JP6021855B2 - 一体型フォトニック周波数変換器及び混合器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概ね周波数変換器及び混合器に関する。具体的には、本発明の実施形態は、光電子周波数変換器及び混合器に関する。

無線周波数（ＲＦ）変換には、ＲＦ源と局部発振器が必要である。現行の電子混合器は、一般的に局部発振器としてＲＦ電源を採用している。誘電体共振器といった多くのシステムが、低位相雑音源を必要とする。電子混合は、通常、チップに基づく回路を用いて達成される。チップに基づく回路の欠点は、局部発振器の周波数が大きな増倍係数により１０ＧＨｚを上回るときの高位相雑音である。

電気光学変調のためのシステム及び方法が提示される。第１の光学信号及び第２の光学信号は、光学的に結合されて、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を生成する。第１の信号経路及び第２の信号経路における局部発振器信号は、無線周波数の電気信号により電気光学的に位相変調されて、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号をそれぞれ生成する。第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号は、光学的に結合されて、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数のＲＦ周波数を含む強度変調信号を生成する。

このようにして、ＲＦ発振器及び混合器は、現代のＲＦシステムの二つの重要な機能を単一の光素子に一体化することで、素子の機能性を拡張し、素子を小型化且つ軽量化する。

一実施形態では、電気光学ヘテロダイン法により、第１の光学信号及び第２の光学信号が光学的に結合されて、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号が生成される。方法は、さらに、無線周波数電気信号を用いて第１の信号経路及び第２の信号経路における局部発振器信号を電気光学的に位相変調し、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号をそれぞれ生成する。方法は、さらに、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号を光学的に結合し、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数のＲＦ周波数を含む強度変調信号を生成する。

別の実施形態では、電気光学ヘテロダインのためのシステムは、第１のオプティカルカプラ、第１の電気光学変調器、第２の電気光学変調器、及び第２のオプティカルカプラを備える。第１のオプティカルカプラは、第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を生成するように構成される。第１の電気光学変調器は、無線周波数電気信号を用いて第１の信号経路内の局部発振器信号を電気光学的に変調し、第１の位相変調光学信号を生成するように構成される。第２の電気光学変調器は、無線周波数電気信号を用いて第２の信号経路内の局部発振器信号を電気光学的に変調し、第２の位相変調光学信号を生成するように構成される。第２のオプティカルカプラは、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号を光学的に結合し、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数のＲＦ周波数を含む強度変調信号を生成するように構成される。

さらなる実施形態では、電気光学変調器を生産する方法において、第１の光変調器は、無線周波数電気信号を用いて第１の信号経路内のＲＦ段階入力光学信号を電気光学的に変調し、第１のＲＦ段階位相変調光学信号を生成するように構成される。この方法では、さらに、第２の光変調器は、無線周波数電気信号を用いて第２の信号経路内のＲＦ段階入力光学信号を電気光学的に変調し、第２のＲＦ段階位相変調光学信号を生成するように構成される。この方法では、さらに、ＲＦ段階オプティカルカプラは、第１のＲＦ段階位相変調光学信号及び第２のＲＦ段階位相変調光学信号を光学的に結合し、第１の信号経路及び第２の信号経路内の無線周波数電気信号の周波数を含む強度変調出力信号を生成するように構成される。

さらに、本明細書は、以下の条項による実施形態を含む。

条項１−電気光学ヘテロダイン方法であって、
第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を生成すること、
無線周波数電気信号を用いて第１の信号経路及び第２の信号経路における局部発振器信号を電気光学的に位相変調して、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号をそれぞれ生成すること、並びに
第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号を光学的に結合して、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数のＲＦ周波数を含む強度変調信号を生成すること
を含む方法。

条項２−
第１の信号経路における第１の強度光学信号及び第２の信号経路における第２の強度光学信号として強度変調信号を生成すること、
第１の電気信号として第１の強度光学信号を光検出すること、
第２の電気信号として第２の強度光学信号を光検出すること、並びに
第１の電気信号と第２の電気信号とを合成して出力信号を生成すること
をさらに含む、条項１に記載の方法。

条項３−第１の電気信号及び第２の電気信号の同相を除去して出力信号を生成すること
をさらに含む、条項２に記載の方法。

条項４−
第１のレーザを制御して第１の光学信号を生成すること、並びに
第２のレーザを制御して第２の光学信号を生成すること
をさらに含む、条項１に記載の方法。

条項５−
電流により第１のレーザ及び第２のレーザの一方又は両方をチューニングすること、並びに
無線周波数シンセサイザを用いずに一定範囲の周波数にわたって局部発振器信号を発生させること
をさらに含む、条項４に記載の方法。

条項６−
レーザを制御して光学信号を生成すること、並びに
外部信号を用いて光学信号を光電気光学的に（ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌｌｙ）位相変調して第１の光学信号及び第２の光学信号を生成すること
をさらに含む、条項１に記載の方法。

条項７−第１の光学信号及び第２の光学信号のヘテロダインにより局部発振器信号を発生させることをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項８−局部発振器信号及び無線周波数電気信号の高分離を行う間に出力信号を発生させることをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項９−出力信号の局部発振器信号及び無線周波数電気信号の信号漏れを最小化することをさらに含む、条項８に記載の方法。

条項１０−電気光学的に周波数を変換及び混合するためのシステムであって、
第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内をそれぞれ伝搬する局部発振器信号を生成するように構成された第１のオプティカルカプラ、
第１の信号経路内の局部発振器信号を無線周波数電気信号を用いて電気光学的に変調し、第１の位相変調光学信号を生成するように構成された第１の電気光学変調器、
第２の信号経路内の局部発振器信号を無線周波数電気信号を用いて電気光学的に変調し、第２の位相変調光学信号を生成するように構成された第２の電気光学変調器、並びに
第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号を光学的に結合し、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号の無線周波数を含む強度変調信号を生成するように構成された第２のオプティカルカプラ
を備えるシステム。

条項１１−
第１の光学信号を生成するように構成された第１のレーザ、並びに
第２の光学信号を生成するように構成された第２のレーザ
をさらに備える条項１０に記載のシステム。

条項１２−
レーザ光学信号を生成するように構成されたレーザ、並びに
第１のオプティカルカプラに光学的に結合されて、外部局部発振器信号を用いてレーザ光学信号を電気光学的に変調することにより、第１の光学信号及び第２の光学信号を生成するように構成された、第３及び第４の光変調器
をさらに備える条項１０に記載のシステム。

条項１３−
強度変調信号を第１の強度光学信号として導くように構成された第１の信号経路、
強度変調信号を第２の強度光学信号として導くように構成された第２の信号経路、並びに
第１の電気信号として第１の強度光学信号を光検出し、第２の電気信号として第２の強度光学信号を光検出し、且つ第１の電気信号及び第２の電気信号を合成して出力信号を生成するように構成された光検出器
をさらに備える条項１０に記載のシステム。

条項１４−光検出器は、第１の電気信号及び第２の電気信号の同相を除去して出力信号を生成するようにさらに構成されている、条項１３に記載のシステム。

条項１５−電気光学変調器の生産方法であって、
無線周波数電気信号を用いて第１の信号経路内のＲＦ段階入力光学信号を電気光学的に変調し、第１のＲＦ段階位相変調光学信号を生成するように、第１の光変調器を構成すること、
無線周波数電気信号を用いて第２の信号経路内のＲＦ段階入力光学信号を電気光学的に変調し、第２のＲＦ段階位相変調光学信号を生成するように、第２の光変調器を構成すること、並びに
第１のＲＦ段階位相変調光学信号及び第２のＲＦ段階位相変調光学信号を光学的に結合し、第１の信号経路及び第２の信号経路内の無線周波数電気信号の周波数を含む強度変調出力信号を生成するように、ＲＦ段階オプティカルカプラを構成すること
を含む方法。

条項１６−
第１の光学信号を生成するように第１のレーザを構成すること、
第２の光学信号を生成するように第２のレーザを構成すること、並びに
第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を含むＲＦ段階入力光学信号を生成するように、ＲＦ段階入力オプティカルカプラを構成すること
をさらに含む条項１５に記載の方法。

条項１７−
レーザ光学信号を生成するようにレーザを構成すること、並びに
レーザ光学信号を、第１の信号経路を介して第１の光変調器に、及び第２の信号経路を介して第２の光変調器に、それぞれ供給されるＲＦ段階入力光学信号に分割するように、光学スプリッタを構成すること
をさらに含む条項１５に記載の方法。

条項１８−
外部局部発振器信号を用いて第１の信号経路内のレーザ光学信号を電気光学的に位相変調し、第１の信号経路内に第１のＬＯ段階位相変調信号を生成するように、第３の光変調器を構成すること、
外部局部発振器信号を用いて第２の信号経路内のレーザ光学信号を電気光学的に位相変調し、第２の信号経路内に第２のＬＯ段階位相変調信号を生成するように、第４の光変調器を構成すること、並びに
第１のＬＯ段階位相変調信号及び第２のＬＯ段階位相変調信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路内に局部発振器信号を含むＲＦ段階入力光学信号を生成するように、ＬＯ段階オプティカルカプラを構成すること
をさらに含む条項１７に記載の方法。

