特許 7050334 光ＲＦスペクトル分析器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-31

(45)【発行日】2022-04-08

(54)【発明の名称】光ＲＦスペクトル分析器

(51)【国際特許分類】

   G01R 23/14 20060101AFI20220401BHJP

   G01R 23/165 20060101ALI20220401BHJP

【ＦＩ】

G01R23/14 C

G01R23/165 Z

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2019510960

(86)(22)【出願日】2017-08-22

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-11-07

(86)【国際出願番号】 AU2017050889

(87)【国際公開番号】W WO2018035560

(87)【国際公開日】2018-03-01

【審査請求日】2020-02-28

(31)【優先権主張番号】2016903330

(32)【優先日】2016-08-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】501305257

【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】特許業務法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シジエ ソング

(72)【発明者】

【氏名】シャオク イー

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６３０７６５５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００１－２４２２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００４７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１２４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３０７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２９７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９０９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１０１０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４９２２２５６（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３１５５９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０４６９５７９０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ２３／００－２３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力ＲＦ信号を搬送波周波数に変調して変調光信号を生成するための光変調器と、
前記変調光信号を修正するためのスペクトル重み関数を有し、前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との周波数関係を定めるスペクトル重みモジュールと、
周波数範囲にわたる掃引を実行して前記搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成するための周波数制御モジュールと、
前記修正された光信号を経時的に感知し、前記修正された光信号に基づいてＲＦ信号を経時的に生成するための光センサと、
前記ＲＦ信号に基づいてＲＦスペクトルを経時的に計算するための信号復元モジュールと
を備える光ＲＦスペクトル分析器。

【請求項2】

前記信号復元モジュールは、前記スペクトル重み関数に基づいて経時的に前記ＲＦ信号のデコンボリューションを実行するように構成される、請求項１に記載のスペクトル分析器。

【請求項3】

前記デコンボリューションは、前記スペクトル重み関数の解析近似に基づく、請求項２に記載のスペクトル分析器。

【請求項4】

前記信号復元モジュールは、前記ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることによって、前記ＲＦ信号の前記デコンボリューションを経時的に実行するように構成される、請求項２または請求項３に記載のスペクトル分析器。

【請求項5】

前記ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることは、前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、前記ＲＦ信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備える、請求項４に記載のスペクトル分析器。

【請求項6】

前記スペクトル重みモジュールは共振器またはリング発振器である、請求項１～５のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。

【請求項7】

前記光変調器は、前記搬送波周波数においてレーザを生成するためのレーザ光源を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。

【請求項8】

前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づき、前記信号復元モジュールは、前記変化速度に基づいて前記ＲＦスペクトルを計算するためのものである、請求項１～７のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。

【請求項9】

各々が前記変調光信号を修正するためのスペクトル重み関数を有し、各々が前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との前記周波数関係を定める、スペクトル重みモジュールのバンクと、
前記修正された光信号を経時的に感知し、複数のＲＦ信号を経時的に生成するための光センサのアレイと
を更に備え、
前記信号復元モジュールは、前記ＲＦ信号に基づいて前記ＲＦスペクトルを経時的に計算する、請求項１～８のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。

【請求項10】

入力ＲＦ信号を分析するための方法であって、
前記入力ＲＦ信号を光搬送波周波数に変調し、変調光信号を生成することと、
スペクトル重み関数を適用するスペクトル重みモジュールを使用することによって前記変調光信号を修正することであって、前記スペクトル重みモジュールは前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との周波数関係を定める、ことと、
周波数範囲にわたる掃引を実行して前記光搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成することと、
前記修正された光信号を経時的に感知し、前記修正された光信号に基づいてＲＦ信号を経時的に生成することと、
前記ＲＦ信号に基づいて前記入力ＲＦ信号のＲＦスペクトルを経時的に計算することとを備える方法。

【請求項11】

前記入力ＲＦ信号の前記ＲＦスペクトルを計算することは、前記スペクトル重み関数に基づいて前記ＲＦ信号のデコンボリューションを経時的に実行することを備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記デコンボリューションは、前記スペクトル重み関数の解析近似に基づく、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記ＲＦ信号の前記デコンボリューションを経時的に実行することは、前記ＲＦ信号の波形を経時的に周波数領域信号として用いることを備える、請求項１１または１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として用いることは、前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、前記ＲＦ信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備える、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記入力ＲＦ信号を光搬送波周波数に変調することは、前記入力ＲＦ信号を複数の光搬送波周波数に同時に変調することを備え、前記スペクトル重み関数は、前記複数の光搬送波周波数に対応する複数のピークを備える、請求項１０～１４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項16】

