JPH05501621A - 高線形性光変調器を内蔵するケーブル・システム - 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】 高線形性光変調器を内蔵するケーブル・システム（技術分野） 本発明は、光の強さを変調する装置に関する。本発明は、数百メガヘルツ以上の 周波機の振幅変調された情報を搬送する目的のため比較的高い電力出力のレーザ の強度変調に特に適する。用途は、例えば、大きなシステム・チャンネル容量、 の高解像度テレビジョン等のための５０乃至６５０ＭＨｚの範囲内、およびおそ らくは更に高い周波数で情報を搬送するケーブル・テレビジョン分配システムを 含む。

（背景技術） 光通信システムの開発に先立ち、実質的に全ての情報伝達は、電気ケーブル・シ ステム、無線周波送信、および更に最近は２点間マイクロ波リンクの使用によっ て行われていた。ある用途に対しては、多数のチャンネルを送るその容量と干渉 に対するイミユニティの観点から、ならびに限度のある空中の無線周波数スペク トルを占有しないという事実の故に、ケーブル・システムは、最適の解決法を提 供する。

このため、長年にわたって、電話の通話、データ、テレックスおよびテレビジョ ンを搬送する広大なケーブル・システムが開発されてきた。光通信システムの増 加の一途の発展により、多くのこのようなケーブル・ネットワークが光ファイバ ・ケーブル・システムで置換され、または品質の向上が図られ、あるいはこれら 両方がなされている。光システムは、より多くのチャンネル数を搬送するその能 力、比較的少ない故障率、および多数のカスケード状の中継器の必要を無くすそ の能力の観点から特に望ましく、これは原理的に歪みの減少をもたらす。今日で は、このようなシステムの主な用途は、ディジタル音声およびデータ通信システ ムにある。

上記の利点にも拘わらず、光フアイバ技術の用途は、ある主要な最終ユーザに対 して幾つかの課題を提供している。光ファイバ・ライン上の伝送はしばしば中継 器間の径間長および１本のファイバにより送ることができる独立チャンネル数の 双方の観点において非常に優れているが、高度に線形の振幅変調（ＡＭ）光信号 の発生は実質的な障害となる。これらの問題は、光フアイバ径間を現存するケー ブル・システムに組込むことが要求される場合に特に重大である。もし現存する システムがディジタル・システムであれば、システムの変調品質は、このような システムが比較的高いノイズおよび高い歪み環境において良好に機能するという 事実により、重要度は比較的小さい。同様に、周波数変調（ＦＭ）システムの場 合は、信号の広い帯域幅、側波帯の冗長度、およびＦＭシステムのノイズに対す る結果的な自然のイミユニティが再び略々満足し得る性能を結果として得る。

しかし、高忠実度振幅変調システムの場合は、実質的な問題が生じる。

現存するネットワークの大きな部分を維持することが要求されるある特定の用途 は、ケーブル・テレビジョン産業においてである。この場合、大量の個々の加入 者結線および広大なローカル・エリア・ケーブルが、システムの完全な置換を望 ましくないものにする。更に、大量の現存テレビジョン・セットおよび非空中テ レビジョン受信用に販売された装備をシステムに適合させなければならないため 、局部信号分配の少なくとも一部が従来のＡＭ無線周波フォーマットであること を必要とする。

これら利点にも拘わらず、当産業が提案してきた最小限の規格を満たすことの困 難の故に、高品質の光振幅変調を狙った実質的な研究努力にも拘わらず、光ファ イバ・システムによるケーブル・テレビジョン産業の浸透は未だ微々たるもので ある。

光キャリヤであれ他のものであれ、キャリヤに振幅変調を載せることを欲する場 合、送信を欲する情報に正比例してキャリの強さを変調することが必要となる。

−・股に、このような線形Ｆｉｌは、一定のスケーリング・ファクタによる倍増 またはＤＣバイアス・レベルの付加あるいはこれら両方と見做される。このよう な動作は線形であり、またこの動作を行う装置はその入力周波数成分と同じ周波 数成分を持つ出力を有することになる。しかし、システム内に非線形性が存在す る場合は、出力もまた人力周波数成分の多（の和と差を表わす成分を含むことに なる。

一般に、変調されたレーザ光ビームを得る方法は多数ある。半導体ダイオード・ レーザの場合は、最も直接的な変調方法は、ダイオードをそのレーザ発光閾値以 上にバイアスを掛けるため一定の入力電流を加え、次いで所要の情報信号と比例 する可変の電流を加えるものである。光出力が閾値以上の入力電流により線形に 変化するならば、光信号は元の情報の高い忠実度の複写となる。多くの最終ユー ザには不都合なことながら、充分な線形度を有する半導体レーザを見出すことは 非常に稀である。Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃａｂｌｅ　Ｔｅ１ｅｖｉｓｉｏｎ　Ａｓ ５ｏｃｉａｔｉｏｎの１９８９年次総会の記録（Ｊａｍｅｓ　Ａ、Ｃｈｉｄｄｉ Ｘ著ｒＦｉｂｅｒ　Ｂａｃｋｂｏｎｅ−Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ　ＡＭ　Ｖ ｉｄｅｏ　ＴｒｕｎｋｉｎｇＪ　（２４６−２５３頁、１９８９年５月））に最 近報告されたように、現在ではこれらの慎重に選択されたレーザのコストが広範 囲な利用を妨げている。

