JP6808727B2 - 線形周波数変調を有する任意マイクロ波信号の光生成のためのデバイス - Google Patents

Description

本発明の分野は、マイクロ波信号、より詳細には、「ＬＦＭ」信号とも呼ばれる、線形周波数変調されるマイクロ波信号の光生成の分野である。これらのＬＦＭ信号は、「任意」信号とも呼ばれる。本文の他の部分では、ＬＦＭという用語は、信号の時間的な形態を示す。このような信号は、「チャープ」とも呼ばれる。これらの信号は、信号の搬送周波数と呼ばれることもある、信号の中心又は平均周波数及び信号の通過帯域を特徴とする。通過帯域は、従来、信号の最高周波数と最低周波数との間の差と定義される。この場合、搬送周波数は、１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚに含まれ、通過帯域は、０〜２００ＧＨｚに含まれる。

この種のマイクロ波信号の応用分野は、多数且つ多様である。一例として、レーダーの分野、生物医学撮像の分野、健康分野、分光法の分野、最後に無線周波数成分の特性評価の分野について言及する。

パルス圧縮レーダーは、得られるパルス持続時間に対応する長さよりも短い非常に優れた空間分解能を可能にする。従って、短く且つ強力なパルスの生成、増幅及び放出に関する欠点が回避される。これらのパルス圧縮レーダーによって放出される信号は、線形周波数変調マイクロ波信号である。同じことが、「周波数変調連続波」を意味する頭字語「ＦＭＣＷ」によって知られているレーダーに当てはまる。この種のレーダーは、特に、健康分野において心調律などの生理的パラメータを接触せずに監視するのに使用されることがある。

生物医学撮像では、線形周波数変調マイクロ波信号により、生物組織の特性をその誘電体の誘電率によって判定することができる。更に、低エネルギーの信号で作業することができる。

更に、これらの信号は、アミノ酸又はペプチド鎖など、気体状態における高分子の分光法に特によく適している。

最後に、これらの信号を、全種類の無線周波数成分を特性評価するために使用することができる。現在、この種の特性評価を実行する、「スカラーネットワーク分析器」を意味する頭字語「ＳＮＡ」、又は「ベクトルネットワーク分析器」を意味する頭字語「ＶＮＡ」の機器は、一般的に重く且つ高価な機器である。

従来、任意波形発生器（ＡＷＧｓ）を用いて任意信号が生成される。しかし、それらの通過帯域は、アナログ・デジタル変換器によって４０〜１００ＧＨｚに制限される。更に、ＡＷＧｓの使用は、コスト、信号の放出時間の変動、即ち「時間的ジッター」及びこれらの装置の大量の消費電力によって制限される。

より詳細には、入力電圧に比例する周波数信号を生成する「電圧制御発振器」を意味する単純な頭字語「ＶＣＯ」を用いて任意信号が生成される。この技法の主な欠点は、得られる通過帯域が数ＧＨｚに制限されることである。更に、この種の発生器に対して、他のマイクロ波源が寄生信号を引き起こすことがある。

アナログ・デジタル変換器の速度のために、電子システムの通過帯域に関する本質的制限を克服することを目的として、マイクロ波フォトニクスと呼ばれる新しい研究分野が過去約１０年間にわたって開発されている。読者は、この技法に関する更なる情報のために、“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．（２００９）という名称のＪ．Ｙａｏによる論文を参照されたい。原理は、１０ＴＨｚよりも大きいことがある、ファイバーベースの光学系の非常に大きい通過帯域を使用して、この通過帯域をマイクロ波周波数領域に変換することである。単純な例を挙げる。受光器に２つのファイバーレーザーを打つと、２つのレーザーの光周波数の差と周波数が等しいマイクロ波信号が生成される。従って、ＧＨｚ〜ＴＨｚの範囲で信号が得られる。更に、光学技法は、電磁干渉の影響を受けにくく、低い消費電力及び小さい容量を有する。最後に、レーザー空洞の機械的安定性と一般的に関連がある光パルス列のスペクトル純度は、得られる電子的方法の時間的ジッター量よりも小さい時間的ジッター量を可能にする。

