JP7297187B2 - Phase adjuster and optical circuit - Google Patents
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Description
本発明は、無線伝送用の高周波信号を光信号により伝送するシステムにおいて使用可能な位相調整器及び光回路に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a phase adjuster and an optical circuit that can be used in a system that transmits high-frequency signals for wireless transmission by optical signals.
近年、携帯電話(特にスマートフォン)の普及はめざましく、データ通信のトラフィックの急増に対応するため、基幹局と無線アンテナ局の間を結ぶ通信路(モバイルフロントホール(MFH:Mobile Front Haul)とも称される。)の伝送容量を増加させる伝送方式が急務となっている。MFHにおいて現在普及している伝送方式は、光ファイバを用いる方式である。これは、電波の元となる高周波無線信号をそのまま同軸ケーブルで伝送するよりも、細くて軽量でかつ伝送損失が低い光ファイバで伝送するほうが、合理的で経済性に優れるからである。光ファイバを用いる伝送方式では、CPRI(common public radio interface)と呼ばれるデジタル伝送方式がよく用いられている(例えば、非特許文献1)。CPRIの伝送容量は最大で10Gb/s程度であり、現在普及している通常の基幹伝送網用の光ファイバ通信の伝送容量(100Gb/s×波長多重数80の場合、8000Gb/s)と比較してかなり少ない。これは、MFHは市内網であり、基幹網と比較して通信路の本数が極端に多いため、性能(すなわち伝送容量)よりは低コスト性が重要であるためである。 In recent years, mobile phones (especially smartphones) have spread remarkably, and in order to cope with the rapid increase in data communication traffic, a communication path (also known as a mobile front haul (MFH)) that connects the base station and the radio antenna station is used. There is an urgent need for a transmission method that increases the transmission capacity of A currently popular transmission method for MFH is a method using an optical fiber. This is because it is more rational and economical to transmit a high-frequency radio signal, which is the source of radio waves, through an optical fiber that is thin, lightweight, and has low transmission loss, rather than through a coaxial cable. In transmission systems using optical fibers, a digital transmission system called CPRI (common public radio interface) is often used (for example, Non-Patent Document 1). The maximum transmission capacity of CPRI is about 10 Gb/s, which is compared to the transmission capacity of the currently popular optical fiber communication for the backbone transmission network (8000 Gb/s in the case of 100 Gb/s x 80 wavelength multiplexing). and quite few. This is because the MFH is a local network and has an extremely large number of communication paths compared to the backbone network, so low cost is more important than performance (that is, transmission capacity).
また、ユーザ端末との間で電波を送信又は受信する無線アンテナ局(アンテナ及びその電源、無線機器並びにCPRI機器を含み、RRH(Remote Radio Head)と呼ばれる。)のサイズ小型化や運用コスト低減の視点から、RRHの簡素化が求められている。更に、アンテナの送受信効率の向上のため、アンテナは複数の小型アンテナから構成され(合成開口アンテナ)、電波の送受信を特定の方向に集中させる方式が採用されている。所望の特性を得るため、個々の小型アンテナに供給される高周波無線信号の位相及び振幅(すなわち波形)を適切に制御する必要がある。 In addition, it will be possible to reduce the size and operating costs of radio antenna stations that transmit or receive radio waves to and from user terminals (including antennas and their power sources, radio equipment, and CPRI equipment, and are called RRH (Remote Radio Heads)). From the point of view, simplification of RRH is desired. Furthermore, in order to improve the transmission/reception efficiency of the antenna, the antenna is composed of a plurality of small antennas (synthetic aperture antenna), and a method of concentrating transmission/reception of radio waves in a specific direction is adopted. In order to obtain the desired characteristics, it is necessary to properly control the phase and amplitude (ie waveform) of the high frequency radio signal supplied to each small antenna.
現在のMFHシステムでは、この無線信号(例えば電波が800MHz帯の場合には800MHzの高周波信号)をCPRI回線でデジタル伝送している。この場合、CPRI回線に必要な伝送容量は、800MHz(搬送波周波数)×2(標本化定理)×8bit(量子化数)=12.8Gb/s であり、CPRIの伝送能力の限界に達している。もちろん、符号化方式の改良等により改善の余地はあるが、抜本的な伝送能力の向上は望めない状況である。 In the current MFH system, this radio signal (for example, a high frequency signal of 800 MHz when radio waves are in the 800 MHz band) is digitally transmitted through a CPRI line. In this case, the transmission capacity required for the CPRI line is 800 MHz (carrier frequency) x 2 (sampling theorem) x 8 bits (quantization number) = 12.8 Gb/s, reaching the limit of the CPRI transmission capacity. . Of course, there is room for improvement by improving the coding method, etc., but the situation is such that drastic improvement in transmission capability cannot be expected.
