(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されて、周波数の異なる２つの入力光信号を合波し、これら入力光信号の差周波の周波数を持ち、互いに逆位相となる第１および第２の光ビート信号を出力する３ｄＢカプラと、
前記基板上に形成されて、前記第１および第２の光ビート信号の位相が同相となるよう、前記第１および第２の光ビート信号のうちいずれか一方または両方の位相を調整して出力する位相シフタと、
前記基板上に形成されて、前記位相シフタにより互いの位相が同相となるよう調整された前記第１および前記第２の光ビート信号を、それぞれ別個に電気信号にＯＥ変換して出力する２つのフォトダイオードと、
前記基板上に形成されて、前記フォトダイオードから出力された２つの電気信号を電力合成して出力する高周波線路と
を備えることを特徴とするフォトミキサ。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトミキサにおいて、
前記位相シフタは、前記第１および前記第２の光ビート信号の間における前記第１の光ビート信号の半波長分の位相差に加えて、当該フォトミキサの製造ばらつきに起因して発生する前記１および前記第２の光ビート信号の間の位相誤差を調整することを特徴とするフォトミキサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のフォトミキサにおいて、
前記高周波線路に代えて、前記２つの電気信号ごとに前記基板上に形成されて、これら電気信号をそれぞれ電磁波として空間に放射することにより、当該空間でこれら電磁波を合成する２つのアンテナを備えることを特徴とするフォトミキサ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のフォトミキサにおいて、
前記位相シフタは、位相制御電圧端子に印加された位相制御電圧に基づいて、入力された光ビート信号の位相を調整する半導体光位相変調器からなることを特徴とするフォトミキサ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のフォトミキサにおいて、
前記位相シフタは、前記第１の光ビート信号の半波長に相当する線路長を有する光導波路からなることを特徴とするフォトミキサ。
【請求項６】
基板上に形成されて、周波数の異なる２つの入力光信号のそれぞれをＮ個（Ｎは２以上の整数）に分岐し、周波数の異なる２つの光信号からなるＮ組の光信号対として出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号対ごとに前記基板上に形成されて、当該光信号対を合波し、当該光信号対を構成する２つの光信号の差周波の周波数を持ち、互いに逆位相となる第１および第２の光ビート信号を出力するＮ個の３ｄＢカプラと、
前記３ｄＢカプラごとに前記基板上に形成されて、対応する３ｄＢカプラから出力された前記第１および第２の光ビート信号の位相が同相となるよう、前記第１および第２の光ビート信号のうちいずれか一方または両方の位相を調整して出力するＮ個の位相シフタと、
前記第１および第２の光ビート信号ごとに前記基板上に形成されて、前記位相シフタにより位相調整された対応する前記第１または前記第２の光ビート信号を、当該基板の外部へ出力する２Ｎ個の光出力導波路と
を備えることを特徴とする光電子集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数の異なる２つの入力光信号から、これら入力光信号の差周波を持つ光ビート信号を生成する光信号処理回路技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波と光波の中間の周波数（波長）を持つ領域の電磁波、いわゆるテラヘルツ波に関する基礎的研究、応用研究が活発になってきている。テラヘルツ波は概ね０．１［ＴＨｚ］から１０［ＴＨｚ］の周波数を持つ電磁波を指し、ミリ波のような低い周波数の電波と、より高い周波数の光の両方の特長を併せ持った優れた特性を持っている。
このような特性を活かし、ＨＤ映像をリアルタイムで電送できる大容量無線通信システム、絵画や危険物質を映像化して検査する非破壊検査、イメージングシステム、電波天文で使われる電波望遠鏡の分光装置、危険ガスや薬品などを非接触で検知、分析する分光センシングシステム、などへの応用が盛んに行われている。
【０００３】
このようなテラヘルツ波応用システムを実現するためには、安価で小型軽量、高出力広帯域でかつ広い範囲の周波数領域を掃引可能なテラヘルツ波発生器が必要となる。
テラヘルツ波発生器を実現する一つの方法として、超高速なフォトダイオードを利用するフォトミキサがある（例えば、非特許文献１、２など参照）。
【０００４】
このようなテラヘルツ波発生技術は、テラヘルツ周波数で振動する光を超高速フォトダイオードに入射して、同じ周波数で振動する電気信号に変換して取り出し、さらに空間に放射する方式である。特に、テラヘルツ波発生の原理として光電変換機能を用いているので、元となるテラヘルツ周波数で振動する光信号を生成する技術は、フォトミキサを構成する上で重要な技術の一つとなる。
【０００５】
