JP2004328670A - 高安定性発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した発振特性を有する高周波数の発振器を低いコストで容易に得ることが可能な高安定性発振器を提供する。
【解決手段】前段の低周波数発振器であり１９．４４ＭＨｚの信号を生成して出力する電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）１０と、ＶＣＸＯ１０からの信号の周波数を３２逓倍し、６２２．０８ＭＨｚの高周波数の信号を生成する逓倍回路１１とによって発振器１を構成するとともに、逓倍回路１１の後段にＳＡＷフィルタ１２を設置する。ＳＡＷフィルタ１２は、逓倍回路１１での周波数６２２．０８ＭＨｚから所定範囲内にある周波数を中心周波数とし、所定周波数範囲内の信号成分を通過させて出力することによって、余分な周波数成分をカットする。これにより、ジッタが少ない高安定性の発振器１が得られる。
【選択図】 図１
【解決手段】前段の低周波数発振器であり１９．４４ＭＨｚの信号を生成して出力する電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）１０と、ＶＣＸＯ１０からの信号の周波数を３２逓倍し、６２２．０８ＭＨｚの高周波数の信号を生成する逓倍回路１１とによって発振器１を構成するとともに、逓倍回路１１の後段にＳＡＷフィルタ１２を設置する。ＳＡＷフィルタ１２は、逓倍回路１１での周波数６２２．０８ＭＨｚから所定範囲内にある周波数を中心周波数とし、所定周波数範囲内の信号成分を通過させて出力することによって、余分な周波数成分をカットする。これにより、ジッタが少ない高安定性の発振器１が得られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定した発振特性を有する高安定性発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信の伝送速度が高くなるに伴って、光通信装置に用いられる発振器として、高周波数の発振器が求められている。例えば、伝送速度１０Ｇｂｐｓの光通信では、発振周波数６２２．０８ＭＨｚの発振器が用いられている。
【０００３】
水晶振動子や水晶ＳＡＷ共振子などの圧電素子を用いた発振器では、高周波数の発振器を実現する方法として、現在、２つの方法が知られている。１つは、圧電素子のみを用いて６２２．０８ＭＨｚの高周波数信号を直接に発振させる方法である。もう１つは、圧電素子を１５５．５２ＭＨｚで発振させ、ＳＡＷフィルタを用いてその４次のオーバートーンを引き出す方法である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１４８６１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波数の発振器を実現する上記した２つの方法のうち、圧電素子のみを用いて直接に発振させる方法では、発振周波数が高くなるにつれて、発振器に使用される水晶振動子や水晶ＳＡＷ共振子自体での中心周波数や位相の制御、例えば水晶振動子の板厚精密制御が難しくなる。このため、発振器の歩留りは高周波数では低くなり、その結果として発振器の製造コストが高くなるという問題がある。一方、オーバートーンを用いる方法では、逆にオーバートーンが発生する水晶振動子以外を使用することができないので、発振器構成上の自由度が小さい。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、安定した発振特性を有する高周波数の発振器を低いコストで容易に得ることが可能な高安定性発振器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による高安定性発振器は、（１）第１周波数を有する第１信号を生成するとともに第１周波数が固定または電圧制御可能に構成された低周波数発振器と、（２）低周波数発振器から出力された第１信号の周波数を逓倍して第２周波数を有する第２信号を生成する逓倍回路と、（３）逓倍回路で逓倍された第２信号を入力し、所定の中心周波数から所定周波数範囲内の信号成分を通過させるＳＡＷフィルタとを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記した高安定性発振器においては、元となる発振部分には低周波数の固定発振または電圧制御型の発振器を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路によって所望の周波数とする。そして、逓倍回路の後段に、特定周波数の信号成分を選択的に通過させるＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ、表面弾性波）フィルタを設置している。これにより、良好な特性を有する発振器を実現することができる。
【０００９】
特に、ＳＡＷフィルタを通過した信号成分を出力する構成により、ジッタ（揺らぎ）が少なく安定した発振特性を有する発振器を得ることができる。また、ＳＡＷフィルタでは信号の位相は問題とならず、逓倍後の所望の周波数（第２周波数）と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。
【００１０】