１ＧＨｚよりも高い周波数でＬＦＭ信号を生成するために、複数のフォトニクス解決策が提案されている。

第１の解決策は、分散線において、「周波数対時間マッピング」を意味する頭字語「ＦＴＴＭ」と呼ばれる技法を使用することである。モード同期フェムト秒又はピコ秒レーザーは、短い広範囲光スペクトルパルスを生成する。周波数フィルタは、信号のスペクトルにチャープ変調を刻む。図１の左側部分は、時間ｔ及び周波数ｆに応じたこのパルスの振幅Ａを示す。このパルスを、ＧＶＤ（ＧＶＤは「群速度分散」の頭字語である）分散線と呼ばれるものに通過させる。図１の右側部分で分かるように、分散線の出口において、パルスの時間的形態がパルスのスペクトル形態を再生する。従って、ＬＦＭ信号又はチャープが生成される。変型例として、インコヒーレント源を用いてこの種の光信号を生成することができる。この解決策は、ある程度の複雑さを免れない。

この第１の技術的解決策の変型例は、余弦関数を用いてスペクトルを変調してから、分散が非線形である媒質を通って伝搬させることである。この媒質は、非線形「チャープ」であるブラッグ格子であってもよい。この技法には、複数の制限がある。広い通過帯域を得ることも、信号の持続時間を容易に修正することも、時間と共に増大する周波数の変動を生成することもできない。

第２の変型例は、分散干渉計で光スペクトルを変調することである。事前に伸張されたレーザーパルスを、２つのアームが異なる群速度分散を有する干渉計に注入する。抜け出ると、スペクトルは、間隔が直線的に変化する山及び谷を含み、これは、時間領域においてパルスの光強度の線形周波数変調をもたらす。この技法は、上述の解決策よりもある程度の利点を有する。しかし、システムは、モード同期レーザーを依然として必要とし、ＬＦＭの持続時間を容易に調整できない。

第３の変型例では、レーザーによって生成されるパルスは、振幅だけでなく位相も変調される。この技法により、大きい通過帯域を得ることができるが、依然としてかなりの欠点がある。繰り返し率は、制限されたままであり、持続時間及び周波数変動の方向は調整できない。実現手段、特にフェムト秒レーザー及び変調器は、複雑で高価なままである。

ＬＦＭマイクロ波信号を生成する第２の技術的解決策は、２つのレーザーを使用することである。第１の構成において、第１のレーザーは、単一周波数連続波信号を放出し、第２のレーザーのパルスは、線形周波数変調を受ける。これらの２つのレーザーを受光器に打つと、マイクロ波領域において光線形周波数変調が再生される。この技法の利点は、相対的な単純化と、信号の持続時間、信号の通過帯域及び信号の中心周波数の変動の範囲を調整する能力とである。一方、レーザーの線形周波数変調の線形性は、大きい通過帯域にとって問題がある。

この第２の技術的解決策の１つの変型例は、パルスに含まれる周波数を分散させるように分散媒質を通って第１のレーザーによって放出された短いパルスを伝搬させることである。次に、分散パルスを第２のレーザーで再結合する。この技法は、より高い技術的複雑さ、高いコスト、及び低い柔軟性の代償として魅力的な性能レベルを実現する。この技法の１つの変型例は、２つの異なる分散伝搬、従って２つの異なる光チャープを受けている２つのレーザーを打つことである。

しかし、それらの柔軟性にもかかわらず、可能な周波数及び２つのレーザー間の更に強い位相安定性がないため、２つのレーザーを用いた技法は、信号の高い再現性が必要な用途、特にパルス間のコヒーレンスが必要なレーダー用途に対して受け入れることができない。

"Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ"，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．（２００９）

