(57)【要約】【課題】光ファイバで伝送されてきた光変調信号により高速変調が可能でかつ構成が簡易で経済的な発振器を有する通信装置を提供する。【解決手段】発振用のＦＥＴ７の他にベースバンド信号で強度変調された光信号を受光するフォトダイオード８を設けて発振器を構成し、フォトダイオード８で受光した光信号により変調された電気信号を出力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振用の負性抵抗素子と、第１の光信号を入力することにより前記負性抵抗素子による発振動作を変調させる第１の光電変換手段とを備えた第１の発振器を有する通信装置であって、
前記第１の発振器から前記第１の光信号に応じて変調された電気信号を出力することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の通信装置において、
前記第１の発振器は、当該第１の発振器の発振周波数の整数分の１の周波数近傍の信号を出力する第２の発振器の当該出力により変調された第２の光信号を入力する第２の光電変換手段を備え、該第２の光信号に同期して発振することを特徴とする通信装置。
【請求項３】
請求項１に記載の通信装置において、
前記第１の発振器は、当該第１の発振器の発振周波数の整数分の１の周波数近傍の周波数差を有する２つ以上の波長成分からなる第２の光信号を入力する第２の光電変換手段を備え、該第２の光信号に同期して発振することを特徴とする通信装置。
【請求項４】
請求項２又は３のいずれか１つに記載の通信装置において、
前記第２の光電変換手段は前記負性抵抗素子を兼ねることを特徴とする通信装置。
【請求項５】
請求項２又は３のいずれか１つに記載の通信装置において、
前記第１の光電変換手段又は前記第２の光電変換手段の内の少なくとも１つは、フォトトランジスタ又はフォトトランジスタのベース／コレクタ層を用いたフォトダイオードであることを特徴とする通信装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１つに記載の通信装置において、
前記負性抵抗素子はフォトトランジスタからなることを特徴とする通信装置。
【請求項７】
請求項５又は６のいずれか１つに記載の通信装置において、
前記フォトトランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタと層構成が同一であることを特徴とする通信装置。
【請求項８】
請求項２乃至７のいずれか１つに記載の通信装置において、
光多重手段、光伝送路および光分離手段を備え、前記光多重手段により前記第１の光信号と前記第２の光信号を多重した光信号を前記光伝送路を経由して前記光分離手段に伝送し、前記光分離手段により前記第１の光信号と前記第２の光信号を分離して、前記第１および第２の光電変換手段に入力することを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバで伝送されてきた信号を無線信号に変換する通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線端末等と無線信号の送受信を行う無線基地局とネットワークとの回線を広帯域な光ファイバで接続すれば、トラフィックおよびユーザの増大に柔軟に対応することが容易になる。このような光給電型無線信号分配システムは、Ｇｂｉｔ／ｓ級の通信を可能にするミリ波パーソナル無線通信システムやラストワンマイルとしてのＦＷＡ（Ｆｉｘｅｄ  Ｗｉｒｅ１ｅｓｓ  Ａｃｃｅｓｓ）システム応用に期待されている。
【０００３】
このようなシステムの一例として無線信号をそのまま光ファイバでサブキャリアとして伝送する構成が検討されている。この構成では、無線基地局は光電変換器、増幅器およびアンテナのみで構成できるため、非常にシンプルかつ経済的なシステムを構築することができると期待されている。しかしながら、ミリ波のような超高周波無線信号をそのまま伝送しようとすると、ネットワークサイドに高価な電気／光変換器（光変調器）が必要になることに加えて、周波数が高くなればなる程ファイバの分散による伝送距離の制限が大きくなってしまうという問題点がある。
【０００４】
さらに基幹伝送路に始まり、近年では加入者までを直接接続するＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｈｏｍｅ）、さらにはギガビットイーサ等に普及してきた光ファイバ通信の伝送路に使用される信号は、ベースバンドのディジタル信号であるため、上述したアナログのサブキャリア伝送とは装置構成が全く異なっている。