ここで、逓倍回路での第２周波数とＳＡＷフィルタでの中心周波数との差は、絶対値で３００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これにより、逓倍後の第２信号のうちで所望の周波数の信号成分を、充分な強度でＳＡＷフィルタを介して出力することができる。
【００１１】
また、ＳＡＷフィルタは、そのＱ値が８００以上、２次の温度係数が絶対値で０．１ｐｐｍ／℃２以下、中心周波数から±０．５％以上離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃ以下のフィルタ特性を有することが好ましい。これにより、温度依存性等が小さく、かつ、ジッタが低減された良好な信号を出力することが可能となる。
【００１２】
また、低周波数発振器及び逓倍回路は、逓倍後の第２周波数が２．４ＧＨｚ以上となるように構成され、ＳＡＷフィルタは、ダイヤモンド基板を用いて構成されていることを特徴としても良い。このように出力しようとする信号の周波数が高い場合には、高周波数に適したダイヤモンドを使ったＳＡＷフィルタを用いることが好ましい。
【００１３】
また、低周波数発振器における電圧制御の周波数利得は、絶対値で２５０ｋＨｚ／Ｖ以下であることが好ましい。このように周波数利得を小さくすることにより、発振器の周波数安定性を向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による高安定性発振器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による高安定性発振器の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態の高安定性発振器１は、発振素子として圧電素子を用いた発振器であり、低周波数発振器１０と、逓倍回路１１と、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ１２とを備えて構成されている。
【００１６】
前段の発振器である低周波数発振器１０は、圧電素子として水晶振動子を用いるとともに、その周波数が電圧制御可能に構成された電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であり、発振周波数（第１周波数）１９．４４ＭＨｚの信号（第１信号）を生成して出力する。ＶＣＸＯ１０から出力された周波数１９．４４ＭＨｚの信号は、×３２の逓倍回路１１に入力される。逓倍回路１１は、その周波数を３２逓倍し、周波数（第２周波数）６２２．０８ＭＨｚの高周波数の信号（第２信号）を生成して出力する。
【００１７】
ＶＣＸＯ１０及び逓倍回路１１の後段には、ＳＡＷフィルタ１２が設置されている。ＳＡＷフィルタ１２は、圧電体の表面を伝搬する表面弾性波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を介して、特性周波数の信号成分を選択的に通過させるフィルタである。ここでは、ＳＡＷフィルタ１２は、前段にある逓倍回路１１での第２周波数６２２．０８ＭＨｚから所定範囲内にある周波数を中心周波数とする周波数特性で構成されており、逓倍回路１１から入力された信号のうち、中心周波数から所定周波数範囲内の信号成分を通過させる。このＳＡＷフィルタ１２を通過した信号成分が、本高安定性発振器１から出力される発振信号となる。
【００１８】
また、本実施形態においては、ＳＡＷフィルタ１２の後段に、さらにＰＥＣＬレベル変換回路１３が設けられている。この変換回路１３は、高速通信において用いられる信号レベルに合わせるためのＰＥＣＬバッファアンプを含む回路である。ＳＡＷフィルタ１２を通過した周波数６２２．０８ＭＨｚの信号は、この変換回路１３によってＰＥＣＬレベルの信号へと変換された後、外部へと出力される。あるいは、ＣＭＯＳレベル変換回路を用いる構成としても良い。
【００１９】
本実施形態による高安定性発振器の効果について説明する。
【００２０】
図１に示した高安定性発振器１においては、元となる発振部分には低周波数の発振器である１９．４４ＭＨｚのＶＣＸＯ１０を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路１１によって所望の周波数６２２．０８ＭＨｚまで逓倍する。そして、逓倍回路１１の後段に、抑圧が良くＱ値も大きいＳＡＷフィルタ１２を設置する構成としている。これにより、良好な特性を有する発振器を実現することができる。
【００２１】
特に、ＳＡＷフィルタ１２を通過した信号成分を出力する構成により、ＶＣＸＯ１０及び逓倍回路１１からの信号に含まれる余分な周波数成分がＳＡＷフィルタ１２でカットされる。したがって、逓倍回路１１などによる波形の歪みをＳＡＷフィルタ１２で完全に除去して、ジッタが少なく安定した発振特性を有する発振器１を得ることができる。
【００２２】
また、このようにＳＡＷフィルタ１２を用いた場合、ＳＡＷフィルタ１２では信号の位相は問題とならず、逓倍回路１１による逓倍後の周波数（第２周波数）と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。この周波数のばらつきについては、逓倍回路１１での第２周波数とＳＡＷフィルタ１２での中心周波数との差が、絶対値で３００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これにより、逓倍後の信号のうちで所望の周波数の信号成分を、充分な強度でＳＡＷフィルタ１２を介して出力することができる。
