(57)【要約】【課題】Ｏ／Ｅ変換部に入力される光の平均光パワーが制限されているなかで、出力パワーを増加させることが可能な高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法を提供する。【解決手段】光パルス出力部２と、光パルス伝搬部３と、Ｏ／Ｅ変換部４とを備えた高周波発生装置１であって、光パルス伝搬部３は、光パルスに対して群速度分散や光カー効果を利用して光パルスのパルス幅を圧縮させ、かつＯ／Ｅ変換部４における高周波出力パワーを増加させる媒質長を有することを特徴とする。【選択図】図１
2017151372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の繰り返し周波数で光パルスを出力する光パルス出力部と、
前記光パルス出力部から出力された前記光パルスを伝搬させる光パルス伝搬部と、
前記光パルス伝搬部で伝搬された前記光パルスを電気信号に変換し、前記電気信号を高周波出力として出力するＯ／Ｅ変換部と、
を備えた高周波発生装置であって、
前記光パルス伝搬部は、群速度分散を利用して、または群速度分散と光カー効果を利用して、前記光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性媒質を含み、
前記分散性媒質は、当該分散性媒質の出力端における前記光パルスのピークパワーを当該分散性媒質の入力端における前記光パルスのピークパワーよりも増加させる媒質長を有する
ことを特徴とする高周波発生装置。
【請求項２】
前記分散性媒質は、当該分散性媒質の媒質長と前記Ｏ／Ｅ変換部の高周波出力パワーとの関係において、前記高周波出力パワーが最大となる媒質長を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波発生装置。
【請求項３】
前記光パルス伝搬部は、前記光パルスに対して群速度分散を有しない非分散性媒質を含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波発生装置。
【請求項４】
前記繰り返し周波数よりも高い中心周波数の帯域を通過させるフィルタ部を、前記Ｏ／Ｅ変換部の後段に備え、
前記Ｏ／Ｅ変換部は、応答周波数帯域に前記中心周波数を含む
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波発生装置。
【請求項５】
所定の繰り返し周波数で光パルスを出力する光パルス出力部と、前記光パルスを伝搬させる光パルス伝搬部と、前記光パルス伝搬部で伝搬された前記光パルスを電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、を備え、前記光パルス伝搬部が群速度分散を利用して、または群速度分散と光カー効果を利用して前記光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性媒質を含む高周波発生装置の設計方法であって、
前記高周波発生装置のシミュレーションモデルを用いて、前記高周波発生装置の出力パワーと前記分散性媒質の媒質長との関係を示すデータを生成し、前記高周波発生装置の出力パワーが増加するように、前記データに基づいて前記分散性媒質の媒質長を決定する
ことを特徴とする高周波発生装置の設計方法。
【請求項６】
前記分散性媒質の媒質長を、前記データにおいて前記高周波発生装置の出力パワーが最大となるときの値に決定する
ことを特徴とする請求項５に記載の高周波発生装置の設計方法。
【請求項７】
前記データは、
前記分散性媒質の分散パラメータが正で、かつ光カー効果を利用する場合の第１データと、前記分散パラメータが正で、かつ光カー効果を利用しない場合の第２データと、前記分散パラメータが負で、かつ光カー効果を利用する場合の第３データと、前記分散パラメータが負で、かつ光カー効果を利用しない場合の第４データ、を含む
ことを特徴とする請求項５または６に記載の高周波発生装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光技術を用いた高周波発生装置としては、２つのレーザから出力された周波数の異なるレーザ光をフォトカプラで合成し、その合成光をフォトダイオードのようなＯ／Ｅ変換部で高周波の電気信号に変換する構成のものが知られている（例えば、特許文献１の図７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６２１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光技術を用いた高周波発生装置は、光マイクロ波発振器、Ｗ帯レーダー、テラヘルツ波発生技術等、各種方面への応用が期待されている。これらの応用に際しては、高周波発生装置の出力パワーをできるだけ増加させることが望ましく、高周波発生装置の出力パワーを増加させるためには、Ｏ／Ｅ変換部に入力される光のピークパワーを増加させる必要がある。しかしながら、Ｏ／Ｅ変換部では入力される光の平均光パワーが制限されているため、従来の高周波発生装置では、出力パワーの増加に限界があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、Ｏ／Ｅ変換部に入力される光の平均光パワーが制限されているなかで、出力パワーを増加させることが可能な高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る高周波発生装置は、