これに対し、第五世代(5G)又はそれ以降の携帯電話サービスでは、ユーザ端末との通信速度を向上させるため、現在、搬送波周波数を高める方向で開発が進んでいる。例えば、28GHzのミリ波を用いることが検討されているが、CPRI回線ではミリ波の無線信号をデジタル伝送するために必要な伝送容量が不足する。このようなCPRI回線の伝送容量の不足に対処するために、電波として送出されるミリ波信号等の高周波信号で光信号を強度変調して光ファイバで伝送するRoF(radio over fiber)方式が注目されている。なお、上述のCPRIは、デジタルのRoFともいわれる。RoF方式では、高周波信号波形をそのままアナログ方式で光信号の強度により表現するため、デジタル方式における標本化及び量子化に伴う伝送容量の制限がない。そのため、例えば28GHzのミリ波信号も容易に光ファイバで伝送可能であり、RoF方式は第五世代又はそれ以降で用いられる伝送方式の有力候補である。 On the other hand, in the fifth generation (5G) or later mobile phone services, development is currently progressing in the direction of increasing the carrier wave frequency in order to improve the communication speed with user terminals. For example, the use of millimeter waves of 28 GHz is being studied, but the CPRI line lacks the transmission capacity necessary for digital transmission of millimeter wave radio signals. In order to deal with the lack of transmission capacity of such CPRI lines, the RoF (radio over fiber) method, which modulates the intensity of optical signals with high-frequency signals such as millimeter-wave signals sent as radio waves and transmits them over optical fibers, is attracting attention. It is The above CPRI is also called digital RoF. In the RoF system, since the high-frequency signal waveform is expressed as it is by the intensity of the optical signal in an analog system, there is no limit on the transmission capacity associated with sampling and quantization in the digital system. Therefore, for example, millimeter wave signals of 28 GHz can be easily transmitted through optical fibers, and the RoF system is a strong candidate for the transmission system used in the fifth generation or later.
また、このように周波数の高い搬送波を用いるとアンテナの指向性が高まる。この場合、1つのRRHのカバーエリアを意図的に小さくし収容ユーザ数を低減することにより、1ユーザ当たりの伝送速度を向上させることが可能である。その際、需要に応じてアンテナの指向性を可変にする(すなわち電波の伝搬方向を制御する)ビームステアリング技術が必要となる。 In addition, the directivity of the antenna is enhanced by using such a high-frequency carrier wave. In this case, it is possible to increase the transmission rate per user by intentionally reducing the coverage area of one RRH to reduce the number of accommodated users. In this case, beam steering technology is required to change the directivity of the antenna according to demand (that is, to control the propagation direction of radio waves).
RRH等の無線アンテナ局においてビームステアリングを実現するためには、個々のアンテナに供給する高周波信号(ミリ波信号)の位相を高精度で制御する必要がある。しかし、RRHの小型化及び省電力化のためには、高周波信号用の位相制御器をアンテナ数だけRRHに導入することは望ましくない。 In order to achieve beam steering in a radio antenna station such as an RRH, it is necessary to precisely control the phase of a high frequency signal (millimeter wave signal) supplied to each antenna. However, in order to reduce the size and power consumption of the RRH, it is not desirable to introduce as many phase controllers for high-frequency signals into the RRH as the number of antennas.
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、MFHシステムにおいて、無線伝送用の高周波信号(ミリ波信号)への変換前に、RoF方式の光信号に含まれる高周波信号の位相を制御するための技術を提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and in an MFH system, the phase of a high-frequency signal contained in an RoF optical signal is adjusted before conversion into a high-frequency signal (millimeter wave signal) for wireless transmission. Provide technology to control.
上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る位相調整器は、無線伝送用の高周波信号の位相調整を行う位相調整器であって、光源から出力された光を無線伝送用の高周波信号で変調して得られた変調光が入力され、前記変調光に含まれる上側帯波と下側帯波とを分離して出力する第1の光周波数フィルタと、前記高周波信号の位相が調整されるように、前記第1の光周波数フィルタにより分離された前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与える、光の位相シフタと、前記位相シフタから出力された前記上側帯波と下側帯波とを合波して出力する第2の光周波数フィルタと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a phase adjuster according to one aspect of the present invention is a phase adjuster that adjusts the phase of a high-frequency signal for wireless transmission, wherein light output from a light source is used for wireless transmission. A first optical frequency filter that receives modulated light obtained by modulating with a high-frequency signal, separates and outputs an upper sideband wave and a lower sideband wave included in the modulated light, and adjusts the phase of the high-frequency signal. an optical phase shifter that gives a phase difference to the upper and lower sidebands separated by the first optical frequency filter, and the upper and lower sidebands output from the phase shifter and a second optical frequency filter that multiplexes and outputs the sideband wave.