この種の光信号を生成する技術のうち、最も良く用いられているのが、２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２を持つレーザ光を３ｄＢカプラで結合して差周波の光ビート信号（以下、単に光ビート信号と呼ぶ）を作る方法である。光ビート信号の発生は音波における唸りの発生と原理的に同一の現象である。
すなわち、ｆ１およびｆ２の振動のちょうど山（あるいは谷）同士が重なり合う時に光の電界は強め合い、山と谷が重なり合う時に光の電界は打ち消し合う。光ビート信号の振動周波数はΔｆ＝ｆ１−ｆ２で表わされる。例えば、光源としてレーザを考えた場合、各レーザの波長が１．５５００μｍと１．５３８５μｍであった時にΔｆは約１ＴＨｚとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. Ito, T. Furuta, T. Ito, Y. Muramoto, K. Tsuzuki, K. Yoshino, T. Ishibashi, "W-band uni-travelling-carrier photodiode module for high-power photonic millimetre-wave generation", Electronics Letters(2002), 23th October 2002 Vol. 38 No. 22, pp. 1376-1377
【非特許文献２】H. Ito, T. Furuta, Y. Muramoto, T. Ito, T. Ishibashi, "Photonic millimetre- and sub-millimetrewave generation using J-band rectangularwaveguide-output uni-travelling-carrier photodiode module", Electronics Letters(2005), 23rd November 2006 Vol. 42 No. 24, pp. 1424-1425
【非特許文献３】Shigetaka Itakura, Kiyohide Sakai, Tsutomu Nagatsuka, Eitaro Ishimura, Masaharu Nakaji, Hiroshi Otsuka, Kazutomi Mori, and Yoshihito Hirano, "High-Current Backside-Illuminated Photodiode Array Module for Optical Analog Links", Journal of Lightwave Technology, Vol. 28, Issue 6, pp. 965-971 (2010)
【非特許文献４】Yang Fu, Huapu Pan, Campbell, J.C., "Photodiodes With Monolithically Integrated Wilkinson Power Combiner", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 46, NO. 4, April 2010, pp. 541-545
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図８は、従来のフォトミキサの構成例である。フォトミキサ１００において、周波数ｆ１とｆ２（周波数の高さをｆ１＞ｆ２とする）を持つ２つの光信号が３ｄＢカプラ１０１の入力ポートに入った場合、その出力ポートＰＡ，ＰＢには、それぞれ差周波Δｆ＝ｆ１−ｆ２の周波数を持つ光ビート信号ＳＡ，ＳＢが出力される。これら光ビート信号ＳＡ，ＳＢの位相は、光電力振幅で見ると、λ１信号、λ２信号の位相関係にかかわらず、互いに逆位相の状態で固定される。
【０００８】
図９は、３ｄＢカプラの接続図である。図１０は、３ｄＢカプラのビート位相を示す説明図である。
３ｄＢカプラに対して、λ１信号がポートＡから導入されるとともに、λ２信号がポートＢから導入された場合、３ｄＢカプラの特性に基づいて、ポートＡからポートＣを経由するλ１出力１１１に対して、ポートＤのλ１信号出力１１２は光位相がπ／２遅れる。
【０００９】
同様に、ポートＤのλ２信号出力１１３に対して、ポートＣのλ２信号出力１１４は光位相がπ／２遅れる。結局、Ｃポート、Ｄポートで合波されたλ１＋λ２の電界１１５，１１６に従って、光ビートの振幅は互いに反転した関係となってしまう。このため、Ｃポート、Ｄポート出力のビート位相が独立していないので、独立なアンテナへの光ビート電力の供給源として用いることはできない。
【００１０】
したがって、図８に示した従来のフォトミキサ１００では、３ｄＢカプラ１０１から得られた２つの光ビート信号ＳＡ，ＳＢのうち、光ビート信号ＳＡのみがフォトダイオード１０２に入力されて、ＯＥ変換（光電変換）によって周波数Δｆの高周波電気信号ＳＣがフォトミキサ１００から出力される。
【００１１】
この例では、電気信号の出力デバイスはマイクロストリップ線路あるいはコプレーナ線路などの高周波線路である（例えば、非特許文献３、４など参照）。図８に示す通り、電磁波の発生に使用されるのは光ビート信号ＳＡのみであり、光ビート信号ＳＢは使用されず、半分程度が使用されず無駄になる。このため、従来のフォトミキサ１００では、入力された光信号の光入力パワーを有効に利用できない、という問題点があった。