【０００５】
したがって、無線信号をそのまま光ファイバでサブキャリアとして伝送する方式は、これらの光ディジタル伝送方式と共存することはできないということになる。すなわち、独自の光送受信装置が必要でかつ専用の光ファイバを別途使用／布設することが必要となるため結果的に高コストとなり、光ファイバを用いた無線システムの導入促進を疎外する一因となっている。特に光ディジタル伝送路の末端に接続されラストワンマイルのアクセス手段として期待されているＦＷＡは、全光ファイバ網構築への一里塚という側面もあるため、装置の共用化や低コスト化が強く求められ、ギガビットイーサや１０ギガビットイーサの無線化には、装置の小型化ならびに経済化が求められている。
【０００６】
これらの問題点を解決するため、発振器を光入力変調器として利用する構成が検討されている。非特許文献１に示された構成を図８に示す。図８において、７はＦＥＴ、１７１、１７２はリアクタンス素子、１８は整合回路である。この構成ではＦＥＴ７を負性抵抗素子として用いた発振器において、光変調信号をＦＥＴ７に直接照射することにより、発振周波数帯の無線変調信号の出力が得られる構成となっている。これはＦＥＴ発振器の発振周波数が光照射強度により変化することを利用してＦＭ変調がかけられることを利用したものである。この構成の特徴は、光ファイバで伝送されたディジタル信号をそのまま利用できること、無線搬送波信号の発生および変調機能を発振器に集約しているため、無線基地局を発振器１つと極めて簡易に構成できることである。
【０００７】
【非特許文献１】Ｂ．ロリオ、Ｊ．グエナ、Ｊ．Ｆ．サウテレ著、「光周波数変調ＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴ発振器」アイイーイーエレクトロニクスレタース、１９８１年１１月、第１７巻、第２４号、９０１−９０２頁（Ｂ．Ｌｏｒｉｏｕ，Ｊ．Ｇｕｅｎａ，ａｎｄ  Ｊ．Ｆ．Ｓａｕｔｅｒｅａｕ  ”Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴ  ｏｓｉｌｌａｔｏｒ”  ＩＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１７，ｎｏ．２４，ｐｐ．９０１−９０２，Ｎｏｖ．１９８１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、変調可能なビットレートがマイクロ波帯の周波数で特性が劣化するＦＥＴの受光特性に制限される等のため、Ｇｂｉｔ級の高速変調が困難であるという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は上記従来の問題点を解決し、光ファイバで伝送された光信号により高速変調可能でかつ構成が簡易で経済的な通信装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、発振用の負性抵抗素子と、第１の光信号を入力することにより前記負性抵抗素子による発振動作を変調させる第１の光電変換手段とを備えた第１の発振器を有する通信装置であって、前記第１の発振器から前記第１の光信号に応じて変調された電気信号を出力することを特徴とする通信装置とした。
【００１１】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の通信装置において、前記第１の発振器は、当該第１の発振器の発振周波数の整数分の１の周波数近傍の信号を出力する第２の発振器の当該出力により変調された第２の光信号を入力する第２の光電変換手段を備え、該第２の光信号に同期して発振することを特徴とする通信装置とした。
【００１２】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の通信装置において、前記第１の発振器は、当該第１の発振器の発振周波数の整数分の１の周波数近傍の周波数差を有する２つ以上の波長成分からなる第２の光信号を入力する第２の光電変換手段を備え、該第２の光信号に同期して発振することを特徴とする通信装置とした。
【００１３】
請求項４にかかる発明は、請求項２又は３のいずれか１つに記載の通信装置において、前記第２の光電変換手段は前記負性抵抗素子を兼ねることを特徴とする通信装置とした。
【００１４】
請求項５にかかる発明は、請求項２又は３のいずれか１つに記載の通信装置において、前記第１の光電変換手段又は前記第２の光電変換手段の内の少なくとも１つは、フォトトランジスタ又はフォトトランジスタのベース／コレクタ層を用いたフォトダイオードであることを特徴とする通信装置とした。
