JP2012226256A - High frequency oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、ミリ波やマイクロ波などの高周波信号を発振することができる高周波発振器に関するものである。 The present invention relates to a high-frequency oscillator that can oscillate high-frequency signals such as millimeter waves and microwaves.
高周波発振器では、伝送路として、光ファイバ等を用いて長距離化することで、低位相雑音化を実現している。
しかし、周囲の環境温度の変動によって光ファイバの熱収縮が生じ、信号周波数が変動することがある。
以下の特許文献1には、信号周波数の安定化を実現している高周波発振器が開示されている。
In high-frequency oscillators, low phase noise is realized by extending the distance using an optical fiber or the like as a transmission line.
However, fluctuations in the ambient environmental temperature may cause thermal contraction of the optical fiber, and the signal frequency may fluctuate.
特許文献1に開示されている高周波発振器は、レーザ光源と、光変調器と、光電変換器と、増幅器と、遅延器とから構成されている。
以下、この高周波発振器の動作を簡単に説明する。
光変調器は、後述する遅延器から与えられる変調信号にしたがって、レーザ光源から発生されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光を光電変換器に出力する。
光電変換器は、光変調器から出力された強度変調後のレーザ光を高周波信号(電気信号)に変換し、その高周波信号を外部に出力するとともに、その高周波信号を増幅器に出力する。
The high frequency oscillator disclosed in
The operation of this high frequency oscillator will be briefly described below.
The optical modulator modulates the intensity of the laser beam generated from the laser light source in accordance with a modulation signal provided from a delay unit described later, and outputs the laser beam after the intensity modulation to the photoelectric converter.
The photoelectric converter converts the intensity-modulated laser light output from the optical modulator into a high-frequency signal (electric signal), outputs the high-frequency signal to the outside, and outputs the high-frequency signal to the amplifier.
遅延器は、移相器として動作するものであり、光電変換器から高周波信号を受けると、その高周波信号の位相を調整し、位相調整後の高周波信号を変調信号として光変調器に与える。
これにより、信号周波数の安定化が実現される。
The delay device operates as a phase shifter. When a high-frequency signal is received from the photoelectric converter, the delay device adjusts the phase of the high-frequency signal and applies the phase-adjusted high-frequency signal to the optical modulator as a modulation signal.
Thereby, stabilization of the signal frequency is realized.
従来の高周波発振器は以上のように構成されているので、光電変換器から出力された高周波信号の位相を調整して、位相調整後の高周波信号を変調信号として光変調器に与えることで、信号周波数の安定化を実現することができる。しかし、周囲の環境温度の変動が大きい場合、光ファイバの熱収縮に伴う高周波信号の位相シフト量が、遅延器で調整可能な量を超えてしまって、周波数の安定化を図ることができなくなることがある課題があった。 Since the conventional high-frequency oscillator is configured as described above, the phase of the high-frequency signal output from the photoelectric converter is adjusted, and the phase-adjusted high-frequency signal is supplied to the optical modulator as a modulation signal. Frequency stabilization can be realized. However, if the ambient temperature varies greatly, the amount of phase shift of the high-frequency signal that accompanies thermal contraction of the optical fiber exceeds the amount that can be adjusted by the delay device, making it impossible to stabilize the frequency. There were some issues.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高周波信号の周波数調整範囲を拡大して、周囲の環境温度の変動が大きい場合でも、信号周波数の安定化を実現することができる高周波発振器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and by expanding the frequency adjustment range of a high-frequency signal, it is possible to achieve stabilization of the signal frequency even when the ambient temperature varies greatly. An object is to obtain a high-frequency oscillator that can be used.
この発明に係る高周波発振器は、レーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光源から発生されたレーザ光を分岐する第1のレーザ光分岐手段と、第1の制御信号にしたがって第1のレーザ光分岐手段により分岐された一方のレーザ光の周波数をシフトさせる第1の光周波数シフタと、第2の制御信号にしたがって第1のレーザ光分岐手段により分岐された他方のレーザ光の周波数をシフトさせる第2の光周波数シフタと、第1の光周波数シフタにより周波数がシフトされたレーザ光と第2の光周波数シフタにより周波数がシフトされたレーザ光を合波し、合波後のレーザ光を出力するレーザ光合波手段と、レーザ光合波手段から出力されたレーザ光を高周波信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段により変換された高周波信号を分岐し、一方の高周波信号を第2の制御信号として第2の光周波数シフタに与える高周波信号分岐手段と、基準信号を発振する基準発振器と、基準発振器から発振された基準信号の周波数と高周波信号分岐手段により分岐された他方の高周波信号の周波数との周波数差を検出する周波数差検出手段と、周波数差検出手段により検出された周波数差に応じて第1の制御信号を生成し、第1の制御信号を第1の光周波数シフタに与える制御信号生成手段とを設けたものである。 The high-frequency oscillator according to the present invention includes a laser light source that generates laser light, first laser light branching means that branches the laser light generated from the laser light source, and first laser light branching according to a first control signal. A first optical frequency shifter for shifting the frequency of one of the laser beams branched by the means, and a first optical frequency shifter for shifting the frequency of the other laser light branched by the first laser beam branching means according to the second control signal. 2, the laser light whose frequency is shifted by the first optical frequency shifter and the laser light whose frequency is shifted by the second optical frequency shifter are combined, and the combined laser light is output. Laser beam multiplexing means, photoelectric conversion means for converting laser light output from the laser light multiplexing means into high frequency signals, and branching the high frequency signals converted by the photoelectric conversion means High frequency signal branching means for supplying one of the high frequency signals as a second control signal to the second optical frequency shifter, a reference oscillator for oscillating the reference signal, the frequency of the reference signal oscillated from the reference oscillator and the high frequency signal branching means A frequency difference detection means for detecting a frequency difference with the frequency of the other branched high frequency signal, a first control signal is generated according to the frequency difference detected by the frequency difference detection means, and the first control signal is And a control signal generating means to be provided to the first optical frequency shifter.
