(57)【要約】【課題】ミリ波等の高周波信号を低損失で、従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる。【解決手段】光信号送信機１００と光信号受信機２００とが光ファイバケーブル３００を介して接続されてなる高周波信号伝送システムが提供される。光信号送信機１００において、ＭＺ型光強度変調器１０から出力される強度変調された光信号のうち光搬送波と一方の第１側波帯を帯域ろ波して光ファイバケーブル３００に出力する。光信号受信機２００において、光アンプ３１により増幅し、増幅後の光信号をフォトダイオード３２により高周波信号に光電変換する。ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧を、光アンプ３１から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整した。【選択図】　図１
2004080350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号送信機と光信号受信機とが光伝送路を介して接続されてなる高周波信号伝送システムであって、
上記光信号送信機は、
入力される光搬送波を伝送する１つの光導波路から分岐した第１と第２の光導波路を有し、入力される高周波信号に従って第２の光導波路を伝送する光搬送波を所定のバイアス電圧を用いて変調し、第１と第２の光導波路からの光信号を合成することにより上記高周波信号に従って強度変調された光信号を出力するマッハ・ツェンダ型光強度変調器と、
上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器から出力される強度変調された光信号のうち光搬送波と一方の第１側波帯を帯域ろ波して上記光伝送路に出力する光ろ波手段とを備え、
上記光信号受信機は、
上記光伝送路を介して受信される光信号を所定の正の増幅度で増幅して出力する光増幅手段と、
上記光増幅手段から出力される光信号を高周波信号に光電変換して出力する光電変換手段とを備え、
上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器のバイアス電圧を、上記光増幅手段から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整したことを特徴とする高周波信号伝送システム。
【請求項２】
上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器に入力される高周波信号は入力されるデータ信号に従って変調されたことを特徴とする請求項１記載の高周波信号伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波信号を光伝送路を介して伝送するための高周波信号伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミリ波等の高周波信号を１ｋｍ程度以上伝送する場合、無線伝送路、同軸ケーブル、導波管などの伝送路を用いる技術はいずれも損失が大きく、曲げられない等の大きな課題がある。そこで、低損失で広帯域な光ファイバケーブルを利用して高周波信号を長距離伝送する技術としてＲａｄｉｏ　ｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　（ＲＯＦ）に関する研究が行なわれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的なＲＯＦでは、伝送したいミリ波信号に従って光信号を強度変調し、光ファイバケーブルを用いて長距離伝送した後、高速フォトダイオードで光電変換することにより元のミリ波信号を取り出している。このようなシステムの性能改善の１つとしてフォトダイオードからの出力ミリ波信号の強度を大きくすることを考えた場合、強度変調は振幅変調（ＡＭ）とほぼ等価なため、以下の２つの方法が考えられる。
（１）搬送波である光の強度を大きくする。
（２）入力ミリ波信号の強度を大きくして変調指数を高める。
しかしながら、（１）の方法はフォトダイオードの飽和入力光強度によって制限され、（２）の方法は変調器の非線形歪みにより制限されるという問題点があった。
【０００４】
例えば、従来技術文献１「Ｅ．　Ａｃｋｅｒｍａｎ　ｅｔ　ａｌ．，　”Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｇｅ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ　Ｌｉｎｋ”，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，　Ｖｏｌ．　４１，　Ｎｏ．　８，　ｐｐ．１２９９−１３０６，　Ａｕｇｕｓｔ　１９９３」において、マッハ・ツェンダー型光強度変調器（以下、ＭＺ型光強度変調器という。）を用いたＲＯＦに関して詳細な解析が行われており、３次相互変調歪みで制限され、スプリアスが無い状態のダイナミックレンジ（ＳＦＤＲ）を最大化するためのバイアス電圧が明らかにされている。しかしながら、上述の問題点を解決するための手段を開示していない。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、ミリ波等の高周波信号を低損失であって、しかも従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる高周波信号伝送システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高周波信号伝送システムは、光信号送信機と光信号受信機とが光伝送路を介して接続されてなる高周波信号伝送システムであって、