【００１２】
また、フォトミキサ１００の出力電力は、フォトダイオード１０２に入る光ビート信号のパワーに比例する。しかしながら、一般にフォトダイオードには空間電荷効果という現象があり、ある程度以上の強い光入力では電気出力が飽和してしまう特性がある。出力飽和する光入力パワーはフォトダイオードの材料や構造等に依存するが、１個のフォトダイオードの出力電力には限界がある。このため、従来のフォトミキサ１００では、入力された光信号の光入力パワーを有効に利用できない、という問題点があった。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、入力された光信号の光入力パワーを効率よく利用して、ミリ波・テラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能な光信号処理回路技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために、本発明にかかるフォトミキサは、基板上に形成されて、周波数の異なる２つの入力光信号を合波し、これら入力光信号の差周波の周波数を持ち、互いに逆位相となる第１および第２の光ビート信号を出力する３ｄＢカプラと、基板上に形成されて、第１および第２の光ビート信号の位相が同相となるよう、第１および第２の光ビート信号のうちいずれか一方または両方の位相を調整して出力する位相シフタと、基板上に形成されて、位相シフタにより互いの位相が同相となるよう調整された第１および第２の光ビート信号を、それぞれ別個に電気信号にＯＥ変換して出力する２つのフォトダイオードと、基板上に形成されて、フォトダイオードから出力された２つの電気信号を電力合成して出力する高周波線路とを備えている。
【００１５】
この際、位相シフタで、第１および第２の光ビート信号の間における第１の光ビート信号の半波長分の位相差に加えて、当該フォトミキサの製造ばらつきに起因して発生する１および第２の光ビート信号の間の位相誤差を調整するようにしてもよい。
【００１６】
また、高周波線路に代えて、２つの電気信号ごとに基板上に形成されて、これら電気信号をそれぞれ電磁波として空間に放射することにより、当該空間でこれら電磁波を合成する２つのアンテナを備えてもよい。
【００１７】
また、位相シフタとして、位相制御電圧端子に印加された位相制御電圧に基づいて、入力された光ビート信号の位相を調整する半導体光位相変調器を用いてもよく、あるいは、第１の光ビート信号の半波長に相当する線路長を有する光導波路を用いてもよい。
【００１８】
また、本発明にかかる光電子集積回路は、基板上に形成されて、周波数の異なる２つの入力光信号のそれぞれをＮ個（Ｎは２以上の整数）に分岐し、周波数の異なる２つの光信号からなるＮ組の光信号対として出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号対ごとに基板上に形成されて、当該光信号対を合波し、当該光信号対を構成する２つの光信号の差周波の周波数を持ち、互いに逆位相となる第１および第２の光ビート信号を出力するＮ個の３ｄＢカプラと、３ｄＢカプラごとに基板上に形成されて、対応する３ｄＢカプラから出力された第１および第２の光ビート信号の位相が同相となるよう、第１および第２の光ビート信号のうちいずれか一方または両方の位相を調整して出力するＮ個の位相シフタと、前記第１および第２の光ビート信号ごとに基板上に形成されて、位相シフタにより位相調整された対応する第１または第２の光ビート信号を、当該基板の外部へ出力する２Ｎ個の光出力導波路とを備えている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、周波数の異なる２つの入力光信号から、これらの差周波を周波数とする、互いに同相の光ビート信号を複数生成することができる。したがって、これら光ビート信号の一方だけではなく、これら両方をそれぞれＯＥ変換して得られた電気信号を電力合成することにより、より大きな出力電力を得ることができる。このため、入力された光信号の光入力パワーを効率よく利用して、ミリ波・テラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図である。
【図２】位相誤差を含む光ビート信号による電力合成過程を示す信号波形図である。
【図３】位相誤差調整後の光ビート信号による電力合成過程を示す信号波形図である。
【図４】光遅延回路を用いたフォトミキサの構成を示す回路図である。
【図５】第２の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図である。
【図６】第３の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図である。
【図７】第４の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【図８】従来のフォトミキサの構成例である。
【図９】３ｄＢカプラの接続図である。