他の代替策は、例えば、ＫｅｒｒまたはＰｏｃｋｅ　ｌ　ｓセルの使用により、 一定の光源の強さを変調することを含む。不都合なことには、このような変調技 術は、本質的に非線形性であり、変調の振幅が実施不能に小さい時のみ比較的良 好な線形性を呈する。更に、変調におけるこのような比較的小さなダイナミック ・レンジの場合には、光源および受信機のノイズの如き他のファクタが、比較的 線形性ではあるが装置の特性のごく一部を用いる結果として達成される忠実度の 利得を優に凌駕しようとする。

論文ｒＵｓｅ　ｏｆ　ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｒｅｄｕｃｅ　１ｎ ｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｉｎ　０ｐｔｆｃａｌｒ ｃｅ　０ｆｆｉｃｅ　ｏｆ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ、報告番 号ＡＦＯ８Ｒ−ＴＲ−７９−０９０４，１９７９年５月）において、Ｌａｒｓｏ ｎおよびＳｍ１ｔｈは発光ダイオードに対する信号入力に予め歪みを与えること によりダイオードの非線形性を補償することを提案した。この技法によれば、入 力電流に対する如く発光ダイオードにより出力された光の強さを測定するように 光受信機および発光ダイオード送信機が構成される。

動的特性を記述する多項式が導かれ、変調百分率の関数として相互変調歪みを予 測するため使用される。次に、補償ネットワークが開発される。この技法を用い て、６〜１５ｄＢの範囲内の相互変調歪み積（ｐｒｏｄｕｃｔ）の減少が判った 。このような改善は確かに重要であるが、これらは高品質の振幅変調光ケーブル ・ネットワークを得るために必要な抑圧度にはほとんど達していない。更に、こ のような車面補償は、発光源の非線形性が充分に規定され、予測可能であり、か つ変化しない場合にのみ可能である。これは、略々高出力半導体デバイスの場合 ではない。

更に有効な試みが、Ｂｕ　１ｍｅ　ｒおよびＢｕｒｎｓ著ｒＬｉｎｅａｒ　Ｉｎ ｔｅｒｆｅｒｏｍｅＬｒｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ　ｉｎ　Ｔｉ：Ｌｉ　Ｎｂ Ｏ，Ｊ　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉ　ｇ　ｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙ。

第ＬＴ−２巻、第４号、１９８４年８月）に提起された。このシステムによれば 、非対称アームを持つＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計型の変干渉金型いてより 大きな線形性を達成した。一般に、この文献に記載されたデバイスは、一方のア ームにＤＣバイアスが与えられ、該ＤＣバイアスにより、１つの光源からの光で あって２つのアームから出る約参番−のコヒーレント光間に約９０ｃ′の固有の 位相バイアスを結果として生じる、２アーム付きデバイスからなっていた。この ような構成は２次および４次の相互変調歪み積を実質的に抑圧する効果を有する が、実質的に影響を受けない３次歪み積がシステムを高品質、比較的高出力およ び大容量の光ケーブル情報分配システムとして充分なものにすることはない。

１９８８年１１月に米国カルフォルニア州５ａｎｔａ　Ｃ１ａｒａ開催のＩＥＥ Ｅ／ＬＥＯ３ＭｅｔＬｉｎｇにおけるＪｏｈｎｓｏｎおよびＲｏｕｓｓｃｌＩの 論文ｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｒ　Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｆｓｔ ｏｒｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ＯｐｔｉｃａｌＭｏｄ ｕｌａｔｏｒｓＪには、導波路干渉計型の変調器における相互変調歪みを低減す るための２重偏波法が提起された。同法では、単一のＴＥモードおよびＴＭモー ドを支持する干渉計型変調器が、変調信号により駆動された。ＴＥモードおよび ＴＭモモ−間には電圧感度における３倍の差が存在するため、相互変調歪みの主 要な３乗項を選択的に抑圧する入力光偏波角度を見出すことができる。

しかし、このような試みは、デバイスの製Ｕよび動作における別の問題を生じる ２つの異なる偏波成分の同時の処理の如き別の問題から免れない。更に、光フア イバ通信線内の２つの偏波成分の散乱部分間の相互作用から生じる干渉効果が、 好ましくない相互変調積または出力テレビジョン信号における圧縮／伸張項ある いはこれら両方を生じることになる。

（発明の概要） 本発明によれば、高度に線形の振幅変調光キャリヤが一体化された光変調器によ り提供される。高度に線形の振幅変調光キャリヤは、変調のための２つのコヒー レント光源を収受する装置であって、２つの干渉計型の電気光学変調器と１つの 光合成波層からなる装置により与えられる。望ましい実施態様においては、この ２つの変調器と光合成器は全て、一体化された光導波構造を用いて１つの平坦な 基板上に構成される。