上記光信号送信機は、
入力される光搬送波を伝送する１つの光導波路から分岐した第１と第２の光導波路を有し、入力される高周波信号に従って第２の光導波路を伝送する光搬送波を所定のバイアス電圧を用いて変調し、第１と第２の光導波路からの光信号を合成することにより上記高周波信号に従って強度変調された光信号を出力するマッハ・ツェンダ型光強度変調器と、
上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器から出力される強度変調された光信号のうち光搬送波と一方の第１側波帯を帯域ろ波して上記光伝送路に出力する光ろ波手段とを備え、
上記光信号受信機は、
上記光伝送路を介して受信される光信号を所定の正の増幅度で増幅して出力する光増幅手段と、
上記光増幅手段から出力される光信号を高周波信号に光電変換して出力する光電変換手段とを備え、
上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器のバイアス電圧を、上記光増幅手段から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整したことを特徴とする。
【０００７】
上記高周波信号伝送システムにおいて、好ましくは、上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器に入力される高周波信号は入力されるデータ信号に従って変調されたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る一実施形態である高周波信号伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る高周波信号伝送システムは、光信号送信機１００と光信号受信機２００とが光伝送路である光ファイバケーブル３００を介して接続されてなり、特に、従来技術に比較して、光信号送信機１０において光バンドパスフィルタ５を備え、光信号受信機２００において光アンプ３１を備え、ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧を、光アンプ３１から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整したことを特徴としている。すなわち、従来技術文献１においては、光バンドパスフィルタ５や光アンプ３１を用いて２つの光信号のみとする変調方式や、フォトダイオード３２への入力光電力が制限されている条件下で高周波信号出力を最大化する方法については検討されていないが、本実施形態では、図１の構成を用いることにより、フォトダイオード３２から出力される高周波信号の信号電力を最大化することができ、ミリ波等の高周波信号を低損失で、従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる。
【００１０】
ところで、従来のＲＯＦの場合、フォトダイオードは光強度に比例する高周波電流を出力する包絡線検波器として用いられているが、原理的には（光強度）＝（光電界の２乗）に比例した高周波電流を出力する２乗検波器である。そこで、一旦強度変調方式から離れて、フォトダイオードへの入力光強度が制限されている場合に出力の高周波電流が最大となる変調方式を考えると、強度が等しく差周波数が伝送したい入力ミリ波信号となっている２つの光信号のみを伝送する、ということになる。またこの変調方式では、３つの光信号以上を伝送する場合に比べて、光ファイバケーブルの分散によるフェージングの影響を受けない、占有帯域幅が狭いため波長多重伝送時の多重数を多くできる、という利点もある。
【００１１】
本実施形態は、発明者らが着目した上記の変調方式を用いることにより、従来の強度変調方式に比べて、フォトダイオードの入力光強度及び変調器への入力信号強度が制限されている条件下であっても、より大きな出力高周波電流を得ることができるＲＯＦを用いた高周波信号伝送システムの構成を提供するものである。
【００１２】
次いで、図１を参照して、本実施形態に係る高周波信号伝送システムの構成について説明する。
【００１３】
図１において、レーザ光源１は、光搬送波を供給するために安定な単一モードで発振しており、温度制御された、例えばＤＦＢ型レーザ光源などを用いる。レーザ光源１により発生された光搬送波は、ＭＺ型光強度変調器１０の光導波路１４に入射される。
【００１４】