【図１０】３ｄＢカプラのビート位相を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるフォトミキサ１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図であり、フォトダイオードが２個の場合に適用したものである。
このフォトミキサ１０は、全体として、周波数の異なる２つの光信号を入力として、これら光信号の差周波の光ビート信号に基づき、テラヘルツ周波数波を発生させる機能を有している。
【００２２】
図１の構成例では、光導波路１１，１２，１４，１５、３ｄＢカプラ１３、位相シフタ１６、フォトダイオード１７，１８、および高周波線路１９は、半導体基板や石英基板などからなる１つの基板に集積化されている。
【００２３】
３ｄＢカプラ１３は、光導波路１１，１２を介して入力された、異なる周波数ｆ１，ｆ２（ｆ１＞ｆ２）の２つの入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２を合波し、これら入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２の差周波ｆ１−ｆ２の周波数を持ち、互いに逆位相となる光ビート信号（第１の光ビート信号）Ｓ１４と光ビート信号（第２の光ビート信号）Ｓ１５とを、それぞれ出力ポートＰＡ，ＰＢから出力する機能を有している。
【００２４】
位相シフタ１６は、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の位相が同相となるよう、３ｄＢカプラ１３の出力ポートＰＡから光導波路１４を介して入力された光ビート信号Ｓ１４の位相を調整して出力する機能を有している。この場合、位相シフタ１６で、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５のうちいずれか一方または両方の位相を調整して出力すればよいが、本実施の形態では、光ビート信号Ｓ１４の位相を調整して出力する例について説明する。なお、位相シフタ１６で、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の両方の位相を調整して出力する例については、第２の実施の形態で後述する。
【００２５】
フォトダイオード１７は、位相シフタ１６で位相調整された光ビート信号Ｓ１６を電気信号Ｓ１７にＯＥ変換して出力する機能を有している。
フォトダイオード１８は、３ｄＢカプラ１３の出力ポートＰＢから光導波路１５を介して入力された光ビート信号Ｓ１５を電気信号Ｓ１８にＯＥ変換して出力する機能を有している。
高周波線路１９は、電気信号Ｓ１７，１８を電力合成し、得られた合成出力信号Ｓ１９を、フォトミキサ１０の外部へ出力する機能を有している。
【００２６】
フォトミキサ１０を構成する基板が半導体基板の場合、ＩｎＰやＧａＡｓなどの、光導波路１１，１２，１４，１５、３ｄＢカプラ１３、位相シフタ１６、フォトダイオード１７，１８の作製に適した基板材料を用いればよい。また、高周波線路１９は、半導体基板の上にＡｕなどの金属薄膜をパターニングして作製すればよい。
【００２７】
一方、フォトミキサ１０を構成する基板が石英基板の場合、光導波路１１，１２，１４，１５や３ｄＢカプラ１３は、石英基板に作製し、フォトダイオード１７，１８はＩｎＰなどの半導体で作製し、位相シフタ１６は半導体あるいは強誘電体材料で作製し、これらチップを適当な方法を用いて石英基板に貼り付けるなどの方法がある。また、高周波線路１９は、半導体基板の場合と同様に、石英基板の上に作製すればよい。
【００２８】
どちらの基板においても、高周波線路１９は、マイクロストリップ線路やコプレーナ導波路、グラウンデッドコプレーナ導波路、スロット線路などを用い、合成器の構成としては、ウィルキンソン型、ブランチライン型、ラットレース型などの合成器を用いる。図１の構成例では、マイクロストリップ線路によるウィルキンソン型合成器の場合を示している。
【００２９】
［第１の実施の形態の動作］
次に、本実施の形態にかかるフォトミキサ１０の動作について説明する。
フォトミキサ１０に入力された、異なる周波数ｆ１，ｆ２を持つ２つの入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２は、３ｄＢカプラ１３に入力されて合波され、これら入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２の差周波ｆ１−ｆ２の周波数を持ち、互いに逆位相となる光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５が出力される。
【００３０】
光ビート信号Ｓ１４は、位相シフタ１６で半波長分だけ位相調整された光ビート信号Ｓ１６となり、フォトダイオード１７へ入力されて、差周波ｆ１−ｆ２の周波数を持つ、高周波の電気信号Ｓ１７へＯＥ変換される。
一方、光ビート信号Ｓ１５は、位相調整されずにそのままフォトダイオード１８へ入力されて、差周波ｆ１−ｆ２の周波数を持つ、高周波の電気信号Ｓ１８へＯＥ変換される。
この後、これら電気信号Ｓ１７，Ｓ１８は、高周波線路１９で電力合成され、合成出力信号Ｓ１９としてフォトミキサ１０から出力される。
