JP5193708B2 - 光周波数変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力した光波の光周波数を変調信号の周波数に応じてシフトさせることのできる光周波数変調装置に関する。

光周波数変調装置では、非特許文献１にあるように、透過した光波に変調周波数に応じた変調側波帯が生じる特性を利用して、２次以上の任意の高次側波帯のみを取り出すことができる。その方法としては、入力した光波を強度変調または位相変調し、光フィルタを用いて目的とする側波帯のみを取り出す方法がよく知られている。

このような光フィルタを利用した方法では、光フィルタの特性を適切に選定することで、目的とする側波帯のみを選択的に取り出すことはできる。しかしながら、１次よりも高次の側波帯を取り出すためには、急峻な遮断特性を持つ光フィルタにて搬送波や１次変調側波帯を除去する必要がある。さらに、その光フィルタの特性を維持するためには、高精度な温度制御も必要である。特に、変調周波数が数GHzの場合、光フィルタに数GHz以内で許遮断帯域の立ち上がり特性を持たせる必要があり、事実上実現は困難である。また、変調信号周波数を変化させて光周波数を変化させる場合には、それに合わせて光フィルタの特性を動的に調整する必要がある。

社団法人電子情報通信学会、信学技報OPE2001-159(2002-2)「ＸカットLiNbO3を用いた光周波数シフタ/SSB-SC変調器の開発」、日隈薫、橋本義浩、及川哲、川西哲也、井筒雅之。

以上述べたように、従来の光周波数変調装置では、高次変調側波帯を取り出す際に、搬送波や１次変調側波帯を光フィルタで除去する必要があるため、光フィルタには極めて急峻かつ狭帯域な遮断特性が要求され、さらに、外部温度の影響による遮断帯域の変動を防ぐために、高精度な温度制御機構が必要となるといった問題がある。また、光周波数掃引等の光周波数の変化に対応するためには、光フィルタの遮断帯域もそれに合わせて調整する必要がある。このように、従来技術では、高次側波帯のみを取り出したい場合、搬送波や強度の高い１次変調側波帯を除去するために高精度な特性を有する光フィルタを利用しなければならない点が最大の課題となっている。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、高精度な特性を有する光フィルタを利用することなく高次変調側波帯のみを取り出すことのできる光周波数変調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、本発明に係る光周波数変調装置は、入力光波を第１の変調信号により光強度変調し、第１の位相調整手段による位相制御を施して出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の第１の光変調器と、前記第１の光変調器の出力光波を入力して、当該入力光波を第２の変調信号により光強度変調し、第２の位相調整手段による位相制御を施して出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の第２の光変調器と、前記第１及び第２の変調信号の基となる変調信号を発生する変調信号発生器と、前記変調信号発生器で発生される変調信号を分配して前記第１及び第２の変調信号を生成する分配器と、前記第１及び第２の光変調器の同期をとるために、前記分配器で分配された第１及び第２の変調信号間の遅延時間を調整する遅延時間調整手段とを具備し、前記第１及び第２の位相調整手段をそれぞれ制御して前記第１及び第２の光変調器の一方における両アーム間の光波の位相差を２ｎπrad（ｎは任意の整数）とし、前記第１及び第２の光変調器の他方における両アーム間の光波の位相差を（２ｍ＋１）πrad（ｍは任意の整数）とすることで、±３次側波帯を他の側波帯及び搬送波よりも強く発生させることを特徴とする。

上記構成において、前記変調信号発生器は、前記変調信号の周波数を変化させる機能を備えることを特徴とする。
また、前記変調信号発生器の発生周波数、前記第１及び第２の位相調整手段をそれぞれ制御する制御装置を備え、前記制御装置は、±３次側波帯が最適に出力されるための位相調整手段への入力値と前記変調信号の周波数との対応関係を示すテーブルを備え、前記変調信号発生器に対して、前記変調信号の周波数を変化させて前記第１及び第２の光変調器それぞれの出力光波に発生する±３次側波帯の光周波数を変化させ、前記テーブルを参照して前記第１及び第２の光変調器に対して±３次側波帯が最適に出力されるように位相を制御することを特徴とする。

前記第１の位相調整手段は、第１の直流電源によって生成された第１の直流電圧を印加する手段であり、前記第２の位相調整手段は、前記第１の直流電源とは異なる第２の直流電源によって生成された第２の直流電圧を印加する手段であることを特徴とする。
さらに、前記第２の光変調器の後段に配置され、前記第２の光変調器から出力される＋３次、−３次側波帯のどちらか一方を遮断して他方の単一の側波帯のみを抽出する光フィルタをさらに備えることを特徴とする。
すなわち、本発明では前述した課題を解決するために、２台のマッハ・ツェンダ干渉計型による第１及び第２の光変調器を直列に接続し、それぞれの光変調器内で光波の位相差を適切に調節する。具体的には、第１の光変調器に印加する直流電圧を調整することで光波の位相差を２ｎπrad（ｎは任意の整数）とし、第２の光変調器に印加する直流電圧を調整することで光波の位相差を（２ｍ＋１）πrad（ｍは任意の整数）とする。

