(57)【要約】  発明は、主としてセル式無線通信装置のためのリモートアンテナ設備のような光ファイバ無線設備における使用のための、全二重双方向光−電気変換器の改善に関する。変換器は電場吸収型変調器に基づくタイプの変調器であり、第１の改善は、従来のようなバイアス電圧の直接設定によるのではなく、定電流源を用いることによる変調器へのバイアス印加にある。ＥＡＭの適切な選択により、現在の定電流源で十分であると考えられるが、望ましいことがわかれば、動作条件に対して制御アルゴリズムによって設定を調節することができる。第２の改善は、動作範囲内の周波数において共振する同調回路をＥＡＭの内部静電容量とともに形成する誘導性負荷を用いることにより、ＥＡＭの実効負荷インピーダンスを高めることにある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波信号を、電気信号を介して、導波路内の光信号に、またこの逆に、変換するための変換器において、前記導波路に光結合された電場吸収型変調器、前記電場吸収型変調器に電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ及び前記電場吸収型変調器にバイアスを印加するための前記電場吸収型変調器に接続された定電流源を備えることを特徴とする変換器。
【請求項２】
前記定電流源を調節するために動作条件に応答するアルゴリズムによって制御されるコンピュータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
電波信号を、電気信号を介して、導波路内の光信号に、またこの逆に、変換するための変換器において、前記導波路に光結合された内部静電容量を有する電場吸収型変調器、前記電場吸収型変調器に電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ及び前記電場吸収型変調器に接続された負荷インピーダンスを備え、前記負荷インピーダンスが、誘導性であり、前記内部静電容量と並列同調回路を形成することを特徴とする変換器。
【請求項４】
前記電場吸収型変調器にバイアスを印加するための前記電場吸収型変調器に接続された定電流源をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の変換器。
【請求項５】
電波信号を、電気信号を介して、導波路内の光信号に、またこの逆に、変換する方法において、電場吸収型変調器を前記導波路に光結合する工程、少なくとも１つのアンテナを前記電場吸収型変調器に電気的に接続する工程及び定電流源を用いて前記電場吸収型変調器にバイアスを印加する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
動作条件に応答するアルゴリズムにしたがって前記定電流源を調節する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電場吸収型変調器の光入力の振幅の調節によって前記電場吸収型変調器の動作を遠隔から最適化する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
光ファイバ無線設備において、
請求項１に記載の変換器を備えるリモートアンテナユニット、及び
下流光信号源、上流光信号のための検出器及び前記変換器の光入力振幅の調節によって前記変換器の動作を最適化するための振幅制御器を備える基地局、
を有することを特徴とする光ファイバ無線設備。
【請求項９】
電波信号を、電気信号を介して、導波路内の光信号に、またこの逆に、変換する方法において、内部静電容量を有する電場吸収型変調器を前記導波路に光結合する工程、少なくとも１つのアンテナを前記電場吸収型変調器に電気的に接続する工程及び前記内部静電容量と並列同調回路を形成するために前記電場吸収型変調器に誘導性負荷インピーダンスを接続する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
