(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波の周波数で強度が変調された光信号であって、振幅が大きい山型の波形と振幅が小さい山型の波形が交互に並んだ光信号を発生する光信号発生手段と、
前記マイクロ波に同期した矩形波を発生する矩形波発生装置と、
前記光信号を前記矩形波でオンオフ変調して前記振幅が小さい山型の波形を遮断することで半波整流形状の光信号を出力する光強度変調器と、
逆バイアス電圧が印加され、前記光強度変調器から出力された光信号をマイクロ波電気信号に変換して出力するフォトダイオードと
を備えたことを特徴とする光マイクロ波変換装置。
【請求項２】
前記光強度変調器は、マッハツェンダー型光強度変調器である
ことを特徴とする請求項１記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項３】
前記光強度変調器は、電界吸収型光強度変調器である
ことを特徴とする請求項１記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項４】
前記フォトダイオードは、前記マイクロ波の基本波周波数において動作する整合回路を接続した出力端子を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項５】
前記光信号発生手段は、
波長及び強度が一定の光信号を発生するレーザダイオードと、
正弦波のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
バイアス点を中点からずらした電圧値とし、前記レーザダイオードにより発生された光信号を前記正弦波のマイクロ波で強度変調して出力する第２の光強度変調器とを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項６】
前記光信号発生手段は、
正弦波のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
バイアス電流値を閾値近傍とし、波長及び強度が一定の光信号を前記正弦波のマイクロ波で直接変調して出力するレーザダイオードとを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の光マイクロ波変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、種々の電気信号を光にのせて情報を伝送する光ファイバ無線通信システム（ＦＯＦ（Ｒａｄｉｏ−ｏｎ−Ｆｉｂｅｒ）Ｓｙｓｔｅｍ）などの受光部に用いる光マイクロ波変換装置に関するもので、特に大きな電気出力を効率良く取り出すことができる光マイクロ波変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の光マイクロ波変換装置において、受光部には広くフォトダイオードが用いられている（例えば、非特許文献１参照）。フォトダイオードは、通常、逆バイアス電圧を印加して用い、入射する光の強度に応じた電流が電気信号として流れる。したがって、フォトダイオードに強度を変調した光信号を入射することで、変調信号自体を電気信号として取り出すことができる。また、応答速度が早いことも特徴で、数十ＧＨｚまでの変調信号に応答するものが既に市販されている。
【０００３】
【非特許文献１】David A. Tulchinsky et. al. "High-Saturation Current Wide-Bandwidth Photodetectors," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 10, no. 4, July-Aug. 2004, PP. 702 - 708
【非特許文献２】福田、平地共著、「ＧａＡｓ電界効果トランジスタの基礎」、電子情報通信学会発行、１９９２年、pp.189-192
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光マイクロ波変換装置では、主に光に重畳した情報を伝達、受信することが目的であったため、大電力の電気信号出力は必ずしも必要でなかった。この種の装置に用いられるフォトダイオードでは、通常出力される電気信号は１〜数ｍＡ程度の電流値で飽和が生じる。これを５０Ωの負荷で受信すれば、数十μＷ〜数ｍＷオーダーのマイクロ波が得られる。情報を伝達するという目的では、このレベルの電力であっても十分な値と言える。
【０００５】
しかし、近年、光マイクロ波変換装置からの出力電力をより大きくする検討がなされている。例えば、ＲＯＦ（光ファイバ無線通信）システム等の光マイクロ波変換装置で受信した電気信号をアンテナから空間に放射する場合などでは、より大きな電力が得られれば、光マイクロ波変換装置とアンテナとの間に利得の大きいマイクロ波増幅器を挿入する必要がなくなる。また、場合によっては、マイクロ波増幅器自体を不要にできるというメリットがある。
【０００６】