条項１９−
強度変調出力信号を第１の強度光学信号として導くように第１の信号経路を構成すること、
強度変調出力信号を第２の強度光学信号として導くように第２の信号経路を構成すること、
第１の電気信号として第１の強度光学信号を光検出するように光検出器を構成すること、
第２の電気信号として第２の強度光学信号を光検出するように光検出器を構成すること、並びに
第１の電気信号及び第２の電気信号を合成して出力信号を生成するように、光検出器を構成すること
をさらに含む条項１５の方法。

条項２０−
外部局部発振器信号を用いて第１の信号経路内の強度変調出力信号を電気光学的に位相変調し、第１の信号経路内に第１のＬＯ段階位相変調信号を生成するように、第５の光変調器を構成すること、
外部局部発振器信号を用いて第２の信号経路内の強度変調出力信号を電気光学的に位相変調し、第２の信号経路内に第２のＬＯ段階位相変調信号を生成するように、第６の光変調器を構成すること、並びに
第１のＬＯ段階位相変調信号及び第２のＬＯ段階位相変調信号を光学的に結合して、第１の信号経路及び第２の信号経路内に、局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数の無線周波数を含む強度変調出力信号を生成するように、ＬＯ段階オプティカルカプラを構成すること
をさらに含む条項１５に記載の方法。

この発明の概要は、後述の詳細な説明においてさらに記載される一連の概念を簡単に紹介するものである。この発明の概要は、特許請求される主題の重要なフィーチャ又は基本となるフィーチャを特定することを意図したものでも、特許請求される主題の範囲を決定するために援用されることを意図したものでもない。

本発明の実施形態に対する理解は、添付図面と併せて後述の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することにより深めることができる。添付図面全体を通して、同様の参照番号は類似の要素を指している。図面は、本発明の幅、範囲、縮尺、又は実用性を限定することなく、本発明の理解を促すために提供されている。図面の縮尺は必ずしも正確でない。

本発明の一実施形態による電気光学ヘテロダインを備える広範囲チューニング可能な二重平衡フォトニック混合器を示している。 本発明の一実施形態による二波長平衡（光学／ＲＦ混合）を示している。 本発明の一実施形態による、フォトニックＲＦ発振器と一体化された二重平衡ブリッジ電気光学（ＥＯ）変調器を示している。 本発明の一実施形態による、方向性カプラに基づくマッハ−ツェンダー（ＭＺ）変調器及び光検出器と一体化されたデュアル細線レーザ設計を示している。 本発明の一実施形態による電気光学ヘテロダインのプロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による電気光学ヘテロダインのプロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による、一体型光電子発振器を有するフォトニックＲＦ混合器を示している。 本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。 本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。

本明細書に示す各図面は、提示される実施形態の一態様の一変形例を示しており、それらの差異についてのみ詳述する。

以下の詳細な説明は、例示的な性質を有し、本発明、又は本発明の実施形態の応用及び使用を限定することを意図していない。特定のデバイス、技術、及び用途の説明は、例として提供されているにすぎない。本明細書に記載された実施例に対する修正は、当業者には自明であり、ここに定義される一般的原理は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、他の実施例及び用途にも適用可能である。さらに、明示、暗示の区別なく、上述の技術分野、背景術、発明の概要、又は後述の詳細な説明に提示される理論により拘束されることは意図されていない。本発明は、特許請求の範囲と合致するものと理解されるべきであり、本明細書に記載され示される実施例に限定されない。

本発明の実施形態は、本明細書において、機能的及び／又は論理的ブロック構成要素及び様々な処理ステップの観点から記載される。このようなブロック構成要素は、特定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェア構成要素によって実現される。説明を簡潔にするために、ヘテロダイン、変調、及びシステムの他の機能的側面（並びにシステムの個々の動作構成要素）に関する従来技術及び構成要素については、本明細書では詳細に記載しない。

本発明の実施形態は、非限定的な一用途、すなわち、光電子ＲＦ混合器及び変換器の観点から記載される。しかしながら、本発明の実施形態は、このような用途に限定されず、本明細書に記載される技術は他の用途にも利用される。例えば、実施形態は、所与の用途又は環境に望ましい又は適切な形態で、光電子ＲＦ変調器、或いは他のいずれかの種類の特定用途又は汎用の光電子デバイスに適用可能である。

本明細書を読んだ当業者には明らかであるように、後述は、本発明の実施例及び実施形態であり、これらの実施例による動作に限定されない。他の実施形態が利用可能であり、本発明の例示的実施形態の範囲から逸脱することなく変更を加えることができる。

光電子発振器（ＯＥＯ）のような光素子は、超低位相雑音を提供するが、現行では独立型のユニットである。そのＲＦ出力は局部発振器（ＬＯ）として回路に基づく混合器に使用することができるが、適合する変圧器及び他の適合する回路により、回路に基づく混合器のＲＦ帯域幅はしばしば制限される。一方、ＯＥＯの光出力は、フォトニックドメイン内におけるＲＦ混合のために、特有の広帯域解決法を提供する。フォトニック混合は、光学経路内に電気光学変調器を導入してＲＦ信号を変調ポートに適用することにより達成される。個別デバイスの欠点は、結合損失に起因して挿入損失が高くなること、及び追加パッケージングのためにサイズが大きくなることである。

ＯＥＯチップとＲＦ変調器は同じ半導体チップ上に同じ材料から作製されているので、ＯＥＯとＲＦ変調器とを一体化することにより、効率が低くサイズが大きいという問題が解決する。

多くの場合、発振器の目的は、周波数変換のためのＬＯ源を提供することである。したがって、これは一体化された混合器を伴うＬＯの自然な拡張である。本明細書に記載の実施形態は、同じ半導体チップ上に一体化されたＯＥＯ及び混合器を備えることで、連続的な低損失信号干渉を提供し、且つ追加パッケージングを排除する。ＯＥＯと混合器を同じ半導体チップ上に一体化するいくつかの利点は、特に、小型化及び軽量化、効率上昇、並びに広帯域動作である。

本発明の実施形態は、ＲＦ発振器及び混合器という現行のＲＦシステムの二つの重要な機能を単一の光素子に一体化することで、デバイスの機能性を拡張し、デバイスを小型化且つ軽量化する。光電子発振器（ＯＥＯ）は、その超低位相雑音特性及び広帯域ＲＦ生成能により、有望なＲＦ源であった。本発明の実施形態は、ＯＥＯの光学信号経路に電気光学変調器を含むセクションを加える。すると、ＲＦ信号が電気光学変調器に印加される。ＯＥＯの出力は、局部発振器として機能し、ＲＦと混合して中間周波数信号を発生させ、これはさらに処理される。

図１は、本発明の一実施形態による、光学ヘテロダインを備える広範囲チューニング可能な二重平衡フォトニック混合器１００（フォトニック混合器１００）を示している。フォトニック混合器１００は、第１のレーザ１０２、第２のレーザ１０４、及び第１のオプティカルカプラ１０８を含むＬＯ段階と、第１の電気光学位相変調器１１０、第２の電気光学位相変調器１１２、及び第２のオプティカルカプラ１１８を含むＲＦ段階と、光検出器１２０とを備える。本明細書において、電気光学位相変調器、位相変調器、及び光学位相変調器は交換可能に使用される。

第１のレーザ１０２は、制御信号１０６により制御される第１の周波数ω_１を含む第１の光学信号１３０を生成する。第１のレーザ１０２は、限定しないが、シリコン、少なくとも一つのＩＩＩ族元素（国際純正応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）１３群）と少なくとも一つのＶ族元素（ＩＵＰＡＣ１５群）とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物、又は他の適切な材料といった半導体を含む。第１のレーザ１０２は、例えば限定しないが、約１００ＴＨｚ〜約５００ＴＨｚの第１の周波数ω_１の周波数範囲内、又は他の適切な動作範囲内で動作する。第１の光学信号１３０は、第１のレーザ１０２から第１の信号経路１３４／１２８中に放出される。本明細書では、信号経路、光学信号経路、及び光導波路信号経路は交換可能に使用される。

第２のレーザ１０４は、制御信号１０６により制御される第２の周波数ω_２を含む第２の光学信号１３２を生成する。第２のレーザ１０４は、限定しないが、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、又は他の適切な材料といった半導体を含む。第２のレーザ１０４は、例えば限定しないが、約１００ＴＨｚ〜約５００ＴＨｚの第２の周波数ω_２の周波数範囲内、又は他の適切な動作範囲内で動作する。第２の光学信号１３２は、第２のレーザ１０４から第２の信号経路１３６／１３８中に放出される。