この発明によれば、レーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光源から発生されたレーザ光を分岐する第1のレーザ光分岐手段と、第1の制御信号にしたがって第1のレーザ光分岐手段により分岐された一方のレーザ光の周波数をシフトさせる第1の光周波数シフタと、第2の制御信号にしたがって第1のレーザ光分岐手段により分岐された他方のレーザ光の周波数をシフトさせる第2の光周波数シフタと、第1の光周波数シフタにより周波数がシフトされたレーザ光と第2の光周波数シフタにより周波数がシフトされたレーザ光を合波し、合波後のレーザ光を出力するレーザ光合波手段と、レーザ光合波手段から出力されたレーザ光を高周波信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段により変換された高周波信号を分岐し、一方の高周波信号を第2の制御信号として第2の光周波数シフタに与える高周波信号分岐手段と、基準信号を発振する基準発振器と、基準発振器から発振された基準信号の周波数と高周波信号分岐手段により分岐された他方の高周波信号の周波数との周波数差を検出する周波数差検出手段と、周波数差検出手段により検出された周波数差に応じて第1の制御信号を生成し、第1の制御信号を第1の光周波数シフタに与える制御信号生成手段とを設けるように構成したので、高周波信号の周波数調整範囲が拡大され、その結果、周囲の環境温度の変動が大きい場合でも、信号周波数の安定化を実現することができる効果がある。 According to the present invention, the laser light source that generates the laser light, the first laser light branching means that branches the laser light generated from the laser light source, and the first laser light branching means according to the first control signal. A first optical frequency shifter that shifts the frequency of one of the branched laser beams, and a second optical frequency shifter that shifts the frequency of the other laser beam branched by the first laser beam branching means in accordance with a second control signal. An optical frequency shifter, a laser beam whose frequency is shifted by the first optical frequency shifter, and a laser beam whose frequency is shifted by the second optical frequency shifter are combined, and a laser beam combining unit that outputs the combined laser beam. Wave means, photoelectric conversion means for converting the laser beam output from the laser beam combining means to a high frequency signal, and branching the high frequency signal converted by the photoelectric conversion means, The high frequency signal branching means for giving the signal to the second optical frequency shifter as the second control signal, the reference oscillator for oscillating the reference signal, the frequency of the reference signal oscillated from the reference oscillator and the high frequency signal branching means A frequency difference detecting means for detecting a frequency difference with the frequency of the other high-frequency signal; a first control signal is generated in accordance with the frequency difference detected by the frequency difference detecting means; Since the control signal generating means to be provided to the optical frequency shifter is provided, the frequency adjustment range of the high-frequency signal is expanded, and as a result, the signal frequency can be stabilized even when the ambient temperature varies greatly. There is an effect that can.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による高周波発振器を示す構成図である。
図1において、レーザ光源1は周波数fcのレーザ光を発生し、そのレーザ光を光カプラ2に出力する光源である。
光カプラ2は例えば光ファイバによってレーザ光源1と接続されており、レーザ光源1から出力されたレーザ光を2つに分岐して、一方のレーザ光を光周波数シフタ3に伝送し、他方のレーザ光を光周波数シフタ4に伝送する光学部品である。なお、光カプラ2は第1のレーザ光分岐手段を構成している。
1 is a block diagram showing a high-frequency oscillator according to
In FIG. 1, a
The
光周波数シフタ3は例えば光ファイバによって光カプラ2と接続されており、カプラ13から出力された制御信号(第3の制御信号)にしたがって光カプラ2により分岐された一方のレーザ光の周波数をシフトし、周波数fc+fsのレーザ光を光周波数シフタ4に出力する処理を実施する。なお、光周波数シフタ3は第3の光周波数シフタを構成している。
光周波数シフタ4は例えば光ファイバによって光周波数シフタ3と接続されており、電圧制御発振器17から出力された制御信号(第1の制御信号)にしたがって光周波数シフタ3から出力されたレーザ光の周波数をシフトし、周波数fc−Δfのレーザ光を光カプラ6に出力する処理を実施する。なお、光周波数シフタ4は第1の光周波数シフタを構成している。
図1の例では、光周波数シフタ4が光周波数シフタ3の後段に配置されているが、光周波数シフタ4が光周波数シフタ3の前段に配置されていてもよい。
The
The
In the example of FIG. 1, the
光周波数シフタ5は例えば光ファイバによって光カプラ2と接続されており、カプラ11から出力された制御信号(第2の制御信号)にしたがって光カプラ2により分岐された他方のレーザ光の周波数をシフトし、周波数fc+fmのレーザ光を光カプラ6に出力する処理を実施する。なお、光周波数シフタ5は第2の光周波数シフタを構成している。
光カプラ6は例えば光ファイバによって光周波数シフタ4,5と接続されており、光周波数シフタ4から出力された周波数fc−Δfのレーザ光と光周波数シフタ5から出力された周波数fc+fmのレーザ光とを合波し、合波後のレーザ光を光ファイバ7に伝送する光学部品である。なお、光カプラ6はレーザ光合波手段を構成している。