このようなシステムに用いるものとして、出力電力がサブＷ〜Ｗオーダー級のマイクロ波が得られるフォトダイオードが開発されてきている。このようにフォトダイオードからの出力電気信号の電力が大きくなると、電源から供給されフォトダイオードで消費される電力も大きくなる。このため、少ない供給電力で大きなマイクロ波出力電力が得られるように、フォトダイオードの電源効率が大きいことが重要になる。しかしながら、従来の光マイクロ波変換装置では電源効率に着目したフォトダイオードの動作についての検討は十分されていなかった。このため、効率の十分大きい光マイクロ波変換装置を得ることができないという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、電源効率を大きくすることができる光マイクロ波変換装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る光マイクロ波変換装置は、マイクロ波の周波数で強度が変調された光信号であって、振幅が大きい山型の波形と振幅が小さい山型の波形が交互に並んだ光信号を発生する光信号発生手段と、前記マイクロ波に同期した矩形波を発生する矩形波発生装置と、前記光信号を前記矩形波でオンオフ変調して前記振幅が小さい山型の波形を遮断することで半波整流形状の光信号を出力する光強度変調器と、逆バイアス電圧が印加され、前記光強度変調器から出力された光信号をマイクロ波電気信号に変換して出力するフォトダイオードとを設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る光マイクロ波変換装置は、電源効率を大きくすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【００１１】
図１において、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置は、光信号発生装置１（光信号発生手段）と、光ファイバ２と、矩形波発生装置３と、光強度変調器４と、フォトダイオード５と、電源端子６と、インダクタ７と、キャパシタ８と、負荷回路９とが設けられている。また、光信号発生装置１は、レーザダイオード１１と、マイクロ波発生装置１２と、光強度変調器１３（第２の光強度変調器）とが設けられている。
【００１２】
つぎに、この実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置のフォトダイオードの動作特性を示す図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置を構成する光強度変調器の動作を説明するための図である。
【００１３】
図１で説明したように、光信号発生装置１は、レーザダイオード１１と、マイクロ波発生装置１２と、光強度変調器１３とで構成されている。光信号発生装置１で発生し、光ファイバ２を通り、さらに光強度変調器４を通過した光信号は、マイクロ波発生装置１２で発生したマイクロ波の周波数で半波整流形状に強度変調された光信号となる。この動作については、追って詳しく説明する。
【００１４】
マイクロ波の周波数によって半波整流形状に強度変調された光信号は、光ファイバ２で伝送され、フォトダイオード５の受光部に入射する。このフォトダイオード５のアノード端子（図中下側）は接地されており、カソード端子（図中上側）は電源端子６および負荷回路９（抵抗で図示している）に接続されている。電源端子６には直流電源からプラスの電位が印加されており、フォトダイオード５はアノード端子側がマイナスの電位となり、カソード端子側がプラスの電位となるように、逆バイアスされている。また、直流電源とマイクロ波信号が分離するように、インダクタ７およびキャパシタ８が適切な個所、つまりフォトダイオード５および電源端子６の間、並びにフォトダイオード５および負荷回路９の間に接続されている。
【００１５】
図２は、フォトダイオード５の動作特性を示す。図２において、横軸は電圧、縦軸は電流を表している。電圧、電流の符号は、分かりやすいように逆バイアスの向きを正として表している。フォトダイオード５が逆バイアスされている状態、すなわち図２の電圧が正の部分では、光が入射しない状態では、電流はほとんど流れない。しかし、光が入射すると、光電流と呼ばれる電流が流れる。逆バイアス状態では、光電流の値は入力光の強度にほぼ比例する。また、光電流の値は入力光の強度が一定であれば、電圧が変化してもあまり変化しない。このような特性は、光強度をベース電流と読み変えればバイポーラトランジスタの特性に類似している。また、光強度をゲート電圧と読み変えれば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の特性にも類似している。このことは、ベース電流やゲート電圧を制御する代わりにフォトダイオード５に入射する光電力を同様に制御すれば、フォトダイオード５を、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのように各種の動作級で動作させることができる、ということを意味している。
【００１６】
図２に斜めに引かれた直線は、フォトダイオード５に一定の負荷抵抗を接続した場合の電圧と電流の関係を示す負荷線を表している。通常、マイクロ波のトランジスタでは負荷線上の点Ａが中点となるようにバイアスをかけ、正弦波状のマイクロ波で振幅変調をかけるＡ級動作や、負荷線上の点Ｂが中点となるようにバイアスをかけ、正弦波状のマイクロ波で振幅変調をかけるＢ級動作などが行われる。そして、Ａ級動作ではトランジスタ効率の理論最大値が５０％になり、Ｂ級動作ではトランジスタ効率の理論最大値が７８．５％になることが知られている。
【００１７】
