JP5319465B2 - 周波数可変信号発生装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は周波数可変信号発生装置及び周波数可変信号発生方法に関する。
近年、光技術に基づくマイクロ波信号の発生は無線加入者網、位相アレイアンテナ、光ファイバ無線（Ｒａｄｉｏ Ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ;ＲＯＦ）システムなどに用いられることにより、多くの関心が寄せられている。このような技術は光を用いるため、電磁波による干渉現象がない上に、帯域幅が大きく、損失の少ない光ファイバを利用できるなどの長所を有している。光技術に基づくマイクロ波の発生は、低い位相雑音を有する高周波の信号を２つの異なる波長の光信号をビーティング（ｂｅａｔｉｎｇ）させて光電変換することによって得られる。
従来技術による光波を用いてマイクロ波信号を発生させることができる方法としては、位相雑音を低減するために位相ロックされた異なる２つのレーザ光をビーティングさせる方法又は外部変調器を用いる方法などが挙げられる。しかしながら、この場合、高純度の基準高周波信号源が必要である。他の従来技術による方法としては、基準高周波信号源なしにマイクロ波を発生させるために２波長の単一縦モードを有する光ファイバレーザを利用する方法が挙げられる。
更に、「超狭帯域透過フィルタに基づく光ファイバレーザ光源を用いた周波数可変信号発生装置」という名称の下記の特許文献１は、光ファイバレーザを超狭帯域透過フィルタを用いて単一縦モードで動作させて発振する２波長の光源をビーティングさせる方法を開示している。
しかしながら、前述した従来技術による方法は、マイクロ波の周波数変換が容易ではないという不具合がある。
大韓民国登録特許第１０−７６７７２２号
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ひずみによって発振波長間の間隔が変化する２つの波長の光源を実現し、２つの波長の光信号をビーティングさせて発振波長間の間隔に対応する周波数の信号を発生させる周波数可変信号発生装置及び方法を提供することにある。
前記目的を達成するために本発明の第１の態様による周波数可変信号発生装置は、光信号を生成する光源と、前記光源の光信号が入力され、互いに光学的に連結され、互いに異なる共振条件を有する第１及び第２共振器と、前記第１共振器に光学的に連結され、ひずみによって変形可能な構造物と、前記構造物上に設けられ、それぞれ第１波長及び第２波長の光信号をフィルタリングする第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子と、前記第１共振器に光学的に連結され、前記第１波長及び第２波長間の間隔に対応する周波数の信号を生成する光電変換器とを含む。
本発明の第２の態様による周波数可変信号発生装置は、光信号を生成する光源と、前記光源の光信号が入力される共振器と、前記共振器に光学的に連結され、ひずみによって変形可能な構造物と、前記構造物上に設けられ、第１波長及び第２波長を含む波長帯域の光信号を透過する第１光ファイバ格子と、前記共振器に光学的に連結され、前記第１光ファイバ格子で透過された光信号のうち前記第１波長及び前記第２波長の光信号をフィルタリングする第２光ファイバ格子と、前記共振器に光学的に連結され、前記第１波長及び前記第２波長間の間隔に対応する周波数の信号を生成する光電変換器とを含む。
これらの実施形態による周波数可変信号発生装置において、前記第１波長及び前記第２波長間の間隔は前記構造物が変形された程度に対応し得る。
本発明の第３の態様による周波数可変信号発生方法は、光信号を生成する段階と、第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子を用いて、光信号のうち第１波長及び第２波長の光信号をそれぞれフィルタリングする段階と、前記第１光ファイバ格子及び前記第２光ファイバ格子に生じさせたひずみによって前記第１波長及び前記第２波長間の間隔を調節する段階と、前記第１波長及び前記第２波長間の間隔に対応する周波数の信号を生成する段階とを含む。
本発明の第４の態様による周波数可変信号発生方法は、光信号を生成する段階と、第１光ファイバ格子を用いて、光信号のうち第１波長及び第２波長を含む波長帯域の光信号を透過させる段階と、第２光ファイバ格子を用いて、前記第１光ファイバ格子で透過された光信号のうち前記第１波長及び前記第２波長の光信号をフィルタリングする段階と、前記第１光ファイバ格子に生じさせたひずみによって前記第１波長及び前記第２波長間の間隔を調節する段階と、前記第１波長及び前記第２波長間の間隔に対応する周波数の信号を生成する段階とを含む。
