WO2023145692A1 - Ｍｉｍｏ信号処理デバイス及び光無線通信システム - Google Patents

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WO2023145692A1
WO2023145692A1 PCT/JP2023/001954 JP2023001954W WO2023145692A1 WO 2023145692 A1 WO2023145692 A1 WO 2023145692A1 JP 2023001954 W JP2023001954 W JP 2023001954W WO 2023145692 A1 WO2023145692 A1 WO 2023145692A1
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optical
signals
output
rof
signal processing
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PCT/JP2023/001954
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孝憲 佐藤
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国立大学法人北海道大学
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2575—Radio-over-fibre, e.g. radio frequency signal modulated onto an optical carrier
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems

Definitions

  • the present disclosure relates to MIMO signal processing devices and optical wireless communication systems.
  • A-RoF Digital Radio-over-fiber
  • 5G 5th Generation
  • LTE Long Term Evolution
  • A-RoF analog RoF
  • A-RoF technology is a technology in which an envelope of radio waves is transmitted on a carrier wave of an optical signal, and the optical signal is converted into an electrical signal at a base station or central station. The use of this technology is being studied to simplify the configuration of base stations and to support the expansion of base stations required for next-generation communications.
  • FIG. 14 shows a configuration example of a conventional A-RoF communication system 901.
  • This configuration is for transmitting an RF signal on an A-RoF signal from the central station 903 to the base station 905, and for adjusting the beamforming angle of radio waves generated by the RF signal at the base station 905.
  • Aggregation station 903 generates four A-RoF signals corresponding to a plurality of wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , and ⁇ 4 , which are targets of wavelength division multiplexing transmission. After being controlled, they are multiplexed by an optical wavelength multiplexer 909 and transmitted to a base station 905 through a single-mode optical fiber FB or the like.
  • an optical wavelength demultiplexer 911 is used to demultiplex each of a plurality of wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , and ⁇ 4 , and the four demultiplexed A-RoF signals are subjected to photoelectric conversion by a photodetector or the like.
  • the four RF signals subjected to the photoelectric conversion are supplied to the four antenna elements of the array antenna 915 .
  • the A-RoF communication system 901 having the above configuration enables forming of the beam BM with an angle according to the phase difference of the four RF signals.
  • optical wavelength division multiplexing transmission technology is required to correspond to different wavelengths for each antenna element of the array antenna.
  • it is necessary to accurately control the phase of the A-RoF signal for each wavelength, and it is necessary to consider the wavelength dependence of each A-RoF signal.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and provides a MIMO signal processing device and an optical wireless communication system that enable MIMO signal processing for desired beamforming without being affected by wavelength dependence. intended to
  • a MIMO signal processing device receives N (N is an integer equal to or greater than 1) input optical signals, and one of the N input optical signals has a carrier frequency N optical wavelength demultiplexers for demultiplexing components and sideband components, respectively, and carrier frequency components of N input optical signals are input from the N optical wavelength demultiplexers.
  • the complex amplitude intensity of the carrier frequency component of the optical signal is subjected to a process equivalent to a matrix operation of N ⁇ M (M is an integer of 2 or more), and the carrier frequency component of M output optical signals is output.
  • Sideband components of N input optical signals are input from one optical matrix calculator and N optical wavelength demultiplexers, and the complex amplitude intensity of the sideband components of N input optical signals is calculated as follows: a second optical matrix calculator that performs processing equivalent to N ⁇ M matrix calculations and outputs sideband components of M output optical signals, and from the first and second optical matrix calculators: , the carrier frequency components of the M output optical signals and the sideband components of the M output optical signals. and M optical wavelength multiplexers for combining and outputting as M output optical signals.
  • an optical wireless communication system includes the above MIMO signal processing device, an optical transmission line that transmits M output optical signals output from the MIMO signal processing device, and an optical transmission line a demultiplexer for demultiplexing the transmitted M output optical signals; an O/E converter for converting the M output optical signals demultiplexed by the demultiplexer into M electrical signals; an array antenna for transmitting radio waves based on the M electrical signals converted by the E converter.
  • an optical wireless communication system transmits N input optical signals to the MIMO signal processing device, and inputs the transmitted N input optical signals to the MIMO signal processing device.
  • the complex amplitude intensities thereof are subjected to processing equivalent to N ⁇ M matrix operations to produce M outputs.
  • a carrier frequency component of an optical signal is generated, and the complex amplitude intensities of N sideband components of the input optical signal are subjected to a process equivalent to an N ⁇ M matrix operation to produce M output lights.
  • Sideband components of the signal are generated.
  • a combination of corresponding components among the carrier frequency components of the M output optical signals and the sideband components of the M output optical signals is multiplexed to generate and output M output optical signals. be done.
  • M types for each of the RF signal components placed on the N input optical signals by setting the matrix calculation processing in the first and second optical matrix calculators in advance.
  • the M types of components can be mixed into M output optical signals in the same wavelength band and output.
  • N input optical signals or M output optical signals are transmitted between the central station and the base station, and the RF signal obtained by photoelectrically converting the M output optical signals is converted into an RF signal. It can be input to an array antenna. As a result, it becomes possible to control the amplitude and phase of the RF signal between the array elements of the array antenna without being affected by the wavelength dependence.
  • MIMO signal processing is realized.
  • the M output optical signals output from the MIMO signal processing device are transmitted, and the transmitted M output optical signals are obtained by photoelectrically converting the transmitted M output optical signals.
  • the transmitted M output optical signals are obtained by photoelectrically converting the transmitted M output optical signals.
  • the MIMO signal processing device generates M output optical signals based on the transmitted N input optical signals, and generates M outputs
  • an RF signal obtained by photoelectrically converting an optical signal into an array antenna it becomes possible to control the amplitude and phase of the RF signal between the array elements of the array antenna. This enables MIMO signal processing for desired beamforming on the base station side without complicating the configuration of the base station equipped with the array antenna.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a MIMO signal processing device 1 according to a preferred embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N in FIG. 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration example of an optical matrix calculator 5C of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagram showing another configuration example of the optical matrix calculator 5C of FIG. 1;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an A-RoF communication system 101A according to an embodiment;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an A-RoF communication system 101A according to an embodiment;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an A-RoF communication system 101B according to another embodiment;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an A-RoF communication system 101C according to another embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an A-RoF communication system 101D according to another embodiment
  • 3 is a diagram showing the configuration of wavelength filters used as optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N of this embodiment
  • FIG. 11 is a graph showing wavelength transmission characteristics of the wavelength filter of FIG. 10
  • 11 is a graph showing wavelength transmission characteristics of the wavelength filter of FIG. 10
  • It is a figure which shows the structure of the element for a calculation used as 5 C of optical matrix calculators of this embodiment.
  • 1 is a diagram showing the configuration of a conventional A-RoF communication system
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an A-RoF communication system 101D according to another embodiment
  • 3 is a diagram showing the configuration of wavelength filters used as optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N of this embodiment
  • FIG. 11 is a graph showing wavelength transmission characteristics of the wavelength filter of FIG. 10
  • 11 is
  • the MIMO signal processing device 1 shown in FIG. 1 processes an A-RoF signal (optical signal) generated by modulating the carrier wave of an optical signal based on an RF signal (electrical signal) to perform phase control and amplitude control. It is an optical device that outputs multiple A-RoF signals by applying
  • the MIMO signal processing device 1 includes N (N is an integer equal to or greater than 2) optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N , three optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L, and N optical wavelength multiplexers. Wave generators 7 1 to 7 N are provided.
  • the number of optical wavelength demultiplexers may be different from the number of optical wavelength multiplexers, and even if the number of optical wavelength multiplexers is M (where M is an integer of 2 or more), good. At this time, the number N of optical wavelength demultiplexers may be one.
  • the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N receive input RoF signals (1) to (N), which are N A-RoF signals, respectively.
  • the carrier frequency component C, the upper sideband component U, and the lower sideband component L are demultiplexed (separated) from the demultiplexed carrier frequency component C, the upper sideband component U, and the lower sideband component L.
  • the A-RoF signal includes a carrier frequency component C, an upper sideband component U, and a lower sideband component L determined by the frequency band of the RF signal in the frequency f distribution of the signal intensity I.
  • the wavers 3 1 to 3 N separate these components of the input RoF signals (1) to (N).
  • the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N output the carrier frequency component C of the output RoF signals (1) to (N), the output RoF signal (1 ) to (N) and the corresponding one of the lower sideband components L of the output RoF signals (1) to (N) are input, respectively. are combined (multiplexed) to generate and output N output RoF signals (1) to (N).
  • the optical wavelength multiplexer 71 generates the carrier frequency component C of the output RoF signal (1), the upper sideband component U of the output RoF signal (1), and the lower sideband component of the output RoF signal (1). L are input, and these are combined to generate and output an output RoF signal (1).
  • the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N and the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N are used for the optical wavelength multiplexer 909 and the optical wavelength multiplexers in the conventional A-RoF communication system 901 shown in FIG. This is different from the use of the demultiplexer 911 for wavelength multiplexing transmission. That is, the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N and the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N are the optical wavelength multiplexer 909 and the optical wavelength multiplexer 909 that multiplex and demultiplex at a frequency interval sufficiently larger than the band of the RF signal. Different from the demultiplexer 911, it multiplexes and demultiplexes at a frequency interval as small as the band of the RF signal.
  • FIG. 2 shows a configuration example of the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3N , the upper part shows the internal structure along the optical input/output direction of the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3N , and the lower part shows the optical wavelengths.