本発明によれば、MFHシステムにおいて、無線伝送用の高周波信号(ミリ波信号)への変換前に、RoF方式の光信号に含まれる高周波信号の位相を制御することが可能になる。 According to the present invention, in an MFH system, it is possible to control the phase of a high-frequency signal included in a RoF optical signal before conversion into a high-frequency signal (millimeter wave signal) for wireless transmission.
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一又は同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following embodiments do not limit the invention according to the claims, and not all combinations of features described in the embodiments are essential to the invention. Two or more of the features described in the embodiments may be combined arbitrarily. Also, the same or similar configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations are omitted.
以下で説明する実施形態では、基幹局からユーザ端末の方向の伝送(すなわち、RRHのアンテナからユーザ端末へ電波を送信する場合)について説明する。ただし、高周波信号及び光信号の流れを逆にすれば、ユーザ端末から基幹局の方向の伝送(すなわち、RRHのアンテナでユーザ端末からの電波を受信して基幹局に伝送する場合)も同様に説明できる。 In the embodiments described below, transmission in the direction from the base station to the user terminal (that is, when radio waves are transmitted from the antenna of the RRH to the user terminal) will be described. However, if the flow of the high-frequency signal and the optical signal is reversed, the transmission in the direction from the user terminal to the base station (that is, when the radio wave from the user terminal is received by the antenna of the RRH and transmitted to the base station) is the same. I can explain.
図1は、本発明の一実施形態に係る、高周波信号の位相調整器を活用したビームステアリング機能を有する、RoF方式が適用されたMFHシステムの概略的な構成例を示す図である。本実施形態に係るMFHシステムは、光ファイバ10を介して接続された、基幹局1とRRH5とで構成される。基幹局1は、ミリ波送信機2、光強度変調器3、及び光源4を備えている。RRH5は、光回路6、N個のフォトダイオード(PD)7(7-1,7-2,...,7-N)、N個のミリ波増幅器8(8-1,8-2,...,8-N)、及びN個のアンテナ素子9(9-1,9-2,...,9-N)を備えている。なお、Nは2以上の整数であり、本実施形態ではN=4の場合を例に説明を行う。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of an MFH system to which the RoF method is applied, which has a beam steering function utilizing a high-frequency signal phase adjuster, according to an embodiment of the present invention. The MFH system according to this embodiment is composed of a
ミリ波送信機2は、ユーザに送る信号でミリ波の搬送波を変調することで、アンテナから送信したいミリ波信号(高周波信号)を生成する。ミリ波送信機2によって生成されたミリ波信号は、光強度変調器3に入力される。光強度変調器3は、光源4で発生した光(無変調の連続波)をミリ波信号で強度変調することで、ミリ波信号の波形に応じて強度が変化する光を生成する。この光は、光ファイバ10を伝搬する、アンテナからの送信対象のミリ波信号(高周波信号)を搬送する、RoF方式の光信号である。(以下では、光強度変調器3によって生成される光を「RoF光」と呼ぶ。)このRoF光は、光源4から出力された光を無線伝送用の高周波信号で変調して得られた変調光に相当する。
The
RoF光は、基幹局1から光ファイバ10へ出力される。RoF光は、光ファイバ10の中を伝搬し、RRH5に到達する。RRH5に到達したRoF光は、光回路6に入力される。なお、RoF光の周波数スペクトルは、図1における挿入図にあるように、搬送波である光源4の周波数fcの両側(高周波側及び低周波側)に、変調信号であるミリ波信号の周波数分だけ離れた周波数fL及びfUの周波数成分を有する。このように、RoF光は、下側波帯の周波数fLの光(下側帯波)と上側波帯の周波数fUの光(上側帯波)とを含む。
