JPH01135203A - 信号処理装置および信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、高い周波数において出力が減少する素子の周
波数特性を向上させる装置および方法に関する。

ここに記載の本発明は、契約番号Ｎｏ、　ＮＡＳ　１−
１７３５１のＮＡＳＡ契約の研究で得られたものであり
、１９５８年米国航空宇宙法（７２５ｔａｔ、　４３５
；　４２１１．ｓ、ｃ２４５７）第３０５条に準拠する
。

［従来の技術］ ビットレートの高い通信における最近の傾向として、直
流からマイクロ波周波数にまで動作しつる信号処理装置
の必要性が強調されている。回路や半導体装置、特にレ
ーザーダイオードのような多くの素子は、残念ながら、
その出力が周波数の増加とともに低下する。例えば、レ
ーザーダイオードは、容量性インピーダンスを並列に持
つ抵抗として表示されている。したがって、この素子の
入力インビーダンを減らすものとになる容量性インピー
ダンスは、周波数が高まるにつれて減り、その結果、こ
の装置の供給電圧と出力電圧は低下する。

［発明が解決しようとする課題１ 一般に、動作周波数を高くするためには、装置は電気容
量を減らした設計にされる。このような装置は、その上
でさらに、直列″のインダクタンスを減らすため、導線
の長さが最短になるように取り付けられる。さらに、レ
ーザーダイオードの抵抗値は普通約５オーム　（Ω）な
ので、この装置と直列に約４５Ωの抵抗器が付けられる
。この装置が５０Ωの特性インピーダンスを有する同軸
ケーブルに接続されると、この抵抗の付加によってイン
ピーダンス整合が得られ、これによって伝送信号の反射
が減少する。従来は、平坦な周波数特性を直流からマイ
クロ波周波数までにわたって得るためには、低反射、し
たがってインピーダンスの整合が不可欠であると思われ
ていた。

本発明と同時出願の「高周波信号ドライバとその構成法
」（°°旧ｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｉｇｎａｌ　
Ｄｒｉｖｅｒ　ＡｎｄＭｅｔｈｏｄ　Ｏｆ　Ｆｏｒｍｉ
ｎｇ　Ｓａｍｅ”）と題する米国特許出願（ＲＣＡ　８
３．３３８号）の中で、エム・トダ（Ｍ、　Ｔｏｄａ）
が、信号供給手段と素子との間に伝送線路が接続されて
いる信号処理装置を開示している。この伝送線路はある
周波数で共振するが、その結果この共振周波数における
出力信号のピーキング効果が素子の出力信号の低下を補
償し、それによってその素子の周波数特性を延長する。

特に、信号源と伝送線路の間に置かれた接続インピーダ
ンスが、平坦な周波数特性を得るようにピーキングの量
を制御する。

従来の設計でインピーダンス整合に用いられる直列抵抗
と、Ｍ、　Ｔｏｄａが開示した接続インピーダンスはい
ずれも発熱をする。一般にレーザー装置のパッケージは
、この熱を直ちに放散するように抵抗器をパッケージ外
に置く設計にする必要がこの発熱のために生ずる。しか
し、高周波装置で導線を短く保つことの必要性やパッケ
ージの機械的制約もあって、抵抗器を外に出すことは特
にむずかしい。しかも、抵抗器を追加すると抵抗損失の
ためにレーザーの出力信号が減少する。

この理由で、抵抗器を省くことと、しかも出力信号が高
周波で低下するような素子の高周波特性を延長すること
が望まれる。

［課題を解決するための手段１ 周波数が第１の周波数を超えて高まると出力信号の振幅
が減少するような素子の平坦な周波数特性を得ようとす
る信号処理装置は、素子用伝送線路に接続されて信号を
供給する信号手段を含んでいる。この素子用伝送線路は
素子と接続され、そして値がほぼゼロの接続インピーダ
ンスが信号手段と素子用伝送線路の間に置かれている。

この素子用伝送線路は、第１の周波数より高い第２の周
波数において共振し、低域の周波数におけるこの素子の
電圧降下が第２の周波数におけるこの素子の電圧降下と
ほぼ等しくなるような特性インピーダンスを示す。本発
明は第１の周波数を超えるとその出力が低下する素子が
平坦な周波数特性を得る方法をも含んでいる。その方法
は、第１の周波数よりも高い第２の周波数において共振
する伝送線路を形成することと、信号を供給することと
、その信号をこの伝送線路に送出すること、および、こ
の伝送線路を素子に接続することからなっている。この
伝送線路の特性インピーダンスは、低域の周波数におけ
るこの素子の電圧降下が、第２の周波数におけるこの素
子の電圧降下とほぼ等しくなるように調整される。