第１の信号経路１３４／１２８は、光（例えば、第１の光学信号１３０）を、第１のレーザ１０２から第１のオプティカルカプラ１０８中へ、次いで第１の電気光学位相変調器１１０及び第２のオプティカルカプラ１１８を通って光検出器１２０へと伝送する光導波路を含む。

第２の信号経路１３６／１３８は、光（例えば、第２の光学信号１３２）を、第２のレーザ１０４から第１のオプティカルカプラ１０８中へ、次いで第２の電気光学位相変調器１１２及び第２のオプティカルカプラ１１８を通って光検出器１２０へと伝送する光導波路を含む。

第１のオプティカルカプラ１０８は、第１の光導波路信号経路１３４内の第１の光学信号１３０と、第２の光導波路１３６内の第２の光学信号１３２とを光学的に結合し、局部発振器（ＬＯ）光学信号１４０を生成するように構成される。ＬＯ光学信号１４０は、第１の光導波路信号経路１３４及び第２の光導波路１３６の両方に伝送され、ＬＯ周波数Δωを含む。ＬＯ周波数Δωは、｜ω_１−ω_２｜、すなわち第１の光学信号１３０の第１の周波数ω_１と第２の光学信号１３２の第２の周波数ω_２との差である。第１のレーザ１０２及び第２のレーザ１０４と組み合わせた第１のオプティカルカプラ１０８は、第１の周波数ω_１及び第２の周波数ω_２を制御することにより制御できる局部発振器機能を提供する。第１の周波数ω_１及び第２の周波数ω_２を制御することにより、ＬＯ周波数Δωは、例えば限定しないが、約０Ｈｚ〜１Ｈｚの広くチューニング可能な周波数範囲内、又は他の適切な周波数範囲内で動作させることができる。

第１の電気光学位相変調器１１０は、無線周波数電気信号１１６を用いて第１の光導波路信号経路１３４内のＬＯ光学信号１４０を電気光学的に変調し、第１の位相変調光学信号１４２を生成するように構成される。本発明の実施形態による光混合器の場合、無線周波数電気信号１１６は、例えば限定しないが、０Ｈｚ（ＤＣ）のベースバンド変調、又は他の適切なベースバンド変調を含む。０Ｈｚ信号を含む無線周波数電気信号１１６の場合、第１の位相変調光学信号１４２はＬＯ光学信号１４０を含み、この信号の周波数に変化はないが、例えば限定しないが、増幅されているか、位相シフトしているか、又は周波数の変化以外の他の変化を有している。いくつかの実施形態では、第１の電気光学位相変調器１１０は省略可能であり、ＬＯ光学信号１４０は変化せずに第２のオプティカルカプラ１１８に渡される。

第１の電気光学位相変調器１１０は、限定しないが、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、又は他の適切な材料といった半導体を含む。変調器は、低Ｖｐｉ位相変調器（電界吸収型（ＥＡ）でない）を含む。電界吸収型変調器（ＥＡＭ）は、電圧を介してレーザビームの強度を変調するために使用できる半導体装置である。その動作原理は、フランツ−ケルディッシュ効果、すなわち印加される電界によって生じ、バンドギャップエネルギー（すなわち吸収エッジのフォトンエネルギー）を変化させるが、通常は電界による担体の励起を伴わない吸収スペクトルの変化に基づいている。変調器技術の向上により、効率を上昇させることができる（駆動電圧又はＶｐｉの低下）。

マッハ−ツェンダー（ＭＺ）変調器の半波電圧、ＶΠ（又はＶｐｉ）は、通常、ＭＺ変調器の各枝路内の信号が同相である印加電圧と、それら信号のΠラジアン位相がずれている印加電圧との差に規定される。換言すれば、ＶΠは最大出力信号電力と最小出力信号電力との電圧差である。πの位相変化を引き起こすために必要な電圧を半波電圧（ＶΠ）と呼ぶ。ポッケルスセルの場合、半波電圧（ＶΠ）は数百ボルト、場合によっては数千ボルトでありうるので、高圧増幅器が必要になる。適切な電子回路は、このような大きな電圧を数ナノ秒内で変換することができ、高速光スイッチとしてＥＯＭを使用することを可能にする。一体型導波路変調器の場合、半波電圧（ＶΠ）は、限定しないが、１０ボルト未満である。

第２の電気光学位相変調器１１２は、無線周波数電気信号１１６を用いて第２の光導波路信号経路１３６内の局部発振器光学信号１４０を電気光学的に変調し、第２の位相変調光学信号１４４を生成するように構成される。無線周波数信号１１６が周波数ΩのＲＦ信号を含む場合、第２の位相変調光学信号１４４は、周波数Ωによって変調された局部発振器光学信号１４０を含む。

第２のオプティカルカプラ１１８は、第１の位相変調光学信号１４２及び第２の位相変調光学信号１４４を光学的に結合し、局部発振器信号１４０（ＲＦ段階入力光学信号１４０）の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号１１６のＲＦ周波数を含む強度変調信号１６０を生成するように構成される。第１の信号経路１３４は、強度変調信号１６０を第１の強度光学信号１４６として導くように構成され、第２の信号経路１３６は強度変調信号１６０を第２の強度光学信号１４８として導くように構成される。いくつかの実施形態では、光検出器１２０が相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路を含む場合、半サイクル位相遅延１２５が第２の光導波路信号経路１３８に加えられ、相信号を反転させて補型回路を駆動する。第１の強度光学信号１４６及び第２の強度光学信号１４８は、周波数Ωによって変調されたＬＯ光学信号１４０を含む。

光検出器１２０は、第１の電気信号１６２として第１の強度光学信号１４６を光検出し、第２の電気信号１６４として第２の強度光学信号１４８を光検出するように構成される。光検出器１２０は、例えば限定しないが、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、又は他の適切な材料といった半導体を含む。光検出器１２０は、例えば限定しないが、単一の光検出器、二重平衡光検出器、又は他の適切な光検出器を含む。

光検出器１２０は、第１の光検出器回路１２２及び第２の光検出器回路１２４を含む。第１の光検出器回路１２２は、第１の光導波路信号経路１２８から第１の強度光学信号１４６を受信して、第１の強度光学信号１４６を第１の電気信号１６２に変換する。第２の光検出器回路１２４は、第２の光導波路信号経路１３８から第２の強度光学信号１４８を受信して、第２の強度光学信号１４８を第２の電気信号１６４に変換する。第１の電気信号１６２と第２の電気信号１６４とが合成されて出力信号１５０が生成される。電気信号１５０（出力信号１５０）は、周波数Ωにより変調されたＬＯ光学信号１４０、すなわちΔω±Ωを含む。

フォトニックＲＦ混合器機能は、入力ＲＦ信号１１６と、第１のレーザ１０２の第１の光周波数ω_１及び第２のレーザ１０４の第２の光周波数ω_２の光ヘテロダインとの間の電気光学的相互作用により達成される。システム１００では、ω_１とω_２との間の差周波数Δωが同等の局部発振器信号１４０として働く。システム１００に電気的な局部発振器は適用されない。電気光学位相変調器１１０／１１２に対する一定の位相バイアスの調節により、周波数混合出力が最大化され、ＲＦ及び局部発振器周波数成分出力が最小化される。出力される中間周波数（ＩＦ）と、ＲＦ及びＬＯ間の高分離が達成される。

当業者であれば、本明細書に開示される実施形態に関連して記載される種々の例示的なブロック、モジュール、回路、及び処理論理が、ハードウェア、コンピュータで読込可能なソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの他の組み合わせにおいて実施されうることを理解するであろう。ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアのこのような互換性及び適合性を明確に説明するために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、及びステップを、概してそれらの機能性という観点から記載する。

いくつかの実施形態では、システム１００は、本明細書に記載されるそれぞれの動作に適した任意の数のレーザ、任意の数の光検出器、任意の数のオプティカルカプラ、任意の数の導波路、任意の数の光変調器、及び／又は任意の数の他のモジュールを含む。例示されるシステム１００は、説明を容易にするために単純な実施形態を示している。システム１００の上述の要素及びその他の要素は、相互接続されて、システム１００の種々の要素間の通信を可能にする。

このような機能性が、ハードウェアとして実施されるか、ファームウェアとして実施されるか、又はソフトウェアとして実施されるかは、全体のシステムに課される使用上及び設計上の特定の制約によって決まる。本明細書に記載の概念をよく知る者であれば、特定のアプリケーションの各々に適切な方式で、このような機能性を実施することができるが、そのような実装態様の意思決定は、本実施形態の範囲からの逸脱と解釈されるべきでない。