前記スペクトル重み関数と前記複数の光搬送波周波数との前記周波数関係を修正することは、前記複数の光搬送波周波数の間隔または前記スペクトル重み関数の複数のピークの間隔またはその両方を修正することを備える、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を修正することは、光フィルタを調整することを備える、請求項１０～１６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を修正することは、レーザ光源の搬送波周波数を変えることを備える、請求項１０～１７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記入力ＲＦ信号を光搬送波周波数に変調することは、前記入力ＲＦ信号を複数の光搬送波周波数に同時に変調することを備え、前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正することは、前記変調光信号を周波数依存型遅延素子に送信し、各光搬送波周波数および対応する変調入力ＲＦ信号に様々な遅延を適用することを備える、請求項１０～１８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項20】

前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づき、前記ＲＦスペクトルを計算することは、前記変化速度に基づく、請求項１０～１９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項21】

前記光搬送波周波数と前記変調光信号との間隔を大きくするために、前記入力ＲＦ信号を変調する前に前記入力ＲＦ信号に周波数変調を適用することを更に備える、請求項１０～２０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項22】

ＲＦ信号分析器を制御するための方法であって、
変調光信号を生成する光変調器による入力ＲＦ信号の搬送波周波数への変調を制御するための変調器制御信号を生成し、周波数範囲にわたる掃引を実行して前記搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって、前記変調光信号を修正するスペクトル重みモジュールによって特徴付けられるスペクトル重み関数と、前記搬送波周波数と、の周波数関係を経時的に修正することと、
前記スペクトル重みモジュールによって生成された、前記修正された信号を示す感知ＲＦ信号を経時的に受信することと、
前記感知ＲＦ信号に基づいて前記入力ＲＦ信号のＲＦスペクトルを経時的に計算することと
を備える方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、参照によってその内容が本願に組み込まれる、２０１６年８月２２日に出願されたオーストラリア特許仮出願第２０１６９０３３３０号からの優先権を主張するものである。

【0002】

本開示は、光ＲＦスペクトル分析器、および入力ＲＦ信号を分析するための方法に関する。

【背景技術】

【0003】

電子ＲＦシステムの機能の拡大に対する需要の増加は、マイクロ波信号を高分解能かつ広い動作帯域幅で認識することができるシステムを提供するという先例のない課題を提示する。検出されたマイクロ波信号の存在を報告し、パラメータ混合、コヒーレント光周波数コム、および誘導ブルリアン散乱を含む瞬時スペクトル活動監視を実行するために、様々なフォトニック支援型チャネル化アプローチが存在する。これらのスキームは、システムの複雑性およびコストを高める複数の光源の使用に基づく。また、既存のフォトニック支援型チャネル化受信機は、光フィルタリング帯域幅と無線周波数（ＲＦ）測定分解能との１対１の関係によって制限され、すなわち、ＲＦ測定分解能が光フィルタリング帯域幅のみに依存する。たとえば、２０ＭＨｚのＲＦ測定分解能を有するために、２０ＭＨｚの３ｄＢ帯域幅を有する高選択的光フィルタを必要とし、これは非常に複雑であり、または光造形において実現することが不可能ですらある。

【0004】

この本質的な欠点は、限られた帯域幅および光フィルタの選択性によって生じる隣接した周波数成分間のスペクトル拡幅効果によってもたらされる。これは、マイクロ波信号の周波数情報を正確に保持するためのシステム性能を著しく低減させる。また、シリコンリング共振器を用いる信号処理は、小型サイズおよびＣＭＯＳ製造技術との適合性によって非常に興味深いものである。フォトニック支援型チャネル化受信機のための、帯域応答および狭通過帯域（１００ＭＨｚ未満）を有する高選択的光フィルタを製造するために、アプローチは、臨界結合状態および結合における各間隙および各リングの寸法の正確な制御を有する多数のリングを用いる。そのような複雑な技術プロセスは、シングルチップにチャネル化受信機を統合する可能性を厳しく制限する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