本発明を用いることにより、基本的に、光フィルタを用いることなく、±３次変調側波帯のみ取り出すことが可能となる。また、周波数掃引する際においても、±３次よりも低次の側波帯を除去するための光フィルタが必要ないため、光フィルタの遮断帯域を調整する必要がない。さらに、＋３次または−３次側波帯のどちらか一方のみを取り出す場合においては、光フィルタを必要とするが、両側波帯間の周波数差は変調周波数の６倍であり、かつ、搬送波および±３次よりも低次の側波帯が抑圧されているため、光フィルタに急峻かつ狭帯域な遮断特性は必要なく、高精度な温度調整機構も必要としないため、装置構成が簡易なものとなる。

以上のように、本発明によれば、高精度な特性を有する光フィルタを利用することなく高次変調側波帯のみを取り出すことのできる光周波数変調装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る光周波数変調装置の第１の実施形態を示すブロック図である。図１において、入力光波はマッハ・ツェンダ干渉計型の第１光変調器（ＭＺ１）１１に入力される。この第１光変調器１１は、入力ポートＲＦ₁ に供給される第１変調信号によって入力光波を光強度変調することで高次の側波帯を発生させる。その後、入力ポートＤＣ₁ に供給される第１直流電圧に応じて位相調整を施して出力する。第１光変調器１１の出力光波は第２光変調器（ＭＺ２）１２に入力される。この第２光変調器１２は、第１光変調器１１と同様、マッハ・ツェンダ干渉計型のもので、入力ポートＲＦ₂ に供給される変調信号によって第１光変調器１１からの光波を光強度変調することで高次の側波帯をさらに発生させる。その後、入力ポートＤＣ₂ に供給される第２直流電圧に応じて位相調整を施して出力する。

一方、変調信号発生器１３は上記第１及び第２変調信号の信号源であり、発生周波数を任意に調整可能とする。ここで発生された変調信号は、アンプ１４で増幅された後、分配器１５で２系統に分配される。ここで分配された一方の信号は、可変ＲＦディレイ１６でタイミング調整され、アッテネータ１７でレベル調整されて第１変調信号として第１光変調器１１の端子ＲＦ₁ に送られる。また、分配器１５で分配された他方の信号は、可変ＲＦディレイ１８でタイミング調整され、アッテネータ１９でレベル調整されて第２変調信号として第２光変調器１２の端子ＲＦ₂ に送られる。

上記第１及び第２光変調器１１，１２に対する第１及び第２直流電圧は、それぞれ第１及び第２直流電圧源２０，２１で生成される。これらの直流電圧源２０，２１は出力電圧値を任意に調整可能とする。
上記構成において、以下にその処理動作について図２を用いて説明する。

まず、ωを入力光波の角周波数、Ωを変調信号の角周波数、φを変調度とすると、個々の光変調器１１，１２に入力される光波の電場はexp(iωt)と表される。第１光変調器１１の変調信号入力ポートＲＦ１には第１変調信号φ₁ sin(Ωt)が供給され、第２光変調器１２の変調信号入力ポートＲＦ２には第２変調信号φ₂ sin(Ωt)が供給される。これらの変調信号は変調信号発生器１３から分配器１４を用いて第１及び第２の光変調器１１，１２に供給され、振幅はアンプ１４及びアッテネータ１７，１９を用いて任意に設定される。

このとき、両光変調器１１，１２が直列に接続されていることから、光変調器１１，１２間で同期を取る必要がある。そこで、具体的には、Ｎを０を含む正の整数、光波が第１光変調器１１にて変調を受けてから第２光変調器１２で再度変調されるまでの時間をτ₀ 、第１光変調器１１と第２光変調器１２に入力される変調信号間の遅延時間をτ_E とするとき、τ₀ ＝τ_E ＋２πＮ／Ωとなるように可変ＲＦディレイ１６，１８を調整する。

上記調整後、図２（ａ）に示す光波が入力された場合を説明する。まず、第１光変調器１１では、両アーム（光波入出力端）を通過する光波間での位相差が０となるように直流電圧入力ポートＤＣ₁ に第１直流電圧を印加し、第２光変調器１２では両アームを通過する光波間での位相差がπとなるように直流電圧入力ポートＤＣ₂ に第２直流電圧を印加する。ここで、４次側波帯まで考慮すると、第１光変調器１１の両アーム間に付与される電場は互いに逆向きであることから、第１光変調器１１から出力される光波の電場Ｅ₁(t)は以下のように表され、図２（ｂ）に示すような出力光波が得られる。