The
The
光ファイバ7は光カプラ6から出力されたレーザ光をO/E変換器8に伝送する伝送路である。
光電変換器であるO/E変換器8は光ファイバ7により伝送されたレーザ光を直接検波(自乗検波)することで、そのレーザ光を電気信号であるRF信号(高周波信号)に変換する処理を実施する。なお、O/E変換器8は光電変換手段を構成している。
バンドパスフィルタ9は例えば同軸ケーブル等の電線ケーブルによってO/E変換器8と接続されており、O/E変換器8により変換されたRF信号の信号成分のうち、予め設定された所定の通過帯域以外の周波数帯域の信号成分やスプリアスを遮断して、所定の通過帯域に含まれている信号成分だけを通過させる処理を実施する。
The optical fiber 7 is a transmission path for transmitting the laser light output from the
The O /
The band-
カプラ10はバンドパスフィルタ9を通過してきたRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号をカプラ11に出力して、他方のRF信号を周波数調整部14に出力する部品である。
カプラ11はカプラ10から出力された一方のRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号を制御信号として光周波数シフタ5に与えて、他方のRF信号を外部に出力する部品である。
なお、カプラ10,11は高周波信号分岐手段を構成しており、カプラ11は第1の外部出力手段を構成している。
The
The
The
基準発振器12は周波数fsの基準信号を発振し、その基準信号をカプラ13に出力する発振器である。
カプラ13は基準発振器12から発振された基準信号を2つに分岐し、一方の基準信号を制御信号として光周波数シフタ3に与えて、他方の基準信号を周波数差検出部15に出力する部品である。なお、カプラ13は基準信号分岐手段を構成している。
The
The
周波数調整部14はカプラ11から外部に出力されたRF信号の周波数と基準発振器12から発振された基準信号の周波数fsとの比率と同一の比率で、カプラ10から出力された他方のRF信号の周波数を調整し、周波数調整後のRF信号を周波数差検出部15に出力する処理を実施する。なお、周波数調整部14は周波数調整手段を構成している。
周波数差検出部15はカプラ13から出力された基準信号の周波数fsと周波数調整部14から出力されたRF信号の周波数との周波数差を検出する処理を実施する。なお、周波数差検出部15は周波数差検出手段を構成している。
The
The frequency
電圧印加部16は周波数差検出部15により検出された周波数差に対応する電圧値を電圧制御発振器17に印加する処理を実施する。
電圧制御発振器17は電圧印加部16により印加された電圧値にしたがって発振周波数が制御され、光周波数シフタ4の制御信号として、制御された周波数のRF信号を生成する処理を実施する。
なお、電圧印加部16及び電圧制御発振器17から制御信号生成手段が構成されている。
The
The voltage controlled
The
次に動作について説明する。
レーザ光源1は、周波数fcのレーザ光を発生し、そのレーザ光を光カプラ2に出力する。
光カプラ2は、レーザ光源1から出力されたレーザ光を受けると、そのレーザ光を2つに分岐して、一方のレーザ光を光周波数シフタ3に伝送し、他方のレーザ光を光周波数シフタ4に伝送する。
Next, the operation will be described.
The
When receiving the laser beam output from the
光周波数シフタ3は、光カプラ2から周波数fcのレーザ光を受けると、カプラ13から出力された制御信号にしたがって、そのレーザ光の周波数をシフト(基準発振器12から発振された基準信号に応じた分周波数シフト)し、周波数fc+fsのレーザ光を光周波数シフタ4に出力する。
光周波数シフタ4は、光周波数シフタ3から周波数fc+fsのレーザ光を受けると、電圧制御発振器17から出力された制御信号にしたがって、そのレーザ光の周波数をシフト(電圧制御発振器17から出力された制御信号に応じた分周波数シフト)し、周波数fc−Δfのレーザ光を光カプラ6に出力する。
When the
When the
光周波数シフタ5は、光カプラ2から周波数fcのレーザ光を受けると、カプラ11から出力された制御信号にしたがって、そのレーザ光の周波数をシフト(カプラ11から外部に出力されたRF信号に応じた分周波数シフト)し、周波数fc+fmのレーザ光を光カプラ6に出力する。
光カプラ6は、光周波数シフタ4から出力された周波数fc−Δfのレーザ光と光周波数シフタ5から出力された周波数fc+fmのレーザ光とを合波し、合波後のレーザ光を光ファイバ7に伝送する。
When receiving the laser beam having the frequency fc from the
The
O/E変換器8は、光ファイバ7により伝送されたレーザ光が入力されると、そのレーザ光を直接検波(自乗検波)することで、そのレーザ光を電気信号であるRF信号に変換する。
バンドパスフィルタ9は、O/E変換器8がレーザ光をRF信号に変換すると、そのRF信号の信号成分のうち、予め設定された所定の通過帯域以外の周波数帯域の信号成分やスプリアスを遮断して、所定の通過帯域に含まれている信号成分だけを通過させてカプラ10に出力する。
When the laser beam transmitted through the optical fiber 7 is input, the O /
When the O /
カプラ10は、バンドパスフィルタ9を通過してきたRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号をカプラ11に出力して、他方のRF信号を周波数調整部14に出力する。
カプラ11は、カプラ10から出力された一方のRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号を制御信号として光周波数シフタ5に与えて、他方のRF信号を外部に出力する。
The
The
基準発振器12は、周波数fsの基準信号を発振し、その基準信号をカプラ13に出力する。
カプラ13は、基準発振器12から出力された基準信号を受けると、その基準信号を2つに分岐し、一方の基準信号を制御信号として光周波数シフタ3に与えて、他方の基準信号を周波数差検出部15に出力する。
The
When the
周波数調整部14は、カプラ10により分岐された他方のRF信号を受けると、カプラ11から外部に出力されたRF信号の周波数と基準発振器12から発振された基準信号の周波数fsとの比率と同一の比率で、カプラ10から出力されたRF信号の周波数を調整し、周波数調整後のRF信号を周波数差検出部15に出力する。
周波数差検出部15は、カプラ13から出力された基準信号の周波数fsと周波数調整部14から出力されたRF信号の周波数との周波数差を検出する。
When receiving the other RF signal branched by the
The frequency
電圧印加部16は、周波数差検出部15が周波数差を検出すると、その周波数差に対応する電圧値を電圧制御発振器17に印加することで、電圧制御発振器17の発振周波数を制御する。
電圧制御発振器17は、電圧印加部16により印加された電圧値に対応する周波数のRF信号を発振し、そのRF信号を制御信号として、光周波数シフタ4に与える。
When the frequency
The voltage controlled
ここで、カプラ11により分岐されたRF信号が制御信号として光周波数シフタ5に与えられることにより、帰還回路が構成される。
この帰還回路において、回路全体の損失よりも大きくなるように帰還ゲインを設定することにより、図1の高周波発振器では、バンドパスフィルタ9で設定されている所定の周波数で発振を始める。
また、周波数差検出部15により検出された周波数差に対応する制御信号が光周波数シフタ4に与えられることにより、図1の高周波発振器の外部に出力されるRF信号が調整される。