光ＲＦスペクトル分析器は、
入力ＲＦ信号を搬送波周波数に変調するための光変調器と、
変調光信号を修正するためのスペクトル重み関数を有し、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を定める光スペクトル重みと、
スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正するための周波数制御モジュールと、
修正された光信号を経時的に感知し、ＲＦ信号を経時的に生成するための光センサと、
ＲＦ信号に基づいてＲＦスペクトルを経時的に計算するための信号復元モジュールと
を備える。

【0006】

スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正し、その後、フィルタされたＲＦ信号からＲＦスペクトルを経時的に計算することにより、スペクトル重みが比較的広帯域である場合にも高いスペクトル分解能が生じることが利点である。これは、製造お
よび／または動作が困難および／または高費用である、非常に狭帯域のフィルタに頼る他の方法に優る利点である。提案される方法の結果、低減された価格／複雑性および増加した堅牢性でより高いスペクトル分解能が得られる。

【0007】

信号復元モジュールは、スペクトル重み関数に基づいて経時的にＲＦ信号のデコンボリューションを実行するように構成され得る。

【0008】

デコンボリューションは、スペクトル重み関数の解析近似に基づいてよい。

【0009】

信号復元モジュールは、ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることによって、ＲＦ信号のデコンボリューションを経時的に実行するように構成され得る。

【0010】

ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることは、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、ＲＦ信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備えてよい。

【0011】

スペクトル重みは共振であってよい。共振はリング発振器であってよい。

【0012】

光変調器は、搬送波周波数においてレーザを生成するためのレーザ光源を備えてよい。周波数制御モジュールは、搬送波周波数を変えることによって、スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を修正するためのものであってよい。搬送波周波数を変えることは、周波数範囲にわたる掃引を実行することを備えてよい。

【0013】

スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づいてよく、信号復元モジュールは、変化速度に基づいてＲＦスペクトルを計算するためのものであってよい。

【0014】

入力ＲＦ信号を分析するための方法は、
入力ＲＦ信号を光搬送波周波数に変調し、変調光信号を生成することと、
スペクトル重み関数を有し、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を定めるスペクトル重みを付与することによって、変調光信号を修正することと、
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成することと、
修正された光信号を経時的に感知し、ＲＦ信号を経時的に生成することと、
ＲＦ信号に基づいて入力ＲＦ信号のスペクトルを経時的に計算することと
を備える。

【0015】

入力ＲＦ信号のスペクトルを計算することは、スペクトル重み関数に基づいてＲＦ信号のデコンボリューションを経時的に実行することを備えてよい。

【0016】

デコンボリューションは、スペクトル重み関数の解析近似に基づいてよい。

【0017】

ＲＦ信号のデコンボリューションを経時的に実行することは、ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として用いることを備えてよい。

【0018】

ＲＦ信号の波形を周波数領域信号として用いることは、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、ＲＦ信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備えてよい。

【0019】

スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を修正することは、レーザ光源の搬送波周
波数を変えることを備えてよい。

【0020】

搬送波周波数を変えることは、周波数範囲にわたる掃引を実行することを備えてよい。

【0021】

スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づいてよく、ＲＦスペクトルを計算することは、変化速度に基づく。

【0022】

ＲＦ信号分析器を制御するための方法であって、
光変調器による入力ＲＦ信号の搬送波周波数への変調を制御するための変調器制御信号を生成し、変調された光信号を修正するためのスペクトル重みを特徴付けるスペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することと、
光スペクトル重みによって生成された、修正された信号を示す感知ＲＦ信号を経時的に受信することと、
ＲＦ信号に基づいて入力ＲＦ信号のスペクトルを経時的に計算することと
を備える。

【図面の簡単な説明】

【0023】

以下の図を参照して例が説明される。

【0024】

【図1】ＲＦスペクトル分析器を示す。

【図2】ＲＦスペクトル分析のための方法を示す。

【図3】図１のＲＦスペクトル分析器における信号の例を模式的に示す。

【図4】フォトニック支援型ＲＦ測定の実験装置を示す。

【図5a】光フィルタの測定スペクトル応答（実線）および模擬スペクトル応答（点線）を示す。

【図5b】組立式シリコンフォトニック単一リングアドドロップフィルタの上面顕微画像である。

【図5c】測定されモデル化された出力光強度を示す。

【図5d】２０ＧＨｚにおける推定ＲＦ信号周波数を示す。

【図6a】測定されモデル化された出力光強度を示す。

【図6b】入力ＲＦ周波数が０．５ＧＨｚである場合の推定ＲＦ信号を示す。

【図7a】測定された出力光強度を示す。

【図7b】入力ＲＦ周波数が２０ＧＨｚであり、その電力が変化する場合の推定ＲＦを示す。挿入図は拡大された推定結果である。上側の実線は０ｄＢｍのＲＦ電力であり、中間の点線は－１０ｄＢｍのＲＦ電力であり、下側の実線は－２０ｄＢｍのＲＦ電力である。