ここでＪ_n(φ)は一次のベッセル関数である。
また、第１光変調器１１の出力光波の電場Ｅ₁(t)は、第２光変調器１２に入力されて第２変調信号によって変調が施され、さらに第２光変調器１２の両アーム間で位相差πが付与されることで、第２光変調器１２からの出力光波の電場Ｅ₂(t)は以下のようになる。

したがって、Ｊ₀(φ₁)−Ｊ₂(φ₁)＝０ (φ₁ ＝1.84）とすることで、以下のように、±３次の側波帯に影響を与えずに±１次の側波帯を抑圧することができる。

このとき、第２光変調器１２の出力光波は図２（ｃ）に示すようなスペクトラムとなり、±５次側波帯は残存するが、φ₁ ＝1.84のとき、Ｊ₄(φ₁)／{Ｊ₂(φ₁)−Ｊ₄(φ₁)}＝0.08であり、±３次側波帯と比較して±５次側波帯は十分小さいため無視することができる。

以上のように、本実施形態の構成によれば、±３次側波帯を他の側波帯や搬送波よりも強く発生させることが可能となり、しかも±２次側波帯以下を十分に抑圧することが可能となる。したがって、光フィルタを用いずに±３次側波帯を取り出すことができる。

尚、ここでは第１光変調器１１での両アーム間の位相差が０、第２光変調器１２での両アーム間の位相差がπとなるように第１、第２直流電圧を調整するようにしたが、第１光変調器１１での両アーム間の位相差がπ、第２光変調器１２での両アーム間の位相差が０となるように第１、第２直流電圧を調整しても、同様の効果が得られるのは明らかである。

また、変調信号発生器１３において、変調信号の周波数を時間ｔに対して変化させる（Ω＝Ω(t)とする）ことにより、±３次側波帯のみを発生させつつ変調信号周波数の変化に伴って光周波数を変化させることができる。但し、この場合においては、第１、第２光変調器１１，１２間の同期を確立するために、光波及び変調信号の遅延時間がτ₀ ＝τ_E となるように、可変ＲＦディレイ１６，１８を用いて厳密に調整する必要がある。

（第２の実施形態）
図３は本発明に係る光周波数変調装置の第２の実施形態を示すブロック図である。但し、図３において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。
第２の実施形態は、第１の実施形態で説明した変調信号発生器の発生周波数、第１及び第２直流電圧源２０，２１の発生電圧を制御装置２２で制御することで、自動的に任意の周波数の±３次側波帯光波を取り出すものである。具体的な制御処理を図４に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、変調信号の周波数を変化された場合、各構成要素が周波数依存性を持つことから、変調信号の周波数の変化に伴って直流電圧値を調整する必要がある。但し、変調信号の周波数を変化することによって生じる出力光波の微小な位相変化を、そのモニタ出力に追従するように調整することは極めて困難である。そこで、ここでは、予め変調信号の周波数と最適な第１及び第２直流電圧値との関係を求めてテーブル化して格納しておく。この状態で、初期設定時に変調信号の周波数が与えられると（ステップＳ１）、該当する周波数制御信号を生成して変調信号発生器１３に送り（ステップＳ２）、格納されているテーブルを参照して変調信号の周波数に対応する直流電圧値を指定して第１及び第２直流電圧源２０，２１に送り（ステップＳ３）、各直流電圧源２０，２１に該当する電圧値を発生させ、第１及び第２の光変調器１１，１２の位相を制御する。続いて、変調信号の周波数変更が指示された場合には（ステップＳ４）、ステップＳ２に戻って一連の処理を繰り返し実行する。

上記構成によれば、変調信号の周波数を任意に指定するだけで、その周波数を自動的に制御すると共に、周波数変化に伴う位相調整が自動的に行われるため、調整作業の煩雑な操作が不要となり、作業効率を飛躍的に向上させることができる。
尚、上記構成において、出力光波のモニタ出力、光変調器の温度情報を制御パラメータとして加えれば、さらに安定かつ高精度な出力光波を得ることができる。

（第３の実施形態）
図５は本発明に係る光周波数変調装置の第３の実施形態を示すブロック図である。但し、図５において、図１及び図３と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。
第３の実施形態は、第２の実施形態で説明した構成において、第２光変調器１２の出力経路中に、±３次側波帯の出力光波から＋３次側波帯、−３次側波帯のいずれか一方を遮断し、単一の側波帯のみを導出させる光フィルタ２３を介在させるようにしたものである。

すなわち、±３次側波帯を利用する際には、両側波帯間の周波数差は変調周波数の６倍となる。したがって、比較的簡易な光フィルタ２３を用いて容易に両側波帯を分離することができ、高精度な温度調節機構も必要ない。
また、出力光波の周波数を掃引する際も、±３次よりも低次の側波帯は抑圧されているため、光フィルタで除去する必要がない。この場合、光フィルタの遮断帯域を掃引する周波数に合わせて調整する必要がないため、光フィルタは図２（ｄ）に示すように単純なローパスフィルタ（ＬＰＦ）またはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）でよい。

