JPH0998026A - マイクロ波信号発生方式及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成で安定したマイクロ波信号を発生さ
せる。 【解決手段】単一のレーザ１の出力光をポンプ光９にし
て、光ファイバ３の第３次非線形光学効果である誘導４
光子混合により、ストークス光及びアンチストークス光
を発生させ、光周波数フィルタ４(a)、４(b)により、ポ
ンプ光９を除去すると共に、ストークス光１３及びアン
チストークス光１２を分離し、ストークス光１３かアン
チストークス光１２のどちらか一方の光を光変調器５で
光変調し、変調された光と無変調の光を同時にフォトデ
ィテクタ６に入力し、ＢＰＦ７で不要な成分を除去する
ことにより、マイクロ波信号１６を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無線通信等における
光学的なマイクロ波信号発生技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より光学的なマイクロ波発生技術と
して、周波数の異なる２つの光波を発生させ、両者のビ
ート周波数を検出することによって、周波数差に相当し
たマイクロ波を生成する方法が知られていた。この方法
では２つの光波の位相や周波数を安定させる必要があ
り、そのために種々の方法が試みられていた。その代表
例は発振周波数が安定で互いに異なる２つレーザを用
い、両者の光の位相関係を固定する、いわゆる位相同期
を用いる方法である。図６はそのレーザの位相同期を行
うための光学系を示しており、図において４０は第１の
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、４１は第２のＮｄ：ＹＡＧレー
ザ、４２は第１のフォトディテクタ、４３は第２のフォ
トディテクタ、４４は光合波器、４５はレンズ、４６は
積分器、４７はループフィルタ、４８は増幅器、４９は
ミキサ、５０はシンセサイザ、５１はピエゾ素子、５２
はペルチェ素子、５３は出力電気信号である。

【０００３】レーザの位相同期光学系において、レーザ
４０及びレーザ４１の出力ビームは、光合波器４４で合
波されてフォトディテクタ４３に入力される。この合波
された光はフォトディテクタ４３で自乗検波されて、ビ
ート周波数の信号が得られる。このビート信号の位相を
基準となるシンセサイザ５０のＲＦ信号と共にミキサ４
９に入力する。ミキサ４９は２つの入力信号の位相差に
比例した出力電圧を発生するので、これをレーザ４０に
帰還することによって、レーザ４０に設けたピエゾ素子
５１とペルチェ素子５２が夫々共振器長と温度を変化さ
せレーザ４０の発振周波数と位相を制御する。そして、
帰還回路を構成するループフィルタ４７の利得を調整す
ることによって、ビート周波数は基準信号に同期し、レ
ーザ４０及びレーザ４１の周波数と位相同期が達成され
る。図７は本方式で発生したマイクロ波信号の波形であ
り、中央のピーク周波数の３０ＧＨｚがビート周波数に
相当している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本方式
は構成が複雑であり、２つのレーザを用いるために小型
化と経済化が困難である。また位相同期技術は精密なル
ープフィルタの利得調整が必要であり、また技術的にも
熟練を要するため実用には適さないという欠点があっ
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑み提案
されたもので、ポンプ光の入射によって、光ファイバの
第３次の非線形光学効果である誘導４光子混合により、
ストークス光とアンチストークス光を発生させ、光周波
数フィルタ手段によりポンプ光を除去すると共に、スト
ークス光とアンチストークス光とを分離し、ストークス
光とアンチストークス光の何れか一方の光のみを光変調
手段により変調し、光電変換手段の受光面に変調した光
及び無変調の光を同時に照射して自乗検波出力信号を得
ると共に、電気信号フィルタ手段により、自乗検波出力
信号からストークス光とアンチストークス光の周波数差
に相当するマイクロ波信号のみを選択して出力するマイ
クロ波信号発生方式を得るものである。