より正確には、本発明の主題は、線形周波数変調された任意マイクロ波信号を生成する光デバイスであって、第１の光周波数で連続波信号を放出するレーザーと、前記連続波信号をスペクトル的及び時間的に形成する組立体と、受光器であって、その通過帯域がマイクロ波周波数の領域にある、受光器とをこの順序で含む、光デバイスにおいて、スペクトル的及び時間的に形成する組立体は、少なくとも、
− レーザーの出口に配置されている第１のＹ接合ビーム分割器と、
− 第１のＹ接合ビーム分割器の第１の枝部の出口に配置されている第１の光チャンネルであって、周波数シフトループであり、前記周波数シフトループは、Ｘ接合ビーム分割器と、Ｘ接合ビーム分割器の２つの枝部間に配置されている第１の光増幅器と、第１の光フィルタと、光アイソレータと、音響光学周波数シフタとを含む、第１の光チャンネルと、
− 第１のＹ接合ビーム分割器の第２の枝部の出口に配置されている第２の光チャンネルであって、電気光学周波数シフタを含む第２の光チャンネルと、
− 第２のＹ接合ビーム分割器であって、その第１の枝部は、第１の光チャンネルの出口に配置され、及びその第２の枝部は、第２の光チャンネルの出口に配置されている、第２のＹ接合ビーム分割器と、
− 第２のＹ接合ビーム分割器の共通出口に配置されている第２の光増幅器と、
− 第２の光増幅器の出口と受光器との間に配置されている第２の光フィルタと
を含み、
少なくとも音響光学周波数シフト、電気光学周波数シフト、及び第１の光増幅器の増幅利得は、調整可能であることを特徴とする、光デバイスである。

有利には、デバイスの全部又は一部は、ファイバーベースであり、レーザーは、ファイバーベースであり、第１のＹ接合ビーム分割器は、第１のＹ接合光結合器であり、第２のＹ接合ビーム分割器は、第２のＹ接合光結合器であり、及びＸ接合ビーム分割器は、Ｘ接合光結合器である。

有利には、デバイスの全部又は一部は、集積光学技術で製造される。

有利には、デバイスの全部又は一部は、個別の光学部品によって製造され、第１のＹ接合ビーム分割器は、半透鏡を含む第１のキューブ分割器であり、第２のＹ接合ビーム分割器は、半透鏡を含む第２のキューブ分割器であり、及びＸ接合ビーム分割器は、半透鏡を含むキューブ分割器である。

有利には、第１の光フィルタは、光学通過帯域タイプである。

有利には、第２の光フィルタは、光学通過帯域タイプのスペクトルフィルタ又は強度変調フィルタである。

有利には、光が周波数シフトループを通過するのにかかる時間を音響光学周波数シフトに乗じた積は、整数又は小数と実質的に等しい。

有利には、音響光学周波数シフトは、１〜３００ＭＨｚに含まれる。

有利には、電気光学周波数シフタは、単側波帯変調器である。

有利には、電気光学周波数シフトは、−４０ＧＨｚ〜＋４０ＧＨｚに含まれる。

有利には、第１の増幅器の利得は、Ｘ接合ビーム分割器、光アイソレータ、音響光学周波数シフタ及びスペクトル光フィルタの光学的損失を補償するのに少なくとも十分である。

添付図面により、下記の限定しない説明を読むことで本発明を更によく理解でき、他の利点が明白になるであろう。

分散線で線形周波数変調マイクロ波信号を生成する「周波数対時間マッピング」を意味する頭字語「ＦＴＴＭ」と呼ばれる先行技術の例示である（既述されている）。 周波数シフトループを含む、本発明による線形周波数変調された任意マイクロ波信号を生成する光デバイスの全体図を示す。 本発明によるデバイスにおける周波数に応じた初期信号を示す。 本発明によるデバイスにおける周波数シフトループの出口での周波数に応じた第１の信号を示す。 本発明によるデバイスにおける周波数シフトループの出口での周波数に応じた第２の信号を示す。 本発明によるデバイスにおける電気光学周波数シフタから出力された周波数に応じた信号を示す。 本発明によるデバイスにおける周波数に応じた第１の光フィルタの伝送曲線を示す。 比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃが整数の比に近い場合、本発明によるデバイスにおける受光器から出力された時間に応じた周期信号を示す。 本発明によるデバイスにおける時間及び周波数シフトに応じた信号を示す。 本発明によるデバイスにおける時間及び周波数シフトに応じた信号を示す。

