(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022129133
(43)【公開日】2022-09-05
(54)【発明の名称】位相調整器
(51)【国際特許分類】
G02F 1/295 20060101AFI20220829BHJP
【ＦＩ】
G02F1/295
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021027705
(22)【出願日】2021-02-24
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、総務省、「ＩｏＴ機器増大に対応した有無線最適制御型電波有効利用基盤技術の研究開発（技術課題カ「光ファイバ無線技術によるモバイルフロントホールの大容量化・高効率化技術」）」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】502350504
【氏名又は名称】学校法人上智学院
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】特許業務法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高橋 浩
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA28
2K102BA01
2K102BA07
2K102BB04
2K102BC10
2K102BD01
2K102CA20
2K102CA21
2K102DA04
2K102DC08
2K102DD07
2K102DD09
2K102EA05
2K102EB01
2K102EB06
(57)【要約】
【課題】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。
【解決手段】光回路６は、光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４を有する。光周波数フィルタ２２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光（変調光）であって、搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含むＲｏＦ光が入力され、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波と側帯波とを分離して出力する。位相シフタ群２３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２２により分離された搬送波及び側帯波に位相差を与える。光合波部２４は、光シフタ群２３から出力された搬送波と側帯波とを合波して出力する。
【選択図】図２
【解決手段】光回路６は、光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４を有する。光周波数フィルタ２２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光（変調光）であって、搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含むＲｏＦ光が入力され、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波と側帯波とを分離して出力する。位相シフタ群２３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２２により分離された搬送波及び側帯波に位相差を与える。光合波部２４は、光シフタ群２３から出力された搬送波と側帯波とを合波して出力する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、
光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波及び前記側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、
前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合波して出力する光合波部と、
を備えることを特徴とする位相調整器。
光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波及び前記側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、
前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合波して出力する光合波部と、
を備えることを特徴とする位相調整器。
【請求項2】
前記位相シフタ群は、前記搬送波に位相シフトを与える第１位相シフタと、前記側帯波に位相シフトを与える第２位相シフタとを含み、
前記位相シフタ群に含まれる各位相シフタは、ヒータと、前記ヒータにより温度が変化する導波路とを備え、前記導波路を通過する光に対して、前記ヒータによる前記導波路の加熱により位相シフトを与えるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の位相調整器。
前記位相シフタ群に含まれる各位相シフタは、ヒータと、前記ヒータにより温度が変化する導波路とを備え、前記導波路を通過する光に対して、前記ヒータによる前記導波路の加熱により位相シフトを与えるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の位相調整器。
【請求項3】
前記高周波信号の位相の調整量は、前記位相シフタ群によって前記搬送波及び前記側帯波に与えられる前記位相差に応じて変化する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相調整器。
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相調整器。
【請求項4】
前記第１光周波数フィルタは、
入力側及び出力側にそれぞれ複数のポートを備え、
前記入力側の１つのポートからの入力光に含まれる、前記搬送波の周波数の光と前記側帯波の周波数の光とを、前記出力側の個別のポートから出力するように構成されており、かつ、
前記入力光に含まれる前記搬送波の周波数の光と前記側帯波の周波数の光とを、前記出力側において、前記入力光が入力される前記入力側のポートに応じて異なるポートから出力するように構成されている
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。
入力側及び出力側にそれぞれ複数のポートを備え、
前記入力側の１つのポートからの入力光に含まれる、前記搬送波の周波数の光と前記側帯波の周波数の光とを、前記出力側の個別のポートから出力するように構成されており、かつ、
前記入力光に含まれる前記搬送波の周波数の光と前記側帯波の周波数の光とを、前記出力側において、前記入力光が入力される前記入力側のポートに応じて異なるポートから出力するように構成されている
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。
【請求項5】