以上の説明においては理想的な状況下での原理について説明したが、実際は光変調器における光学系、電気特性の個体差や、各種構成要素の電気的なひずみ等で最適な条件は異なる。したがって、実際の使用にあたっては、目的とする側波帯以外のパワースペクトルが最小となるように、変調信号の振幅や位相を調整することが望ましい。この場合は、光変調器１１，１２に供給する直流電圧値や変調度の最適条件が上記実施形態の条件と多少異なるが、このような実際の使用時を考慮した設定も本発明の範疇とするところである。

また、上記各実施形態において、位相制御を行う方法として、直流電圧を印加する方法を説明したが、それ以外に、例えば以下のような方法を用いることもできる。
・第１光変調器（ＭＺ１）１１及び第２光変調器（ＭＺ２）１２の制御導波路の温度を変化させる方法。
・第１光変調器（ＭＺ１）１１及び第２光変調器（ＭＺ２）１２の制御導波路に付与する応力を変化させる方法。
・第１光変調器（ＭＺ１）１１及び第２光変調器（ＭＺ２）１２の制御導波路の長さを変化させる方法。

また、上記各実施形態において、位相差を０radとする代わりに２ｎπrad （ｎは任意の整数）としてもよい。また、位相差をπrad とする代わりに（２ｍ＋１）πrad（ｍは任意の整数）としてもよい。
尚、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る光周波数変調装置の第１の実施形態を示すブロック図。 上記第１の実施形態における第１及び第２光変調器の処理動作を説明するためのスペクトラム波形図。 本発明に係る光周波数変調装置の第２の実施形態を示すブロック図。 上記第２の実施形態における制御装置の処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る光周波数変調装置の第３の実施形態を示すブロック図。

符号の説明

１１…第１光変調器（ＭＺ１）、１２…第２光変調器（ＭＺ２）、１３…変調信号発生器、１４…アンプ、１５…分配器、１６，１８…可変ＲＦディレイ、１７，１９…アッテネータ、２０…第１直流電圧源、２１…第２直流電圧源、２２…制御装置、２３…光フィルタ。

Claims (5)

1. 入力光波を第１の変調信号により光強度変調し、第１の位相調整手段による位相制御を施して出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の第１の光変調器と、
   前記第１の光変調器の出力光波を入力して、当該入力光波を第２の変調信号により光強度変調し、第２の位相調整手段による位相制御を施して出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の第２の光変調器と、
   前記第１及び第２の変調信号の基となる変調信号を発生する変調信号発生器と、
   前記変調信号発生器で発生される変調信号を分配して前記第１及び第２の変調信号を生成する分配器と、
   前記第１及び第２の光変調器の同期をとるために、前記分配器で分配された第１及び第２の変調信号間の遅延時間を調整する遅延時間調整手段と
   を具備し、
   前記第１及び第２の位相調整手段をそれぞれ制御して前記第１及び第２の光変調器の一方における両アーム間の光波の位相差を２ｎπrad（ｎは任意の整数）とし、前記第１及び第２の光変調器の他方における両アーム間の光波の位相差を（２ｍ＋１）πrad（ｍは任意の整数）とすることで、±３次側波帯を他の側波帯及び搬送波よりも強く発生させることを特徴とする光周波数変調装置。
2. 前記変調信号発生器は、前記変調信号の周波数を変化させる機能を備えることを特徴とする請求項１に記載の光周波数変調装置。
3. 前記変調信号発生器の発生周波数、前記第１及び第２の位相調整手段をそれぞれ制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記±３次側波帯が最適に出力されるための位相調整手段への入力値と前記変調信号の周波数との対応関係を示すテーブルを備え、
   前記変調信号発生器に対して、前記変調信号の周波数を変化させて前記第１及び第２の光変調器それぞれの出力光波に発生する±３次側波帯の光周波数を変化させ、
   前記テーブルを参照して前記第１及び第２の光変調器に対して±３次側波帯が最適に出力されるように位相を制御することを特徴とする請求項１記載の光周波数変調装置。
4. 前記第１の位相調整手段は、第１の直流電源によって生成された第１の直流電圧を印加する手段であり、前記第２の位相調整手段は、前記第１の直流電源とは異なる第２の直流電源によって生成された第２の直流電圧を印加する手段であることを特徴とする請求項１または３記載の光周波数変調装置。
5. 前記第２の光変調器の後段に配置され、前記第２の光変調器から出力される＋３次、−３次側波帯のどちらか一方を遮断して他方の単一の側波帯のみを抽出する光フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数変調装置。

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