定電流源を用いて前記電場吸収型変調器にバイアスを印加する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信の分野に関し、特に、電波信号を、電気信号を介して、ファイバまたはその他の導波路内の光信号に、またこの逆に、変換するための変換器及びその方法に関する。本発明は主に、ただし排他的ではなく、セル方式無線通信システム、とりわけ、セル方式携帯電話システムにおけるリモートアンテナのためのいわゆる「光ファイバ無線」（以降ＲＯＦと略記する）技術に適用され、本発明のいくつかの態様は局所電力を必要とせずに動作するという意味において受動的な「ピコセル」アンテナ設備に有用である。
【背景技術】
【０００２】
セル方式携帯電話システムまたはその他のセル方式無線通信システムの有効サービスエリアを広くするためには非常に多くのアンテナが必要であり、その内のいくらかは離れた場所にあって、アンテナ設置場所で必要な電力を、例えば小型太陽電池で有効に供給され得るレベルまで下げることができ、好ましい場合には完全に不要にすることができれば、設置及び保守の費用がかなり節約される。
【０００３】
信号が光ファイバによってアンテナ地点に及びアンテナ地点から伝えられる、「ＲＯＦ」システムは双方向（全二重）電気−光変換器として電場吸収型変調器（ＥＡＭ）を用いることができ、増幅せずに、すなわち変換器を送信及び受信アンテナに受動態様で接続して、十分な信号強度を双方向で達成できる場合もあることが知られている。ほとんどの場合、満足できる性能を双方向で達成するには適切なバイアス印加が必要であるが、非常に小さなセルではゼロバイアスで満足な性能を得ることができる。時にピコセルと呼ばれる、そのようなセルは需要の多い人口密集エリア（例えば空港ラウンジまたは同様の囲まれた空間）の必要を満たすことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の設備には双方向で同時に変換効率を有効に制御することを可能にする技術が必要とされている。
【０００５】
ＥＡＭの望ましくない静電容量効果を減じることによって変換効率を高めることも必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様はＥＡＭにバイアスを印加するための定電流源の使用である。これにより、実質的に固定された下流電気（ＲＦ）信号レベルが自動的に設定され、単に光パワーレベルを調節することによって、上流変調効率の（基地局からの）遠隔調節が可能になる。本手法により、望ましければ、モニタが比較的容易な、基地局からの最小相互変調歪（ＩＭＤ）点の制御も可能になる。
【０００７】
したがって、本発明の一態様は、電波信号を、電気信号を介して、導波路内の光信号に、またこの逆に、変換するための、導波路に直接または間接に光結合された電場吸収型変調器、電場吸収型変調器に電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ及び電場吸収型変調器にバイアスを印加するための電場吸収型変調器に接続された定電流源を備える、変換器である。
【０００８】
本発明は、前段落で説明した変換器の形態のリモートアンテナユニットを有するＲＯＦ設備並びに、下流光信号源、上流光信号のための検出器及び変換器の光入力振幅の調節によって変換器の動作を最適化するための振幅制御器を備える基地局を含む。
【０００９】
本発明の別の態様は、ＥＡＭの静電容量の効果を相殺することによってＥＡＭの実効負荷インピーダンスを高めるための並列同調回路の使用である。
【００１０】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者には、ある程度はその説明から容易に明らかであろうし、また以下の詳細な説明、特許請求の範囲、さらに添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１１】
上述の一般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求される本発明の性質及び特質の理解のための概観または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の、その例が添付図面に示されている、現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能である限り必ず、図面を通して同じかまたは同様の要素を指して同じ参照数字が用いられる。
【００１３】
定電流バイアス印加の理論的論述