所定の繰り返し周波数で光パルスを出力する光パルス出力部と、
前記光パルス出力部から出力された前記光パルスを伝搬させる光パルス伝搬部と、
前記光パルス伝搬部で伝搬された前記光パルスを電気信号に変換し、前記電気信号を高周波出力として出力するＯ／Ｅ変換部と、
を備えた高周波発生装置であって、
前記光パルス伝搬部は、群速度分散を利用して、または群速度分散と光カー効果を利用して、前記光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性媒質を含み、
前記分散性媒質は、当該分散性媒質の出力端における前記光パルスのピークパワーを当該分散性媒質の入力端における前記光パルスのピークパワーよりも増加させる媒質長を有する
ことを特徴とする。
【０００７】
上記高周波発生装置では、例えば、
前記分散性媒質は、当該分散性媒質の媒質長と前記Ｏ／Ｅ変換部の高周波出力パワーとの関係において、前記高周波出力パワーが最大となる媒質長を有する
ように構成できる。
【０００８】
上記高周波発生装置では、例えば、
前記光パルス伝搬部は、群速度分散を有しない非分散性媒質を含む
ように構成できる。
【０００９】
上記高周波発生装置では、例えば、
前記繰り返し周波数よりも高い中心周波数の帯域を通過させるフィルタ部を、前記Ｏ／Ｅ変換部の後段に備え、
前記Ｏ／Ｅ変換部は、応答周波数帯域に前記中心周波数を含む
ように構成できる。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る高周波発生装置の設計方法は、
所定の繰り返し周波数で光パルスを出力する光パルス出力部と、前記光パルスを伝搬させる光パルス伝搬部と、前記光パルス伝搬部で伝搬された前記光パルスを電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、を備え、前記光パルス伝搬部が群速度分散を利用して、または群速度分散と光カー効果を利用して前記光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性媒質を含む高周波発生装置の設計方法であって、
前記高周波発生装置のシミュレーションモデルを用いて、前記高周波発生装置の出力パワーと前記分散性媒質の媒質長との関係を示すデータを生成し、前記高周波発生装置の出力パワーが増加するように、前記データに基づいて前記分散性媒質の媒質長を決定する
ことを特徴とする。
【００１１】
上記高周波発生装置の設計方法では、
前記分散性媒質の媒質長を、前記データにおいて前記高周波発生装置の出力パワーが最大となるときの値に決定する
ことが好ましい。
【００１２】
上記高周波発生装置の設計方法では、例えば、
前記データは、
前記分散性媒質の分散パラメータが正で、かつ光カー効果を利用する場合の第１データと、前記分散パラメータが正で、かつ光カー効果を利用しない場合の第２データと、前記分散パラメータが負で、かつ光カー効果を利用する場合の第３データと、前記分散パラメータが負で、かつ光カー効果を利用しない場合の第４データと、を含む
ように構成できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、Ｏ／Ｅ変換部に入力される光の平均光パワーが制限されているなかで、出力パワーを増加させることが可能な高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る高周波発生装置の構成（シミュレーションモデル）を示す図である。
【図２】光ファイバを伝搬する光パルスのピークパワーとファイバ長との関係を示す図である。
【図３】（Ａ）は、光ファイバの入力端における光パルスのパワーの時間変化を示す図である。（Ｂ）は、光ファイバの出力端における光パルスのパワーの時間変化を示す図である。
【図４】ファイバ長に対するフォトダイオードの高周波出力パワーの時間変化を示す図であって、（Ａ）は、分散パラメータが正の場合の図、（Ｂ）は、分散パラメータが負の場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法の実施形態について説明する。
【００１６】
［高周波発生装置］
図１に、本発明の一実施形態に係る高周波発生装置１を示す。高周波発生装置１は、光パルス出力部２と、光ファイバ（本発明の「光パルス伝搬部」に相当）３と、フォトダイオード（本発明の「Ｏ／Ｅ変換部」に相当）４と、バンドパスフィルタ（本発明の「フィルタ部」に相当）５とを備える。