前記光合波部は、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合流させるＹ分岐型の合波器で構成されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位相調整器。
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位相調整器。
【請求項6】
前記光合波部は、前記第１光周波数フィルタと同一の構成を有するＡＷＧ型の第２光周波数フィルタで構成されており、
前記第２光周波数フィルタは、前記位相シフタ群を挟んで前記第１光周波数フィルタと入出力が対称となるように前記位相シフタ群と接続されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位相調整器。
前記第２光周波数フィルタは、前記位相シフタ群を挟んで前記第１光周波数フィルタと入出力が対称となるように前記位相シフタ群と接続されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位相調整器。
【請求項7】
前記変調光が入力される入力ポートと、
前記入力ポートから入力された前記変調光をＮ個（Ｎは２以上の整数）の変調光に分割して前記第１光周波数フィルタへ出力する光分岐部と、
前記Ｎ個の変調光にそれぞれ対応するＮ個の出力ポートと、
を更に備え、
前記第１光周波数フィルタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、各変調光に含まれる前記搬送波と前記側帯波とを分離して前記位相シフタ群へ出力するように構成されており、
前記位相シフタ群は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記搬送波及び前記側帯波に位相差を与えるように構成されており、
前記光合波部は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合波し、当該合波により得られた、前記位相調整が行われた変調光を、前記Ｎ個の出力ポートのうちで対応する出力ポートから出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位相調整器。
前記入力ポートから入力された前記変調光をＮ個（Ｎは２以上の整数）の変調光に分割して前記第１光周波数フィルタへ出力する光分岐部と、
前記Ｎ個の変調光にそれぞれ対応するＮ個の出力ポートと、
を更に備え、
前記第１光周波数フィルタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、各変調光に含まれる前記搬送波と前記側帯波とを分離して前記位相シフタ群へ出力するように構成されており、
前記位相シフタ群は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記搬送波及び前記側帯波に位相差を与えるように構成されており、
前記光合波部は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合波し、当該合波により得られた、前記位相調整が行われた変調光を、前記Ｎ個の出力ポートのうちで対応する出力ポートから出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位相調整器。
【請求項8】
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、
光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と上側帯波と下側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、
前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合波して出力する光合波部と、
を備えることを特徴とする位相調整器。
光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と上側帯波と下側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、
前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合波して出力する光合波部と、
を備えることを特徴とする位相調整器。
【請求項9】
前記位相シフタ群は、前記搬送波に対する前記上側帯波の位相差と、前記搬送波に対する前記下側帯波の位相差とが、異なる極性を有し、かつ、同じ大きさを有するように、前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波にそれぞれ位相シフトを与える第１位相シフタ、第２位相シフタ及び第３位相シフタを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の位相調整器。
ことを特徴とする請求項８に記載の位相調整器。
【請求項10】
前記光合波部は、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合流させる三分岐型の合波器で構成されている
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の位相調整器。
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の位相調整器。
【請求項11】
前記光合波部は、前記第１光周波数フィルタと同一の構成を有するＡＷＧ型の第２光周波数フィルタで構成されており、
前記第２光周波数フィルタは、前記位相シフタ群を挟んで前記第１光周波数フィルタと入出力が対称となるように前記位相シフタ群と接続されている
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の位相調整器。
前記第２光周波数フィルタは、前記位相シフタ群を挟んで前記第１光周波数フィルタと入出力が対称となるように前記位相シフタ群と接続されている
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の位相調整器。
【請求項12】
前記変調光が入力される入力ポートと、
前記入力ポートから入力された前記変調光をＮ個（Ｎは２以上の整数）の変調光に分割して前記第１光周波数フィルタへ出力する光分岐部と、
前記Ｎ個の変調光にそれぞれ対応するＮ個の出力ポートと、
を更に備え、
前記第１光周波数フィルタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、各変調光に含まれる前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを分離して前記位相シフタ群へ出力するように構成されており、
前記Ｎ個の位相シフタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与えるように構成されており、
前記光合波部は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合波し、当該合波により得られた、前記位相調整が行われた変調光を、前記Ｎ個の出力ポートのうちで対応する出力ポートから出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の位相調整器。