  • a cross-sectional view of optical waveguides included in the demultiplexers 3 1 to 3 N is shown.
  • the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N are configured by combining optical waveguide type Mach-Zehnder interferometers, for example. More specifically, the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N are arranged in parallel along the light input/output direction in a substrate material 21 such as silica glass (SiO 2 ).
  • Optical waveguides 23a, 23b, and 23c made of silicon (Si) or the like for propagating mode light are included. Wave paths 23c are formed so as to extend in parallel to the light output end 21b side of the substrate material 21 .
  • the optical waveguides 23a and 23b are formed close to each other at two locations to form a 3 dB splitter 25 which is a directional coupler. It functions as a Mach-Zehnder interferometer 27a by being set as an optical waveguide.
  • the optical waveguides 23a and 23c are formed close to each other at two locations to form a 3 dB splitter 25 which is a directional coupler, and the 3 dB splitters 25 at these two locations are different.
  • the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N have a configuration in which two Mach-Zehnder interferometers 27a and 27b having the above configuration are optically connected in two stages between the optical input end 21a and the optical output end 21b.
  • the Mach-Zehnder interferometer 27a converts the A-RoF signal into a carrier frequency wavelength component ⁇ C and upper and lower sideband wavelength components ⁇ L and ⁇ U , and the wavelength components ⁇ L and ⁇ U of the upper and lower sidebands separated by the Mach-Zehnder interferometer 27a are separated by the Mach-Zehnder interferometer 27b into the wavelength components ⁇ U of the upper sideband and the wavelength components ⁇ U of the lower sideband.
  • the carrier frequency wavelength component ⁇ C , the upper sideband wavelength component ⁇ U , and the lower sideband wavelength component ⁇ L can be output separately.
  • the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N can also be realized with the same configuration as the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N shown in FIG. That is, by inputting the A-RoF signal in the reverse direction in the configuration shown in FIG.
  • the wavelength components ⁇ L can be combined to generate and output one A-RoF signal.
  • the optical matrix calculator 5C receives the carrier frequency components C of the N input RoF signals (1) to (N) from the N optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N , and generates the N input RoF signals
  • the complex amplitude intensities of the carrier frequency components C of (1) to (N) are subjected to a process equivalent to an N ⁇ N matrix operation to obtain N output RoF signals (1) to (N) of the carrier frequencies.
  • the optical matrix calculator 5C receives the carrier frequency components C of the input RoF signals (1) to (4) from one end and the carrier frequency components C of the output RoF signals (1) to (4) from the other end. are output, and a plurality of Mach-Zehnder interferences provided in the middle of the four optical waveguides 31 1 , 31 2 , 31 3 and 31 4 a total MZ and a plurality of phase shifters (delay waveguides) PS.
  • the Mach-Zehnder interferometer MZ can employ a structure similar to that of FIG.
  • the phase shifter PS can be composed of, for example, a TiN heater provided on the optical waveguide, and electrically heats the optical waveguide to change the refractive index and cause the phase of light propagating on the optical waveguide to change.
  • the optical matrix calculator 5C has a configuration in which the phase shifters PS and the Mach-Zehnder interferometers MZ are connected in multiple stages. By controlling the power distribution ratio between the two arm optical waveguides in , the matrix T C set for matrix operation can be set to an arbitrary unitary matrix. Further, the optical matrix calculator 5C can realize matrix calculation with an arbitrary matrix T C not limited to the unitary matrix by combining the configuration shown in FIG. 3 with an optical attenuator or an optical amplifier.
  • the optical matrix calculator 5C includes three optical waveguides 31 1 , 31 2 , 31 3 and between the two optical waveguides 31 1 , 31 2 and between the two optical waveguides 31 2 , 31 3 . It comprises a series of ring optical resonators 33 and a double series of ring optical resonators 33 arranged between the .
  • the series of ring optical resonators 33 function as a power divider that distributes the power of light between two optical waveguides, and the series of ring optical resonators 33 divides the phase difference of light propagating in adjacent optical waveguides.
  • the optical matrix calculator 5U receives the upper sideband components U of the N input RoF signals (1) to (N) from the N optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N , and generates the N input RoF
  • the complex amplitude intensities of the upper sideband components U of the signals (1) to (N) are subjected to processing equivalent to N ⁇ N matrix operations to obtain N output RoF signals (1) to (N).
  • the optical matrix calculator 5L receives the lower sideband components L of the N input RoF signals (1) to (N) from the N optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N , and receives N input
  • V B T L ⁇ VA
  • each element of the one-dimensional vector V B (b 1 , . . . , b N ) be the complex amplitude intensity of the lower sideband component L of the N output RoF signals (1) to (N) to generate the lower sideband component L of the output RoF signals (1) to (N).
  • This optical matrix calculator 5L is implemented by a configuration similar to that of the optical matrix calculator 5C.
  • the three optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L divide the upper waveband component U of the output RoF signal (1) from the carrier frequency component C of the output RoF signal (1) by a predetermined phase difference + ⁇ 1 . , and the lower sideband component L of the output RoF signal (1) is shifted by a predetermined phase difference - ⁇ 1 . Similarly, the three optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L each output RoF signals (2) to (N) for each carrier frequency component C of the output RoF signals (2) to (N).
  • the upper sideband component U is shifted by a predetermined phase difference + ⁇ 2 to + ⁇ N so that the phase changes, and the lower sideband component L of the output RoF signals (2) to (N) is shifted by a predetermined phase difference - ⁇ 2 .
  • ⁇ N is configured to shift to vary.
  • the RF signals loaded on the output RoF signals (1) to (N) output from the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N can be shifted by phases ⁇ 1 to ⁇ N , and the output RoF signals
  • the RF signal obtained by photoelectrically converting (1) to (N) to the array antenna it is possible to control the amplitude and phase of the RF signal between the antenna elements of the array antenna, and various beam forming or beam forming Steering is possible.
  • the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N and the optical wavelength multiplexers 7 1 to 7 N process only one of the upper sideband component and the lower sideband component. In that case, either the optical matrix calculator 5U or the optical matrix calculator 5L may be omitted.
  • the MIMO signal processing device 1 may be configured to process a plurality of upper sideband components and control phases between the plurality of upper sideband components.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the A-RoF communication system 101A according to the embodiment, and is a configuration example in which the MIMO signal processing device 1 is introduced to the aggregation station side and the RoF signal beamforming is performed on the aggregation station side. is.
  • An optical fiber (optical transmission line) FB such as a multi-core optical fiber or multi-core optical fiber for transmitting signals, a demultiplexer 111, four O/E converters 113, and one-dimensional and an array antenna 115 comprising four arranged antenna elements.
  • one RoF signal (1) is input to one input port of the MIMO signal processing device 1, and the RoF signal (1) is processed by the MIMO signal processing device 1 to perform phase control. and amplitude-controlled four output RoF signals are output.
  • the four output RoF signals output from the MIMO signal processing device 1 are spatially weighted by the spatial multiplexer 109, transmitted to the base station 105 via the optical fiber FB, and demultiplexed.
  • the four output RoF signals are demultiplexed by the device 111, the demultiplexed four output RoF signals are converted to four RF signals by the O/E converter 113, and the converted four RF signals are sent to the array antenna 115.
  • a beam (radio wave) BM(1) is transmitted from the array antenna 115 by being supplied to the four antenna elements.
  • the four output RoF signals output from the MIMO signal processing device 1 may be transmitted using four single-mode optical fibers without being spatially multiplexed.
  • the RoF signal (1) and the RoF signal (2) are input to the two input ports of the MIMO signal processing device 1, respectively, and the RoF signal ( 1) and the RoF signal (2) are processed by the MIMO signal processing device 1 so that four output RoF signals in which two RoF signals independently phase-controlled and amplitude-controlled are superimposed are output.
  • the RoF signal (1) and the RoF signal (2) are input to the two input ports of the MIMO signal processing device 1, respectively, and the RoF signal ( 1) and the RoF signal (2) are processed by the MIMO signal processing device 1 so that four output RoF signals in which two RoF signals independently phase-controlled and amplitude-controlled are superimposed are output.
  • the number of RoF signals equal to or less than the number of input ports N of the MIMO signal processing device 1 (the number of input ports of the optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L) can be input. .
  • the complex amplitude intensities are subjected to processing equivalent to N ⁇ N matrix computation.
  • Processing is applied to produce N RoF signal sideband components U and L, respectively.
  • combinations of corresponding components among the carrier frequency components C of the N output RoF signals and the sideband components U and L of the N output RoF signals are combined to obtain N output RoF signals. is generated and output.
  • N types are arbitrarily set for each of the RF signal components placed on the N input RoF signals.
  • the N components can be mixed and output in the same wavelength band into N output RoF signals.
  • N output RoF signals can be transmitted between the aggregation station and the base station, and the RF signals obtained by photoelectrically converting the N output RoF signals can be input to the array antenna. can.
  • MIMO signal processing is realized. Also, if there is a light source of a single wavelength, MIMO signal processing becomes possible, which simplifies the system configuration.
  • the N output RoF signals output from the MIMO signal processing device 1 are transmitted, and the transmitted N output RoF signals are photoelectrically converted.
  • the amplitude and phase of the RF signal between the array elements of the array antenna 115 can be controlled. This realizes MIMO signal processing for desired beamforming without complicating the configuration of base station 105 equipped with array antenna 115 .
  • beamforming is performed based on the RoF signal transmitted from the aggregation station 103 to the base station 105, there is no need to regenerate the RF signal at the base station 105, and beamforming can be performed while reducing the processing load of the base station 105. is realized.