【００１７】
光パルス出力部２は、所定の繰り返し周波数ｆで光パルスを出力する。光パルス出力部２は、連続光を出力するレーザ１０と、レーザ１０の連続光に対して強度変調を行うプッシュプル駆動のマッハ−ツェンダー光変調器１１と、マッハ−ツェンダー光変調器１１に周波数ｆ／２、振幅がマッハ−ツェンダー光変調器１１の半波長電圧に等しい高周波信号を供給する発振回路１２と、マッハ−ツェンダー光変調器１１に直流のバイアス電圧を供給するバイアス回路１３とを備える。バイアス回路１３は、発振回路１２が動作していない時に、マッハ−ツェンダー光変調器１１の出力が最小となるように設定されている。
【００１８】
光ファイバ３は、光パルス出力部２に接続された入力端３ａと、フォトダイオード４に接続された出力端３ｂとを有し、光パルス出力部２から出力された光パルスをフォトダイオード４に伝搬させる。光ファイバ３は、群速度分散や光カー効果を利用して光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性の光ファイバ（本発明の「分散性媒質」に相当）であり、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーを入力端３ａにおける光パルスのピークパワーよりも増加させるファイバ長（本発明の「媒質長」に相当）を有する。より詳しくは、光ファイバ３のファイバ長は、フォトダイオード４に入力される光パルスのピークパワーが増加するように設定されている。
【００１９】
フォトダイオード４は、光ファイバ３で伝搬された光パルスを、当該光パルスのパワーに応じた電気信号に変換し、当該電気信号の高周波成分を高周波出力として出力する。フォトダイオード４に入力される光パルスのピークパワーと、フォトダイオード４の高周波出力パワーとは、概ね比例関係にある。また、フォトダイオード４は、応答周波数帯域に周波数ｆを含み、入力される光パルスの平均光パワーが制限されている。
【００２０】
バンドパスフィルタ５は、中心周波数ｆの帯域の電気信号を通過させる。
【００２１】
本実施形態に係る高周波発生装置１によれば、上記のとおり、光ファイバ３が分散性を有するとともに、光ファイバ３のファイバ長がフォトダイオード４に入力される光パルスのピークパワーが増加するように設定されているので、フォトダイオード４に入力される光パルスの平均光パワーを増加させることなく、フォトダイオード４の高周波出力パワーを増加させることができる。すなわち、本実施形態では、フォトダイオード４に入力される光パルスの平均光パワーが制限されているなかで、高周波発生装置１の出力パワーを増加させることができる。
【００２２】
［高周波発生装置の設計方法］
次に、高周波発生装置１の設計方法について説明する。
【００２３】
本実施形態に係る高周波発生装置１の設計方法の一形態は、光ファイバ３の出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーと光ファイバ３のファイバ長との関係を示すデータ（本実施形態では、図２または図４に示すデータ）を生成する第１ステップと、上記データに基づいて光ファイバ３のファイバ長を決定する第２ステップとを含む。第１ステップおよび第２ステップは、例えば、コンピュータにインストールされたソフトウェアにより実行される。なお、上記データは、本発明の「高周波発生装置の出力パワーと分散性媒質の媒質長との関係を示すデータ」に相当する。
【００２４】
第１ステップでは、図１に示すシミュレーションモデルを用いて上記データを生成する。生成された上記データは、例えば、コンピュータの記憶部に格納される。
【００２５】
本実施形態では、マッハ−ツェンダー光変調器１１から出力される光パルスの波長を１５５０［ｎｍ］、周波数ｆ／２を２０［ＧＨｚ］、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーを２００［ｍＷ］、光ファイバ３の分散パラメータＤを１７［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］、光ファイバ３で発生する損失を０．２［ｄＢ／ｋｍ］、光ファイバ３の実効断面積を８０［μｍ２］、光ファイバ３のカー係数を２．２×１０−２０［ｍ２／Ｗ］とした。光ファイバ３を伝搬する光パルスの振幅は、一般化された非線形シュレディンガー方程式をスプリットステップフーリエ法で解いて求めた。
【００２６】
図２に、光ファイバ３を伝搬する光パルスのピークパワーと光ファイバ３のファイバ長との関係を示す。図２から、光ファイバ３を伝搬する光パルスのピークパワーは、光ファイバ３のファイバ長が２．３［ｋｍ］以下の場合はファイバ長が２．３［ｋｍ］に近づくにつれて増加するが、光ファイバ３のファイバ長が２．３［ｋｍ］よりも大きい場合はファイバ長が２．３［ｋｍ］から離れるにつれて減少することが分かる。
【００２７】