【０００６】また、ポンプ光の入射によって、光ファイ
バの第３次の非線形光学効果である誘導４光子混合によ
り、ストークス光とアンチストークス光を発生させ、光
周波数フィルタ手段によりポンプ光を除去すると共に、
ストークス光とアンチストークス光とを分離し、ストー
クス光とアンチストークス光の何れか一方の光のみを光
変調手段により変調すると共に、変調した光及び無変調
の光を夫々独立させて伝送し、光電変換手段の受光面に
変調した光及び無変調の光を同時に照射して自乗検波出
力信号を得ると共に、電気信号フィルタ手段により、自
乗検波出力信号からストークス光とアンチストークス光
の周波数差に相当するマイクロ波信号のみを選択して出
力するマイクロ波信号発生方式を得るものである。

【０００７】本発明は、更に、ポンプ光の入射によっ
て、光ファイバの第３次の非線形光学効果である誘導４
光子混合により、ストークス光とアンチストークス光を
発生させる光ファイバ素子と、ポンプ光を除去すると共
に、ストークス光とアンチストークス光とを分離する光
周波数フィルタ手段と、ストークス光とアンチストーク
ス光の何れか一方の光のみを変調する光変調手段と、受
光面に変調した光及び無変調の光を同時に照射して自乗
検波出力信号を得る光電変換手段と、自乗検波出力信号
からストークス光とアンチストークス光の周波数差に相
当するマイクロ波信号のみを選択して出力する電気信号
フィルタ手段とからなるマイクロ波信号光伝送装置を得
るものである。

【０００８】また、ポンプ光の入射によって、光ファイ
バの第３次の非線形光学効果である誘導４光子混合によ
り、ストークス光とアンチストークス光を発生させる光
ファイバ素子と、ポンプ光を除去すると共に、ストーク
ス光とアンチストークス光とを分離する光周波数フィル
タ手段と、ストークス光とアンチストークス光の何れか
一方の光のみを変調する光変調手段と、変調した光及び
無変調の光を夫々独立して伝送する光伝送手段と、受光
面に変調した光及び無変調の光を同時に照射して自乗検
波出力信号を得る光電変換手段と、自乗検波出力信号か
らストークス光とアンチストークス光の周波数差に相当
するマイクロ波信号のみを選択して出力する電気信号フ
ィルタ手段とからなるマイクロ波信号光伝送装置を得る
ものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、具体的には、単一のレ
ーザと光ファイバの非線形光学効果を利用して周波数差
がマイクロ波に相当する位相の揃った光波を発生させる
方法であり、先ず大まかな動作原理は、光ファイバ非線
形効果で２つの異なる周波数の光波を発生させ、一方を
情報信号で変調し、両者を自乗検波で周波数差に相当す
るマイクロ波信号を生成するものである。

【００１０】次に、本発明の実施例の具体的な構成を図
面に従い説明する。図１は本実施例のマイクロ波信号発
生装置の構成図であり、１は室温連続発振型の高パワー
半導体レーザ素子、２(a)、２(b)は光増幅器であり、こ
の実施例ではエルビューム・ドープ・ファイバ・アンプ
を用いている。３は非線形効果発生用非線形光ファイバ
素子、４(a)、４(b)は光周波数フィルタ、５は光変調器
であり、この実施例では、電気光学効果を用いた導波形
光変調素子を用いている。尚、これらの光学素子は、可
能な限り集積回路化している。６はフォトディテクタで
あり、ＰｉｎＰＤ（Photo Diode）やＡＰＤ（Avalanche
Photo Diode）等の高速応答特性を有するフォトダイオ
ードを用いている。７はＲＦ−ＢＰＦ（高周波Band-pas
s filter）であり、フォトディテクタ６の出力信号から
不要な信号を除去している。尚、図中において本実施例
の説明に不要な光カプラや増幅器は省略している。

【００１１】また、９はポンプ光スペクトル、１０は誘
導４光子混合のスペクトル、１１はポンプ光除去後のス
ペクトル、１２はアンチストークス光のスペクトル、１
３はストークス光のスペクトル、１４は情報信号、１５
は変調されたアンチストークス光のスペクトル、１６は
出力マイクロ波信号のスペクトルである。