  • the phase of the RF signal supplied to the array antenna 115 in the optical domain the signal processing speed can be dramatically improved.
  • the optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L calculate the sideband components U of the N output RoF signals for each of the carrier frequency components C of the N output RoF signals. , L are subjected to a process equivalent to a matrix operation so as to generate a predetermined phase difference.
  • the emission angle of the beam output from the array antenna can be controlled to a desired angle.
  • the optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L divide the amplitude of each component of the N input RoF signals equally to each component of the N output RoF signals. A process equivalent to an arithmetic operation is applied. In this case, beamforming control for the array antenna is stabilized.
  • the optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L employ a configuration including a Mach-Zehnder interferometer MZ and a phase shifter PS, or a configuration including a ring optical resonator 33. With such a configuration, miniaturization of the MIMO signal processing device 1 can be easily realized.
  • the number of optical wavelength demultiplexers and the number of optical wavelength multiplexers may be different.
  • the number of multiplexers may be set to M (M is an integer equal to or greater than 2).
  • the optical matrix calculators 5C, 5U, and 5L each have N input ports and M output ports, and perform processing equivalent to N ⁇ M (N columns M rows) matrix calculation. configured to
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an A-RoF communication system 101B according to another embodiment.
  • the A-RoF communication system 101B is arranged in the base station 105 and an optical fiber (optical transmission line) FB such as a single-mode optical fiber that transmits one RoF signal (1) between the central station 103 and the base station 105.
  • This A-RoF communication system 101B is configured to handle one RoF signal (1), but when handling two or more RoF signals, a plurality of RoF It may be configured to spatially multiplex and transmit the signal.
  • the RoF signal (1) is transmitted from the aggregation station 103 to the base station 105, and the transmitted RoF signal (1) is input to the MIMO signal processing device 1 in the base station 105.
  • the four RoF signals output from the MIMO signal processing device 1 are converted into four RF signals by the O/E converter 113, and the array antenna 115 converts the four RF signals into beams BM(1). is sent.
  • the A-RoF communication system 101B having such a configuration also realizes MIMO signal processing for desired beamforming without complicating the configuration of the base station 105 equipped with the array antenna 115 .
  • the MIMO signal processing device 1 of the above-described embodiment may be employed in a configuration for transmitting RoF signals generated based on beams received at the base station to the aggregation station.
  • it may be configured as an A-RoF communication system 101C according to another embodiment shown in FIG.
  • each of the four RF signals output from each antenna element of the array antenna 115 in response to the reception of the beams BM(1) and BM(2) is converted to the RoF signal by the base station 105.
  • Four electrical-to-optical converters (E/O converters) 117 for conversion and a spatial multiplexer 109 for spatially multiplexing the four RoF signals output from the four E/O converters 117 are provided.
  • an optical fiber FB that transmits four spatially multiplexed RoF signals, a demultiplexer 111 that demultiplexes the four RoF signals introduced in the central station 103, and , and a MIMO signal processing device 1 provided so that four RoF signals are input from the optical wavelength multiplexer side.
  • the RoF signal (1) and the RoF signal (2) corresponding to the two beams BM(1) and BM(2) can be regenerated. Beam steering processing can be performed without signal regeneration by signal processing.
  • this configuration there is no need to prepare light sources of different wavelengths on the base station 105 side, and the configuration can be simplified.
  • the configuration may be such that beam steering processing is performed on the base station side. That is, in the base station 105, the A-RoF communication system 101D includes a MIMO signal processing device 1 to which four RoF signals are input from the four E/O converters 117 and four RoF signals output from the MIMO signal processing device 1. It includes a spatial multiplexer 109 that spatially multiplexes two RoF signals. The A-RoF communication system 101D also includes a demultiplexer 111 that demultiplexes the light transmitted from the base station 105 into four RoF signals in the central station 103 .
  • beam steering processing can be performed without converting the RoF signal into an RF signal and performing signal processing and regeneration of the RF signal.
  • a DFT Discrete Fourier Transform
  • a Butler matrix in the MIMO signal processing device 1 of the base station 105, it is possible to convert the RoF signal into a signal with a specific incident angle, which is related to MIMO signal processing. Since there is no need for electrical calculations or RF signal regeneration, the processing load on the base station can be reduced.
  • FIG. 10 shows the configuration of the wavelength filters used as the optical wavelength demultiplexers 3 1 to 3 N , with a plan view of the wavelength filters on the upper side and an enlarged plan view of a part of the wavelength filters on the lower side. showing. 11 and 12 show wavelength transmission characteristics measured for the wavelength filter of FIG.
  • the wavelength filters 201a and 201b are formed in parallel in the substrate material 21.
  • the wavelength filter 201b has the same function as the Mach-Zehnder interferometer 27b shown in FIG. component ⁇ L .
  • the wavelength filter 201a has the same function as the Mach-Zehnder interferometer 27a shown in FIG . It is separated into sideband wavelength components ⁇ L and ⁇ U . These wavelength filters 201a and 201b are optically connected in tandem for use.
  • the wavelength filter 201b includes two optical waveguides 203a and 203b extending in parallel on the substrate material 21, a heating member 205 such as a TiN heater provided overlapping the optical waveguide 203b, and the heating member 205. It includes electrode pads 207 and wiring patterns 209 for supplying voltage to both ends.
  • the optical waveguide 203b is formed to have a length different from that of the optical waveguide 203a by being repeatedly folded. In such a configuration, the phase difference between the light propagating through the optical waveguide 203b and the light propagating through the optical waveguide 203a is controlled by controlling the power supplied to the heating member 205 via the wiring pattern 209 and the electrode pad 207 from the outside. is adjustable. As a result, the two wavelength bands separated by the wavelength filter 201b can be adjusted.
  • the wavelength filter 201a also includes two optical waveguides 211a and 211b extending in parallel and has the same configuration as the wavelength filter 201b.
  • the solid line indicates the transmittance characteristic of the output on the optical waveguide 203a side of the wavelength filter 201b
  • the dotted line indicates the transmittance characteristic of the output on the optical waveguide 203b side of the wavelength filter 201b. From this measurement result, it was confirmed that the wavelength filter 201b could separate wavelength components at a wavelength interval of approximately 0.038 nm, that is, at a frequency interval of approximately 4.7 GHz.
  • the solid line indicates the transmittance characteristic of the output on the optical waveguide 211a side of the wavelength filter 201a
  • the dotted line indicates the transmittance characteristic of the output on the optical waveguide 211b side of the wavelength filter 201a. From this measurement result, it was confirmed that the wavelength filter 201a could separate wavelength components at a wavelength interval of approximately 0.077 nm, that is, at a frequency interval of approximately 9.6 GHz.
  • FIG. 13 shows the configuration of the arithmetic elements used as the optical matrix calculator 5C.
  • the arithmetic element 221 includes two optical waveguides 225 and 227 formed to extend in parallel on the substrate material 21 and a heating member 237 such as a TiN heater provided overlapping one of the optical waveguides 225 and 227.
  • a power divider 243 composed of a double ring optical resonator arranged between the two optical waveguides 225 and 227, a heating member 245 such as a TiN heater provided overlapping the power divider 243, and a heating member It includes electrode pads 239 and wiring patterns 241 for supplying a voltage across 237 and 245 .
  • the heating member 237 functions as a phase shifter that changes the phase of the light propagating through the optical waveguide 225 or 227 by controlling the power supplied from the outside through the wiring pattern 241 and the electrode pad 239. .
  • the power divider 243 distributes the power of light between the two optical waveguides 225 and 227 at a predetermined distribution ratio, and the power supplied from the outside to the heating member 245 via the wiring pattern 241 and the electrode pad 239 is controlled. By doing so, the distribution ratio can be adjusted.
  • the arithmetic element 223 includes four optical waveguides 229, 231, 233, and 235 formed to extend in parallel on the substrate material 21, and four optical waveguides 229, 231, 233, and 235, and A heating member 237 provided to overlap, a power divider 243 arranged between two adjacent optical waveguides among the optical waveguides 229, 231, 233, and 235, and a heating member 245 provided to overlap the power divider 243. , electrode pads 239 and wiring patterns 241 for supplying voltage across the heating members 237 and 245 .
  • the first and second optical matrix calculators give a predetermined It is preferable to perform a process equivalent to matrix operation so as to generate a phase difference.
  • the emission angle of the beam output from the array antenna can be controlled to a desired angle.
  • the first and second optical matrix calculators perform processing equivalent to matrix calculation so as to equally distribute the amplitude of each component of the N input optical signals to each component of the M output optical signals. Applying is also preferred. In this case, beamforming control for the array antenna is stabilized.
  • first and second optical matrix operators preferably include Mach-Zehnder interferometers and delay waveguides, and the first and second optical matrix operators preferably include ring resonators. . With such a configuration, miniaturization of the MIMO signal processing device can be easily achieved.
  • a MIMO signal processing device includes: [1] "N (N is an integer equal to or greater than 1) input optical signals are input, and carrier frequency components and sidebands among the N input optical signals N optical wavelength demultiplexers for demultiplexing the respective components;
  • the carrier frequency components of the N input optical signals are input from the N optical wavelength demultiplexers, and the complex amplitude intensity of the carrier frequency components of the N input optical signals is calculated by N ⁇ M(M is an integer equal to or greater than 2), and outputs carrier frequency components of M output optical signals;
  • Sideband components of the N input optical signals are input from the N optical wavelength demultiplexers, and N ⁇ M a second optical matrix calculator that performs processing equivalent to the matrix calculation of and outputs sideband components of M output optical signals; from the first and second optical matrix calculators, corresponding one of the carrier frequency components of the M output optical signals and the sideband components of the M output optical signals;
  • M optical wavelength multiplexers to which a combination is input, for multiplexing the combinations of the optical signals and outputting them as
  • the first and second optical matrix calculators generate the M output optical signals for each of the carrier frequency components of the M output optical signals; Performing a process equivalent to the matrix operation so as to generate a predetermined phase difference in the sideband components of It may be the MIMO signal processing device described in [1] above.