本発明に係る周波数可変信号発生装置及び方法によれば、１つ以上の光ファイバ格子をひずみによって変形される構造物上に設けることによって、２つの波長の光信号の発振波長間の間隔を構造物の変形によって調節できる。結果として、２つの波長の光信号から生成されるビーティング信号の周波数を効果的に変化させることができるという効果を奏する。
また、本発明に係る周波数可変信号発生装置及び方法によれば、光ファイバレーザを用いてマイクロ波信号を発生させることができるので、電磁波による干渉現象がなく、損失の少ない光ファイバを利用できるため、光通信及び光ファイバ無線（ＲＯＦ：Ｒａｄｉｏ Ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ）システムに有用に使用することができる。
本発明の一実施形態による周波数可変信号発生装置の概略図である。 図１の周波数可変信号発生装置に含まれる構造物の斜視図である。 図２Ａに示す構造物の平面図である。 図１の周波数可変信号発生装置の２つの波長の光信号の波形を例示的に示すグラフである。 図１の周波数可変信号発生装置において光電変換器により生成される信号の波形を例示的に示すグラフである。 本発明の他の実施形態による周波数可変信号発生装置の概略図である。 図４の周波数可変信号発生装置において第１光ファイバ格子の透過スペクトラム及び第２光ファイバ格子の反射スペクトラムを例示的に示すグラフである。 図４の周波数可変信号発生装置の２つの波長の光信号の波形を例示的に示すグラフである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態を説明するにおいて、関連する公知となった機能や構成に関する説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にするおそれがある場合にはそれを省略する。
図１は、本発明の一実施形態による周波数可変信号発生装置の構成を示す概略図である。
図１を参照すれば、周波数可変信号発生装置は、光源１２０、第１及び第２共振器１１０、１１５、変形可能な構造物１５０、第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５及び光電変換器１９０を含む。
光源１２０は、電源１２５の電力を用いて増幅された光信号を生成するための素子であり得る。例えば、光源１２０は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）を含むこともできる。半導体光増幅器が光源１２０に用いられる場合、半導体光増幅器の不均一広がり（ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）現象によって複数の波長の光信号を同時に発振させることができる。光源１２０で生成された光信号は第１共振器１１０に入力される。
光源１２０の光信号は、第１共振器１１０内で発振する。また、第１共振器１１０は、第２共振器１１５と光学的に連結される。例えば、第２共振器１１５は、第１光カプラ１８０を通じて第１共振器１１０と連結することができる。第１光カプラ１８０は、５０：５０のカプラであることもできる。光源１２０の光信号は第１及び第２共振器１１０、１１５の共振条件を同時に満たす周波数でのみ発振できる。従って、単一モードの光信号を得ることができる。例えば、光信号はバーニア（Ｖｅｒｎｉｅｒ）効果によって単一縦モードで発振する信号であってもよい。
可変周波数信号発生装置は、第１共振器１１０に光学的に連結された光アイソレータ１３０を更に含むこともできる。光アイソレータ１３０は、反射による光の逆方向への進行を抑制して発振効率を向上させる役割を果たすことができる。
構造物１５０は、光循環器１４０を通じて第１共振器１１０に光学的に連結される。光循環器１４０は複数のポートを含み、各ポートに入力された光信号は隣接するポートに伝達される。例えば、光循環器１４０が第１〜第３ポートを有する場合、第１ポート→第２ポート→第３ポートの順に光信号を伝達できる。この場合、光循環器１４０の第１ポート及び第３ポートを第１共振器１１０に光学的に連結し、第２ポートを構造物１５０に光学的に連結することができる。
構造物１５０は光循環器１４０を通じて光信号の伝達を受けることができる。構造物１５０は、ひずみによって変形することができる。例えば、構造物１５０はひずみによって変形可能な薄い金属板などを含むことができる。構造物１５０の構成及び機能については図２を参照して詳細に後述する。
構造物１５０上には第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５が設けられる。第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５は、伝達された光信号のうち特定波長の光信号をフィルタリングする。例えば、第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５は、それぞれ第１波長及び第２波長の光信号を反射する反射型光ファイバ格子であることもできる。光循環器１４０から構造物１５０に光信号が入力されると、第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５でそれぞれ第１波長及び第２波長の光信号が反射される。反射された光信号は再び光循環器１４０の第２ポートに伝達される。光循環器１４０の第２ポートに到達した光信号は、光循環器１４０の第３ポートを介して再び第１共振器１１０に入力される。
