(57)【要約】  高出力レーザ搬送波と共に用いられる広帯域位相変調器は、高周波数ＲＦ信号を位相変調された光信号へと変換する。変調器への高出力レーザ光パワーは大きなＲＦ信号サイドバンドを生成する。搬送波減衰フィルタは、搬送波を減衰し、ＲＦ変調サイドバンドを減衰しない。搬送波の減衰によって、ＲＦ信号サイドバンドを大きなまま残ることになる。光検出器又は一組の平衡光検出器と共に用いられる復調フィルタは、位相変調された光信号を電気信号へと変換する。搬送波のみの減衰によって、高出力レーザの使用を可能とし、光検出器の損傷又は飽和を防止し、ＲＦリンクゲイン、低雑音指数（ＮＦ）、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）を提供する。フィルタ除去された搬送波パワーはレーザ源へフィードバックされ、システム全体の効率を向上させる。偏光マルチプレクサー又はコヒーレント結合カプラーと共に用いられ、デュアル出力を有する追加の光遅延フィルタは、信号パワーを単一の光検出器へと結合することで電気光学信号変換効率を更に向上させる。【選択図】図１
2019501542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ光リンクを提供すること、
光学的レーザ源を提供すること、
前記レーザ源から光周波数スペクトルパワー信号を提供すること、
光位相変調器を提供すること、
前記光周波数スペクトルパワーを前記光位相変調器へ提供すること、
高周波数電気信号源を提供すること、
前記高周波数電気信号源からの高周波数電気信号を前記光位相変調器へ提供すること、
前記光位相変調器において、前記光周波数スペクトルパワーを前記高周波数電気信号で位相変調すること、
前記光位相変調器から、前記周波数スペクトルパワーとＲＦ変調サイドバンドを有する位相変調光信号を提供すること、
第１の搬送波減衰フィルタと、第２の復調フィルタとを有するフィルタの組み合わせを提供すること、
前記位相変調光信号を前記第１の搬送波周波数減衰フィルタへ提供すること、
前記位相変調光信号の搬送波周波数を減衰すること、
搬送波が減衰された光信号を、前記第２の復調フィルタへ提供すること、
前記搬送波が減衰された光信号を復調すること、
光検出器を提供すること、
復調された、搬送波が減衰された光信号を前記光検出器へ提供すること、及び
前記復調された、搬送波が減衰された光信号を電気信号へと変換すること、
を含む方法。
【請求項２】
前記フィルタの組み合わせを提供することは、２つの再構成可能光学フィルタを提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザ源を提供することは、高出力レーザ源を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高出力レーザ源からの光出力レベルを（例えば、＋１０ｄＢ）上昇させることにより、相応して搬送波及び変調サイドバンドの信号を＋１０ｄＢだけ増加させ、
搬送波のみを減衰するフィルタが、＋１０ｄＢ変調されたサイドバンド信号を減衰することなく、搬送波を−１０ｄＢ減衰させることにより、全体で１０ｄＢのゲインを得ることを更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記フィルタの組み合わせを提供することは、調節可能／再構成可能のフィルタ機能を実現するための、低損失電気光学基材上に作製された再構成可能二段光遅延ラインフィルタを提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
フィルタ除去された搬送波信号をレーザ源へフィードバックし、光パワー効率を向上させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザ源と、前記位相変調器と、フィードバックすることと、を提供することは、レーザ変調器と、前記フィルタ除去された搬送波信号をレーザ源のレーザキャビティへとフィードバックすることと、を提供することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記フィルタの組み合わせを提供することは、デュアル出力遅延ラインフィルタを提供すること、偏光マルチプレクサーを提供すること、前記遅延ラインフィルタの出力を合成すること、及び、前記光検出器において２つの遅延ライン出力のＲＦ位相を同調させることによりＲＦリンクゲインを増加させること、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
別の光遅延ラインを用いて高い信号ゲインを達成することと、時間遅延を有する光コヒーレント信号合成器を提供して、光及びＲＦ位相信号を光検出器においてコヒーレントに合成することと、を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
別の光遅延ラインを用いて高い信号ゲインを達成することと、時間遅延を有する光コヒーレント信号合成器を提供して、光及びＲＦ位相信号を光検出器においてコヒーレントに合成することと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記光検出器を提供することは、一組の平衡光検出器を提供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
高出力のレーザ源と、
前記レーザ源に接続された位相変調器と、
前記位相変調器に接続されたラジオ周波数信号源と、
前記位相変調器に接続された光コネクタと、
光心に接続されたフィルタの組み合わせと、
位相復調フィルタに接続され、復調された光信号を電気信号へと変換するための光検出器と、を有するアナログ光リンクを備え、
前記フィルタの組み合わせが、
光信号を減衰する第１の搬送波フィルタを含む、装置。
【請求項１３】