【００１５】
請求項６にかかる発明は、請求項２乃至５のいずれか１つに記載の通信装置において、前記負性抵抗素子はフォトトランジスタからなることを特徴とする通信装置とした。
【００１６】
請求項７にかかる発明は、請求項５又は６のいずれか１つに記載の通信装置において、前記フォトトランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタと層構成が同一であることを特徴とする通信装置とした。
【００１７】
請求項８にかかる発明は、請求項２乃至７のいずれか１つに記載の通信装置において、光多重手段、光伝送路および光分離手段を備え、前記光多重手段により前記第１の光信号と前記第２の光信号を多重した光信号を前記光伝送路を経由して前記光分離手段に伝送し、前記光分離手段により前記第１の光信号と前記第２の光信号を分離して、前記第１および第２の光電変換手段に入力することを特徴とする通信装置とした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明では、従来の通信装置では発振動作を行うＦＥＴ等の負性抵抗素子自体が変調された光信号を直接受光する光電変換素子を兼ねていたため、帯域に制限を受けＧｂｉｔ／ｓ級の高速光変調信号の変換が困難であった点に鑑み、発振動作を行う負性抵抗素子と変調用の光電変換素子とを分離して広帯域化を図り、Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速な光変調信号をも劣化なく電気信号に変換することを可能にし、さらに発振同期用の第２の光信号を受光する機能も付加することにより、より安定した発振出力が得られるようにした。以下、詳しく説明する。
【００１９】
［第１の実施の形態］
図１と図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる通信装置を示す図である。本実施の形態は請求項１に関わる。本通信装置は、ベースバンドの電気信号を光信号に変換して送信する送信局１と、送信局１から送信された第１の光信号を伝送する光ファイバ３と、伝送された光信号を受信し無線信号に変換して送信する無線基地局２とで構成されている。
【００２０】
送信局１は、ベースバンド信号を光強度変調信号に変換する電気／光変換器４で構成されている。また、無線基地局２は、伝送されてきた第１の光信号を入力する光電変換素子を備えた光電変換素子付発振器５と光電変換素子付発振器５からの出力を放射するアンテナ６で構成されている。
【００２１】
図２はこの光電変換素子付発振器５の実施例を示す回路図である。図２において、７はＦＥＴ、８はフォトダイオード、９１、９２、９３、９４はキャパシタ、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５は伝送線路である。この発振器５はＦＥＴ７を負性抵抗素子として使用したソース接地形式の直列帰還型発振器にフォトダイオード８を備えたことを最も主要な特徴とする。ベースバンド信号で強度変調された第１の光信号はフォトダイオード８で電気信号に変換される。
【００２２】
ここで、フォトダイオード８は、好ましくはｐｉｎ型やＭＳＭ型で構成される。これらのフォトダイオードは従来技術であるＦＥＴ等のトランジスタを光電変換素子としても利用する構成と比較して、大幅に広帯域な受光特性をもち、１０Ｇｂｉｔ／ｓ程度までの高速光変調信号を劣化なく電気信号に変換することが可能である。
【００２３】
さらに、キャパシタ９１を発振周波数帯で低インピーダンス、かつ光信号で伝送されたベースバンド信号の帯域で高インピーダンスとなるように設定することにより、光電変換されたベースバンド信号を効率的にＦＥＴ７のゲート電圧ＶＧＧに重畳することができ、発振信号を変調することが可能になる。発振周波数とべースバンド信号の帯域の比が１０倍程度以上あれば、キャパシタ９１の値をこのように設定することは容易である。例えば発振周波数が４０ＧＨｚ程度以上のミリ波であれば、１Ｇｂｉｔ／ｓ程度までの信号は容易に変調することが可能である。
【００２４】
図３はフォトダイオード８としてｐｉｎ型フォトダイオードを用いた４０ＧＨｚ帯の光電変換素子付発振器を試作して測定した結果を示した発振特性図である。５００Ｍｂｉｔ／ｓ級の変調が可能であることが示されており、本発明の有効性が実証されている。
【００２５】
