JP5230719B2 - 光データ伝送に使用するミリ波光信号を生成する装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）及びブラッグ格子フィルタリング技術を使用した、ミリ波の光学的生成に関する。特に、本発明は、光ファイバネットワークを介した広帯域無線データ伝送のための安定ミリ波光源に関する。

ミリ波信号を使用した光搬送波の変調が、無線広帯域サービスの接続及び配信を達成するために、光ファイバ伝送技術を使用した通信に所望される。ミリ波信号は、基準信号に位相同期していることが望ましい。位相安定ミリ波信号は、低周波基準信号の電子的非線形周波数逓倍によって生成されることが可能である。位相安定ミリ波は、更に、光ファイバを使用した無線信号伝送のために、光領域において生成されることが可能である。しかし、光領域におけるいかなる小さな波長の変化も、電気領域における大幅な周波数偏移に変換されるため、光領域においてミリ波を生成するプロセスは安定性の問題を有する。

ミリ波を生成するための多くの方法が開発されてきており、そのような方法としては、所望のミリ波信号周波数に等しい周波数オフセットを有する２つのレーザ出力を結合すること、及び、モードロックレーザ（デュアルモードレーザ）の、異なる光モードに注入ロックされた、２つの独立したレーザ発振器を使用し、後で結合して、ミリ波のヘテロダイン出力信号を生成することが挙げられる。しかし、これらの技術は、安定したミリ波信号の生成を保証するものではなく、また、データ伝送のための所望の周波数をユーザが選択するためのチューニングを可能にするものでもない。

上記の制限に鑑みると、安定ミリ波源を提供し、同時に、広帯域無線データ伝送のための最適な関連する周波数をユーザが選択するための、チューニング機能を提供することが望ましい。

本発明の目的は、いくつかの平坦化されたストークス線（ｆｌａｔｔｅｎｅｄ ｓｔｏｋｅ ｌｉｎｅｓ）を生成することが可能な誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）可変ストークス線マルチ波長光源を使用したミリ波源の、安定した生成のための装置及び方法（それにより、生成されるストークス線の数がコントローラ回路によって制御される）を提供することである。

本発明の別の目的は、コントローラ回路によって自動的にチューニングされる光フィルタを使用した、チューニング可能なミリ波源の安定した生成のための装置、及び方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、複雑で入り組んだ光位相ロックループ（ＯＰＬＬ）回路を必要としない、光データ伝送において使用するためのミリ波源の、安定した生成のための装置、及び方法を提供することである。

光データ伝送のためのミリ波信号を生成する装置が提供され、装置は、可変マルチストークス光波（ｖａｒｉａｂｌｅ ｍｕｌｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）を生成する、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源と、ＳＢＳ源の出力を増幅する、第１の光増幅器と、増幅されたＳＢＳ源の出力を等しい割合の２つの光信号に分割する、光スプリッタと、所定の波長の関連するストークスを抽出し、電磁スペクトルのミリ波帯に入る周波数の整数倍だけ相互に波長変位した２つの独立した光出力を提供する、チューナブルバンドパスフィルタと、それぞれの光フィルタの信号が光カプラに供給された場合、カプラの出力が、所望のミリ波周波数と同等の波長分離（Δλ）を有する、フィルタによって選択された２つの特定のストークスを有する光信号となるように、光フィルタの出力から放射される光信号を結合する、光カプラと、光カプラの出力を増幅し平坦化する、第２の光増幅器と、増幅され平坦化されたストークスを電気ミリ波信号にヘテロダインする、光検波器と、所望のミリ波信号出力に応じて、第１及び第２の光増幅器の利得を制御し、関連するストークスを、それらの波長（光）の差が光検波器出力における所望のミリ波周波数と同等であるように、別個に抽出／選択するために、光バンドパスフィルタのチューニングを制御し、ＳＢＳ源によって生成されるストークス線の数を制御する、コントローラ回路と、を含む。