図１のグラフにおいて、実曲線は代表的なＥＡＭの感度（単位光パワー入力当りの直流電流出力）を逆バイアスＤＣ電圧の関数として表し、破曲線は光の透過率を表しており、出力電流を生じる電荷対は吸収される光子数に比例して発生するから、感度に対してほぼ逆比例の関係にある。ＲＦ変調効率（したがって上流信号強度）は動作バイアスにおける透過率曲線の勾配によって決定される（「上流」はアンテナから基地局への、よって電気信号から光信号への変換を含む、方向にあることを意味する）。
【００１４】
図２は、固定バイアス電圧ではなく、定電流源でバイアスされるＥＡＭを簡単に表す。そのような定電流源は電気技術上周知であり、詳細に説明する必要はない。ＥＡＭの光電流Ｉｐは、図３に示されるテブナン等価回路の考察によって推論され得るように、あるいは少なくとも説明され得るように、必ず賦課バイアス電流Ｉｃと等しくならなければならない。光電流が賦課電流より大きくなれば、等価抵抗ＲＬにわたる電圧降下が大きくなり、バイアス電圧が低下し、よって光電流が小さくなるであろう。光電流が賦課電流より小さくなれば、逆のことがおこるであろう。したがって、ＥＡＭ吸収及びＥＡＭの感度は、均衡がとられてＩｃ＝Ｉｐ＝ηＰａとなるように、自動的に調節されなければならない。ここでＰａは吸収されるパワーである。入力光信号の変調度が一定であれば、ＥＡＭによって発生されるＲＦ信号の振幅も一定になるであろう。これは、定電流源の動作範囲をこえなければ、広い範囲の周囲温度、入力光レベル、入力波長及び偏光状態に対して、成立し続ける。
【００１５】
ＥＡＭ内で有効に吸収される光パワーＰａはＲｇｃＰｉに等しいことが認められるであろう。ここで、Ｒは与えられたバイアス電圧におけるＥＡＭの活性領域の吸収係数、Ｐｉは入射光パワー、ｇｃは光入射端において結合領域を通ってデバイスの活性部分に到達する入射光の比率である。アンペア/ワット単位の（損失を無視する）理想感度はηＲとなるであろう。ここでηは波長依存パラメータであり、代表的な遠距離通信波長の１５５０ｎｍにおける値は１.２５に近い。したがって、デバイスの活性領域の光の透過率はＴ＝１―Ｒ＝１―Ｉｃ/（ηｇｃＰｉ）となる。したがって、Ｐｉの調節によって、限られた範囲内で、Ｔ（またはＲ）を任意に選ぶことができる。図１が、既に説明したように、代表的なＥＡＭについて感度の外部回路測定値対ＤＣバイアス電圧を示すことに留意すれば、このことを明確にすることができる。図１からわかるように、バイアスが−５Ｖに近い場合には、電圧依存吸収係数がその最大値にあるため、極めて僅かな光しか透過しない。外部測定感度は０.９Ａ/Ｗより僅かに低い最大値を有する。これは、式：
【数１】
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【００１６】
に対応する。
【００１７】
対応実験
実験結果は、出願人等が（いかなる理論にも束縛されるつもりはなく）電子及び正孔の特性輸送時間の差に起因する、バイアス電圧によるＥＡＭの周波数応答変動によると考える、上記の簡単な理論の予測からの少しではあるが決して無視できない、ただし本発明の有用性を減じることはない、系統的逸脱を示す。例として、この効果を全く考慮していない初期の設計の、図１のグラフをつくるために用いられたＥＡＭは、０.２２ｍＡの定電流源でバイアスされ、電気的出力及びバイアス電圧は８〜３０℃の範囲にわたる温度の関数として測定された。結果が図４にグラフで示され、出力は約０.７ｄＢの範囲で一定ではあるが、バイアス電圧にしたがってほぼ線形態様で変化することを示した。
【００１８】
図５及び６は、ある範囲の入力光パワーレベルにわたる、同じ定電流バイアス条件の下での、このＥＡＭの応答を示し、（ＥＡＭ伝達特性の最も注目され、最も急峻な領域に対応する）測定範囲にわたり、入力光パワーが１ｄＢ低下する毎に電力出力がほぼ１ｄＢ増加したことを示す。図６はこの効果がいかにバイアス電圧に関して際立って線形であるかを示す。これらの変化は比較的小さく、本発明の有用性を減じることはない。必要であれば、制御アルゴリズムで対処することができる。ＥＡＭの適切な選択により、現在の定電流源で実用目的には十分であると考えられるが、（特定のＥＡＭ設計に対して）現在の動作条件についての最適バイアス電流を決定するためにルックアップテーブルまたはその他のコンピュータ演算の利用が必要であることがわかったとしても、最適バイアス電圧を直接に定めるために設計されるものよりかなり簡単なルックアップテーブルになるであろう。