【００２３】
また、ＳＡＷフィルタ１２のフィルタ特性については、その周波数特性の鋭さを示すＱ値が８００以上であることが好ましい。これにより、発振信号のうちで揺らぎの周波数成分を充分にカットすることができる。また、２次の温度係数が絶対値で０．１ｐｐｍ／℃２以下と温度依存性が小さいことが好ましい。また、帯域外の信号成分の抑圧については、中心周波数から±０．５％以上離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃ以下のフィルタ特性を有することが好ましい。このような特性のＳＡＷフィルタ１２を用いることにより、温度依存性等が小さく、かつ、ジッタが低減された良好な信号を出力することができる。
【００２４】
また、電圧制御型の低周波数発振器（図１においてはＶＣＸＯ）１０については、その電圧制御の周波数利得が絶対値で２５０ｋＨｚ／Ｖ以下であることが好ましい。このように周波数利得を小さくすることにより、発振器の周波数安定性を向上することができる。このような周波数の安定性は、特に発振器を光通信に適用する上で重要となる。
【００２５】
図１に示した高安定性発振器の具体的な構成例、及びそれによるジッタの低減効果について説明する。この構成例では、前段の発振器１０としては上記した発振周波数１９．４４ＭＨｚのＶＣＸＯを用い、逓倍回路１１で周波数を３２逓倍して６２２．０８ＭＨｚとする構成とした。
【００２６】
また、ＳＡＷフィルタ１２としては、水晶回転Ｙカット−Ｚ伝搬でＳＨ（Ｓｈｅａｒ−Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波を用いたＳＡＷフィルタを作製して用いた。また、このＳＡＷフィルタ１２のフィルタ特性は、中心周波数が６２２．１３ＭＨｚ、挿入損失が４．０ｄＢ、中心周波数から±０．５％離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃであった。また、そのＱ値は１３００、２次の温度係数は−０．０６２ｐｐｍ／℃２であった。ここで、ＳＡＷフィルタ１２の中心周波数６２２．１３ＭＨｚは、周波数６２２．０８ＭＨｚから±３００ｐｐｍ以内の条件を満たしている。
【００２７】
このような構成の高安定性発振器１の発振特性について、ＷＡＶＥＣＲＥＳＴ社製のジッタ解析システムＳＩＡ−３０００を用いて評価を行った。図２（ａ）及び（ｂ）は、ジッタ解析システムによって評価された発振器のジッタ特性を示すグラフであり、図２（ａ）は図１に示した高安定性発振器１のジッタ特性を示している。また、図２（ｂ）は図１の構成からＳＡＷフィルタ１２を除いた発振器のジッタ特性を示している。また、これらのグラフは累積時間波形であり、横軸は時間（ｎｓ）を、縦軸はカウント数を示している。
【００２８】
図２（ｂ）に示す逓倍回路からの出力信号のジッタ特性では、デターミナントジッタ（ＤＪ）が１０．７ｐｓ、ランダムジッタ（ＲＪ）が２．２ｐｓ、トータルジッタ（ＴＪ）が４０．６ｐｓであった。これに対して、図２（ａ）に示すＳＡＷフィルタからの出力信号のジッタ特性では、ランダムジッタは２．２ｐｓであるが、デターミナントジッタはほぼ０ｐｓになっており、トータルジッタでは３０．３ｐｓまで低減されている。このように、発振器の出力側にＳＡＷフィルタを用いることにより、ジッタが低減された高安定性の発振器が得られる。
【００２９】
なお、発振器１０及び逓倍回路１１の後段に設けられるＳＡＷフィルタ１２については、上記したものに限らず、要求されている発振特性や出力する信号の周波数などに応じて、適当なものを選択して用いて良い。特に、逓倍回路１１での逓倍後の第２周波数が２．４ＧＨｚ以上である場合、ＳＡＷフィルタ１２としては、ダイヤモンド基板上に圧電体層を形成することによって構成されたフィルタを用いることが好ましい。ダイヤモンドは、物質中で最も大きな弾性率を持つため、これを媒体とする表面弾性波の伝搬速度は大きい。したがって、ダイヤモンドを使ったＳＡＷフィルタは、このような高周波数でのフィルタに適している。
【００３０】
図３は、図１に示した高安定性発振器１を用いたＰＬＬ回路の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態のＰＬＬ回路２は、ジッタがある入力信号を回路内部でのジッタのない信号に置き換える６２２．０８ＭＨｚの１対１のＰＬＬ回路である。このＰＬＬ回路２は、入力側から出力側へと順に、位相比較器２１と、ループフィルタ２２と、高安定性発振器１Ａとを備えて構成されている。また、高安定性発振器１Ａは、ＶＣＸＯ１０、逓倍回路１１、及びＳＡＷフィルタ１２を有し、図１に示した高安定性発振器１と同様の構成となっている。
【００３１】
位相比較器２１には、外部からの入力信号、及び後段の発振器１Ａからのフィードバック信号が入力されている。位相比較器２１は、これらの信号の位相を比較し、位相が揃うように発振器１Ａを制御するための信号を出力する。この位相比較器２１からの出力信号は、ループフィルタ２２を介して高安定性発振器１Ａへと入力される。これにより、位相の揃った信号が発振器１Ａから出力されるとともに、位相比較器２１へとフィードバックされる。
【００３２】
