(57)【要約】【課題】電源効率が十分高く出力電力がサブＷからＷオーダー級のマイクロ波を出力する光マイクロ波変換装置を提供する。【解決手段】光マイクロ波変換装置は、マイクロ波の周波数により半波整流波形に強度変調された光信号を発生する手段と、逆バイアス電圧が印加され、且つ上記光信号が入力されるとマイクロ波電気信号を出力するフォトダイオードと、を有する。また、他の光マイクロ波変換装置は、マイクロ波の周波数により半波整流波形に強度変調された光信号を発生する手段と、上記光信号から位相差が上記マイクロ波の半周期分である２つの光信号に分岐する手段と、共に逆バイアス電圧が印加され、且つ上記２つの光信号がそれぞれ入力されるとマイクロ波電気信号を出力する２つのフォトダイオードと、上記２つのフォトダイオードから出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段と、
逆バイアス電圧が印加され、且つ上記光信号が入力されるとマイクロ波電気信号を出力するフォトダイオードと、
を有することを特徴とする光マイクロ波変換装置。
【請求項２】
上記フォトダイオードのマイクロ波電気信号を出力する端子に付加される高調波処理回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項３】
強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段と、
上記光信号から上記マイクロ波の半周期分の位相差がある２つの光信号に分岐する手段と、
共に逆バイアス電圧が印加され、且つ異なる上記光信号が入力されるとマイクロ波電気信号を出力する２つのフォトダイオードと、
上記２つのフォトダイオードが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段と、
を有することを特徴とする光マイクロ波変換装置。
【請求項４】
上記２つのフォトダイオードが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段は、上記逆バイアス電圧が印加された２つのフォトダイオードのマイクロ波電気信号を出力する端子同士に接続された負荷抵抗または差動負荷回路を有することを特徴とする請求項３に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項５】
上記２つのフォトダイオードから出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段は、上記逆バイアス電圧が印加された直列接続の２つのフォトダイオードの接続点に接続された負荷抵抗または不平衡負荷回路を有することを特徴とする請求項３に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項６】
上記光信号から上記マイクロ波の半周期分の位相差がある２つの光信号に分岐する手段は、上記光信号を２つの光信号に分岐する光分岐回路と、上記分岐された２つの光信号が伝播し上記２つのフォトダイオードに入力するとともに上記光信号が伝播することにより上記２つの光信号が上記マイクロ波の半周期分の位相差がつくよう長さが異なる２つの光ファイバと、を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項７】
上記強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段は、一定強度の光信号が入力され、且つ正弦波形のマイクロ波の電圧に上記正弦波形の零点が中点からずれるようなバイアスを加えた電圧が入力されるマッハツェンダー型光強度変調器を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項８】
上記強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段は、一定強度の光信号が入力され、且つ半波整流波形のマイクロ波の電圧に上記半波整流波形の零点が中点になるようなバイアスを加えた電圧が入力されるマッハツェンダー型光強度変調器を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項９】
上記強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段は、閾値近傍のバイアス電流と正弦波形のマイクロ波の電流とを重畳した電流が入力されるレーザダイオードを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項１０】
上記強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段は、閾値近傍より大きな値のバイアス電流と半波整流波形のマイクロ波の電流とを重畳した電流が入力されるレーザダイオードを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項１１】
強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形であり且つ第１の波長の第１の光信号を発生する手段と、
強度が上記マイクロ波の周波数の半波整流波形であるとともに上記第１の光信号に対して位相が上記マイクロ波の半周期分だけ異なり且つ第２の波長の第２の光信号を発生する手段と、
上記第１の光信号と上記第２の光信号とを合波する手段と、
上記合波された光信号を上記第１の光信号と上記第２の光信号とに分波する手段と、
共に逆バイアス電圧が印加され、且つ異なる上記光信号が入力されるとマイクロ波電気信号を出力する２つのフォトダイオードと、
上記２つのフォトダイオードが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段と、