【図8】フィルタバンクに基づくＲＦスペクトル分析器の模式図を示す。

【図9】図８のＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【図10】レーザフィルタアレイに基づくＲＦスペクトル分析器の模式図を示す。

【図11】図１０のＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【図12】調整可能フィルタに基づくＲＦスペクトル分析器の模式図を示す。

【図13】図１２のＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【図14】分散素子に基づくＲＦスペクトル分析器の模式図を示す。

【図15】図１４のＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【図16】ＲＦ乗算器に基づくＲＦスペクトル分析器の模式図を示す。

【図17】図１６のＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本開示は、ＲＦ測定分解能と光帯域幅との１対１の関係を打破し、設計および製造の複雑性を高めることなく高ＲＦ測定分解能を提供し、マイクロ波信号の振幅および周波数情
報の両方を復元し、オンチップＲＦ周波数測定システムを可能にする技術を提供するものである。

【0026】

図１は、信号入力１０１、変調器１０２、周波数制御１０３、たとえばフィルタなどのスペクトル重み１０４、オプティカルフィールド積分器１０５、および信号復元モジュール１０６を備えるＲＦスペクトル分析器１００を示す。

【0027】

図２は、ＲＦスペクトル分析のための方法２００を示し、図３は、ＲＦスペクトル分析のための信号フロー３００を示す。図１、図２、および図３における参照番号は、参照番号１０１、２０１、および３０１が互いに対応するという意味で、互いに対応する。

【0028】

使用時、信号入力１０１は、入力信号３０１を受信２０１し、変調器１０２は、光側波帯を有する変調信号３０２を生成２０２する。周波数制御１０３は、周波数信号３０２を時間領域３０３にマッピング２０３し、スペクトル重み１０４は、時間領域信号にスペクトル重み３０４を付与２０４する。最終的に、周波数積分器１０５は、積算時間信号３０５を生成するために信号を積算２０５し、信号復元モジュール１０６は、入力信号３０１のＲＦスペクトルを計算するために信号を復元２０６する。

【0029】

入力１０１は、スペクトル的に限られた（狭帯域）入力信号を受信するアンテナであってよい。入力信号３０１の周波数スペクトルにおいて、狭帯域信号は３１０に示される。説明の簡略化のため、狭帯域信号３１０は、中心周波数３１１に関して対称であるものとする。言い換えると、狭帯域信号３１０の中央は、周波数軸の起点から中心周波数３１１だけ離間する。ただし、入力信号は任意のスペクトルを有してよく、多くの場合、入力スペクトルは未知であることに留意する。

【0030】

ステップ２０２における変調器１０２による変調は、上側側波帯３２０および下側側波帯３２１を生成する。変調の結果、上側側波帯３２０および下側側波帯３２１の中心は、変調器周波数３２２から中心周波数３１１だけ離間する。中心周波数３１１は、レーザの光周波数であってよい。光周波数は無線周波数よりも桁違いに高いので、図３において周波数軸は分断される。ＲＦ中心周波数３１１の例は２０ＧＨｚであってよく、搬送波の光周波数３２２の例は１９５ＴＨｚであってよい。

【0031】

周波数制御１０３は、たとえば１５４６．４５ｎｍ～１５４７．２５ｎｍなど、低光波長から高光波長まで搬送波周波数３２２を掃引することによって、変調信号３０２を時間領域にマッピング２０３する。要するに、これによって側波帯３２０、３２１がシフトされるとともに、搬送波３２２は、時間矢印３０３によって示すように経時的に右に向かう。１例において、掃引速度は１ｍｓあたり１０ＭＨｚである。

