JP2015075614A - 光周波数コム生成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光周波数コム生成装置は、光源からの連続光を変調する光変調器21と、変調信号に含まれる周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタ22と、変調信号を増幅する光増幅器23と、変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部24と、変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部25と、を備える。
【選択図】図4
【解決手段】本発明に係る光周波数コム生成装置は、光源からの連続光を変調する光変調器21と、変調信号に含まれる周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタ22と、変調信号を増幅する光増幅器23と、変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部24と、変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部25と、を備える。
【選択図】図4
Description
本発明は、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成する光周波数コム生成装置に関する。
大容量の無線伝送を実現するため、従来の周波数よりも高いミリ波やテラヘルツ波を用いた無線伝送システムの研究開発が進められている(例えば、非特許文献1参照)。これらの無線伝送システムでの搬送波周波数は100〜1000GHzにおよぶため、半導体発振器で効率よく搬送波を生成することは困難である。このため、図1に示すように光周波数コム生成装置91で光周波数コムを生成し、必要な周波数間隔だけ離れた信号を抽出し、光ヘテロダイン検波で搬送波周波数の信号を生成する技術が多く用いられている(例えば、非特許文献1参照)。
図1では光周波数コムを分波器92で複数の周波数キャリア(fa,fb,fc,fd)に分ける。そして、そのうちの2つfa,fbを光検波器933に入力し、その周波数差f1=|fa−fb|の中心周波数をもつ高周波変調信号を光ヘテロダイン検波により生成し、無線信号として送信させる。一方、2つfc,fdを光検波器942に入力し、周波数差f2=|fc−fd|の高周波局部発振信号を生成し、受信した無線信号のダウンコンバージョンを行う。
光周波数コムの生成方法としては、図2に示すように複数の光変調器を縦続接続し、多段変調で光周波数コムを生成するもの(例えば、非特許文献2参照)、および図3に示すように光ファイバの非線形を利用して光周波数コムを生成するもの(例えば、非特許文献3参照)がある。前者では複数の変調器を用いることで等価的に高い変調指数を実現し広帯域の信号を生成するとともに、位相制御により高調波を効率的に生成している。後者では、単体の変調器で生成した狭帯域の光周波数コムを主に3次の非線形光学効果(自己位相変調、相互位相変調、四光波混合)によって広帯域の光周波数コムに変換する。これらの手法により、数GHzら10数GHz周波数間隔でTHz以上の帯域の光周波数コムを生成することが可能である。
H.−J.Song and T.Nagatsuma,"Present and Future of Terahertz Communications",IEEE Trans.Terahertz Sci.and Technol.,vol.1,pp.256−263,2011.
M.Fujiwara, et al.,"Optical carrier supply module using flattened optical multicarrier generation based on sinusoidal amplitude and phase hybrid modulation",IEEE Journal of Lightwave Technol.,vol.21,no.11,pp.2705−2714,Nov.2003.
R.P. Scott,et al.,"3.5−THz Wide,175 Mode Optical Comb Source",OFC 2007,paper OWJ3,Mar.2007.
図1に示すように、無線搬送波生成に必要な光搬送波および受信用の局部発振信号生成に用いる光搬送波はそれぞれ2本であり、1システム当たり4本の光搬送波があれば十分である。また、複数システムの実装を考慮しても10〜20本程度の光搬送波があれば十分である。これに対して従来の光周波数コムでは100本以上の光搬送波が生成されるため、多くの光搬送波が無駄になってしまう。また、光ヘテロダイン検波で無線搬送波周波数を効率よく発生させるためには、2本の光搬送波を高電力で光検波器に入力する必要があり、光搬送波に対しても高い信号対雑音電力比が要求される。
高い信号対雑音電力比を実現するためには、光増幅器の必要が不可欠であるが、光増幅器では自然放出光が雑音として追加され、光増幅器への入力電力が低いほど雑音電力が大きくなる。このため、光搬送波を抽出してから増幅するよりも抽出前に一括で増幅した方が雑音レベルが低くなる。しかしながら、光搬送波数が多いため、光搬送波あたりの光電力を高めようとすると光増幅器の出力電力を大きくする必要があり、高価な光増幅器が必要である。
光周波数コムを生成する基準周波数を高める方法もあるが、高周波の発振器、変調器ドライバ、広帯域変調器が必要となり、コストが増大する。
本発明は、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成することを目的とする。
本願発明の光周波数コム生成装置は、
光源からの連続光を変調する光変調器と、
前記光変調器からの変調信号に含まれる複数の周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタからの変調信号を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器からの変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部からの変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部と、
を備える。
光源からの連続光を変調する光変調器と、