前記アナログ光リンクの光出力効率を向上させるために、フィルタ除去された搬送波信号がレーザ源へフィードバックされる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記フィルタの組み合わせが再構成可能２段光遅延ラインフィルタを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記再構成可能２段光遅延ラインフィルタが低損失電気光学ＬｉＮｂＯ３基材上に配置された、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
別の光遅延ラインフィルタと、前記光検出器へとフィルタの出力を結合し、前記光検出器において２つの出力のＲＦ信号を同調させることでＲＦリンクゲインを向上させる偏光マルチプレクサーと、を更に備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
別の光遅延ラインフィルタと、光検出器へと光及びＲＦの位相をコヒーレントに結合する光コヒーレント信号結合器と、を更に備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
追加の光遅延ラインと、第１フィルタと前記光検出器との間に接続された光マルチプレクサーと、を更に備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
変調されたサイドバンド信号を有する位相変調された搬送波光パワーの光周波数プロファイルを変調するよう構成された再構成可能な２つの光学フィルタであり、
前記２つの光学フィルタのうちの第１フィルタが、変調されたサイドバンド信号を有する位相変調された搬送波光パワーを受信し、かつ、変調されたサイドバンド信号への影響を最小限としつつ主に搬送波光パワーのみを減衰するよう構成され、
前記２つの光学フィルタのうちの第２フィルタが、減衰された搬送波光パワーと、変調されたサイドバンド信号とを復調し、復調された信号を光検出器へと送るよう構成される、装置。
【請求項２０】
前記２つの光学フィルタのうちの第１フィルタが、デュアル出力を更に有し、
前記デュアル出力のうちの第１出力が、減衰された搬送波光パワーと、変調されたサイドバンド信号とを前記２つの光学フィルタのうちの第２フィルタへ伝送するよう構成され、
前記デュアル出力のうちの第２出力が、フィルタ除去された搬送波光パワーを光パワー源へ伝送するよう構成された、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記光パワー源が
レーザ源と、
前記レーザ源に接続されたレーザキャビティと、を更に有し、
前記デュアル出力のうちの前記第２出力が前記レーザキャビティへ接続され、フィルタ除去された搬送波光パワーを前記レーザキャビティへと伝送する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記再構成可能な２つの光学フィルタと、前記光検出器と、前記光パワー源と、が近接して配置されている、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
ＲＦ出力を有する遠隔アンテナと、
前記遠隔アンテナの前記ＲＦ出力に接続され、前記アンテナの近傍に位置する位相変調器と、
前記光パワー源の搬送波光パワー出力に接続され、かつ、前記位相変調器の搬送波光パワー入力に接続された第１長尺光ファイバと、
前記位相変調器の出力に接続され、かつ、前記再構成可能な２つの光学フィルタの入力に接続された第２長尺光ファイバと、
を更に有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
単一の光検出器と、
前記２つの光学フィルタのうちの前記第２フィルタ及び前記単一の光検出器に接続された偏光マルチプレクサーと、を更に有し、
前記２つの光学フィルタのうちの前記第２フィルタが２つの出力ポートを有し、
前記２つの出力ポートのうちの第１ポートが第１偏光を有する第１光信号を提供するよう構成され、かつ、
前記２つの出力ポートのうちの第２ポートが、
遅延光信号を提供するための時間遅延ライン、及び
前記時間遅延ラインに接続され、前記遅延光信号の偏光を回転し、第２偏光を有する第２光信号を提供するよう構成された偏光回転器に接続され、
前記第２光信号の前記第２偏光が、前記第１光信号の第１偏光と直交し、
前記第１光信号と前記第２光信号とが、前記偏光マルチプレクサー内で、前記単一の光検出器に接続された単一のマルチプレクサー出力へと結合される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１光信号及び前記第２光信号が、光検出器においてＲＦ信号へと変換される、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
単一の光検出器と、
前記２つの光学フィルタのうちの前記第２フィルタ及び前記単一の光検出器に接続されたコヒーレント結合カプラーと、を更に備え、
前記２つの光学フィルタのうちの前記第２フィルタが、２つの出力ポートを更に有し、
前記２つの出力ポートのうちの第１ポートが、第１光信号を提供するよう構成され、かつ、
前記２つの出力ポートのうちの第２ポートが、
時間遅延ラインへ接続され、それにより遅延光信号を提供し、
前記コヒーレント結合カプラーにおいて前記第１光信号と前記第２光信号とが結合され、前記コヒーレント結合カプラーが単一の光検出器へ接続された単一の出力を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１光信号及び前記第２光信号が、前記光検出器において独立にＲＦ信号へと変換される、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
光パワー源を提供すること、
位相変調器を提供すること、
前記位相変調器において前記光パワー源から搬送波光パワーを受信すること、
前記搬送波光パワーをＲＦ信号を用いて位相変調すること、