周波数シフトループが光ファイバー又は光導波路からなる「ファイバーベース」又は「集積光学」構成において、又は周波数シフトループが正しく整列されたミラーを用いて生成される、個別光学部品を有する「自由空間」構成において、本発明によるマイクロ波信号を生成する光デバイスを生成してもよい。「自由空間構成」という表現は、光ビームが自由空間を全体的に又は部分的に伝搬する構成を意味するものとする。

図２は、本発明による線形周波数変調された任意マイクロ波信号を生成する光デバイスの「ファイバーベース」型の図を示す。この型を詳細に後述する。しかし、示すたびにファイバーベース型と自由空間型との間に著しい差がある。

図２の光生成デバイスは、以下をこの順序で含む。
− ｆ_０で示す第１の光周波数で連続波信号Ｓ_０を放出するレーザー。この周波数は、数百ＴＨｚの領域にある。このレーザーは、有利には、「電気通信」周波数範囲（即ち、約１５５０ｎｍ）で放出するファイバーレーザーであってもよい。レーザーは、約数ｋＨｚの小さい線幅を有し、数ｍＷの電力を放出する必要がある。特に７８０ｎｍ又は１μｍの近傍で他の波長が可能である。しかし、これらの波長に対するファイバーベースの部品は、より高価である。図３は、周波数ｆに応じたこの信号Ｓ_０の振幅Ａを示す。パルス間のコヒーレンスを自動的に保証する限り、単一レーザーの使用により先行技術に対して大きい利点がある；
− 前記連続波信号をスペクトル的及び時間的に形成する組立体２；及び
− 受光器３であって、その通過帯域がマイクロ波周波数領域にある、受光器３。

