JP2015075614A

JP2015075614A - 光周波数コム生成装置

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Publication number: JP2015075614A
Application number: JP2013211585A
Authority: JP
Inventors: 桑野　茂; Shigeru Kuwano; 茂桑野; 飯田　大輔; Daisuke Iida; 大輔飯田; 寺田　純; Jun Terada; 純寺田; 永妻　忠夫; Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻; 信太郎久武; Shintaro Hisatake
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-20

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

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（ｆ_ａ，ｆ_ｂ，ｆ_ｃ，ｆ_ｄ）に分ける。そして、そのうちの２つｆ_ａ，ｆ_ｂを光検波器９３３に入力し、その周波数差ｆ_１＝｜ｆ_ａ−ｆ_ｂ｜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ｆ_ｃ，ｆ_ｄを光検波器９４２に入力し、周波数差ｆ_２＝｜ｆ_ｃ−ｆ_ｄ｜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．ＳｏｎｇａｎｄＴ．Ｎａｇａｔｓｕｍａ，"ＰｒｅｓｅｎｔａｎｄＦｕｔｕｒｅｏｆＴｅｒａｈｅｒｔｚＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＴｅｒａｈｅｒｔｚＳｃｉ．ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１，ｐｐ．２５６−２６３，２０１１．Ｍ．Ｆｕｊｉｗａｒａ，ｅｔａｌ．，"Ｏｐｔｉｃａｌｃａｒｒｉｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅｕｓｉｎｇｆｌａｔｔｅｎｅｄｏｐｔｉｃａｌｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｕｓｏｉｄａｌａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｈｙｂｒｉｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ"，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２１，ｎｏ．１１，ｐｐ．２７０５−２７１４，Ｎｏｖ．２００３．Ｒ．Ｐ．Ｓｃｏｔｔ，ｅｔａｌ．，"３．５−ＴＨｚＷｉｄｅ，１７５ＭｏｄｅＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｂＳｏｕｒｃｅ"，ＯＦＣ２００７，ｐａｐｅｒＯＷＪ３，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。

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。

無線通信システムの構成の一例を示す。本発明に関連する光周波数コム生成装置の第１例を示す。本発明に関連する光周波数コム生成装置の第２例を示す。実施形態１に係る光周波数コム生成装置の一例を示す。光源から出力された光周波数スペクトルの一例を示す。光変調器から出力された光周波数スペクトルの一例を示す。光フィルタから出力された光周波数スペクトルの一例を示す。高非線形光ファイバから出力された光周波数スペクトルの一例を示す。マッハツェンダ型フィルタの透過特性の一例を示す。ファブリペロー型フィルタの透過特性の一例を示す。数値シミュレーション結果の一例を示す。実施形態２に係る光周波数コム生成装置の一例を示す。光位相変調信号のパルス圧縮の一例を示す。

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。

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ｆ_０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ｆ_０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２ｆ_０周期の信号を抑圧することにより、図７に示す２ｆ_０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２ｆ_０間隔の透過特性（ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）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２ｆ_０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ｆ_０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ｆ_０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２ｆ_０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ｆ_０＝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２ｆ_０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ｆ_０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±２ｎｆ_０（ｎ＝１，２，３…）離れた周波数成分を抑圧する場合と、±（２ｎ−１）ｆ_０（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。

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ｆ_０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

Claims

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。