【００３１】
図２は、位相誤差を含む光ビート信号による電力合成過程を示す信号波形図である。図３は、位相誤差調整後の光ビート信号による電力合成過程を示す信号波形図である。
【００３２】
図１において、３ｄＢカプラ１３から出力されて位相シフタ１６で半波長分だけ位相が調整された後にフォトダイオード１７へ入力される光ビート信号Ｓ１６と、３ｄＢカプラ１３から、位相調整せずに、直接、フォトダイオード１８へ入力される光ビート信号Ｓ１５との間には、フォトミキサ１０を構成する各光導波路の作製寸法誤差や材料パラメータなどの製造ばらつきに起因して、位相誤差が発生する。
【００３３】
したがって、この位相誤差が存在したまま、位相シフタ１６で光ビート信号Ｓ１４を半波長分だけ位相調整した後、それぞれ別々のフォトダイオード１７，１８に入力してＯＥ変換し、これらフォトダイオード１７，１８から得られた電気信号Ｓ１７，Ｓ１８を電力合成した場合、図２に示すように、その合成出力信号Ｓ１９の電界強度は、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８の電界強度の２倍には到達しない。
特に、光ビート信号Ｓ１６，Ｓ１５の周波数が１０［ＴＨｚ］を超えるような場合、位相誤差が１８０度になることも想定され、最悪の場合は打ち消しあって合成出力信号Ｓ１９の電界強度がほぼゼロになってしまう可能性もある。
【００３４】
これを避けるためには、位相誤差を解消し、光ビート信号Ｓ１６，Ｓ１５を同相にする必要がある。本実施の形態では、３ｄＢカプラ１３の出力ポートＰＡとフォトダイオード１７との間に設けた位相シフタ１６によって、光ビート信号Ｓ１４を半波長分だけ位相調整するのに加えて、フォトミキサ１０の製造ばらつきに起因する位相誤差を調整して光ビート信号２と同相にしている。これにより、図３に示すように、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８が互いに強めあって、合成出力信号Ｓ１９は電気信号Ｓ１７，Ｓ１８の電界強度のほぼ２倍になる。
【００３５】
この場合、位相シフタ１６としては、例えば、位相制御電圧端子１６Ｔに印加された位相制御電圧に基づいて、入力された光ビート信号の位相を調整する、一般的な半導体光位相変調器を用いてもよい。
あるいは、位相シフタ１６として、ヒータなどによって光路長を可変できる光遅延回路を用いてもよい。この場合、位相シフタ１６の位相制御電圧端子１６Ｔに所定の位相制御電圧を印加することで、光ビート信号Ｓ１４の位相を可変調整することができる。
【００３６】
図４は、光遅延回路を用いたフォトミキサの構成を示す回路図である。ここでは、位相シフタ１６に替えて、光路長が光ビート信号Ｓ１４の半波長分の光路長を有する光遅延回路１６Ａを配置した例が示されている。
【００３７】
図４に示すように、光ビート信号Ｓ１４が通過する光路に、光遅延回路１６Ａを配置すれば、その光路長の分だけ、光ビート信号Ｓ１５との間で光路長差が発生する。したがって、光路長が光ビート信号Ｓ１４の半波長分の光路長を有する光遅延回路１６Ａを配置すれば、光ビート信号Ｓ１４の位相を光ビート信号Ｓ１５と同相にすることができる。これにより、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８が互いに強めあって、合成出力信号Ｓ１９は電気信号Ｓ１７，Ｓ１８の電界強度のほぼ２倍になる。
【００３８】
また、光遅延回路１６Ａの光路の途中にヒータ１６Ｂを設け、位相制御電圧端子１６Ｔに所定の位相制御電圧を印加することで、光路を加熱して光路長を調整して、光ビート信号Ｓ１４の位相を可変調整するようにしてもよい。これにより、フォトミキサ１０の製造ばらつきに起因する位相誤差を調整することができる。
【００３９】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、１つの基板上に、３ｄＢカプラ１３、位相シフタ１６、フォトダイオード１７，１８、および高周波線路１９を形成し、３ｄＢカプラ１３により、周波数の異なる２つの入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２を合波して得られた光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の位相が同相となるよう、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５のうちの一方、例えば光ビート信号Ｓ１４の位相を位相シフタ１６により調整し、得られた光ビート信号Ｓ１６と光ビート信号Ｓ１４とをそれぞれ、フォトダイオード１７，１８でＯＥ変換し、得られた電気信号Ｓ１７，Ｓ１８を高周波線路１９で電力合成して出力するようにしたものである。
【００４０】
これにより、周波数の異なる２つの入力光信号Ｓ１１，Ｓ１２から、これらの差周波を周波数とする、互いに同相の光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５を生成することができる。したがって、これら光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の一方だけではなく、これら両方をそれぞれＯＥ変換して得られた電気信号Ｓ１７，Ｓ１８を電力合成することにより、より大きな出力電力を得ることができる。このため、入力された光信号の光入力パワーを効率よく利用して、ミリ波・テラヘルツ波の電磁波を発生させることが可能となる。