【0032】

ほとんどの積分器は広帯域であり変調信号３０２のスペクトル全体を効果的に積算するため、たとえばフォトダイオードなどの積分器１０５を変調および時間マッピングされた信号３０２に直接適用することにより、ほんのわずかな経時的変化しか生じないことに留意する。したがって、側波帯３２０、３２１および搬送波のシフトによって生じる有益な経時的変化はほとんどまたは全くない。ただし、積分器１０５が適用される前に、スペクトル重み１０４が信号に付与される。スペクトル重みは光共振であってよく、周波数応答の例は図３の３０４に描かれる。スペクトル重みの付与は基本的に、各周波数における周波数スペクトル３０２をその周波数におけるスペクトル重み３０４で乗算し、その後、周波数範囲全体にわたって積算することを意味する。これは、時間領域において畳み込みとも称され、周波数領域においては乗算になる。

【0033】

図３に示す変調信号３０２およびスペクトル重み３０４の相対位置において、２つの信
号間に重なりはないことが分かる。言い換えると、周波数軸上の全ての点において、信号の少なくとも１つがゼロである。その結果、２つの信号の積もまた、周波数軸全体にわたりゼロである。ゼロ信号を積算することにより、積算時間信号３０５における時間ｔ_１３５０に示されるゼロ出力が生じる。変調信号３０２は経時的に右へシフト３０３されるので、上側側波帯３２０は、スペクトル重み３０４に重なる移動を始め、上側側波帯とスペクトル重みとの積がゼロでなくなる。経時的に重なりは大きくなり、これは積算時間信号３０５の第１のピーク３５１によって示される。上側側波帯３２０がスペクトル重み３０４から外れると、搬送波３２２がスペクトル重み３０４に架かって移動し第２のピーク３５２をもたらすまで、積算時間信号３０５はゼロに後退する。同様に、スペクトル重み３０４に架かって移動する下側側波帯は、第３のピーク３５３をもたらす。

【0034】

言い換えると、スペクトルの重なりは、スペクトル重み関数３０４と搬送波周波数３２２との周波数関係として表され得る。周波数関係は、スペクトル重みが搬送波周波数３２２とスペクトル重み関数３０４との相対配置またはアライメントを定義するという意味で、スペクトル重みによって定義される。これは、たとえば固定光リング発振器によって実装されるような、固定スペクトル重み関数を備えてよい。他の例において、スペクトル重みは、たとえば光リング発振器の調整または光プロセッサの使用などによって、調整可能であってよい。調整にかかわらず、スペクトル重みは、搬送波周波数３２２とスペクトル重み関数３０４との周波数関係を定める。特定のスペクトル関係は、スペクトル重み関数が搬送波よりも著しく高い周波数にあること、搬送波より１０ＧＨｚ上にあること、または上側側波帯３２０の周波数を上回って搬送波より上にあることであってよい。周波数関係を経時的に修正することは、上述した掃引を備えてよく、上述したような重なりをもたらし得る。

【0035】

一例において、３つのピーク３５１、３５２、および３５３は、図３の積算時間信号３０５において示すように明確に分離される。この場合、復元モジュール１０６は、３つのピーク３５１、３５２、および３５３を極大値として検出し、上側側波帯ピーク３５１と搬送波ピーク３５２との間の時間ｔ_０３５４を測定することができる。この時間ｔ_０３５４は、上側側波帯３２０とスペクトル重み３０４との重なりと、搬送波３２２とスペクトル重みとの重なりとの間の時間を示す。すなわち、時間ｔ_０は、変調信号スペクトルがｆ_０からシフトされている期間を示す。Ｈｚ／ｓで示す掃引速度であるシフトの速度は、周波数制御１０３への入力として事前設定され、または既知であるため、周波数ｆ_０は、ｆ_０＝速度×ｔ_０として計算され得る。これは、スペクトル重み３０４が比較的広い帯域であり、ピーク３５１、３５２、および３５３が区別され得る限り出力のスペクトル分解能を著しく低下させることがないことを示す。