図２は、本発明の一実施形態による二波長平衡デバイス２００（光学／ＲＦ混合）を示している。ｆ_ＬＯ±ｎ＊ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}（ｎ＝１，２．．．は整数）の項のみが光学混合器２０２（局部発振器２０２）によって発生し、ｆ_ＬＯのそれよりも高次の高調波（高次スパーなし）は発生せず、よってさらにクリーンな出力が生成される（ここで、ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}はΩであり、ｆＬＯはΔωである）。二波長平衡デバイス２００は、例えば限定しないが、約０．１ＧＨｚ〜約１１０ＧＨｚのｆ_{ｓｉｇｎａｌ}又はｆ_ＬＯの周波数範囲で動作する。

図３は、本発明の一実施形態による、フォトニックＲＦ発振器／混合器と一体化された二重平衡ブリッジＥＯ変調器（システム３００）を示している。システム３００は、ＲＦ変調（ＲＦ）段階（１１０／１１２）から分離された変調（ＬＯ）段階３０６／３０８において局部発振器（ＬＯ）信号３０４（図１のΔω）に対して光学的混合を実行するオプティカルカプラ１０８を含むフォトニックＲＦ発振器を備える。システム３００の要素について、図１及び図７の説明と併せて説明する。図１に示し、図１に関連して説明するように、ＲＦ段階は、第１の電気光学位相変調器（例えば、電気光学位相変調器１１０）、第２の電気光学位相変調器（例えば、第２の電気光学位相変調器１１２）、第２のオプティカルカプラ１１８、及び図１において説明したＲＦ段階の他の要素を含む。ＬＯ段階は、第３の電気光学位相変調器３０６、第４の電気光学位相変調器３０８、第１のオプティカルカプラ１０８、及び他の要素を含む。いくつかの構成では、複数の段階を使用してもよい。

この構成では、第１の信号経路１２８は、レーザ３０２から光学信号３１０（レーザ光学信号３１０）のような光を第１の電気光学位相変調器１１０中に、次いで第２のオプティカルカプラ１１８、第３の電気光学位相変調器３０６及び第１のオプティカルカプラ１０８を通して光検出器１２０（図３の光検出器１２２及び１２４）へと伝達する光導波路を含む。第２の光学経路１３８は、レーザ３０２から光学信号３１０のような光を第２の電気光学位相変調器１１２中に、次いで第２のオプティカルカプラ１１８、第４の電気光学位相変調器３０８及び第１のオプティカルカプラ１０８を通して光検出器１２０（図３の光検出器１２２及び１２４）へと伝達する光導波路を含む。

このような構成では、レーザ３０２は、無線周波数電気信号１１６を用いて第１の電気光学位相変調器１１０及び第２の電気光学位相変調器１１２により位相変調された光学信号３１０を発生させるように構成される。図３に示すように、第２のオプティカルカプラ１１８は、第１の電気光学位相変調器１１０からの第１の位相変調光学信号１４２（図１）と、第２の電気光学位相変調器１１２からの第２の位相変調光学信号１４４（図１）とを光学的に結合し、強度変調信号１６０を生成するように構成される。このような構成では、強度変調信号１６０は、局部発振器（ＬＯ）信号３０４を用いて第３の電気光学位相変調器３０６及び第４の電気光学位相変調器３０８（例えば、第３の電気光学位相変調器３０６及び第４の電気光学位相変調器３０８は、共に局部発振器（ＬＯ）信号３０４により駆動される）により位相変調される。これにより、強度変調信号１６０は、局部発振器光学信号１４０の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号１１６のＲＦ周波数を含む。線形システムでは、ＲＦ変調（ＲＦ段階）及びＬＯ変調（ＬＯ段階）は、どのような順序で行われてもよく、いずれの順序でも結果はほぼ同じである。

自己発生ＲＦ源であるシステム３００は、例えば限定しないが、固定の又はチューニング可能な発振周波数を含む電気光学発振器（ＯＥＯ）を備える。このようにして、システム３００（フォトニックＲＦ混合器３００）の出力におけるＲＦ及びＬＯ周波数は、バイアス位相調節により最小化される。ＬＯ発生は、ＲＦシンセサイザを用いることなく、例えば限定しないがＭＨｚからＴＨｚの範囲内でチューニングし、Ｋバンドを含む高周波数からＷバンド周波数に変換することができる。

例えば限定しないが、ＬＯ変調器出力及びＲＦ変調器出力の両方に平衡ブリッジ出力を形成するオプティカルカプラ１０８／１１８のような、単一モード又は多重モード干渉オプティカルカプラを使用するために、ＬＯ信号３０４及び入力ＲＦ信号１１６（ＲＦ信号１１６）がさらに構造化されることにより、変調器バイアス調節によって、出力される中間周波数（ＩＦ）信号１５０のＬＯ及びＲＦ周波数成分が低減し、平衡検波器を用いる出力中間周波数（ＩＦ）信号１５０における同相雑音が低減し、平衡検波器を用いる出力中間周波数（ＩＦ）信号１５０における変換利得が増大する。

二重平衡ブリッジ電気光学位相変調器１１０／１１２（電気光学位相変調器１１０／１１２）、二つの平衡光検出器回路１２２／１２４からなる組を含む光検出器１２０、及びレーザ３０２（図１の１０２／１０４）は、別個の構成要素に構成されても、単一の半導体基板に一体化されてもよい。

図４は、本発明の一実施形態による、方向性カプラに基づくＭＺ変調器及び光検出器（システム４００）と一体化されたデュアル細線レーザ設計を示している。システム４００は、デュアル細線レーザエリア４０２、チューニング信号４０４、制御ループ４０６、及び図１の説明において説明した要素を含む。ＤＣバイアス１１４又は熱バイアス法は、電気信号１５０のような出力される中間周波数（ＩＦ）信号におけるＬＯ信号（Δω）及びＲＦ信号（Ω）を最小化する。第１のレーザ１０２及び第２のレーザ１０４は、それぞれフリーランニングであるか、又は基準信号にロックされている。

第１のレーザ１０２及び第２のレーザ１０４の一方又は両方のチューニングは、電流、又は温度によって実行され、無線周波数シンセサイザを用いることなく、例えば限定しないが、ＭＨｚ〜ＴＨｚの範囲にわたり、ＫバンドからＷバンドを含む高周波数をカバーするＬＯ信号を発生させる。制御ループ４０６は、チューニング信号４０４及びＬＯ信号（Δω）及びＲＦ信号（Ω）に基づいて周波数ロック信号４０８及びＤＣバイアス１１４を制御する。チューニング信号４０４は、基準信号と、光学信号経路１３４及び１３６内のレーザビームの光学ヘテロダインとの比較により取得される。光学ヘテロダインは、例えば限定しないが、信号経路１３４、１３６から光学信号をタッピングして、光検出器において合成すること、又は第１のカプラの後で光学信号を直接タッピングすること（例えば、図７のタップ信号７７８）を含む任意の数のアプローチにより達成することができる。

検出器１２０は、出力光から離れた位置に、単一の光検出器、又は二つの平衡光検出器（例えば、１２２及び１２４）からなる組を備え、複数の光ファイバ又は光学撮像システムを介して二つの平衡光検出器の組に出力光が送達することができる。

図５は、本発明の一実施形態による電気光学ヘテロダイン法のプロセス５００を示す例示的フロー図である。プロセス５００に関連して実行される種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、プロセス方法を実行するためのコンピュータで実行可能な命令を有するコンピュータで読込可能な媒体、又はそれらの何らかの組み合わせにより実行される。プロセス５００は、任意の数の追加タスク又は別タスクを含んでもよく、図５に示されるタスクは必ずしも図示の順序で実行されなくともよく、プロセス５００は、本明細書に記載しない追加の機能性を有するもっと包括的な手続き又はプロセスに組み込まれてもよい。いくつかの実施形態では、プロセス５００の各部分は、異なる要素、すなわち、第１のレーザ１０２、第２のレーザ１０４、第１のオプティカルカプラ１０８、第１の電気光学位相変調器１１０、第２の電気光学位相変調器１１２、第２のオプティカルカプラ１１８、光検出器１２０などにより実行されうる。プロセス５００は、図１〜４及び７に示す実施形態に類似の機能、材料、及び構造を有している。したがって、共通のフィーチャ、機能、及び要素についてはここでは繰り返さない。

プロセス５００は、第１のレーザ（例えば、第１のレーザ１０２）を制御して第１の光学信号（例えば、第１の光学信号１３０）を生成することにより開始される（タスク５０２）。

プロセス５００では、続いて、第２のレーザ（例えば、第２のレーザ１０４）を制御して第２の光学信号１３２を生成する（タスク５０４）。

プロセス５００では、続いて、第１の光学信号１３０と第２の光学信号１３２とを光学的に結合し、第１の信号経路（例えば、第１の信号経路１３４／１２８）及び第２の信号経路（例えば、第２の信号経路１３６／１３８）からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号（例えば、局部発振器信号１４０）を生成する（タスク５０６）。