本発明を実施する１つの方法については、本発明の唯１つの特定の実施例を示す 図面に関して以下に詳細に記載される。

（図面の簡単な説明） 図１は、従来のケーブル・テレビジョン・システムのレイアウトを示す概略図、 図２は、本発明による光ファイバ・バックボーンを組込んだケーブル・テレビジ ョン・システムを示す概略図、 図３は、本発明による図２のシステムに使用される一体化された光線形変調器を 示す概略図、 図４は、図３の線４−４に関する変調器の能動変調部を示す断面図、および図５ は、本発明のシステムにおいて有効な方向性結合器を示す図３の線５−５に関す る断面図である。

（実施例） 本発明は広範囲の用途で使用が容易であるが、説明の目的のため、本発明はこの ような１つの用途の特定のもの、即ちテレビジョン・ケーブル分配システムにお いて記述することにする。このようなケーブル・システム１０は、図１において 実線で示される。システム１０は、システム１０を介して情報の分配が始まるヘ ッド終端１２を含む。分配は、１つの記号により示される中継器増幅器のストリ ング即ちグループ１６と共に多数の脚部１８を形成する同軸ケーブルの多数のリ ンク１４を介して行われる。脚部１８は、ローカル領域２０の如きローカル・エ リアに対して分析のため分解することができる種々のローカル領域に供する。

このようなシステムにおける問題は、関与する増幅数が比較的太き（なり、その 結果ノイズおよび歪みを増加する。実際聞届として、このことは分配ネットワー クの範囲または信号品質を制限する。

例えば、増幅器グループ１５ａを越える如き長い中継器増幅器のカスケードの出 力と接続される加入者を考慮することにより、幾つかの問題の理念を得ることが できる。特に、この信号を受取る前に、ヘッド終端１２により出力される信号は 、４０個以上のカスケード接続された増幅器により増幅することができる。従っ て、増幅器の非線形性は相互に４０回複合されて、信号品質の受入れ得る程度の 劣化で済む増幅器が最上品質のものでなければ信号の著しい劣化ををたらす結果 となる。それにも拘わらず、ヘッド終端に近い中継器により出力された信号は、 ヘッド終端から遠い地点における信号よりも優れた品質のものとなる。更に重大 なことは、カスケード鎖における早期の中継器の故障により生じる諸問題である 。

例えば、もし中継器　グループ１６ｂが故障するならば、２つの脚部と多数のロ ーカル・エリア（本例に示される）を含むケーブル・システムの主要部分はテレ ビジョン・サービスを得られないことになる。

本発明によれば、図１に示されたケーブル・システムは、むしろ図２に示される サービスの形態をとることになる。ここでは、ローカル・エリア２０は、他の２ ２によりサービスを受ける。これらローカル・エリア・ネットワークの各々は分 配ハブ４４を持ち、この分配ハブ（ｈ　ｕ　ｂ）はそれぞれその各々の光ファイ バ・リンク４６を介してテレビジョン信号を運ぶ光キャリヤで駆動される。全て の光ファイバ・リンクは、一端部でその関連する分配ハブと接続され、また他端 部で光ケーブル・システムのヘッド終端４８と接続されている。

中継器増幅器の方向性から判るように、現存するケーブル・システムにおける図 １の従来技術のシステムから本発明の光変調器を内蔵し光ファイバ・リンクを使 用するシステムへの変更は、以下の処理により行うことができる。即ち、電気的 に独立したローカル・エリア・ネットワークを結果として得る隣接するローカル −エリア間の結線を開路し、次いで増幅器のあるものの方向性を逆にする、即ち 特定のエリア・ネットワークに対する新たに組込まれた分配ハブからの分配を行 うようにその入力と出力を反対にすることにより所与のローカル・エリア内のハ ードウェアを修正することによってである。例えば、ローカル・エリア２０の場 合は、本発明のローカル・エリア・ネットワーク２２が新しい分配ハブ４４ａを 含み、前に存在した他のハードウェアおよびケーブルの使用を含む。しかし、中 継器増幅器１６ｃおよび１６ｄは、その入出力がローカル・エリア・ネットワー ク２２において反転されている。同様に、リンク１４ａおよび１４ｂは開路され 、このためローカル・エリア・ネットワーク２２を隣接するローカル・エリア・ ネットワーク２４．２６から遮断して、これに光ファイバ・リンク４６ａにより 信号を供給することを許容する。ケーブル・テレビジョンに対するこのようなネ ットワーク設計における他の変更も存在するが、歪みのない振幅変調信号をヘッ ド終端から隣接の分配ハブへ置くため、全てが４６の如き高品質の光ファイバ・ リンクに依存している。

先に述べたように、光ファイバ・リンクと同様に内蔵する図２のネットワークは 、多数の重要な利点を有するように見える。それにも拘わらず、例外的に高品質 の光変調が行われなければ、重要な問題がこれから生じることになる。しかし、 先に述べたように、従来技術のシステムにはかなりの量の非線形歪みまたは他の 欠陥あるいはこれら両方が存在する。対照的に、本発明によれば、２次、３次お よび４次の歪み積を実質的に抑圧しながら、光キャリヤに対して信号が変調され る手段が提供される。