  • the first and second optical matrix calculators convert the amplitude of each component of the N input optical signals into each component of M output optical signals. Perform processing equivalent to the matrix operation so as to distribute equally, It may be the MIMO signal processing device according to [1] or [2] above.
  • the first and second optical matrix operators include a Mach-Zehnder interferometer and a delay waveguide, It may be a MIMO signal processing device according to any one of [1] to [3] above.
  • the first and second optical matrix operators include ring resonators, It may be a MIMO signal processing device according to any one of [1] to [3] above.
  • the optical wireless communication system of the embodiment includes [6] "the MIMO signal processing device according to any one of the above [1] to [5], an optical transmission line that transmits the M output optical signals output from the MIMO signal processing device; a demultiplexer that demultiplexes the M output optical signals transmitted through the optical transmission line; an O/E converter that converts the M output optical signals demultiplexed by the demultiplexer into M electrical signals; an array antenna for transmitting radio waves based on the M electrical signals converted by the O/E converter; Optical wireless communication system with
  • An optical wireless communication system includes: [7] "The MIMO signal processing device according to any one of [1] to [5] above; an optical transmission line for transmitting the N input optical signals and inputting the transmitted N input optical signals to the MIMO signal processing device; an O/E converter that converts the M output optical signals output from the MIMO signal processing device into M electrical signals; an array antenna for transmitting radio waves based on the M electrical signals converted by the O/E converter; Optical wireless communication system with
  • Reference Signs List 1... MIMO signal processing device, 3 1 to 3 N ... optical wavelength demultiplexer, 5C, 5L, 5U... optical matrix calculator, 7 1 , 7 1 to 7 N ... optical wavelength multiplexer, 27a, 27b, MZ .

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Abstract

ＭＩＭＯ信号処理デバイス１は、Ｎ個のRoF信号が入力され、RoF信号のうちのキャリア周波数成分及び側波帯成分を分波する光波長分波器３１～３Ｎと、Ｎ個のRoF信号のキャリア周波数成分が入力され、キャリア周波数成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｎの行列演算と等価の処理を施して、Ｎ個のRoF信号のキャリア周波数成分を出力する光行列演算器５Ｃと、Ｎ個のRoF信号の側波帯成分が入力され、側波帯成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｎの行列演算と等価の処理を施して、Ｎ個のRoF信号の側波帯成分を出力する光行列演算器５Ｕ，５Ｌと、Ｎ個のRoF信号のキャリア周波数成分及び側波帯成分のうちの対応する組み合わせが入力され、その組み合わせをそれぞれ合波してＮ個のRoF信号として出力する光波長合波器７１～７Ｎと、を備える。

Description

ＭＩＭＯ信号処理デバイス及び光無線通信システム
　本開示は、ＭＩＭＯ信号処理デバイス及び光無線通信システムに関する。
　従来から、無線通信における伝送容量の大容量化のために、ミリ波、テラヘルツ波等の高周波帯域の利用が進められている。従来の基地局では複雑な信号処理が必要であり、多くの基地局を設置してこれらを遠隔制御するためには、基地局における信号処理の負荷の軽減が求められている。具体的には、現行の５Ｇ（5th　Generation）／ＬＴＥ（Long　Term　Evolution）通信で用いられているデジタル光無線（D-RoF:　Digital　Radio-over-fiber）技術から、アナログRoF(A-RoF)技術に移行することが検討されている。A-RoF技術は、電波の包絡線を光信号の搬送波に載せて伝送し、基地局又は集約局でその光信号を電気信号に変換するという技術である。この技術の利用により、基地局の構成の簡略化、次世代通信で求められる基地局の増設に対応することが検討されている。
　しかし、A-RoF技術に特有の技術的問題として、基地局における電波の位相制御が困難である（送信する無線信号(RF信号)は集約局で生成済みである）ことがあるため、ビームフォーミング等のＭＩＭＯ（Multiple　Input　Multiple　Output）信号処理も集約局で行うことが前提とされている。これを実現するために、光波長多重技術を用いて、多入力（出力）信号の複素振幅をそれぞれ異なる光波長に対応させてA-RoF信号を生成し、集約局から基地局までの伝送、あるいはその逆の伝送を行う方法が検討されている(下記非特許文献１，２参照)。
　例えば、図１４には、従来のA-RoF通信システム９０１の構成例を示している。この構成は、集約局９０３から基地局９０５に向けてA-RoF信号に載せてRF信号を送信し、基地局９０５においてRF信号によって生成される電波のビームフォーミングの角度を調節するための構成である。集約局９０３では、波長多重伝送の対象の複数波長λ１，λ２，λ３，λ４分の４つのA-RoF信号を生成し、４つのA-RoF信号を、位相シフタ９０７でそれぞれ位相制御した後に光波長合波器９０９によって合波し、シングルモード光ファイバＦＢなどで基地局９０５まで伝送する。基地局９０５では、複数波長λ１，λ２，λ３，λ４ごとに光波長分波器９１１を用いて分波し、分波された４つのA-RoF信号を、フォトディテクタ等の光電変換器（Ｏ／Ｅ変換器）９１３でそれぞれ光電変換（Ｏ／Ｅ変換）した後、光電変換された４つのRF信号をアレイアンテナ９１５の４つのアンテナ素子に供給する。上記構成のA-RoF通信システム９０１により、４つのRF信号の位相差に応じた角度のビームＢＭのフォーミングが可能となる。
C. Tsokos et al., "Optical beamforming network for multi-beam operation with continuous angle selection," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 31, no. 2, pp. 177-180, Jan. 2019. 伊藤耕大，その他,　"アナログRoFを活用した多様な高周波数帯無線システムの効率的収容,"　NTT技術ジャーナル,　2020年3月
　上述した従来のA-RoF通信システムの構成において、アレイアンテナのアンテナ素子ごとに異なる波長を対応させた、光波長多重伝送技術が必要となる。所望のビームフォーミングを実現するためには、各波長のA-RoF信号の位相を正確に制御する必要があり、それぞれのA-RoF信号における波長依存性を考慮する必要がある。
　本開示は、上記課題に鑑みて為されたものであり、波長依存性の影響を受けることなく所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理を可能にするＭＩＭＯ信号処理デバイス及び光無線通信システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本開示の一形態にかかるＭＩＭＯ信号処理デバイスは、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の入力光信号がそれぞれ入力され、Ｎ個の入力光信号のうちのキャリア周波数成分、及び側波帯成分をそれぞれ分波するＮ個の光波長分波器と、Ｎ個の光波長分波器から、Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分が入力され、Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍ（Ｍは２以上の整数）の行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分を出力する第１の光行列演算器と、Ｎ個の光波長分波器から、Ｎ個の入力光信号の側波帯成分が入力され、Ｎ個の入力光信号の側波帯成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍの行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分を出力する第２の光行列演算器と、第１及び第２の光行列演算器から、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分と、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分と、のうちの対応する１つずつの光信号の組み合わせが入力され、光信号の組み合わせをそれぞれ合波してＭ個の出力光信号として出力するＭ個の光波長合波器と、を備える。
　あるいは、本開示の他の形態にかかる光無線通信システムは、上記のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力されたＭ個の出力光信号を伝送する光伝送路と、光伝送路によって伝送されたＭ個の出力光信号を分波する分波器と、分波器によって分波されたＭ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、を備える。