プロセス５００では、続いて、無線周波数電気信号（例えば、無線周波数電気信号１１６）を用いて、第１の信号経路１３４／１２８及び第２の信号経路１３６／１３８内の局部発振器光学信号１４０を電気光学的に位相変調し、第１の位相変調光学信号（例えば、第１の位相変調光学信号１４２）及び第２の位相変調光学信号（例えば、第２の位相変調光学信号１４４）をそれぞれ生成する（タスク５０８）。

プロセス５００では、続いて、第１の位相変調光学信号１４２及び第２の位相変調光学信号１４４を光学的に結合し、局部発振器光学信号１４０の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号１１６のＲＦ周波数を含む強度変調信号（例えば、強度変調信号１６０）を生成する（タスク５１０）。

プロセス５００では、続いて、第１の信号経路１３４／１２８内に第１の強度光学信号（例えば、第１の強度光学信号１４６）として、及び第２の信号経路１３６／１３８内に第２の強度光学信号（例えば、第２の強度光学信号１４８）として、強度変調信号１６０を生成する（タスク５１２）。

プロセス５００では、続いて、第１の電気信号（例えば、第１の電気信号１６２）として第１の強度光学信号１４６を光検出する（タスク５１４）。

プロセス５００では、続いて、第２の電気信号（例えば、第２の電気信号１６４）として第２の強度光学信号１４８を光検出する（タスク５１６）。

プロセス５００では、続いて、第１の電気信号１６２と第２の電気信号１６４とを合成して出力信号（例えば、出力信号１５０）を生成する（タスク５１８）。

プロセス５００では、続いて、第１の電気信号１６２及び第２の電気信号１６４の同相を除去して出力信号１５０を生成する（タスク５２０）。

プロセス５００では、続いて、第１のレーザ１０２及び第２のレーザ１０４の一方又両方を、制御信号１０６又は周波数ロック信号４０８（図４）のような電流によりチューニングする（タスク５２２）。

プロセス５００では、続いて、無線周波数シンセサイザを用いずに一定範囲の周波数にわたって局部発振器信号１４０を発生させる（タスク５２４）。

プロセス５００では、続いて、レーザ（例えば、レーザ３０２（例として、図３及び７））を制御して光学信号（例えば、光学信号３１０（（例として、図３及び７））を生成する（タスク５２６）。

プロセス５００では、続いて、外部信号（例えば、外部局部発振器信号３０４（例として、図３及び７））を用いて光学信号３１０を光電子光学的に変調し、第１の光学信号１３０及び第２の光学信号１３２を生成する（タスク５２８）。外部局部発振器信号３０４は、図７に示すように発生する。

プロセス５００では、続いて、第１の光学信号１３０及び第２の光学信号１３２のヘテロダインにより局部発振器光学信号１４０を発生させる（タスク５３０）。

プロセス５００では、続いて、出力信号１５０の局部発振器信号１４０及び無線周波数電気信号１６０の信号漏れを最小化する（タスク５３２）。

図６は、本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセスを示す例示的フロー図である。プロセス６００に関連して実行される種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、プロセス方法を実行するためのコンピュータで実行可能な命令を有するコンピュータで読込可能な媒体、又はそれらの何らかの組み合わせにより実行される。プロセス６００は、任意の数の追加タスク又は別タスクを含んでもよく、図６に示されるタスクは必ずしも図示の順序で実行されなくともよく、プロセス６００は、本明細書に記載しない追加の機能性を有するもっと包括的な手続き又はプロセスに組み込まれてもよい。いくつかの実施形態では、プロセス６００の各部分は、異なる要素、すなわち、第１のレーザ１０２、第２のレーザ１０４、第１のオプティカルカプラ１０８、第１の電気光学位相変調器１１０、第２の電気光学位相変調器１１２、第３の電気光学位相変調器３０６、第４の電気光学位相変調器３０８、外部局部発振器信号３０４、第２のオプティカルカプラ１１８、光検出器１２０などにより実行されうる。プロセス６００は、図１〜４、及び７に示す実施形態と同様の機能、材料、及び構造を有している。したがって、共通のフィーチャ、機能、及び要素についてはここでは繰り返さない。

プロセス６００は、第１の光学信号（例えば、第１の光学信号１３０／７１２）を生成するように第１のレーザ（例えば、第１のレーザ１０２）を構成することにより開始される（タスク６０２）。

プロセス６００では、続いて、第２の光学信号（例えば、第２の光学信号１３２／７１４）を生成するように第２のレーザ（例えば、第２のレーザ１０４）を構成する（タスク６０４）。

プロセス６００では、続いて、第１の光学信号１３０及び第２の光学信号１３２を光学的に結合して、第１の信号経路（例えば、第１の信号経路１３４／１２８及び第２の信号経路（例えば第２の信号経路１３６／１３８）からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を含むＲＦ段階入力光学信号（例えば、ＬＯ光学信号１４０、及び／又はＲＦ段階入力光学信号７２２／７２４、図７）を生成するように、ＲＦ段階入力オプティカルカプラ（例えば、第１のオプティカルカプラ１０８）を構成する（タスク６０６）。

プロセス６００では、続いて、無線周波数電気信号（例えば、無線周波数電気信号１１６）を用いて第１の信号経路１２８内のＲＦ段階入力光学信号１４０／７２２を電気光学的に変調し、第１のＲＦ段階位相変調光学信号（例えば、位相変調光学信号１４２、図１）を生成するように、第１の光変調器（例えば、第１の光変調器１１０）を構成する（タスク６０８）。

プロセス６００では、続いて、無線周波数電気信号１１６を用いて第２の信号経路１３８内のＲＦ段階入力光学信号１４０／７２４を電気光学的に変調し、第２のＲＦ段階位相変調光学信号（例えば、位相変調光学信号１４４、図１）を生成するように、第２の光変調器（例えば、第２の光変調器１１２）を構成する（タスク６１０）。

プロセス６００では、続いて、第１のＲＦ段階位相変調光学信号１４２及び第２のＲＦ段階位相変調光学信号１４４を光学的に結合し、第１の信号経路１２８／１３４及び第２の信号経路１３８／１３６内の無線周波数電気信号１１６の周波数を含む強度変調出力信号（例えば、強度変調出力信号１６０／７７０）を生成するように、ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８を構成する（タスク６１２）。

プロセス６００では、続いて、第１の強度光学信号（例えば、第１の強度光学信号１４６／７４６）として強度変調信号１６０／７７０を導くように、第１の信号経路１２８／１３４を構成する（タスク６１４）。

プロセス６００では、続いて、第２の強度光学信号（例えば、第２の強度光学信号１４８／７５０）として強度変調信号１６０／７７０を導くように、第２の信号経路１３８／１３６を構成する（タスク６１６）。

プロセス６００では、続いて、第１の電気信号（例えば、第１の電気信号１６２）として第１の強度光学信号１４６／７４６を光検出するように、光検出器（例えば、光検出器１２０／１２２）を構成する（タスク６１８）。

プロセス６００では、続いて、第２の電気信号（例えば、第２の電気信号１６４）として第２の強度光学信号１４８／７５０を光検出するように、光検出器１２０／１２４を構成する（タスク６２０）。

プロセス６００では、続いて、第１の電気信号１６２と第２の電気信号１６４とを合成して出力信号（例えば、出力信号１５０）を生成するように、光検出器１２０を構成する（タスク６２２）。

プロセス６００では、続いて、第１の電気信号１６２及び第２の電気信号１６４の同相を除去して出力信号１５０を生成するように、光検出器１２０を構成する（タスク６２４）。

プロセス６００では、続いて、光学信号（例えば、光学信号３１０）を生成するように、レーザ（例えば、レーザ３０２）を構成する（タスク６２６）。

プロセス６００では、続いて、外部局部発振器信号（例えば、外部局部発振器信号３０４）を用いて光学信号３１０を電気光学的に変調し、第１の光学信号１３０／７１２及び第２の光学信号１３２／７１４を生成するように、第３及び第４の光変調器（例えば、第３及び第４の光変調器３０６／３０８）を構成する（タスク６２８）。

図７は、本発明の一実施形態による、一体型光電子発振器７００（システム７００）を有するフォトニックＲＦ混合器を示している。システム７００の要素のいくつかについて、図１及び図３の説明と併せて説明する。システム７００は、第１の信号経路７１２／１３４／１２８を通って電気光学位相変調器３０６へ、及び第２の信号経路７１４／１３６／１３８を通って電気光学位相変調器３０８へそれぞれ向かう強度の等しい二つのビーム７１２及び７１４を介して供給されるＲＦ段階入力光学信号７２２／７２４へと、光学信号３１０を分割する光学スプリッタ７０８を備えている。図１及び３に示し、図１及び３に関して説明したように、ＲＦ段階は、第１の電気光学位相変調器１１０、第２の電気光学位相変調器１１２、第２のオプティカルカプラ１１８、及び図１において説明したＲＦ段階の他の要素を含む。ＬＯ段階は、第３の電気光学位相変調器３０６、第４の電気光学位相変調器３０８、第１のオプティカルカプラ１０８、及び他の要素を含む。いくつかの構成では、複数の段階が使用される。