図３に示したＰＬＬ回路２についてジッタ特性の評価を行った。図４は、ＰＬＬ回路のジッタ特性を評価するためのジッタ評価系の構成を示すブロック図である。ここでは、送信機（Ｔｘ）３１及び受信機（Ｒｘ）３２を有するトランスポンダ３と、ジッタアナライザ４とを用い、図４に示す測定構成によって１０Ｇｂｐｓの光通信での伝送特性を評価した。
【００３３】
具体的には、トランスポンダ３としては、住友電工のトランスポンダＳＤＧ２１１１を用いた。また、ジッタアナライザ４としては、Ｓｏｎｙ Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ のジッタアナライザＯＴＳ９０１０を用いた。トランスポンダ３の送信機３１とジッタアナライザ４との間にはアッテネータ４１を設置し、アッテネータ４１に対して入力信号光パワーを計測するパワーメータ４３を接続した。また、受信器３２とジッタアナライザ４との間にはアッテネータ４２を設置した。そして、トランスポンダ３のＲｘクロックとＴｘクロックとの間にジッタフィルタとしてＰＬＬ回路２を挿入し、ジッタアナライザ４によって１０Ｇｂｐｓの光通信でのジッタ特性を評価した。
【００３４】
図５は、図４に示したジッタ評価系でのジッタ生成（Ｊｉｔｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸はジッタ生成量（ＵＩｐｐ：ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ Ｕｎｉｔ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）を示している。ここでは、ジッタ測定帯域を５０ｋＨｚ〜８０ＭＨｚとして測定を行っている。このグラフに示すように、上記したジッタ評価系では、ジッタ生成が充分に抑制されている。
【００３５】
図６は、図４に示したジッタ評価系でのジッタ転送（Ｊｉｔｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はジッタ周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸はジッタゲイン（ｄＢ）を示している。また、グラフＡ（実線）は測定されたジッタ転送特性を示すグラフであり、グラフＢ（破線）は光通信の規格である Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＧＲ−２５３ の ＯＣ−１９２ ジッタ転送マスク（Ｊｉｔｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｓｋ）を示すグラフである。このグラフに示すように、上記したジッタ評価系では、ジッタ転送がジッタ転送マスクを充分に下回っている。以上より、上記構成の高安定性発振器及びＰＬＬ回路を用いることにより、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＧＲ−２５３ の規格を満たす良好な光通信の伝送特性が得られる。
【００３６】
本発明による高安定性発振器は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、前段の低周波数発振器については、上記実施形態では水晶振動子を用いたＶＣＸＯとしているが、これ以外の電圧制御型圧電発振器としても良い。あるいは、圧電素子を用いない発振器としても良い。さらに、低周波数発振器としては、電圧制御型ではなく、固定発振の発振器を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明による高安定性発振器は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、元となる発振部分には低周波数の固定発振または電圧制御型の発振器を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路によって所望の周波数とし、さらに逓倍回路の後段にＳＡＷフィルタを設置する構成によれば、良好な特性を有する高安定性発振器を実現することができる。
【００３８】
特に、ＳＡＷフィルタを通過した信号成分を出力する構成により、ジッタが少なく安定した発振特性を有する発振器を得ることができる。また、ＳＡＷフィルタでは信号の位相は問題とならず、逓倍後の所望の周波数と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。このような発振器は、例えば、光通信に必要とされる高性能で安定な電圧制御型発振器として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高安定性発振器の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】ジッタ解析システムによって評価された（ａ）図１に示した高安定性発振器、及び（ｂ）ＳＡＷフィルタを除いた発振器のジッタ特性を示すグラフである。
【図３】図１に示した発振器を用いたＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示したＰＬＬ回路のジッタ特性を評価するためのジッタ評価系の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示したジッタ評価系でのジッタ生成特性を示すグラフである。