従来のフォトダイオードでは、入射光の強度の平均値が実質点Ａに相当する箇所で用いられており、マイクロ波トランジスタのＡ級動作に相当する動作が行われていた。しかし、上述の考察は、フォトダイオードを実質点Ｂに相当する箇所にバイアスして動作させることができれば、マイクロ波トランジスタと同様に電源効率を飛躍的に向上することができる、ということを示している。
【００１８】
マイクロ波のトランジスタではＢ級動作させる場合、バイアス点を図２の点Ｂにし、入力信号として正弦波を入力すればＢ級動作が可能である。これは、入力信号の電流、あるいは、電圧が０以下になった場合、トランジスタは動作せず、負の入力はトランジスタの動作としては無視できるためである。
【００１９】
しかしながら、フォトダイオードの入力信号は光強度であり、光強度に負の値はあり得ない。すなわち、フォトダイオードの動作においては、正弦波状に強度変調された光入力を用いる限り、バイアス点を図２の点Ｂにすることはできない。
【００２０】
これに対し、本発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置を表す図１では、フォトダイオード５に入射する光信号として、マイクロ波の周波数によって半波整流形状に強度変調された光を入射している。このため、フォトダイオード５の動作点の中点を、実質的に図２の点Ｂに相当する箇所とすることができる。このため、フォトダイオード５をマイクロ波トランジスタのＢ級動作に相当する動作で駆動することができる。この結果、従来のＡ級動作での電源効率の理論限界が５０％であったために制限されていた、フォトダイオードの効率を、Ｂ級動作での電源効率の理論限界である７８．５％まで、飛躍的に高めることができる。このことは、同じマイクロ波出力信号を得るときの平均光電流（直流成分）を、Ａ級動作よりも小さくでき、供給電力を小さくできることからも理解される。
【００２１】
このように、フォトダイオード５に入射する光信号として、マイクロ波の周波数によって半波整流形状に強度変調された光を入射すれば、電源効率の大きい光マイクロ波変換装置が得られる効果がある。
【００２２】
そして、本発明の実施の形態１は、このような、マイクロ波の周波数によって半波整流形状に強度変調された光をどのように生成するか、について主眼が置かれている。
【００２３】
図１において、光信号発生装置１中のレーザダイオード１１は、波長および強度がほぼ一定の光を発生する。この光は、光ファイバ２に入射し、光信号発生装置１中の光強度変調器１３に入力する。この光強度変調器１３は、いわゆるマッハツェンダー型の光強度変調器である。この光強度変調器１３には、マイクロ波発生装置１２から発生した正弦波状のマイクロ波が入力されている。このため、光信号は強度変調される。
【００２４】
図３は、マッハツェンダー型の光強度変調器１３の動作を説明するものである。図３において、グラフの横軸は光強度変調器１３に印加する電圧を示し、縦軸は光強度変調器１３から出力される光強度を表している。光強度変調器１３の動作は、図中の太線で示すように、印加電圧に応じて変化し、図中Ｖ０で示す基準となる電圧のとき出力光強度が最大になる。そして、この基準となる電圧Ｖ０から半波長電圧Ｖπと呼ばれる電圧を加算した電圧（Ｖ０＋Ｖπ）を印加したときに出力光強度はほぼ０となる。通常は、バイアス端子（図示せず）から印加する直流電圧を図中の中点Ｃ｛（Ｖ０＋Ｖπ）／２｝とし、さらにマイクロ波入力端子からマイクロ波の電圧を加えて動作させることが多い。
【００２５】
しかし、ここでは、バイアス端子から印加する直流電圧を中点Ｃからずらした点Ｄとしている。また、マイクロ波入力端子から入力する正弦波のマイクロ波の電圧振幅を調整し、全体として、光強度変調器１３に印加する電圧が、図３中のグラフの下側に示す波形のような正弦波になるように電圧を与えている。このとき、光強度変調器１３の光出力端子から出力される光信号の強度は、時間とともに、図３中のグラフの右側に示す波形のように変化する。この信号の形状は半波整流形状に振幅変調された光信号ではあるが、正弦波の上半分を切り取った正確な半波整流形状とは若干異なっている。この波形は、振幅が大きい山型の波形と、振幅が小さい山型の波形が、交互に並んだような形状となっている。
【００２６】
図１において、光信号発生装置１から出力される光信号の波形、すなわち、光強度変調器１３から出力される光信号の波形は、このような形状の波形である。
【００２７】
フォトダイオード５の効率は、マイクロ波アンプと同様に、入力する光信号の波形によって変化することは前に述べた通りであるが、この効率の値は、入力波形をフーリエ解析したときの、基本波成分と直流成分との比で表されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【００２８】
したがって、効率を高くするには、マイクロ波アンプやフォトダイオード５に入力する信号の波形は、基本波成分が大きく、直流成分が小さい波形であることが求められる。
【００２９】
ところが、図３中のグラフの右側に示す波形において、振幅が小さい山型の波形の部分は、全体の基本波成分を小さくし、直流成分を大きくしてしまう効果がある。このため、効率を高くするには、振幅が小さい山型の波形の部分を取り除くことが望ましい。
【００３０】