本発明のシステムは、単に例示の目的のため有機性の電気光学的材料を用いて図 ３および図４に略図的に示されている。図３に略図的に示した一体化光装置はま た、Ｅ、ＶｏｇｅｓおよびＡ、Ｎｅｙｅｒ　（ｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ−Ｏｐｔ ｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｎ　ＬｉＮｂ０．　ｆｏｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍ ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＪ　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ、第ＬＴ−５号、１２２９〜１２３８頁、１９８７年９月）） 、およびこれに引用された文献に記載された如きニオブ酸リチウムにおける従来 技術を、あるいは他の結晶性電気光学的材料を用いても構成することができる。

両論、本発明は、Ｂｕｒｎｓの米国特許第４．２６６．８５０号ｒｌｎｔｅｇｒ ａｔｅｄ　Ｂｉａｓ　ｆｏｒ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏ ｄｕｌａｔｏｒＪに開示された形式のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒのニオブ酸リチ ウム変調器で実現することもできる。あるいはまた、Ｈａａｓ、Ｌｅｅ、Ｍａｎ およびＭｅｃｈｅｎｓｋｙ（ｒＮｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｐｏｌｙ ｍｅｒｓＪ　（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　５ｐｅｃｔｒａ、第２３巻、第４号、１６ ９〜１７４頁、１９８９年４月））により、あるいはその文献に記載される如く 、電気光学的ポリマーのフィルム内部に構成することができる。

図３および図４によれば、本発明の複合変調器１００は基板１０２を含む。光集 積回路１０４が、基板１０２の頂面に配置される。

相互に接続された複数のベース電極１０８．１１０．１１２および１１４が、図 ３の概略図に示された位置に略々配置されている。これらの電極は、典型的には 金から作られ、０，１乃至４ミクロンの厚さ１１６を有する。

クラツディング領域１１８が、光導通領域即ち部材１２０の周囲に配置されてい る。望ましい実施態様によれば、光導通部材１２０は新しく開発された有機性の 電気光学的ポリマー、あるいは両論チタン非拡散ニオブ酸リチウムの如き更に周 知の材料から作ることができる。光導通部材１２０の光屈折率はクラツディング 領域１１８のそれよりも大きい。本発明における実現に適する有機性の電気光学 的材料およびその使用法については、参考のため本文に引用されるＤｅＭａｒｔ ｉｎｏの米国特許第４，７６６．１７１号「ｏｒｇａｎｉｃ　Ｎｏｎ１ｉｎｅａ ｒ　０ｐｔｉｃａｌ　５ｕｂｓｔｒａｔｅＪおよびＤｅ　Ｍａｒｔｉｎｏ等の同 第４，８２２，８６５号ｒＡｃｒｙｌｉｃ　Ｃｏｐｏｌｙｍｃｒｓ　Ｅｘｈｉｂ ｉＬｉｎｇ　Ｎｏｎ１ｉｎｃａｒ　０ｐＬｉｃａｌ　ＲｃｓｐｕｎｓｃＪにおい て論述されている。図３において、本発明の構造は、ベース電極１０８．１１０ ．１１２および１１４にそれぞれ重なり合う６つの外側電極１２８．１３０．１ ３２．１３４、および方向性結合器構造体（図５）とにより完成される。

図３の概略図において、例示の目的のため、電極が相互にややずれた状態で示さ れることが判る。しかし、実際の構造においては、図３に示された斜視図は平面 図では電極が実質的に相互に重なり合うことは判らない。両論、図４に示される 如きこのような重なり合う構造は、電極がその間に光導通部材１２０の光導述作 用領域を略々覆う空間を定める限り、不必要である。

図３に示されるように、一体化された光変調器１００は、変調されるべきコヒー レント光波を受取る第１の光入力部１３６および第２の光入力部１３８を略々定 めている。第１の光入力部１３６は、入力リンク１４０に対するカップリングと して働き、これは更に情報アーム１４２とバイアス・アーム１４４とに分かれて いる。アーム１４２および１４４は、分岐部１４６に光を送るため接合している 。同様に、第２の光入力部１３８は、入力線１４８に対する入力として働き、こ れは更に情報アーム１５０とバイアス・アーム１５２に分かれている。同様に、 アーム１５０．１５２は、分岐部１５４を形成するよう接合している。最後に、 分岐部１４６および１５４は方向性結合器１５５の混合リンク１５６ａ、１５６ ｂに対して結合され、この結合器１５５の出力４８ａ、４８ｂは、図２に示され る如く複数の光ファイバ・リンク４６の２つに対して変調された光情報を分配す るためのヘッド終端として働く。リンク１５６ａ、１５６ｂにおける混合の程度 は、電界の強さが結合器における混合量を調整する該電界１６３を生成する電圧 を受取る１対の電極１５９．１６１（図５に示される如き）によって制御される 。

電極１５９．１６１は、本発明の変調器１００における他の垂直電極対とは異な り、同一平面上の電極対を形成する。

従って、上記のことから判るように、本発明の一体化された光変調器は、２つの アームを持つマッハーツェ鼻−ンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計型変調 器を一部に含み、これにおいては、２つのアームを持つ入力線と出力分岐部を持 つ２つのアームの接合部との間の光路長を有効に変化させるため、４つのアーム の各々の一部の屈折率は、そのそれぞれのベースと上部電極との間に適当な電圧 を加えることにより変更することができる。

