(57)【要約】【課題】光源のパワーを効率よく電磁波のパワーへ変換する差周波発生器を提供する。【解決手段】光周波数の異なる複数のレーザ光を電気信号に変換する差周波発生器１００において、少なくとも第一および第２の出力ポートを有する周回性光分波器１０２と、少なくとも第一および第２のフォトミキサ１０３とを備え、該周回性光分波器は、一定の光周波数差だけ離れた第一および第二のレーザ光が第一および第２の出力ポートにそれぞれ出力され、かつ同光周波数差だけ離れた第三および第四のレーザ光が第二の出力ポートに出力されるように構成し、第一の出力ポートから出力される第一および第二のレーザ光が第一のフォトミキサに入力され、第二の出力ポートから出力される第三および第四の光が第二のフォトミキサに入力されるように構成した。【選択図】図１
2016025590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎを２以上の整数とし、光周波数の間隔がｆである２ｎ個のレーザ光を入力して電気信号に変換する差周波発生器であって、
ｎ個の出力ポートを有する周回性光分波器と、
前記周回性光分波器の前記ｎ個の出力ポートに各々対応するｎ個のフォトミキサと、を備え、
前記周回性光分波器は、ｆ×ｎの自由スペクトル領域を有し、前記ｎ個の出力ポートの各々から、前記２ｎ個のレーザ光のうちのｆ×ｎの光周波数差を有する２つのレーザ光が出力されるように構成され、
前記ｎ個のフォトミキサの各々は、前記周回性光分波器の対応する出力ポートから出力された２つのレーザ光を入力とし、周波数がｆ×ｎである電気信号を出力するように構成されていることを特徴とする差周波発生器。
【請求項２】
前記周回性光分波器が周回性アレイ導波路格子で構成されている、請求項１に記載の差周波発生器。
【請求項３】
前記ｎ個のフォトミキサは二乗検波特性を有する、請求項１または２に記載の差周波発生器。
【請求項４】
前記光周波数の間隔がｆである２ｎ個のレーザ光を出力する多波長光源を備えた、請求項１乃至３のいずれかに記載の差周波発生器。
【請求項５】
前記ｎ個のフォトミキサに各々対応するｎ個のアンテナを備えた、請求項１乃至４のいずれかに記載の差周波発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差周波発生器に関し、より詳細には、多波長光源からの複数の光周波数の光から高効率に高周波電気信号を生成する差周波発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、通信トラフィックの増大に伴い、ネットワークのラストアクセスとしての無線の大容量化、有線・無線の速度差解消、インターフェースの高速無線化が重要な課題となる。これらを実現できる技術としてテラヘルツ波（キャリア周波数１００［ＧＨｚ］以上の電磁波）が注目されている。特に近距離での大容量無線技術は喫緊の課題となっている。
【０００３】
テラヘルツ波を発生させる方法として、波長の異なる二つの光をフォトミキサに入力し、フォトミキサの二乗検波特性を利用して、これら二つの光の差周波にあたる周波数の電磁波を発生する方法が用いられている。例えば光周波数が１９３．１［ＴＨｚ］のレーザ光と光周波数が１９３．４［ＴＨｚ］のレーザ光を同時にフォトミキサに入力すると、これらの差周波である０．３［ＴＨｚ］すなわち３００［ＧＨｚ］の周波数の電磁波がフォトミキサ内で発生する。約０．１ＴＨｚ（＝１００ＧＨｚ）から１０ＴＨｚの周波数を持つ電磁波はテラヘルツ波と呼ばれ、テラヘルツ波を用いた無線通信はテラヘルツ無線通信と呼ばれている。上述した例では、フォトミキサの出力にアンテナを接続することによって、周波数３００［ＧＨｚ］の電磁波（テラヘルツ波）が空中へ送信されることになる。波長の異なる二つの光をフォトミキサに入力し、フォトミキサの二乗検波特性を利用して、これら二つの光の差周波にあたる周波数の電磁波を発生する差周波発生器の構成については、図３を参照して後述する。
【０００４】