スペクトル的及び時間的に形成する組立体２は、少なくとも以下を含む。
− 第１のＹ接合ビーム分割デバイス２０。図２の場合、この分割器は、光結合器である。自由空間の実施形態において、この結合器は、プレート分割器又はキューブ分割器である。この分割器は、入口２１と、２つの出口枝部２２及び２３とを含む。入口２１はレーザー１に結合され、出口２２は第１の光チャンネルに結合され、出口２３は第２の光チャンネルに結合されている；及び
− 第１の結合器２０の第１の枝部２２の出口に配置されている第１の光チャンネル。この第１の光チャンネルは、周波数シフトループである。周波数シフトループは、Ｘ接合ビーム分割デバイス５０と、第１の光増幅器６０と、光アイソレータ７０と、第１の光スペクトルフィルタ７５と、音響光学周波数シフタ８０とを含む。
○Ｘ接合ビーム分割器５０は、半透鏡によって製造される４チャンネル光ファイバー光結合器又はビーム分割器であってもよい。Ｘ接合結合器５０は、２つの入口チャンネル５１及び５２と、２つの出口チャンネル５３及び５４とを含む。入口５１は、Ｙ接合結合器の出口２２に結合されている。
○増幅器６０、アイソレータ７０、スペクトルフィルタ７５及び音響光学シフタ８０は、Ｘ接合結合器の出口５４と入口５２との間で直列に取り付けられている。増幅器６０は、Ｇで示す利得を有し、様々な光結合による第１のチャンネルの総光学的損失、及びアイソレータ及び音響光学シフタ８０の損失をＰで示す。
○光アイソレータ７０の役割は、レーザーによって生成された光が単一方向に強制的に伝搬するようにすることである。これにより、寄生波が反対方向に循環してシステムの動作を乱すのを防止する。
○第１の光スペクトルフィルタ７５の主な目的は、拡大自然放出によるノイズを制限することであり、二次的な目的は、ループの通過帯域を選択して、周波数変調信号のスペクトル幅を制御し得ることである。このプログラマブル光フィルタは、光ファイバーに光内接しているブラッグ格子、又は実際には光のスペクトルがデバイスのフーリエ面でアクセスされることを可能にする回折素子又は光学格子に基づく。このフーリエ面に配置されたプログラマブル振幅フィルタ、従来、液晶マトリックスにより、光の様々な周波数を選択的に減衰させて、そのスペクトルを変調することができる。格子の２番目の通過により、そのスペクトルの変調後に光を再視準することができ、自由空間ループ、又はファイバーベース構成の場合に光を光ファイバーに再注入することができる。
○音響光学シフタ８０は、透明固体における進行音波によって光波の回折を使用する。音響光学周波数シフトｆ_Ｓは、１〜３００ＭＨｚに含まれる。この周波数範囲は、このタイプのデバイスにとって全く普通である。
○周波数シフトループを通る通過時間の逆数は、ｆ_Ｃと呼ばれる。ファイバーベース構成の場合、周波数シフトループの長さが１０メートルであると、このループの周波数ｆ_Ｃは、３０ＭＨｚに等しい。この周波数は、ループの長さが３０メートルの場合、１０ＭＨｚである。この周波数の振幅のオーダーは、音響光学周波数シフトｆ_Ｓの振幅のオーダーと等しい。ループ長の振幅のこれらのオーダーは、当然ながら、エルビウムドープファイバー増幅器６０を用いて得られるオーダーである。自由空間構成の場合、ループの長さは、大幅に一層短く、数十センチメートル〜数メートルであり得る。ｆ_Ｃの値は、一層高く、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚで変わる。
− 第２の光チャンネルは、第１のＹ接合分割デバイスの第２の枝部２３の出口に配置されている。この第２の光チャンネルは、電気光学周波数シフタ３０を含む。この周波数シフタは、単側波帯変調器であることが好ましい。このシフタは、従来、１つの電気光学変調器をそれぞれ含む２つのマッハ・ツェンダー干渉計を使用する。２つの側波帯の１つ及び搬送波の両方に破壊的に干渉させるように電気光学変調器の電圧を正確に調整することによって単側波帯を出力として得る。従って、このデバイスは、周波数シフタとして動作する。電気光学周波数シフトｆ_ｅは、ファイバーベース構成において−４０ＧＨｚ〜＋４０ＧＨｚに含まれる。この周波数範囲は、このタイプのデバイスにとって全く普通である。
− 第２のＹ接合ビーム分割デバイス４０。この分割器は、２つの入口枝部４２及び４３と、１つの出口４１とを含む。再度、この分割器は、ファイバーベース光結合器又は半透鏡であってもよい。第１の入口枝部４２は、第１のチャンネルのＸ接合結合器の出口５３に結合され、第２の入口出口枝部４３は、電気光学周波数シフタ３０の出口に結合されている。
− 第２のＹ接合ビーム分割器の共通出口４１に配置されている第２の光増幅器９０。
− 第２の光増幅器９０の出口と受光器３との間に配置されている第２の光フィルタ１００。このフィルタは、スペクトルフィルタ７５と同じ原理で動作するプログラマブルフィルタであってもよい。当然のことながら、光フィルタのフィルタリング帯域は、光周波数ｆ_０と互換性がある必要がある。代わりに、線形周波数変調信号の場合、時間と瞬時周波数との間に直線関係があるため、このフィルタは、ループの出口で時間に応じて光信号の強度を制御できる強度変調器であってもよい。一般的に、この強度変調器は、音響光学変調器又は電気光学変調に基づく。電気光学タイプの変調は、それ自体、ポッケルス効果を用いた偏光回転又はマッハ・ツェンダー干渉計における干渉効果に基づいてもよい。

少なくとも音響光学周波数シフトｆ_Ｓ、電気光学周波数シフトｆ_ｅ、及び第１の光増幅器の増幅利得Ｇは、調整可能である。周波数ｆ_Ｓは、例えば、無線周波数発生器によって調整される。

光生成デバイスの動作について詳細に後述する。

周波数ｆ_０で放出されるビームの第１の部分を周波数シフトループに導入する。その動作は次の通りである。ビームがループを完全に通過してＸ接合結合器の入口５２に戻るたびに、ビームの一部をＸ接合結合器によってループに再注入し、ビームの第２の部分は、ループから出て光増幅器９０に移動する。Ｘ接合結合器の出口５３において、ループを特定の回数ｋだけ通過している一連の光信号Ｓ_１ｋからなる光信号Ｓ_１を得る。