【００１２】図１において光増幅器２(a)を介して出力
された半導体レーザ素子１の光周波数ｆｃのポンプ光９
を光ファイバ３に入射した際に、光ファイバ３における
誘導４光子混合で発生するストークス光とアンチストー
クス光の周波数は、夫々ｆｃ−Δｆ、ｆｃ＋Δｆであ
る。ここでΔｆは周波数シフト量であり、この値はポン
プ光周波数と光ファイバの分散値によって決定する。そ
して、ファイバ出力光１０は、再度光増幅器２(b)で増
幅され、前段の光周波数フィルタ４(a)でポンプ光が除
去されて１１に示すスペクトルの光になり、更に後段の
光周波数フィルタ４(b)でストークス光１３とアンチス
トークス光１２に分離される。

【００１３】分離したいずれか一方、図１ではアンチス
トークス光１２を光変調器５に入力し、伝達すべき情報
信号１４で変調した後、変調されたアンチストークス光
１５と無変調のストーク光１３を合波し、フォトディテ
クタ７で自乗検波して、ＢＰＦ８でフィルタリングし、
不要な高周波成分及び直流成分を遮断することによっ
て、キャリア周波数が２・Δｆ（＝ｆａ−ｆｓ）のマイ
クロ波の情報信号が生成できる。この際、フォトディテ
クタ７の応答速度は、情報信号１４のビット転送速度の
少なくとも２倍は必要である。そこで、フォトディテク
タ７としては、応答速度の速いＡＰＤやＰｉｎＰＤ等が
用いられる。尚、この実施例では、アンチストークス光
を光変調しているが、光変調をおこなうのはアンチスト
ークス光に限定されず、ストークス光を光変調するよう
な方式であってもかまわない。

【００１４】次に、誘導４光子混合の原理について述べ
る。誘導４光子混合は、高電界強度下において、２個の
ポンプ光子からストークス光子とアンチストークス光子
を１個ずつ発生するもので、光ファイバの第３次非線形
光学効果に起因するものである。この際、ポンプ光周波
数からの周波数シフト量をΔｆとすると、エネルギ保存
則から３つの波の周波数の関係は次式を満足しなければ
ならない。

【００１５】

【数１】数式１ ｆa＝ｆｃ＋Δｆ

【数２】数式２ ｆs＝ｆｃ−Δｆ （ただし、ｆｃはポンプ光の周波数）

【００１６】一方、３波は次式の運動量保存則を同時に
満足しなければならない。

【００１７】

【数３】数式３ ２ｎｃｆｃ＝ｎｓｆｓ＋ｎａｆａ （ただし、ｎｉは周波数ｆｉにおける屈折率）

【００１８】そして、Δｆは数式１、数式２及び数式３
の連立方程式の解として決定される。従って、光ファイ
バの分散特性またはポンプ光周波数を任意に選択するこ
とによって、所望のΔｆを得ることができる。

【００１９】更に、誘導４光子混合で発生するストーク
光とアンチストークス光の光波は周波数が安定で且つコ
ヒーレントで位相関係が固定しているため、両者の自乗
検波出力と得られるマイクロ波信号は周波数や強度の揺
らぎがない。以上の理由からマイクロ波信号発生方法と
して、従来方法に比べて簡便で且つ優れているといえ
る。

【００２０】尚、この実施例では、ポンプ光として高パ
ワー半導体レーザ素子１の出力光を光増幅器２(a)で増
幅して得ているが、本発明ではこれに限定されるもので
はなく、誘導４光子混合に必要な電界強度が得られる光
周波数が安定で且つコヒーレントな光を常温で連続供給
できる光源であればどのような光源であってもかまわな
い。また、光ファイバ３の出力光を光増幅器２(b)で増
幅しているが、光増幅器２(b)を配する位置は光周波数
フィルタ４(a)と光周波数フィルタ４(b)の間に挿入して
もよく、更には、誘導４光子混合で発生するストーク光
とアンチストークス光が必要な光量を満たしていれば、
省略してもかまわない。

【００２１】次に、光周波数フィルタ４(a)、４(b)の設
計方法を示す。図２はＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計
（ＭＺＩ）型光フィルタであり、２０(a)、２０(b)は３
ｄＢカップラ、２１はＭＺＩの第１のアーム、２２はＭ
ＺＩの第２のアーム、２３は移相器である。 そして、
ＭＺＩの入力端子１の入力に対する出力端子１及び出力
端子２の出力は、夫々ｓｉｎ２（πｆτ）、ｃｏｓ２
（πｆτ）で与えられる。