従来のテラヘルツ無線は単一のアンテナを用いているため送信無線電力が低く、距離１［ｍ］で容量２０〜４０［Ｇｂｉｔ／ｓ］を伝送できる程度の技術にとどまっていた。そこで低周波数帯における無線通信で従来から用いられてきた方法である、複数アンテナからなるアレイアンテナにより、送信無線電力を合成して高出力の送信無線電力を得て、伝送距離を増加させることが有効であると考えられる（非特許文献１参照）。例えば、非特許文献１には、発振器に発生させた周波数２．６［ＧＨｚ］の電磁波を、５つのデュアルフィードパッチアンテナからなるアレイアンテナにより送信無線電力を合成して増大したことが示されている。この非特許文献１ではさらに各アンテナから放射される電磁波の位相を調整することによって特定方向に送信無線電力が集中できることも示されている。このようにアレイアンテナを用いて送信無線電力を増大する方法は、電力増幅器などの電気回路が応答できる数十［ＧＨｚ］までの周波数帯で効果のある方法である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】森榮真一 外著、「デュアルフィードパッチによるアクティブフェーズドアレイアンテナ」、電子情報通信学会，信学技報，sps2007-11(2008-01)，pp.5-10
【非特許文献２】Yoshimizu Y, et al., “Generation of coherent sub-terahertz carrier with phase stabilization for wireless communications”， Journal of Communications and Networks, Volume 15, Issue 6, pp. 569-575, Dec. 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光周波数の異なる二つの光の差周波をアレイアンテナへの入力とし、アレイアンテナからの電磁波を合成する場合は、これら二つの光を複数経路へ分岐して各フォトミキサで電磁波を発生することになる。これは高周波の場合、光の段階でパワーを分岐する方が、電気の段階でパワーを分岐するよりも技術的に容易だからである。分岐された光がフォトミキサの入力とされ、それぞれのフォトミキサで発生した電磁波はアンテナから送出されて他のアンテナからの電磁波と合成される。しかし、光は分岐によってパワーが分割されているため一つのアンテナが送出する電磁波の電力は小さくなり、結局アレイアンテナで合成しても送信無線電力を増やすことはできなかった。すなわち、もともとの光源のパワー以上の送信無線電力は得られない。
【０００７】
ここで、図３を参照して、上述した、波長の異なる二つの光をフォトミキサに入力し、フォトミキサの二乗検波特性を利用して、これら二つの光の差周波にあたる周波数の電磁波を発生する差周波発生器の構成を説明する。図３に示す差周波発生器は、多波長光源３０１と、光分波器３０２と、光合波器３０３と、フォトミキサ３０４とを備える。（光分波器３０２、光合波器３０３およびフォトミキサ３０４は、非特許文献２の図１にけるＡＷＧ ｆｉｌｔｅｒfilter，ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ （ＯＣ），およびｕｎｉ−ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｃａｒｒｉｅｒ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ （ＵＴＣ−ＰＤ）に対応する。）図３に示す差周波発生器は、さらに、単一のアンテナ３０５を備える。多波長光源３０１は光周波数が異なる多数のレーザ光出力する光源である。光分波器３０２は、入力された複数の波長のレーザ光を光周波数の違いごとにそれぞれ異なる出力ポートへ分波して出力する。光合波器３０３は、２つの入力ポートから入力されたレーザ光を合波して出力する。フォトミキサ３０４は、合波され入力された二つのレーザ光の差周波に相当する電磁波を生成する。フォトミキサ３０４の出力は、単一のアンテナ３０５へ供給され、空中へ放射される。
【０００８】
図３に示す差周波発生器は、多波長光源３０１から出力された多数のレーザ光を光分波器３０２の入力ポートへ入力することによって、光分波器３０２のそれぞれの出力ポートから光周波数の異なるレーザ光を取り出し、さらに所望の光周波数のレーザ光が出力される出力されるポートを２つ選択して、選択された２つのポートからの二つレーザ光を接続導波路（不図示）を介して光合波器３０３の入力ポートへ入力して合波し、合波した二つのレーザ光をフォトミキサ３０４へ入力することによってフォトミキサ３０４から二つのレーザ光の差周波に相当する電磁波を生成するものである。
【０００９】