RoF light is output from the
光回路6は、後述する原理に基づき、RoF光に含まれるミリ波信号の位相を制御し、N個のPD7にRoF光を分配する機能を有する。各PD7は、入力された光の強度を電気信号に変換(より具体的には光強度に比例する電流を出力)し、得られた電気信号を、それぞれ対応するミリ波増幅器8へ出力する。ミリ波増幅器8は、入力された電気信号を増幅し、増幅後の電気信号をミリ波信号として出力する。各ミリ波増幅器8から出力されたミリ波信号は、対応するアンテナ素子9からミリ波の電波として送出される。
The
各アンテナ素子9から空間に送出された電波は、合成されて1つの電波となる。本実施形態では、各アンテナ素子9から送出されるミリ波の位相が一定間隔でずれるように、光回路6の機能により、各アンテナ素子9から送出されるミリ波の位相が制御される。その結果、各アンテナ素子9から送出されて合成されるミリ波は、図1に示すように、N個のアンテナ素子9の配列方向に対して垂直の方向を基準として角度θの方向に放射される。
The radio waves sent out into space from each antenna element 9 are synthesized into one radio wave. In this embodiment, the phase of the millimeter wave transmitted from each antenna element 9 is controlled by the function of the
図2は、本実施形態に係る光回路6の内部の概略的な構成例を示す図である。本実施形態の光回路6は、位相調整された複数の高周波信号を得るための構成を有する。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration example of the inside of the
光回路6は、光を導波する線状の光導波路から構成されている。図3は、光回路6を構成する光導波路の断面斜視図である。図3に示すように、光導波路は、シリコン基板32と、シリコン基板32上に形成されたクラッド層33と、クラッド層33の中に埋め込まれた導波路コア31とから構成される。クラッド(クラッド層33)及びコア(導波路コア31)は、いずれも石英ガラスでできているが、コアにはゲルマニウムが添加されており、コアの屈折率はクラッドの屈折率よりやや高くなっている。これにより、コア内に光を閉じ込めて伝送する機能が実現されている。なお、光導波路には、本実施形態で使用している材料に限定されず、種々の誘電体、半導体、又は有機材料等の、種々の材料を使用可能である。
The
図2に示すように、光回路6は、RoF光が入力される入力ポート20、及びN個のアンテナ素子9(9-1,9-2,...,9-N)に対応するN個の出力ポート29(29-1,29-2,...,29-N)を備えている。光回路6には、入力ポート20とN個の出力ポート29との間に、光分岐部200、光周波数フィルタ201、位相シフタ202、及び光周波数フィルタ203が配置されている。なお、本実施形態において、光周波数フィルタ201、位相シフタ202、及び光周波数フィルタ203は、無線伝送用の高周波信号の位相調整を行う位相調整器の一例を構成する。また、光周波数フィルタ201、位相シフタ202、及び光周波数フィルタ203は、1枚の基板(シリコン基板32)上に形成された光回路6の一部として構成され、当該基板上にモノリシック集積されている。
As shown in FIG. 2, the
光分岐部200は、多段に配置された複数のY分岐22を備えており、入力ポート20に入力されたRoF光(変調光)をN個のRoF光に分岐して出力するように構成されている。入力ポート20には、光源4から出力された光を無線伝送用のミリ波信号で変調して得られたRoF光が入力される。入力ポート20に入力されたRoF光は、光導波路21を通り、第1段目のY分岐22により2等分される。Y分岐22により分岐した2つのRoF光は、後段の(第2段目の)Y分岐22により再び2等分される。このようなRoF光の分岐が繰り返されることで、N等分(本例では4等分)されたN個のRoF光が生成され、光分岐部200から出力される。N個のRoF光は、それぞれ光周波数フィルタ201の方向性結合器23aに達する。
The optical branching
光周波数フィルタ201は、方向性結合器23aと、方向性結合器23bと、方向性結合器23aと方向性結合器23bとの間に並列に設けられた、長さの異なる短アーム導波路24及び長アーム導波路25とを備えている。方向性結合器23a,23bは、2本の導波路(第1及び第2の導波路)が近接した構造を有しており、一方の導波路が短アーム導波路24に接続され、他方の導波路が長アーム導波路25に接続されている。
The
方向性結合器23aは、入力された光を2等分する機能を有する。方向性結合器23aに入力されて2等分されたRoF光は、方向性結合器23aを通過後、それぞれ短アーム導波路24及び長アーム導波路25を伝搬し、後段の方向性結合器23bに到達する。方向性結合器23bにおいて2つのRoF光が合流して混合される。
The
2つの方向性結合器23a,23bと、それらの間に設けられた2本のアーム導波路(短アーム導波路24及び長アーム導波路25)は、マッハ・ツェンダー干渉計を構成する。後段の方向性結合器23bで光が合流する際の干渉により、方向性結合器23bからの出力は光の周波数に依存して周期的に変化する。例えば、等間隔の周波数f1,f3,f5,... が、方向性結合器23bの第1の導波路から出力され、等間隔の周波数f2,f4,f6,... が、第2の導波路から出力される。また、第1の導波路からの出力光と第2の導波路からの出力光との間の周波数差(例えば、f2-f1)をΔfとすると、Δfは次式により表される。