各信号Ｓ_１ｋは、信号の振幅、周波数及び位相を特徴とする。図４及び図５は、周波数に応じた一連の信号Ｓ_１ｋの振幅を示す。信号Ｓ_１ｋの振幅は、光増幅器６０の利得、第１の光フィルタ７５、及びループの損失に左右される。利得がちょうど損失を補償する場合、図４で分かるように、全ての信号Ｓ_１ｋは同じ振幅を有する。利得が損失よりも低い場合、図５で分かるように、信号Ｓ_１ｋの振幅は急激に減少する。

光が音響光学周波数シフタ８０を通過するたびに、その周波数が量ｆ_Ｓだけ増大される。従って、信号Ｓ_１ｋは、図４及び図５で分かるように、ｆ_０＋ｋ．ｆ_Ｓと等しい周波数を有する。

ループの反復効果のために、様々な周波数は、それらの周波数の位相に対して二次依存性を有することを実証してもよい。より正確には、周波数ｆ_０＋ｋ．ｆ_Ｓの信号Ｓ_１ｋの位相φ_１ｋは、下記の関係に従う。
φ_１ｋ＝π．ｋ．（ｋ＋１）．ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃ

読者は、この計算に関する更なる情報のために、“Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ａｎｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｉｎ ＣＷ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｅｅｄｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒｓ”，Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．２１、１５０６５（２０１３）、及び“Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｔａｌｂｏｔ ｌａｓｅｒｓ”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ Ａ ８８，０３３８２８（２０１３）という名称のＨ．Ｇｕｉｌｌｅｔ ｄｅ Ｃｈａｔｅｌｌｕｓ ｅｔ ａｌ．による論文を参照されたい。

従って、光信号Ｓ_１は、二次スペクトル位相に対応する特定の群速度分散を受けている光周波数コムと等しい。

時間領域において、この光信号は、周期１／ｆ_Ｓの同じ光パルスの列からなる。各パルスは、光周波数領域において線形周波数変調を有し、最小周波数及び最大周波数は、ｆ_０及びｆ_０＋Ｋ．ｆ_Ｓであり、ここで、Ｋは、光がループで行う最大往復数又は均等にループの出口で光周波数コムに存在する周波数の数である。

更に、等価分散は、位相の放物線の曲率、即ちｆ_Ｓ／ｆ_Ｃに比例する。位相のパラメータは、音響光学周波数シフトｆ_Ｓを調整することによって容易に制御可能である。位相φ_１ｋの式から分かるように、整数値又は２つの整数の比ｐ／ｑ（但し、ｑはＫよりも小さい）に極めて近い比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃを選択することが有利である。

この比が整数値と全く等しい場合、等価分散はゼロである。全てのスペクトル成分は、同相であり、ループは、短いパルスを放出し、時間的制限が周波数コムのフーリエ変換によって与えられる。この比が整数の比ｐ／ｑ（但し、ｑ＜Ｋである）と等しい場合、ループは、ｑ＊ｆ_Ｓと等しい１秒当たりのパルス数又は繰り返し率で、整数比の場合のように同じ持続時間の短いパルスを放出する。この効果の記述及び説明が上述の２つの論文に示されている。

一方、この比が整数又は小数値から逸れる場合、光パルスは、時間領域で広がり、その線形周波数変調の変動の方向は変化する。詳細には、スペクトル領域における位相シフトは、時間領域における時間シフトに対応することが分かる。従って、スペクトル領域における位相の高い多様性は、時間領域で得られるパルスの広がりに対応する。

周波数ｆ_０で放出されるビームの第２の部分を電気光学周波数シフタ３０に導入する。周波数シフタ３０の出口において、周波数がｆ_０＋ｆ_ｅと等しい光信号Ｓ_２を得る。図６は、周波数に応じたこの信号Ｓ_２の振幅を示す。これらの２つの入口４２及び４３において、Ｙ接合結合器４０は、それぞれ周波数シフトループ及び電気光学シフタによって信号Ｓ_１及びＳ_２の出力を受信し、それらの信号を再結合する。従って、この再結合信号は、ｆ_０＋ｆ_ｅに中心がある光周波数と、ｆ_０からｆ_０＋Ｋ．ｆ_Ｓに及ぶ光周波数コムとを含む。