を有することを特徴とする光マイクロ波変換装置。
【請求項１２】
上記２つのフォトダイオードが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段は、上記逆バイアス電圧が印加された２つのフォトダイオードのマイクロ波電気信号を出力する端子同士に接続された負荷抵抗または差動負荷回路を有することを特徴とする請求項１１に記載の光マイクロ波変換装置。
【請求項１３】
上記２つのフォトダイオードから出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段は、上記逆バイアス電圧が印加された直列接続の２つのフォトダイオードの接続点に接続された負荷抵抗または不平衡負荷回路を有することを特徴とする請求項１１に記載の光マイクロ波変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、種々の電気信号を光にのせて情報を伝送する光ファイバ無線通信システム（Ｒａｄｉｏ−ｏｎ−Ｆｉｂｅｒ（ＲＯＦ）Ｓｙｓｔｅｍ）などの受光部に用いる光マイクロ波変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の光マイクロ波変換装置において、受光部には広くフォトダイオードが用いられている。フォトダイオードは通常逆バイアス電圧を印加して用い、入射する光の強度に応じた電流が電気信号として流れる。従って、フォトダイオードに強度を変調した光信号を入射することで、変調信号自体を電気信号として取り出すことができる。また、応答速度が早いことも特徴で、数十ＧＨｚまでの変調信号に応答するものが既に市販されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】Ｄａｖｉｄ  Ａ．Ｔｕｌｃｈｉｎｓｋｙ、外５名、「Ｈｉｇｈ−Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、２００４年、７月／８月、ＶＯＬ．１０、ＮＯ．４、ｐｐ．７０２−７０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のこの種の光マイクロ波変換装置では、主に光に重畳した情報を伝達、受信することが目的であったため、大電力の電気信号出力は必ずしも必要でなかった。この種の装置に用いられるフォトダイオードでは、通常出力される電気信号は１ｍＡから数ｍＡ程度の電流値で飽和が生じる。これを５０Ωの負荷で受信すれば、数十μＷから数ｍＷオーダーのマイクロ波が得られる。情報を伝達するという目的では、このレベルの電力であっても十分な値と言える。
【０００５】
しかし近年、光マイクロ波変換装置からの出力電力をより大きくする検討がなされている。例えば、ＲＯＦシステムにおいて、光マイクロ波変換装置で受信した電気信号をアンテナから空間に放射する場合などでは、より大きな電力が得られれば、光マイクロ波変換装置とアンテナとの間に利得の大きいマイクロ波増幅器を挿入する必要がなくなる。また、場合によっては、マイクロ波増幅器自体を不要にできるというメリットがある。
【０００６】
このようなシステムに用いるものとして、出力電力がサブＷからＷオーダー級のマイクロ波が得られるフォトダイオードが開発されてきている。このようにフォトダイオードからの出力電力が大きくなると、電源から供給されフォトダイオードで消費される電力も大きくなる。このため、少ない供給電力で大きな出力電力のマイクロ波が得られるように、フォトダイオードの電源効率が高いことが重要になる。
しかし、従来の光マイクロ波変換装置では電源効率に着目したフォトダイオードの動作について十分に検討がなされてこなかったので、出力電力がサブＷからＷオーダーのマイクロ波が得られ電源効率が十分高い光マイクロ波変換装置が提供されていないという問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、電源効率が十分高く出力電力がサブＷからＷオーダー級のマイクロ波を出力する光マイクロ波変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る光マイクロ波変換装置は、マイクロ波の周波数により半波整流波形に強度変調された光信号を発生する手段と、逆バイアス電圧が印加され、且つ上記光信号が入力されるとマイクロ波電気信号を出力するフォトダイオードと、を有する。
【０００９】
また、この発明に係る他の光マイクロ波変換装置は、マイクロ波の周波数により半波整流波形に強度変調された光信号を発生する手段と、上記光信号から位相差が上記マイクロ波の半周期分である２つの光信号に分岐する手段と、共に逆バイアス電圧が印加され、且つ上記２つの光信号がそれぞれ入力されるとマイクロ波電気信号を出力する２つのフォトダイオードと、上記２つのフォトダイオードから出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る光マイクロ波変換装置の効果は、フォトダイオードの電源効率を飛躍的に大きくすることができ、効率の大きい、言い換えれば、出力電力が等しくても消費電力を少なくすることができるということである。
【００１１】
この発明に係る他の光マイクロ波変換装置の効果は、不要な高調波を抑圧でき、簡単な構成で大きな出力が得られるということである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置について図１と図２を参照して説明する。
この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置は、図１に示すように、光信号発生装置１、光信号発生装置１で発生した光が伝播する光ファイバ２、光ファイバ２を伝播した光を受光するフォトダイオード３、負荷回路４、電源端子５、インダクタ６、および、キャパシタ７を備える。