なお、発振用の負性抵抗素子としては本実施例に示したＦＥＴ７に限定されることなく、バイポーラトランジスタ等のその他の素子を用いてもよい。さらに、発振回路の形式もソース接地直列帰還型に限定されることなく、並列帰還型等のその他の形式を用いてもかまわない。本実施の形態は、以下に述べる第２〜第４の実施の形態に対し、発振器が光１入力のため、簡単な構成である点が特徴となる。
【００２６】
［第２の実施の形態］
図４と図５は、本発明の第２の実施の形態に係わる通信装置を示す図である。本実施の形態は請求項２、４、５、６および７に関わる。本通信装置の実施の形態を第１の実施の形態との相違を中心に説明する。
【００２７】
無線基地局２は、光電変換素子付発振器５に代わって光注入同期発振器１２が備えられ、さらに光注入同期発振器１２を同期させる第２の光信号を発生させる発振器１１、電気／光変換器４２および光ファイバ３２が備えられている。発振器１１の発振周波数は好ましくは光注入同期発振器１２の発振周波数の整数分の１の近傍になるように選ばれている。
【００２８】
図５は当該光注入同期発振器１２の実施例の回路図である。図５において、図３におけるものと同じものには同じ符号を付した。１３はフォトトランジスタである。この光注入同期発振器１２はフォトトランジスタ１３を負性抵抗素子として使用したエミッタ接地形式の直列帰還型発振器にフォトダイオード８を備えたことを最も主要な特徴とする。この光注入同期発振器１２の動作原理は以下の通りである。
【００２９】
まず、発振器１１からの発振周波数の整数分の１の周波数の信号で変調された第２の光信号がフォトトランジスタ１３に入力されると、光注入同期特性により発振器１１の信号に同期した高安定な発振信号が得られる。一方、ベースバンド信号で強度変調された第１の光信号はフォトダイオード８で電気信号に変換される。
【００３０】
ここで、キャパシタ９１を発振周波数帯で低インピーダンス、かつ光信号で伝送されたベースバンド信号の帯域で高インピーダンスとなるように設定することにより、光電変換されたベースバンド信号を効率的にフォトトランジスタ１３のべース電圧ＶＢＢに重畳することができ、第２の光信号により注入同期された高安定な発振信号を変調することが可能になる。発振周波数とベースバンド信号の帯域の比が１０倍程度以上であれば、キャパシタ９１の値をこのように設定することは容易である。例えば発振周波数が４０ＧＨｚ程度以上のミリ波であれば、１Ｇｂｉｔ／ｓ程度までの信号は容易に変調することが可能である。
【００３１】
フォトダイオード８は好ましくはフォトトランジスタのベース／コレクタ層を用いたｐｉｎ型で構成される。ｐｉｎ型フォトダイオードは、従来技術であるＦＥＴを光電変換素子としても利用する構成と比較して大幅に広帯域な受光特性をもち、１０Ｇｂｉｔ／ｓ程度までの高速光変調信号を劣化なく電気信号に変換することが可能である。また、フォトトランジスタのべース／コレクタ層を用いて形成することにより、同一プロセスで発振回路全体をモノリシック集積化することも可能となり、装置のより一層の小型化、経済化が達成される。
【００３２】
さらに光注入同期発振器１２に発振周波数の整数分の１の周波数によるサブハーモニック注入同期の次数を増大する、例えばサブハーモニック次数を６とすれば、発振周波数が６０ＧＨｚの場合、その１／６の周波数の１０ＧＨｚの光変調信号に同期した高安定な６０ＧＨｚの信号を得ることができることになる。この場合、発振器１１の発振周波数は１０ＧＨｚでよいため、電気／光変換器４２に必要な帯域も１０ＧＨｚで済み、発振器１１も含めて比較的安価な市販製品を適用することが可能である。
【００３３】
従って、高安定な無線搬送波信号に対し高速変調が可能な通信装置を、簡易構成かつ経済的に提供できることになる。
【００３４】
なお、図５の実施例に代わり、第１の光信号をフォトトランジスタ１３に、第２の光信号をフォトダイオード８に入力する形態でも構わない。この場合、フォトトランジヌタ１３の帯域はＦＥＴと比較すると広帯域ではあるがフォトダイオード８には劣るため、フォトダイオードを適用した場合と比較すると変調可能な帯域は減少するが、フォトトランジスタの高受光利得により光入力信号レベルが小さい場合においても比較的大きな変調度を得ることができる。
【００３５】
また、好ましくはフォトトランジスタ１３とフォトダイオード８を含む光注入同期発振器１２は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）製造プロセスで製作される。これによりＨＢＴを用いた増幅回路等も含めてモノリシック集積回路を形成することが可能となり、装置のより一層の小型経済化ならびに高機能化に寄与することができる。
【００３６】