Δf=c/(2・n・ΔL)
ここで、ΔLは長アーム導波路25の長さと短アーム導波路24の長さとの差、nは光導波路の屈折率(より具体的には群屈折率)、cは真空中の光の速度である。
Two
Δf=c/(2·n·ΔL)
Here, ΔL is the difference between the length of the
なお、光周波数フィルタ201は、薄膜ヒータ27及び半波長板28を更に備えている。薄膜ヒータ27は、後述する図4と同様の構造を有し、光の位相を変化させる機能を有している。薄膜ヒータ27は、は、マッハ・ツェンダー干渉計の出力光の周波数(製造誤差を含む)を微調整して、設計値に一致させるために用いる。
Note that the
また、半波長板28は、光学主軸の方向が導波路の基板面から45度傾いて導波路を横切るように挿入されており、導波路中を伝搬する光のTE(transverse electric)モードとTM(transverse magnetic)モードとを入れ替える機能を有する。半波長板28は、マッハ・ツェンダー干渉計の中間地点に挿入される。これにより、マッハ・ツェンダー干渉計の前半部分及び後半部分でそれぞれ生じるTEモードとTMモードと間の位相差の相殺を実現する(すなわち、偏波状態に依存しない理想的なマッハ・ツェンダー干渉計の動作を実現する)。
In addition, the half-
ここで、この光回路6に入力されるRoF光のスペクトルを考える。図1の挿入図に示したように、ミリ波信号で変調されたRoF光は、下側波帯の周波数fL及び上側波帯の周波数fUの成分を含む。本実施形態では、マッハ・ツェンダー干渉計の出力光の周波数f1がfLに一致し、f2がfUに一致するように光周波数フィルタ201を設計する。このように設計することで、RoF光に含まれる、下側波帯の周波数fLの光(下側帯波)と上側波帯の周波数fUの光(上側帯波)とが、マッハ・ツェンダー干渉計(光周波数フィルタ201)により分離されることになる。
Now, consider the spectrum of the RoF light input to this
光周波数フィルタ201により分離された2つのRoF光(上側帯波及び下側帯波)は、位相シフタ202へ入力される。図4(A)及び(B)は、位相シフタ202の概略的な構成例を示す斜視図及び断面図である。図4に示すように、位相シフタ202は、薄膜ヒータ26と、2つの導波路コア31a,31bとを備える、光の位相シフタである。導波路コア31aは、薄膜ヒータ26が設けられ、当該ヒータにより温度が変化する第1の導波路に相当し、導波路コア31bは、ヒータが設けられていない第2の導波路に相当する。位相シフタ202へ入力された2つのRoF光(上側帯波及び下側帯波)は、それぞれ、位相シフタ202の導波路コア31a(第1の導波路)及び導波路コア31b(第2の導波路)を通過して、光周波数フィルタ203へ出力される。
Two RoF lights (upper sideband and lower sideband) separated by the
ここで、図4を用いて位相シフタ202の動作について説明する。位相シフタ202において、シリコン基板32上のクラッド層33の表面には、金属でできた薄膜ヒータ26と、それにつながる電極42,43とが形成されている。電極42,43を通じて薄膜ヒータ26に電流を流すと、薄膜ヒータ26は発熱し、その直下の過熱領域44内にある導波路コア31aの温度を上昇させる。その結果、導波路コア31aにおける温度が上昇した部分の屈折率が上昇し、当該部分を通過する際の光の伝搬速度が熱光学効果により低下する。そのため、ヒータが設けられていない導波路コア31b(第2の導波路)を通過する光と比較すると、薄膜ヒータ26が設けられた導波路コア31a(第1の導波路)を通過する光の位相に差が発生する。
Here, the operation of
したがって、位相シフタ202の第1の導波路及び第2の導波路のうちの一方を、RoF光の上側帯波が通過し、他方をRoF光の下側帯波が通過すると、上側帯波と下側帯波との間に位相差が発生することになる。このようにして発生する位相差は、薄膜ヒータ26への印加電力と比例関係にある。クラッド層33の厚さに依存するが、例えば、180度の位相差を発生させるのに必要な薄膜ヒータ26への印加電力は約0.3Wである。このように、位相シフタ202によりRoF光の上側帯波及び下側帯波に与えられる位相差は、薄膜ヒータ26へ印加される電力に応じて変化する。
Therefore, when the upper sideband of the RoF light passes through one of the first waveguide and the second waveguide of the
なお、本実施形態においては、光導波路の材料がガラスである点を考慮し最も実用的な熱光学効果を原理とし、位相シフタ202による位相差の発生には薄膜ヒータ26を使用しているが、その他の原理を用いて本発明の位相シフタを実現することも可能である。例えば、光導波路の材料が強誘電体(ニオブ酸リチウム等)の場合には電気光学効果を原理とし、熱の発生を伴わない電界を印加する方法を用いて位相シフタを実現してもよい。
In this embodiment, considering that the material of the optical waveguide is glass, the most practical thermo-optical effect is used as a principle, and the