前記入力ポートから入力された前記変調光をＮ個（Ｎは２以上の整数）の変調光に分割して前記第１光周波数フィルタへ出力する光分岐部と、
前記Ｎ個の変調光にそれぞれ対応するＮ個の出力ポートと、
を更に備え、
前記第１光周波数フィルタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、各変調光に含まれる前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを分離して前記位相シフタ群へ出力するように構成されており、
前記Ｎ個の位相シフタは、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与えるように構成されており、
前記光合波部は、前記Ｎ個の変調光のそれぞれについて、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合波し、当該合波により得られた、前記位相調整が行われた変調光を、前記Ｎ個の出力ポートのうちで対応する出力ポートから出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の位相調整器。
【請求項13】
前記光分岐部、前記第１光周波数フィルタ、前記位相シフタ群、及び前記光合波部は、１枚の基板上に形成された光回路の一部として構成され、前記基板上にモノリシック集積されている
ことを特徴とする請求項７又は１２に記載の位相調整器。
ことを特徴とする請求項７又は１２に記載の位相調整器。
【請求項14】
前記Ｎ個の出力ポートは、Ｎ個のアンテナ素子とそれぞれ対応付けられており、
前記Ｎ個の変調光のそれぞれについての前記高周波信号の位相の調整量に応じて、当該高周波信号の供給により前記Ｎ個のアンテナ素子からの電波の放射方向が制御される
ことを特徴とする請求項７、１２及び１３のいずれか１項に記載の位相調整器。
前記Ｎ個の変調光のそれぞれについての前記高周波信号の位相の調整量に応じて、当該高周波信号の供給により前記Ｎ個のアンテナ素子からの電波の放射方向が制御される
ことを特徴とする請求項７、１２及び１３のいずれか１項に記載の位相調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。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（ＣＰＲＩ）における標本化に伴う所要帯域の増大が発生しない。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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】"W-CDMAシステムと共用可能なLTEシステム用無線基地局装置の開発", NTT DOCOMOテクニカルジャーナル, 2011年4月, vol.19, No.1, pp.20-25
【非特許文献2】H. Takahashi, K. Oda, H. Toba, Y. Inoue, Transmission characteristics of arrayed-waveguide N x N wavelength multiplexer, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol.13, No.3, pp.447-455, March 1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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、光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波及び前記側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記側帯波とを合波して出力する光合波部と、を備えることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の他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、光源から搬送波として出力される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であって、前記搬送波と上側帯波と下側帯波とを含む前記変調光が入力され、前記変調光に含まれる前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを分離して出力する、ＡＷＧ型の第１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光周波数フィルタにより分離された前記搬送波、前記上側帯波及び前記下側帯波に位相差を与える位相シフタ群と、前記位相シフタ群から出力された前記搬送波と前記上側帯波と前記下側帯波とを合波して出力する光合波部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】ＭＦＨシステムの概略的な構成例を示す図
【図2】光回路の内部の概略的な構成例を示す図（第１実施形態）
【図3】光回路を構成する光導波路の断面斜視図
【図4】ＡＷＧ型周波数フィルタの概略的な構成例、及び当該周波数フィルタにおける入出力ポート間を通過する周波数の関係の例を示す図
【図5】位相シフタの概略的な構成例を示す斜視図及び断面図
【図6】光回路の内部の概略的な構成例を示す図（第２実施形態）
【図7】光回路の内部の概略的な構成例を示す図（第３実施形態）
【図8】ＡＷＧ型周波数フィルタの概略的な構成例、及び当該周波数フィルタにおける入出力ポート間を通過する周波数の関係の例を示す図（第３及び第４実施形態）
【図9】光回路の内部の概略的な構成例を示す図（第４実施形態）
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、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は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しく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。
【0015】
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。
【0016】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１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。なお、ＭＦＨシステムの構成例は、第２実施形態以降の各実施形態も共通である。図１に示す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、本明細書の各実施形態ではＮ＝４の場合を例に説明を行う。
図１は、本発明の第１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。なお、ＭＦＨシステムの構成例は、第２実施形態以降の各実施形態も共通である。図１に示す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、本明細書の各実施形態ではＮ＝４の場合を例に説明を行う。