前記光変調器からの変調信号に含まれる複数の周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタからの変調信号を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器からの変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部からの変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部と、
を備える。
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光変調器が、光強度変調器であってもよい。
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光変調器が、光位相変調器であってもよい。
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光フィルタが、マッハツェンダ型光フィルタ、ファブリペロー型光フィルタ又は光インタリーバであってもよい。
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記パルス圧縮部が、通常分散ファイバ又はチャープドファイバグレーティングであってもよい。
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記帯域拡張部が、前記光変調器と前記光フィルタとの間の光ファイバの有効コア径よりも有効コア径の小さなファイバであるか、あるいは、分散減少ファイバであってもよい。
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
本発明によれば、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成することが可能となる。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
(実施形態1)
図4に本発明の第1の実施形態を示す。
本実施形態の光周波数コム生成装置91は、光源11、光強度変調器21、発振器13、光フィルタ22、光増幅器23、パルス圧縮部として機能するシングルモードファイバ24、帯域拡張部として機能する高非線形ファイバ25を備える。
図4に本発明の第1の実施形態を示す。
本実施形態の光周波数コム生成装置91は、光源11、光強度変調器21、発振器13、光フィルタ22、光増幅器23、パルス圧縮部として機能するシングルモードファイバ24、帯域拡張部として機能する高非線形ファイバ25を備える。
光強度変調器21は、光源11からの連続光を発振器13からの周波数f0の信号で光強度変調して変調信号を生成する。光フィルタ22は、光強度変調器21からの変調信号に含まれる周波数成分のうちの複数の周期的成分を抑圧する。光増幅器23は、光フィルタ22からの出力信号を光増幅する。シングルモードファイバ24は、変調信号の各パルスのパルス圧縮を行う。高非線形ファイバ25は、非線形を利用して広帯域の光周波数コムを生成する。
この場合の各点における光周波数スペクトルの概念図を図5から図8に示す。図5に示す光源11からの1波の光搬送波は、光強度変調器21で変調されて、図6に示すf0間隔の複数キャリアからなる狭帯域の光周波数コムとなる。この光周波数コムから光フィルタ22で2f0周期の信号を抑圧することにより、図7に示す2f0間隔の光周波数コムを生成する。その後光増幅、パルス圧縮、光非線形現象により、図8に示す広帯域の光周波数コムを生成することが可能となる。
このように、光増幅器23に周波数間隔の広い光周波数コムを入力することにより、発生する広帯域の光周波数コムのキャリア数を削減することが可能となり、キャリア単位の信号対雑音比を高くとることができる。
本実施形態における光フィルタ22としては、図9に示すような2f0間隔の透過特性(FSR:Free Spectral Range)を有するマッハツェンダ型光フィルタや、図10に示すような2f0のFSRを有するファブリペロー型フィルタを用いることができる。
さらに、基準周波数f0が50GHz以上の場合、多段のマッハツェンダ干渉計等を用いた光インタリーバの適用も可能である。特にファブリペロー型フィルタの場合、共振器長を調整することが容易であるため、基準周波数f0とともに共振器長を変化させることにより光周波数コムで発生させる周波数間隔を連続的に可変とすることができる。
マッハツェンダ型フィルタおよび光インタリーバの場合、透過周波数の周期を変化させることは難しいが、透過域のレベル変化が小さいため、光変調器の変調指数があまり大きくない範囲では基準周波数f0を変化させ光周波数コムの周波数間隔を可変とすることができる。
なお、本実施形態でのフィルタ22の透過特性について、FSRが2f0の場合に限ったものではなく、より広いFSRフィルタを用いることや、FSRの異なる複数のフィルタを縦続接続して、さまざまな周波数配置の光周波数コムを生成することが可能である。
本実施形態での動作の一例として、数値シミュレーション結果を図11に示す。シミュレーションでは基準周波数f0=25GHzとし、光強度変調器21の半波長電圧Vπの1.8倍の電圧で駆動し、FSRが50GHzのマッハツェンダ型フィルタを光フィルタ22として用い、平均電力200mWまで増幅し、2kmのシングルモードファイバ24および高非線形性ファイバ25を用いて光周波数コムを生成している。図に示す通り、光強度変調器21からの出力の狭帯域の周波数コムから2f0間隔の周波数コムを抽出し、増幅・非線形光学効果で広帯域の光周波数コムが生成できることが明らかである。
本実施形態の場合、周波数間隔がf0の場合に比べて非線形で発生するキャリア本数が少ないため、キャリアあたりで高い信号電力を得ることが可能であり、等価的に高い信号対雑音電力比を得ることができる。
なお、本実施形態では光パルス圧縮のため1.55μm帯での波長分散が18ps/nm/km程度となるシングルモードファイバ24(通常分散ファイバ)を想定しているが、チャープドファイバグレーティングのような分散媒体を用いても構わない。この場合、分散媒体での光非線形性は小さいため、分散媒体の配置箇所を光増幅器の前としても構わない。
また、高非線形性ファイバ25として、コア径を絞り非線形光学定数を高めたものの他に、長手方向に分散を減少させ等価的に利得を得る分散減少ファイバを用いても同様の効果が得られる。
本実施形態において光フィルタ22で、元の搬送波成分とそれから±2nf0(n=1,2,3…)離れた周波数成分を抑圧する場合と、±(2n−1)f0(n=1,2,3…)離れた成分のみを抑圧する場合があるが、前者の場合強度の直流成分が抑圧されるため、より広帯域の光周波数コムを発生しやすい。
(実施形態2)
図12に本発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態の第1の実施形態との相違点は、光変調器として光強度変調器21の代わりに光位相変調器31を用いていることである。