Here, an RF signal branched by the
In this feedback circuit, by setting the feedback gain so as to be larger than the loss of the entire circuit, the high frequency oscillator of FIG. 1 starts oscillating at a predetermined frequency set by the
Also, a control signal corresponding to the frequency difference detected by the
次に、この実施の形態1における高周波発振器の効果について説明する。
この種類の高周波発振器では、例えば、レーザ光の伝送路として、長い光ファイバを用いることで、発振ループを容易に長距離化させることができる。これにより、発振のQ値が高められて、低位相雑音特性が得られるという利点がある。
ただし、長い光ファイバを用いることで、環境温度変化に伴うファイバ長変動を要因とする位相変化を生じることがある。
マイクロ波移相器を搭載すれば、ファイバ長変動による位相変化を補償することができるが、市販のマイクロ波移相器の位相調整量は、通常1周期(360度)程度である。このため、これ以上の位相調整を行うには複数のマイクロ波移相器を搭載する必要があり、高コスト化や大型化などを招くことになる。
Next, the effect of the high frequency oscillator in the first embodiment will be described.
In this type of high-frequency oscillator, for example, by using a long optical fiber as a laser light transmission path, the oscillation loop can be easily extended. As a result, there is an advantage that the Q value of oscillation is increased and low phase noise characteristics can be obtained.
However, the use of a long optical fiber may cause a phase change due to a fiber length variation accompanying an environmental temperature change.
If a microwave phase shifter is installed, it is possible to compensate for a phase change due to fiber length variation, but the phase adjustment amount of a commercially available microwave phase shifter is usually about one period (360 degrees). For this reason, in order to perform further phase adjustment, it is necessary to mount a plurality of microwave phase shifters, resulting in an increase in cost and size.
そこで、この実施の形態1では、光変調を行う光周波数シフタ4を実装し、光周波数シフタ4の周波数を電圧制御発振器17によって変化させることで、発振周波数を制御している。
市販の光周波数シフタとしては、例えば、超音波等の音響波を音響光学素子に加えることで、入力光の周波数をシフトさせるAO変調器(Acoust Optic Modulator:AOM)があり、数10MHz〜100MHz程度の周波数シフトが可能である。また、電圧制御発振器17についても、数10MHz〜100MHz程度の周波数シフトは十分可能である。
これにより、マイクロ波移相器の位相調整量に限定されることなく、周波数制御が可能になる効果が得られる。
Therefore, in the first embodiment, the
As a commercially available optical frequency shifter, for example, there is an AO modulator (AOM Modulator: AOM) that shifts the frequency of input light by applying an acoustic wave such as an ultrasonic wave to an acoustooptic device, and is about several tens to 100 MHz. Frequency shift is possible. Also, the voltage controlled
Thereby, the effect of enabling frequency control is obtained without being limited to the phase adjustment amount of the microwave phase shifter.
以下、高周波発振器の効果を分かりやすく説明するため、高周波発振器内の各構成部における光スペクトル模式図を時系列で示し、周波数の流れについて説明する。
ここでは、光周波数シフタ3と光周波数シフタ4として、上述したAOMを用いるものとする。
AOMは、上述したように、音響波を加えることで、回折された光を周波数シフトさせるものであり、一般的に回折光の生じる方向が音響波の進行方向と同じ場合は、光の周波数が高い方向にシフトし、回折光が音響波の進行方向と逆の場合は、光の周波数が低い方向にシフトする。
以下の説明では、光周波数シフタ3が、周波数が高くなる方向にシフトし、光周波数シフタ4が、周波数が低くなる方向にシフトするものとする。ただし、光周波数シフタ3が、周波数が低くなる方向にシフトしても構わないし、光周波数シフタ4が、周波数が高くなる方向にシフトしても構わない。
Hereinafter, in order to explain the effects of the high-frequency oscillator in an easy-to-understand manner, schematic diagrams of optical spectra in the respective components in the high-frequency oscillator are shown in time series, and the flow of frequency will be described.
Here, the AOM described above is used as the
As described above, the AOM shifts the frequency of diffracted light by applying an acoustic wave. Generally, when the direction in which the diffracted light is generated is the same as the traveling direction of the acoustic wave, the frequency of the light is When the diffracted light is shifted in the higher direction and the diffracted light is opposite to the traveling direction of the acoustic wave, the light frequency is shifted in the lower direction.