前記位相変調器において、変調サイドバンド信号を有する位相変調された搬送波光パワーの光周波数プロファイルを変調すること、
再構成可能な２つの光学フィルタを提供すること、
前記変調サイドバンド信号を有する前記位相変調された搬送波光パワーを、前記再構成可能な２つの光学フィルタのうちの第１フィルタで受信すること、
前記２つの光学フィルタのうちの第１フィルタにおいて、変調サイドバンド信号への影響を最小限にしつつ、主に搬送波光パワーのみを減衰すること、
減衰された前記搬送波光パワー及び前記変調サイドバンド信号を、前記２つの光学フィルタのうちの第２フィルタに通すこと、並びに、
前記２つの光学フィルタのうちの第２フィルタにおいて前記変調されたサイドバンド信号を復調し、復調された前記サイドバンド信号を光検出器へ通す、方法。
【請求項２９】
前記２つの光学フィルタのうちの第１フィルタに２つの出力を提供すること、
前記減衰された搬送波光パワーと変調サイドバンド信号とを、前記２つの出力のうちの第１出力から前記２つの光学フィルタのうちの第２フィルタへ伝送すること、及び、
フィルタ除去された搬送波光パワーを、前記２つの出力のうちの第２出力から前記光パワー源へ伝送すること、
を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記光パワー源、前記再構成可能な２つの光学フィルタ、及び前記光検出器を相互に近接して配置すること、
遠隔アンテナを提供すること、
前記位相変調器を前記遠隔アンテナに近接して配置すること、
前記ＲＦ信号を前記遠隔アンテナから前記位相変調器へ提供すること、
第１長尺光ファイバを提供すること、
前記搬送波光パワーを、前記光パワー源から前記第１長尺光ファイバを通して伝送すること、
第２長尺光ファイバを提供すること、並びに、
前記位相変調光パワーを、前記位相変調器から前記長尺光ファイバを通して、前記再構成可能な２つの光学フィルタのうちの第１フィルタへと伝送すること、
を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
第１入力、第２入力、及び単一の出力を有する偏光マルチプレクサーを提供すること、
再構成可能光学フィルタのうちの第２フィルタに２つの出力ポートを設けること、
第１偏光中の第１光信号を、前記第１出力ポートから前記第１入力へ提供すること、
第２光信号を、前記第２出力ポートから遅延ラインを通して提供して、遅延光信号を提供すること、
前記遅延光信号の偏光を、前記第１偏光と直交する第２偏光へと回転し、前記偏光マルチプレクサーへ第１光信号及び第２光信号を提供すること、並びに、
偏光多重化信号を、前記偏光マルチプレクサーの出力から単一の光検出器へ提供すること、を更に含み、
前記光検出器を提供することが、単一の光検出器を提供することである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
第１入力、第２入力、及び単一の出力を有するコヒーレント結合カプラーを提供すること、
前記再構成可能光学フィルタのうちの第２フィルタに２つの出力ポートを提供すること、
第１光信号を、前記第１出力ポートから前記コヒーレント結合カプラーの第１入力へ提供すること、
第２光信号を、前記第２出力ポートから遅延ラインを通して、前記コヒーレント結合カプラーの第２入力へ提供すること、
前記第１光信号と、遅延光信号とを、前記コヒーレント結合カプラーの第１入力と第２入力へそれぞれ提供すること、
前記コヒーレント結合カプラーにおいて、前記第１光信号と前記第２光信号とを結合すること、並びに、
結合された信号を、前記コヒーレント結合カプラーの出力から前記単一の光検出器へと提供すること、を更に含み、
前記光検出器を提供することが、単一の光検出器を提供することである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
デュアル出力の一方に接続された光遅延ラインを提供する１×２デュアル出力強度変調器において、光エネルギーをＲＦ入力を用いて変調すること、
第１光信号を前記光遅延ラインにおいて遅延すること、
偏光を前記第１光信号から９０°回転させること、
単一の出力を有する偏光マルチプレクサーを用いて、遅延かつ回転された第１光信号を、前記デュアル出力の他方からの第２光信号と、結合すること、並びに、
結合された第１光信号と第２光信号を光検出器へ提供すること、
を含む、方法。
【請求項３４】
１×２デュアル出力強度変調器において、ＲＦ入力を用いて光エネルギーを変調すること、
前記デュアル出力のうちの一方に接続された光遅延ラインを提供すること、
前記光遅延ラインにおいて第１光信号を遅延すること、
単一の出力を有するコヒーレント結合器を用いて、遅延された第１光信号を、前記デュアル出力のうちの他方の出力からの第２光信号と、結合すること、並びに、
結合された信号を光検出器へ提供すること、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
強度変調器を用いる現在のアナログ光ファイバリンクは、防衛、航空宇宙、及びアンテナからのアナログ高周波（ＲＦ）信号伝送の商業利用のいずれにおいても使用されている。現在の光ファイバリンクは、特に高ＲＦ周波数（１０から１００ＧＨｚ超）において性能が制限されており、その理由として、高ＲＦ周波数における変調器の変換効率低下の制限、並びに、非線形飽和及び損傷発生の前に光パワー操作が制限される狭小な高周波数光検出器の制限がある。変調器及び光検出器によってもたらされるこれらの制限は、高ＲＦ周波数信号伝送のための従来のＲＦ光ファイバリンクの性能及び実施可能性を大幅に制限するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は発明者による発明の進展であり、当該発明者による発明は、２０１０年２月９日付けでイーオースペース・インコーポレイテッドに発行された、スワット・タニヤバーンによる米国特許第７６６０４９１号に記載されている。