位相シフタ202により位相差が与えられた上側帯波及び下側帯波は、位相シフタ202から光周波数フィルタ203へ出力される。光周波数フィルタ203は、光周波数フィルタ201と同じ設計のマッハ・ツェンダー干渉計で構成されており、光周波数フィルタ201と同じ構成を有する。光周波数フィルタ203の第1及び第2の導波路を、位相シフタ202により位相差が与えられた上側帯波及び下側帯波がそれぞれ通過する。これにより、上側帯波及び下側帯波は合波されて、搬送するミリ波信号の位相が制御(調整)されたRoF光として出力ポート29から出力される。なお、光の分離及び合波に用いたマッハ・ツェンダー干渉計が同一設計であれば、合波時の損失は原理的にはゼロである。すなわち、光周波数フィルタ201と光周波数フィルタ203とが同一設計のマッハ・ツェンダー干渉計で構成されている(光周波数フィルタ203が光周波数フィルタ201と同一の構成を有する)ことで、上側帯波及び下側帯波の合波時の損失を限りなく抑制することが可能である。
The upper sideband wave and the lower sideband wave given a phase difference by the
出力ポート29から出力される、搬送するミリ波信号の位相が制御(調整)されたRoF光は、図1に示すように、光回路6の後段に設けられたPD7へ入力される。なお、図2に示すように、光回路6において、光周波数フィルタ201、位相シフタ202、及び光周波数フィルタ203(すなわち、位相調整器)は、光分岐部200のN個(本例では4個)の出力のそれぞれに対して設けられている。光周波数フィルタ203から出力から出力されたRoF光は、N個の出力ポート29のうちの対応する1つの出力ポートから出力されて、N個のPD7のうち、当該1つの出力ポートと接続されたPDへ入力される。このように、N個の出力ポート29は、N個の位相調整器のうちのそれぞれ対応する位相調整器により位相調整が行われたRoF光(変調光)を出力する。
The RoF light in which the phase of the millimeter-wave signal to be carried is controlled (adjusted), which is output from the output port 29, is input to the PD 7 provided after the
出力ポート29から得られるRoF光に含まれる、上側帯波及び下側帯波の和の電界Eは、薄膜ヒータ26の作用により位相シフタ202で発生した、上側帯波と下側帯波との間の位相差をφとすると、次式で与えられる。
ここで、ωcは搬送波(すなわちレーザー光)の角周波数、ωrはミリ波の角周波数である。なお、図1におけるfC、fL、fUとこれらの角周波数との関係は、ωc=2πfc、ωc-ωr=2πfL、ωc+ωr=2πfUである。なお、上式では、理解を容易にするために周波数fCの搬送波成分を省略している。
The electric field E of the sum of the upper and lower sideband waves contained in the RoF light obtained from the output port 29 is the difference between the upper and lower sideband waves generated in the
Here, ω c is the angular frequency of the carrier wave (that is, laser light), and ω r is the angular frequency of the millimeter wave. The relationships between f C , f L , f U and their angular frequencies in FIG. 1 are ω c =2πf c , ω c −ω r =2πf L , ω c +ω r =2πf U . In the above equation, the carrier wave component of frequency f C is omitted for easy understanding.
PD7は、入力されたRoF光を、上記のRoF光の電力と比例関係を有する電流に変換して出力する。そこで、このRoF光の電力(パワー)Pは、次式のように計算される。
The PD 7 converts the input RoF light into a current proportional to the power of the RoF light and outputs the current. Therefore, the power (power) P of this RoF light is calculated as in the following equation.
ミリ波の周波数より非常に大きい搬送波周波数による振動成分は、時間平均をとると0となる。このため、ミリ波の周波数程度までの周波数応答を考慮した、RoF光の電力の時間波形P'(t)は、次式のように求められる。
P'(t)は、PD7から出力される電流に比例する。この電流は、その後、ミリ波増幅器8により電圧に変換されて、対応するアンテナ素子9から放射される。このため、P'(t)はアンテナ素子9から放射されるミリ波の波形と読み替えることが可能である。
Vibration components due to carrier wave frequencies much higher than the millimeter wave frequency are zero when averaged over time. For this reason, the time waveform P'(t) of the power of the RoF light, which takes into consideration the frequency response up to about the millimeter wave frequency, is obtained by the following equation.