高い周波数において出力が低下するような素子の周波数
特性を延長することが本発明の目的である。

熱を発生する素子が排除されることが本発明の利点であ
る。

素子の出力が増加することが本発明の前記以外の利点で
ある。

新奇であると信じられる本発明の特徴を特許請求の範囲
に詳細に示すが、以下の記載を添付図面と共に参照すれ
ば、本発明の他の目的と利点と共にその構成と動作方法
の両方について、本発明そのものが十分に理解されるで
あろう。

［実施例］ 第１図には、信号処理装置１０が信号を供給する信号手
段１１を含み、そしてこの信号手段１１は、通常、信号
電圧源１２と信号源整合抵抗１４とを有することが示さ
れている。

この信号源整合抵抗１４は、第１の特性インピーダンス
２．を有する信号用伝送線路１６と接続されている。信
号源用伝送線路１６は、約０オームのインピーダンスを
有し、その間に位置する素子用伝送線路と接続されてい
る。素子用伝送線路２０は、第１の特性インピーダンス
よりも小さい第２の特性インピーダンスＺ２を有し、半
導体レーザーダイオードのような素子２２と接続されて
いる。

信号手段１１は、信号電圧源１２と信号源整合インピー
ダンス１４を含むことができる。信号電圧源１２は、デ
ィジタルまたはアナログ信号を発信するトランジスタ増
幅器のような、ある周波数範囲の信号を提供する信号源
であればよい。信号源整合抵抗１４は、普通は信号源に
内蔵された抵抗であって、普通、約１０ないし５０Ωの
ものである。信号手段１１は、この代わりに、信号を供
給する他の伝送線路に接続されつるコネクタか伝送線路
であってもよい。

信号源伝送線路１６は、０を含む任意の長さで良く、普
通はセラミック板上に形成された金属化条片であり、こ
の金属化と、これによる第１の特性インピーダンスＺ１
は通常の写真平板蝕刻技術によって変えることができる
。この第１の特性インピーダンスｚ１は、信号源整合抵
抗１４にほぼ等しいことが好ましい。信号源用伝送線路
１６は、同軸ケーブルであってもよい。信号手段１１と
信号源伝送線路１６との間には、追加の伝送線路または
コネフタが使用されてもよいということを知るべきであ
る。

素子用伝送線路２０は、素子２２の出力が低下し始める
第１の周波数よりも高い第２の周波数で共振し始める。

レーザーダイオードに対しては、この共振周波数は、−
数的には、出力電圧が一３デシベル（ｄｂ）になる周波
数よりも１．５ないし３倍に選ばれる。この共振は普通
、波長（ん）の４分の１にほぼ等しい材料の長さの素子
用伝送線路２０の長さによって決められる。例えば、秒
速的１．９５Ｘ１０”メートル、（ｍ／５ｅｃ）の伝播
速度を有する伝送線路においては、選ばれた約３．４ギ
ガヘルツ（ＧＨ２）の共振周波数に対する素子用伝送線
路２０の長さは約１、４５ｃｍになる。素子２２の出力
のピーキング効果は、伝送される信号の周波数がこの共
振周波数に達したときに生ずる。このピーキングの大き
さは、素子用伝送線路２０の信号源インピーダンスと第
２の特性インピーダンスＺ２との差によって決まる。素
子用伝送線路の信号源インピーダンスと第２の特性イン
ピーダンスｚ２がほぼ等しい場合にはピーキングは起ら
ない。これらのインピーダンスの差が大きくなるにつれ
て、ピーキングの大きさも大きくなり、信号源インピー
ダンスが素子伝送線路２０の入力インピーダンスと整合
したとき最大値に達する。この信号源インピーダンスは
、素子用伝送線路２０から信号手段１１を向いてのイン
ピーダンスと等価である。信号源整合抵抗１４が、第１
の特性インピーダンスｚ１にほぼ等しい場合には、素子
用伝送線路２０の信号源インピーダンスは、一般に第１
の特性インピーダンスＺ１の値とほぼ等しくなる。入力
インピーダンスは、素子２２を向いての素子用伝送線路
２０のインピーダンスと等価のインピーダンスである。

共振周波数では、この入力インピーダンスは、負荷イン
ピーダンスで割られた第２の特性インピーダンスＺ２の
２乗にほぼ等しくなる。素子２２と素子用伝送線路２０
０間の接続は、負荷インピーダンスを形成するように当
技術の公知のやり方で決められるが、この負荷インピー
ダンスは、素子２２のインピーダンスとほぼ等しい。