【０００３】
現在の高ＲＦ周波数信号用アナログＲＦ光ファイバリンクは、解決されるべき問題を有している。現状、高損失、重量、及び帯域幅の制限により、超高周波数（１０から１００ＧＨｚ超）のＲＦ信号をアンテナから伝送するための、実施可能な、同軸の又は導波路ＲＦ伝送線は存在しない。代わりに、これら高周波数ＲＦ信号は、アンテナ近傍で処理、すなわちダウンコンバートされており、チャンネル化技術の著しい信頼性低下及び帯域幅制限をもたらすことになる。
【０００４】
アナログＲＦ光ファイバリンクは、広大な帯域幅、伝送距離に依存しない損失、及び広帯域ＲＦ光信号処理の可能性をもたらすものである。しかしながら、現在の光ファイバリンクの性能は、特に超高ミリ波周波数において、大幅に向上するはずである。これらの問題は、（光ファイバを介した信号伝送のためにＲＦ電気信号を光信号へと変換するのに用いられる）光変調器、及び（光ファイバを介して伝送された光信号を受信器において元のＲＦ信号へと変換するのに用いられる）光検出器を極めて高いＲＦ周波数で運用させるようにすることができるものの、それらが高ＲＦ周波数において効率が劣るという事実によるものである。加えて、超高ＲＦ周波数で動作可能な光検出器は、一般的にサイズが極めて小さく、高周波数での運用には大きさが必要であるため、そのような光検出器は極めて制限された光パワーの操作における能力しか有さない。この高周波数光検出器における制限された光パワーの操作の問題は、より高い光パワー源を用いることができないことを意味する。光検出器における光パワーを制限することは、低リンク損失の観点での光ファイバリンク性能の制限、高雑音指数、及び低ダイナミックレンジを意味することになる。これらの問題は、現在の超高ＲＦ（２０〜１００ＧＨｚ超）周波数でのＲＦ信号の光ファイバ伝送の実施を制限するものである。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は改良されたアナログＲＦ光ファイバリンクの実施形態を提供する。
【０００６】
本発明は、背景技術において述べた光学要素の制限を解決することにより、ＲＦゲイン、低雑音指数（ＮＦ）、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）を含む、一斉かつ劇的な性能向上を有する高ＲＦ周波数光ファイバリンクを達成するための技術を説明するものである。
【０００７】
本発明において説明される光ファイバリンクの実施形態は、アンテナ部においてＲＦ信号をダウンコンバートする必要がなく、現在の高周波数ＲＦ信号分配システムの構造自体を大きく変更し得るものである。
【０００８】
本発明は、高周波数ＲＦ信号の高性能光ファイバ伝送のための実行可能な解決策を初めて提供するものである。
【０００９】
これらＲＦ光ファイバリンクの基本的な実施形態は、光学レーザ源、光変調器、光検出器、及び光学フィルタの組み合わせを含む。
【００１０】
光パワー源として、低相対強度ノイズ、高出力、高コヒーレント、狭線幅を有する連続レーザが用いられる。光検出器は、高ＲＦ周波数での運用が可能であるべきである。広帯域光変調器は（ブロードバンド電気光学進行波ＬｉＮｂＯ３導波路変調器に基づくもののような）位相変調器である。
【００１１】
レーザ源からの光パワーは変調器へと伝送される。（高周波数ＲＦ）電気信号は、位相変調器へと送られ、位相変調された光信号へと変換され、一組の光学フィルタを通して光検出器へと光ファイバを介して伝送される。
【００１２】
一組の光学フィルタには光学フィルタの組み合わせが含まれ、その組み合わせの伝送機能は、光検出器において光信号が電気信号へと再変換される前に、変調された光信号に特別な光信号処理機能を実行するために再構成され得るものである。
【００１３】
光学フィルタの実施形態の１つは、再構成可能光遅延ライン干渉型フィルタである。
【００１４】
位相変調された信号の光周波数プロファイルを変更するのに用いられ、広帯域ＲＦのリンクゲイン、雑音指数、及びＳＦＤＲを同時に大幅に向上させる、これら再構成可能な光学フィルタの組み合わせの実施は、本発明の要点の１つである。基本的なフィルタシステム（図１）は、直列に接続された２つの再構成可能光学フィルタを有している。第１のフィルタ（Ａ）は、主に、搬送波の光パワーのみを特定量減衰させ、変調サイドバンド信号への影響を最小限にするよう再構成されている。
【００１５】
直流電力を低減させるために光信号が搬送波のみの減衰処理に供された後、搬送波のみの減衰位相変調信号を「復調」させるために、第２のデュアル出力光遅延ラインフィルタ（図１中のフィルタＢ）が用いられ、光検出器における強度変調ＲＦ信号へと再変換される。
【００１６】
高出力光源を用いることによって、はるかに高い全体リンクゲインを達成することができる。しかしながら、高出力パワー源は、一般的に、小面積の高周波数光検出器を損傷又は飽和させることなく用いることができない。この「搬送波のみ」の光減衰技術は、「ＤＣ」電力要素のみ、すなわち、搬送波のみを光検出器にとって安全なレベルまで減衰させることによって、光検出器を飽和又は損傷させることなく高出力レーザ源を用いることを可能にする。光検出器における光パワーは、特徴的な低ＲＦ変調度のために搬送波信号によって支配されていることから、光検出器を飽和又は損傷させ得るのは搬送波のパワーである。より高出力のパワー源を用いることによって、変調信号のサイドバンドも高くなるが、減衰されないため、光検出器においてはるかに大きいリンクゲインが得られる。
【００１７】