図12に本発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態の第1の実施形態との相違点は、光変調器として光強度変調器21の代わりに光位相変調器31を用いていることである。
光位相変調器31は、光源11からの連続光を発振器13からの周波数f0の信号で光位相変調して変調信号を生成する。光フィルタ22は、光位相変調器31からの変調信号に含まれる複数の周期的成分を抑圧する。
ここで、光位相変調器31で光位相変調された信号の強度は一定であるが、分散媒質を透過する際に瞬時周波数に応じた遅延を受け、図13に示すように強度変調信号へと変換される。光強度変調器21を用いる場合にはパルスを生成するために信号を削除するため、過剰な損失が生じるが、光位相変調器31の場合にはこの過剰な損失を削減できる。このため、本実施形態に係る発明は、より信号対雑音比の高い光周波数コムの生成が可能となる。
本発明は情報通信産業に適用することができる。
11:光源
12:光変調器
13:発振器
14:位相調整器
15:分散媒質
16:光増幅器
17、25:高非線形ファイバ
91:光周波数コム生成装置
21:光強度変調器
22:光フィルタ
23:光増幅器
24:シングルモードファイバ
31:光位相変調器
92:分波器
931:光変調器
932:合波器
933:光検波器
934:増幅器
935:アンテナ
941:合波器
942:光検波器
943:電力増幅器
944:ミキサ
945:低雑音増幅器
946:アンテナ
12:光変調器
13:発振器
14:位相調整器
15:分散媒質
16:光増幅器
17、25:高非線形ファイバ
91:光周波数コム生成装置
21:光強度変調器
22:光フィルタ
23:光増幅器
24:シングルモードファイバ
31:光位相変調器
92:分波器
931:光変調器
932:合波器
933:光検波器
934:増幅器
935:アンテナ
941:合波器
942:光検波器
943:電力増幅器
944:ミキサ
945:低雑音増幅器
946:アンテナ
Claims (6)
- 光源からの連続光を変調する光変調器と、
前記光変調器からの変調信号に含まれる周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタからの変調信号を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器からの変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部からの変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部と、
を備える光周波数コム生成装置。 - 前記光変調器が、光強度変調器である
ことを特徴とする請求項1に記載の光周波数コム生成装置。 - 前記光変調器が、光位相変調器である
ことを特徴とする請求項1に記載の光周波数コム生成装置。 - 前記光フィルタが、マッハツェンダ型光フィルタ、ファブリペロー型光フィルタ又は光インタリーバである
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。 - 前記パルス圧縮部が、通常分散ファイバ又はチャープドファイバグレーティングである
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。 - 前記帯域拡張部が、前記光変調器と前記光フィルタとの間の光ファイバの有効コア径よりも有効コア径の小さなファイバであるか、あるいは、分散減少ファイバである
ことを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013211585A JP2015075614A (ja) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | 光周波数コム生成装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013211585A JP2015075614A (ja) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | 光周波数コム生成装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2015075614A true JP2015075614A (ja) | 2015-04-20 |
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ID=53000520
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2013211585A Pending JP2015075614A (ja) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | 光周波数コム生成装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105680301A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-15 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生***和方法 |
JP2017207687A (ja) * | 2016-05-20 | 2017-11-24 | 日本電信電話株式会社 | 広帯域安定化光源 |
JP2018205546A (ja) * | 2017-06-05 | 2018-12-27 | 日本電信電話株式会社 | 広帯域光発生装置 |
JP2019095649A (ja) * | 2017-11-24 | 2019-06-20 | 住友電気工業株式会社 | 光ファイバおよび光源装置 |
CN111796469A (zh) * | 2019-04-09 | 2020-10-20 | 华为技术有限公司 | 光频率梳光源和产生光频率梳的方法 |
-
2013
- 2013-10-09 JP JP2013211585A patent/JP2015075614A/ja active Pending
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CN105680301B (zh) * | 2016-03-14 | 2018-12-14 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生***和方法 |
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