本発明によれば、第１の光入力部１３６と第２の光入力部１３８は、それぞれレ ーザ光１５８．１６０により駆動される。一体化光サブユニット１００に対する 入力部にレーザ光１５８．１６０を提供する光リンクは、短い長さの単一モード の光ファイバ、自由空間のレンズ、ＧＲＩＮレンズ、偏波を維持する単一モード 光ファイバあるいは他の手段により作ることができる。できるだけ多くの光が導 波路に進入させられること、および一般に光学系要素の相対的運動により生じる 入力偏波における変動を最小限に抑えることだけが必要である。

動作中、５０乃至３ＱＱＭＨｚ以上の範囲の、６．００ＭＨｚ程度の帯域幅を有 する従来のフォーマットのビデオ信号を送るビデオおよびオーディオ・キャリヤ の和を含む電気信号が、電極１２８．１３４に対して加えられる。この結果、分 岐部１４２．１５０における光の位相がそれぞれ変調される。同時に、２つのＭ ａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅ　ｒ干渉計型変調器１６４および１６６それぞれの２つの アーム間の相対的位相を変更するため、ＤＣバイアスが端子Ｖ、に加えられ、別 のＤＣバイアスが端子ＶＣに加えられる。更に、電極１０８．１１０．１１２． １１４が接地され、これにより電極対１０８および１２８．１１０および１３０ ．１１２および１３２．１１４および１３４の各々の間に電界を形成する。この 電界は、先に述べたように、対面する電極間に存在するアームのその部分の屈折 率を変化させ、これにより光路長を有効に変更し、従って変調器１６４．１６６ それぞれの出力接合点１７０．１７２における建設的（ｃｏｎｅ　ｔ　ｒｕｅ　 ｔ　ｉ　ｖｅ）または破壊的干渉が生じる程度を変更する。

これがどのように得られるかを理解するため、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器 の一般的な場合について考察しよう。特に、情報アーム１４２を通る、位相被変 調正弦波のコヒーレント光に対する式を下記の如く表わそう。即ち、（１）　（ Ｅ／２）ｅ”・・・φ） 但し、Ｅは変調器に対するコヒーレント光ビーム入力の入力電界強度で、その半 分がその２つのアームの各々に送られ、Ｗはラジアン／秒単位の光の周波数、ｔ は時間、φは位相変調情報、およびｊは−１の平方根である。

同様に、バイアス・アームを通る非変調成分について下記の如く考えよう。即ち 、バイアス電圧が加えられないものとして、（２）　（Ｅ／２）ｅ’−” 出力接合点における電界は、変調および非変調成分の和の形態をとり、これは下 式となる。即ち、 （３）　（Ｅ／２）ｅノ°’（ｌ十ｅ’つテレビジョン・システムの場合は、φ は、変調成分を持つ全てのキャリヤ（典型的には、５０〜５００ＭＨｚの範囲） の和を表わす電圧と比例し、時間の関数として変化して従来のテレビジョン情報 を伝送する。光の強さが電界強度にその複素共役を乗じたちにと等しい限り、接 合点１７０における出力は下式によりめることができる。即ち、 （４）　！、＝（Ｅ／２）ｅ”（１＋ｅ’φ）（Ｅ／２）ｅ−”　（１＋ｅ−’ つ但し、■。は出力光の強さである。

代数的操作により、この式は下式にすることができる。即ち、（５）　（Ｅ２／ ４）（２＋（ｅ’φ＋ｅ匂φ））あるいは、三角関数を用いて （６）　（Ｅ”／４）　（２＋（ｃｏｓφ＋ｊ　ｓｉｎφ）＋（ｃｏｓφ−ｊ　 ｓｉｎφ））虚数項の和がゼロになるため、全ての実数項が残る。即ち、（７） 　１．＝　（Ｅ”／２）（１＋ｃｏｓφ）あるいは、デバイスの伝達関数によれ ば、（８）　１．／Ｌ＝１／２　（１＋ｃｏｓφ）但し、■、はＭａｃｈ−Ｚｅ ｈｎｄｅｒ干渉計型変刺器に対する入力光の強さである。このようなデバイスの 伝達関数について考察すれば、被変調信号には厳密な正弦波の非線形性が存在す ることを示すことができる。

しかし、Ｍａｃｈ−Ｚｅ１１ｎｄｅｒ干渉計型変調器の一方のアーム（即ち、変 調器１６４のアーム１４４）に電極１１０．１３０を介してＤＣバイアス電圧が 与えられる時は単純な状態が生じる。これら電極１１０．１３０は、ゼロの変調 電圧が電極］−０８，１２８に加えられる時、＋９０°あるいはその正または負 の奇数倍のＹ−ム１４２．１４４の接合点１７０における出力間の位相差をもた らす結果となる。

望ましい実施態様によれば、変調が与えられない時、アーム１４４におけるコヒ ーレント光とアーム１４２におけるコヒーレント光との間に一９０°の位相差を もたらす結果となるＤＣバイアスがアーム１４４に与えられる。このため、もし Ｅがレーザ光１５８の電界強度であるならば、（９）　（Ｅ／２）ｃＩ（−”− ９０”＋　（Ｅ／２）ｃ”−’す）が電界の値（ＤＣバイアスを掛けたアームに おける光の電界と、アーム１４２．１４４の接合点１７０における情報を含む電 圧Ｖ、を用いることにより光強さがφで変調されるアームにおける電界との和） となる。