【００１３】
光信号発生装置１は、強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形を示す光信号を発生する。この光信号は、光ファイバ２で伝送され、フォトダイオード３の受光部に入射する。
フォトダイオード３は、アノード端子３ａが接地され、カソード端子３ｃが電源端子５および負荷回路４（図１では負荷回路４を抵抗で図示してある）に接続されている。
電源端子５には図示しない電源からプラスの電位が印加されている。
そのため、フォトダイオード３は、アノード端子３ａ側がマイナスの電位、カソード端子３ｃ側がプラスの電位となるように、逆バイアスされている。
電源から印加される直流とマイクロ波信号が分離するように、インダクタ６およびキャパシタ７が適切な場所に接続されている。
なお、光信号発生装置１が強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形の光信号を発生する手段である。
【００１４】
次に、フォトダイオード３に強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形を示す光信号を入射することの技術的意義を説明する。
図２は、フォトダイオード３の入射光の光強度をパラメータとした特性曲線である。図２の横軸は電圧、縦軸は電流を表している。電圧、電流の符号は、分かりやすいように逆バイアスの向きを正として表している。
フォトダイオード３が逆バイアスされているので、図２の電圧が正の部分では、光が入射しない状態、すなわち横軸上のＢ点では、電流はほとんど流れない。
一方、光が入射すると、光電流と呼ばれる電流が流れる。逆バイアス状態では、光電流の値は入射光の光強度にほぼ比例する。
また、光電流の値は入射光の光強度が一定であれば、電圧が変化してもあまり変化しない。この特性は光強度をベース電流と置き換えればバイポーラトランジスタの特性に類似している。また、光強度をゲート電圧と置き換えれば電界効果トランジスタの特性にも類似している。このことは、ベース電流やゲート電圧を制御する代わりにフォトダイオード３に入射する入射光の光強度を同様に制御すれば、マイクロ波領域で動作するバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ（以下、まとめてマイクロ波トランジスタと称す）でベース電流やゲート電圧を制御することによりＡ級、Ｂ級、ＡＢ級などの各種の動作級で動作させることができるように、フォトダイオード３で光強度を制御することにより各種の動作級で動作させることができることを意味する。
【００１５】
図２に斜めに引いた負荷線は、フォトダイオード３に一定の負荷抵抗を接続した場合の電圧と電流の関係を示す線である。
この関係をマイクロ波トランジスタに置き換えると、通常マイクロ波トランジスタでは図中Ａで示す点が中点となるようにバイアスをかけた正弦波形のマイクロ波で振幅変調をかけるＡ級動作や、図中Ｂで示す点が中点となるようにバイアスをかけた正弦波形のマイクロ波で振幅変調をかけるＢ級動作などが行われる。そして、Ａ級動作ではトランジスタ効率の理論最大値が５０％になり、Ｂ級動作ではトランジスタ効率の理論最大値が７８．５％になることが知られている。
【００１６】
一方、従来のフォトダイオード３では制御信号としての入射光の光強度の平均値が実質Ａ点にくるように調整されており、マイクロ波トランジスタのＡ級動作に相当する動作が行われている。しかし、フォトダイオード３を実質Ｂ点が中点になるよう入射光を制御して動作させることができれば、マイクロ波トランジスタと同様に電源効率を飛躍的に向上することができるということを意味している。
【００１７】
なお、マイクロ波トランジスタをＢ級動作させる場合、バイアス点を図２の点Ｂにし、入力信号として正弦波形のマイクロ波を入力すればＢ級動作が可能である。これは、入力信号の電流、または、電圧が０以下になった場合、トランジスタは動作せず、負の入力はトランジスタの動作としては無視できるためである。
しかし、フォトダイオード３の入力信号は入射光であり、入射光の光強度に負の値はあり得ない。すなわち、フォトダイオード３の動作においては、正弦波形に強度変調された入射光を用いる限り、バイアス点を図２の点Ｂにすることはできない。
【００１８】
一方、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置では、フォトダイオード３に入射する入射光が、強度がマイクロ波の周波数の半波整流波形を示す光である。このため、フォトダイオード３の動作点の中点を、実質的に図２のＢ点に相当する場所とすることができる。このため、フォトダイオード３をマイクロ波トランジスタのＢ級動作に相当する動作級で動作することができる。この結果、従来のＡ級動作での電源効率の理論限界が５０％であったために制限されていたフォトダイオード３の効率を、Ｂ級動作での電源効率の理論限界である７８．５％まで、飛躍的に高めることができる。このことは、同じマイクロ波出力信号を得るときの平均光電流（直流成分）を、Ａ級動作よりも小さくでき、供給電力を小さくできることからも理解される。
【００１９】
なお、実際の装置では種々の要因により、通常は電源効率を理論限界にまで到達させることは困難であるが、従来のようにフォトダイオード３をＡ級動作した場合に比較すれば、大幅に電源効率を高めることができる。
【００２０】
この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置では、フォトダイオード３をマイクロ波トランジスタのＢ級動作に相当する動作級で動作することができるため、電源効率の高い光マイクロ波変換装置が得られる。特に大きな出力電力を必要とする装置において、同じ電力を得る場合でも、従来と比べ消費電力を小さくすることができるという顕著な効果がある。