【００４１】
また、本実施の形態では、位相シフタ１６で、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の間における光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の半波長分の位相差に加えて、フォトミキサ１０の製造誤差に起因して発生する光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の間の位相誤差を調整するようにしたので、極めて高い精度で同相の光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５を生成することができる。入力された光信号Ｓ１１，Ｓ１２の光入力パワーを、極めて効率よく利用してミリ波・テラヘルツ波の電磁波を発生させることができる。
【００４２】
また、本実施の形態では、位相シフタ１６として、位相制御電圧端子１６Ｔに印加された位相制御電圧に基づいて、入力された光ビート信号の位相を調整する半導体光位相変調器を用いてもよい。これにより、位相制御電圧を調整すれば、高い精度で光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５を同相とすることができる。
また、本実施の形態では、位相シフタ１６として、光ビート信号Ｓ１４の半波長に相当する線路長を有する光導波路を用いてもよい。これにより、極めて簡素な構成で、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５を同相とすることができる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるフォトミキサ１０について説明する。図５は、第２の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図である。
第１の実施の形態では、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５のうちの一方の位相を調整する場合を例として説明した。本実施の形態では、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の両方の位相を調整する場合について説明する。
【００４４】
図５の構成例では、光導波路１１，１２，１４，１５、３ｄＢカプラ１３、位相シフタ２１，２２、フォトダイオード１７，１８、および高周波線路１９が、半導体基板や石英基板などからなる１つの基板に集積化されている。
【００４５】
位相シフタ２１は、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の位相が同相となるよう、３ｄＢカプラ１３の出力ポートＰＡから光導波路１４を介して入力された光ビート信号Ｓ１４の位相を調整して出力する機能を有している。
位相シフタ２２は、光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の位相が同相となるよう、３ｄＢカプラ１３の出力ポートＰＢから光導波路１５を介して入力された光ビート信号Ｓ１５の位相を調整して出力する機能を有している。
【００４６】
この場合、位相シフタ２１，２２での位相調整は、結果として光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の位相が同相となればよい。したがって、位相シフタ２１，２２において、等しい位相分だけ互いに反対方向に位相調整する方法に限定されるものではなく、例えば、異なる位相分だけ、互いに反対方向にあるいは同じ方向に、位相調整するようにしてもよい。
【００４７】
これにより、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８が互いに強めあって、合成出力信号Ｓ１９は電気信号Ｓ１７，Ｓ１８の電界強度のほぼ２倍になる。したがって、３ｄＢカプラ１３から出力される２つの光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の一方だけではなく、これら両方を用いて合成出力信号１９を生成することができ、入力された光信号Ｓ１１，Ｓ１２の光入力パワーを効率よく利用してテラヘルツ波を発生させることができる。
【００４８】
また、第１の実施の形態と同様に、フォトミキサ１０の製造バラツキに起因する位相誤差を、位相シフタ２１，２２の両方あるいはいずれか一方で調整するようにしてもよい。この場合、位相制御電圧端子２１Ｔ，２２Ｔをそれぞれ有する位相シフタ２１，２２のうち、いずれか一方で、光ビート信号Ｓ１４（Ｓ１５）の半波長分だけ位相調整し、いずれか他方でフォトミキサ１０の製造バラツキに起因する位相誤差を調整するようにしてもよい。これにより、いずれか一方の位相調整幅を固定化できるなど、それぞれが調整すべき位相幅に合わせて作り込むことができ、それぞれのサイズファクタや位相調整精度を最適化することができる。