したがって、ピーキングの大きさは、第２の特性インピ
ーダンスｚ２の値と素子伝送線路２０の長さを変えるこ
とによって変更することができる。

そして、これらが正しく選ばれると、素子２２の出力低
下はピーキング効果によって補償される。−般に、第２
の特性インピーダンスｚ２と素子用伝送線路２０の長さ
は、はぼ平坦な周波数特性を得るように素子２２の出力
を監視することによって選ぶことができる。平坦な周波
数特性とは、変化率が３０％未満のものであり、できれ
ば１０％未満であることが望ましい。そして、通常、レ
ーザーダイオードは、その出力をスペクトル分析器につ
ないだＰＩＮダイオードに接続して監視する。第２の特
性インピーダンスｚ２と素子用伝送線路２０の長さは、
低域の周波数における素子２２のパワーが共振周波数に
おける素子２２のパワーにほぼ等しくなるように定めれ
ばよい。低域の周波数とは、直流に近い０ない５０ＭＨ
ｚ程度であって、できれば直流であることが好まいもの
。この周波数内ではコンデンサのような、直流付近で出
力が低下する他の素子は考慮′されていない。第２図に
召すように、約３０Ωの第２の特性インピーダンスＺ２
によって約３、４ＧＨｚまで平坦な周波数特性が得られ
る。この平坦な周波数特性は、約３．４Ｇ）１ｚに選ん
だ共振数波数で５０Ωの特性インピーダンスを有する信
号源伝送線路を用いることによって得られ、そして素子
用伝送線路は、並列に約１５ピコフアラツド（ｐｆ）の
容量を持つ約５Ωの抵抗とみなせるレーザーダイオード
に接続されている。さらに、普通１ない１ＯＧＨｚの範
囲内にある共振周波数においては、素子のインピーダン
スは小さく、また素子用伝送線路２０の特性インピーダ
ンスは、一般に素子２２のインピーダンスよりは大きい
。さらに、信号源用伝送線路１６の特性インピーダンス
は普通、素子用伝送線路２０の特性インピーダンスより
は大きい。

素子用伝送線路２０の信号源インピーダンスと入力イン
ピーダンスは、従来の、４分の１波長のインピーダンス
整合のようには整合されないということを知るべきであ
る。このインピーダンス整合は、共振周波数において最
大振幅が起り、これによって狭帯域濾波の目的には好都
合であるが、直流からマイクロ波周波数まで平坦な周波
数特性を得ようとする場合には、このインピーダンス整
合は望ましくないとみられる。さらに、並列容量を持つ
抵抗の場合のように、素子のインピーダンスが複雑な場
合には、インピーダンス整合がより困難になる。反射が
殆ど無い通常のインピーダンス整合とは違って、素子用
伝送線路２ｏの信号源インピーダンスと入力インピーダ
ンスは意図的に整合を外されており、素子用伝送線路２
ｏには普通的７０ないし８０％の反射が生ずる。素子用
伝送線路は普通、セラミック板に形成された金属化条片
の線路であり、この金属化と、第２の特性インピーダン
スＺ、は通常の写真平板蝕刻技術を用いて変更すること
ができる。

素子２２は一般にコンデンサが並列に付いている抵抗器
とみなされるレーザーダイオードである。

その抵抗値は通常的１ないし１０Ωであり、容量値は約
５ないし２００ｐｆである。本発明は、トランジスタを
含む回路や半導体装置のような、高い周波数において出
方が低下する他の素子に対しても同様に応用しつるとい
うことを知るべきである。第３図に示すように、レーザ
ー３０２は、第１の電気接点が銅製ヘッダに半田づけさ
れて普通に取り付けられている。長さ約０．５ミリメー
トル（ｍｍ）のリボン線３１０が、セラミック板３２１
に取り付けられている素子用伝送線路３２０をレーザー
３０２の第２の電気接点に接続している。レーザーのバ
イアス用直流電源３２２が、素子用伝送線路３２０に接
続されているチョーク３２４と接続されている。直流阻
止用コンデンサ３２６も素子用伝送線路３２０に接続さ
れている。

信号は同軸ケーブル３３０を通じて信号源用伝送線路３
２８へ送られ、そして信号源用伝送線路は続いて素子用
伝送線路３２０に接続されている。第１図に描かれてい
るように、通信装置の中で信号源用伝送線路１６の長さ
はゼロでも良くて、トランジスタ増幅器のような信号手
段１１は素子用伝送線路２０に直接接続してよいという
ことを知るべきである。

第１図に描かれているように、動作に当たっては信号源
１２が直流からマイクロ波周波数までの広範囲の信号を
供給する。この信号は信号源用伝送線路１６を通り、さ
らに素子用伝送線路２０を通って素子２２に達する。信
号源が周波数を高めると、素子２２の出力は低下する。

この出力の低下は４分の１波長の素子用伝送線路２０の
ピーキング効果によって補償される。ピーキングの量は
、低域の周波数における素子の電圧降下が、共振周波数
における素子の電圧降下にほぼ等しくなるように素子用
伝送線路の長さと特性インピーダンスを加減することに
よって調整される。したがって、たとえ素子用伝送線路
２０と素子２２の間にインピーダンスの不整合があって
も、全ての周波数について反射の量がほぼ一定に保たれ
ることにより周波数特性の平坦性が得られる。第１図の
信号源整合抵抗１４が第１の特性インピーダンスｚ１と
ほぼ等しいので、負荷からの反射が信号源整合抵抗１４
に吸収され、出力信号中の付加的な共振または疑似のピ
ーキングは生じないということを知るべきである。