図１において、光信号発生装置１から出力した光信号、すなわち、光強度変調器１３から出力した光信号は、光ファイバ２を通じて、光強度変調器４に入力する。この光強度変調器４も、光強度変調器１３と同様、いわゆるマッハツェンダー型の光強度変調器である。この光強度変調器４には矩形波発生装置３が接続されており、矩形波発生装置３で発生した矩形波が入力する。
【００３１】
光信号発生装置１中の光強度変調器１３が正弦波によってアナログ的に駆動するのに対し、光強度変調器４は矩形波によってデジタル的に駆動する。すなわち、矩形波のレベルが高いときには光信号をそのまま通し、矩形波のレベルが低いときには光信号を遮断する、オンオフ変調を行なう。なお、いわゆるマッハツェンダー型の光強度変調器では、マイクロ波の周波数に十分追随してオンオフ変調を行なえる、動作速度の速い光強度変調器が既に実用化されている。
【００３２】
さらに、矩形波発生装置３は、マイクロ波発生装置１２で発生したマイクロ波の一部が入力しており、矩形波発生装置３が発生する矩形波は、マイクロ波発生装置１２が発生するマイクロ波と同期している。このため、光信号発生装置１から出力され、マイクロ波の周波数で強度変調された光信号は、光強度変調器４で、波形の一部が遮断されて出力される。この遮断される部分は波形の毎周期、同じ部分であり、そのタイミングは、振幅が小さい山型の波形の部分が出力される時間に調整されている。
【００３３】
したがって、光強度変調器４から出力される光信号は、図３中のグラフの右側に示す波形から、振幅が小さい山型の波形が抜き取られ、振幅が大きい山型の波形のみが残った形状になる。この光信号は、光ファイバ２で伝送され、フォトダイオード５の受光部に入射する。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態１では、フォトダイオード５に入力する光信号が、半波整流形状により近い形状になるため、フォトダイオード５の効率を高くすることができ、電源効率の大きい光マイクロ波変換装置が得られる。
【００３５】
なお、実施の形態１では、フォトダイオード５にカソード端子側（図中上側）からプラスのバイアス電圧を印加する構成としているが、これに限らず、フォトダイオード５のアノード端子側からマイナスのバイアス電圧を印加してもよく、フォトダイオード５が逆バイアスされる回路構成であれば同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本発明の実施の形態１において、フォトダイオード５の出力端子に、オープンスタブなどにより、マイクロ波の基本波において動作する整合回路を接続してもよい。この場合、フォトダイオード５の出力インピーダンスを負荷回路９のインピーダンスに近づけることができ、より大きな出力電力を取り出すことができる。
【００３７】
図１では、光強度変調器４に、いわゆるマッハツェンダー型の光強度変調器を用いているが、これに限らず、いわゆる電界吸収型（ＥＡ）の光強度変調器を用いても良い。電界吸収型の光強度変調器もデジタル光通信用などで、マイクロ波の周波数に十分追随してオンオフ変調を行なえる、動作速度の速い光強度変調器が実用化されている。
【００３８】
なお、光強度変調器４にマッハツェンダー型の光強度変調器を用いる場合、その基板に、ＬＮ（リチウムナイオベート、ニオブ酸リチウム）、ＬＴ（リチウムタンタレート、タンタル酸リチウム）、や半導体など、各種の材料が用いられるが、いずれを用いたものでも本発明の効果が得られる。
【００３９】
また、光強度変調器４に電界吸収型（ＥＡ）の光強度変調器を用いる場合、その基板に、ＩｎＰ（インジウムリン）などの各種化合物半導体などが用いられるが、これらいずれを用いた変調器でも同様に本発明の効果が得られる。
【００４０】
さらに、図１では、光信号発生装置１を、レーザダイオード１１と、光強度変調器１３とで構成しているが、これに限らず、強度がマイクロ波の周波数で変調された光信号を発生する光信号発生手段であれば、どのような構成を用いても構わない。
【００４１】
例えば、光信号発生手段として、光強度変調器１３を用いず、レーザダイオード１１のバイアス電流値を閾値近傍として、レーザダイオード１１を正弦波のマイクロ波で直接変調すれば、強度がマイクロ波の周波数で変調された光信号を発生することができる。このとき、レーザダイオード１１の過渡特性によって、正確な半波整流形状の光信号を生成することは困難であるが、後段に光強度変調器４を接続することによって、光信号の不要な部分を遮断でき、半波整流形状に近づけることができる。したがって、この場合も、フォトダイオード５を最適に近い動作で駆動することができ、同様に、電源効率の大きい光マイクロ波変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置のフォトダイオードの動作特性を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置を構成する光強度変調器の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  光信号発生装置、２  光ファイバ、３  矩形波発生装置、４  光強度変調器、５  フォトダイオード、６  電源端子、７  インダクタ、８  キャパシタ、９  負荷回路、１１  レーザダイオード、１２  マイクロ波発生装置、１３  光強度変調器。
【図１】
0005605981.tif 000002
【図２】
0005605981.tif 000003
【図３】
0005605981.tif 000004