なお、発振用の負性抵抗素子としては本実施例に示したフォトトランジスタに限定されることなく。バイポーラトランジスタ等のその他の素子を用いてもよい。さらに、発振回路の形式もエミッタ接地直列帰還型に限定されることなく、並列帰還型等のその他の形式を用いても構わない。
【００３７】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係わる通信装置を示す図である。本実施の形態は請求項３、４、５、６および７に関わる。本実施の形態と図４に示した第２の実施の形態との最も主要な相違点は、本実施の形態においては第２の光信号の発生にモードロックレーザ１４を用いている点である。モードロックレーザ１４は出力パルス間隔をキャビティ長で調整可能なため、例えば６０ＧＨｚの周波数間隔を有する光パルスを容易に発生させることができる。このため例えば発振周波数が６０ＧＨｚの光注入同期発振器１２を６０ＧＨｚの信号で同期させることが可能となるため、サブハーモニック注入同期のケースと比較して同期範囲を拡大することが容易になる。
【００３８】
なお、モードロックレーザ１４に代わり、波長差が発振周波数に相当するように設定された２つのレーザダイオードを利用しても同様な効果を得ることは可能であり、このような形態でも構わない。
【００３９】
［第４の実施の形態］
図７は、本発明の第４の実施の形態に係わる通信装置を示す図である。本実施の形態は請求項８に関わる。本実施の形態と図４に示した第２の実施の形態との最も主要な相違点は、本実施の形態においては第２の光信号を発生させる装置（発振器１１と電気／光変換器４２）を送信局１側に配置し、その送信局１側に光合成器１５を設けるとともに無線基地局２側に光分配器１６を設けて、光合成器１５により第１の光信号と第２の光信号を多重した光信号を光ファイバ３を経由して光分配器１６に伝送し、その光分配器１６により第１の光信号と第２の光信号を分離して、光注入同期発振器１２のフォトダイオード８とフォトトランジスタ１３に入力するようにした点である。これにより、送信局１の構成は複雑になるものの、無線基地局２の構成は大幅に簡易になりかつ消費電力も低減できるので、無線基地局２の設置自由度を増大させることができる。
【００４０】
以上述べた第２〜第４の実施の形態は、発振器が光２入力のため、安定した発振出力信号を得られる点が特徴となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係わる通信装置は、発振器中に広帯域な受光特性を有する光電変換素子を発振用の負性抵抗素子とは別に備え、当該光電変換素子に光強度変調信号を入力することにより、変調された無線信号を出力できることを最も主要な特徴とする。このため、無線搬送波を発生させる発振器自身に変調機能をも集約することができるため、装置構成が非常に簡易になることに加えて、Ｇｂｉｔ級の高速変調も可能になる。
【００４２】
従って、光ファイバで伝送されたベースバンドの強度変調信号をミリ波等の超高周波無線信号に変換して無線伝送を行う通信装置を極めて簡易かつ経済的に構成することが可能になるため、ギガビットイーサや１０ギガビットイーサの無線化の推進や、ＦＷＡシステムの普及に寄与するところが大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の通信装置のブロック図である。
【図２】図１の光電変換素子付発振器の実施例の回路図である。
【図３】光電変換素子としてｐｉｎフォトダイオードを用いた４０ＧＨｚ帯光電変換素子付発振器を試作して測定した発振特性図である。
【図４】第２の実施の形態の通信装置のブロック図である。
【図５】図４の光注入同期発振器の実施例の回路図である。
【図６】第３の実施の形態の通信装置のブロック図である。
【図７】第４の実施の形態の通信装置のブロック図である。
【図８】従来の光入力変調器の回路図である。
【符号の説明】
１：送信局、２：無線基地局、３：光ファイバ、４：電気／光変換器、５：光電変換素子付発振器、６：アンテナ、７：ＦＥＴ、８：フォトダイオード、９：キャパシタ、１０：伝送線路、１１：発振器、１２：光注入同期発振器、１３：フォトトランジスタ、１４：モードロックレーザ、１５：光合成器、１６：光分配器、１７：リアクタンス素子、１８：整合回路
【図１】
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【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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