【００１９】
このタイプのシステムのＥＡＭの変調効率に影響する別の要因は、ＥＡＭが電圧駆動システムであるため、一般に負荷インピーダンスが高くなるほど効率が高くなり、無線通信範囲が広くなるであろうという意味において、受動（無バイアス印加）モードにおいて、発現する電圧は応答曲線の実質的に線形領域から外れるほど大きくてはならないという重要な条件付で、負荷インピーダンスである。
【００２０】
ＥＡＭ自体がかなり大きな静電容量を有し、したがって、無線周波数において、比較的低インピーダンスのシャントを提供するから、ＥＡＭに高抵抗を接続しただけで有効に高められた効率を達成することには必ずしもならない。本発明の別の態様は、変換器の動作範囲内の周波数において共振する並列同調回路をＥＡＭの内部容量と形成することによって、このシャント効果を低減し、可能であれば実質的に排除することである。図７〜９はそれぞれ、これを行う手段の１つを示す。
【００２１】
図７は、いかなる増幅またはバイアス印加もなく、したがって電力を全く必要としない、「受動ピコセル」設備を表す。ＥＡＭ（ハッチング付矩形）は、直列抵抗ＲＳ，静電容量Ｃｍ及び、Ｐｉ・∂Ｒ（Ｖ）/∂Ｖの逆数を意味する、動的光抵抗Ｒ０からなる電気的等価回路で表される。ここで、Ｐｉは入射光パワー、∂Ｒ（Ｖ）/∂ＶはＥＡＭ感度対バイアス電圧曲線（この曲線は後にさらに論じられる）の勾配である。本発明にしたがえば、外部負荷は、一般には１〜１００ＧＨｚの範囲、例えば無線ローカルエリアネットワークでの使用に対しては２.４または５.２ＧＨｚ、あるいは「Ｇ３」セル式携帯電話ネットワークに対しては２ＧＨｚの、変換器の動作周波数範囲（の中央またはその近傍であることが好ましい）において共振する並列同調回路をＣｍと形成するように選ばれるインダクタンスＬである。他の唯一の基本的なコンポーネントはアンテナであるが、フィーダー及びアンテナ整合ユニットがともなうことが多いであろう。代表的なデバイス及び設備パラメータ（原理的に、結合損失、感度及び推定光レベル）に対して、ゼロバイアスにおける最大光電流は１ｍＡのオーダーであると思われ、したがって５０Ωの負荷インピーダンスにおいては、約０.６Ｖの開路値と比較して、約０.０５Ｖのピーク順電圧が生じる。０.０５Ｖにおいて感度は実質的に線形のはずであり、開路においては実質的に対数感度が予想される。非線形性が許容できなくなる負荷インピーダンス値はデバイス毎に変わり、いずれにせよある程度主観的であって、当業者であれば、いかなる特定のＥＡＭに対しても最善のインピーダンス値を決定し、達成することができるであろう。
【００２２】
ＥＡＭにバイアスが適当に印加されている場合、そのような制限は生じない。図８は従来の設定電圧バイアス印加構成を示し、図９は本発明にしたがう定電流バイアス印加構成を示す。いずれの場合も、同調回路のＱ因子は所要の信号変調帯域幅に調整することができ、固有の直列抵抗ＲＳ及び動的光抵抗Ｒ０によって設定される制限が課せられる。
【００２３】
図１０は、本発明のこの態様に関するシミュレーションに用いられた、特定のＥＡＭについての特性曲線を示す。図１０は全般的には図１に対応するが、プロットされる方向が逆転し、縦軸の表示が入れ代わっていることに注意されたい。ゼロバイアスにおいて、感度対バイアス電圧曲線の勾配は約＋０.２５であり、Ｐｉ＝２.５ｍＷに対してＲ０は約１.３３ｋΩになろう。Ｒ０はＰｉに反比例し、よって同調回路のＱ因子は入射光パワーの増大にともなって低下するであろう。
【００２４】
図１１はＲＯＦ設備のリモートアンテナユニット１としての情況において本発明の変換器を例示する。リモートアンテナユニット１は、基地局２のレーザ送信器５からＥＡＭ６の光入力側に、またＥＡＭ６の光出力側から基地局２の光検出器７に、それぞれ光信号を伝送する２本の光ファイバ３及び４によって基地局２に接続される。定電流源８及び誘導性負荷インピーダンス９が先に説明したようにＥＡＭ６に接続され、ＥＡＭ６の電気信号ポートが、負荷インピーダンス９と一体化することができるアンテナ整合ユニット１０及びフィーダー１１を介して、ダイポールと想定される双方向アンテナ１２に接続され、この場合接地接続は必要に応じる。電力を高効率で伝送することよりも比較的高い電圧レベルを達成することが重要であり得るから、アンテナ整合ユニットは、最適電力伝送のためにＥＡＭとアンテナのインピーダンスを等化するという狭い意味では、ＥＡＭとアンテナのインピーダンスを整合させ得ないことに注意されたい。基地局２において、上流信号の一部は相互変調歪モニタ１３への入力として用いられ、相互変調歪モニタ１３は続いて、十分な上流無線周波数信号電力及び低相互変調歪を保証し、全体的には電流動作条件にしたがって設備を最適化するように、レーザ５からの出力の振幅を調節してＥＡＭバイアス点を設定する、振幅制御器１４への入力（必ずしも唯一の入力ではない）を供給する。
