JP6403276B2 - 光位相変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つのレーザ光の光周波数差からキャリア周波数を発生させる位相変調を行う光変調装置に関し、より詳細には、効率的に位相変調を行う高周波無線通信に関する。

通信トラフィックの増大に伴い、ネットワークのラストアクセスとしての無線の大容量化、有線・無線の速度差解消、インターフェースの高速無線化が重要な課題となる。これらを実現できる技術としてテラヘルツ波（キャリア周波数100GHz程度以上の電磁波）が注目されている。特に近距離での大容量無線技術は喫緊の課題となっている。テラヘルツ波を発生させる方法として波長の異なる２つの光をフォトミキサに入力し、フォトミキサでビート信号を発生させ、これら２つの光の差周波にあたる周波数の電磁波を発生する方法が用いられている。例えば光周波数が193.25THzのレーザ光と光周波数が193.55THzのレーザ光を同時にフォトミキサに入力すると、これらの差周波である0.3THzすなわち300GHzの周波数の高周波電気信号がフォトミキサ内で発生する。フォトミキサの出力にアンテナを接続することによって、周波数300GHzの電磁波が空中へ送信されることになる。２つの光の光周波数差を正確に設定するための方法として、ある１つの波長を持つ基本レーザ光を、変調することにより複数の側帯波光を発生させた多波長光源とし、これら側帯波光のうち所望の光周波数差だけ離れた２つの側帯波光を選別して２つのレーザ光を得る方法が有効である。

例えば、特許文献１には、「入力される光信号を所定の分波比で２分波する第１の光分波手段」で分波した光の一方を光変調し、他方を光変調せずに、「第２の光合波手段」で再び両者を合波することにより、２つの光の差周波にあたる電磁波に変調をかける例が示されている。

特願平８−１６４４７５号公報（段落［００１３］、図１）

特許文献１に示された例では、入力される１つの波長の光を第１の光分波手段（光分波器）で分波した光の一方をさらに第２の光分波手段（光分波器）で分波して２つの光位相変調器を用いてQPSK変調を行っている。QPSK変調は、図２に示すように、光カプラ（第２の光分波手段（光分波器）に相当）２０３で光路を分岐した後、それぞれの光路の光に同様に０とπの２つの位相状態の光変調を光位相変調器（２０４，２０５）で行う（図２（Ａ）及び（Ｂ））。その後、位相シフタ２０６で一方の光路の光の位相をπ／２遅らせる（図２（Ｃ））。さらに２つの光路を光カプラ（光合波器）２０７で合波すると、位相が足しあわされ、位相同士の組み合わせの結果π／４、３π／４、５π／４及び７π／４の４つの位相状態（図２（Ｄ））を得ることができる。光カプラ２０７から出力される光（４つの位相状態のいずれかの光）と、第１の光分波手段（光分波器）で分波した光の他方（位相変調をしていない光）とを光カプラ２０８（第２の光合波手段（光合波器）に相当）で合波したのち光電変換フォトミキサ２０９へ入力すると、これら２波の差周波が発生する。このとき変調をかけていない方の光の位相変化がないことから、差周波にも同様にπ／４、３π／４、５π／４及び７π／４の４つの位相状態（図２（Ｅ））が現れることになる。

しかしながら、上記の方法は３つの光カプラ（２０３、２０７、２０８）を必要とし、１つの光カプラあたり３ｄＢの損失が生じるため、十分な電磁波が得られないという問題があった。

そこで図３に示すように、光分波器３０２で異なる波長に分波した２波長のそれぞれに対して光位相変調器（３０４，３０５）光変調を行う方法が考えられる。図２の場合と同様に、２波長のそれぞれに対して０とπの２つの位相状態の光変調を光位相変調器（３０４，３０５）で行い（図３（Ａ）及び（Ｂ））、その後、位相シフタ３０６で一方の波長の位相をπ／２遅らせ（図３（Ｃ））、さらに２つの波長を光カプラ３０８で合波したのち光電変換フォトミキサ３０９へ入力する。

図３の構成では、図２の構成と比較すると、光カプラの数は２つ減少し、６ｄＢ分の損失を削減することができ、すなわち４倍の光強度を得ることができる。この場合、位相変調による変調の状態を見てみると、光位相変調器（３０４，３０５）において、２波長それぞれに等しく０とπの２つの位相状態の変調を行うと、フォトミキサ３０９においては２波の位相の差が差周波として発生する電磁波の位相となることから、位相差の組み合わせは、π／２、−π／２、−π、−３π／２の４通りとなる（０を含まない）。ここでπ／２と−３π／２は同じ位相状態なので、結局３通りの位相状態（図３（Ｅ））に縮退してしまうという問題が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光の合波及び分波による損失を削減するとともに位相状態の縮退を回避することができる光位相変調装置を提供することにある。

本発明の一態様は光位相変調装置である。光位相変調装置は、互いに波長が異なる第１のレーザ光及び第２のレーザ光について、第１のレーザ光を第１の位相状態及び第２の位相状態のいずれかで位相変調する第１の光位相変調手段と、第２のレーザ光を第１の位相状態及び第３の位相状態のいずれかで位相変調する第２の光位相変調手段と、各々に位相変調された第１のレーザ光と第２のレーザ光とを合波する光合波手段と、合波されたレーザ光を入力とし第１のレーザ光と第２のレーザ光との差周波の電気信号を出力する光電変換手段とを備える。第２の位相状態は、第１の位相状態＋πまたは第１の位相状態−πであり、第３の位相状態は、第１の位相状態＋π／２または第１の位相状態−π／２である。