ＭＺ型光強度変調器１０においては、ＬｉＮｂＯ３基板２０上に光導波路１１，１２，１４，１５、光分配器１６及び光合成器１７が形成されるとともに、光導波路１１に対して電界を印加することができるように１対の電極ライン１３ａが光導波路１１に近接して形成されるとともに、光導波路１２に対して電界を印加することができるように１対の電極ライン１３ｂが光導波路１２に近接して形成される。レーザ光源１からの光搬送波は光導波路１４を介して光分配器１６に入射し、光分配器１６により２分配され、一方の光搬送波は光導波路１１を介して光合成器１７に出力される一方、他方の光搬送波は光導波路１２を介して光合成器１７に出力される。光合成器１７は入力される２つの光搬送波を合成して光導波路１５を介して光バンドパスフィルタ５に出力する。
【００１５】
ここで、電極ライン１３ａには可変バイアス電圧源４が接続される。また、電極ライン１３ｂの一端には同軸ケーブル６を介して変調器３が接続され、その他端には終端用抵抗７が接続される。なお、各電極ライン１３ａ，１３ｂの一方のラインは接地されている。高周波信号発生器２からの高周波信号は、変調器３により入力されるデータ信号に従って、例えばＱＰＳＫなどの所定のデジタル変調され、変調された高周波信号は上記電極ライン１３ｂに出力される。
【００１６】
従って、当該ＭＺ型光強度変調器１０の電気光学効果により、光導波路１１を伝搬する光搬送波は可変バイアス電圧源４によるバイアス電圧に比例した一定の位相変化を受けた後、光合成器１７に出力される一方、光導波路１２を伝搬する光搬送波は変調器３から出力される高周波信号の電圧に比例した位相変化で位相変調された後、光合成器１７に出力され、光合成器１７では位相が変化した２つの光搬送波が合成されることで、光強度変調されることになる。
【００１７】
図２は図１のＭＺ型光強度変調器１０の入出力特性の一例を示すグラフである。ＭＺ型光強度変調器１０は、図２に示すように、入力されるバイアス電圧に対して出力光強度が正弦波状に変化するという入出力特性を有する。なお、ＭＺ型光強度変調器１０は伝送したい高周波信号で変調可能な周波数特性を備えている必要があり、例えば、電極ライン１３ｂのインピーダンスが外部回路と整合するとともに、そこを伝搬する変調信号の速度と光導波路１２中を伝搬する光波の速度も整合した進行波型のものなどを用いる。このＭＺ型光強度変調器１０への入力信号として、伝送したい高周波信号とバイアス電圧を与えるが、バイアス電圧は、一般的に用いられる入力信号電圧に比例した出力光強度変化が最大となる点（図２のＶ０）ではなく、以下に説明するような値に設定する。
【００１８】
図３に示すように、光導波路１２では、入力される高周波信号による位相変調のために、光搬送波周波数ｆｃの光搬送波５０の上下に多数の変調側波帯（５１ａ−５３ａ及び５１ｂ−５３ｂなど）が生じる。なお、図３乃至図７の光スペクトラム図では、光周波数領域の周波数ｆを横軸にとり、それと互いに直交するＩ軸とＱ軸のＩＱ平面内での長さにより、各スペクトラムの振幅を、Ｉ軸からの角度により各スペクトル間の相対位相を表している。
【００１９】
一方、図４に示すように、光導波路１１では、光搬送波６０はバイアス電圧により所定の遅延位相φで遅延され、遅延後の光搬送波６０ａが変調されることなく出力される。これらの２つの光信号を合成すると、同じ波長である光搬送波は、バイアス電圧で決まる位相差で干渉して強度が変化するが、変調側波帯は変化しない。
【００２０】
そこで、光合成器１７の出力端において、本実施形態では、図５に示すように、光搬送波７０の強度が第１側波帯７１ａの強度と同一になるようにバイアス電圧を調節する。ＭＺ型光強度変調器１０では、多数の変調側波帯（７１ａ−７３ａ及び７１ｂ−７３ｂなど）が生じるが、図６に示すように、光バンドパスフィルタ５により光搬送波７０と第１上側波帯７１ａのみ（あるいは、第１下側波帯７１ｂのみであってもよい。）を通過させ、他の変調側波帯を除去する。
【００２１】
次いで、光バンドパスフィルタ５からの光信号を光ファイバケーブル３００で長距離伝送した後、図７に示すように、光信号受信機２００内の光アンプ３１により、フォトダイオード３２の飽和光入力近傍まで所定の正の増幅度で増幅する。さらに、増幅後の光信号は、フォトダイオード３２に入射されて光電変換され、光電変換された後の高周波信号は復調器２３に入力され、データ信号が復調されて出力される。なお、フォトダイオード３２は入力光電界の２乗に比例した電流として、直流電流及び光バンドパスフィルタ３１で選択した光搬送波と第１上側波帯の積、すなわち入力した高周波信号に比例した電流を出力する。
【００２２】
【実施例】
図８は、図１の高周波信号伝送システムの実験結果であって、ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧に対する、光アンプ３１の出力端子における光搬送波に対する第１上側波帯の電力比、及びフォトダイオード３２の出力端子における高周波出力電力を示すグラフである。
【００２３】