P'(t) is proportional to the current output from PD7. This current is then converted into a voltage by the millimeter wave amplifier 8 and radiated from the corresponding antenna element 9 . Therefore, P′(t) can be read as a millimeter wave waveform radiated from the antenna element 9 .
上式では、cos関数の引数として光の位相項φが含まれている。これは、位相シフタ202によりRoF光に与えた、上側帯波と下側帯波との間の位相差φは、RoF光から変換されたミリ波信号(高周波信号)において位相変化として表れることを示している。このミリ波信号の位相φは、アンテナ素子9から放射されるミリ波の位相と一致する。すなわち、RoF光に与えた位相変化が、アンテナ素子9から放射されるミリ波の位相と一致する結果となる。このように、本実施形態では、薄膜ヒータ26の駆動により位相シフタ202でRoF光に位相変化を与えることにより、アンテナ素子9から放射されるミリ波の位相を変化させることが可能である。
In the above equation, the optical phase term φ is included as an argument of the cos function. This indicates that the phase difference φ between the upper sideband wave and the lower sideband wave given to the RoF light by the
上述の説明は、出力ポート29-1から出力されるRoF光を、PD7-1で変換して得られるミリ波信号(高周波信号)についての説明である。光回路6では、出力ポート29-2,...,9-Nから出力されるRoF光についても同様に、位相シフタ202により位相変化を与えることにより、各出力ポートから出力されるRoF光に含まれるミリ波信号の位相φを変化させることが可能である。
The above description is about the millimeter wave signal (high frequency signal) obtained by converting the RoF light output from the output port 29-1 by the PD 7-1. In the
本実施形態の光回路6では、図1に示すように、複数の(N個の)アンテナ素子9(9-1,9-2,...,9-N)に対し位相が少しずつずれたミリ波信号が供給され、合成されたミリ波は角度θの方向に放射されることになる。すなわち、光回路6の一部として形成されたN個の位相調整器のそれぞれによるミリ波信号の位相の調整量に応じて、ミリ波信号の供給によりN個のアンテナ素子9からの電波の放射方向θが制御される。
In the
以上説明したように、本実施形態の位相調整器は、光周波数フィルタ201、光の位相シフタ202、及び光周波数フィルタ203を有する。光周波数フィルタ201は、光源から出力された光を無線伝送用のミリ波信号(高周波信号)で変調して得られたRoF(変調光)が入力され、当該RoF光に含まれる上側帯波と下側帯波とを分離して出力する。位相シフタ202は、ミリ波信号の位相が調整されるように、光周波数フィルタ201により分離された上側帯波及び下側帯波に位相差を与える。光周波数フィルタ203は、位相シフタ202から出力された上側帯波と下側帯波とを合波して出力する。
As described above, the phase adjuster of this embodiment has the
このように、本実施形態では、RoF光の上側帯波及び下側帯波に対して光の位相シフタ202により位相差を与えることで、当該RoF光に含まれるミリ波信号の位相を調整する。これにより、無線伝送用のミリ波信号への変換前に、RoF方式の光信号であるRoF光に含まれるミリ波信号(高周波信号)の位相を制御することが可能になる。したがって、通常必要とされるミリ波帯の位相シフタが不要となり、すなわち、高周波信号用の位相制御器をアンテナ数だけRRHに導入することを不要にでき、これはRRHの小型化及び省電力化につながる。
Thus, in this embodiment, the
また、本実施形態では、薄膜ヒータ26を使用して位相シフタ202を構成することにより、位相シフタ202の動作を薄膜ヒータ26に流す電流の制御により実現でき、非常に簡便で低コストの直流電源で位相シフタ202を動作させることが可能である(薄膜ヒータ26の制御は、レシート印字用の感熱紙プリンタ等で使われている汎用技術である。)。
In addition, in this embodiment, by configuring the
また、ビームステアリングを行うためには、複数のアンテナ素子に供給するためのミリ波信号を複数(N個)の信号に分岐する必要があるが、本実施形態によれば、光回路6の一部(光分岐部200)で分岐動作を実現できる。また、同一の構成を有する位相調整器がN個必要になるが、これらも1枚の基板上に集積することが可能であり、小型化の効果がある。 Further, in order to perform beam steering, it is necessary to branch a millimeter wave signal to be supplied to a plurality of antenna elements into a plurality of (N) signals. A branching operation can be realized in the section (optical branching section 200). Also, although N phase adjusters having the same configuration are required, these can also be integrated on a single substrate, which has the effect of miniaturization.