【0017】
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。
【0018】
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、通常、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、及びその両側（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ｆRF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、搬送波周波数ｆCと下側波帯の周波数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。あるいは、図１における挿入図にあるように、搬送波（ｆC）と、上側帯波（ｆU）及び下側帯波（ｆL）のうちの一方の側帯波とから成る、搬送波抑圧型片側帯波変調（ＳＳＢ）の光が、ＲｏＦ光として伝送されてもよい。この場合、光強度変調器３の工夫により又は変調後に光周波数フィルタを用いて上側帯波又は下側帯波を除去することによって、このようなＲｏＦ光が生成される。なお、図１には一例として、搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）から成るＲｏＦ光を示しており、以下ではこのような周波数成分を有するＲｏＦ光がＲＲＨ５へ伝送される場合を例に説明する。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
図２に示すように、光回路６は、ＲｏＦ光（変調光）が入力される入力ポート２０、及び無線伝送用のミリ波信号の位相調整がそれぞれ行われたＮ個のＲｏＦ光を出力するＮ個の出力ポート２５（２５－１，２５－２，...，２５－Ｎ）を備えている（本例ではＮ＝４）。なお、Ｎ個の出力ポート２５は、Ｎ個のアンテナ素子９と対応付けられている。光回路６には、入力ポート２０とＮ個の出力ポート２５との間に、１×Ｎ型の分岐回路２１（光分岐部）、ＡＷＧ型の光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４が配置されている。光周波数フィルタ２２は、入力側及び出力側にそれぞれ複数の（本例では８個の）ポートを備える。位相シフタ群２３は、複数の光の位相シフタ（本例では８個の位相シフタ２３－１～２３－８）で構成される。なお、本実施形態において、光回路６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、分岐回路２１、ＡＷＧ型の光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４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。
【0024】
分岐回路２１は、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（分割）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。分岐回路２１は、分割後のＮ個のＲｏＦ光に対して、入力されたＲｏＦ光の電力（パワー）をＮ等分してもよいし、非等分で（例えば出力ポート２５から出力されるＮ個のＲｏＦ光の電力に合わせて）配分してもよい。
【0025】
分岐回路２１から出力されたＮ個のＲｏＦ光は、光周波数フィルタ２２へ入力される。その際、図２に示すように、Ｎ個のＲｏＦ光は、光周波数フィルタ２２の入力側のポートＩＮ１，ＩＮ３，... へ入力される。光周波数フィルタ２２は、入力側の各ポートから入力された入力光を、以下で説明する特性に従って、当該入力光に含まれる周波数ごとに、出力側における個別のポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３，... から出力するように構成されている。
【0026】
後述するように、本実施形態の光周波数フィルタ２２は、ＲｏＦ光（変調光）に含まれる搬送波（ｆC）と、ＲｏＦ光に含まれる側帯波（上側帯波（ｆU）及び下側帯波（ｆL）のうちの一方の側帯波）とを分離して出力する。光周波数フィルタ２２によって分離された搬送波と及び側帯波は、位相シフタ群２３へ入力される。位相シフタ群２３は、入力された搬送波と及び側帯波に所望の位相差を与える。位相シフタ群２３から出力された搬送波と及び側帯波は、光合波部２４によって合波されて出力ポート２５から出力される。
【0027】
光周波数フィルタ２２は、図３に示すような多数の光導波路で構成されており、その概略的な構成例は図４（Ａ）に示すとおりである（非特許文献２参照）。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す構成において、入力側のあるポート（ＩＮ１，ＩＮ２，...，ＩＮ８）から入力された場合に、当該入力側のポートから出力側の各ポート（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，...，ＯＵＴ８）へ到達する光の周波数を示している。例えば、周波数ｆ7及びｆ8を含む光がポートＩＮ７から入力されると、周波数ｆ7の光がポートＯＵＴ１から出力され、ｆ8の光がポートＯＵＴ２から出力される。周波数ｆ7及びｆ8を含む光がポートＩＮ５から入力されると、周波数ｆ7の光がポートＯＵＴ３から出力され、ｆ8の光がポートＯＵＴ４から出力される。本実施形態では、一例として、図４（Ｂ）において太線の枠で示す周波数ｆ7及びｆ8を使用する。
【0028】
本実施形態では、搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）から成るＳＳＢ変調光をＲｏＦ光として伝送しているＭＦＨシステムに、図２に示す光回路６を導入した場合を想定し、ミリ波信号の位相調整がどのように実現されるのかを以下に詳細に説明する。本実施形態の光周波数フィルタ２２は、周波数ｆ7が搬送波の周波数ｆCに一致し、周波数ｆ8が上側帯波の周波数ｆUに一致するように設計されている。
【0029】
光回路６において、入力ポート２０から入力された、周波数ｆCの光（以下、単に「ｆC」と称する。）と周波数ｆUの光（以下、単に「ｆU」と称する。）とを含むＲｏＦ光は、１×４型の分岐回路２１によって４分割されて４つのポートから出力され、光周波数フィルタ２２の入力側の４つのポートＩＮ１，ＩＮ３，ＩＮ５，ＩＮ７に入力される。
【0030】
光周波数フィルタ２２は、入力側のポートＩＮ１に入力されたＲｏＦ光について、当該ＲｏＦ光に含まれるｆCとｆUとを分離して、それぞれ出力側のポートＯＵＴ７，ＯＵＴ８から出力する。即ち、光周波数フィルタ２２は、搬送波（ｆC）と上側帯波（ｆU）とを分離して出力する。光周波数フィルタ２２により分離された搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、それぞれ、位相シフタ群２３（の位相シフタ２３－７，２３－８）へ入力される。
【0031】
このように、光周波数フィルタ２２は、入力側の１つのポートからの入力光に含まれる、搬送波の周波数の光と側帯波の周波数の光とを、出力側の個別のポートから出力するように構成されている。更に、後述するように、光周波数フィルタ２２は、入力光に含まれる搬送波の周波数の光と側帯波の周波数の光とを、出力側において、入力光が入力される入力側のポートに応じて異なるポートから出力するように構成されている。