図３に示す差周波発生器の構成においては、光カプラなどで構成される光合波器３０３に潜在する損失（約３ｄＢ）により原理的に光パワーが半減してしまうこと、また光分波器３０２において、多波長光源３０１からの複数のレーザ光のうち選択された二つのレーザ光以外の大部分のレーザ光を捨てることになるため、多波長光源３０１から高効率で電磁波の発生ができなかった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多波長光源から出力される光周波数が等間隔の複数のレーザ光のうちの四つ以上のレーザ光を用いて差周波を発生させ、これらをフォトミキサとアレイアンテナで電磁波へ変換することによって、光源のパワーを効率よく電磁波のパワーへ変換する差周波発生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、差周波発生器ある。差周波発生器は、ｎを２以上の整数とし、光周波数の間隔がｆである２ｎ個のレーザ光を入力して電気信号に変換する。差周波発生器は、周回性光分波器と、ｎ個のフォトミキサとを備える。周回性光分波器はｎ個の出力ポートを有し、ｎ個のフォトミキサは、周回性光分波器のｎ個の出力ポートにそれぞれ対応している。すなわち、周回性光分波器の１つの出力ポートに１つのフォトミキサが対応している。周回性光分波器は、ｆ×ｎの自由スペクトル領域を有し、ｎ個の出力ポートの各々から、入力された２ｎ個のレーザ光のうちの２つのレーザ光が出力される。周回性光分波器の各出力ポートから出力される２つのレーザ光の周波数差はｆ×ｎである。ｎ個のフォトミキサの各々は、光周波数差がｆ×ｎである２つのレーザ光を入力とし、周波数がｆ×ｎである電気信号を出力する。
【００１２】
一実施形態では、周回性光分波器が周回性アレイ導波路格子で構成である。ｎ個のフォトミキサは二乗検波特性を有する。また、差周波発生器は多波長光源を備え、多波長光源は光周波数の間隔がｆである２ｎ個のレーザ光を出力する。また、差周波発生器はｎ個のフォトミキサに各々対応するｎ個のアンテナを備える。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、光源のパワーを効率よく電磁波のパワーへ変換する差周波発生器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる差周波発生器の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）は、図１の差周波発生器におけるＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ点におけるレーザ光の光スペクトルをそれぞれ示す図である。
【図３】従来の差周波発生器の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一又は類似の符号は同一または類似の要素を例示し、したがって重複する説明は省略する。また、以下の説明では、具体的な数値を示すが、本発明は、これに限定されるものではなく、一般性を失うことなく他の数でも実施できることは言うまでもない。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にかかる差周波発生器の概略構成を示す図である。図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）は、図１の差周波発生器におけるＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ点におけるレーザ光の光スペクトルをそれぞれ示す図である。
【００１７】
図１の差周波発生器１００は、多波長光源１０１と、ｎ個（ｎは２以上の整数）の出力ポートを有する周回性光分波器１０２と、ｎ個のフォトミキサ（１０３−１〜１０３−ｎ）、ｎ個のアンテナ（１０４−１〜１０４−ｎ）とを備える。
【００１８】
多波長光源１０１は少なくとも四つ以上（２ｎ個以上）の異なる光周波数のレーザ光を出力する。隣接する光周波数の２つのレーザ光の光周波数間隔ｆ（光周波数差）は一定に保たれている。
【００１９】