　あるいは、本開示の別の形態にかかる光無線通信システムは、上記のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、Ｎ個の入力光信号を伝送し、伝送したＮ個の入力光信号をＭＩＭＯ信号処理デバイスに入力する光伝送路と、ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力されたＭ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、を備える。
　上記一形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスによれば、Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分に対して、それらの複素振幅強度にＮ×Ｍの行列演算と同等な処理が施されてＭ個の出力光信号のキャリア周波数成分が生成され、Ｎ個の入力光信号の側波帯成分に対して、それらの複素振幅強度にＮ×Ｍの行列演算と同等な処理が施されてＭ個の出力光信号の側波帯成分が生成される。そして、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分及びＭ個の出力光信号の側波帯成分のうちの対応する成分の組み合わせが合波されることにより、Ｍ個の出力光信号が生成および出力される。ここで、第１及び第２の光行列演算器における行列演算の処理の事前の設定により、Ｎ個の入力光信号に載せられたRF信号の成分のそれぞれに対して、Ｍ種類に任意に設定された振幅制御及び位相制御を施してから、Ｍ種類の成分を同一波長帯でＭ個の出力光信号に混ぜて出力することができる。このような構成により、Ｎ個の入力光信号あるいはＭ個の出力光信号を集約局と基地局との間で伝送し、Ｍ個の出力光信号を光電変換することによって得られたRF信号をアレイアンテナに入力することができる。その結果、アレイアンテナのアレイ素子間のRF信号の振幅及び位相の制御が波長依存性の影響を受けることなく可能となり、波長依存性の影響を受けることなくアレイアンテナにおける所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。
　また、上記他の形態にかかる光無線通信システムによれば、ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力されたＭ個の出力光信号が伝送され、伝送されたＭ個の出力光信号を光電変換することによって得られたRF信号をアレイアンテナに入力することにより、アレイアンテナのアレイ素子間のRF信号の振幅及び位相の制御が可能となる。これにより、アレイアンテナを搭載する基地局の構成を複雑化させること無く、所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。
　また、上記別の形態にかかる光無線通信システムによれば、伝送されたＮ個の入力光信号を基にＭＩＭＯ信号処理デバイスにおいてＭ個の出力光信号が生成され、生成されたＭ個の出力光信号を光電変換することによって得られたRF信号をアレイアンテナに入力することにより、アレイアンテナのアレイ素子間のRF信号の振幅及び位相の制御が可能となる。これにより、アレイアンテナを搭載する基地局の構成を複雑化させること無く、基地局側での所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。
　本開示によれば、波長依存性の影響を受けることなく所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理を可能にすることができる。
本開示の好適な一実施形態に係るＭＩＭＯ信号処理デバイス１の機能構成を示すブロック図である。 図１の光波長分波器３１～３Ｎの構成例を示す図である。 図１の光行列演算器５Ｃの具体的な構成例を示す図である。 図１の光行列演算器５Ｃの別の構成例を示す図である。 実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ａの構成を示す図である。 実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ａの構成を示す図である。 他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｂの構成を示す図である。 他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｃの構成を示す図である。 他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｄの構成を示す図である。 本実施形態の光波長分波器３１～３Ｎとして使用される波長フィルタの構成を示す図である。 図１０の波長フィルタの波長透過特性を示すグラフである。 図１０の波長フィルタの波長透過特性を示すグラフである。 本実施形態の光行列演算器５Ｃとして使用される演算用素子の構成を示す図である。 従来のA-RoF通信システムの構成を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本開示に係る距離画像測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　まず、図１を参照して、本開示の好適な一実施形態に係るＭＩＭＯ信号処理デバイス１の機能および構成を説明する。図１に示すＭＩＭＯ信号処理デバイス１は、RF信号（電気信号）を基に光信号の搬送波を変調することによって生成されたA-RoF信号（光信号）を処理して、位相制御および振幅制御を施して複数のA-RoF信号を出力する光デバイスである。ＭＩＭＯ信号処理デバイス１は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光波長分波器３１～３Ｎと、３個の光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌと、Ｎ個の光波長合波器７１～７Ｎとを備える。なお、光波長分波器の個数と、光波長合波器の個数とは異なっていてもよく、光波長合波器の個数がＭ個（Ｍは２以上の整数）で構成されていてもよい。このとき、光波長分波器の個数Ｎは１個であってもよい。
　光波長分波器３１～３Ｎは、Ｎ個のA-RoF信号である入力RoF信号（１）～（Ｎ）がそれぞれ入力され、それぞれの入力RoF信号（１）～（Ｎ）のうちからキャリア周波数成分Ｃ、上側波帯成分Ｕ、及び下側波帯成分Ｌをそれぞれ分波（分離）し、分波したキャリア周波数成分Ｃ、上側波帯成分Ｕ、及び下側波帯成分Ｌを出力する。ここで、A-RoF信号には、信号強度Ｉの周波数ｆ分布において、RF信号の周波数帯域によって決まるキャリア周波数成分Ｃ、上側波帯成分Ｕ、及び下側波帯成分Ｌを含み、光波長分波器３１～３Ｎは、入力RoF信号（１）～（Ｎ）のこれらの成分を分離する。
　光波長合波器７１～７Ｎは、３個の光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌから出力された、出力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃ、出力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕ、及び、出力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌのうちの対応する１つずつの光信号の組み合わせがそれぞれ入力され、これらの光信号の組み合わせを合波（多重化）してＮ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）を生成および出力する。例えば、光波長合波器７１は、出力RoF信号（１）のキャリア周波数成分Ｃ、出力RoF信号（１）の上側波帯成分Ｕ、及び、出力RoF信号（１）の下側波帯成分Ｌが入力され、これらを合波して出力RoF信号（１）を生成および出力する。
　なお、光波長分波器３１～３Ｎ及び光波長合波器７１～７Ｎの用途は、図１４に示した従来のA-RoF通信システム９０１における光波長合波器９０９及び光波長分波器９１１の波長多重伝送の用途とは異なっている。すなわち、光波長分波器３１～３Ｎ及び光波長合波器７１～７Ｎは、RF信号の帯域よりも十分に大きな周波数間隔で合分波する光波長合波器９０９及び光波長分波器９１１とは異なり、RF信号の帯域程度の小さな周波数間隔で合分波するものである。
　図２には、光波長分波器３１～３Ｎの構成例を示し、上部に光波長分波器３１～３Ｎの光入出力方向に沿った内部構造を示し、下部に光波長分波器３１～３Ｎに含まれる光導波路の断面図を示す。光波長分波器３１～３Ｎは、例えば、光導波路型マッハツェンダ干渉計を組み合わせて構成される。詳細には、光波長分波器３１～３Ｎは、シリカガラス（ＳｉＯ２）等の基板材料２１中に光入出力方向に沿って並列に、基板材料２１よりも高い屈折率を有する単モード光を伝搬するシリコン（Ｓｉ）等からなる光導波路２３ａ，２３ｂ，２３ｃを含み、光導波路２３ａと光導波路２３ｂとが基板材料２１の光入力端２１ａ側から並列に延び、光導波路２３ａと光導波路２３ｃとが基板材料２１の光出力端２１ｂ側に並列に延びるように形成されている。光導波路２３ａと光導波路２３ｂとは、２箇所で近接するように形成されて方向性結合器である３ｄＢ分配器２５を構成し、この２箇所の３ｄＢ分配器２５との間が異なる長さの光導波路に設定されることでマッハツェンダ干渉計２７ａとして機能する。同様に、光導波路２３ａと光導波路２３ｃとは、２箇所で近接するように形成されて方向性結合器である３ｄＢ分配器２５を構成し、この２箇所の３ｄＢ分配器２５との間が異なる長さの光導波路に設定されることでマッハツェンダ干渉計２７ｂとして機能する。光波長分波器３１～３Ｎは、光入力端２１ａと光出力端２１ｂとの間で上記構成の２つのマッハツェンダ干渉計２７ａ，２７ｂが２段で光学的に接続された構成を有することで、光入力端２１ａ側から単一波長帯のA-RoF信号が入力された場合、マッハツェンダ干渉計２７ａによって、A-RoF信号をキャリア周波数の波長成分λＣと上下側波帯の波長成分λＬ，λＵとに分離し、マッハツェンダ干渉計２７ｂによって、マッハツェンダ干渉計２７ａによって分離された上下側波帯の波長成分λＬ，λＵを上側波帯の波長成分λＵと下側波帯の波長成分λＬとに分離し、キャリア周波数の波長成分λＣ、上側波帯の波長成分λＵ、及び下側波帯の波長成分λＬを別々に出力することができる。
　光波長合波器７１～７Ｎも、図２に示した光波長分波器３１～３Ｎと同様な構成で実現することができる。すなわち、図２に示した構成において逆方向にA-RoF信号を入力することにより、A-RoF信号のキャリア周波数の波長成分λＣ、上側波帯の波長成分λＵ、及び下側波帯の波長成分λＬを合波して、１つのA-RoF信号を生成および出力することができる。
　光行列演算器５Ｃは、Ｎ個の光波長分波器３１～３Ｎから、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃが入力され、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃの複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｎの行列演算と等価の処理を施して、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃを生成および出力する。すなわち、光行列演算器５Ｃは、入力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃの複素振幅強度を並べた１次元ベクトルをＶＡ＝（ａ１，…，ａＮ）とした場合に、Ｎ×Ｎの任意行列ＴＣを用いて、下記式；
ＶＢ＝ＴＣ・ＶＡ
によって演算される１次元ベクトルＶＢ＝（ｂ１，…，ｂＮ）の各要素を、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃの複素振幅強度とするように出力RoF信号（１）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃを生成する。