【0032】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、位相シフタ群２３を構成する位相シフタのうちの２つの位相シフタの概略的な構成例を示す斜視図及び断面図である。図５には一例として、位相シフタ２３－７及び２３－８のペアを示しているが、位相シフタ２３－１及び２３－２のペア、位相シフタ２３－３及び２３－４のペア、位相シフタ２３－５及び２３－６のペアも同様である。また、図５には一例として、薄膜ヒータを用いる２つの位相シフタを示している。位相シフタ２３－７（第１位相シフタ）は、薄膜ヒータ３４－１と、当該ヒータにより温度が変化する導波路コア３１－１とを備える。位相シフタ２３－８（第２位相シフタ）は、薄膜ヒータ３４－２と、当該ヒータにより温度が変化する導波路コア３１－２とを備える。
【0033】
ここで、図５を用いて位相シフタの動作について説明する。第１位相シフタにおいて、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３４－１と、それにつながる電極４２，４３とが形成されている。なお、図５には示していないが、第２位相シフタについても薄膜ヒータ３４－２につながる電極が同様に形成されている。電極４２，４３を通じて薄膜ヒータ３４－１に電流を流すと、薄膜ヒータ３４－１は発熱し、その直下の過熱領域４４－１内にある導波路コア３１－１の温度を上昇させる。その結果、導波路コア３１－１における温度が上昇した部分の屈折率が熱光学効果により上昇し、当該部分を通過する際の光の伝搬速度が低下する。そのため、導波路コア３１－１が加熱されていない状態と比較して、加熱された導波路コア３１－１を光が通過した場合には光の位相が変化（遅延）を受ける。これは、薄膜ヒータ３４－２及び導波路コア３１－２を備える第２位相シフタも同様である。このように、位相シフタ群２３に含まれる各位相シフタは、その導波路（導波路コア）を通過する光に対して、ヒータ（薄膜ヒータ）による導波路の加熱により位相シフト（位相変化）を与えるように構成されている。
【0034】
このような位相シフタの機構を利用して、搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）がそれぞれ通過する導波路（導波路コア）の加熱量を変えることで、搬送波及び上側帯波に位相差φを与えることが可能である。具体的には、搬送波（ｆC）が入力される位相シフタ２３－７における導波路と、上側帯波（ｆU）が入力される位相シフタ２３－８における導波路とを、それぞれ異なる加熱量で加熱する。これにより、ｆCとｆUとの間に位相差が発生する。
【0035】
このようにして発生する位相差は、薄膜ヒータ３４－１，３４－２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度の位相変化を発生させるのに必要な薄膜ヒータ３４－１，３４－２への印加電力は約０．３Ｗである。このように、位相シフタ２３－７，２３－８により搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）に与えられる位相差は、薄膜ヒータ３４－１，３４－２へ印加される電力に応じて変化する。
【0036】
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、位相シフタによる位相差の発生には薄膜ヒータを使用しているが、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。
【0037】
位相シフタ２３－７，２３－８により位相差が与えられた搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、光合波部２４へ出力される。光合波部２４は、位相シフタ群２３から出力された搬送波（ｆC）と上側帯波（ｆU）とを合波し、得られたＲｏＦ光を、対応する出力ポート２５－４から出力する。本実施形態では、光合波部２４は、位相シフタ群２３から出力された搬送波と側帯波（本例では上側帯波）とを合流させるＹ分岐型の合波器で構成されている。例えば、位相シフタ２３－７，２３－８から出力された搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）が、合波器において合流して合わされることで合波される。このようにして搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）が合波されることで、光周波数フィルタ２２のポートＩＮ１から入力されたＲｏＦ光が搬送する、ミリ波信号の位相が制御（調整）されたＲｏＦ光が、出力ポート２５－４から出力される。
【0038】
出力ポート２５－４から出力されるＲｏＦ光に含まれる、搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）の和の電界Ｅは、位相シフタ２３－７，２３－８で発生した、搬送波と上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は搬送波の角周波数、ωUは上側帯波の角周波数、ωC＝２πｆC、ωU＝２πｆUであり、右辺第２項の係数１／２は、振幅変調においてよく知られている搬送波と側帯波との振幅比である。
【0039】
出力ポート２５－４から出力される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、ＲｏＦ光は、Ｎ個のＰＤ７のうち、出力ポート２５－４と接続されたＰＤ７－４へ入力される。ＰＤ７は、入力されたＲｏＦ光を電気信号に変換して出力する。ＰＤ７による変換後の電流は、入力されるＲｏＦ光の電力と比例する。このＲｏＦ光の電力（パワー）Ｐは、次式のように計算される。
【0040】
ＲｏＦ光の電力Ｐの成分のうち、１００ＴＨｚ以上の光周波数領域の振動成分は、平均化されてＰＤ７では検知されない。このため、ＲｏＦ光の電力の時間平均を求めると、次式で与えられる。
この光電力振動をＰＤ７で電流に変換した後にミリ波増幅器８で得られる電圧Ｖは、直流成分は遮断されるため、次式で与えられる。
【0041】
上式において、（ωU－ωC）は、搬送波と上側帯波との間の角周波数の差であり、ＲｏＦ光が搬送するミリ波信号の各周波数に相当する（ωU－ωC＝ωRF）。このため、ミリ波増幅器８で得られる電圧Ｖは、ミリ波送信機２によって生成されたミリ波信号の周波数ＲRFの高周波振動に相当する。即ち、ミリ波増幅器８の出力信号に、ミリ波送信機２によって生成されたミリ波信号が再現される。
【0042】
また、上式において、ミリ波信号の振動を示すｃｏｓ関数の引数として、位相シフタ群２３（位相シフタ２３－７，２３－８）によって与えられた位相差φが含まれている。位相シフタ２３－７，２３－８によってＲｏＦ光に与えられた、搬送波と上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。即ち、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。
【0043】