【００２１】
なお、実施の形態１において、図２の点Ｂにバイアス点をとった場合について示したが、この発明はこれに限らず、点Ａと点Ｂの中間にバイアス点をとりマイクロ波トランジスタのＡＢ級に相当する動作級で動作させても良い。これは後述するように、フォトダイオード３へ入射する光の波形を若干変化させることによって容易に実現できる。
【００２２】
また、実施の形態１では、フォトダイオード３に正弦波の上半分の波形、すなわち半波整流波形の入射光を入射しているが、この発明はこれに限らず、これに類似し、平均パワーが最大値と最小値の平均よりも小さい周期関数状に振幅変調された入射光であれば、実施の形態１と同様な効果が得られる。すなわち、これらの波形の光信号も半波整流波形の強度変調された入射光に含まれている。
【００２３】
また、実施の形態１では、フォトダイオード３にカソード端子３ｃ側からプラスのバイアス電圧を印加しているが、この発明はこれに限らず、フォトダイオード３にアノード端子３ａ側からマイナスのバイアス電圧を印加しても良く、フォトダイオード３が逆バイアスされる回路構成であれば同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置は、図３に示すように、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置に高調波処理回路８を追加したことが異なり、それ以外は同様である。
この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置は、図３に示すように、光信号発生装置１、光信号発生装置１で発生した光が伝播する光ファイバ２、光ファイバ２を伝播した光を受光するフォトダイオード３、負荷回路４、電源端子５、インダクタ６、キャパシタ７、および、高調波処理回路８を備える。
【００２５】
光信号発生装置１は、強度がマイクロ波の周波数によって変調された全波のうちの半波だけからなる半波整流波形に強度変調された光信号を発生する。この光信号は、光ファイバ２を伝播し、フォトダイオード３の受光部に入射する。
フォトダイオード３は、アノード端子３ａが接地され、カソード端子３ｃが電源端子５および負荷回路４（図３では負荷回路４を抵抗で図示してある）に接続されている。
電源端子５には図示しない電源からプラスの電位が印加されている。
そのため、フォトダイオード３は、アノード端子３ａ側がマイナスの電位、カソード端子３ｃ側がプラスの電位となるように、逆バイアスされている。
電源から印加される直流とマイクロ波信号が分離するように、インダクタ６およびキャパシタ７が適切な場所に接続されている。
フォトダイオード３のカソード端子３ｃと負荷回路４との間には高調波処理回路８が接続されている。
【００２６】
この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置では、この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置と同様に、フォトダイオード３をマイクロ波トランジスタのＢ級やＡＢ級と同様な動作級で動作することができるので、電源効率が高い光マイクロ波変換装置を得ることができる。
また、フォトダイオード３のカソード端子３ｃと負荷回路４との間に高調波処理回路８が接続されている。図３において、フォトダイオード３のカソード端子３ｃからは、高周波成分としては、入力した入射光とほぼ同様の波形をしたマイクロ波の電流が出力される。すなわち、マイクロ波の基本周波数ｆ０によって半波整流された波形の電気信号が出力される。この信号には周波数２×ｆ０を主成分とする、振幅の大きな高調波成分が含まれている。通常この高調波成分は不要となるものであり、除去されることが望ましい。
【００２７】
この発明の実施の形態２に係る高調波処理回路８は、マイクロ波スタブにより構成されている。マイクロ波スタブのインピーダンスは、マイクロ波スタブの接続点において周波数が２×ｆ０の２倍波に対してショートになるように調整されている。従って、フォトダイオード３で発生した２倍波は高調波処理回路８で反射され、負荷回路４には到達しない。
なお、周波数がｆ０の基本波は、高調波処理回路８の周波数ｆ０のインピーダンスが接続点においてショートにならないため、ほとんど影響を受けない。
【００２８】
この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置では、フォトダイオード３をマイクロ波トランジスタのＡＢ級やＢ級に相当する動作級で動作できるので、電源効率が高い光マイクロ波変換装置を得ることができる。
また、高調波処理回路８がフォトダイオード３のカソード端子３ｃと負荷回路４との間に配備されるので、負荷回路４に不要な高調波が到着しないようにすることができる。
【００２９】
なお、実施の形態２においては、高調波処理回路８としてマイクロ波スタブを設ける場合を示したが、この発明はこれに限らず、インダクタとキャパシタの共振を利用した高調波処理回路など、種々の高調波処理回路を用いても良い。
また、２倍波を処理する回路以外に３倍波以上の高調波を処理する回路を接続しても良い。また、これらの回路を複数個用いても良い。
【００３０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置は、図４に示すように、光信号発生装置１、光信号発生装置１で発生した光が伝播する前段光ファイバ２、前段光ファイバ２を伝播した光を２つの光に分岐する光分岐回路９、光分岐回路９で分岐された２つの光が伝播する後段光ファイバ２Ａ、２Ｂ、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂをそれぞれ伝播した２つの光を受光する２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂ、負荷回路４、電源端子５、電源端子５とフォトダイオード３Ａ、３Ｂのカソード端子３Ａｃ、３Ｂｃとをそれぞれ接続するインダクタ６Ａ、６Ｂ、および、キャパシタ７Ａ、７Ｂを備える。