例えば、高出力パワー源を用いて光パワーレベルを＋１０ｄＢだけ増加させることによって、搬送波及び変調サイドバンド信号の両方が＋１０ｄＢだけ増加する。この光信号が−１０ｄＢ「搬送波のみ減衰」フィルタに通されると、光検出器は、低出力レーザ光源が用いられた場合の、以前と同様の光搬送波を見ることになる。しかしながら、減衰されていない変調サイドバンド信号のパワーレベルは、１０ｄＢだけ増加されていることになる。これにより全体のリンクゲインにおいて１０ｄＢの増加となる。光パワーの操作の制限を有する同様の光検出器を用いた場合、高出力光パワー源及び搬送波のみのフィルタを用いる当該新規の光ファイバリンクは、低出力レーザ源を用いる従来の光ファイバリンクと比較して、１０倍のリンクゲインを有するが、その理由は、光検出器において受信する光パワーが両場合において実質的に同じであるためである。実質的には、これは、低出力光源を用いて変調電圧効率を１０の平方根倍に向上させることに相当する。
【００１８】
本発明は、２０１０年２月９日付けでイーオースペース・インコーポレイテッドに発行された、同一発明者スワット・タニヤバーンによる米国特許第７６６０４９１号の進展である。
【００１９】
ここで開示される本発明は、先の米国特許第７６６０４９１号に対して更に進歩した実施形態及び改良を説明するものであり、光信号処理の概念、並びに、適切な伝送機能及び光遅延ラインの光学フィルタの組み合わせを用いている。新規のＲＦ光ファイバリンクの実施は、超高ＲＦ（１０から１００ＧＨｚ超）周波数信号伝送において特に有用であると共に最も適しており、このような高ＲＦ周波数信号伝送のためのアナログ光ファイバリンクの性能を制限する根本的な主要問題を解決することにより、従来の方法よりもはるかに高い性能レベルが得られる。
【００２０】
現状の従来からの光ファイバリンクは、主に２つの光学要素の根本的な問題のために極めて高いＲＦ周波数において有効ではない。ここで、根本的な問題とは、すなわち、このような高周波数における光変調器の低い変調効率と、高周波数運用のための広帯域を達成するのに必要な、狭い検出面積を有する光検出器の低出力光パワーの操作性と、のことである。
【００２１】
本発明は、これら根本的な光学要素の制限の問題を解決するための、光学フィルタ及び光信号処理概念を用いた技術であり、高リンクゲイン、低雑音指数、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジを含む極めて高い性能レベルを有すると共に、超高ＲＦ周波数信号伝送のためのアナログ光ファイバリンクを得る技術について説明するものである。
【００２２】
本発明においては、光変調器と、多段光学フィルタとを、高出力レーザ源と共に用いる。これら適用のための光学フィルタの最も単純な形式は、光遅延ライン型フィルタを用いて構成することができ、光遅延ライン型フィルタは、低損失光ファイバ、及び／又は、シリカ、ポリマー等の透明材料もしくはニオブ酸リチウム基材等の電気光学材料上の光導波回路を用いて形成することができる。電気光学基材上に電圧調節可能光導波要素を組み込むことで、電圧調節可能再構成可能光学フィルタの達成に対応させることが可能となり、本発明の適応性を向上させる。強度変調器及び位相変調器の両方が適応可能である。しかしながら、これら実施形態の中では、位相変調器が好ましいタイプの変調器である。
【００２３】
アナログ光ファイバは、位相変調器と、高出力レーザと、高周波数光検出器と、光学フィルタの組み合わせと、を接続する。第１のフィルタは、光周波数ドメインにおいて（変調サイドバンドに作用することなく）位相変調光周波数スペクトルの搬送波のみの減衰を行うよう設定されており、搬送波が減衰された位相変調信号を光検出器における強度変調信号へと復調するのに用いられる光学フィルタがそれに続く。
【００２４】
ＬｉＮｂＯ３等の低損失電気光学基材上に作製された、再構成可能な２段階光遅延ラインフィルタは、このフィルタ機能を発揮する。
【００２５】
図１に模式的に示す基本的な光ファイバリンクは、高出力レーザ源と、搬送波のみの光学フィルタと、位相変調器と、位相復調のための別の光学フィルタと、光検出器とを用いている。この基本的なリンクにおいて、レーザからの光パワーはフィルタ除去され、破棄される。
【００２６】
図６及び図７において模式的に示す別の実施形態では、フィルタ除去された光パワーを再利用している。フィルタ除去される搬送波光パワーを無駄にする代わりに、フィルタ除去された搬送波パワーはレーザへフィードバックされ、レーザ要素と、位相変調器と、新たなレーザキャビティ内の光学フィルタと、を有する新たなレーザキャビティ構成が形成される。この新たな実施形態では、光パワーの浪費が排除され、全体の「電源」電圧消費の節約、及びシステムの効率性が向上する。
【００２７】
図８において模式的に示す別の実施形態は、狭帯域の周波数レンジにおいて更に高いＲＦ信号ゲインを達成するのに適しており、それは、適切な長さの追加の光遅延ラインと、２つの出力からの２つの相補信号を１つの光検出器へと合成する偏光マルチプレクサーとを用いることによって達成される。ＲＦ変調光信号の伝送には、デュアル出力フィルタにより、相補出力が可能である。デュアルファイバと一組の平衡検出器よりも単一ファイバと単一光検出器の方が好ましいことが多い。図８に示すように、遅延光信号に適切な偏光回転と共に適切な遅延時間を与えることにより、２つの出力ポートからの２つの直交偏光された光信号は偏光マルチプレクサーによって合成され、光検出器へと送られる。２つの偏光光信号は、光検出器において独立にＲＦ信号へと変換される。例えば５０ＧＨｚを中心とするＲＦ信号について１０ｐｓ等と、差分遅延を適切に設定することで、２つのポートからの相補的であった（位相が不一致の）ＲＦ信号は光検出器において位相が一致し、実質的に光検出器のＲＦ出力が倍になる。この実施形態は、単一のファイバ及び単一の光検出器を用いて、狭帯域レンジにおいて２つの信号の光検出器でのＲＦ位相を同期させることによってＲＦリンクゲインを増加させるのに有用である。
【００２８】
図９において模式的に示す別の代替実施形態は、狭帯域の周波数レンジにおいて更に高いＲＦ信号ゲインを達成するのに適しており、それは、適切な長さの追加の光遅延ラインと、２つの出力からの２つの相補信号を１つの光検出器へと合成するコヒーレント合成器とを用いることによって達成される。適切な時間遅延と光学位相調節により、２つの光信号は、コヒーレントに（光学的に、及びＲＦ位相での両方で）１つの光検出器へと合成される。