各項を簡単にすると、これは下式と等しくなる。即ち、（１０）　（Ｅ／２）ｅ 　ノ　３°１−９０’＋　（１＋　ｅ　Ｉ　Ｆ＄＋１ＩＱｌ１１　）複素共役で 乗じると、下式を得る。即ち、（１１）　Ｉ、−（Ｅ”、／２）（１＋ｃｏｓ　 （φ＋９０°））あるいは （１２）　Ｉ、−（Ｅ’／２）（１−ｓ　ｉｎφ）伝達関数について解けば、下 式を得る。即ち、（１３）　１．／１１；（Ｅ”／２）（１−ｓｉｎφ）同様に 、変調器１６６の場合は、変調が与えられない時、本発明により、ＤＣバイアス 電圧を電極１１２．１３２に加えて、アーム１５２．１５２間の＋９０゜の位相 シフトを生じて、その結果変調器１６６では接合点１７２における電界は下式で 表わすことができる。即ち、 （１４）　（Ｅ’／２）ｅ”−”＋９００’＋　（Ｅ’／２）ｅ”°ｔ１＋４’ １但し、Ｗ′はレーザ光１６０の角周波数である。

この式を単純化すると、下式を得る。即ち、（１５）　（Ｅ’／２）ｅ”−”” ｏ０’　（１＋ｅＩ（φ′−９°０１）但し、Ｅ′は光波１６０の電界強度、φ ′は電極１１４．１３４に電圧Ｖ、を加えることにより得る電極１１４．１３４ に加えられかつスケールを付した振幅変調情報である。複素共役で乗じて、接合 点１７２に対する出力強度を得る。即ち、（１６）　、１’、＝　（Ｅ”／４） 　（１＋　ｅ”φ’　−９０’ｌ　）　（ｌ　＋　ｏ−）（φ＃　−９００１） この式は下式となる。即ち、 （１７）　（Ｅ”／２）（１＋ｃｏｓ　（φ′−９０°））正弦関数に変換すれ ば、下式を得る。即ち、（１８）＝　（Ｅ′２／２）（１＋ｓ　ｉ　ｎφ′）こ れは、下式の如（の伝達関数を得る。即ち、（１９）　Ｉ’、／Ｉ’　１＝１／ ２　（１＋ｓ　ｉｎφ′）接合点１７０における出力（式１３）および接合点１ ７２における出力（式１９）は接合点１６２で加算され、出力終端４８ａ、４８ ｂから出る。＋９０°および一９０°の位相シフトと対応する光路長バイアスと 等価なものを個々のアームを伸縮することによりそれぞれの変調器に構成し、そ れにより各変調器の１つのアームのＤＣバイアスの必要を無（せることか判る。

電気的および物理的経路長バイアスの等価な組合わせも同様に用いることができ る。

種々の次元の歪み積の存在を理解するため、テレビジョン信号が略々φ＝０に変 化するものとし、かつ１θ１〈１に対してｓｉｎθがＴａｙｌｏｒ級数により表 わせることが判る。即ち、 （２０）　ｓｉｎθ＝θ−θ３／３！＋θ５１５！−θ７／７！・・・正弦成分 のみ、更に重要には逆符号正弦成分のみを持ち、２つのＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅ ｒ変調器に対する２つの出力強度に＋９０°のＤＣ位相バイアスを加える式１２ および１８から出力強度に対する値をとるならば、下式の如く図３に示される本 発明の変調器の出力を得る。即ち、（２１）　（Ｅ２／２）　（１−ｓｉｎφ） 　＋（Ｅ”／２）　（１＋ｓ　ｉ　ｎφ′）各項を統合すれば、下式を得る。即 ち、（２２）　Ｌ、−２（１，±Ｉ’１−１：Ｓｉｎφ＋１’　１ｓｉｎψ′） 式２０にＴａｙｌｏｒ級数を代入して、下記の如く本発明の変調器のヘッド終端 ４８ａ、４８ｂにおける時間的に変化する出力を得る。即ち、（２３）　（１， ／２）（−φ十φＪ／３！−φ５１５！十φ７／７！・−・）＋（１’、／２） 　（φ′−φ”／３　！＋φ”１５　！−φ／　７／　７　ｊ・・・）このため 、第３次項を打消すため、下式を選好して、１次項に加わる５次及びより小さい 歪み積のみを残す。

（２４）　φ′＝φ（３ｆ１１／′Ｉ　ｌ）これは、従来の方法で光波１５８． １６０の強さを所要のＩ、およびＩ′１に設定し、また式２４の比で電極対１０ ８．１２８および１１４．１３４に加えられるテレビジョン信号電圧Ｖｂおよび Ｖ、の大きさを設定することにより行われる。バイアス、変調、スケーリングな どは、フィードバック・タイプの電子制御回路を用いることにより周知の方法で 行われる。