【００２２】即ち、図３の(a)のように前段の光周波数
フィルタ４(a)でｆｃを阻止し、出力端子１からｆs 、
ｆａを出力させるためには、ＭＺＩの光路長差を下記の
数式のとおりにする必要がある。

【００２３】

【数４】Δｌ＝ｖ／（２Δｆ） （ただし、ｖは真空中の光速）

【００２４】尚、光路長差の調整は移相器２３で行うこ
とができ、通常、移相器２３には温度調整型位相シフタ
を用いる。

【００２５】一方、後段の光周波数フィルタ４(b)で出
力端子１にはｆsが出力端子２にはｆａが出力を出力さ
せるためには、ＭＺＩの光路長差を下記の数式のとおり
にする必要がある。

【００２６】

【数５】Δｌ＝ｖ／（４Δｆ） （ただし、ｖは真空中の光速）

【００２７】よって、このように設計した光周波数フィ
ルタ４(b)を用いると、出力端子１にはｆsが出力端子２
にはｆａが出力するので両波を分離することができる。
（図３の(b)、(c)）

【００２８】本発明は、更には、単一のレーザと光ファ
イバの非線形光学効果を利用して周波数差がマイクロ波
に相当する位相の揃った光波を発生させ、一方を情報信
号で変調し、両者を遠隔地まで別個に光ファイバにて伝
送した後、自乗検波で周波数差に相当するマイクロ波信
号を生成するものである。

【００２９】本発明の第２の実施例の具体的な構成を図
面に従い説明する。図４は本実施例のマイクロ波信号発
生装置の構成図であり、８(a)、８(b)はマイクロ波信号
伝送用光ファイバであり、図１と同一構成のものは同一
名称で示している。

【００３０】図４において光増幅器２(a)を介して出力
された半導体レーザ素子１の光周波数ｆｃのポンプ光９
を光ファイバ３に入射した際に、誘導４光子混合で発生
するストークス光とアンチストークス光の周波数は、夫
々ｆｃ−Δｆ、ｆｃ＋Δｆである。ここでΔｆは周波数
シフト量であり、この値はポンプ光周波数と光ファイバ
の分散値によって決定する。ファイバ出力光１０は、再
度光増幅器２(b)で増幅され、前段の光周波数フィルタ
４(a)でポンプ光が除去されて１１に示すスペクトルの
光になり、更に後段の光周波数フィルタ４(b)でストー
クス光１３とアンチストークス光１２に分離される。

【００３１】分離したいずれか一方、図４ではアンチス
トークス光１２を光変調器５に入力し伝達すべき情報信
号１４で変調した後、両信号を夫々別個に光ファイバ８
(a)、８(b)で伝送する。そして、受信端で変調されたア
ンチストークス信号１５と無変調のストーク光１３を合
波し、フォトディテクタ６で自乗検波して、ＢＰＦ７で
フィルタリングし、不要な高周波成分及び直流成分を遮
断することによって、キャリア周波数が２・Δｆ（＝ｆ
ａ−ｆｓ）のマイクロ波の情報信号１６が生成される。

【００３２】この際、フォトディテクタ７の応答速度
は、情報信号１４のビット転送速度の少なくとも２倍は
必要である。また、この実施例では、アンチストークス
光を光変調しているが、光変調をおこなうのはアンチス
トークス光に限定されず、ストークス光を光変調するよ
うな方式であってもかまわない。

【００３３】尚、光ファイバ８(a)、８(b)で長距離伝送
した場合、伝送された光が大幅に減衰している場合には
フォトディテクタ６にＡＰＤを用いるのが望ましいが、
ＰｉｎＰＤを用いてもよい。また、この実施例では２本
の光ファイバを用いているが、伝送する２つの光を夫々
直交する直線偏波光として、偏波面保存光ファイバを介
してフォトディテクタ６側に伝送してもよく、この場
合、光ファイバは１本で済む。