再結合信号は、光増幅器９０によって増幅され、フィルタ１００によってフィルタリングされ、受光器３によって受信される。増幅され、フィルタリングされた光信号をＳ_３で示す。図７は、プログラマブルフィルタ１００の通過帯域ＢＰを示す。この通過帯域を、使用される解決策に応じて、スペクトルフィルタリングにより又はループからの信号出力の時間変調により引き起こす。更に、スペクトルフィルタ１００を強度変調器と交換することができる。詳細には、周波数と時間との間に直線関係があるため、パルス列と同期されたパルスの強度の時間変調は、フィルタ１００を用いたスペクトルフィルタリングと均等である。変調信号とパルス列との非常に正確な同期が必要である限り、実施することが一層複雑であっても、強度の時間変調は、克服されるべき「波形整形器」タイプの市販デバイスに対して１０ＧＨｚよりも高いスペクトルフィルタの制限、即ち、その分解能を可能にする。

受光器３の出口における電気信号Ｓ_ｅは、信号Ｓ_Ｅｉの周期列からなる。その信号の時間周期は、比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃが整数又は１／（ｑｆ_Ｓ）であり、この比がｐ／ｑ（但し、ｐ及びｑは整数であり、ｑはＫよりも小さい）と等しい場合、１／ｆ_Ｓと等しい。整数比の場合、この列を図８に示す。この場合、信号Ｓ_Ｅｉは同じである。各信号は、図８で分かるように、時間と共に変化する瞬時周波数を有する。この図及び次の２つの図において、明確にするために、信号は小さい周期を含むことに留意されたい。実際の信号は、一般的にはるかにより大きい周期を有する。

信号の通過帯域を光信号Ｓ_３のスペクトル幅によって与える。この光信号Ｓ_３は、フィルタ１００の通過帯域及び周波数シフトループで循環する信号Ｓ_１のスペクトル幅によって制限される。上述のように、通過帯域は、光増幅器６０の利得、光スペクトルフィルタ７５、及びループの損失に左右される。中心周波数は、信号Ｓ_２の光周波数ｆ_０＋ｆ_ｅと関連がある。従って、１００ＧＨｚのオーダーのマイクロ波周波数を実現することができる。

周波数ｆ_Ｓを修正することにより、線形周波数変調の変動の方向を修正することもできる。整数又は整数の比から移動するように比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃを変更すると、線形周波数変調の変動の方向は変化することが分かる。図９及び図１０は、この特性を例示する。図９及び図１０は、時間に応じた基本信号Ｓ_Ｅｉの振幅Ａを示す。

ａが整数又は整数の比ｐ／ｑ（但し、ｑ＜Ｎである）である場合、ａの値と最も近い整数又は整数比との間の差はεと呼ばれる。

εがゼロである場合、出力信号は、フーリエ変換制限信号からなり、もはや線形周波数変調されていない。

εがゼロでない場合、ＬＦＭ信号の持続時間は、約ε＊Ｋ／ｆ_Ｓ（但し、Ｋは、ループから出力された周波数コムにおける周波数の総数である）であることを示すことができる。従って、ε＝±１／Ｋの場合、ＬＦＭ信号の持続時間は１／ｆ_Ｓである。従って、関心のあるεの変動の範囲は−１／Ｋ〜＋１／Ｋである。

比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃがａよりも僅かに小さい場合、即ち、εが負である場合、時間領域において、基本信号Ｓ_Ｅｉの線形周波数変調は低周波数から始まり、高周波数で終了する。比ｆ_Ｓ／ｆ_Ｃがａよりも僅かに大きい場合、即ち、εが正である場合、時間領域において、基本信号Ｓ_Ｅｉの線形周波数変調は高周波数から始まり、低周波数で終了する。