このような構成では、第１の信号経路７１２／１３４／１２８は、光（例えば、光学信号３１０）を、レーザ３０２から第３の電気光学位相変調器３０６中へ、次いで第１のオプティカルカプラ１０８、第１の電気光学位相変調器１１０、及び第２のオプティカルカプラ１１８を通って光検出器１２０へと伝送する光導波路を含む。第２の信号経路７１４／１３６／１３８は、光（例えば、光学信号３１０）を、レーザ３０２から第４の電気光学位相変調器３０８中へ、次いで第１のオプティカルカプラ１０８、第２の電気光学位相変調器１１２、及び第２のオプティカルカプラ１１８を通って光検出器１２０へと伝送する光導波路を含む。

ＲＦ段階入力光学信号７１２／７２２／７１４／７２４は、二つの第１の電気光学位相変調器３０６／３０８をそれぞれ通って伝搬し、外部光電子発振器７７４が発生させる外部局部発振器（ＬＯ）信号３０４によって変調される。このようにして、電気光学位相変調器３０６は、外部局部発振器信号３０４を用いて第１の信号経路１３４内のレーザ光学信号３１０を電気光学的に位相変調し、第１の信号経路１３４内に第１のＬＯ段階位相変調信号７１６を生成する。同様に、電気光学位相変調器３０８は、外部局部発振器信号３０４を用いて第２の信号経路１３６内のレーザ光学信号３１０を電気光学的に位相変調し、第２の信号経路１３６内に第２のＬＯ段階位相変調信号７１８を生成する。

第１のＬＯ段階位相変調光学信号７１６及び第２のＬＯ段階位相変調光学信号７１８（二つの変調ビーム７１６及び７１８）は、第１段階電気光学位相変調器３０６／３０８の端部に一体化された（２×２の）ＬＯ段階オプティカルカプラ１０８によって合成されて、二つの第１段階変調ビーム７２２及び７２４（ＲＦ段階入力光学信号７２２及び７２４）を生成する。

第１の（２×２）ＬＯオプティカルカプラ１０８からのＲＦ段階入力光学信号７２２及び７２４は、二つの第２段階電気光学位相変調器１１０／１１２の入力に結合される。ＲＦ段階入力光学信号７２２及び７２４は、第２段階電気光学位相変調器１１０／１１２（光変調器１１０／１１２）に印加される入力ＲＦ信号１１６によって変調される。このようにして、ＬＯ段階オプティカルカプラ１０８は、第１のＬＯ段階位相変調光学信号７１６と第２のＬＯ段階位相変調光学信号７１８を光学的に結合して、第１の信号経路１３４及び第２の信号経路１３６内に外部局部発振器信号３０４を含むＲＦ段階入力光学信号７２２／７２４を生成する。外部局部発振器信号３０４は、ＲＦ段階の外側にあるが、例えば限定しないが、一体型のシステム、回路、又は基板（図７に例示的に示す）内に発生させることができる。

第１の光変調器１１０は、無線周波数電気信号１１６を用いて第１の信号経路１２８内のＲＦ段階入力光学信号７２２を電気光学的に変調し、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２を生成する。第２の光変調器１１２は、無線周波数電気信号１１６を用いて第２の信号経路１３８内のＲＦ段階入力光学信号７２４を電気光学的に変調し、第２のＲＦ段階位相変調光学信号７３４を生成する。

第２段階変調ビーム７３２及び７３４（ＲＦ段階位相変調光学信号７３２及び７３４）は、二つの（１×２）オプティカルカプラ１１８（ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８）により四つのポートに分割される。（１×２）オプティカルカプラ１１８の一つのポート、又は各（１×２）ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８の一つのポートは、一又は複数のＱ係数の高い光共振器フィルタ７３６（光学フィルタ７３６）に外部局部発振器信号３０４のフィードバック入力として送られ、各（１×２）ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８の他の二つのポートは、ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８によって合成されて第１の信号経路１２８及び第２の信号経路１３８から出力される。

ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８は、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２及び第２のＲＦ段階位相変調光学信号７３４を光学的に結合し、第１の信号経路１２８及び第２の信号経路１３８内の無線周波数電気信号１１６の周波数を含む強度変調光学信号７７０を生成する。これにより、強度変調出力信号７７０は、外部局部発振器信号３０４の局部発振器周波数と混合された無線周波数電気信号１１６のＲＦ周波数を含む。

第１の信号経路１２８は、強度変調信号７７０を第１の強度光学信号７４６として導き、第２の信号経路１３８は強度変調信号７７０を第２の強度光学信号７５０として導く。

光検出器１２２は、第１の電気信号１６２として第１の強度光学信号７４６を光検出し、第２の電気信号１６４として第２の強度光学信号７５０を光検出する。光検出器１２０は、第１の電気信号１６２及び第２の電気信号１６４を合成して出力信号７７２を生成する。光検出器１２２は、第１の電気信号１６２と第２の電気信号１６４の同相を除去して出力信号７７２を生成する。

外部局部発振器信号３０４は、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２又は第２のＲｆ段階位相変調光学信号７３４をノード７７６においてテーピングオフ（ｔａｐｉｎｇ ｏｆｆ）することにより発生し、タップ（ｔａｐｐｅｄ）信号７７８を生成してこのタップ信号７７８をフィードバック光電子発振器ループ７８０に送る。

ＲＦバイアス制御７８２は、光変調器３０６／３０８／１１０／１１２を調節することにより無線周波数電気信号１１６及び局部発振器信号３０４の漏れを最小化して出力信号７７２を最適化するために使用される。

光電子発振器７７４は、外部周波数シンセサイザを用いることなく、所望の局部発振器周波数を発生させるようにチューニングされる。

システム７００は、光電子発振器３４０と二重平衡フォトニック混合器との一体化を可能にする。フィードバック光学信号７８４は、高Ｑ係数ＲＦフィルタ７８６によりフィルタリングされ、光検出器７６０により受け取られる。光検出器７６０の出力７６２は、ＲＦ増幅器７６４によって増幅されてフィードバック光電子発振器を形成する。

したがって、フォトニックＲＦ混合器は二つの機能を一つのパッケージに統合する。周波数混合に必要なＬＯ信号は、外部のＬＯ源からではなく、システム７００自体により発生する。ＬＯ周波数は、フィードバックループ内において光学及びＲＦフィルタにより選択される。超低位相雑音ＲＦ信号の発生が光電子発振器７７４において実現する。フィードバック光電子発振器ループ７８０内の光学フィルタ７３６は、例えば限定しないが、高Ｑ係数マイクロリング共振器、ささやきの回廊（ｗｉｓｐｅｒ−ｇａｌｌａｒｙ）モードの共振器、一体型光導波路遅延線、外部繊維コイル遅延線、又は他の狭帯域幅高Ｑ係数光周波数選択的デバイスとすることができる。

図８は、本発明の一実施形態による電気光学変調器の生産プロセス８００を示す例示的フロー図である。
プロセス８００に関連して実行される種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、プロセス方法を実行するためのコンピュータで実行可能な命令を有するコンピュータで読込可能な媒体、又はそれらの何らかの組み合わせにより実行される。プロセス８００は、任意の数の追加タスク又は別タスクを含んでもよく、図８に示されるタスクは必ずしも図示の順序で実行されなくともよく、プロセス８００は、本明細書に詳細に記載しない追加の機能性を有するもっと包括的な手続き又はプロセスに組み込まれてもよい。いくつかの実施形態では、プロセス６００の各部分は、異なる要素、すなわち、レーザ３０２、外部局部発振器信号３０４、電気光学位相変調器３０６、電気光学位相変調器３０８、電気光学位相変調器１１０、電気光学位相変調器１１２などにより実行されうる。プロセス８００は、図１〜４及び７に示す実施形態と同様の機能、材料、及び構造を有しうる。したがって、共通のフィーチャ、機能、及び要素についてはここでは繰り返さない。

プロセス８００は、レーザ光学信号（例えば、レーザ光学信号３１０）を生成するようにレーザ（例えば、レーザ３０２（例として、図３及び７））を構成することにより開始される（タスク８０２）。

プロセス８００では、続いて、第１の信号経路（例えば、第１の信号経路１３４）を介して第３の光学位相変調器（例えば、光学位相変調器３０６）へ、及び第２の信号経路（例えば第２の信号経路１３６）を介して第４の光学位相変調器（例えば、光学位相変調器３０８）へ、それぞれ供給されるＲＦ段階入力光学信号（例えば、ＲＦ段階入力光学信号１４０／７１２／７１４／７２２／７２４（例として、及び、図３に適用した場合））に、レーザ光学信号３１０を分割するように光学スプリッタ（例えば、光学スプリッタ７０８（例として、図７、及び図３に図７を適用した場合））を構成する（タスク８０４）。