図８の実験では、フォトダイオード３２への入力光強度を−６ｄＢｍの一定値に保ち、ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧を変化させながら、第１上側波帯と光搬送波の強度比と、フォトダイオード３２からの出力高周波信号強度を測定した。入力した高周波信号は３５ＧＨｚである。図８から明かなように、強度比が０ｄＢ、すなわち１のとき出力高周波強度が最大となっていること、ＭＺ型光強度変調器１０の出力端で基本波成分が最大となる通常のバイアス点を用いた場合に比べて１７ｄＢもの改善量が得られていること、がわかる。これは通常のバイアス点（Ｖ０）では光搬送波強度が強く、フォトダイオード３２の飽和のために光アンプの利得を高く設定できないためである。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態に係る高周波信号伝送システムでは、ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧を、光アンプ３１から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整したことにより、フォトダイオード３２から出力される高周波信号の信号レベルを実質的に最大にすることができる。これにより、ミリ波等の高周波信号を低損失で、従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる。
【００２５】
以上の実施形態においては、可変バイアス電圧源４を電極ライン１３ａに接続しているが、本発明はこれに限らず、電極ライン１３ｂに接続してもよい。この場合、電極ライン１３ａを省略でき、装置構成が簡単になる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る高周波信号伝送システムによれば、光信号送信機と光信号受信機とが光伝送路を介して接続されてなる高周波信号伝送システムであって、上記光信号送信機は、入力される光搬送波を伝送する１つの光導波路から分岐した第１と第２の光導波路を有し、入力される高周波信号に従って第２の光導波路を伝送する光搬送波を所定のバイアス電圧を用いて変調し、第１と第２の光導波路からの光信号を合成することにより上記高周波信号に従って強度変調された光信号を出力するマッハ・ツェンダ型光強度変調器と、上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器から出力される強度変調された光信号のうち光搬送波と一方の第１側波帯を帯域ろ波して上記光伝送路に出力する光ろ波手段とを備え、上記光信号受信機は、上記光伝送路を介して受信される光信号を所定の正の増幅度で増幅して出力する光増幅手段と、上記光増幅手段から出力される光信号を高周波信号に光電変換して出力する光電変換手段とを備え、上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器のバイアス電圧を、上記光増幅手段から出力される光搬送波と第１側波帯の電力比が実質的に１となるように調整する。従って、ミリ波等の高周波信号を低損失で、従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる。
【００２７】
上記高周波信号伝送システムにおいて、好ましくは、上記マッハ・ツェンダ型光強度変調器に入力される高周波信号は入力されるデータ信号に従って変調される。従って、データ信号に従って変調された、ミリ波等の高周波信号を低損失で、従来技術に比較して信号対雑音電力比を大幅に向上して伝送することができる。また、データ信号をエラーフリーで伝送できる距離を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態である高周波信号伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマッハ・ツェンダー型光強度変調器（ＭＺ型光強度変調器）の入出力特性の一例を示すグラフである。
【図３】図１の光導波路１２から出力される光信号のスペクトルをＩＱ平面で示すスペクトル図である。
【図４】図１の光導波路１１から出力される光信号のスペクトルをＩＱ平面で示すスペクトル図である。
【図５】図１の光合成器１７から出力される光信号のスペクトルをＩＱ平面で示すスペクトル図である。
【図６】図１の光バンドパスフィルタ５から出力される光信号のスペクトルをＩＱ平面で示すスペクトル図である。
【図７】図１の光アンプ３１から出力される光信号のスペクトルをＩＱ平面で示すスペクトル図である。
【図８】図１の高周波信号伝送システムの実験結果であって、ＭＺ型光強度変調器１０のバイアス電圧に対する、光アンプ３１の出力端子における光搬送波に対する第１上側波帯の電力比、及びフォトダイオード３２の出力端子における高周波出力電力を示すグラフである。
【符号の説明】
１…レーザ光源、
２…高周波信号発生器、
３…変調器、
４…可変バイアス電圧源、
５…光バンドパスフィルタ、
６…同軸ケーブル、
７…終端用抵抗、
１０…マッハ・ツェンダー型光強度変調器（ＭＺ型光強度変調器）、
１１、１２，１４，１５…光導波路、
１３ａ，１３ｂ…１対の電極ライン、
１６…光分配器、
１７…光合成器、
２０…ＬｉＮｂＯ３基板
３１…光アンプ、
３２…フォトダイオード、
３３…復調器、
１００…光信号送信機、
２００…光信号受信機、
３００…光ファイバケーブル。
【図１】
2004080350.tif 000003
【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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