一実施形態では、第１のレーザ光は第１の波長を有し、第２のレーザ光は第２の波長を有し、光位相変調装置は、少なくとも第１の波長及び第２の波長を含む多波長レーザ光を出力する多波長光源と、多波長レーザ光を波長分波（波長分離）して別々の出力ポートから出力する光分波手段を備える。第１の光変調手段は、光分波手段による分波された第１の波長を有する第１のレーザ光を第１の位相状態及び第２の位相状態のいずれかで変調し、第２の光変調手段は、光分波手段による分波された第２の波長を有する第２のレーザ光を第１の位相状態及び第３の位相状態のいずれかで変調する。

一実施形態では、第１の位相状態は0（ゼロ）であり、第２の位相状態はπであり、第３の位相状態はπ／２であり、光電変換手段より出力される電気信号は０、π／２、π及び３π／２のいずれかの位相状態となる。一実施形態では、第１の位相状態はπ／４であり、第２の位相状態は５π／４であり、第３の位相状態は３π／４であり、光電変換手段より出力される電気信号は０、π／２、π及び３π／２のいずれかの位相状態となる。

このことにより光電変換手段より出力される第１のレーザ光と第２のレーザ光との差周波の電気信号は、各々に位相変調された第１のレーザ光の位相状態と第２のレーザ光の位相状態との差の組み合わせである、４つの異なる位相状態をとる得ることになる。

以上説明したように、本発明によれば、光合分波にともなう損失を削減するとともに位相状態の縮退を回避することができる光位相変調装置を提供することが可能となる。また、本発明によれば、位相変調後のレーザ光の一方の位相をπ／２遅らせる位相シフタが不要となる。

本発明の一実施形態にかかる光位相変調装置の構成を示す図である。 従来の光位相変調装置の構成を示す図である。 本発明に至る途中の段階の光位相変調装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、具体的な数値を示すが、本発明は、これに限定されるものではなく、一般性を失うことなく他の数でも実施できることは言うまでもない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光位相変調装置の構成を示す図である。図１に示す光位相変調装置は、多波長光源１０１、光分波器１０２、光位相変調器１０４、光位相変調器１０５、光カプラ１０８、及びトミキサ１０９を備える。

多波長光源１０１は、少なくとも２つ以上の異なる光周波数を含む多波長レーザ光を出力する光源である。

光分波器１０２は、多波長光源１０１から出力された多波長レーザ光を入力とし、複数の異なる波長のレーザ光に分波（分離）する。光分波器１０２が備える複数の出力ポートから、波長毎に分波されたレーザ光が出力される。本実施形態では、分波されたレーザ光のうち193.35THzと193.55THzの２つのレーザ光を光分波器１０２の出力ポートから光ファイバで取り出し、光位相変調器でそれぞれを位相変調する。

光位相変調器１０４は、光分波器１０２からの２つのレーザ光の一方を、０とπの２つの位相状態で位相変調を行う。

光位相変調器１０５は、光分波器１０２からの２つのレーザ光の他方を、０とπ／２の２つの位相状態で位相変調を行う。

光カプラ１０８は、２つの光位相変調器（１０４，１０５）でそれぞれ位相変調され出力された193.35THzと193.55THzの２つのレーザ光を合波する。

フォトミキサ１０９は、光カプラ１０８により合波された193.35THzと193.55THzの２つのレーザ光を入力とし、これらの光周波数差と同じ周波数の高周波電気信号を出力する。高周波電気信号には２つレーザ光の位相差が重畳されることから、フォトミキサ１０９で生成される差周波には、位相状態の差の組み合わせである、０、π／２、π及び３π／２の４つの異なる位相状態を実現することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

１０１，２０１，３０１ 多波長光源
１０２，２０２，３０２ 光分波器
１０４，１０５，２０４，２０５，３０４，３０５ 光位相変調器
１０６，２０６，３０６ 位相シフタ
１０８，２０３，２０７，２０８，３０８ 光カプラ
１０９，２０９，３０９ フォトミキサ

Claims (4)

1. 第１のレーザ光を第１の位相状態及び第２の位相状態のいずれかで位相変調する第１の光位相変調手段と、
   第２のレーザ光を前記第１の位相状態及び第３の位相状態のいずれかで位相変調する第２の光位相変調手段と、
   前記位相変調された第１のレーザ光と前記位相変調された第２のレーザ光とを合波する光合波手段と、
   合波された前記位相変調された第１のレーザ光及び前記位相変調された第２のレーザ光を入力とし、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との差周波の電気信号を出力する光電変換手段と
   を備え、
   前記第２の位相状態は、前記第１の位相状態＋πまたは前記第１の位相状態−πであり、前記第３の位相状態は、前記第１の位相状態＋π／２または前記第１の位相状態−π／２である、ことを特徴とする光位相変調装置。
2. 少なくとも第１波長と第２波長を含む多波長レーザ光を出力する多波長光源と、
   前記多波長レーザ光を波長分波して別々の出力ポートから出力する光分波手段と、
   をさらに備え、
   前記第１の光位相変調手段は、前記多波長レーザ光から波長分波された前記第１の波長を有する前記第１のレーザ光を位相変調し、
   前記第２の光位相変調手段は、前記多波長レーザ光から波長分波された前記第２の波長を有する前記第２のレーザ光を位相変調する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光位相変調装置。
3. 前記第１の位相状態は０であり、前記第２の位相状態はπまたは−πであり、前記第３のπ／２または−π／２である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光位相変調装置。
4. 前記第１の位相状態はπ／４であり、前記第２の位相状態は５π／４または−３π／４であり、前記第３の３π／４または−π／４である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光位相変調装置。