【００４９】
［第３の実施の形態］
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかるフォトミキサ１０について説明する。図６は、第３の実施の形態にかかるフォトミキサの構成を示す回路図である。
第１および第２の実施の形態では、フォトダイオード１７，１８で得られた電気信号Ｓ１７，Ｓ１８を、ウィルキンソン型合成器を始めとした高周波線路１９により合成する場合を例として説明した。本実施の形態では、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８をアンテナから放射して空間で合成する場合について説明する。
【００５０】
図６の構成例では、第２の実施の形態にかかるフォトミキサ１０（図５参照）をベースとして、光導波路１１，１２，１４，１５、３ｄＢカプラ１３、位相シフタ３１，３２、フォトダイオード１７，１８、アンテナ３１，３２、および高周波線路１９が、半導体基板や石英基板などからなる１つの基板に集積化されている。
【００５１】
アンテナ３１，３２は、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８ごとに形成されて、電気信号Ｓ１７，Ｓ１８をそれぞれ電磁波として空間３３に放射することにより、当該空間３３でこれら電磁波を電力合成する機能を有している。
これにより、３ｄＢカプラ１３から出力される２つの光ビート信号Ｓ１４，Ｓ１５の一方だけではなく、これら両方を用いて電力合成することができ、入力された光信号Ｓ１１，Ｓ１２の光入力パワーを効率よく利用してテラヘルツ波を発生させることができる。
【００５２】
［第４の実施の形態］
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかる光電子集積回路５０について説明する。図７は、第４の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【００５３】
第１〜第３の実施の形態では、周波数の異なる２つの入力光信号から得られた２つ光ビート信号を、それぞれに対応して設けられたフォトダイオードで電気信号へＯＥＭ変換する場合を例として説明した。
通常、フォトダイオードが出力飽和する光入力パワーは、フォトダイオードの材料や構造等にも依存するが、１つのフォトダイオードで得られる出力電力には限界がある。より大きな出力電力を得たい場合には、第１〜第３の実施の形態のように、２つのフォトダイオードで得られる出力電力を電力合成しても足りない場合もある。
【００５４】
本実施の形態では、より大きな出力電力に対応させるため、第１〜第３の実施の形態で説明した、３ｄＢカプラと位相シフタとからなる光ビート信号生成回路を、Ｎ（例えば、Ｎ＝２n：ｎは１以上の整数）個並列して設け、周波数の異なる２つの入力光信号をそれぞれＮ個に分岐して各光ビート信号生成回路へ供給し、各光ビート信号生成回路から得られたＮ個の同相の光ビート信号を、それぞれに対応して設けられたＮ個のフォトダイオードへ供給する場合について説明する。
【００５５】
なお、本実施の形態では、フォトミキサのうち、別体として構成された各フォトダイオード（図示せず）へ、それぞれ対応する同相の光ビート信号を供給する光電子集積回路５０（Opto-Electronic Integrated Circuit）について説明する。この光電子集積回路５０で得られた同相光ビート信号は、光学レンズなどを介して、それぞれ対応するフォトダイオードへ供給すればよい。
【００５６】
図７の構成例では、Ｎ＝２の場合が示されており、１×２光スプリッタ５３、接続導波路５４、３ｄＢカプラ６１と位相シフタ６２を含む光ビート信号生成回路６０、および光出力導波路５５が、２個並列的に、導体基板や石英基板などからなる１つの基板に集積化されている。
【００５７】
１×２光スプリッタ５３は、入力ポート５１，５２から入力された周波数の異なる２つの入力光信号、すなわちλ１信号とλ２信号（光波長：λ１、λ２）を、２個の光信号に分岐して出力する機能を有している。この場合、λ１信号とλ２信号に対する分岐数が４より大きい場合には、１×２光スプリッタ５３を階層的に接続すればよい。例えば、図７の１×２光スプリッタ５３から分岐された４つの光信号ごとに、１×２光スプリッタ５３を設けた場合、分岐数は全部で８となる。
【００５８】
光ビート信号生成回路６０は、接続導波路５４を介して入力された１×２光スプリッタ５３からの光信号を、３ｄＢカプラ６１で合波して光ビート信号を生成し、位相シフタ（光位相変調器）６２で位相を調整することにより、同相の光ビート信号を出力する機能を有している。
光出力導波路５５は、各光ビート信号生成回路６０で生成された同相の光ビート信号を、光電子集積回路５０から外部へ出力する機能を有している。
【００５９】
［第４の実施の形態の動作］
次に、図７を参照して、本実施の形態にかかる光電子集積回路５０の動作について説明する。
入力ポート５１，５２から入力されたλ１信号とλ２信号は、１×２光スプリッタ５３でそれぞれ２分岐された後、接続導波路５４を介して、光ビート信号生成回路６０の３ｄＢカプラ６１へ分配される。この際、３ｄＢカプラ６１の一方の入力ポートｐ１にはλ１信号が入力され、他方の入力ポートｐ２にはλ２信号が入力される。