第１及び第２共振器１１０、１１５は、それぞれに光学的に連結された偏光調節器１７０、１７５を更に含むこともできる。偏光調節器１７０、１７５を用いて各共振器１１０、１１５内の光信号の偏光を調節することで、安定した単一モードで発振する光信号を得ることができる。
光電変換器１９０は、第２光カプラ１８５を通じて第１共振器１１０に光学的に連結される。第２光カプラ１８５は、第１共振器１１０内の光信号の一部を光電変換器１９０に伝達する。例えば、第２光カプラ１８５は一部の光信号を第１共振器１１０内に循環させながら、一部の光信号を第１共振器１１０から取り出して光電変換器１９０に伝達することができる。
光電変換器１９０は、入力された光信号をビーティングさせて電気信号を生成する。光電変換器１９０は、第１波長を有する光信号及び第２波長を有する光信号のビーティング周波数に該当する周波数の信号を生成する。例えば、光電変換器１９０で生成される信号はマイクロ波であることもできる。光電変換器１９０は、フォトディテクタを含むこともできる。このとき、フォトディテクタの帯域幅は得ようとするマイクロ波の周波数範囲よりも大きくすることができる。
例えば、光電変換器１９０に入力される２つの光信号の電場は、下記の式１によって表すことができる。
Figure 0005319465
前記式１において、ak (k= 1, 2) は第１波長の光信号及び第２波長の光信号の強度であり、ωk, φk はそれぞれ該当する光信号の光周波数と位相を示す。
一方、光電変換器１９０に入力される２つの光信号の重複信号は、下記の式２によって表すことができる。
Figure 0005319465
光電変換器１９０での電流は入射される光強度に比例し、従って、これは下記の式３で表される電場全体の自乗に比例する。
Figure 0005319465
前記式３において、Δφは２つの光信号の位相差を示し、 Δωは２つの光信号の周波数差を示す。
即ち、２つの光信号のビーティングにより生じる電気信号ＲＦの周波数は、２つの光信号の周波数差と同一になる。
以上のように構成された周波数可変信号発生装置は、構造物１５０の変形された程度に応じて光電変換器１９０で生成される信号（例えば、マイクロ波）の周波数を調節することができる。例えば、構造物１５０上に設けられた第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５に互いに異なる方向のひずみを生じさせた場合、２つの光ファイバ格子１６０、１６５の反射波長が互いに異なる方向へ移動できる。従って、２つの波長の光信号の発振波長間の間隔を変化させることができ、結果として、２つの波長の光信号から生成される信号の周波数を変化させることができる。
図２Ａは、図１の周波数可変信号発生装置に含まれる構造物を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す構造物の平面図である。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、構造物１５０は、第１円板２１０、第２円板２２０及び平板２３０を含む。第１円板２１０は、中に穴が開けられる。第１円板２１０は回転可能に形成される。第２円板２２０は、第１円板２１０内に設けられる。第１及び第２円板２１０、２２０は、それぞれ金属又は他の適切な物質から構成することができる。
第１及び第２支持台２４０、２４５は、第１及び第２円板２１０、２２０の境界に隣接して設けられる。第１及び第２支持台２４０、２４５のそれぞれには溝が形成される。第１支持台２４０は溝に設けられたネジ２５０によって第２円板２２０に固定される。また、第１支持台２４０はネジ２６０によって第１円板２１０に固定される。同様に、第２支持台２４５は溝に設けられたネジ２５５によって第２円板２２０に固定される。また、第２支持台２４５はネジ２６５によって第１円板２１０に固定される。
平板２３０は第１及び第２支持台２４０、２４５の間に固定することができる。第１円板２１０が回転されると、第１円板に設けられたネジ２６０、２６５は第１円板２１０と共に回転する。反面、第２円板２２０に設けられたネジ２５０、２５５は動かない。従って、第１及び第２支持台２４０、２４５のそれぞれの角度を変化させることができる。結果として、第１及び第２支持台２４０、２４５の間に固定された平板２３０を変形させることができる。例えば、平板２３０は図２Ａ及び図２Ｂに示すように、英文字「Ｓ」字状に変形させることができる。平板２３０はひずみによって変形可能な任意の物質から構成することができる。例えば、平板２３０は相対的に薄い厚さの金属板であってもよい。