【００２９】
追加の光遅延ラインと、光マルチプレクサー（図１０に示す偏光マルチプレクサー及び図１１に示すコヒーレント合成器）とを用いることによって狭帯域周波数帯におけるより高ＲＦ信号ゲインを達成するための同様の実施形態は、デュアル相補的出力強度変調器に基づくリンクにより達成することができる。
【００３０】
高周波数ＲＦ信号を位相変調光信号へと変換するために、広帯域位相変調器が高出力レーザ搬送波と共に用いられる。レーザから変調器への高出力光パワーは、あるＲＦ入力からより大きなＲＦ信号サイドバンドを生成する。搬送波減衰フィルタは、搬送波を減衰させ、減衰された搬送波と、減衰されないＲＦ変調サイドバンドとを通過させる。搬送波の減衰によってより大きなＲＦ信号サイドバンドが残ることになる。復調フィルタは、位相変調された光信号を電気信号へと再変換するための光検出器又は平衡光検出器と共に用いられる。搬送波のみの減衰は、高出力レーザの使用を可能とし、光検出器の損傷又は飽和を防止し、ＲＦリンクゲインの向上、低雑音指数（ＮＦ）、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）をもたらす。フィルタ除去された搬送波パワーは、システム全体の効率を向上させるためにレーザ源へフィードバックされてもよい。デュアル出力の追加の光遅延フィルタは、偏光マルチプレクサー又はコヒーレント合成器と共に用いられ、電気光学的信号変換効率を更に向上させるために信号パワーを単一の光検出器へと合成する。
【００３１】
本発明について、これらの、更なる、及び他の、目的並びに特徴は、明確に開示されており、開示には、上述の及び下述の明細書の記載、特許請求の範囲、並びに図面が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】遠隔部へレーザ搬送波周波数を伝送するシステムを示す図であり、アンテナ遠隔部においてバイアスフリーの位相変調器はアンテナからのＲＦ信号でレーザ搬送波周波数を変調し、変調された信号を搬送波減衰フィルタ及び変調フィルタを通して光検出器へと返す。
【図２】様々な段階における光周波数スペクトルを有する光ファイバリンクの基本的動作を示す模式図である。
【図３】リンクゲイン、低雑音指数（ＮＦ）、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）の計算結果を示す図である。
【図４】広帯域範囲の並列フィルタ及び受信器を用いたリンクを示す図である。
【図５】高速再構成可能光学フィルタを示す図であり、当該光学フィルタは、超高（１０から１００ＧＨｚ超）ＲＦ周波数のためにＬｉＮｂＯ３等の電気光学基材上に作製される。
【図６】デュアル出力光遅延ラインフィルタを用いて示す模式図であり、フィルタ除去された搬送波パワーは新たなレーザキャビティの形でレーザへフィードバックされる。
【図７】（光回折格子のような）狭線反射型光学フィルタを用いた例を示す模式図であり、不要な過剰光搬送波パワーは、新たなレーザキャビティを形成してレーザへフィードバックされる。
【図８】位相変調器のリンクゲインを増加させるための追加の光遅延ラインと、偏光マルチプレクサーとを有する例であり、単一の出力ファイバと、単一の光検出器とを用いるデュアル相補出力フィルタを有する例を示す模式図である。
【図９】位相変調器のリンクゲインを増加させるための追加の光遅延ラインと、コヒーレント合成器とを有する例であり、単一の出力ファイバと、単一の光検出器とを用いるデュアル相補出力フィルタを有する例を示す模式図である。
【図１０】単一の出力ファイバと、単一の光検出器とを用いる１×２デュアル出力マッハ・ツェンダー強度変調器のリンクゲインを増加させるための追加の光遅延ラインと、光学マルチプレクサーとを有する例を示す模式図である。
【図１１】単一の出力ファイバと、単一の光検出器とを用いる１×２デュアル出力マッハ・ツェンダー強度変調器のリンクゲインを増加させるための追加の光遅延ラインと、コヒーレント合成器とを有する例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に示すように、基本的なフィルタシステム１は直列に接続された２つの再構成可能光学フィルタ２を有する。第１のフィルタＡは、主に搬送波の光パワーのみを特定量だけ減衰させ、変調サイドバンド信号には最小限の影響となるよう再構成されている。第１のフィルタの光周波数伝送スペクトルは、光周波数ドメインにおいて光搬送波を中心に対称となるように設定される。変調信号の減衰を最小限とするために、遅延ラインフィルタの周期は変調サイドバンドの伝送が最大限となるように設定されるべきである。一般的に、他の様々な光学フィルタをこの用途のために用いることができ、搬送波信号パワーのみを減衰させる狭帯域ファブリ・ペロー、ファイバ格子等が含まれる。
【００３４】
第２のフィルタＢは、位相変調された信号を復調し、平衡光検出器３へ結果物を提供するために用いられる。高出力レーザ源４は、第１の光ファイバ５からバイアスフリー位相変調器７がアンテナ８からのＲＦ信号を用いてレーザ搬送波を位相変調させている遠隔地までレーザ搬送波パワーを提供する。変調された信号は、第２の光ファイバを通じて搬送波減衰フィルタＡの方へ戻る。その結果は、リンクゲイン低雑音指数、及び高スプリアスフリーダイナミックレンジである。
【００３５】
図２は様々な段階における光周波数スペクトルを有する光ファイバリンクの基本的動作を示す模式図である。
【００３６】
搬送波減衰技術は、これまで位相変調リンクには用いられてこなかった。有用な搬送波減衰位相変調リンクを実現するためには、追加の光学フィルタを取り入れる必要がある。
【００３７】
直流電力を低減させ、光検出器を飽和又は損傷させないようにするために光信号が搬送波のみの減衰処理に供された後、搬送波のみの減衰位相変調信号を復調させるために、第２のデュアル出力光遅延ラインフィルタが用いられ、光検出器における強度変調ＲＦ信号へと再変換される。