第１の光増幅器は、信号が光スプリッタと光フィルタとを通過した後に発生する可能性がある、吸収による損失を予め補償する。

光スプリッタによって放射される、等しい割合の２つの光信号は、同じ振幅、波長、位相、及び電磁モードである。

光フィルタは、好ましくは、ファイバブラッグ格子フィルタである。

本発明によるミリ波源の実施形態のブロック図である。 誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源によって生成される可変ストークス線マルチ波長光信号の例を示すグラフである。 所望のミリ波周波数と同等の様々な可能な波長分離（Δλ）のための、第１の光フィルタ及び第２の光フィルタの出力の結合されたスペクトルを示すグラフである。 第１の光フィルタ及び第２の光フィルタの出力の結合された周波数スペクトルである、光カプラの出力を示すグラフであり、ここで、フィルタリングされた信号はλ１〜λ８の離散値の波長を有することが可能である。 ６０ＧＨｚの周波数を有する電気信号である、光検波器の出力を示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、ミリ波電気信号を生成する方法を示すフローチャートである。 本発明の誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源から取得された、実験に基づくマルチストークス光波の例を示すグラフである。 Δλが０．０８６ｎｍに等しい場合の、光検波器の、実験に基づく１０ＧＨｚ出力スペクトルの例を示すグラフである。 Δλが０．５ｎｍに等しい場合の、光検波器の、実験に基づく６０ＧＨｚ出力スペクトルの例を示すグラフである。

本発明について、次に、添付の図面を参照して更に詳細に説明する。例示的な実施形態、及び関連する図面は、単にガイダンスの目的のために示されており、添付の図面に関連して、決して制約的なものではない。

図１を参照すると、本発明の安定ミリ波源は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源１０１と、第１の光増幅器１０２と、スプリッタ１０３と、第１のチューナブルバンドパスフィルタ１０４と、第２のチューナブルバンドパスフィルタ１０５と、コントローラ回路１０６と、カプラ１０７と、第２の光増幅器１０８と、光検波器１０９とから構成される。

ＳＢＳ源１０１は、光波（それ自体が様々な波長のマルチストークス光波信号から構成される）を生成するように設計される。マルチストークス光波信号を有する様々な波長のこの光信号は、等しい割合の２つの光信号、すなわち、同一の振幅、周波数、位相、及び電磁モードの２つの光信号に分割される。第１のチューナブルバンドパスフィルタ１０４及び第２のチューナブルバンドパスフィルタ１０５は、関連するストークスを抽出して、２つの独立した光出力を提供し、それらは次に、カプラ１０７によって結合される。結合された光信号は、２ストークス光波を有し、ここで、２つのストークスは、電磁スペクトルのＥＨＦ（超高周波）すなわち「ミリ波」帯に含まれる周波数に数値的に等しい値によって、相互に波長が変位している。ＳＢＳ源から出力される光信号を構成する様々な波長の信号の間の、周波数の差の数値の例は、図２に示すように、１０ＧＨｚである。ＳＢＳ源から放射されるストークス線の数は、コントローラ回路１０６によって、システムの出力からのフィードバックが受信され次第制御される。ＳＢＳ源から生成されることが可能なストークス線の数は、電磁スペクトルのＥＨＦ帯によって含まれる周波数範囲によって制限される。

ＳＢＳ源１０１から出力されるストークス線は、次に、第１の光増幅器１０２の入力に供給され、その中で信号は、システムの分割及びフィルタリングの段階の間に発生する可能性がある損失を予め補償するために増幅される。増幅された信号は、次に、供給された光信号を、等しい割合の、すなわち、等しい振幅、位相、周波数、及び電磁モードの、２つの信号に分割する、光スプリッタ（５０：５０）１０３に供給される。これらの２つの、等しいが独立したマルチ波長光信号（すなわち、マルチストークス光波信号）は、続いて、２つの独立したチューナブル光バンドパスフィルタ１０４、１０５によってそれぞれ処理される。本発明の好ましい実施形態では、フィルタは、ファイバブラッグ格子フィルタである。