In the following description, it is assumed that the
なお、レーザ光源1から発生されるレーザ光の周波数はfc、基準発振器12から発振される基準信号の周波数はfs、電圧制御発振器17から出力される制御信号の周波数はfs+Δf、シフト信号の周波数fmとする。
シフト信号の周波数fmは、カプラ11から外部に出力されるRF信号と同一の周波数であり、高周波発振器内の全ループ長の逆数に比例して発振しうるモード(以下、「発振モード」と称する)のうち、バンドパスフィルタ9の通過帯域透過において、通過率が最も高い発振モードで発振したときの信号の周波数である。
The frequency of the laser light generated from the
The frequency fm of the shift signal is the same frequency as the RF signal output from the
このとき、レーザ光源1から発生されたレーザ光のスペクトルは、図2に示すように、周波数fcで光信号が得られる。
次に、このレーザ光が光カプラ2で分岐された後、光周波数シフタ3で周波数シフトされると、図3に示すように、光信号の周波数がfcからfc+fsにシフトされる。
さらに、光周波数シフタ4で周波数シフトされると、図4に示すように、光信号の周波数がfc+fsからfc−Δfにシフトされる。
At this time, the spectrum of the laser light generated from the
Next, when the laser beam is branched by the
Further, when the frequency is shifted by the
一方、レーザ光源1から発生されたレーザ光が光カプラ2で分岐された後、光周波数シフタ5で周波数シフトされると、図5に示すように、光信号の周波数がfcからfc+fmにシフトされる。
その後、光周波数シフタ4と光周波数シフタ5のレーザ光が光カプラ6で合波されると、図6に示すように、周波数fc−Δfの光信号と周波数fc+fmの光信号とが得られる。
この光信号が光ファイバ7を通過してO/E変換器8に到達すると、O/E変換器8では、直接検波によって、2つの光信号のビート周波数で、電気信号であるRF信号に変換される。
On the other hand, when the laser light generated from the
Thereafter, when the laser beams of the
When this optical signal passes through the optical fiber 7 and reaches the O /
したがって、環境温度変化に伴うファイバ長変動によって、例えば、図1の高周波発振器の発振信号が−Δf変動した場合、周波数差検出部15が−Δfを検出する。
周波数差検出部15が−Δfを検出すると、電圧印加部16が、電圧制御発振器17から周波数fs+Δfの制御信号が発生されるような電圧値を電圧制御発振器17に印加することで、−Δfの周波数変動が自動的に補正され、外部に出力されるRF信号の周波数を安定化させることができる。
Therefore, for example, when the oscillation signal of the high-frequency oscillator in FIG. 1 fluctuates by −Δf due to the fiber length variation accompanying the environmental temperature change, the frequency
When the frequency
また、従来の高周波発振器が用いているマイクロ波移相器の位相シフト量は、上述したように1周期(360度)程度である。
ここで、fm=10GHz、高周波発振器の全体の発振ループ長を1000mと仮定する。
なお、10GHzの周波数fmを実現するためのマイクロ波移相器としては、例えば、Lithium Niobate(LN)を用いた光SSB変調器が知られている。また、発振ループ長は1000m程度の光ファイバ7を用いることで容易に実現可能である。
このとき、10GHz、位相シフト量360度の移相器で調整できるファイバ長変動は、例えば、ファイバ屈折率を1.5、光速を3.0×108[m/s]とすると、以下の式(1)のように計算することができる。
Further, as described above, the phase shift amount of the microwave phase shifter used by the conventional high frequency oscillator is about one cycle (360 degrees).
Here, it is assumed that fm = 10 GHz and the entire oscillation loop length of the high-frequency oscillator is 1000 m.
As a microwave phase shifter for realizing the frequency fm of 10 GHz, for example, an optical SSB modulator using Lithium Niobate (LN) is known. The oscillation loop length can be easily realized by using the optical fiber 7 having a length of about 1000 m.
At this time, the fiber length variation that can be adjusted with a phase shifter of 10 GHz and a phase shift amount of 360 degrees is, for example, when the fiber refractive index is 1.5 and the speed of light is 3.0 × 108 [m / s]. It can be calculated as (1).
一方、この実施の形態1のように、電圧制御発振器17と光周波数シフタ4を用いて、周波数補正を行うものとして、その周波数シフト量(前述のΔfに相当)を10MHzとすると、このシフト量で調整可能なファイバ長変動は、以下の式(2)のように計算することができる。
式(1)と式(2)から明らかなように、この実施の形態1の高周波発振器では、従来の高周波発振器よりも、調整可能なファイバ長変動量が50倍に広がることが分かる。
このため、この実施の形態1の高周波発振器では、従来の高周波発振器よりも、周波数調整範囲が広範囲になる。
On the other hand, assuming that the frequency shift amount (corresponding to the above-mentioned Δf) is 10 MHz assuming that frequency correction is performed using the voltage controlled
As is clear from the equations (1) and (2), the high-frequency oscillator of the first embodiment shows that the adjustable fiber length fluctuation amount is 50 times wider than that of the conventional high-frequency oscillator.