【図６】図４に示したジッタ評価系でのジッタ転送特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…高安定性発振器、１０…低周波数電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１１…逓倍回路、１２…ＳＡＷフィルタ、１３…ＰＥＣＬレベル変換回路、２…ＰＬＬ回路、２１…位相比較器、２２…ループフィルタ、
３…トランスポンダ、３１…送信機、３２…受信機、４…ジッタアナライザ、４１、４２…アッテネータ、４３…パワーメータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定した発振特性を有する高安定性発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信の伝送速度が高くなるに伴って、光通信装置に用いられる発振器として、高周波数の発振器が求められている。例えば、伝送速度１０Ｇｂｐｓの光通信では、発振周波数６２２．０８ＭＨｚの発振器が用いられている。
【０００３】
水晶振動子や水晶ＳＡＷ共振子などの圧電素子を用いた発振器では、高周波数の発振器を実現する方法として、現在、２つの方法が知られている。１つは、圧電素子のみを用いて６２２．０８ＭＨｚの高周波数信号を直接に発振させる方法である。もう１つは、圧電素子を１５５．５２ＭＨｚで発振させ、ＳＡＷフィルタを用いてその４次のオーバートーンを引き出す方法である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１４８６１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波数の発振器を実現する上記した２つの方法のうち、圧電素子のみを用いて直接に発振させる方法では、発振周波数が高くなるにつれて、発振器に使用される水晶振動子や水晶ＳＡＷ共振子自体での中心周波数や位相の制御、例えば水晶振動子の板厚精密制御が難しくなる。このため、発振器の歩留りは高周波数では低くなり、その結果として発振器の製造コストが高くなるという問題がある。一方、オーバートーンを用いる方法では、逆にオーバートーンが発生する水晶振動子以外を使用することができないので、発振器構成上の自由度が小さい。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、安定した発振特性を有する高周波数の発振器を低いコストで容易に得ることが可能な高安定性発振器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による高安定性発振器は、（１）第１周波数を有する第１信号を生成するとともに第１周波数が固定または電圧制御可能に構成された低周波数発振器と、（２）低周波数発振器から出力された第１信号の周波数を逓倍して第２周波数を有する第２信号を生成する逓倍回路と、（３）逓倍回路で逓倍された第２信号を入力し、所定の中心周波数から所定周波数範囲内の信号成分を通過させるＳＡＷフィルタとを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記した高安定性発振器においては、元となる発振部分には低周波数の固定発振または電圧制御型の発振器を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路によって所望の周波数とする。そして、逓倍回路の後段に、特定周波数の信号成分を選択的に通過させるＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ、表面弾性波）フィルタを設置している。これにより、良好な特性を有する発振器を実現することができる。
【０００９】
特に、ＳＡＷフィルタを通過した信号成分を出力する構成により、ジッタ（揺らぎ）が少なく安定した発振特性を有する発振器を得ることができる。また、ＳＡＷフィルタでは信号の位相は問題とならず、逓倍後の所望の周波数（第２周波数）と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。
【００１０】
ここで、逓倍回路での第２周波数とＳＡＷフィルタでの中心周波数との差は、絶対値で３００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これにより、逓倍後の第２信号のうちで所望の周波数の信号成分を、充分な強度でＳＡＷフィルタを介して出力することができる。
【００１１】
また、ＳＡＷフィルタは、そのＱ値が８００以上、２次の温度係数が絶対値で０．１ｐｐｍ／℃２以下、中心周波数から±０．５％以上離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃ以下のフィルタ特性を有することが好ましい。これにより、温度依存性等が小さく、かつ、ジッタが低減された良好な信号を出力することが可能となる。
【００１２】
また、低周波数発振器及び逓倍回路は、逓倍後の第２周波数が２．４ＧＨｚ以上となるように構成され、ＳＡＷフィルタは、ダイヤモンド基板を用いて構成されていることを特徴としても良い。このように出力しようとする信号の周波数が高い場合には、高周波数に適したダイヤモンドを使ったＳＡＷフィルタを用いることが好ましい。