このため、位相シフタ群２３（位相シフタ２３－７，２３－８）によって搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）に位相差φを与えることで、ＲｏＦ波によって搬送されるミリ波信号（高周波信号）の位相を制御（調整）できることになる。ミリ波信号の位相の調整量は、位相シフタ群２３によって搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）に与えられる位相差φに応じて変化する。このように、本実施形態では、位相シフタ群２３によってＲｏＦ光の位相を制御することにより、アンテナ素子９から放射されるミリ波の位相を制御（調整）することが可能である。
【0044】
上述の説明は、光周波数フィルタ２２の入力側のポートＩＮ１に入力されるＲｏＦ光についての説明であるが、ポートＩＮ３，ＩＮ５，ＩＮ７に入力されるＲｏＦ光についても同様である。光回路６では、光周波数フィルタ２２のポートＩＮ１に入力されるＲｏＦ光は、ミリ波信号の位相調整が行われ、出力ポート２５－４から出力される。同様に、光周波数フィルタ２２のポートＩＮ３，ＩＮ５，ＩＮ７に入力されるＲｏＦ光は、ミリ波信号の位相調整が行われ、それぞれ、出力ポート２５－３，２５－２，２５－１から出力される。
【0045】
具体的には、以下のとおりである。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ３に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ５及びＯＵＴ６から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－５，２３－６によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－３から出力される。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ５に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ３及びＯＵＴ４から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－３，２３－４によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－２から出力される。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ７に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ１及びＯＵＴ２から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－１，２３－２によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－１から出力される。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ３に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ５及びＯＵＴ６から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－５，２３－６によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－３から出力される。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ５に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ３及びＯＵＴ４から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－３，２３－４によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－２から出力される。
●光周波数フィルタ２２のポートＩＮ７に入力されたＲｏＦ光については、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、出力側においてポートＯＵＴ１及びＯＵＴ２から出力される。更に、搬送波及び上側帯波は、位相シフタ２３－１，２３－２によって位相差が与えられた後、光合波部２４によって合波され、出力ポート２５－１から出力される。
【0046】
光回路６では、分岐回路２１によって分割されたＮ個のＲｏＦ光（変調光）に対して位相シフタ群２３によって与える位相差φを、それぞれ独立して制御できる。そこで、Ｎ個のＲｏＦ光に対して与える位相差φを、ミリ波信号の位相が少しずつずれるように設定（例えば、出力ポート２５－１，２５－２，２５－３，２５－４からそれぞれ出力されるＲｏＦ光に対して与える位相差φとして、φ＝０，１０，２０，３０［度］を設定）する。このようにして、ＲＲＨ５におけるビームステアリングに必要となる、位相差が等間隔の多数のミリ波を生成することが可能になる。
【0047】
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て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。即ち、光回路６として構成された位相調整器による、Ｎ個のＲｏＦ光のそれぞれに対応す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。
【0048】
以上説明したように、本実施形態に係る位相調整器として構成された光回路６は、光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４を有する。光周波数フィルタ２２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光（変調光）であって、搬送波と、上側帯波及び下側帯波のうちの一方の側帯波とを含むＲｏＦ光が入力され、当該ＲｏＦ光に含まれる搬送波と側帯波とを分離して出力する。位相シフタ群２３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２２により分離された搬送波及び側帯波に位相差を与える。光合波部２４は、光シフタ群２３から出力された搬送波と側帯波とを合波して出力する。
【0049】
このように、本実施形態では、ＲｏＦ光の搬送波及び側帯波（上側帯波又は下側帯波）に対して位相シフタ群２３により位相差φ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。
【0050】
また、本実施形態では、位相シフタ群２３に含まれる各位相シフタを、薄膜ヒータを使用して構成している。これにより、位相シフタの動作を薄膜ヒータ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を動作させることが可能である（薄膜ヒータの制御は、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。）。
【0051】
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（分岐回路２１）で分岐動作を実現できる。また、位相シフタ群２３を構成する多数の位相シフタが必要になるが、各位相シフタのサイズは非常に小さい（例えば、幅が数十μｍ）ため、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・集積化の効果がある。