【0036】

しかし他の例において、３つのピーク３５１、３５２、および３５３は、強く重なり合うピークによって区別することが難しい。この場合、復元モジュール１０６は、時間信号にデコンボリューションアルゴリズムを適用してよい。ただし、信号処理における多数のプロセスは、周波数空間において乗算に変換され得る、たとえば入力信号およびフィルタ応答など２つの時間信号の畳み込みによって表されることに留意する。対照的に、ここでは畳み込みは、変調信号３０２とスペクトル重みスペクトル３０４との間の周波数空間において生じるが、出力は、時間領域積算時間信号３０５である。ただし、積算時間信号３０５の時間軸を掃引速度に従う周波数軸と置き換えることが可能である。たとえば、掃引速度が毎秒１０ＭＨｚである場合、復元モジュールは、積算時間信号３０５の時間軸における時間値と１０ＭＨｚ／ｓとを乗算し、それらを周波数に変換し、適用可能であればオフセットを適用してよい。積算時間信号３０５の波形は、その後、原信号３０２の推定値を計算するために、決定された周波数軸を用いる周波数領域信号としてデコンボリューションアルゴリズムへ受け渡され得る。デコンボリューションは、たとえばｓｃｉｐｙ．ｓｉｇｎａｌ．ｄｅｃｏｎｖｏｌｖｅパッケージにおけるＰｙｔｈｏｎコードを実行するこ
とによって、コンピューティングシステムのプロセッサによって実行され得る。他の例において、ＦＰＧＡがデコンボリューションを実行する。

【0037】

デコンボリューション結果の精度は、スペクトル重み２０４の実際のスペクトルまたはその近似値を用いることによって高められ得る。１つの近似は、ガウス分布であってよい。より正確な近似は、ディラックインパルスであってよい。

【0038】

要するに、スペクトル分析システムは、光側波帯（ＯＳＢ）生成、周波数時間マッピング、スペクトル重み付け、光フィールド積算、および信号復元を含む、光および電気領域の両方における５つの信号処理ステップによって実現され得る。第１に、電気光変調を介して、光源によって生成された光搬送波に入力ＲＦ信号が適用され、それによって光側波帯生成が実現される。第２に、光スペクトルにおける光側波帯情報は、周波数時間領域マッピングを介して時間領域内の波形に変換され、ここでその強度プロファイルは、光スペクトルのスケールドレプリカになる。第３に、時変波形は、たとえば光フィルタなどのスペクトル重みモジュールを通って伝送され、ここで各時間インスタンスでの出力におけるその強度は、寄与周波数成分に従って重み付けされる。第４に、たとえば光検出器または光電力計などの光フィールド積分器は、各時間インスタンスにおける正確な光強度を測定するために利用される。第５に、デコンボリューション定理に基づく信号復元モジュールは、光フィールド積分器によって測定された光強度から入力ＲＦ信号スペクトルを再構成するために用いられる。

【0039】

この技術のアプリケーションは以下を含む。
・走査受信機
・ＲＦスペクトル分析
・光スペクトル分析
・フォトニック信号処理
・集積フォトニックチップ
・レーダ

【0040】

デコンボリューションの概念を検証するために、調整可能レーザ光源４０３によって変調された未知のＲＦ入力信号を光側波帯生成器４０２へ提供するための入力４０１を備える、図４に示す装置４００に基づいて実験が行われた。可能な周波数測定範囲は、システム内で用いられる光側波帯生成器によって主に制限されることに留意する。電気光変調器における現在の開発状況は、１００ＧＨｚを上回る変調帯域幅を提供し、これは、提案された超広帯域ＲＦスペクトル分析を用いるシステムを容易にし得る。変調信号は、信号復元モジュール４０５へ信号を提供する光フィールド積分器４０５に接続された、スペクトル重みとして作用する単一リング共振器４０４へ供給される。実験において、一定の掃引速度８０ｎｍ／ｓを有する調整可能レーザ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ）４０３は、１５４６．４５ｎｍから１５４７．２５ｎｍまで掃引された。これは、４０００点および約１０ｍｓの全体掃引期間をもたらし、ここで時間領域における１マイクロ秒の時間間隔は、１０ＭＨｚの周波数変化に対応する。たとえば広帯域測定が必要な光スペクトル分析など他のアプリケーションの場合、掃引範囲は更に拡大され、たとえばＣ＋Ｌ帯域であってよい。システム４００においてスペクトル重み付けを提供するための光フィルタ４０４は、約１．４ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を有する１５４６．８５ｎｍを中心とする単一リング共振器に基づく。フィルタの測定された光スペクトルは、図５ａに示される。

【0041】

第１に、２０ＧＨｚのＲＦ周波数を有する入力マイクロ波信号４０１が試験に用いられた。図５ｃは、実験において光電力計であった光フィールド積分器４０５の出力において測定された光強度波形を示す。その結果は、光パワー強度の時間領域へのマッピング、ＯＳＢ生成４０２の効果、および光強度の重み付けを示す。信号復元モジュール４０６の出
力において推定されたＲＦ信号の周波数が図５ｄに示される。入力信号の復元は、既存の信号デコンボリューションアルゴリズムによる逆変換によって行われる。たとえば、画像およびオーディオ処理アプリケーションに関するブラインドデコンボリューション法が復元モジュールにおいて適合され使用され得る。