【００６０】
このようにして、３ｄＢカプラ６１へ入力されたλ１信号とλ２信号は、第１〜第３の実施の形態と同様にして、３ｄＢカプラ６１で合波されて、λ１信号とλ２信号の差周波ｆ１−ｆ２の周波数を持ち、互いに逆位相となる２つの光ビート信号として、３ｄＢカプラ６１の出力ポートｐ３，ｐ４から出力される。これら光ビート信号は、位相制御電圧端子６２Ｔに印加された位相制御電圧に基づいて、位相シフタ６２で位相調整されて、互いに同相の光ビート信号となり、光出力導波路５５を介して、光電子集積回路５０から光学レンズなどを介して別体のフォトダイオードへ供給される。
【００６１】
この際、３ｄＢカプラ６１で合波されたλ１、λ２光信号からなる２つの光ビート信号は、前述したように、互いに当該光ビート信号の半周期分だけ位相差を持つ。また、光電子集積回路５０を構成する各導波路の作製寸法誤差や材料パラメータなどの製造ばらつきに起因して、２つの光ビート信号間に位相誤差が発生する。
【００６２】
ここで、λ１信号、λ２信号（角周波数ω１＞ω２）の電界振幅を同一にした時、３ｄＢカプラ６１通過後の合成電力を検討する。図７において、出力ポートｐ３から出力される光ビート信号の出力光パワーＰｐ３は、λ１信号と、このλ１信号に対してπ／２の位相遅れおよび位相誤差相当の位相遅れｆを持つλ２信号との和であるから、次の式（１）で計算される。
【数１】
0005667021.tif 000002
【００６３】
また、出力ポートｐ４から出力される光ビート信号の出力光パワーＰｐ４は、λ２信号に対してπ／２の位相遅れを持つλ１信号と、λ１信号に対して位相誤差相当の位相遅れｆを持つλ２信号との和であるから、次の式（２）で計算される。
【数２】
0005667021.tif 000003
【００６４】
したがって、これら式（１），（２）によれば、出力ポートｐ３，ｐ４から出力される光ビート信号は、ビート周波数（ω１−ω２）を持ち、その位相は、＋π／２、−π／２だけ異なっていること、また、λ２信号の位相変化ｆが、ビート周波数の位相変化にも直接現れることがわかる。
【００６５】
したがって、位相シフタ６２のビート出力位相調整において、最大でも１８０度の位相変化を与えることが可能な変調電圧幅が確保されていればよい。光ビート信号の調整に関しては第１の実施の形態の場合と同様である。ただし、使用する光ビート周波数の範囲が小さい場合は、出力ポートｐ３，ｐ４の光ビート位相が反転していることを考慮し、光出力導波路５５Ｂ，５５Ｄに、光ビート信号の半波長分の光路長を持つ遅延用光導波路（図７破線部）を追加すればよい。これにより、光出力導波路５５Ａ，５５Ｃに対して、光出力導波路５５Ｂ，５５Ｄに遅延が発生するため、位相シフタ６２における変調電圧幅を小さくすることができる。
【００６６】
［第４の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、１つの基板上に、光スプリッタ５３、３ｄＢカプラ６１、および位相シフタ６２を形成し、光スプリッタ５３により、周波数の異なる２つの入力光信号のそれぞれを、Ｎ組の、周波数の異なる２つの光信号に分岐し、３ｄＢカプラ６１で、これら２つの光信号をそれぞれ合波し、これら光信号の差周波の周波数を持ち、互いに逆位相となる２つの光ビート信号を出力し、位相シフタ６２で、これら２つの光ビート信号の位相が同相となるよう、いずれか一方または両方の位相を調整して出力するようにしたものである。
【００６７】
これにより、周波数の異なる２つの入力光信号から、これら差周波の周波数を持ち、互いに同相の２Ｎ個の光ビート信号を生成することができる。したがって、これら光ビート信号のそれぞれをフォトカプラでＯＥ変換し、得られた電気信号を電力合成すれば、第１〜第３の実施の形態のフォトミキサのように、２つの同相光ビート信号を電力合成した場合と比較して、同じレベルの入力光信号から、より大きな出力電力を得ることが可能となる。
また、本実施の形態については、第１〜第３の実施の形態で説明した内容の一部を任意に選択して適用してもよく、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【００６８】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…フォトミキサ、１１，１２，１４，１５…光導波路、１３，６１…３ｄＢカプラ、１６，１６Ａ，２１，２２，６２…位相シフタ、１６Ｔ，２１Ｔ，２２Ｔ，６２Ｔ…位相制御電圧端子、１７，１８…フォトダイオード、１９…高周波線路、３１，３２…アンテナ、５０…光電子集積回路、５１，５２…入力ポート、５３…１×２光スプリッタ、５４…接続導波路、５５，５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ，５５Ｄ…光出力導波路、６０…光ビート信号生成回路。
【図１】
0005667021.tif 000004
【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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