For this reason, the high frequency oscillator of the first embodiment has a wider frequency adjustment range than the conventional high frequency oscillator.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、レーザ光を発生するレーザ光源1と、レーザ光源1から発生されたレーザ光を分岐する光カプラ2と、カプラ13から出力された制御信号にしたがって光カプラ2により分岐された一方のレーザ光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ3と、電圧制御発振器17から出力された制御信号にしたがって光周波数シフタ3により周波数がシフトされたレーザ光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ4と、カプラ11から出力された制御信号にしたがって光カプラ2により分岐された他方のレーザ光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ5と、光周波数シフタ4により周波数がシフトされたレーザ光と光周波数シフタ5により周波数がシフトされたレーザ光を合波し、合波後のレーザ光を出力する光カプラ6と、光カプラ6から出力されたレーザ光をRF信号に変換するO/E変換器8と、O/E変換器8により変換されたRF信号の信号成分のうち、予め設定された所定の通過帯域に含まれている信号成分だけを通過させるバンドパスフィルタ9と、バンドパスフィルタ9を通過してきたRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号をカプラ11に出力して、他方のRF信号を周波数調整部14に出力するカプラ10と、カプラ10から出力された一方のRF信号を2つに分岐し、一方のRF信号を制御信号として光周波数シフタ5に与えて、他方のRF信号を外部に出力するカプラ11と、基準信号を発振する基準発振器12と、基準発振器12から発振された基準信号を2つに分岐し、一方の基準信号を制御信号として光周波数シフタ3に与えて、他方の基準信号を周波数差検出部15に出力するカプラ13と、カプラ11から外部に出力されたRF信号の周波数と基準発振器12から発振された基準信号の周波数との比率と同一の比率で、カプラ10から出力された他方のRF信号の周波数を調整する周波数調整部14と、カプラ13から出力された基準信号の周波数fsと周波数調整部14から出力されたRF信号の周波数との周波数差を検出する周波数差検出部15と、周波数差検出部15により検出された周波数差に対応する電圧値を電圧制御発振器17に印加する電圧印加部16と、電圧印加部16により印加された電圧値にしたがって発振周波数が制御され、光周波数シフタ4の制御信号として、制御された周波数のRF信号を生成する電圧制御発振器17とを設けるように構成したので、RF信号の周波数調整範囲が拡大され、その結果、周囲の環境温度の変動が大きい場合でも、信号周波数の安定化を実現することができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the
この実施の形態1では、レーザ光源1からO/E変換器8に至る伝送路(レーザ光源1と光カプラ2の間の伝送路、光カプラ2と光周波数シフタ3の間の伝送路、光周波数シフタ3と光周波数シフタ4の間の伝送路、光カプラ2と光周波数シフタ5の間の伝送路、光周波数シフタ4と光カプラ6の間の伝送路、光周波数シフタ5と光カプラ6の間の伝送路、光カプラ6と光ファイバ7の間の伝送路及び光ファイバ7とO/E変換器8の間の伝送路)が光ファイバであるため、高周波発振器の小型化が可能になり、また、高い信頼性が得られる。
また、取り扱いが容易となり、高い配置自由性を有するなどの効果が得られる。
ただし、この実施の形態1では、レーザ光源1からO/E変換器8に至る伝送路の全てが光ファイバであるものに限るものではなく、その伝送路の一部又は全部が、例えば、空間などの他の伝送路であってもよい。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the transmission path from the
Moreover, handling becomes easy and effects, such as having high arrangement | positioning freedom, are acquired.
However, in the first embodiment, the entire transmission path from the
この実施の形態1では、O/E変換器8と光周波数シフタ5の間に、バンドパスフィルタ9、カプラ10及びカプラ11が配置されているものを示したが、O/E変換器8と光周波数シフタ5の間であれば、バンドパスフィルタ9、カプラ10及びカプラ11の配置順序は問わない。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
この実施の形態1では、光カプラ2がレーザ光を2つに分岐し、カプラ10,11がRF信号を2つに分岐し、カプラ13が基準信号を2つに分岐するものを示したが、光カプラ2及びカプラ10,11については、高周波発振器が発振するための条件及び電圧制御発振器17で周波数制御可能となるための条件を満たしていれば、どのような分岐比でも構わない。
また、カプラ11については高周波発振器が発振するための条件を満たしていれば、どのような分岐比でも構わない。カプラ13については周波数差検出部15で周波数差を検出するための条件を満たしていれば、どのような分岐比でも構わない。
このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
The
This also applies to other embodiments described below.
この実施の形態1では、カプラ11がRF信号を外部に出力しているものを示したが、図7に示すように、第2の外部出力手段である光カプラ21を光ファイバ7上に配置し、光カプラ21が光カプラ6から出力されたレーザ光を2つに分岐し、一方のレーザ光をO/E変換器8に出力して、他方のレーザ光を外部に出力するようにしてもよい。
これにより、周波数fmだけ離れている2つの光信号を同時に取り出すことができる効果を奏する。
例えば、外部に出力されたレーザ光を光ファイバ等で長距離伝送させた後、O/E変換器等を用いて、そのレーザ光をRF信号に変換し、そのRF信号を同軸ケーブル等の電気信号伝送路で、同様の距離を伝送させる場合と比べて、低損失で伝送できるメリットが生じる。
In the first embodiment, the
Thereby, there is an effect that two optical signals separated by the frequency fm can be extracted simultaneously.
For example, after the laser beam output to the outside is transmitted over a long distance using an optical fiber or the like, the laser beam is converted into an RF signal using an O / E converter or the like, and the RF signal is converted into an electrical signal such as a coaxial cable. Compared with the case where the same distance is transmitted on the signal transmission path, there is an advantage that transmission can be performed with low loss.
図7の例では、光カプラ21がO/E変換器8の前段に配置されているものを示しているが、光カプラ6とO/E変換器8の間であれば、どの位置に光カプラ21が配置されていてもよい。
また、高周波発振器が発振するための条件を満たしていれば、光カプラ21の分岐比は、どのような分岐比でも構わない。
このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the example of FIG. 7, the
The branching ratio of the
This also applies to other embodiments described below.