詳細には、２次歪み成分を監視することにより、個々のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅ ｒ変調器のバイアス・アームと関連する電極対を制御するため使用できるフィー ドバック信号を生じることができる。同様に、３次歪み積を監視することにより 、方向結合器、または以下に定義される如きレーザの強さ比α、あるいはこれら 両方と関連する電極対を制御するためフィードバック信号を生じることもできる 。

ケーブル・システムの動作に影響を及ぼさないように周波数が充分に低い周波数 スペクトルの既知の点において、同時に本発明のシステムのフィードバック制御 に適し、また実質的に干渉もなく測定を可能にするようにシステムにおける情報 信号から充分に周波数において除かれる歪み積を生じるために、第１の低周波信 号（例えば、５　Ｑ　Ｋ　Ｈｚ）をＶ、に加えることにより、また異なる低周波 信号（例えば、５２ＫＨｚ）をＶ６に加えることにより本発明の変調器を動作さ せながら、２次乃至４次歪み積の最小化を行うこともまた可能である。

周知の性質の方向性結合器１５５の特性の故に、２つの光出力４８ａおよび４８ ｂが存在する３、出力４８ａは下記の周知の強さの出力を与える。即ち、（２５ ）　１／４　（１＋にψ） 但し、　（２６）　Ｋ−（α”３−１）／（α＋１）また （２７）　α＝１．／Ｉ’。

混合リンク１５６ａと１５６ｂ間の５０％の交差がデバイスに生じるならば、他 方の出力４８ｂの強さは出力４８ａのそれと等しくなる。

このような場合、この第２の出力は、第２の隣接の分配ハブを供給するため有効 である。ＤＣ電極対１５９．１６１は、必要に応じて、この組合わせが式２３に より正確に記載されることを保証するように、２つの光信号の等しい混合が生じ ることを保証する。

第１の高調波歪み積は５次であるため、１２くαく２７の範囲が有効であり】６ 乃至２０が選好されるが略々１８のα値において生じる量にαＩ／６が最大値で ある時、信号対歪み比および信号対ノイズ比が最大化されることが判る。

もし２つのレーザ光源１５８．１６０の波長が同じ（波長が２πＣ／Ｗ（Ｃは光 の速度）であるため、ｗ＝ｗ’となるように）であったならば、方向性結合器１ ５５に生成される有害な干渉項が存在することを知ることが重要である。従って 、２つの光源間に波長差が存在することが重要である。簡単な誘導において、こ れら干渉項の各々の強さがｓｆｎΔｔまたはＣＯＳΔｔのいずれかのファクタで 変調されることが判る（但し、ｔは時間、Δは（ｗ−ｗ’）と等しい）。周波数 Δ／２ｘが光検出システムの帯域幅より遥かに大きいことを保証することは容易 である。このことは更に、光検出器がこれらの正弦項を多くの正弦波周期にわた り積分し、これにより潜在的な有害項のそれぞれに対して受取った光エネルギを ゼロに平均化することを保証する。

Δ／２πを検出器の帯域幅より遥かに大きくする条件は、下記の如く波長λおよ びλ′の２つのレーザ光源により満たされ得る。即ち、（２８）　Δ／２π−（ ｗ−ｗ’）／２π＝ｃ／λ−Ｃ／λ′２つの波長が略々等しければ、 （２９）Δ／２ｘ＝ｃ　（１／λ−１／λ’）　”ｙ−（ｅ／λ）（（λ′−λ ）／λ）１３００ｎｍのレーザ光においては、Ｃ／λは略々２Ｘ１０”Ｈｚであ る。一方、例えば、ケーブル・テレビジョン・システムにおける検出器帯域幅は ＩＧＨｚ（ＩＸｌｏ”Ｈｚ）よりは大きくない。このため、僅かに５Ｘ１０−’ （５ｐｐｍ）より大きな大きさの分数形式の波長（λ′−λ）／λは、潜在的な 有害干渉項の消去を保証することになる。レーザ光源の波長は、必要に応じて、 熱手段により調整することができる。

本発明のシステムが、進行波電極構造を用いて本発明の変調器１００の製造によ り、高い帯域幅、即ち、レーダ装置における如き２ＧＨｚ以上の電気的な入力信 号を分配するシステムに応用できることが判る。このように高い帯域幅の装置に おいては、２つのレーザの分数形式の最小波長差は（帯域幅に比例して）より大 きいことを必要とするが、依然として達成可能である。

特に、バイアスおよび情報電極は「ブツシュ・プル」形態で使用することもでき る。この構成においては、各電極対は千渉計構造の対向するアームに重複される 。このため、５０％低い駆動電圧を使用することができるが、２つのアームにお ける極性は反対となる。

また、ニオブ酸リチウムのデバイスの場合には、位相変調アームの活性領域にお ける電界が、クリスタル・カットの選択に適するように、垂直あるいは水平方向 のいずれかに指向されるように同一面の電極対を構成できることが判る。

式（２３）における和の結果として生じる３次歪みの消去を保証するため、方向 性結合器１５５において２つの情報信号φおよびφ′を含む光波を合成する時そ れらは同期していなければならない。２つの光波に対する有効光路における差を もたらす一体化された光デバイス１００における物理的な非対称性は、これら情 報信号を非同期状態にする効果を有することになる。しかし、この効果は、情報 電圧信号Ｖ、および■、を供給する電気回路に制御可能な電気的遅れを加えるこ とにより簡単に補正することができる。