周回性光分波器１０２は、ｎ個の出力ポートを持ち、周回性光分波器１０２の周期（自由スペクトル領域，ＦＳＲ）は周波数間隔ｎ×ｆに等しく構成されている。したがって、周回性光分波器１０２は、多波長光源１０１から入力された一定間隔の光周波数差をもった複数のレーザ光を、それらの光周波数の値にしたがって順番に、１番目のレーザ光を１番目の出力ポート、２番目のレーザ光を２番目の出力ポート、３番目のレーザ光を３番目の出力ポート、・・・ｎ番目のレーザ光をｎ番目の出力ポートに順番に出力する。またｎ＋１番目から２ｎ番目のレーザ光を、それらの光周波数の値にしたがって順番に、１番目の出力ポート、２番目の出力ポート、３番目の出力ポートに出力し、・・・ｎ番目の出力ポートにそれぞれ出力する。
【００２０】
例えば多波長光源１０１が、それぞれ隣り合ったレーザ光の光周波数差が一定値ｆ［ＧＨｚ］を有する２ｎ個のレーザ光を出力する場合を考える（図２（Ａ））。それらｎ個のレーザ光のうちの１番目のレーザ光（光周波数＝ｆ０［ＧＨｚ］）が１番目の出力ポートに出力されるように設計された周回性光合分波器１０２に、多波長光源１０１からの２ｎ個のレーザ光を入力する。入力された２ｎ個のレーザ光は、光周波数（ｆ［ＧＨｚ］）の違いによって１番目の光周波数のレーザ光からｎ番目の光周波数（ｆ０＋（ｎ−１）ｆ［ＧＨｚ］）のレーザ光は、順番にそれぞれ、周回性光分波器１０２の１番目の出力ポートからｎ番目の出力ポートに分波される。続いてｎ＋１番目の光周波数（ｆ０＋ｎｆ［ＧＨｚ］）のレーザ光から２ｎ番目の光周波数（ｆ０＋（２ｎ−１）ｆ［ＧＨｚ］）のレーザ光は、順番にそれぞれ、周回性光分波器１０２の１番目の出力ポートからｎ番目の出力ポートに分波される。その結果、例えば周回性光分波器１０２の１番目の出力ポートには多波長光源１０１からの複数のレーザ光のうち１番目のレーザ光とｎ＋１番目のレーザ光が出力される。これら１番目とｎ＋１番目のレーザ光の光周波数差はｆ×ｎ［ＧＨｚ］となっている（図２（Ｂ））。同様に、周回性光分波器１０２の２番目の出力ポートには多波長光源１０１からの複数のレーザ光のうち２番目のレーザ光とｎ＋２番目のレーザ光が出力される（図２（Ｃ））。次にこれら二つのレーザ光を１番目のフォトミキサ１０３−１へ入力すると、フォトミキサからは、二つのレーザ光の光周波数差と同じｆ×ｎ［ＧＨｚ］の周波数を持つ高周波電気信号が出力される。同様に周回性光分波器１０２の２番目のポートには２番目のレーザ光とｎ＋２番目のレーザ光が出力され、これらが２番目のフォトミキサ１０３−２に入力されることによって、２番目のフォトミキサからｆ×ｎ［ＧＨｚ］の周波数を持つ高周波信号が出力される。これらｎ個のフォトミキサ（１０３−１〜１０３−ｎ）の各々にアンテナを接続することにより、ｎ個のアンテナ（１０４−１〜１０４−ｎ）からは同じ周波数であるｆ×ｎ［ＧＨｚ］の電磁波がそれぞれ放射され、放射後に空中においてこれら電磁波が重なり合って、電磁波の強度はｎ倍になる。
【００２１】
図１を参照して説明した従来方法では多波長光源３０１から２個のレーザ光を取り出して光合波器３０３で合波し、これらをフォトミキサ３０４に入力して電磁波を生成していたのに対して、本実施形態にかかる差周波発生器では、光合波器を用いずに、周回性光分波器１０２の周回性を利用することによって二つのレーザ光を合波するため、すなわち光合波器における減衰の影響を受けないため、１つのアンテナ当たりの電磁波パワーは従来方法と比べて２倍となる。また２ｎ個のレーザ光、ｎ組のフォトミキサおよびアンテナを用いて電磁波を生成するため、生成される電磁波の強度はさらにｎ倍となるので、多波長光源のパワーを従来の２ｎ倍という高い効率で電磁波のパワーへ変換できることになる。
【００２２】
本実施形態の差周波発生器によれば、周回性光分波器を用いることによって、周回性光分波器の一つの出力ポートから差周波を構成する二つのレーザ光を取り出すことができるため、光合波器が不要となり、光合波器による光パワーの半減が生じない。また周回性光分波器の複数の出力ポートからのレーザ光を用いることで光パワーを無駄なく高い効率で電磁波パワーへ変換できる。その結果光源のパワーを高い効率で電磁波パワーへ変換できる差周波発生器を実現することができる。
【００２３】
＜実施例＞
図１および２を参照して説明した差周波発生器１００の実施例を説明する。本実施例は、ｎ＝１２、光周波数差ｆ＝２５［ＧＨｚ］の例である。
【００２４】
図１は、本発明の第一の実施例に係る差周波発生器１００の構成を示す図である。図１に示すように、この差周波発生器１００は、多波長光源１０１と、周回性光分波器１０２と、１２個のフォトミキサ１０３−１〜１０３−１２と、１２個のアンテナ１０４−１〜１０４−１２とを備える。