後段光ファイバ２Ａと後段光ファイバ２Ｂの長さは、フォトダイオード３Ａとフォトダイオード３Ｂに入射される入射光の位相差が互いにマイクロ波の半周期分になるように調整されており、長さが異なっている。
【００３１】
光信号発生装置１は、強度がマイクロ波の周波数によって変調された全波のうちの半波だけからなる半波整流波形に強度変調された光信号を発生する。この光信号は、前段光ファイバ２を伝播し、光分岐回路９に入力される。
光分岐回路９は、入力された光信号を２つの光信号に分岐して後段光ファイバ２Ａ、２Ｂに出力する。この後段光ファイバ２Ａ、２Ｂを伝播した２つの光信号は２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂの受光部にそれぞれ入射する。なお、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂを伝播した２つの光の位相は、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂの長さが異なるので、マイクロ波の半周期分の位相差がつく。
なお、光分岐回路９および後段光ファイバ２Ａ、２Ｂにより光信号からマイクロ波の半周期分の位相差がある２つの光信号に分岐する手段を構成する。
【００３２】
２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂは、共にアノード端子３Ａａ、３Ｂａが接地されており、カソード端子３Ａｃ、３Ｂｃが電源端子５および負荷回路４（抵抗で図示）に接続されている。
２つの電源端子５には、共に図示しない電源からプラスの電位が印加されており、２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂは共にアノード端子３Ａａ、３Ｂａ側がマイナスの電位となり、カソード端子３Ａｃ、３Ｂｃ側がプラスの電位となるように、逆バイアスされている。
また、電源から供給される直流成分とマイクロ波信号とを分離するように、インダクタ６Ａ、６Ｂおよびキャパシタ７Ａ、７Ｂが適切な場所に接続されている。
【００３３】
また、フォトダイオード３Ａのカソード端子３Ａｃと、フォトダイオード３Ｂのカソード端子３Ｂｃとの間に、負荷回路４が接続されていることにより、負荷回路４には、フォトダイオード３Ａからの電気出力と、フォトダイオード３Ｂからの電気出力とが、逆相に印加される構造となっている。
なお、逆バイアス電圧が印加された２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂのカソード端子３Ａｃ、３Ｂｃ同士に接続された負荷回路４により２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段が構成されている。
【００３４】
この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置では、前述した実施の形態１や実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置と同様、フォトダイオード３Ａ、３Ｂをマイクロ波トランジスタのＢ級やＡＢ級と同様な動作級で動作することができるので、電源効率が高い光マイクロ波変換装置を得ることができる。
また、この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置では、２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂに、互いにマイクロ波の半周期分の位相差を有する入射光が入射され、フォトダイオード３Ａ、３Ｂからの電気出力を負荷回路４で互いに逆相で受信するように構成されており、この構成はマイクロ波トランジスタのプッシュプル回路に相当する回路構成である。このため、それぞれのフォトダイオード３Ａ、３Ｂからの半波整流波形の出力信号が合成され、負荷回路４において正弦波波形の出力信号を受信することができる。この信号は、不要波である高調波成分をほとんど含んでいない。
また、１つのフォトダイオード３を用いる場合に比べ電流値を２倍とすることができる。
【００３５】
この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置では、フォトダイオード３Ａ、３Ｂをマイクロ波トランジスタのＡＢ級やＢ級に相当する動作級で動作することができるため、電源効率の高い光マイクロ波変換装置が得られる。
また、この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置は、不要な高調波を抑圧でき、簡単な構成で大きな出力が得られるという効果を奏する。なお、この実施の形態３において、負荷回路４を抵抗で示しているが、この発明はこれに限らず、負荷回路４として差動回路の入力端子など、２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂからの出力を逆相で受信する、あらゆる種類の回路を接続することができ、この場合にも同様な効果が得られる。