　図３には、Ｎ＝４の場合の光行列演算器５Ｃの具体的な構成例を示す。このように、光行列演算器５Ｃは、一端から入力RoF信号（１）～（４）のキャリア周波数成分Ｃが入力され、他端から出力RoF信号（１）～（４）のキャリア周波数成分Ｃが出力される、４本の光導波路３１１，３１２，３１３，３１４と、４本の光導波路３１１，３１２，３１３，３１４の途中に設けられた、複数のマッハツェンダ干渉計ＭＺ及び複数の位相シフタ（遅延導波路）ＰＳとを含んで構成される。マッハツェンダ干渉計ＭＺは図２と同様な構造を採用できる。位相シフタＰＳは、例えば、光導波路上に設けられるＴｉＮヒータによって構成でき、電気的に光導波路を温めることにより屈折率変化を生じさせ光導波路上を伝搬する光に位相変化を生じさせる。このように、光行列演算器５Ｃは、位相シフタＰＳとマッハツェンダ干渉計ＭＺとが多段に接続された構成を有し、それぞれの位相シフタＰＳにおける信号遅延量（位相シフト量）とマッハツェンダ干渉計ＭＺにおける２本のアーム光導波路間のパワー分配比を制御することで、行列演算に設定される行列ＴＣを任意のユニタリ行列に設定することができる。また、光行列演算器５Ｃは、図３に示した構成に光減衰器あるいは光増幅器を組み合わせることにより、ユニタリ行列に限定されない任意の行列ＴＣによる行列演算を実現できる。
　図４には、Ｎ＝３の場合の光行列演算器５Ｃの別の構成例を示す。この構成例では、光行列演算器５Ｃは、３本の光導波路３１１，３１２，３１３と、２本の光導波路３１１，３１２の間及び２本の光導波路３１２，３１３の間に配置された、一連のリング光共振器３３及び二連のリング光共振器３３とを含んで構成される。二連のリング光共振器３３は、２本の光導波路間で光のパワーを分配するパワーデバイダとして機能し、一連のリング光共振器３３は、近接する光導波路に伝播する光の位相差を生じさせる位相シフタとして機能する。これらのリング光共振器３３の屈折率をヒータ等を用いて制御することにより、光導波路の信号遅延量を制御でき、隣り合う２本の光導波路間のパワー分配比を制御できる。このような構成によっても、光行列演算器５Ｃによる行列演算に設定される行列ＴＣを任意の行列に設定することができる。例えば、入力RoF信号（１）～（３）のキャリア周波数成分Ｃが１次元ベクトルＶＡ＝（１，０，０）となるように設定された場合、光行列演算器５Ｃによって、１次元ベクトルＶＢ＝（０．５７７，０．５７７，０．５７７）となる出力RoF信号（１）～（３）のキャリア周波数成分Ｃが生成される。
　光行列演算器５Ｕは、Ｎ個の光波長分波器３１～３Ｎから、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕが入力され、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕの複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｎの行列演算と等価の処理を施して、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕを生成および出力する。すなわち、光行列演算器５Ｕは、入力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕの複素振幅強度を並べた１次元ベクトルをＶＡ＝（ａ１，…，ａＮ）とした場合に、Ｎ×Ｎの任意行列ＴＵを用いて、下記式；
ＶＢ＝ＴＵ・ＶＡ
によって演算される１次元ベクトルＶＢ＝（ｂ１，…，ｂＮ）の各要素を、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕの複素振幅強度とするように出力RoF信号（１）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕを生成する。この光行列演算器５Ｕは、光行列演算器５Ｃと同様な構成によって実現される。
　光行列演算器５Ｌは、Ｎ個の光波長分波器３１～３Ｎから、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌが入力され、Ｎ個の入力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌの複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｎの行列演算と等価の処理を施して、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌを生成および出力する。すなわち、光行列演算器５Ｌは、入力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌの複素振幅強度を並べた１次元ベクトルをＶＡ＝（ａ１，…，ａＮ）とした場合に、Ｎ×Ｎの任意行列ＴＬを用いて、下記式；
ＶＢ＝ＴＬ・ＶＡ
によって演算される１次元ベクトルＶＢ＝（ｂ１，…，ｂＮ）の各要素を、Ｎ個の出力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌの複素振幅強度とするように出力RoF信号（１）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌを生成する。この光行列演算器５Ｌは、光行列演算器５Ｃと同様な構成によって実現される。
　ここで、３つの光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、出力RoF信号（１）のキャリア周波数成分Ｃに対して、出力RoF信号（１）の上側波帯成分Ｕを所定の位相差＋φ１で位相が変化するようにシフトさせ、出力RoF信号（１）の下側波帯成分Ｌを所定の位相差－φ１で変化するようにシフトさせるように構成される。同様に、３つの光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、出力RoF信号（２）～（Ｎ）のキャリア周波数成分Ｃのそれぞれに対して、それぞれの出力RoF信号（２）～（Ｎ）の上側波帯成分Ｕを所定の位相差＋φ２～＋φＮで位相が変化するようにシフトさせ、出力RoF信号（２）～（Ｎ）の下側波帯成分Ｌを所定の位相差－φ２～－φＮで変化するようにシフトさせるように構成される。これにより、光波長合波器７１～７Ｎから出力される出力RoF信号（１）～（Ｎ）に載せられるRF信号を、位相φ１～φＮでシフトさせることができ、出力RoF信号（１）～（Ｎ）を光電変換して得られるRF信号をアレイアンテナに供給することで、アレイアンテナのアンテナ素子間のRF信号の振幅および位相の制御を実現でき、様々なビームフォーミングあるいはビームステアリングが可能となる。
　なお、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１においては、光波長分波器３１～３Ｎ及び光波長合波器７１～７Ｎが上側波帯成分および下側波帯成分のうち片方のみを処理する構成であってもよく、その場合は、光行列演算器５Ｕあるいは光行列演算器５Ｌのいずれかは省略されていてもよい。また、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１は、複数の上側波帯成分を処理し、複数の上側波帯成分間の位相を制御する構成であってもよい。
　次に、上述したＭＩＭＯ信号処理デバイス１を利用したA-RoF通信システム（光無線通信システム）の実施形態について説明する。
　図５は、実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ａの構成を示す図であり、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１を集約局側に導入し、RoF信号のビームフォーミングを集約局側で行う場合の構成例である。A-RoF通信システム１０１Ａは、集約局１０３に配置される、Ｎ＝４とした場合の構成のＭＩＭＯ信号処理デバイス１及び空間多重化装置１０９と、集約局１０３と基地局１０５との間で光信号を伝送する多芯光ファイバあるいはマルチコア光ファイバ等の光ファイバ（光伝送路）ＦＢと、基地局１０５に配置される、分波器１１１、４つのＯ／Ｅ変換器１１３、及び一次元で配置された４つのアンテナ素子を含むアレイアンテナ１１５と、を含む。
　A-RoF通信システム１０１Ａにおいて、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１の１つの入力ポートに１つのRoF信号（１）が入力され、RoF信号（１）がＭＩＭＯ信号処理デバイス１によって処理されることにより、位相制御及び振幅制御が施された４つの出力RoF信号が出力される。また、A-RoF通信システム１０１Ａにおいて、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１から出力された４つの出力RoF信号が空間多重化装置１０９によって空間加重化されてから光ファイバＦＢによって基地局１０５まで伝送され、分波器１１１によって４つの出力RoF信号が分波され、分波された４つの出力RoF信号がＯ／Ｅ変換器１１３によって４つのRF信号に変換され、変換された４つのRF信号がアレイアンテナ１１５の４つのアンテナ素子に供給されることにより、アレイアンテナ１１５からビーム（電波）ＢＭ（１）が送信される。ただし、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１から出力された４つの出力RoF信号は、空間多重化されないで、４本のシングルモード光ファイバを用いて伝送されてもよい。
　ここで、A-RoF通信システム１０１ＡにおけるＭＩＭＯ信号処理デバイス１に設定される行列演算の行列ＴＣ，ＴＵ，ＴＬの数値例を示す。アレイアンテナ１１５の４つのアンテナ素子の間隔がｄである場合、ビームフォーミングによってアレイアンテナ１１５から出射されるビームの角度をθに設定するには、アレイアンテナ間に生じさせるRF信号の遅延時間をΔτ＝ｄ×sin（θ）／ｃに設定すればよいと理解される（ｃは光速）。従って、アンテナ素子間で生じさせるRF信号の位相変化量Δθは、RF信号の周波数をｆＲＦとすると、Δθ＝２π×ｆＲＦ×Δτと設定すればよいことが分かる。この場合、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１に設定される行列演算の４×４の行列ＴＣ，ＴＵ，ＴＬの数値例は下記式（１）～（３）の通りである。なお、下記行列式中の数値“＊”は任意の複素数を示す。このように、A-RoF通信システム１０１Ａにおいては、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１の光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌによって、RoF信号の各成分の複素振幅強度が、４個の出力RoF信号の複素振幅強度に等分配されるように、行列演算が施される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、図６に示す構成のように、A-RoF通信システム１０１Ａは、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１の２つの入力ポートのそれぞれにRoF信号（１）及びRoF信号（２）が入力され、RoF信号（１）及びRoF信号（２）がＭＩＭＯ信号処理デバイス１によって処理されることにより、独立に位相制御及び振幅制御が施された２つのRoF信号が重畳された４つの出力RoF信号が出力されるように構成されてもよい。これによって、２つのRoF信号（１）及びRoF信号（２）を基にしたビームフォーミングによるビームＢＭ（１），ＢＭ（２）の出射方向を独立して任意に設定することが可能となる。同様にして、A-RoF通信システム１０１Ａにおいては、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１の入力ポート数Ｎ（光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌの入力ポート数）以下の個数のRoF信号を入力することができる。