この実施の形態1では、カプラ10により分岐されたRF信号がカプラ11に入力されるものを示したが、図8に示すように、電気信号であるRF信号を増幅するアンプ31(増幅器)をカプラ10とカプラ11の間に配置するようにしてもよい。
このように、アンプ31を配置することで、外部に出力するRF信号を増幅することができるとともに、レーザ光のパワーが低くても、発振が得られる効果を奏する。
図8の例では、アンプ31をカプラ10とカプラ11の間に配置しているが、O/E変換器8から光周波数シフタ5に至る伝送路、基準発振器12から光周波数シフタ4に至る伝送路、基準発振器12から光周波数シフタ3に至る伝送路及びカプラ10から周波数差検出部15に至る伝送路であれば、どの位置にアンプ31を配置してもよい。また、アンプ31を複数配置してもよい。これらのことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the RF signal branched by the
Thus, by arranging the
In the example of FIG. 8, the
この実施の形態1では、光カプラ6とO/E変換器8が光ファイバ7で接続されているものを示したが、図9に示すように、レーザ光を増幅する光アンプ32が光ファイバ7上に設けられていてもよい。
このように、光アンプ32を配置することで、外部に出力するRF信号を増幅することができるとともに、レーザ光のパワーが低くても、発振が得られる効果を奏する。
図9の例では、光アンプ32を光ファイバ7上に設けているが、レーザ光源1からO/E変換器8に至る伝送路(レーザ光源1と光カプラ2の間の伝送路、光カプラ2と光周波数シフタ3の間の伝送路、光周波数シフタ3と光周波数シフタ4の間の伝送路、光周波数シフタ4と光カプラ6の間の伝送路、光カプラ2と光周波数シフタ5の間の伝送路、光周波数シフタ5と光カプラ6の間の伝送路、光カプラ6とO/E変換器8の間の伝送路)であれば、どの位置に光アンプ32を配置してもよい。また、光アンプ32を複数配置してもよい。これらのことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
Thus, by arranging the
In the example of FIG. 9, the
この実施の形態1では、カプラ10により分岐されたRF信号の周波数を調整し、周波数調整後のRF信号を周波数差検出部15に出力する周波数調整部14を設けているものを示したが、図10に示すように、周波数調整部14の代わりに、カプラ13により分岐された基準信号の周波数を調整し、周波数調整後の基準信号を周波数差検出部15に出力する周波数調整部41を設けるようにしてもよい。
この周波数調整部41は、カプラ11から外部に出力されたRF信号の周波数と基準発振器12から発振された基準信号の周波数fsとの比率と同一の比率で、その基準信号の周波数を調整し、周波数調整後の基準信号を周波数差検出部15に出力するものである。
図1の周波数調整部14よりも、周波数調整部41の方が低コストで小型であるような場合には、高周波発振器の低コスト化や小型化を図ることができる効果を奏する。
このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
The
When the
This also applies to other embodiments described below.
この実施の形態1では、カプラ10により分岐されたRF信号の周波数を調整し、周波数調整後のRF信号を周波数差検出部15に出力する周波数調整部14を設けているものを示したが、基準信号の周波数fsとシフト信号の周波数fmが同一である場合には、図11に示すように、周波数調整部14や周波数調整部41を実装する必要がない。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
この実施の形態1では、周波数差検出部15により検出された周波数差に対応する電圧値を電圧制御発振器17に印加する電圧印加部16を設けているものを示したが、周波数差検出部15から周波数差に対応する電圧値が出力される場合には、図12に示すように、電圧印加部16を実装する必要がない。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
この実施の形態1では、カプラ13が基準発振器12から出力された基準信号を2つに分岐し、一方の基準信号を制御信号として光周波数シフタ3に与えるものを示したが、図13に示すように、カプラ13の代わりに、光周波数シフタ3に与える制御信号として周波数シフト信号を発生する周波数シフト信号発生器51を設けるようにしてもよい。
このように、周波数シフト信号発生器51を設けることで、周波数シフト信号発生器51から発生される周波数シフト信号の周波数と電圧制御発振器17から出力される制御信号の周波数との差の絶対値がΔfである場合、上述したΔfの周波数調整の動作が可能となり、従来の高周波発振器よりも周波数調整範囲が広範囲になる効果が得られる。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
Thus, by providing the frequency
この実施の形態1では、光周波数シフタ3及びカプラ13が実装されているものを示したが、図14に示すように、光周波数シフタ3及びカプラ13が実装されていなくてもよい。
電圧制御発振器17から出力される制御信号の周波数がΔfである場合、上述したΔfの周波数調整の動作が可能となり、従来の高周波発振器よりも周波数調整範囲が広範囲になる効果が得られる。このことは、以降の他の実施の形態においても当てはまることである。
In the first embodiment, the
When the frequency of the control signal output from the voltage-controlled
実施の形態2.
図15はこの発明の実施の形態2による高周波発振器を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
レーザ光源61はレーザ光を発生するとともに、カプラ11により分岐されたRF信号が変調信号として与えられると、その変調信号にしたがってレーザ光を強度変調する光源である。
光フィルタ62はレーザ光源61により強度変調されたレーザ光のうち、予め設定された所定の通過帯域以外の帯域のレーザ光を遮断し、所定の通過帯域に含まれているレーザ光だけを光分波器63に出力する処理を実施する。
光分波器63は光フィルタ62を通過してきたレーザ光のうち、所定の通過帯域に含まれるレーザ光と含まれないレーザ光とに分波する処理を実施する。なお、光分波器63はレーザ光分波手段を構成している。
15 is a block diagram showing a high-frequency oscillator according to
The
The
The
上記実施の形態1では、レーザ光源1と光カプラ2が実装されているものを示したが、図15に示すように、レーザ光源1と光カプラ2の代わりに、レーザ光源61、光フィルタ62及び光分波器63が実装されていてもよい。
In the first embodiment, the
以下、この実施の形態2における高周波発振器の効果において、上記実施の形態1で記載していない点について説明する。
図15の例では、レーザ光源61がカプラ11から出力されたRF信号を変調信号として入力して、複数のレーザ光成分を発生させているため、上記実施の形態1における光カプラ2や光周波数シフタ5が不要になり、低コスト化や小型化を図ることができる効果が得られる。
Hereinafter, the effects of the high frequency oscillator in the second embodiment that are not described in the first embodiment will be described.
In the example of FIG. 15, since the
ここで、上述した効果を分かりやすく説明するため、高周波発振器内の各構成部における光スペクトル模式図を時系列で示し、周波数の流れについて説明する。
ただし、基準信号の周波数はfs、電圧制御発振器17から出力される制御信号の周波数はfs+Δf、レーザ光源61から発生されるレーザ光の周波数はfc’、カプラ11から出力される変調信号の周波数(外部に出力されるRF信号の周波数と同一)はfm’とする。
Here, in order to explain the above-described effect in an easy-to-understand manner, a schematic diagram of an optical spectrum in each component in the high-frequency oscillator is shown in time series, and the flow of frequency will be described.