【００３６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る光マイクロ波変換装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態４に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態４に係る光マイクロ波変換装置は、図５に示すように、光信号発生装置１、光信号発生装置１で発生した光を伝送する前段光ファイバ２、前段光ファイバ２を伝播した光を２つの光に分岐する光分岐回路９、光分岐回路９で分岐された２つの光を伝送する後段光ファイバ２Ａ、２Ｂ、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂをそれぞれ伝播した２つの光を受光する２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂ、負荷回路４、プラス電源端子５Ａ、マイナス電源端子５Ｂ、および、キャパシタ７を備える。
後段光ファイバ２Ａと後段光ファイバ２Ｂの長さは、フォトダイオード３Ａとフォトダイオード３Ｂに入射される入射光の位相差がマイクロ波の半周期分になるように違えられている。
【００３７】
光信号発生装置１は、強度がマイクロ波の周波数によって変調された全波のうちの半波だけからなる半波整流波形に強度変調された光信号を発生する。この光信号は、前段光ファイバ２を伝播し、光分岐回路９に入力される。
光分岐回路９は、入力された光信号を２つの光信号に分岐し、それぞれを後段光ファイバ２Ａ、２Ｂに出力する。この２つの光信号は２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂの受光部にそれぞれ入射する。なお、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂを伝播する２つの光の位相には、後段光ファイバ２Ａ、２Ｂの長さが異なるので、マイクロ波の半周期分の位相差がつく。
【００３８】
２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂは、フォトダイオード３Ａのアノード端子３Ａａと、フォトダイオード３Ｂのカソード端子３Ｂｃとが接続するように直列に接続されている。この接続点からキャパシタ７を介して負荷回路４（抵抗で図示）が接続されている。
フォトダイオード３Ａのカソード端子３Ａｃはプラス電源端子５Ａに接続され、フォトダイオード３Ｂのアノード端子３Ｂａはマイナス電源端子５Ｂに接続される。
また、プラス電源端子５Ａには図示しない電源からプラスの電位が印加されており、マイナス電源端子５Ｂには図示しない電源からマイナスの電位が印加されている。
このため２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂは、共に、アノード端子３Ａａ、３Ｂａ側の電位がカソード端子３Ａｃ、３Ｂｃ側の電位より低くなっているので、逆バイアスされている。
【００３９】
フォトダイオード３Ａをカソード端子３Ａｃからアノード端子３Ａａに流れる交流電気信号は、負荷回路４に流れ込みＧＮＤに流れ出る。一方、フォトダイオード３Ｂをカソード端子３Ｂｃからアノード端子３Ｂａに流れる交流電気信号は、ＧＮＤから負荷回路４に流れ込み、負荷回路４からカソード端子３Ｂｃに流れ込む。すなわち、負荷回路４には、フォトダイオード３Ａの電気出力とフォトダイオード３Ｂの電気出力とが、逆相に印加される構造となっている。
なお、逆バイアス電圧が印加された直列接続の２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂの接続点に接続された負荷回路４により２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂが出力するマイクロ波電気信号を互いに逆位相で取り出す手段が構成されている。
【００４０】
この発明の実施の形態４に係る光マイクロ波変換装置では、前述した実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置と同様、それぞれのフォトダイオード３Ａ、３Ｂをマイクロ波トランジスタのＢ級やＡＢ級と同様な動作級で動作することができるので、電源効率の高い光マイクロ波変換装置が得られる効果がある。
また、２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂをマイクロ波トランジスタのプッシュプル回路に相当する動作をさせることができるので、不要な高調波成分をほとんど含まず、大きな電力の出力電気信号が得られる。
【００４１】
また、図５では抵抗で示しているが、負荷回路４には、あらゆる不平衡回路の入力を接続することができ、接続の際にバラン等の回路も不要である。このように簡単な回路構成で、本発明の効果が得られる。
【００４２】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置について図１および図６、図７を参照して説明する。図６は、この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置は、図１に示すこの発明の実施の形態１に係わる光マイクロ波変換装置と構成が同様であるが、実施の形態５においては光信号発生装置１の詳細を説明する。なお、光信号発生装置１以外は実施の形態１における説明と同様であるので説明は省略する。
【００４３】
この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置１は、図６に示すように、レーザダイオード１０、リチウムナイオベート光強度変調器（以下、ＬＮ光強度変調器と称する）１１、マイクロ波入力端子１２、バイアス端子１３、および、光出力端子１４を備える。
【００４４】
レーザダイオード１０は、一定振幅のレーザ光を発生する。このレーザ光はＬＮ光強度変調器１１に入力される。ＬＮ光強度変調器１１にはマイクロ波入力端子１２およびバイアス端子１３が設けられており、マイクロ波入力端子１２からは正弦波状のマイクロ波電圧が、バイアス端子１３からは直流バイアス電圧が印加されている。