プロセス８００では、続いて、外部局部発振器信号（例えば、外部局部発振器信号３０４）を用いて第１の信号経路１３４内のレーザ光学信号３１０を電気光学的に位相変調し、第１の信号経路１３４内に第１のＬＯ段階位相変調信号（例えば、第１のＬＯ段階位相変調信号７１６）を生成するように、第３の光変調器３０６（例として、図７）を構成する（タスク８０６）。

プロセス８００では、続いて、外部局部発振器信号３０４を用いて第２の信号経路１３６内のレーザ光学信号３１０を電気光学的に位相変調し、第２の信号経路１３６内に第２のＬＯ段階位相変調信号７１８を生成するように、第４の光変調器３０８（例として、図７）を構成する（タスク８０８）。

プロセス８００では、続いて、第１のＬＯ段階位相変調光学信号７１６と第２のＬＯ段階位相変調光学信号７１８を光学的に結合して、第１の信号経路１３４及び第２の信号経路１３６内に、それぞれ局部発振器信号３０４を含むＲＦ段階入力光学信号（例えば、ＲＦ段階入力光学信号７２２／７２４）を生成するように、ＬＯ段階オプティカルカプラ（例えば、ＬＯ段階オプティカルカプラ１０８（例として、図７））を構成する（タスク８１０）。

プロセス８００では、続いて、無線周波数電気信号（例えば、無線周波数電気信号１１６）を用いて第１の信号経路１２８／１３４内のＲＦ段階入力光学信号７２２を電気光学的に変調し、第１のＲＦ段階位相変調光学信号（例えば、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２）を生成するように、第１の光変調器（例えば、光変調器１１０（図１、３、及び７）を構成する（タスク８１２）。

プロセス８００では、続いて、無線周波数電気信号１１６を用いて第２の信号経路１３６／１３８内のＲＦ段階入力光学信号７２４を電気光学的に変調し、第２のＲＦ段階位相変調光学信号（例えば、第２のＲＦ段階位相変調光学信号７３４）を生成するように、第２の光変調器（例えば、光変調器１１２（図１、３、及び７）を構成する（タスク８１４）。

プロセス８００では、続いて、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２及び第２のＲＦ段階位相変調光学信号７３４を光学的に結合し、第１の信号経路１２８及び第２の信号経路１３８内に無線周波数電気信号１１６の周波数を含む強度変調出力信号（例えば、強度変調出力信号１６０／７７０）を生成するように、ＲＦ段階オプティカルカプラ（例えば、ＲＦ段階オプティカルカプラ１１８（図１、３、及び７）を構成する（タスク８１６）。

プロセス８００では、続いて、外部局部発振器信号３０４を用いて第１の信号経路１２８／１３４内の強度変調出力信号１６０／７７０を電気光学的に位相変調し、第１の信号経路１２８／１３４内に第１のＬＯ段階位相変調信号を生成するように（例えば、図７に示す第１のＬＯ段階位相変調信号７１６と同様に）、（第５の）光変調器（例えば、光変調器３０６（例として、図３））を構成する（タスク８１８）。

プロセス８００では、続いて、外部局部発振器信号３０４を用いて第２の信号経路１３８／１３６内の強度変調出力信号１６０／７７０を電気光学的に位相変調し、第２の信号経路１３８／１３６内に第２のＬＯ段階位相変調信号を生成するように（例えば、図７に示す第２のＬＯ段階位相変調信号７１８と同様に）、（第６の）光変調器（例えば、光変調器３０８（例として、図３））を構成する（タスク８２０）。

プロセス８００では、続いて、第１のＬＯ段階位相変調光学信号（例えば、図７に示す第１のＬＯ段階位相変調信号７１６と同様）と、第２のＬＯ段階位相変調光学信号（例えば、図７に示す第２のＬＯ段階位相変調信号７１８と同様）とを光結合し、局部発振器信号１６０の局部発振器周波数が混合した無線周波数電気信号周波数（例えば、無線周波数信号１１６）の無線周波数を含む第１の信号経路１２８／１３６及び第２の信号経路１３８／１３６内の強度変調出力信号１６０／７７０を生成するように、ＬＯ段階オプティカルカプラ（例えば、第１のオプティカルカプラ１０８（図３））を構成する（タスク８２２）。

プロセス８００では、続いて、第１の強度光学信号（例えば、第１の強度光学信号７４６）として強度変調信号７７０を導くように、第１の信号経路１２８を構成する（タスク８２４）。

プロセス８００では、続いて、第２の強度光学信号（例えば、第２の強度光学信号７５０）として強度変調信号７７０を導くように、第２の信号経路１３８を構成する（タスク８２６）。

プロセス８００では、続いて、第１の電気信号（例えば、第１の電気信号１６２）として第１の強度光学信号７４６を光検出するように、光検出器１２２（例えば、光検出器１２２）を構成する（タスク８２８）。

プロセス８００では、続いて、第２の電気信号（例えば、第２の電気信号１６４）として第２の強度光学信号７５０を光検出するように、光検出器１２２を構成する（タスク８３０）。

プロセス８００では、続いて、第１の電気信号１６２と第２の電気信号１６４とを合成して出力信号（例えば、出力信号７７２）を生成するように、光検出器１２２を構成する（タスク８３２）。

プロセス８００では、続いて、第１の電気信号１６２及び第２の電気信号１６４の同相を除去して出力信号７７２を生成するように、光検出器１２２を構成する（タスク８３４）。

プロセス８００では、続いて、第１のＲＦ段階位相変調光学信号７３２又は第２のＲＦ段階位相変調光学信号７３４をノード（例えば、ノード７７６）においてテーピングオフ（ｔａｐｉｎｇ ｏｆｆ）することにより局部発振器信号３０４を発生させ、タップ（ｔａｐｐｅｄ）信号（例えば、タップ信号７７８）を生成してこのタップ信号７７８をフィードバック光電子発振器ループ（例えば、フィードバック光電子発振器ループ７８０）に送る（タスク８３６）。

プロセス８００では、続いて、光学位相変調器３０６／３０８／１１０／１１２のバイアスを調節することにより無線周波数電気信号１１６及び局部発振器信号３０４の漏れを最小化して出力信号７７２を最適化するように、ＲＦバイアス制御７８２を構成する（タスク８３８）。

プロセス８００では、続いて、外部周波数シンセサイザを用いずに所望の局部発振器周波数を発生させるよう、光電子発振器７７４をチューニングする（タスク８４０）。

このようにして、本明細書の実施形態により、電気光学周波数変換及び混合のためのシステムと方法とが提供される。

上記に少なくとも一つの例示的実施形態を提示したが、無数の変形例が存在することを理解されたい。また、本明細書に記載される一又は複数の例示的実施形態は、いかなる意味でも主題の範囲、適用性、又は構成を限定するものではない。そうではなく、上述の詳細な記載は、当業者に対し、記載された一又は複数の実施形態を実施するための便利な道路地図を提供するものである。請求の範囲に定義される範囲から逸脱することなく、要素の機能及び構成には種々の変更が可能であり、それには既知の等価物及び本特許出願の時点で予見可能な等価物が含まれることを理解されたい。

本明細書において使用される「モジュール」という用語は、本明細書に記載される関連機能を実行するための、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、及びこれらの要素のいずれかの組み合わせを指す。加えて、説明のために、種々のモジュールを、個別のモジュールとして記載したが、当業者であれば分かるように、二つ以上のモジュールを組み合わせて、本発明の実施形態による関連機能を実行する単一のモジュールを形成してもよい。

上述では、「接続」又は「結合」されている要素、ノード、又はフィーチャに言及している。本明細書で使用される場合、別途明確な記載がない限り、「接続された」とは、必ずしも機械的にというわけではなく、一つの要素／ノード／フィーチャが別の要素／ノード／フィーチャに直接接合されている（又は直接連絡している）ことを意味する。同様に、別途明確な記載がない限り、「結合された」とは、必ずしも機械的にというわけではなく、一つの要素／ノード／フィーチャが別の要素／ノード／フィーチャに直接又は間接的に接合されている（或いは、直接又は間接的に連絡している）ことを意味する。このように、図１〜４及び７では要素の例示的な構成を示したが、本発明の一実施形態において、追加的な仲介要素、デバイス、フィーチャ、又は構成要素が存在してもよい。

本明細書で使用される用語及び表現、並びにそれらの変化形は、別途明確な記載がない限り、限定的なものではなく、変更可能なものである。その例として、「含む」という表現は、「限定せずに含む」などを意味するものと理解することができ、「例」は、説明されるアイテムの事例を提供するために使用されているのであり、その排他的又は限定的なリストではない。「従来の」、「常套的な」、「通常の」、「標準の」、「既知の」、及び同様の意味を有する表現は、記載されているアイテムを、所定の時期に限定しているわけでも、ある時期に入手可能であるアイテムに限定しているわけでもなく、現在又は未来のいずれかの時期における従来技術、常套的技術、通常の技術、又は標準的技術と理解すべきである。