　上記構成においてアレイアンテナ１１５から出射されるビームＢＭ（１），ＢＭ（２）の角度をそれぞれ＋θ，－θに設定する場合には、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１における行列演算の４×４の行列ＴＣ，ＴＵ，ＴＬは下記式（４）～（６）に示す通りに設定される。この場合も、A-RoF通信システム１０１Ａにおいては、２個のRoF信号の各成分の複素振幅強度が、４個の出力RoF信号の複素振幅強度に等分配されるように、行列演算が施される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　以上説明した本実施形態に係るＭＩＭＯ信号処理デバイス１によれば、Ｎ個の入力RoF信号のキャリア周波数成分Ｃに対して、それらの複素振幅強度にＮ×Ｎの行列演算と同等な処理が施されてＮ個の出力RoF信号のキャリア周波数成分Ｃが生成され、Ｎ個の入力RoF信号の側波帯成分Ｕ，Ｌに対して、それらの複素振幅強度にＮ×Ｎの行列演算と同等な処理が施されてＮ個のRoF信号の側波帯成分Ｕ，Ｌがそれぞれ生成される。そして、Ｎ個の出力RoF信号のキャリア周波数成分Ｃ及びＮ個の出力RoF信号の側波帯成分Ｕ，Ｌのうちの対応する成分の組み合わせが合波されることにより、Ｎ個の出力RoF信号が生成および出力される。ここで、光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌにおける行列演算の処理の事前の設定により、Ｎ個の入力RoF信号に載せられたRF信号の成分のそれぞれに対して、Ｎ種類に任意に設定された振幅制御及び位相制御を施してから、Ｎ種類の成分を同一波長帯でＮ個の出力RoF信号に混ぜて出力することができる。このような構成により、Ｎ個の出力RoF信号を集約局と基地局との間で伝送し、Ｎ個の出力RoF信号を光電変換することによって得られたRF信号をアレイアンテナに入力することができる。その結果、アレイアンテナのアレイ素子間のRF信号の振幅及び位相の制御が波長依存性の影響を受けることなく可能となり、波長依存性の影響を受けることなくアレイアンテナにおける所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。また、単一波長の光源があればＭＩＭＯ信号処理が可能となり、システム構成が単純化される。
　また、本実施形態にかかるA-RoF通信システム１０１Ａによれば、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１から出力されたＮ個の出力RoF信号が伝送され、伝送されたＮ個の出力RoF信号を光電変換することによって得られたRF信号をアレイアンテナ１１５に入力することにより、アレイアンテナ１１５のアレイ素子間のRF信号の振幅及び位相の制御が可能となる。これにより、アレイアンテナ１１５を搭載する基地局１０５の構成を複雑化させること無く、所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。特に、集約局１０３から基地局１０５に伝送されたRoF信号を基にビームフォーミングを行う際に基地局１０５でRF信号を再生成する必要がなく、基地局１０５の処理負荷を低減させつつビームフォーミングの制御が実現される。加えて、アレイアンテナ１１５に供給されるRF信号の位相制御を光の領域で行うことにより、信号処理速度を飛躍的に向上できる。
　ここで、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１において、光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、Ｎ個の出力RoF信号のキャリア周波数成分Ｃのそれぞれに対して、Ｎ個の出力RoF信号の側波帯成分Ｕ，Ｌに所定の位相差を生じさせるように、行列演算と等価の処理を施している。かかる構成を採れば、アレイアンテナから出力されるビームの出射角度を所望の角度に制御することができる。
　また、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１において、光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、Ｎ個の入力RoF信号の各成分の振幅を、Ｎ個の出力RoF信号の各成分に等分配するように、行列演算と等価の処理を施している。この場合、アレイアンテナに対するビームフォーミングの制御が安定化される。
　さらに、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１において、光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、マッハツェンダ干渉計ＭＺと位相シフタＰＳとを含む構成、あるいは、リング光共振器３３を含む構成が採用されている。このような構成によれば、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１の小型化が容易に実現される。
　なお、本発明は、上述した実施形態の態様に限定されるものではない。
　上述した実施形態では、光波長分波器の個数と光波長合波器の個数とは異なっていてもよく、光波長分波器の個数がＮ個（Ｎは１以上の整数）、光波長合波器の個数がＭ個（Ｍは２以上の整数）に設定されていてもよい。この場合は、光行列演算器５Ｃ，５Ｕ，５Ｌは、それぞれ、Ｎ個の入力ポートとＭ個の出力ポートを有し、Ｎ×Ｍ（Ｎ列Ｍ行）の行列演算と等価の処理を実行するように構成される。
　図７は、他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｂの構成を示す図であり、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１を基地局側に導入し、RoF信号のビームフォーミングを基地局側で行う場合の構成例である。A-RoF通信システム１０１Ｂは、集約局１０３と基地局１０５との間で１つのRoF信号（１）を伝送するシングルモード光ファイバ等の光ファイバ（光伝送路）ＦＢと、基地局１０５に配置される、Ｎ＝４とした場合の構成のＭＩＭＯ信号処理デバイス１、４つのＯ／Ｅ変換器１１３、及び４つのアンテナ素子を含むアレイアンテナ１１５と、を含む。このA-RoF通信システム１０１Ｂは、１つのRoF信号（１）を扱うように構成されているが、２つ以上のRoF信号を扱う場合には、A-RoF通信システム１０１Ａと同様に複数のRoF信号を空間多重化して伝送するように構成されていてもよい。
　上記構成のA-RoF通信システム１０１Ｂにおいては、RoF信号（１）が集約局１０３から基地局１０５に伝送され、伝送されたRoF信号（１）が基地局１０５内のＭＩＭＯ信号処理デバイス１に入力され、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１から出力された４つのRoF信号がＯ／Ｅ変換器１１３によって４つのRF信号に変換され、変換された４つのRF信号を基にアレイアンテナ１１５によってビームＢＭ（１）が送信される。このような構成のA-RoF通信システム１０１Ｂによっても、アレイアンテナ１１５を搭載する基地局１０５の構成を複雑化させること無く、所望のビームフォーミングのためのＭＩＭＯ信号処理が実現される。
　また、上述した実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイス１は、基地局において受信されたビームを基に生成されたRoF信号を集約局に伝送する構成に採用されてもよい。具体的には、図８に示す他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｃのような構成であってもよい。A-RoF通信システム１０１Ｃにおいては、基地局１０５に、ビームＢＭ（１），ＢＭ（２）の受信に伴ってアレイアンテナ１１５の各アンテナ素子から出力された４つのRF信号のそれぞれをRoF信号に変換する４つの電気－光変換器（Ｅ／Ｏ変換器）１１７と、４つのＥ／Ｏ変換器１１７から出力された４つのRoF信号を空間多重化する空間多重化装置１０９とが設けられる。また、A-RoF通信システム１０１Ｃにおいては、空間多重化された４つのRoF信号を伝送する光ファイバＦＢと、集約局１０３に導入された、４つのRoF信号を分波する分波器１１１、及び、光波長合波器側から４つのRoF信号が入力されるように設けられたＭＩＭＯ信号処理デバイス１とが設けられる。このような構成によれば、集約局１０３において、２つのビームＢＭ（１），ＢＭ（２）に対応するRoF信号（１）及びRoF信号（２）を再生することができ、RF信号のＭＩＭＯ信号処理による信号再生成を行うことなくビームステアリングの処理を行うことができる。特に、この構成においては、基地局１０５側で異なる波長の光源を用意する必要がなく、構成を単純化できる。
　また。図９に示す他の実施形態に係るA-RoF通信システム１０１Ｄのように、ビームステアリングの処理を基地局側で行う構成であってもよい。すなわち、A-RoF通信システム１０１Ｄは、基地局１０５において、４つのＥ／Ｏ変換器１１７から４つのRoF信号が入力されるＭＩＭＯ信号処理デバイス１、及び、ＭＩＭＯ信号処理デバイス１から出力される４つのRoF信号を空間多重化する空間多重化装置１０９を含む。また、A-RoF通信システム１０１Ｄは、集約局１０３において、基地局１０５から伝送された光から４つのRoF信号を分波する分波器１１１を含む。このような構成によっても、RoF信号をRF信号に変換すること、RF信号の信号処理及び再生成を行うことなしに、ビームステアリングの処理を行うことができる。例えば、基地局１０５のＭＩＭＯ信号処理デバイス１にＤＦＴ（Discrete　Fourier　Transform）行列あるいはバトラー行列を設定することにより、RoF信号を特定の入射角の信号に変換することが可能となり、ＭＩＭＯ信号処理に係る電気的な演算、あるいはRF信号の再生成が不要なため、基地局の処理負荷を軽減することができる。
　ここで、実際に製造した上記実施形態に係る光波長分波器３１～３Ｎの特性の測定結果を示す。図１０には、光波長分波器３１～３Ｎとして使用される波長フィルタの構成を示し、上側に波長フィルタの平面図を示し、下側に波長フィルタの一部を拡大した平面図を示している。また、図１１及び図１２には、図１０の波長フィルタを対象にして測定した波長透過特性を示している。
　図１０に示すように、波長フィルタ２０１ａ，２０１ｂは、基板材料２１中に並列に形成されている。波長フィルタ２０１ｂは、図２に示したマッハツェンダ干渉計２７ｂと同様な機能を有し、上下側波帯の波長成分λＬ，λＵを上側波帯の波長成分λＵと下側波帯の波長成分λＬとに分離する。波長フィルタ２０１ａは、図２に示したマッハツェンダ干渉計２７ａと同様な機能を有し、キャリア周波数及び上下側波帯の波長成分λＬ，λＣ，λＵをキャリア周波数の波長成分λＣと上下側波帯の波長成分λＬ，λＵとに分離する。これらの波長フィルタ２０１ａ，２０１ｂは、縦列に光学接続されて使用される。
　波長フィルタ２０１ｂは、基板材料２１において並列に延びるように形成された２本の光導波路２０３ａ，２０３ｂと、光導波路２０３ｂの途中に重なって設けられるＴｉＮヒータ等の加熱部材２０５と、加熱部材２０５の両端に電圧を供給するための電極パッド２０７及び配線パターン２０９とを含んでいる。光導波路２０３ｂは、繰り返し折り返されるように形成されることにより光導波路２０３ａとは異なる長さに設定される。このような構成では、配線パターン２０９及び電極パッド２０７を介して加熱部材２０５に供給する電力を外部から制御することによって、光導波路２０３ｂを伝搬する光と光導波路２０３ａを伝搬する光との位相差を調整可能とされる。その結果、波長フィルタ２０１ｂによって分離される２つの波長域を調整可能とされる。波長フィルタ２０１ａも、並列に延びる２本の光導波路２１１ａ，２１１ｂを含み、波長フィルタ２０１ｂと同様な構成を有する。
　図１１においては、波長フィルタ２０１ｂにおける光導波路２０３ａ側の出力の透過率特性を実線で示し、波長フィルタ２０１ｂにおける光導波路２０３ｂ側の出力の透過率特性を点線で示している。この測定結果より、波長フィルタ２０１ｂによって、約０．０３８ｎｍの波長間隔、すなわち、約４．７ＧＨｚの周波数間隔で波長成分の分離が実現できることが確認された。また、図１２においては、波長フィルタ２０１ａにおける光導波路２１１ａ側の出力の透過率特性を実線で示し、波長フィルタ２０１ａにおける光導波路２１１ｂ側の出力の透過率特性を点線で示している。この測定結果より、波長フィルタ２０１ａによって、約０．０７７ｎｍの波長間隔、すなわち、約９．６ＧＨｚの周波数間隔で波長成分の分離が実現できることが確認された。