【００３４】次に、図５にこの実施例におけるマイクロ
波信号発生装置の運用例を示す。この運用例では、無線
通信において、アンテナ３８を設置した無線基地３０と
無線基地３０を統合する制御局３１間のデータ信号の伝
送を複数本の光ファイバの束からなる光ファイバケーブ
ル３２で行う、所謂光ファイバフィーダとしてこの実施
例におけるマイクロ波信号発生装置３３′、３３″を利
用したものである。

【００３５】尚、マイクロ波信号発生装置３３′、３
３″は、上記第２の実施例のマイクロ波信号発生装置に
おいて、光ファイバ８(a)、８(b)を挟んで、発光側をマ
イクロ波信号発生装置３３′、受光側をマイクロ波信号
発生装置３３″と仮に称したものである。

【００３６】また、無線基地３０におけるアンテナ等の
制御信号も、この光ファイバケーブル３２を介して行わ
れる。

【００３７】運用方法としては、まず、制御局３１内の
無線基地制御装置３５から無線基地３０内の制御装置３
７に対し、光ファイバケーブル３２を介してアンテナ３
８の姿勢制御や電力増幅器３６等の制御を行う制御信号
を送って、アンテナ３８の姿勢制御装置（図示せず）や
電力増幅器３６を制御し、送信準備を行う。

【００３８】次に、制御局３１内の情報信号源３４から
マイクロ波信号発生装置３３′に例えば６．２Ｍ〜１５
６Ｍｂｐｓの情報信号を出力し、マイクロ波信号発生装
置３３′内の光変調器５で光変調を行い、上述したよう
に変調光と無変調光とを夫々独立させて光ファイバケー
ブル３２を介して無線基地３０内のマイクロ波信号発生
装置３３″に伝送し、マイクロ波信号発生装置３３″内
のフォトディテクタ６及びＢＰＦ７でマイクロ波信号を
発生させる。

【００３９】ここで発生したマイクロ波信号を電力増幅
器３６及びアンテナ３８を介してマイクロ波の電波とし
て送信する。この際、マイクロ波信号の周波数は制御局
３１側から送られてくる光信号によって決定されるもの
であるから、無線基地３０側では送信状態等のモニター
データを光ファイバケーブル３２を介して制御局３１側
に送るだけで済むから、無線基地３０の無人化が実現で
きる。

【００４０】このようなシステムを従来の技術で行うと
制御局３１側から無線基地３０に低損失の同軸ケーブル
を敷設してマイクロ波を伝送しなければならず、同軸ケ
ーブルの敷設が大がかりになってしまうと共に、伝送さ
れるマイクロ波信号もかなり減衰してしまうので、無線
基地３０側で増幅しなければならず、Ｓ／Ｎ比が悪化し
てしまうという問題が生じていたが、この運用例におけ
るマイクロ波信号発生装置では、直接マイクロ波信号を
伝送しているわけではないので、高いＳ／Ｎ比を確保し
つつ安定してデータ信号の伝送が実現でき、設備に要す
る費用も少なくて済み且つ保守管理等も容易になる。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
単一のレーザと光ファイバの非線形光学効果を利用して
周波数差がマイクロ波に相当する位相の揃った光波を発
生させているので、フォトディテクタ及びＢＰＦを用い
ることにより、安定したマイクロ波信号を簡単な構成で
発生することができる。

【００４２】更に、本発明においては、単一のレーザと
光ファイバの非線形光学効果を利用して周波数差がマイ
クロ波に相当する位相の揃った光波を発生させて、これ
らの光波を独立して、光ファイバ等の手段により伝送
し、フォトディテクタ及びＢＰＦを用いることにより、
安定したマイクロ波信号を簡単な構成で発生させている
ので、遠距離にある所にデータ信号を送っても、高いＳ
／Ｎ比で且つ安定してデータ信号の伝送が実現できる
等、多大な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるマイクロ波信号発生
装置の構成図である。