【００３８】
光周波数スペクトルを含め、このリンクの全体の基本的動作は図２に模式的に示されている。周波数の相対振幅は対数目盛りで示されている。
【００３９】
高出力レーザ源１０の出力において、光周波数スペクトルは単一の光搬送波周波数スペクトルΩ１４のみを示している。
【００４０】
ＲＦ信号１１が印加されたＬｉＮｂＯ３位相変調器１２を光信号が通過した後、位相変調された光信号の光周波数スペクトル１３は、搬送波信号１４と共にＲＦ変調サイドバンド１５も示す。一般的に、変調サイドバンドのパワーレベルは、搬送波のパワーレベルと比較して小さい。これは変調器の直線性を維持するためであり、また、高ＲＦ周波数における変調効率の低さによるものである。
【００４１】
この位相変調された光信号１３は、次に、第１の「搬送波のみを減衰する」再構成可能フィルタ２２を通過し、当該フィルタの周波数伝送スペクトル２１は図に示されているように、搬送波の周波数を中心に対称であり、当該フィルタは搬送波１４を特定量（例えば１０から２０ｄＢの範囲）減衰させる一方で、ＲＦ変調サイドバンド信号１５については全量伝送させるものである。主に搬送波周波数１４のみがフィルタ除去される。そのため、信号２３中の変調サイドバンドはほとんど影響を受けない。
【００４２】
搬送波のみの減衰レベルの値は、回線の終端における光検出器２６によって最終的に受信される全光パワーが、光検出器の直線性及び性能を損傷、飽和、又は低下させるレベルより下に制限されるよう設定されるべきである。
【００４３】
搬送波のみの減衰フィルタの下流の光周波数スペクトル２３は、搬送波信号１４が大きく減った状態で示されている。そのため、搬送波に対する変調サイドバンド１５の比率は、搬送波のみの減衰フィルタを用いずに低出力レーザ源を用いた場合と比較して、大きくなる。
【００４４】
この搬送波が減衰された光信号２３は、第２光学フィルタ２４へ送られ、光位相変調信号２５を光検出器２６における強度変調の単一の光検出器又は一組の平衡検出器へと変換するために、第２光学フィルタ２４の周波数伝送スペクトルは搬送波周波数を中心に非対称に設定される。
【００４５】
米国特許出願第７６６０４９１号（位相変調と同調可能な光学フィルタを用いる高いダイナミックレンジのアナログ光ファイバリンク、スワット・タニヤバーン、イーオースペース・インコーポレイテッド、２０１０年２月９日発行）は、個々に示す参照により本明細書に援用される。
【００４６】
デュアル相補出力２５と共に光遅延ラインフィルタ２４を用いることで、ＲＩＮノイズの消去や信号ゲインの向上のために、両出力信号を一組の平衡光検出器２６へ送ってもよい。
【００４７】
図３は、ＲＦリンクゲイン、低雑音指数（ＮＦ）、及び向上したスプリアスフリーダイナミックレンジの広帯域での同時達成を示している。
【００４８】
信号ゲイン３０は、アナログ光ファイバリンクと同様のＲＦリンクゲインとして計算される。
【００４９】
一例として、位相変調器１２、高出力レーザ源１０、及び搬送波のみの減衰フィルタ２２と位相復調フィルタ２６との組み合わせを用いた新規の光ファイバリンクの、計算されたＲＦリンクゲイン、雑音指数（ＮＦ）３１、及びスプリアスフリーダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）３２について、以下説明する。
【００５０】
光検出器２６及び５Ｖ−Ｖπの変調器での適度な電流レベル（１０ｍＡ）における、−１６０ｄＢ／ＨｚのＲＩＮノイズ、及び平衡光検出器（ＲＩＮノイズ抑制）を有するレーザ源３３が、直流から１６０ＧＨｚまでの高ＲＦ周波数の関数として、図３に示されている。
【００５１】
搬送波フィルタと位相変調を組み合わせた提案は、超高ＲＦ周波数３７において、現在の従来からの（マッハ・ツェンダー強度変調に基づく）ＭＺＭ２６の光ファイバリンクと比較して、約２０〜３０ｄＢ３４，３５のかつてないＲＦリンクゲインの向上を可能とする。
【００５２】
これら適度な装置パラメータや単純な遅延ラインフィルタの場合であっても、バンド中央において約６〜１５ｄＢのリンクゲイン、約５〜１０ｄＢの低ＮＦ、及び約１２０〜１２５ｄＢ／Ｈｚ２／３のＳＦＤＲが達成される。１０〜２０超ｄＢの搬送波フィルタを有する、計算されたフィルタ・位相変調Ｆ／Ｏリンクが、ＲＦ周波数の関数として、従来のＭＺＭ強度変調リンクと直接比較されている。図４は、広帯域範囲でのフィルタと受信器との平行な組を用いたリンクを示している。
【００５３】
この提案された搬送波フィルタ・位相変調光ファイバリンクは、二次的相互変調ひずみを有さず、広帯域（複数オクターブ）である。この光学技術は、遅延ラインフィルタの周期を単に変更することで、どのＲＦ周波数にも拡張可能である。ＲＦ周波数が高くなるほど、再構成可能光学フィルタ構成要素はよりコンパクトかつ低損失となる。
【００５４】
更に、広帯域作業を向上させるために、位相変調光信号４１は、バンド中央が２５〜１２５ＧＨｚ、５〜２５ＧＨｚ、及び１〜５ＧＨｚに設定された光学フィルタ４５，４６，４７と共に複数の平行な受信器４６へと分配することができる。３倍大きいレーザパワーを用いることで、３つのバンド全てにおいて、より高性能を達成することができる。
【００５５】
図５は、高速再構成可能光学フィルタを示す図であり、当該光学フィルタは、超高（１０から１００ＧＨｚ超）ＲＦ周波数のために、ＬｉＮｂＯ３等の電気光学基材上に作製される。
【００５６】
高速集積複合再構成可能フィルタデバイスの実施形態が提供されている。ＬｉＮｂＯ３導波遅延ライン回路に基づく高速再構成可能光学フィルタ５０は、高速電子機器を必要とすることなく、超高ＲＦ周波数での光信号処理に用いることができる。そのため、このフィルタ構成要素は、小型かつ高ＲＦ周波数で低損失であり、１００ＧＨｚ超での作業に拡張可能である。電気化学的調節可能光学カプラー５１及び位相チューナー５３要素を組み込むことで、フィルタ５４の光周波数伝送スペクトルの高速再構成を可能とする。高ＲＦ周波数での適用において、求められる様々な遅延ラインはこの種のフィルタにおいては極めて短く、図５に示すような小型の低損失の集積多段フィルタ５４の作成が可能となる。