However, the frequency of the reference signal is fs, the frequency of the control signal output from the voltage controlled
また、レーザ光源61は、直接強度変調が可能なレーザとして、例えば、半導体レーザ(Laser Diode:LD)を用いるものとする。
さらに、光フィルタ62は、周波数fc’以上の帯域を通過させるハイパスフィルタを用いるものとする。
また、光分波器63は、周波数fc’+fm’/2未満の帯域に含まれるレーザ光については光周波数シフタ3に伝送し、fc’−fm’/2以上の帯域に含まれるレーザ光については光カプラ6に伝送するものとする。
Further, the
Further, it is assumed that the
Further, the
このとき、レーザ光源61から発生されたレーザ光のスペクトルは、図16に示すように、周波数fc’で光信号が得られる。
次に、カプラ11から出力された変調信号で、このレーザ光が強度変調されると、図17に示すように、周波数fc’の両側に周波数fc’+fm’と周波数fc’−fm’のレーザ光が生成される。
なお、fc’+2fm’等の高調波成分については、周波数fc’+fm’や周波数fc’−fm’の強度と比べて十分に小さいことから、ここでは無視することにする。
At this time, the spectrum of the laser light generated from the
Next, when this laser beam is intensity-modulated by the modulation signal output from the
Note that the harmonic components such as fc ′ + 2fm ′ are sufficiently smaller than the intensities of the frequency fc ′ + fm ′ and the frequency fc′−fm ′, and are ignored here.
その後、これらのレーザ光が光フィルタ62に伝送されると、図18に示すように、fc’−fm’のレーザ光が抑圧され、周波数fc’と周波数fc’+fm’のレーザ光のみが通過される。
さらに、これらのレーザ光が光分波器63に伝送されると、図19及び図20に示すように、光分波器63によって周波数fc’のレーザ光と周波数fc’+fm’のレーザ光が分離されることで、周波数fc’のレーザ光が光周波数シフタ3に伝送され、周波数fc’+fm’のレーザ光が光カプラ6に伝送される。
Thereafter, when these laser beams are transmitted to the
Further, when these laser beams are transmitted to the
ここで、図19のスペクトルは、図1の高周波発振器において、光カプラ2から光周波数シフタ3に伝送されるスペクトルに対して、レーザ光の周波数がfcからfc’に変更されただけの違いである。
また、図20のスペクトルは、図1の高周波発振器において、光周波数シフタ5から光カプラ6に伝送されるスペクトルに対して、レーザ光の周波数がfc+fmからfc’+fm’に変更されただけの違いである。
光カプラ6以降の構成及び動作も図1の高周波発振器と同一であることから、図15の高周波発振器では、図1の高周波発振器と同様の効果を得ることができる。
Here, the spectrum of FIG. 19 differs from the spectrum transmitted from the
20 is different from the spectrum transmitted from the
Since the configuration and operation after the
図15の例では、光フィルタ62がハイパスフィルタであるものを示したが、光フィルタ62がハイパスフィルタであるものに限るものではなく、例えば、周波数fc’以下の帯域を通過させるローパスフィルタを用いても、Δfの符号を反転させて使用すれば、同様の効果が得られる。
また、光分波器63については、周波数fc’+fm’のレーザ光が光周波数シフタ3に伝送され、周波数fc’のレーザ光が光カプラ6に伝送された場合でも、Δfの符号を反転させて使用すれば、同様の効果が得られる。
In the example of FIG. 15, the
Further, with respect to the
この実施の形態2では、レーザ光源61の後段に光フィルタ62を設けているものを示しているが、レーザ光源61として、例えば、SSB変調できるようなレーザ光源を用いている場合には、変調で発生する片方のレーザ光を抑圧する必要がないため、図21に示すように、光フィルタ62を実装する必要がない。
In the second embodiment, an
実施の形態3.
図22はこの発明の実施の形態3による高周波発振器を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
レーザ光源71は周波数fcのレーザ光を発生し、そのレーザ光を光周波数シフタ5に出力する光源である。
この実施の形態1では、レーザ光源1が第1のレーザ光源を構成し、レーザ光源71が第2のレーザ光源を構成している。
22 is a block diagram showing a high-frequency oscillator according to
The
In the first embodiment, the
上記実施の形態1では、光カプラ2が、レーザ光源1から出力されたレーザ光を2つに分岐して、一方のレーザ光を光周波数シフタ3に伝送し、他方のレーザ光を光周波数シフタ5に伝送するようにしているが、レーザ光源1の他にレーザ光源71を設けて、レーザ光源71がレーザ光を光周波数シフタ5に伝送することで、光カプラ2を不要にしてもよく、上記実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
In the first embodiment, the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 レーザ光源(第1のレーザ光源)、2 光カプラ(第1のレーザ光分岐手段)、3 光周波数シフタ(第3の光周波数シフタ)、4 光周波数シフタ(第1の光周波数シフタ)、5 光周波数シフタ(第2の光周波数シフタ)、6 光カプラ(レーザ光合波手段)、7 光ファイバ、8 O/E変換器(光電変換手段)、9 バンドパスフィルタ、10 カプラ(高周波信号分岐手段)、11 カプラ(高周波信号分岐手段、第1の外部出力手段)、12 基準発振器、13 カプラ(基準信号分岐手段)、14,41 周波数調整部(周波数調整手段)、15 周波数差検出部(周波数差検出手段)、16 電圧印加部(制御信号生成手段)、17 電圧制御発振器(制御信号生成手段)、21 光カプラ(第2の外部出力手段)、31 アンプ(増幅器)、32 光アンプ、51 周波数シフト信号発生器、61 レーザ光源、62 光フィルタ、63 光分波器(レーザ光分波手段)、71 レーザ光源(第2のレーザ光源)。
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