　図１３には、光行列演算器５Ｃとして使用される演算用素子の構成を示している。基板材料２１中に、Ｎ＝２の場合の光行列演算器５Ｃとして使用される演算用素子２２１と、Ｎ＝４の場合の光行列演算器５Ｃとして使用される演算用素子２２３とが並列に形成されている。演算用素子２２１は、基板材料２１において並列に延びるように形成された２本の光導波路２２５，２２７と、いずれかの光導波路２２５，２２７の途中に重なって設けられるＴｉＮヒータ等の加熱部材２３７と、２本の光導波路２２５，２２７間に配置される二連のリング光共振器によって構成されるパワーデバイダ２４３と、パワーデバイダ２４３に重なって設けられるＴｉＮヒータ等の加熱部材２４５と、加熱部材２３７，２４５の両端に電圧を供給するための電極パッド２３９及び配線パターン２４１と、を含んでいる。加熱部材２３７は、配線パターン２４１及び電極パッド２３９を介して外部から供給される電力が制御されることによって、光導波路２２５あるいは光導波路２２７を伝搬する光において位相変化を生じさせる位相シフタとして機能する。パワーデバイダ２４３は、２本の光導波路２２５，２２７間で光のパワーを所定の分配比で分配し、配線パターン２４１及び電極パッド２３９を介して外部から加熱部材２４５に供給される電力が制御されることによって、その分配比が調整可能とされる。同様に、演算用素子２２３は、基板材料２１において並列に延びるように形成された４本の光導波路２２９，２３１，２３３，２３５と、いずれかの光導波路２２９，２３１，２３３，２３５の途中に重なって設けられる加熱部材２３７と、光導波路２２９，２３１，２３３，２３５のうちの隣接する２本の光導波路間に配置されるパワーデバイダ２４３と、パワーデバイダ２４３に重なって設けられる加熱部材２４５と、加熱部材２３７，２４５の両端に電圧を供給するための電極パッド２３９及び配線パターン２４１と、を含んでいる。
　ここで、上記実施形態において、第１及び第２の光行列演算器は、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分のそれぞれに対して、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分に所定の位相差を生じさせるように、行列演算と等価の処理を施す、ことが好ましい。かかる構成を採れば、アレイアンテナから出力されるビームの出射角度を所望の角度に制御することができる。
　また、第１及び第２の光行列演算器は、Ｎ個の入力光信号の各成分の振幅を、Ｍ個の出力光信号の各成分に等分配するように、行列演算と等価の処理を施す、ことも好ましい。この場合、アレイアンテナに対するビームフォーミングの制御が安定化される。
　さらに、第１および第２の光行列演算器は、マッハツェンダ干渉計と遅延導波路とを含む、ことが好ましく、第１及び第２の光行列演算器は、リング共振器を含む、ことも好ましい。このような構成によれば、ＭＩＭＯ信号処理デバイスの小型化が容易に実現される。
　実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスは、［１］「Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の入力光信号がそれぞれ入力され、前記Ｎ個の入力光信号のうちのキャリア周波数成分、及び側波帯成分をそれぞれ分波するＮ個の光波長分波器と、
前記Ｎ個の光波長分波器から、前記Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分が入力され、前記Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍ（Ｍは２以上の整数）の行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分を出力する第１の光行列演算器と、
前記Ｎ個の光波長分波器から、前記Ｎ個の入力光信号の側波帯成分が入力され、前記Ｎ個の入力光信号の側波帯成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍの行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分を出力する第２の光行列演算器と、
前記第１及び第２の光行列演算器から、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分と、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分と、のうちの対応する１つずつの光信号の組み合わせが入力され、前記光信号の組み合わせをそれぞれ合波してＭ個の出力光信号として出力するＭ個の光波長合波器と、
を備えるＭＩＭＯ信号処理デバイス。」である。
　実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスは、［２］「前記第１及び第２の光行列演算器は、前記Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分のそれぞれに対して、前記Ｍ個の出力光信号の側波帯成分に所定の位相差を生じさせるように、前記行列演算と等価の処理を施す、
上記［１］に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス」であってもよい。
　実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスは、［３］「前記第１及び第２の光行列演算器は、前記Ｎ個の入力光信号の各成分の振幅を、Ｍ個の出力光信号の各成分に等分配するように、前記行列演算と等価の処理を施す、
上記［１］または［２］に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス」であってもよい。
　実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスは、［４］「前記第１及び第２の光行列演算器は、マッハツェンダ干渉計と遅延導波路とを含む、
上記［１］～［３］のいずれかに記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス」であってもよい。
　実施形態のＭＩＭＯ信号処理デバイスは、［５］「前記第１及び第２の光行列演算器は、リング共振器を含む、
上記［１］～［３］のいずれかに記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス」であってもよい。
　実施形態の光無線通信システムは、［６］「上記［１］～［５］のいずれかに記載のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、
前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力された前記Ｍ個の出力光信号を伝送する光伝送路と、
前記光伝送路によって伝送された前記Ｍ個の出力光信号を分波する分波器と、
前記分波器によって分波された前記Ｍ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、
を備える光無線通信システム」である。
　実施形態の光無線通信システムは、［７］「上記［１］～［５］のいずれかに記載のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、
前記Ｎ個の入力光信号を伝送し、伝送した前記Ｎ個の入力光信号を前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスに入力する光伝送路と、
前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力された前記Ｍ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、
を備える光無線通信システム」である。
　１…ＭＩＭＯ信号処理デバイス、３１～３Ｎ…光波長分波器、５Ｃ，５Ｌ，５Ｕ…光行列演算器、７１，７１～７Ｎ…光波長合波器、２７ａ，２７ｂ，ＭＺ…マッハツェンダ干渉計、ＰＳ…位相シフタ（遅延導波路）、３３…リング光共振器、１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ…Ａ－ＲｏＦ通信システム（光無線通信システム）、１０３…集約局、１０５…基地局、１１１…分波器、１１３…Ｏ／Ｅ変換器、１１５…アレイアンテナ、ＢＭ…ビーム（電波）、ＦＢ…光ファイバ（光伝送路）。

 

Claims (7)

  1. 　Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の入力光信号がそれぞれ入力され、前記Ｎ個の入力光信号のうちのキャリア周波数成分、及び側波帯成分をそれぞれ分波するＮ個の光波長分波器と、
    　前記Ｎ個の光波長分波器から、前記Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分が入力され、前記Ｎ個の入力光信号のキャリア周波数成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍ（Ｍは２以上の整数）の行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分を出力する第１の光行列演算器と、
    　前記Ｎ個の光波長分波器から、前記Ｎ個の入力光信号の側波帯成分が入力され、前記Ｎ個の入力光信号の側波帯成分の複素振幅強度に対して、Ｎ×Ｍの行列演算と等価の処理を施して、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分を出力する第２の光行列演算器と、
    　前記第１及び第２の光行列演算器から、Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分と、Ｍ個の出力光信号の側波帯成分と、のうちの対応する１つずつの光信号の組み合わせが入力され、前記光信号の組み合わせをそれぞれ合波してＭ個の出力光信号として出力するＭ個の光波長合波器と、
    を備えるＭＩＭＯ信号処理デバイス。
  2. 　前記第１及び第２の光行列演算器は、前記Ｍ個の出力光信号のキャリア周波数成分のそれぞれに対して、前記Ｍ個の出力光信号の側波帯成分に所定の位相差を生じさせるように、前記行列演算と等価の処理を施す、
    請求項１記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス。
  3. 　前記第１及び第２の光行列演算器は、前記Ｎ個の入力光信号の各成分の振幅を、Ｍ個の出力光信号の各成分に等分配するように、前記行列演算と等価の処理を施す、
    請求項１または２に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス。
  4. 　前記第１及び第２の光行列演算器は、マッハツェンダ干渉計と遅延導波路とを含む、
    請求項１または２に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス。
  5. 　前記第１及び第２の光行列演算器は、リング共振器を含む、
    請求項１または２に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイス。
  6. 　請求項１または２に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、
    　前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力された前記Ｍ個の出力光信号を伝送する光伝送路と、
    　前記光伝送路によって伝送された前記Ｍ個の出力光信号を分波する分波器と、
    　前記分波器によって分波された前記Ｍ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
    　前記Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、
    を備える光無線通信システム。
  7. 　請求項１または２に記載のＭＩＭＯ信号処理デバイスと、
    　前記Ｎ個の入力光信号を伝送し、伝送した前記Ｎ個の入力光信号を前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスに入力する光伝送路と、
    　前記ＭＩＭＯ信号処理デバイスから出力された前記Ｍ個の出力光信号をＭ個の電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
    　前記Ｏ／Ｅ変換器によって変換されたＭ個の電気信号を基に電波を送信するアレイアンテナと、
    を備える光無線通信システム。
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