【００５７】
図６は、デュアル出力光遅延ラインフィルタの使用を模式的に示している。フィルタ除去された搬送波パワーは、新たなレーザキャビティの形でレーザへフィードバックされる。
【００５８】
上述の光ファイバリンクにおける基本的な実施形態に加えて、これらは改良のための追加実施形態である。
【００５９】
フィルタ除去される光搬送波パワーを浪費する代わりに、本発明は、図５に模式的に示されているように、デュアル出力ポート６５、６６を有する光遅延ラインフィルタ２２を用いて、レーザ源１０へ搬送波パワー６２をフィードバック６４することができる。
【００６０】
フィルタ除去された搬送波パワー６２は、搬送波のみの光遅延減衰フィルタ２２の出力ポート６５のうちの１つから出て、レーザへとフィードバック６３される−新たなレーザキャビティ１０の内部２２においてレーザ要素、位相変調器、及び光学フィルタと共に新たなレーザキャビティ構成を形成する。この開発により、光出力の浪費を排除し、システムの全体の「電源」効率を向上させることができる。
【００６１】
図７は、光回折格子のような狭帯域反射型光学フィルタの使用を模式的に示している。不要な過剰の光搬送波パワーはレーザへとフィードバックされ、新たなレーザキャビティを形成する。
【００６２】
フィルタ除去された光搬送波パワーを浪費する代わりに、本発明は、図７に模式的に示されているように、光回折格子のような搬送波のみの反射型フィルタを用いて、レーザ源１０へ搬送波パワーをフィードバックすることができる。レーザへの光フィードバックは、新たなレーザキャビティ７０の内部にレーザ要素１０、位相変調器１２、及び光学フィルタ７２を有する新たなレーザキャビティを構成することを意味する。
【００６３】
図８は、追加の光遅延ライン及び偏光マルチプレクサーを示し、これらは単一の出力ファイバと、単一の光検出器とを用いてリンクゲインを増加させるのに用いられる。
【００６４】
狭帯域ＲＦ信号８１の光ファイバ伝送において、追加の、適切な遅延時間を有する光遅延ライン８２と偏光マルチプレクサー８４とを、図８に模式的に示されているように、リンクゲインを更に増加させるために用いることができる。
【００６５】
デュアル出力フィルタ８２の場合、図示されているように、相補的出力８３が可能である。ＲＦ変調光信号を伝送するためには、デュアルファイバと一組の平衡光検出器とよりも、単一のファイバと単一の光検出器８６とが好ましいことが多い。出力のうちの１つに適切な時間遅延８７を加え、この遅延光信号に図示されているように適切な偏光回転８８を加えることにより、２つの出力ポートからの、直交偏光を有する２つの光信号を偏光マルチプレクサー８４で合成し、光検出器８６へと送信することができる。２つの偏光光信号は、光検出器において独立にＲＦ信号へと変換される。差分遅延を適切に（例えば、５０ＧＨｚを中心とするＲＦ信号の場合１０ｐｓに）設定することで、２つのポートからの相補（位相不一致）ＲＦ信号であったものが、光検出器８６において位相が一致し、光検出器のＲＦ出力は実質的に倍となる。
【００６６】
図９は、追加の光遅延ラインとコヒーレント合成器９４とを模式的に示しており、これらは単一の出力ファイバ９５及び単一の光検出器９６を用いてリンクゲインを増加するのに用いられる。
【００６７】
或いは、図９に模式的に示しているように、狭帯域ＲＦ信号の光ファイバ伝送において、適切な遅延時間を有する追加の光遅延ラインと、光位相調節装置を有するコヒーレント光合成器９４とをリンクゲインを増加させるのに用いることができる。光及びマイクロ波の両位相が、光検出器９６において位相が一致するよう揃えられる。光信号はコヒーレントに加えられ、ＲＦ信号出力９９が大きく増加することになる。
【００６８】
図９及び図１０は、デュアル相補変調器１１０と、追加の光遅延ライン１１２、１１３と、光マルチプレクサー８４又はコヒーレント合成器９４とを示しており、これらは単一の出力ファイバ及び単一の光検出器を用いてリンクゲインを増加させるのに用いられる。
【００６９】
これら追加の光遅延ライン１１２、１１３と、図１０に示すような光マルチプレクサー、又は図１１に示すようなコヒーレント合成器９４とを用いてＲＦ光ファイバリンクの性能を向上させることで、図１０及び図１１に示されているような狭帯域ＲＦ信号１１１を伝送するデュアル相補出力変調器１１０を用いた一般的な強度変調リンクへと応用することができる。
【００７０】
これらの実施形態は、狭帯域で高ＲＦ周波数信号用のＲＦアナログ光ファイバリンクにおいて、全体のリンクゲイン等を向上させるのに極めて有用となり得る。
【００７１】
本発明について具体的な実施形態を参照しつつ説明してきたが、以下のクレームに記載された本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、本発明を改良、変更することができる。
【図１】
2019501542.tif 000003
【図２】
2019501542.tif 000004
【図３】
2019501542.tif 000005
【図４】
2019501542.tif 000006
【図５】
2019501542.tif 000007
【図６】
2019501542.tif 000008
【図７】
2019501542.tif 000009
【図８】
2019501542.tif 000010
【図９】
2019501542.tif 000011
【図１０】
2019501542.tif 000012
【図１１】
2019501542.tif 000013
【国際調査報告】
2019501542.tif 000014
2019501542.tif 000015
2019501542.tif 000016
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