【0052】
なお、本実施形態では、入力側及び出力側のポート数が８のＡＷＧ型の光周波数フィルタを用いて、光回路６の出力ポート数４を実現しているが、本発明はこれに限定されず、より多くの出力ポート数を実現可能である。例えば、ＡＷＧ型の光周波数フィルタのポート数は、最大で８０程度であることが知られており、このため光回路６の出力ポート数は最大で４０程度まで増やすことが可能である。
【0053】
［第２実施形態］
第１実施形態では、光回路６（図２）の光合波部２４を、Ｙ分岐型の合波器で構成している。これに対し、第２実施形態では、光合波部２４を、ＡＷＧ型の光周波数フィルタで構成する例について説明する。以下では、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
第１実施形態では、光回路６（図２）の光合波部２４を、Ｙ分岐型の合波器で構成している。これに対し、第２実施形態では、光合波部２４を、ＡＷＧ型の光周波数フィルタで構成する例について説明する。以下では、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【0054】
図６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。光回路６の構成は、光合波部２４が、Ｙ分岐型の合波器ではなく、ＡＷＧ型の光周波数フィルタ２６で構成されている点で、第１実施形態の構成（図２）と異なっている。本実施形態の光合波部２４は、光周波数フィルタ２２と同一の構成を有するＡＷＧ型の光周波数フィルタ２６で構成されている。光周波数フィルタ２６（第２光周波数フィルタ）は、位相シフタ群２３を挟んで光周波数フィルタ２２（第１光周波数フィルタ）と入出力が対称となるように（即ち、鏡面対称の関係となるように）位相シフタ群２３と接続されている。
【0055】
具体的には、光周波数フィルタ２２において出力側として使用された各ポート（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，...，ＯＵＴ８）が、光周波数フィルタ２６において入力側のポートとして使用される。また、光周波数フィルタ２２において入力側として使用された各ポート（ＩＮ１，ＩＮ２，...，ＩＮ８）が、光周波数フィルタ２６において出力側のポートとして使用される。このように、本実施形態では、光周波数フィルタ２２と同一の構成の光周波数フィルタに、光を逆向きに伝搬させて、光周波数フィルタ２６として使用する。
【0056】
光回路６の上述の構成により、光周波数フィルタ２２によって分離された、（分岐回路２１から出力されるＮ個のＲｏＦ光についての）全てのｆCとｆUとのペアが、光周波数フィルタ２６で合波されて出力される。例えば、光周波数フィルタ２２の入力側のポートＩＮ１から入力されたＲｏＦ光に含まれるｆC及びｆUは、出力側のポートＯＵＴ７及びＯＵＴ８から出力される。その後、ｆC及びｆUは、それぞれ、位相シフタ２３－７，２３－８を通過後、光周波数フィルタ２６の入力側の（図６において最下部の２つの）ポートに入力され、光周波数フィルタ２６で合波されて出力ポート２５－１から出力される。
【0057】
本実施形態の光回路６によれば、第１実施形態と同一の動作原理で、無線伝送用のミリ波信号への変換前に、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。本実施形態では更に、実用上の改良点として、光合波部２４をＹ分岐型の合波器で構成する際に生じる３ｄＢの損失を回避することが可能になる。
【0058】
［第３実施形態］
第３実施形態では、ＭＦＨシステムにおいて伝送されるＲｏＦ光として、搬送波（ｆC）と上側帯波（ｆU）及び下側帯波（ｆL）とから成る、通常の振幅変調方式の変調光を使用する場合を想定して、光回路６を構成する例について説明する。以下では、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
第３実施形態では、ＭＦＨシステムにおいて伝送されるＲｏＦ光として、搬送波（ｆC）と上側帯波（ｆU）及び下側帯波（ｆL）とから成る、通常の振幅変調方式の変調光を使用する場合を想定して、光回路６を構成する例について説明する。以下では、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【0059】
図７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。光回路６に使用されている分岐回路２１、光周波数フィルタ２７、位相シフタ群２３、及び光合波部２４は、それぞれ、第１実施形態における分岐回路２１、光周波数フィルタ２２、位相シフタ群２３、及び光合波部２４と同一の機能を有する。以下では、光の伝搬の順序に沿って光回路６の動作を説明する。
【0060】
入力ポート２０から入力されたＲｏＦ光（変調光）は、分岐回路２１によってＮ個のＲｏＦ光に分割される。なお、図７は、第１及び第２実施形態と同様、Ｎ＝４の例を示している。分岐回路２１から出力されたＮ個のＲｏＦ光は、光周波数フィルタ２７の入力側のポートＩＮ１，ＩＮ４，ＩＮ７，ＩＮ１０にそれぞれ入力される。光周波数フィルタ２７は、第１実施形態の光周波数フィルタ２２と同様、ＡＷＧ型の光周波数フィルタで構成されており、入力側及び出力側にそれぞれ１２個のポートを有する。
【0061】
図８（Ａ）は、光周波数フィルタ２７の概略的な構成例を示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す構成において、入力側のあるポート（ＩＮ１，ＩＮ２，...，ＩＮ１２）から入力された場合に、当該入力側のポートから出力側の各ポート（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，...，ＯＵＴ１２）へ到達する光の周波数を示している。本実施形態の光周波数フィルタ２７は、図８（Ｂ）に示す周波数ｆ10、ｆ11、及びｆ12が、それぞれ、下側帯波の周波数ｆL、搬送波の周波数ｆC、及び上側帯波の周波数ｆUに一致するように設計されている。
【0062】
光周波数フィルタ２７は、図８（Ｂ）に示す関係に従って、入力側のポートＩＮ１に入力されたＲｏＦ光について、当該ＲｏＦ光に含まれるｆLとｆCとｆUとを分離して、それぞれ出力側のポートＯＵＴ１０，ＯＵＴ１１，ＯＵＴ１２から出力する。光周波数フィルタ２７により分離された３つの周波数（ｆL，ｆC，ｆU）の光は、それぞれ、位相シフタ群２３（の位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２）へ入力される。
【0063】
位相シフタ群２３の各位相シフタは、入力される光に対して位相シフトを与える。ここで、位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２が、３つの周波数（ｆL，ｆC，ｆU）の光に対してそれぞれ与える位相シフトを、φ10，φ11，φ12とする。本実施形態では、φ10－φ11＝－φ、及びφ12－φ11＝φとなるように、位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２の薄膜ヒータに電力が印加される。このように、位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２（第１、第２及び第３位相シフタ）は、搬送波（ｆC）に対する上側帯波（ｆU）の位相差と、搬送波（ｆC）に対する下側帯波（ｆL）の位相差とが、異なる極性を有し、かつ、同じ大きさを有するように、搬送波、上側帯波及び下側帯波にそれぞれ位相シフトを与える。