光信号（等しい振幅、位相、周波数、及び電磁モードの、２つの等しく配分された光信号）は、２つのチューナブル光フィルタ１０４、１０５（ファイバブラッグ格子フィルタ）にそれぞれ供給される。

第１の光フィルタ１０４及び第２の光フィルタ１０５の出力は、それぞれ、ＳＢＳ源１０１が様々な波長のマルチストークス光波信号（ミリ波周波数成分と同等の、任意の２つの隣接するストークス間の波長分離Δλを有する）から構成される光信号を生成した場合の結果として生じる光信号である。

図７は、本発明の誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源１０１から取得された、実験に基づくマルチストークス光波信号の例を示すグラフである。

２つの光フィルタ１０４、１０５は、所望のストークス波長の光信号が光カプラ１０７に供給されることを可能にするようにチューニングすることができ、ここで、これらの光フィルタ１０４、１０５からの出力は、光カプラ１０７内で結合され、所望のミリ波周波数に等しい波長分離を有する２波長光信号がもたらされる。この周波数は、ＳＢＳ源１０１によって生成されるマルチストークス光信号の、２つの隣接する波長の波長分離と同等の周波数の整数倍である。図２に示す例に基づくと、周波数のこの値は１０ＧＨｚであり、対応するＳＢＳ源１０１のマルチストークス光信号の任意の２つの隣接する波長間の波長分離Δλは、０．０８ｎｍに等しい。この操作により、所望のミリ波周波数を有する２波長光信号がもたらされる。図３及び図４は、光カプラ１０７の出力の例を示す。

図３は、光カプラ１０７の出力を示し、この図では、２波長信号が第２の光増幅器１０８によって増幅され、続いて、光検波器１０９によってヘテロダインされた後に、２０ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの範囲の所望のミリ波周波数を有する電気信号をもたらす、多くの可能な波長分離（Δλ）が示されている。図は、電気スペクトルにおける２０ＧＨｚ、３０ＧＨｚ、及び４０ＧＨｚにそれぞれ対応する、０．１６ｎｍ、０．２４ｎｍ、及び０．３２ｎｍの波長分離Δλを有する２波長光信号を示す。

図４は、光カプラ１０７の出力の例を示し、これは、光検波器内でのヘテロダインするプロセスの後、その結果として６０ＧＨｚのミリ波電気信号（図５を参照）に変換される、０．４８ｎｍに等しい２つの波長間の波長分離Δλを有する２波長光信号である。

チューナブルフィルタ１０４、１０５の出力を結合した結果として、光カプラ１０７の出力において、所望のミリ波周波数にひいては対応する、所望の波長分離Δλを有するこの２波長光信号が生成されたら、この信号は、信号レベルを増加させ、ストークス線を平坦化するために、第２の光増幅器１０８によって増幅され、その後、様々な通信及び科学適用例に使用できる状態の所望のミリ波信号に、この光信号を続いて変換する、光検波器１０９に供給される。

図５は、光検波器１０９のスペクトル出力の例を示す。結果として生じる電気ミリ波信号は、光カプラ１０７の出力において得られる、第１の光フィルタ１０４及び第２の光フィルタ１０５の出力の結合が、続いて、光検波器１０９においてヘテロダインされた結果もたらされる。図示されたミリ波信号の周波数スペクトルは、光カプラ１０７の２波長出力の２つの波長間の波長分離（Δλ）が、０．４８ｎｍである場合に取得される。この波長分離は、６０ＧＨｚのミリ波中心周波数に対応する。

コントローラ回路１０６は、システムがその電気ミリ波出力を安定化するための手段を提供する。コントローラ回路１０６にフィードバックされる、システムからの出力に基づいて、コントローラ回路１０６は、第１に、ＳＢＳ源１０１によって放射されるストークス線の数を、第２に、第１の光フィルタ１０４及び第２の光フィルタ１０５がチューニングされる波長を、そして第３に、光増幅器１０２、１０８のそれぞれの利得を、制御する。