本発明の実施例を本文に記載したが、両論、当業者には種々の変更例が明らかで あることが判る。このような変更例は、請求の範囲によってのみ限定される本発 明の趣旨および範囲に含まれる。

国際調査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）変調されるべき光を受取る第１の光入力ポートと、電気的な変調信号 を受取る第１の電気的入力ポートとを含む第１の変調器を設け、該第１の変調器 は、被変調光に対する第１の光出力ポートを有し、かつ偶数次の歪み積を実質的 に排除する特性を有し、かつ該第１の変調器は３次の相互変調歪み積が第１の符 号である特性を有し、 （ｂ）変調されるべき光を受取る第２の光入力ポートと、電気的な変調信号を受 取る第２の電気的入力ポートとを含む第２の変調器を設け、該第２の変調器は、 被変調光に対する第２の光出力ポートを有し、かつ偶数次の歪み積を実質的に排 除する特性を有し、かつ該第２の変調器は、３次の相互変調歪み積が前記第１の 符号と反対の符号である特性を有し、 （ｃ）光を前記第１および第２の光入力ポートに提供する光源手段と、（ｄ）前 記電気的変調信号を前記第１および第２の電気的入力ポートに結合する電気的結 合手段と、 （ｅ）前記第１および第２の光出力ポートの出力を受取り、その出力において被 変調出力光信号を生じるように結合された加算器とを設けてなる光変調器。
2. ２．前記第１および第２の光入力ポートが、動作波長が相互にずれた２つのレー ザ光源と結合される請求項１記載の変調器。
3. ３．前記第１の変調器が、 （ｉ）第１の光入力経路と、 （ｊ）前記第１の光入力経路を第１および第２の経路に分割する第１の手段と、 （ｋ）前記第１の経路と結合された第１の変調アームと、（ｌ）前記第２の経路 と結合された第１のバイアス・アームとを含み、前記電気的信号がゼロである時 、前記第１の経路における光と前記第２の経路における光との間の位格差が＋９ ０°であり、 （ｍ）前記第１の結合手段と結合されて、前記電気信号に含まれる情報を受取り 、前記第１の経路を通る光の部分を位相変調する第１の電極と、（ｎ）前記バイ アス・アームと前記変調アームの出力を合成する第１の光合成器とを設け、 前記第２の変調器が、 （ｏ）第２の光入力経路と、 （ｐ）前記第２の光入力経路を第３および第４の経路に分割する第２の手段と、 （ｑ）前記第３の経路と結合された第２の変調アームと、（ｒ）前記第４の経路 と結合された第２のバイアス・アームとを含み、前記電気信号がゼロである時、 前記第３の経路における光と前記第４の経路における光との間の位相差が−９０ °であり、 （ｓ）前記第２の結合手段と結合されて、前記電気信号に含まれる情報を受取り 、前記第３の経路を通る光の部分を位相変調する第２の電極と、（ｔ）前記バイ アス・アームと前記変調アームの出力を合成する第２の光合成器とを含む、請求 項１記載の変調器。
4. ４．動作波長が相互にずれた前記２つのレーザ光源がそれぞれ前記変調器の１つ と結合される請求項３記載のケーブル・テレビジョン分配システム。
5. ５．前記変調器が電気光学的材料から作られる請求項４記載の変調器。
6. ６．前記変調器がニオブ酸リチウムから作られる請求項４記載の変調器。
7. ７．前記バイアス・アームにおける位相を制御するため２次歪み積を測定する手 段を更に設ける請求項４記載の変調器。
8. ８．前記光源装置が、前記光をそれぞれ強さＩ１および１′１を有する前記第１ および第２の変調器に結合し、前記電気信号が、下記の関係に従ってそれぞれ位 相変調φおよびφ′を有する前記第１および第２の変調器を通る光を変調する請 求項１記載の変調器。 φ′＝φ（３√Ｉ１／Ｉ′１）
9. ９．Ｉ′１対Ｉ１の比αが１６乃至２０の範囲内にある請求項８記載の変調器。
10. １０．比αが約１８である請求項９記載の変調器。
11. １１．前記第１および第２の変調器が、マッハーツエーンダタイプの変調器であ り、前記第１の変調器は、第１の合成器における出力が前記第１の変調器の情報 アームの非変調出力に対して９０°だけシフトされるアームを有し、前記第２の 変調器は、出力が前記第２の変調器の情報アームの非変調出力に対して−９０° だけシフトされるアームを有する請求項３記載の変調器。
12. １２．前記±９０°のシフトが、前記第１および第２の変調器における２つのア ーム間の経路長の差により限定される請求項１１記載の変調器。
13. １３．前記測定する手段が、前記変調器の動作と干渉しないスペクトルにおける 既知の点における歪み積を生じる既知の周波数を注入する手段を含む請求項１２ 記載の変調器。
14. １４．前記加算器が、１本の出力ファイバのＹ接合結合器である請求項１記載の システム。