図２Ｂを参照すれば、変形された平板２３０は第１方向に変形される第１領域Ａ１及び前記第１方向と異なる第２方向に変形される第２領域Ａ２とを含む。例えば、第２方向は第１方向と反対方向であることもできる。平板２３０の第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２にはそれぞれ第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５を設けることができる。
第１領域Ａ１に設けられる第１光ファイバ格子１６０に生じさせたひずみの方向と、第２領域Ａ２に設けられる第２光ファイバ格子１６５に生じさせたひずみの方向は互いに反対である。例えば、ひずみによって第１光ファイバ格子１６０の反射波長が増加する場合、第２光ファイバ格子１６５の反射波長は減少する。結果として、平板２３０に生じさせたひずみによって第１及び第２光ファイバ格子１６０、１６５の反射波長間の間隔が変化する。平板２３０の各領域Ａ１、Ａ２に生じさせたひずみは、第１円板２１０の回転角度に応じて変化する。従って、第１円板２１０の回転角度を変化させることで、第１光ファイバ格子１６０と第２光ファイバ格子１６５の反射波長間の間隔を変化させることができる。一方、周波数可変信号発生装置は、第１円板２１０に連結して第１円板２１０の回転角度を調節する角度調節器（図示せず）を更に含むこともできる。
図３Ａは、図１に示す周波数可変信号発生装置において２つの波長の光信号の波形を例示的に示すグラフである。図３Ａを参照すれば、第１及び第２光ファイバ格子によってフィルタリングされた２つの波長の光信号は第１波長λ１及び第２波長λ２を有する光信号である。
図３Ｂは、図１に示す周波数可変信号発生装置において光電変換器によって生成された信号の波形を例示的に示すグラフである。図３Ｂを参照すれば、光電変換器によって生成される信号は第１波長及び第２波長間の間隔に対応する周波数ｆ０を有する。
図４は、本発明の他の実施形態による周波数可変信号発生装置の構成を示す概略図である。
図４を参照すれば、周波数可変信号発生装置は、光源４２０、共振器４１０、変形可能な構造物４５０、第１及び第２光ファイバ格子４６０、４６５及び光電変換器４９０を含む。一方、図４において、光源４２０、電源４２５、光アイソレータ４３０、偏光調節器４７０、光カプラ４８５、及び光電変換器４９０の構成及び機能は図１を参照して前述した周波数可変信号発生装置の対応する構成要素の構成及び機能と同一であるので、詳細な説明を省略する。
光源１２０の光信号は共振器４１０に入力される。光信号は共振器４１０内で発振する。共振器４１０には構造物４５０が光学的に連結される。構造物４５０は、生じさせたひずみによって変形される。構造物４５０の構成及び機能は、図１及び図２を参照して前述した構造物１５０と同一であるので、詳細な説明を省略する。
第１光ファイバ格子４６０は構造物４５０上に設けられる。第１光ファイバ格子４６０は所定の中心波長で相対的に低い透過度を有し、前記中心波長に隣接する第１波長及び第２波長で相対的に高い透過度を有する。例えば、第１光ファイバ格子４６０は第１波長及び第２波長で初期の狭帯域透過幅を有する位相遷移光ファイバ格子であることができる。一方、構造物４５０が変形される場合、構造物４５０上に設けられる第１光ファイバ格子４６０にひずみが生じて第１波長及び第２波長間の間隔が変化する。
第２光ファイバ格子４６５は光循環器４４０を通じて共振器４１０に連結される。例えば、光循環器４４０の第１ポート及び第３ポートは共振器４１０に光学的に連結され、光循環器４４０の第２ポートは第２光ファイバ格子４６５に光学的に連結される。第１光ファイバ格子４６０で透過された光信号は光循環器４４０の第１ポートに入力される。入力された光信号は、光循環器４４０の第２ポートを介して第２光ファイバ格子４６５に伝達される。第１光ファイバ格子４６０で透過された光信号が再び第２光ファイバ格子４６５で反射されることで、前述した第１波長及び第２波長の光信号のみがフィルタリングされる。よって、第２光ファイバ格子４６５は反射型光ファイバ格子である。また、第２光ファイバ格子４６５は第１光ファイバ格子４６０と同じ中心波長を有することもできる。
図５Ａは、図４に示す周波数可変信号発生装置において第１光ファイバ格子の透過スペクトラム及び第２光ファイバ格子の反射スペクトラムを示すグラフである。図５Ａにおいて、実線５００は第１光ファイバ格子の透過スペクトラムを示し、点線５１０は第２光ファイバ格子の反射スペクトラムを示す。