【００２５】
本差周波発生器１００において、多波長光源１０１が出力した光周波数差が２５［ＧＨｚ］で等間隔に配置された２４個のレーザ光（図２（Ａ））のうちから互いに３００［ＧＨｚ］離れた光周波数を有する２つのレーザ光の組（合計１２組）（図２（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ））を周回性光分波器１０２の１２個のポートからそれぞれ出力し、これら２つのレーザ光の組の各々を光差周波発生器１０４へ入力し、その差周波の周波数を持つ電磁波を生成する。
【００２６】
ここで多波長光源１０１に含まれる２４個のレーザ光は、光周波数ｆ０［ＧＨｚ］を始点とし、ここから２５［ＧＨｚ］の整数倍離れた光周波数、すなわちｆ０＋２５×ｎ［ＧＨｚ］の光周波数を持っている。ここでｎは０から２３までの整数値である。一方、周回性光分波器１０２は１２個の出力ポートを有する周回性アレイ導波路格子であり、入力されたレーザ光のうちｆ０＋２５×（ｍ−１）［ＧＨｚ］とｆ０＋３００＋２５×（ｍ−１）［ＧＨｚ］の光をｍ番目の出力ポートへ出力する。ここでｍは１から１２までの整数値である。
【００２７】
図１中に示すＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ点におけるレーザ光の光スペクトルを図２に示す。図２（Ａ）は多波長光源１０１に含まれるレーザ光の光スペクトル（周回性光分波器１０２の入力ポートへ入力されるレーザ光の光スペクトル）を示しており、図２（Ｂ）、（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）は、周回性光分波器１０２の１番目、２番目、３番目および１２番目の出力ポートから出力されるレーザ光の光スペクトルをそれぞれ示している。図２に示すように、周回性光分波器１０２のそれぞれの出力ポートには、光周波数が互いに３００［ＧＨｚ］離れた二つのレーザ光が出力されている。
【００２８】
周回性光分波器１０２の１番目の出力ポートからの出力を１番目のフォトミキサ１０３−１に入力すると、光周波数がｆ０［ＧＨｚ］のレーザ光と光周波数がｆ０＋３００［ＧＨｚ］のレーザ光との差周波である３００［ＧＨｚ］の高周波電気信号がフォトミキサ１０３−１から出力される。この高周波電気信号をさらに１番目のアンテナ１０４−１に入力するとアンテナ１０４−１から３００［ＧＨｚ］の電磁波が空中へ放射される。
【００２９】
同様に周回性光分波器１０２の２番目の出力ポートからの出力を２番目のフォトミキサ１０３−２に入力すると、光周波数がｆ０＋２５［ＧＨｚ］のレーザ光と光周波数がｆ０＋３２５［ＧＨｚ］のレーザ光との差周波である３００［ＧＨｚ］の高周波電気信号がフォトミキサ１０３−２から出力され、これを２番目のアンテナ１０４−２に入力するとアンテナ１０４−２から３００［ＧＨｚ］の電磁波が空中へ放射される。以下同様にして、１２個のアンテナすべてから３００［ＧＨｚ］の電磁波が放射され、これらが空中で重なり合って、１２倍の強度を持つ電磁波となる。
【００３０】
本実施例のように、多波長光源１０１に含まれるレーザ光はすべてアンテナ１０４−１〜１０４−１２から放射され電磁波のパワーへと変換されることになり、高い効率で光パワーから電磁波パワーへの変換が可能となる。
【００３１】
以上、本実施例では多波長光源１０１に含まれるレーザ光を光周波数ごとに分波する手段として周回性光分波器を用いる例を示したが、エタロンフィルタなど周期性を有する光フィルタを用いても同様の効果が期待できる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１００  差周波発生器
１０１  多波長光源
１０２  周回性光分波器
１０３−１  １番目のフォトミキサ
１０３−２  ２番目のフォトミキサ
１０３−３
１０３−１２  １２番目のフォトミキサ
１０４−１  １番目のアンテナ
１０４−２  ２番目のアンテナ 
１０４−１２  １２番目のアンテナ
３０１  多波長光源 
３０２  光分波器 
３０３  光合波器 
３０４  フォトミキサ 
３０５  アンテナ
【図１】
2016025590.tif 000003
【図２】
2016025590.tif 000004
【図３】
2016025590.tif 000005