【００２５】
市販のマイクロ波シミュレーションソフトウエア「DragonWave 7.0（商標）」を用いるシミュレーションは、少なくとも５のＱ因子及び約２５０Ωの実効ＥＡＭ負荷インピーダンスを実用可能なコンポーネント値で達成できることを示し、これは実験で確認された。適切な特定のコンポーネント値は特定のＥＡＭの関数であるが、当業者が決定できる範囲にある。ＥＡＭの静電容量Ｃｍの値の低減は有益であり、光路長及び変調度を維持すると同時にデバイスの物理長を１/２にすることが可能になるから、これは反射型ＥＡＭの使用における有利性を示すことに注意されたい。
【００２６】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に本発明の改変及び変形が入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【００２７】
本明細書における本発明に関する背景技術のいかなる議論も本発明の状況を説明するために含められる。いずれかの文書または情報が「既知」とされる場合、本出願の日付の前にどこかで公衆の少なくとも一員に知られていたことだけが認められる。そうではなく参考文献の内容が明確に示していなければ、そのような知識が印刷出版物に述べられていたか、あるいは、公衆または米国または（ＰＣＴの同盟国であるか否かにかかわらず）いかなる特定の国においても本発明が関係する技術の当業者に利用可能であったか、あるいは、本発明がなされる以前またはいかなる特許請求日付以前に知られていたかまたは開示されていたとは認められない。さらに、いずれかの文書または情報が、全世界ベースでも、いずれの国においても、技術の共通一般知識の一部を形成するとは認められず、どれか１つでもそうするとは考えられない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】代表的なＥＡＭの特性を示すグラフである
【図２】本発明にしたがってバイアスされるＥＡＭの簡略な回路図である
【図３】図２の装置のテブナン等価回路である
【図４】本発明にしたがってバイアスされるＥＡＭの性能を温度の関数として示すグラフである
【図５】同じＥＡＭの性能を入力光パワーレベルにおいて示すグラフである
【図６】同じ定電流条件の下で、電力出力をバイアス電圧の関数として示す補足グラフである
【図７】本発明にしたがう一ＥＡＭ変換器の回路図を示す
【図８】本発明にしたがう別のＥＡＭ変換器の回路図を示す
【図９】本発明にしたがうまた別のＥＡＭ変換器の回路図を示す
【図１０】図７〜９の変換器に関連して用いられるタイプのＥＡＭの特性を示す、全体的に図１と同様の、グラフである
【図１１】本発明にしたがう変換器を備えるトランシーバー設備の概略図である
【符号の説明】
【００２９】
１    リモートアンテナユニット
２    基地局
３，４    光ファイバ
５    レーザ送信器
６    ＥＡＭ
７    光検出器
８    定電流源
９    誘導性負荷インピーダンス
１０    アンテナ整合ユニット
１１    フィーダー
１２    双方向アンテナ
１３    相互変調歪モニタ
１４    振幅制御器
【図１】
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【図２】
2008517534.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008517534.tif 000011
【図９】
2008517534.tif 000012
【図１０】
2008517534.tif 000013
【図１１】
2008517534.tif 000014
【国際調査報告】
2008517534.tif 000015