一例として、０〜３０ＧＨｚに含まれる範囲の周波数を含む、１２ｎｓの周期の信号Ｓ_Ｅｉの場合、僅か８０ｋＨｚの周波数変動ｆ_Ｓは、変調の方向を修正するのに十分である。

Claims (11)

1. 線形周波数変調された任意マイクロ波信号を生成する光デバイスであって、第１の光周波数で連続波信号を放出するレーザー（１）と、前記連続波信号をスペクトル的及び時間的に形成する組立体（２）と、受光器（３）であって、その通過帯域がマイクロ波周波数の領域にある、受光器（３）とをこの順序で含む光デバイスにおいて、前記スペクトル的及び時間的に形成する組立体は、少なくとも、
   − 前記レーザーの出口に配置されている第１のＹ接合ビーム分割器（２０）と、
   − 前記第１のＹ接合ビーム分割器の第１の枝部の出口（２２）に配置されている第１の光チャンネルであって、周波数シフトループであり、前記周波数シフトループは、Ｘ接合ビーム分割器（５０）と、前記Ｘ接合ビーム分割器の２つの枝部間に配置されている第１の光増幅器（６０）と、第１の光フィルタ（７５）と、光アイソレータ（７０）と、音響光学周波数シフタ（８０）とを含む、第１の光チャンネルと、
   − 前記第１のＹ接合ビーム分割器の第２の枝部の出口（２３）に配置されている第２の光チャンネルであって、電気光学周波数シフタ（３０）を含む第２の光チャンネルと、
   − 第２のＹ接合ビーム分割器（４０）であって、その第１の枝部（４２）は、前記第１の光チャンネルの出口に配置され、及びその第２の枝部（４３）は、前記第２の光チャンネルの出口に配置されている、第２のＹ接合ビーム分割器（４０）と、
   − 前記第２のＹ接合ビーム分割器の共通出口（４１）に配置されている第２の光増幅器（９０）と、
   − 前記第２の光増幅器の出口と前記受光器との間に配置されている第２の光フィルタ（１００）と
   を含み、
   少なくとも音響光学周波数シフト、電気光学周波数シフト、及び前記第１の光増幅器の増幅利得は、調整可能であることを特徴とする、光デバイス。
2. 前記デバイスの全部又は一部は、ファイバーベースであり、前記レーザーは、ファイバーベースであり、前記第１のＹ接合ビーム分割器は、第１のＹ接合光結合器であり、前記第２のＹ接合ビーム分割器は、第２のＹ接合光結合器であり、及び前記Ｘ接合ビーム分割器は、Ｘ接合光結合器であることを特徴とする、請求項１に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
3. 前記デバイスの全部又は一部は、集積光学技術で製造されることを特徴とする、請求項１に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
4. 前記デバイスの全部又は一部は、個別の光学部品によって製造され、前記第１のＹ接合ビーム分割器は、半透鏡を含む第１のキューブ分割器であり、前記第２のＹ接合ビーム分割器は、半透鏡を含む第２のキューブ分割器であり、及び前記Ｘ接合ビーム分割器は、半透鏡を含むキューブ分割器であることを特徴とする、請求項１に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
5. 前記第１の光フィルタ（７５）は、光学通過帯域タイプであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
6. 前記第２の光フィルタ（１００）は、光学通過帯域タイプのスペクトルフィルタ又は強度変調フィルタのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
7. 光が前記周波数シフトループを通過するのにかかる時間を前記音響光学周波数シフトに乗じた積は、整数又は小数と実質的に等しいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
8. 前記音響光学周波数シフトは、１〜３００ＭＨｚに含まれることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
9. 前記電気光学周波数シフタは、単側波帯変調器であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
10. 前記電気光学周波数シフトは、−４０ＧＨｚ〜＋４０ＧＨｚに含まれることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。
11. 前記第１の増幅器の前記利得は、前記Ｘ接合ビーム分割器、前記光アイソレータ及び前記音響光学周波数シフタの光学的損失を補償するのに少なくとも十分であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の任意マイクロ波信号を生成する光デバイス。

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