すなわち、群速度分散を利用して、または群速度分散と光カー効果を利用して、光パルスのパルス幅を圧縮させる分散性の光ファイバ３を用いたとしても、光ファイバ３のファイバ長によっては、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーを十分に増加させることができなかったり、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーが入力端３ａにおける光パルスのピークパワーよりも減少したりすることがある。
【００２８】
図３（Ａ）に、ファイバ長を２．３［ｋｍ］としたときの入力端３ａにおける光パルスのパワーの時間変化を示し、図３（Ｂ）に、ファイバ長を２．３［ｋｍ］としたときの出力端３ｂにおける光パルスのパワーの時間変化を示す。図３（Ａ）および図３（Ｂ）から、光パルスをファイバ長が２．３［ｋｍ］の光ファイバ３に伝搬させることで、光パルスが圧縮されるとともに、光パルスのピークパワーが２００［ｍＷ］から３４４［ｍＷ］に増加することが分かる。また、出力端３ｂにおける光パルスの平均光パワー（光パルスのパワーを積分して周期で除算したもの）は、入力端３ａにおける光パルスの平均光パワーと比べると、光ファイバ３で発生する損失だけ減少していることが分かる。
【００２９】
図４（Ａ）に、光ファイバ３の分散パラメータＤが１７［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］の場合のファイバ長に対するフォトダイオード４の出力の４０［ＧＨｚ］成分のパワー変化を示す。また、図４（Ｂ）に、光ファイバ３の分散パラメータＤを−１７［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］とした場合のファイバ長に対するフォトダイオード４の出力の４０［ＧＨｚ］成分のパワー変化を示す。なお、図４（Ａ）および図４（Ｂ）の縦軸は、光ファイバ３のファイバ長を０とした場合に対するフォトダイオード４の高周波出力パワーの増加率である。
【００３０】
図４（Ａ）から、分散パラメータＤが正でかつ光ファイバ３の光カー効果を利用する（本実施形態では、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーを２００［ｍＷ］とした）場合、フォトダイオード４の高周波出力パワーは、ファイバ長が２．３［ｋｍ］のときに４．６［ｄＢ］増加することが分かる。一方、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーが十分小さく光ファイバ３の光カー効果を利用しない場合、フォトダイオード４の高周波出力パワーは、ファイバ長が２．３［ｋｍ］のときに３．４［ｄＢ］増加することが分かる。すなわち、分散パラメータＤが正の場合、第２ステップにおいてファイバ長を２．３［ｋｍ］に決定することで、光カー効果利用の有無にかかわらずフォトダイオード４の高周波出力パワーを増加させることができる。そして、光カー効果を利用してファイバ長２．３［ｋｍ］の光ファイバ３を用いることで、フォトダイオード４の高周波出力パワーの増加率を最大化することができる。
【００３１】
図４（Ｂ）から、分散パラメータＤが負でかつ光ファイバ３の光カー効果を利用する（本実施形態では、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーを２００［ｍＷ］とした）場合、フォトダイオード４の高周波出力パワーは、ファイバ長が２．３［ｋｍ］のときに２．２［ｄＢ］増加することが分かる。一方、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーが十分小さく光ファイバ３の光カー効果を利用しない場合、フォトダイオード４の高周波出力パワーは、分散パラメータＤが正の場合と同様に、ファイバ長が２．３［ｋｍ］のときに３．４［ｄＢ］増加することが分かる。すなわち、分散パラメータＤが負の場合も、第２ステップにおいて光ファイバ３のファイバ長を２．３［ｋｍ］に決定することで、光カー効果利用の有無にかかわらずフォトダイオード４の高周波出力パワーを増加させることができる。そして、分散パラメータＤが負の場合は、光カー効果を利用しない条件でファイバ長２．３［ｋｍ］の光ファイバ３を用いることで、フォトダイオード４の高周波出力パワーの増加率を最大化することができる。
【００３２】
本実施形態に係る高周波発生装置１の設計方法によれば、上記のとおり、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーが増加するように光ファイバ３のファイバ長を決定するので、フォトダイオード４に入力される光パルスの平均光パワーを増加させることなく、フォトダイオード４の高周波出力パワーを増加させることができる。すなわち、本実施形態では、フォトダイオード４に入力される光パルスの平均光パワーが制限されているなかで、高周波発生装置１の出力パワーを増加させることができる。