本発明による、光データ伝送において使用するためのミリ波信号を生成する方法について、図６を参照して次に説明する。

図６を参照すると、本発明の光ファイバを使用した広帯域無線信号伝送のための安定ミリ波源の生成の第１のステップ６０１は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）によってマルチストークス光波信号を生成することからなる。マルチストークス光波信号の十分な数のストークスが、後でフィルタリングされる選択肢のために生成されるように、光波信号のストークスの数は制限されるべきである。従って、ステップ６０２で、誘導ブリルアン散乱によって生成される光波信号のストークスの数は、必要とされるストークス線の所望の数に制御される。光カプラ１０７の出力において得られるＳＢＳ（誘導ブリルアン散乱）によって生成されるマルチストークス光波の任意の２つの隣接する波長間の波長分離Δλは、ミリ波帯の電磁周波数スペクトル内に十分入る周波数の数値と同等でなければならない。

図６に示す、次のステップ６０３は、後続の光分割段階６０４及びフィルタリング段階６０５において発生する可能性がある損失を補償するために、ＳＢＳによって生成されたマルチストークス光波信号が所定の利得に従って増幅されることを含む。光分割段階６０４では、結果として生じた、増幅され、かつストークスが制限された、マルチストークス光波信号が、２つの等しく配分された（５０：５０）光信号に、すなわち、等しい振幅、位相、周波数、及び電磁モードの光信号に、分割される。結果として生じる、２つの光分割された同一であるが独立したマルチストークス光波信号は、次に、光フィルタリング段階６０５に供給され、その中で、信号は、ブラッグフィルタリング技術を介した、チューニングされたフィルタリングを受ける。より具体的には、２つの同一のマルチストークス光波信号は、元のマルチストークス光波に含まれる波長の得られるスペクトルの異なる波長に、別個に、かつ選択的にチューニングされ、それにより、結果として生じる２つのフィルタリングされた単一ストークス光波信号が光カップリング（再結合）段階６０６において結合された場合、結果として生じる光信号は、ミリ波帯スペクトルに含まれる周波数の数値の整数倍に対応する、独立した波長間の分離Δλを有する、２波長光信号となる。この周波数は、ＳＢＳを介して生成される元のマルチストークス光波信号の任意の２つの隣接する波長間の波長分離Δλに対応する周波数である。

光結合（光カップリング）段階６０６の結果もたらされる、結果として生じる前述の２波長光信号は、次に、事前定義された利得に従って増幅され、その結果として、２波長光信号のストークス線が増幅され平坦化される（ステップ６０７）。増幅された２波長光信号は、次に、ステップ６０８において、ヘテロダインされ、従って検波され、所望の電気ミリ波信号が生成される。ＳＢＳによるマルチストークス光波信号の生成から、所望の電気ミリ波信号の生成までの全プロセスは、ステップ６０９における、コントローラ回路を介したループ制御によって安定化される。

電気ミリ波信号出力の実験に基づいて得られた例は、図８及び図９にそれぞれ示す通りである。

Claims (10)