【００４５】
図７は、ＬＮ光強度変調器１１の動作を説明するときに用いる図である。図７において、グラフの横軸はＬＮ光強度変調器１１に印加する電圧を示し、縦軸はＬＮ光強度変調器１１から出力される光の強度を表している。
ＬＮ光強度変調器１１の出力光強度は、図７中の太線で示すように、印加電圧に応じて変化し、図中Ｖ０で示す基準となる電圧のとき出力光強度が最大になる。そして、この基準となる電圧Ｖ０に半波長電圧Ｖπと呼ばれる電圧を加算した電圧（Ｖ０＋Ｖπ）を印加したときに出力光強度はほぼ０となる。ＬＮ光強度変調器１１の通常の使用では、バイアス端子１３から印加する直流電圧を（Ｖ０＋Ｖπ／２）として、図７中の点Ｃが中点になるように調整し、そこに正弦波状のマイクロ波の電圧をマイクロ波入力端子１２から加えて動作させることが多い。
【００４６】
しかし、この発明の実施の形態５に係る光信号発生装置１では、通常とは異なり、バイアス端子１３から印加する直流電圧を（Ｖ０＋Ｖπ／２）から離れて（Ｖ０＋Ｖπ）に近い電圧として、図７中の点Ｄが中点になるように調整している。
また、マイクロ波入力端子１２から入力する正弦波のマイクロ波の電圧振幅を調整することにより、ＬＮ光強度変調器１１に全体として印加する電圧の正弦波の振幅が、図７に入力電圧として示すように、電圧Ｖ０より僅かに高い電圧と電圧（Ｖ０＋Ｖπ）の近傍の電圧との間に収まるように調整されている。
このようにＬＮ光強度変調器１１に印加する電圧を調整すると、ＬＮ光強度変調器１１の光出力端子１４から出力される光信号の強度は、図７に出力光として示すように、中点Ｄに対応する電圧より高い電圧がＬＮ光強度変調器１１に印加されるときは印加される電圧に関わらず弱く、中点Ｄに対応する電圧より低い電圧がＬＮ光強度変調器１１に印加されるときだけ印加される電圧に対応して増減する。
この出力光は、中点Ｄに対応する電圧より高い電圧がＬＮ光強度変調器１１に印加されるとき弱い光強度を示し、完全には零ではないが、ほぼマイクロ波の周波数により強度変調された全波のうち半波からなる半波整流波形に強度変調された光信号となる。
【００４７】
この発明の実施の形態５による光信号発生装置１では、ＬＮ光強度変調器１１を用いて、半波整流波形に強度変調された光信号を発生することができ、この光信号が光ファイバ２を伝播し、フォトダイオード３に入射されるので、実施の形態１と同様に、電源効率の高い光マイクロ波変換装置が得られる。
【００４８】
なお、構成を図６の光信号発生装置１と同様とし、ＬＮ光強度変調器１１のバイアス点をほぼ中点Ｃとし、マイクロ波入力端子１２から入力するマイクロ波の電圧自身を半波整流の波形としても、光信号発生装置１の光出力端子１４から、半波整流波形に強度変調された光信号を得ることができることは明らかである。この場合も同様に、本発明の効果が得られる。
【００４９】
また、実施の形態５による光信号発生装置１の光強度変調器としてＬＮ光強度変調器１１を用いているが、この発明はこれに限らず、マッハツェンダー型光強度変調器であれば同様な効果を得ることができる。
【００５０】
また、マッハツェンダー型光強度変調器以外であっても、電界吸収型変調器を半波整流波形のマイクロ波信号で駆動することにより、半波整流波形に強度変調された光信号を得ることができれば、あらゆる光変調器を用いることができる。
【００５１】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置について図１および図８、図９を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置は、図１に示すこの発明の実施の形態１に係わる光マイクロ波変換装置と構成が同様であるが、実施の形態６においては光信号発生装置１の詳細を説明する。なお、光信号発生装置１以外は実施の形態１における説明と同様であるので説明は省略する。
【００５２】
この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置１は、図８に示すように、レーザダイオード１０、バイアス端子１３、および、光出力端子１４を備える。
レーザダイオード１０には、バイアス端子１３から直流およびマイクロ波の電流を供給する。
【００５３】
図９は、レーザダイオード１０の動作を説明するときに用いる図である。図９において、グラフの横軸はレーザダイオード１０に印加する電流値を示し、縦軸はレーザダイオード１０から出力される光の強度を示している。
レーザダイオード１０は、電流値を零から増加しても図９中の点Ｅで示す閾値に達するまでは、レーザダイオード１０からの出力はほとんど０である。しかし、電流値が点Ｅで示す閾値よりも大きくなると、電流値に対して出力光強度がほぼ直線状に増加する。
図９に入力電流として示すように、正弦波の零点を点Ｅで示す閾値に一致するようにして入力電流をレーザダイオード１０に印加すると、閾値より小さい入力電流が入力されるときには光強度が０であり、閾値より大きい入力電流が入力されるときには入力電流の増加分に比例する光強度の光信号が出力される。そして、光出力端子１４から、図９に出力光として示すように、半波整流波形に強度変調された光信号が出力される。
【００５４】
この発明の実施の形態６に係る光信号発生装置１では、レーザダイオード１０に直接変調をかけて、半波整流波形に強度変調された光信号を発生することができ、この光信号が光ファイバ２を伝播し、フォトダイオード３に入射するので、実施の形態１と同様に、電源効率の高い光マイクロ波変換装置が得られる。
【００５５】
なお、構成を図８に示す光信号発生装置１と同様とし、レーザダイオード１０のバイアス点を閾値の点Ｅより大きくした状態で、バイアス端子１３から入力するマイクロ波の電流自身を半波整流波形としても、半波整流波形に強度変調された光信号を得ることができ、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