［発明の効果１ 本発明によれば、レーザーダイオードのような素子の周
波数特性の平坦性が延長されるほか、パッケージの設計
が単純化され、信号の大きさが増え、抵抗が減ることに
よって発熱量が減少する。さらに、位相特性がほぼ直線
的になるので、伝送されるディジタル情報が重大な変化
を受けるようなこともない。

以上、本発明の特定の好ましい特徴についてだけ説明し
たが多くの変更は当業者にとっては可能であろう。した
がって、特許請求の範囲は本発明の精神に該当するあら
ゆる変更を包括するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の概略図、第２図は第１図の信
号処理装置から得られる出力応答特性曲線、第３図は本
発明の光学的信号処理装置の取付は状態の斜視図である
。 １０：信号処理装置、 １１：信号手段、 １２：信号電圧源、 １４：信号源整合抵抗、 １６：信号源用伝送線路、 １８：接続インピーダンス、 ２０：素子用伝送線路、 ２２：素子、 ３０２：レーザー、 ３０４：ヘッダ、 ３１０：リボン線、 ３２０：素子用伝送線路、 ３２１：セラミック板、 ３２２：直流電流、 ３２４：チョーク、 ３２６：コンデンサ、 ３２８：信号源用伝送線路、 ３３０：同軸ケーブル。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．入力信号の周波数が第１の周波数を超えて高まると
   出力が低下するような素子に接続された信号処理装置で
   あって、 ある周波数範囲の信号を供給する信号手段 と、 前記第１の周波数よりも高い第２の周波数において共振
   する素子用伝送線路と、 前記信号手段と前記素子用伝送線路との間に接続される
   、値がほぼゼロの接続インピーダンスとを含み、 前記素子用伝送線路は前記素子と接続され、かつ低域の
   周波数におけるこの素子の電圧降下が前記第２の周波数
   におけるこの素子の電圧降下にほぼ等しくなるような値
   の特性インピーダンスを有する信号処理装置。
2. ２．前記第２の周波数が、前記素子の出力が−３デシベ
   ルになる周波数の約１．５ないし３倍である、請求項１
   記載の信号処理装置。
3. ３．前記素子用伝送線路の特性インピーダンスが、前記
   第２の周波数における前記素子のインピーダンスよりも
   大きい、請求項１記載の信号処理装置。
4. ４．前記素子が半導体レーザダイオードからなる、請求
   項１記載の信号処理装置。
5. ５．前記信号手段が信号源整合抵抗を有する信号源から
   なる、請求項１記載の信号処理装置。
6. ６．前記信号源が前記信号源用伝送線路に接続され、こ
   の信号源用伝送線路は前記素子用伝送線路に接続されて
   いる、請求項５記載の信号処理装置。
7. ７．前記信号源用伝送線路の特性インピーダンスが前記
   信号源整合抵抗にほぼ等しい、請求項６記載の信号処理
   装置。
8. ８．出力信号の周波数が第１の周波数を超えて高まると
   出力信号の振幅が低下するような素子の周波数特性の平
   坦性を延長させる信号処理方法であって、 信号源から入力信号を供給する手順と、 前記第１の周波数よりも高い第２の周波数に共振する素
   子用伝送線路を構成する手順と、前記入力信号をほぼゼ
   ロオームの接続イン ピーダンスを通して素子用伝送線路に送出する手順と、 前記素子用伝送線路を素子に接続する手順および、 低域の周波数における前記素子の電圧降下 が、前記第２の周波数におけるこの素子の電圧降下とほ
   ぼ等しくなるように前記素子用伝送線路の特性インピー
   ダンスを調整する手順からなる信号処理方法。
9. ９．前記素子の出力信号が、直流と前記第２の周波数の
   間でほぼ平坦になるように、前記素子用伝送線路の長さ
   と特性インピーダンスを調整する手順をさらに含む、請
   求項８記載の信号処理装置。
10. １０．前記出力信号の変動が、直流と前記第２の周波数
    の間で３０％よりも少ない、請求項９記載の信号処理装
    置。
11. １１．前記出力信号の変動が、直流と前記第２の周波数
    の間で１０％よりも少ない、請求項９記載の信号処理装
    置。
12. １２．前記素子用伝送線路において、約７０％ないし８
    ０％の反射が得られるように、前記素子のインピーダン
    スと前記素子用伝送線路の入力インピーダンスの整合が
    十分に外されている、請求項１１記載の信号処理装置。