【００３３】
また、本実施形態に係る高周波発生装置１の設計方法によれば、図４に示すデータ、すなわち、分散パラメータＤが正でかつ光カー効果ありの第１データと、分散パラメータＤが正でかつ光カー効果なしの第２データと、分散パラメータＤが負でかつ光カー効果ありの第３データと、分散パラメータＤが負でかつ光カー効果なしの第４データとを生成することで、第２ステップにおいてこれらのデータに基づいて光ファイバ３のファイバ長、分散パラメータＤの正負、および光カー効果利用の有無を決定することができる。これにより、フォトダイオード４の高周波出力パワーをより大きく増加させることができる。
【００３４】
なお、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーとフォトダイオード４の高周波出力パワーとは概ね比例関係にあるが、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーとフォトダイオード４の高周波出力パワーとの間に若干のズレが生じる場合がある（例えば、出力端３ｂにおける光パルスのピークパワーが最大のときに、フォトダイオード４の高周波出力パワーが最大にならない場合がある）。この点、例えば図４に示すような、フォトダイオード４の高周波出力パワーと光ファイバ３のファイバ長との関係を示すデータに基づいてファイバ長を決定することで、高周波発生装置１の出力パワーをより高精度に増加させることができる。
【００３５】
以上、本発明に係る高周波発生装置および高周波発生装置の設計方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
［変形例］
例えば、本発明の光パルス出力部は、２つのレーザで構成することができる。２つのレーザで構成した場合、２つのレーザから出力されるレーザ光（光パルス）の周波数の差分をｆとすることで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
本発明の光パルス伝搬部は、分散性を有する光ファイバと、ゼロ分散の光ファイバ（本発明の「非分散性媒質」に相当）とで構成することができる。例えば、上記実施形態において、光パルス伝搬部を３．５［ｋｍ］にする必要がある場合、分散性の光ファイバ３のファイバ長と、ゼロ分散の光ファイバのファイバ長の合計を３．５［ｋｍ］とし、光ファイバ３のファイバ長をフォトダイオード４の高周波出力パワーがより大きく増加するように設定することが好ましい。
【００３８】
上記実施形態では、一例として、フォトダイオード４の高周波出力パワーが最大化するように光ファイバ３のファイバ長を２．３［ｋｍ］に決定しているが、フォトダイオード４の高周波出力パワーの増加率が所定の閾値（例えば、３．０［ｄＢ］）以上になるファイバ長の範囲を決定し、その範囲内でユーザが任意にファイバ長を決定してもよい。
【００３９】
本発明の分散性媒質は、光パルスに対して群速度分散や光カー効果を利用して光パルスのパルス幅を圧縮させることができ、フォトダイオード４の高周波出力パワーを増加させる性質を有するのであれば、光ファイバ３以外のものを使用することができる。
【００４０】
本発明のＯ／Ｅ変換部は、光パルス伝搬部で伝搬された光パルスを電気信号に変換し、当該電気信号の高周波成分を高周波出力として出力することができるのであれば、適宜その構成を変更することができる。
【００４１】
本発明のフィルタ部は、繰り返し周波数ｆよりも高い中心周波数（例えば、４ｆ）の帯域を通過させるバンドパスフィルタでもよい。この場合、フォトダイオード４は、応答周波数帯域に上記中心周波数（例えば、４ｆ）を含む必要があるが、発振回路１２の周波数はｆ／２のままでよい。
【００４２】
本発明のフィルタ部は、用途に応じて省略することもできる。
【００４３】
本発明に係る高周波発生装置の設計方法では、図４に示すデータを、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーを変化させて複数個生成してもよい。この場合、上記複数のデータに基づいて、光ファイバ３のファイバ長、分散パラメータＤの正負、光カー効果利用の有無に加えて、入力端３ａにおける光パルスのピークパワーを決定することができるので、フォトダイオード４の高周波出力パワーをより大きく増加させることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    高周波発生装置
２    光パルス出力部
３    光ファイバ
４    フォトダイオード
５    バンドパスフィルタ
１０    レーザ
１１    マッハ−ツェンダー光変調器
１２    発振回路
１３    バイアス回路
【図１】
2017151372.tif 000003
【図２】
2017151372.tif 000004
【図３】
2017151372.tif 000005
【図４】
2017151372.tif 000006