【0064】
位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２により位相差が与えられた下側帯波（ｆL）、搬送波（ｆC）及び上側帯波（ｆU）は、光合波部２４へ出力される。光合波部２４は、位相シフタ群２３から出力された下側帯波（ｆL）と搬送波（ｆC）と上側帯波（ｆU）とを合波し、得られたＲｏＦ光を、対応する出力ポート２５－４から出力する。本実施形態の光合波部２４は、位相シフタ群２３から出力された下側帯波と搬送波と上側帯波とを合流させる三分岐型の合波器で構成されている。
【0065】
出力ポート２５－４から出力されるＲｏＦ光の電界Ｅは、上記の３つの光の和であり、次式で与えられる。
ここで、右辺の第１項及び第３項の係数１／２は、振幅変調における搬送波と側帯波との振幅比である。
【0066】
出力ポート２５－４から出力される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。ＰＤ７は、入力されたＲｏＦ光を電気信号に変換して出力する。ＰＤ７による変換後の電流は、入力されるＲｏＦ光の電力と比例する。このＲｏＦ光の電力Ｐは、次式のように計算される。
【0067】
第１実施形態と同様、上式に基づいて、ＲｏＦ光の電力の時間平均を求めると、次式で与えられる。
なお、上式の算出過程においてωC－ωL＝ωU－ωL＝ωRFの関係を用いている。この光をＰＤ７で電流に変換した後にミリ波増幅器８による増幅が行われる。その際、ミリ波増幅器８では、動作帯域外にある直流成分及び２ωRFの周波数成分は増幅されない。したがって、ミリ波増幅器８で得られる電圧Ｖは、次式で与えられる。
【0068】
上式では、第１実施形態と同様、ミリ波信号の振動を示すｃｏｓ関数の引数として、位相シフタ群２３（位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２）によって与えられた位相差φが含まれている。したがって、第１実施形態と同様、位相シフタ群２３によってＲｏＦ光の位相を制御することにより、アンテナ素子９から放射されるミリ波の位相を制御（調整）することが可能である。
【0069】
上述の説明は、光周波数フィルタ２７の入力側のポートＩＮ１に入力されるＲｏＦ光についての説明であるが、ポートＩＮ４，ＩＮ７，ＩＮ１０に入力されるＲｏＦ光についても同様である。
【0070】
光回路６では、分岐回路２１によって分割されたＮ個のＲｏＦ光（変調光）に対して位相シフタ群２３によって与える位相差φを、それぞれ独立して制御できる。第１実施形態と同様、出力ポート２５－１，２５－２，２５－３，２５－４からそれぞれ出力されるＲｏＦ光に対して与える位相差φを、ミリ波信号の位相が少しずつずれるように設定できる。これにより、ＲＲＨ５におけるビームステアリングに必要となる、位相差が等間隔の多数のミリ波を生成することが可能になる。
【0071】
なお、本実施形態では、入力側及び出力側のポート数が１２のＡＷＧ型の光周波数フィルタを用いて、光回路６の出力ポート数４を実現しているが、本発明はこれに限定されず、より多くの出力ポート数を実現可能である。例えば、ＡＷＧ型の光周波数フィルタのポート数は、最大で８０程度であることが知られており、このため光回路６の出力ポート数は最大で２６程度まで増やすことが可能である。
【0072】
［第４実施形態］
第３実施形態では、光回路６（図７）の光合波部２４を、Ｙ分岐型の合波器で構成している。これに対し、第４実施形態では、光合波部２４を、ＡＷＧ型の光周波数フィルタで構成する例について説明する。以下では、第３実施形態と共通する部分については説明を省略する。
第３実施形態では、光回路６（図７）の光合波部２４を、Ｙ分岐型の合波器で構成している。これに対し、第４実施形態では、光合波部２４を、ＡＷＧ型の光周波数フィルタで構成する例について説明する。以下では、第３実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【0073】
図９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。光回路６の構成は、光合波部２４が、Ｙ分岐型の合波器ではなく、ＡＷＧ型の光周波数フィルタ２８で構成されている点で、第３実施形態の構成（図７）と異なっている。本実施形態の光合波部２４は、光周波数フィルタ２７と同一の構成を有するＡＷＧ型の光周波数フィルタ２８で構成されている。光周波数フィルタ２８（第２光周波数フィルタ）は、位相シフタ群２３を挟んで光周波数フィルタ２７（第１光周波数フィルタ）と入出力が対称となるように（即ち、鏡面対称の関係となるように）位相シフタ群２３と接続されている。
【0074】
具体的には、光周波数フィルタ２７において出力側として使用された各ポート（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，...，ＯＵＴ１２）が、光周波数フィルタ２８において入力側のポートとして使用される。また、光周波数フィルタ２７において入力側として使用された各ポート（ＩＮ１，ＩＮ２，...，ＩＮ１２）が、光周波数フィルタ２８において出力側のポートとして使用される。このように、本実施形態では、光周波数フィルタ２７と同一の構成の光周波数フィルタに、光を逆向きに伝搬させて、光周波数フィルタ２８として使用する。
【0075】
光回路６の上述の構成により、光周波数フィルタ２７によって分離された、（分岐回路２１から出力されるＮ個のＲｏＦ光についての）全てのｆLとｆCとｆUとのセットが、光周波数フィルタ２８で合波されて出力される。例えば、光周波数フィルタ２７の入力側のポートＩＮ１から入力されたＲｏＦ光に含まれるｆL、ｆC及びｆUは、出力側のポートＯＵＴ１０，ＯＵＴ１１，ＯＵＴ１２から出力される。その後、ｆL、ｆC及びｆUは、それぞれ、位相シフタ２３－１０，２３－１１，２３－１２を通過後、光周波数フィルタ２８の入力側の（図９において最下部の３つの）ポートに入力され、光周波数フィルタ２８で合波されて出力ポート２５－１から出力される。
【0076】
本実施形態の光回路６によれば、第３実施形態と同一の動作原理で、無線伝送用のミリ波信号への変換前に、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。本実施形態では更に、実用上の改良点として、光合波部２４を三分岐型の合波器で構成する際に生じる４．８ｄＢの損失を回避することが可能になる。
【0077】
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。
【符号の説明】
【0078】
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、２０：入力ポート、２１：分岐回路、２２，２６，２７，２８：ＡＷＧ型周波数フィルタ、２３：位相シフタ群、２３－ｎ：位相シフタ、２４：光合波部、２５－ｎ：出力ポート
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】