の変形例を示す無線信号受信分離装置の構成を示す外観図である。１／４波長コプレーナストリップ線路の下に光導波路を４本配置した無線信号受信分離装置の断面図である。

符号の説明

１、８無線信号受信分離デバイス
２レーザ光
３、４、６、７、３１無線信号
１１、８１電気光学結晶基板
１２、８２光導波路部
１３、８３アンテナ部
２１変調された光信号
５１オシレータ
５２ＲＦアンプ
５３ホーンアンテナ
５４光レーザ源
５５オプティカルファイバ
５６オプティカルスペクトラムアナライザ
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８光導波路
１３１、８３１、１３１１、１３１２半波長ダイポールアンテナ
１３２、８３２、９３２１／４波長コプレーナストリップ線路

Claims

電気光学変調効果により少なくとも入射角度または周波数の異なる複数の無線信号を光信号に変換して分離する無線信号受信分離装置であって、
前記光信号を伝送する、互いに独立した複数の光導波路と、
前記複数の無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続された複数の変調電極とを備え、
前記複数の変調電極は、前記光信号が前記無線信号で変調されるよう前記複数の光導波路のそれぞれに対して近接して配置され、
前記複数の光導波路のそれぞれは、前記光信号の伝搬方向に一定周期の分極反転構造を有し、互いに異なる分極反転周期を有し、前記複数の無線信号のうち前記分極反転周期に依存して定まる前記入射角度または前記周波数を有する一の無線信号により変調された前記光信号を出力することにより、前記複数の無線信号から前記一の無線信号を抽出する
ことを特徴とする無線信号受信分離装置。
前記複数の光導波路は、同一の電気光学結晶基板内に形成され、
前記複数の変調電極のそれぞれは、コプレーナ構造を持ったストリップ線路であり、前記電気光学結晶基板の上に形成され、
一本の光導波路の直上には、前記光信号の進行方向に対して複数の変調電極が配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の無線信号受信分離装置。
前記アンテナは、複数のダイポールアンテナ素子を有し、
前記複数のダイポールアンテナ素子のそれぞれは、前記電気光学結晶基板の上に形成され、前記光導波路のそれぞれに対し垂直に配置され、
前記複数の変調電極のそれぞれは、前記無線信号の伝搬方向と前記光信号の伝搬方向とが同一方向となるよう、前記光導波路のそれぞれに対し平行に配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の無線信号受信分離装置。
前記複数の光導波路のそれぞれは、ｃ／｛ｆ_m（ｎ_g−ｎ₀ｓｉｎθ）｝に基づいて定められた分極反転周期を具備し、
ｃは光速であり、θは前記電気光学結晶基板の法線方向からの入射角度を０度としたときの角度であり、ｆ_mは前記θから入射した無線信号の周波数であり、ｎ_gは前記電気光学結晶基板の群屈折率であり、ｎ₀は空気の屈折率である
ことを特徴とする請求項２記載の無線信号受信分離装置。
前記電気光学結晶基板は、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、及びＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）のうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項２記載の無線信号受信分離装置。
複数の無線信号を受信し光信号に変換して分離する方法であって、
請求項１記載の無線信号受信分離装置において、θを無線信号の入射角度とし、ｆ_mを無線信号の周波数とし、ｎ_gを電気光学結晶基板の群屈折率とし、ｎ₀を空気の屈折率としたとき、ｃ／｛ｆ_m（ｎ_g−ｎ₀ｓｉｎθ）｝に基づいて定められる分極反転周期が前記複数の光導波路に設けられ、少なくとも前記θまたは前記ｆ_mのいずれかが異なる複数の無線信号による変調信号が、前記複数の光導波路のそれぞれから独立して出力されることにより前記複数の無線信号を分離する方法。