【0042】

測定誤差は２５ＭＨｚ未満であり、これは、１．４ＧＨｚのフィルタ帯域幅よりも大幅に小さい。

【0043】

図６ａおよび図６ｂは、入力マイクロ波周波数が、光フィルタの３ｄＢ帯域幅よりも大幅に小さい０．５ＧＨｚまで低減された場合の測定を示す。図６ａから分かるように、光電力計の出力光強度は単一ピークに向かって広がるが、ＲＦ信号の周波数は、図６ｂに示す新たな技術によって正確に識別され得る。

【0044】

図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、入力ＲＦ周波数が２０ＧＨｚに固定され、その電力が様々であった場合の、測定された光強度波長および推定された変調信号を示す。図示されるように、この技術は、信号の振幅および周波数の両方を十分に復元する。推定された振幅誤差はそれぞれ、０ｄＢｍ、－１０ｄＢｍ、および－２０ｄＢｍの入力ＲＦ電力において０．７２、０．１２６、および０．０６ｄＢである。

【0045】

周波数時間マッピングモジュールおよびスペクトル重みモジュールと、光フィールド積分器および信号復元モジュールとを組み合わせることにより、高分解能での入力ＲＦ信号スペクトルの再構成が可能になり、また設計および製造の複雑性が著しく低減される。この技術は、分解能および動作帯域幅の測定を向上させ、ＲＦ測定分解能と光帯域幅との１対１の関係を打破し、マイクロ波信号の振幅および周波数情報の両方を復元し、オンチップＲＦ周波数測定システムを可能にもする。マイクロ波周波数測定に対し提案された解決策は、光搬送波および側波帯情報が自己参照関数を提供するため、光源およびデバイスの波長ドリフトに影響されにくい。

【0046】

上述したように、デコンボリューションは、たとえば復元モジュール１０６など、コンピュータシステムのプロセッサによって実行され得る。このプロセッサは、たとえばプロセッサに接続されたプログラムメモリに格納されたソフトウェアコードの命令の下、スペクトル分析器１００の制御タスクも実行してよい。これらの制御タスクは、スペクトル重み関数１０４と搬送波周波数３２２との関係を経時的に修正するために、光変調器１０２による入力ＲＦ信号１０１の搬送波周波数３２２への変調を制御するための変調器制御信号を生成することを含んでよい。これは基本的に、復元モジュール１０６と周波数制御１０３との間に図１における他の接続が存在することを意味する。プロセッサは更に、光スペクトル重み１０４によって生成された修正信号を示す、感知ＲＦ信号３０５を経時的に受信する。その後プロセッサは、たとえば上述したようにＲＦ信号にデコンボリューションアルゴリズムを経時的に適用することによって、ＲＦ信号に基づいて入力ＲＦ信号のスペクトルを経時的に計算する。

【0047】

更なる実施形態

【0048】

以下の説明は、更なる実施形態を提供する。一般に、参照番号の下２桁は対応する特徴を示し、その意味するところは、たとえば図８におけるＲＦ信号８０１が、図１におけるＲＦ信号１０１に対応する。

【0049】

図８は、搬送波周波数８０３を変えることなくスペクトル重み関数８０４と搬送波周波数８０３との関係を修正するためにフィルタバンク８０４を用いる、光ＲＦスペクトル分析のための別の方法の模式図を示す。変調光信号は、レーザ８０３からの対象のＲＦ信号
８０１を固定波長搬送波信号に変調することによって生成される。これはその後、均等に分割され、同一ライン形状を有する狭帯域光フィルタ８０４のバンクへ送信される。各個々のフィルタは、一定の間隔を有する個別の周波数（ｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_Ｎ）を中心とする。搬送波と個々のフィルタとの関係は、たとえば搬送波周波数を掃引することによって、上述したように経時的に変化する。図８に示すような複数のフィルタの使用は、分析に要する時間を低減させる。たとえば、４つのフィルタを用いる場合、１つのフィルタの場合の４分の１の分析時間しか要さない。