同様に、接続詞「及び」によりリンクされた一組のアイテムは、それらアイテムの各々すべてがグループ内に存在することが必ずしも必要という意味ではなく、別途明確な記載がない限り、「及び／又は」と同義である。同様に、接続詞「又は」によりリンクされた一組のアイテムは、グループの中で必ずしも互いに排他的であるわけではなく、別途明確な記載がない限り、やはり「及び／又は」と同義である。

さらに、本発明のアイテム、要素、又は構成要素が単一形で記載又は特許請求されているかもしれないが、単一形に限定されることが明確に記載されていない限り、本発明の範囲内で複数形も考慮される。一部の事例における「一又は複数の」、「少なくとも」、「限定されないが」などの広義的な用語及び表現の存在は、そのような広義的な表現がない場合に範囲を狭めることを意図している又は範囲を狭めることが必要であると解釈されるべきでない。数字により表現される値又は範囲に言及して「約」という場合、測定時に起こりうる実験誤差により生じる値を包含することを意図している。

本明細書で使用される場合、別途明確な記載がない限り、「動作可能」とは、使用又はサービスに使用可能、適合、又は準備可能であり、特定用途に使用可能であり、且つ本明細に記載の機能又は所望の機能を実行できることを意味する。システム及びデバイスに関して、「動作可能」という表現は、システム及び／又はデバイスが完全に機能的且つ較正済みであって、起動されると記載の機能を実行するための、適用可能な実施可能要件のための要素を含み、そのような実施可能要件を満たすことを意味する。システム及び回路に関して、「動作可能」という表現は、システム及び／又は回路が完全に機能的且つ較正済みであって、起動されると記載の機能を実行するための、適用可能な実施可能要件のロジックを含み、そのような実施可能要件を満たすことを意味する。

１００ フォトニック混合器
１０２ 第１のレーザ
１０４ 第２のレーザ
１０６ 制御信号
１０８ 第１のオプティカルカプラ
１１０ 第１の電機光学位相変調器
１１２ 第２の電機光学位相変調器
１１４ ＤＣバイアス
１１６ 無線周波数電気信号
１１８ 第２のオプティカルカプラ
１２０ 光検出器
１２２ 第１の光検出器回路
１２４ 第２の光検出器回路
１２８、１３４ 第1の信号経路
１３０ 第１の光学信号
１３２ 第２の光学信号
１３６、１３８ 第２の信号経路
１４０ 局部発振器（ＬＯ）光学信号
１４２ 第１の位相変調光学信号
１４４ 第２の位相変調光学信号
１４６ 第１の強度光学信号
１４８ 第２の強度光学信号
１５０ 出力信号
１６０ 強度変調信号
１６２ 第１の電気信号
１６４ 第２の電気信号
２００ 二波長平衡デバイス
２０２ 光学混合器（局部発振器）
３００ 二重平衡ブリッジＥＯ変調器（システム）
３０２ レーザ
３０４ 局部発振器（ＬＯ）信号
３０６ 第３の電気光学位相変調器
３０８ 第４の電気光学位相変調器
３１０ 光学信号
４００ ＭＺ変更器及び光検出器（システム）
４０２ デュアル細線レーザエリア
４０４ チューニング信号
４０６ 制御ループ
４０８ 周波数ロック信号
７００ 一体型電子発振器（システム）
７０８ 光学スプリッタ
７１２ 第１の信号経路
７１４ 第２の信号経路
７１６ 第１のＬＯ段階位相変調光学信号
７１８ 第２のＬＯ段階位相変調光学信号
７２２、７２４ ＲＦ段階入力光学信号
７３２ 第１のＲＦ段階位相変調光学信号
７３４ 第２のＲＦ段階位相変調光学信号
７３６ 光学フィルタ
７４６ 第１の強度光学信号
７５０ 第２の強度光学信号
７６０ 光検出器
７６２ 光検出器の出力
７６４ ＲＦ増幅器
７７０ 強度変調信号
７７２ 出力信号
７７４ 光電子発振器
７７６ ノード
７７８ タップ信号
７８０ フィードバック光電子発振器ループ
７８２ ＲＦバイアス制御
７８４ フィードバック光学信号
７８６ 高Ｑ係数ＲＦフィルタ

Claims (10)

1. 第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合し、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号を生成すること、
   無線周波数電気信号を用いて前記第１の信号経路及び前記第２の信号経路内の前記局部発振器信号を電気光学的に位相変調し、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号をそれぞれ生成することであって、前記第１の位相変調光学信号は、前記第１の信号経路内の前記局部発振器信号を増幅すること、または位相シフトすることで得られる信号であり、前記第２の位相変調光学信号は、前記第２の信号経路内の前記局部発振器信号の周波数を変化させることで得られる信号である、第１の位相変調光学信号及び第２の位相変調光学信号をそれぞれ生成すること、
   前記第１の位相変調光学信号及び前記第２の位相変調光学信号を光学的に結合し、前記局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した前記無線周波数電気信号周波数のＲＦ周波数を含む強度変調信号を生成すること、
   前記第１の信号経路内に第１の強度光学信号として、及び前記第２の信号経路内に第２の強度光学信号として、前記強度変調信号をそれぞれ生成すること、
   第１の電気信号として前記第１の強度光学信号を光検出すること、
   第２の電気信号として前記第２の強度光学信号を光検出すること、
   前記第１の電気信号と前記第２の電気信号とを合成すること、並びに
   前記第１の電気信号と前記第２の電気信号との同相を除去して出力信号を生成すること、を含む電気光学ヘテロダイン法。
2. 第１のレーザを制御して前記第１の光学信号を生成すること、並びに
   第２のレーザを制御して前記第２の光学信号を生成すること、をさらに含む請求項１に記載の前記方法。
3. 電流により前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの一方又は両方をチューニングすること、並びに
   無線周波数シンセサイザを用いずに、一定範囲の周波数にわたって前記局部発振器信号を生成すること、をさらに含む請求項２に記載の前記方法。
4. レーザを制御して光学信号を生成すること、並びに
   外部信号を用いて前記光学信号を電気光学的に位相変調し、前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を生成すること、をさらに含む請求項１に記載の前記方法。
5. 前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号のヘテロダインにより前記局部発振器信号を発生させることをさらに含む請求項１に記載の前記方法。
6. 前記出力信号を発生させ、前記局部発振器信号及び前記無線周波数電気信号の高分離を行うことをさらに含む請求項１に記載の前記方法。
7. 前記出力信号の前記局部発振器信号及び前記無線周波数電気信号の信号漏れを最小化することをさらに含む請求項６に記載の前記方法。
8. 電気光学的周波数変換及び混合のためのシステムであって、
   第１の光学信号及び第２の光学信号を光学的に結合し、第１の信号経路及び第２の信号経路からなる二つの信号経路内を伝搬する局部発振器信号をそれぞれ生成するように構成された第１のオプティカルカプラ、
   無線周波数電気信号を用いて前記第１の信号経路内の前記局部発振器信号を電気光学的に変調し、第１の位相変調光学信号を生成するように構成された第１の電気光学変調器であって、前記第１の位相変調光学信号は、前記第１の信号経路内の前記局部発振器信号を増幅すること、または位相シフトすることで得られる信号である、第１の電気光学変調器、
   前記無線周波数電気信号を用いて前記第２の信号経路内の前記局部発振器信号を電気光学的に変調し、第２の位相変調光学信号を生成するように構成された第２の電気光学変調器であって、前記第２の位相変調光学信号は、前記第２の信号経路内の前記局部発振器信号の周波数を変化させることで得られる信号である、第２の電気光学変調器、
   前記第１の位相変調光学信号及び前記第２の位相変調光学信号を光学的に結合し、前記局部発振器信号の局部発振器周波数が混合した前記無線周波数電気信号の無線周波数を含む強度変調信号を生成するように構成された第２のオプティカルカプラ、
   第１の強度光学信号として前記強度変調信号を導くように構成された前記第１の信号経路、
   第２の強度光学信号として前記強度変調信号を導くように構成された前記第２の信号経路、並びに
   第１の電気信号として前記第１の強度光学信号を光検出し、
   第２の電気信号として前記第２の強度光学信号を光検出し、
   前記第１の電気信号と前記第２の電気信号とを合成し、且つ
   前記第１の電気信号と前記第２の電気信号との同相を除去して出力信号を生成するように構成された光検出器、を備える前記システム。
9. 前記第１の光学信号を生成するように構成された第１のレーザ、並びに
   前記第２の光学信号を生成するように構成された第２のレーザ、をさらに備える請求項８に記載の前記システム。
10. レーザ光学信号を生成するように構成されたレーザ、並びに
    前記第１のオプティカルカプラに光学的に結合されており、外部局部発振器信号を用いて前記レーザ光学信号を電気光学的に変調し、前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を生成するように構成された、第３及び第４の光変調器、をさらに備える請求項８に記載の前記システム。

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