図示するように、第１光ファイバ格子は所定の中心波長λ０で相対的に低い透過度を有し、中心波長λ０に対して対称的に位置する第１波長λ１及び第２波長λ２で相対的に高い透過度を有する。第１光ファイバ格子は、前記第１波長λ１及び第２波長λ２を含む所定の波長帯域の光信号を透過させることができる。
第２光ファイバ格子は、所定の中心波長λ０で相対的に高い反射度を有することができる。第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子の中心波長は互いに同一であるか、又は互いに隣接することもできる。従って、第１光ファイバ格子で透過された光信号を第２光ファイバ格子に入力する場合、第１光ファイバ格子の透過度及び第２光ファイバ格子の反射度が作用して高い波長の光信号をフィルタリングできる。例えば、第１波長λ１及び第２波長λ２の光信号をフィルタリングできる。
図５Ｂは、第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子を用いてフィルタリングされた光信号の波形を例示的に示すグラフである。図示するように、フィルタリングされた光信号は第１波長λ１及び第２波長λ２を有することができる。従って、第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子を用いて２つの波長の光信号を生成することが可能である。
以上のように、詳述した本実施形態による周波数可変信号発生装置及びこれを用いた周波数可変信号発生方法は、構造物が変形されることによって光ファイバ格子に生じさせたひずみによって２つの波長の光信号の発振波長間の間隔を変化させることができる。結果として、発振波長間の間隔に対応する周波数を有する信号の周波数を可変できるという利点がある。
なお、本発明の特定の実施形態を図示し説明したが、本発明の技術思想は添付された図面と前述した説明の内容に限定されず、本発明の思想から逸脱しない範囲内で多様な形態の変形が可能であることは本技術分野における通常の知識を有する者には自明な事実であり、このような形態の変形は、本発明の精神から逸脱しない範囲内で本発明の特許請求の範囲に属すると見るべきである。

Claims (7)

  1. 周波数可変信号発生装置において、
    光信号を生成する光源と、
    前記光源の光信号が入力され、互いに光学的に連結され、互いに異なる共振条件を有する第１及び第２共振器と、
    ひずみによって変形可能な構造物と、
    前記構造物上に設けられ、それぞれ第１波長及び第２波長の光信号をフィルタリングし、前記第１共振器に光学的に連結された第１光ファイバ格子及び第２光ファイバ格子と、
    前記第１共振器に光学的に連結され、前記第１波長及び第２波長間の間隔に対応する周波数の信号を生成する光電変換器と
    を含み、
    前記第１波長及び前記第２波長間の間隔は前記構造物が変形された程度に対応し、
    前記構造物は第１方向に変形される第１領域及び第２方向に変形される第２領域を含み、
    前記第１光ファイバ格子及び前記第２光ファイバ格子は前記第１領域及び前記第２領域にそれぞれ設けられ、
    前記構造物は、
    中に穴の空いた第１円板、前記第１円板内の第２円板、及び前記第１円板及び前記第２円板とが連結され、前記第１円板が回転することによって変形される平板を含み、
    前記第１領域及び前記第２領域は前記平板上に設けられることを特徴とする周波数可変信号発生装置。
  2. 前記第１光ファイバ格子及び前記第２光ファイバ格子のそれぞれは、反射型光ファイバ格子であることを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
  3. 前記第１共振器及び前記構造物の間に光学的に連結される光循環器を更に含み、
    前記光循環器は前記第１共振器に光学的に連結された第１ポート、前記構造物に光学的に連結された第２ポート、及び前記第１共振器に光学的に連結された第３ポートを備えることを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
  4. 前記第１共振器及び前記第２共振器のそれぞれに光学的に連結された偏光調節器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
  5. 前記光源は半導体光増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
  6. 前記第１共振器及び前記第２共振器のそれぞれは、リング共振器であることを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
  7. 前記第１共振器に光学的に連結された光アイソレータを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変信号発生装置。
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