【0050】

図９は、変調信号の各分割部分がどのようにシフト後のスペクトル重みと乗算されるかを示す。変調信号の重み付きスペクトルはその後、フォトダイオード８０５へ送信され、ここで変調信号のスペクトル全体にわたる積算が実行される。信号復元素子８０６において、フォトダイオードの電力出力は縫い合わせられ、フィルタライン形状によってデコンボリューションされ、その結果、入力ＲＦ信号のリアルタイムスペクトルが得られる。

【0051】

図１０は、ＲＦスペクトル分析器を実現するためにフィルタバンク１００４を用いる他の例１０００を示す。レーザアレイ１００３は、様々な周波数（ｆｃ_１、ｆｃ_２、・・・、ｆｃ_２Ｎ）における複数の搬送波信号を生成するために用いられる。次に搬送波信号は、変調器１００２へ注入される。ＲＦ情報は全ての搬送波信号にマッピングされ、その結果、それぞれｆｃ_１、ｆｃ_２、・・・、ｆｃ_２Ｎを中心とする、変調信号の２Ｎ個のコピーが生成される。これはその後、均等に分割され、同一線形状を有する狭帯域光フィルタ１００４のバンクへ送信される。フィルタバンク１００４内のフィルタの中心周波数を調整することによって、変調信号のｎ番目（１≦ｎ≦Ｎ）のコピーとフィルタ位置との相対間隔はｎΔｆであり、各フィルタ出力は、シフト後のスペクトル重み関数と変調信号との積である。

【0052】

図１１は、レーザフィルタアレイに基づくＲＦスペクトル分析器のスペクトルを示す。

【0053】

スペクトル重み関数間の関係もまた、調整可能光フィルタを用いることによって経時的に修正され得る。図１２は、固定波長搬送波、変調器１２０２、調整可能光フィルタ１２０４、フォトダイオード１２０５、および信号復元素子１２０６を生成する、レーザ光源１２０３に基づく光ＲＦスペクトル分析システム１２００の模式図を示す。固定速度率を有する調整可能フィルタ１２０４の中心周波数を変化させることによって、光フィルタは、図１３に示すように各時間インスタンス（ｔ_１、ｔ_２、・・・、ｔ_Ｎ）において別々の位置にあり、周波数範囲にわたる掃引が実現され得る。

【0054】

図１４は他の例を示す。図１４に示すように、レーザアレイ１４０３は、固定周波数間隔（ｆｃ_１、ｆｃ_２、・・・、ｆｃ_Ｎ）を有する複数の搬送波信号を生成する。光搬送波信号は、ｆｃ_１、ｆｃ_２、・・・、ｆｃ_Ｎを中心とする変調光信号１４０１のＮ個のコピーを得るために変調器１４０２へ注入され、その後、変調器の出力は、遅延素子（たとえば分散型遅延線）へ送信される。遅延素子によってもたらされる時間遅延は、光周波数依存性であり、これは、変調信号の各コピーが様々な時間にフィルタ１４０４に到着することを示す。線形遅延スロープを有する分散型素子がシステム内で光遅延線１４１０として用いられる場合、変調信号のｎ個のコピーとｎ＋１（１≦ｎ≦Ｎ）個のコピーとの間に一定の時間遅延がもたらされる。したがって、経時的なスペクトル重み関数とＲＦスペクトルとの関係は、分散素子の分散特性によって制御される。図１５は、対応するスペクトルを示す。

【0055】

図１６は、レーザ光源１６０３によって生成された搬送波信号に入力ＲＦ信号１６０１を直接適用するのではなく、ＲＦ信号１６０１が最初に周波数乗算器１６１０へ送信され、次に変調器１６０２へ送信され得る方法を示す。たとえば、周波数２倍器は、図１７に
示すように入力ＲＦ周波数を２倍にしてよく、その結果、搬送波信号と側波帯との相対間隔もまた、スペクトル重みモジュールへ注入される前に光周波数領域において２倍に増加する。乗算器１６１０の比を変化させることによって、変調信号の側波帯は、各時間インスタンスにおいて別々の位置に割り当てられる。したがって、周波数範囲にわたる掃引が実現され得る。

【0056】

当業者には理解されるように、本開示の広く一般的な範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に数々の変形例および／または修正例が生み出され得る。したがって本実施形態は、あらゆる点で限定的ではなく例示的なものとして見なされるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図5c】

【図5d】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】