この発明の実施の形態７に係る光マイクロ波変換装置について図１０を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施の形態７に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態７に係る光マイクロ波変換装置は、図１０に示すように、波長が異なる光信号を発生する２つの光信号発生装置１Ａ、１Ｂ、２つの光信号発生装置１Ａ、１Ｂからの光信号が伝播する前段光ファイバ２１Ａ、２１Ｂ、前段光ファイバ２１Ａ、２１Ｂをそれぞれ伝播した２つの光信号を合波する光合波器１５、合波した信号光が伝播する中段光ファイバ２１Ｃ、中段光ファイバ２１Ｃを伝播した光信号を２つの信号に分波する光分波器１６、分波した２つの光信号が伝播する後段光ファイバ２１Ｄ、２１Ｅ、後段光ファイバ２１Ｄ、２１Ｅを伝播した光信号を受光部で受光する２つのフォトダイオード３Ａ、３Ｂ、負荷回路４、プラス電源端子５Ａ、マイナス電源端子５Ｂ、および、キャパシタ７を備える。
【００５７】
２つの光信号発生装置１Ａ、１Ｂは、それぞれマイクロ波の周波数により半波整流波形に強度変調された第１の光信号および第２の光信号を発生する。第１の光信号の位相は、第２の光信号の位相に対してマイクロ波の半周期分だけ位相差を有している。また、第１の光信号および第２の光信号の波長は、それぞれλ１、λ２であり、異なる波長である。
第１の光信号と第２の光信号とは光合波器１５で合成され、中段光ファイバ２１Ｃを伝播し、光分波器１６に入力する。
光分波器１６は一種の光フィルタであり、光の波長によって、異なる出力端子に光信号を分波する。このため、光分波器１６からの出力のうち、後段光ファイバ２１Ｄには波長λ１の第１の光信号のみが、後段光ファイバ２１Ｅには波長λ２の第２の光信号のみが出力される。
分波された第１の光信号と第２の光信号は、それぞれフォトダイオード３Ａとフォトダイオード３Ｂに入射する。第１の光信号および第２の光信号は半波整流波形に強度変調された光信号であり、互いにマイクロ波の半周期分の位相差を有している。このため、実施の形態４と同様に、フォトダイオード３Ａ、３ＢをＢ級プッシュプル動作と同様に駆動することができる。したがって、電源効率が高く大出力で、不要波成分の少ない光マイクロ波変換装置を得ることができる。
【００５８】
このような装置において、光ファイバ２によって伝送できる光信号の強度には限界がある。また、光ファイバ２を伝送する光信号を光増幅器によって増幅する場合も同様であり、増幅できる光信号の強度には限界がある。この限界値はその光信号の強度の最大値にも依存する。図１０においては、光合波器１５により合成された光信号は波長の異なる２つの信号が交互に伝送されている。このため、半波整流波形に強度変調された光信号を単独で伝送する場合に比べ、最大強度が同じでも、２倍の量の信号を伝送することができる。光分波器１６は波長により信号を選択できるので、フォトダイオード３Ａ、３Ｂに入力する光信号の強度は、それぞれの波長成分の信号の強度と同様に大きい値とすることができる。このため、フォトダイオード３から出力される電気信号の電力を、さらに大きくすることができる。
【００５９】
このように、本発明の実施の形態７に係る光マイクロ波変換装置では、さらに出力電力の大きな光マイクロ波変換装置が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光マイクロ波変換装置のフォトダイオードの動作を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置部の構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置部の動作を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置部の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態６に係る光マイクロ波変換装置の光信号発生装置部の動作を説明する図である。
【図１０】この発明の実施の形態７に係る光マイクロ波変換装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ、１Ｂ  光信号発生装置、２、光ファイバ、２Ａ、２Ｂ  後段光ファイバ、３、３Ａ、３Ｂ  フォトダイオード、３ａ、３Ａａ、３Ｂａ  アノード端子、３ｃ、３Ａｃ、３Ｂｃ  カソード端子、４  負荷回路、５  電源端子、５Ａ  プラス電源端子、５Ｂ  マイナス電源端子、６、６Ａ、６Ｂ  インダクタ、７、７Ａ、７Ｂ  キャパシタ、８  高調波処理回路、９  光分岐回路、１０  レーザダイオード、１１  ＬＮ光強度変調器、１２  マイクロ波入力端子、１３  バイアス端子、１４  光出力端子、１５  光合波器、１６  光分波器、２１Ａ、２１Ｂ  前段光ファイバ、２１Ｃ  中段光ファイバ、２１Ｄ、２１Ｅ  後段光ファイバ。
【図１】
2009005141.tif 000003
【図２】
2009005141.tif 000004
【図３】
2009005141.tif 000005
【図４】
2009005141.tif 000006
【図５】
2009005141.tif 000007
【図６】
2009005141.tif 000008
【図７】
2009005141.tif 000009
【図８】
2009005141.tif 000010
【図９】
2009005141.tif 000011
【図１０】
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