発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。 The invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the invention.
1:基幹局、2:ミリ波送信機、3:光強度変調器、4:光源、5:RRH、6:光回路、7:PD、8:ミリ波増幅器、9:アンテナ素子、10:光ファイバ、26:薄膜ヒータ、200:光分岐部、201:光周波数フィルタ、202:位相シフタ、203:光周波数フィルタ 1: base station, 2: millimeter wave transmitter, 3: optical intensity modulator, 4: light source, 5: RRH, 6: optical circuit, 7: PD, 8: millimeter wave amplifier, 9: antenna element, 10: light Fiber 26: Thin film heater 200: Optical splitter 201: Optical frequency filter 202: Phase shifter 203: Optical frequency filter
Claims (8)
光源から出力された光を無線伝送用の高周波信号で変調して得られた変調光が入力され、前記変調光に含まれる上側帯波と下側帯波とを分離して出力する第1の光周波数フィルタと、
前記高周波信号の位相が調整されるように、前記第1の光周波数フィルタにより分離された前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与える、光の位相シフタと、
前記位相シフタから出力された前記上側帯波と下側帯波とを合波して出力する第2の光周波数フィルタと、
を備えることを特徴とする位相調整器。 A phase adjuster that adjusts the phase of a high-frequency signal for wireless transmission,
Modulated light obtained by modulating light output from a light source with a high-frequency signal for wireless transmission is input, and first light that separates and outputs an upper sideband wave and a lower sideband wave included in the modulated light a frequency filter;
an optical phase shifter that imparts a phase difference to the upper sideband and the lower sideband separated by the first optical frequency filter so that the phase of the high frequency signal is adjusted;
a second optical frequency filter for combining and outputting the upper sideband wave and the lower sideband wave output from the phase shifter;
A phase adjuster comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の位相調整器。 The phase shifter includes a first waveguide provided with a heater, the temperature of which is changed by the heater, and a second waveguide not provided with the heater. 2. The phase adjuster according to claim 1, wherein said upper sideband wave passes through one of said waveguides, and said lower sideband wave passes through the other of said waveguides.
ことを特徴とする請求項2に記載の位相調整器。 3. The phase adjuster according to claim 2, wherein the phase difference given to the upper sideband and the lower sideband varies according to the power applied to the heater.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の位相調整器。 The first optical frequency filter includes a first directional coupler, a second directional coupler, and in parallel between the first directional coupler and the second directional coupler. 4. The phase adjuster according to any one of claims 1 to 3, comprising a short arm waveguide and a long arm waveguide having different lengths.
ことを特徴とする請求項4に記載の位相調整器。 5. The phase adjuster according to claim 4, wherein said second optical frequency filter has the same configuration as said first optical frequency filter.
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の位相調整器。 The first optical frequency filter, the phase shifter, and the second optical frequency filter are configured as part of an optical circuit formed on a single substrate and monolithically integrated on the substrate. 6. A phase adjuster according to any one of claims 1 to 5, characterized by:
光源から出力された光を無線伝送用の高周波信号で変調して得られた変調光が入力される入力ポートと、
前記入力された変調光をN個(Nは2以上の整数)の変調光に分岐して出力する光分岐部と、
前記光分岐部のN個の出力のそれぞれに対して設けられた、請求項1から6のいずれか1項に記載の位相調整器と、
N個のアンテナ素子に対応するN個の出力ポートであって、N個の前記位相調整器のうちのそれぞれ対応する前記位相調整器により前記位相調整が行われた変調光を出力する、前記N個の出力ポートと、
を備えることを特徴とする光回路。 An optical circuit formed on a substrate,
an input port for inputting modulated light obtained by modulating light output from a light source with a high-frequency signal for wireless transmission;
an optical branching unit for branching the input modulated light into N (N is an integer equal to or greater than 2) modulated light and outputting the modulated light;
a phase adjuster according to any one of claims 1 to 6, provided for each of the N outputs of the optical splitter;
N output ports corresponding to N antenna elements, the N outputting the modulated light phase-adjusted by the corresponding phase adjusters out of the N phase adjusters. output ports and
An optical circuit comprising:
ことを特徴とする請求項7に記載の光回路。 According to the amount of phase adjustment of the high-frequency signal by each of the N phase adjusters, the direction of radiation of radio waves from the N antenna elements is controlled by supplying the high-frequency signal. Item 8. The optical circuit according to item 7.
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