1. 光データ伝送に使用するミリ波信号を生成し、出力する装置であって、
   前記装置は、
   複数のストークス線を含む可変マルチ波長光信号を生成する、光源（１０１）と、
   前記可変マルチ波長光信号を増幅する、第１の増幅器（１０２）と、
   前記増幅された可変マルチ波長光信号を分割する、分割手段（１０３）と、
   前記分割された可変マルチ波長光信号をフィルタリング及びチューニングする、フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）と、
   前記フィルタリング及びチューニングされた可変マルチ波長光信号を結合して、電気領域における所望の周波数の前記ミリ波信号と同等の波長分離（Δλ）を有する２波長光信号をもたらす、カプラ（１０７）と、
   前記カプラ（１０７）の、前記２波長光信号の出力を増幅し利得平坦化する、第２の増幅器（１０８）と、
   前記増幅された２波長光信号を、ヘテロダインすることを介して前記ミリ波信号に変換し、該ミリ波信号を出力する、光検波器（１０９）と、
   を備え、
   前記装置は、コントローラ（１０６）を更に含み、前記コントローラ（１０６）は、前記ミリ波信号の出力が安定化するように、
   （Ａ）前記光検波器（１０９）によって出力された前記ミリ波信号のフィードバックを受信し、
   （Ｂ）前記フィードバックに基づいて、前記光源（１０１）によって放射される前記ストークス線の数を制御し、
   （Ｃ）前記フィードバックに基づいて、前記第１の増幅器（１０２）の利得を制御し、
   （Ｄ）前記フィードバックに基づいて、前記フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）のチューニングを制御し、
   （Ｅ）前記フィードバックに基づいて、前記第２の増幅器（１０８）の利得を制御する、
   装置。
2. 前記コントローラ（１０６）は、光電制御回路であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記光源（１０１）は、前記可変マルチ波長光信号を生成することが可能な、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）源である、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記ストークス線の前記数は、電磁スペクトルの超高周波（ＥＨＦ）帯によって含まれる周波数範囲によって制限される、ことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記カプラ（１０７）から出力される前記２波長光信号は、前記フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）からの信号の周波数の差に対応する光信号である、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）は、前記フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）の出力からの各光信号の間の周波数の差が、電磁スペクトルのＥＨＦ帯内にある周波数の数値の整数倍であるように、所定の波長の光信号にチューニングされる、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１及び第２の増幅器（１０２、１０８）は、エルビウムドープファイバ増幅器である、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 前記フィルタリング・チューニング手段（１０４、１０５）は、ファイバブラッグ格子光フィルタである、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. 前記分割手段（１０３）は、前記光源（１０１）によって生成された前記可変マルチ波長光信号を、等しい割合（５０：５０）に分割する、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. 光データ伝送に使用するミリ波信号を生成する方法であって、
    前記方法は、
    ｉ）複数のストークス線を含む可変マルチ波長光信号を生成し（６０１）、
    ｉｉ）前記可変マルチ波長光信号を増幅し（６０３）、
    ｉｉｉ）結果として生じる信号が、振幅、位相、周波数、及び電磁モードに関して等しくなるように、前記可変マルチ波長光信号を等しい割合（５０：５０）に分割し（６０４）、
    ｉｖ）分割された前記可変マルチ波長光信号を、所望の前記ストークス線、すなわち、所望の波長の光信号を選択するようにチューニングされた、チューニング可能な光フィルタを使用してフィルタリングし（６０５）、
    ｖ）生成される光信号の周波数が、電磁スペクトルの超高周波（ＥＨＦ）帯内にある周波数の数値の整数倍であるように、前記光フィルタの出力を結合して２波長光信号を生成し（６０６）、
    ｖｉ）［ｖ］において取得された前記２波長光信号を増幅及び平坦化し（６０７）、
    ｖｉｉ）［ｖｉ］において増幅及び平坦化された信号をヘテロダインすることによって、前記ミリ波信号に変換して出力し（６０８）、
    ｖｉｉｉ）
    （Ａ）［ｖｉｉ］において出力された前記ミリ波信号のフィードバックを受信し、
    （Ｂ）前記フィードバックに基づいて、［ｉ］で放射される前記ストークス線の数を制御し（６０２）、
    （Ｃ）前記フィードバックに基づいて、［ｉｉ］での増幅の利得を制御し、
    （Ｄ）前記フィードバックに基づいて、［ｉｖ］でのフィルタリング及びチューニングを制御し、
    （Ｅ）前記フィードバックに基づいて、［ｖｉ］での増幅及び平坦化を制御すること、
    によって前記ミリ波信号の出力を安定化すること（６０９）、
    を含む、方法。

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