【図２】本発明の一実施例における光周波数フィルタの
構成図である。

【図３】光周波数フィルタの周波数特性図である。

【図４】本発明の第２の実施例におけるマイクロ波信号
発生装置の構成図である。

【図５】本発明の第２の実施例におけるマイクロ波信号
発生装置の運用例を示す概念図である。

【図６】従来のマイクロ波信号発生装置の構成図であ
る。

【図７】従来のマイクロ波信号発生装置の出力のスペク
トルを示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ素子 ２(a)、２(b) 光増幅器 ３ 光ファイバ素子 ４(a)、４(b) 光周波数フィルタ ５ 光変調器 ６ フォトディテクタ ７ ＢＰＦ ８(a)、８(b) 光ファイバ ９ ポンプ光 １０ ファイバ出力光 １１ 光周波数フィルタ４(a)の出力光 １２ アンチストークス光 １３ ストークス光 １４ 情報信号 １５ 変調されたアンチストークス光 １６ マイクロ波の情報信号 ３０ 無線基地 ３１ 制御局 ３２ 光ファイバケーブル ３３′、３３″ マイクロ波信号発生装置 ３４ 情報信号源 ３６ 電力増幅器 ３８ アンテナ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプ光の入射によって、光ファイバの第
   ３次の非線形光学効果である誘導４光子混合により、ス
   トークス光とアンチストークス光を発生させ、光周波数
   フィルタ手段によりポンプ光を除去すると共に、ストー
   クス光とアンチストークス光とを分離し、ストークス光
   とアンチストークス光の何れか一方の光のみを光変調手
   段により変調し、光電変換手段の受光面に変調した光及
   び無変調の光を同時に照射して自乗検波出力信号を得る
   と共に、電気信号フィルタ手段により、自乗検波出力信
   号からストークス光とアンチストークス光の周波数差に
   相当するマイクロ波信号のみを選択して出力することを
   特徴とするマイクロ波信号発生方式。
2. 【請求項２】ポンプ光の入射によって、光ファイバの第
   ３次の非線形光学効果である誘導４光子混合により、ス
   トークス光とアンチストークス光を発生させ、光周波数
   フィルタ手段によりポンプ光を除去すると共に、ストー
   クス光とアンチストークス光とを分離し、ストークス光
   とアンチストークス光の何れか一方の光のみを光変調手
   段により変調すると共に、変調した光及び無変調の光を
   夫々独立させて伝送し、光電変換手段の受光面に変調し
   た光及び無変調の光を同時に照射して自乗検波出力信号
   を得ると共に、電気信号フィルタ手段により、自乗検波
   出力信号からストークス光とアンチストークス光の周波
   数差に相当するマイクロ波信号のみを選択して出力する
   ことを特徴とするマイクロ波信号発生方式。
3. 【請求項３】ポンプ光の入射によって、光ファイバの第
   ３次の非線形光学効果である誘導４光子混合により、ス
   トークス光とアンチストークス光を発生させる光ファイ
   バ素子と、ポンプ光を除去すると共に、ストークス光と
   アンチストークス光とを分離する光周波数フィルタ手段
   と、ストークス光とアンチストークス光の何れか一方の
   光のみを変調する光変調手段と、受光面に変調した光及
   び無変調の光を同時に照射して自乗検波出力信号を得る
   光電変換手段と、自乗検波出力信号からストークス光と
   アンチストークス光の周波数差に相当するマイクロ波信
   号のみを選択して出力する電気信号フィルタ手段とから
   なることを特徴とするマイクロ波信号発生装置。
4. 【請求項４】ポンプ光の入射によって、光ファイバの第
   ３次の非線形光学効果である誘導４光子混合により、ス
   トークス光とアンチストークス光を発生させる光ファイ
   バ素子と、ポンプ光を除去すると共に、ストークス光と
   アンチストークス光とを分離する光周波数フィルタ手段
   と、ストークス光とアンチストークス光の何れか一方の
   光のみを変調する光変調手段と、変調した光及び無変調
   の光を夫々独立して伝送する光伝送手段と、受光面に変
   調した光及び無変調の光を同時に照射して自乗検波出力
   信号を得る光電変換手段と、自乗検波出力信号からスト
   ークス光とアンチストークス光の周波数差に相当するマ
   イクロ波信号のみを選択して出力する電気信号フィルタ
   手段とからなることを特徴とするマイクロ波信号発生装
   置。