【００１３】
また、低周波数発振器における電圧制御の周波数利得は、絶対値で２５０ｋＨｚ／Ｖ以下であることが好ましい。このように周波数利得を小さくすることにより、発振器の周波数安定性を向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による高安定性発振器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による高安定性発振器の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態の高安定性発振器１は、発振素子として圧電素子を用いた発振器であり、低周波数発振器１０と、逓倍回路１１と、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ１２とを備えて構成されている。
【００１６】
前段の発振器である低周波数発振器１０は、圧電素子として水晶振動子を用いるとともに、その周波数が電圧制御可能に構成された電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であり、発振周波数（第１周波数）１９．４４ＭＨｚの信号（第１信号）を生成して出力する。ＶＣＸＯ１０から出力された周波数１９．４４ＭＨｚの信号は、×３２の逓倍回路１１に入力される。逓倍回路１１は、その周波数を３２逓倍し、周波数（第２周波数）６２２．０８ＭＨｚの高周波数の信号（第２信号）を生成して出力する。
【００１７】
ＶＣＸＯ１０及び逓倍回路１１の後段には、ＳＡＷフィルタ１２が設置されている。ＳＡＷフィルタ１２は、圧電体の表面を伝搬する表面弾性波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を介して、特性周波数の信号成分を選択的に通過させるフィルタである。ここでは、ＳＡＷフィルタ１２は、前段にある逓倍回路１１での第２周波数６２２．０８ＭＨｚから所定範囲内にある周波数を中心周波数とする周波数特性で構成されており、逓倍回路１１から入力された信号のうち、中心周波数から所定周波数範囲内の信号成分を通過させる。このＳＡＷフィルタ１２を通過した信号成分が、本高安定性発振器１から出力される発振信号となる。
【００１８】
また、本実施形態においては、ＳＡＷフィルタ１２の後段に、さらにＰＥＣＬレベル変換回路１３が設けられている。この変換回路１３は、高速通信において用いられる信号レベルに合わせるためのＰＥＣＬバッファアンプを含む回路である。ＳＡＷフィルタ１２を通過した周波数６２２．０８ＭＨｚの信号は、この変換回路１３によってＰＥＣＬレベルの信号へと変換された後、外部へと出力される。あるいは、ＣＭＯＳレベル変換回路を用いる構成としても良い。
【００１９】
本実施形態による高安定性発振器の効果について説明する。
【００２０】
図１に示した高安定性発振器１においては、元となる発振部分には低周波数の発振器である１９．４４ＭＨｚのＶＣＸＯ１０を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路１１によって所望の周波数６２２．０８ＭＨｚまで逓倍する。そして、逓倍回路１１の後段に、抑圧が良くＱ値も大きいＳＡＷフィルタ１２を設置する構成としている。これにより、良好な特性を有する発振器を実現することができる。
【００２１】
特に、ＳＡＷフィルタ１２を通過した信号成分を出力する構成により、ＶＣＸＯ１０及び逓倍回路１１からの信号に含まれる余分な周波数成分がＳＡＷフィルタ１２でカットされる。したがって、逓倍回路１１などによる波形の歪みをＳＡＷフィルタ１２で完全に除去して、ジッタが少なく安定した発振特性を有する発振器１を得ることができる。
【００２２】
また、このようにＳＡＷフィルタ１２を用いた場合、ＳＡＷフィルタ１２では信号の位相は問題とならず、逓倍回路１１による逓倍後の周波数（第２周波数）と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。この周波数のばらつきについては、逓倍回路１１での第２周波数とＳＡＷフィルタ１２での中心周波数との差が、絶対値で３００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これにより、逓倍後の信号のうちで所望の周波数の信号成分を、充分な強度でＳＡＷフィルタ１２を介して出力することができる。
【００２３】
また、ＳＡＷフィルタ１２のフィルタ特性については、その周波数特性の鋭さを示すＱ値が８００以上であることが好ましい。これにより、発振信号のうちで揺らぎの周波数成分を充分にカットすることができる。また、２次の温度係数が絶対値で０．１ｐｐｍ／℃２以下と温度依存性が小さいことが好ましい。また、帯域外の信号成分の抑圧については、中心周波数から±０．５％以上離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃ以下のフィルタ特性を有することが好ましい。このような特性のＳＡＷフィルタ１２を用いることにより、温度依存性等が小さく、かつ、ジッタが低減された良好な信号を出力することができる。
【００２４】
また、電圧制御型の低周波数発振器（図１においてはＶＣＸＯ）１０については、その電圧制御の周波数利得が絶対値で２５０ｋＨｚ／Ｖ以下であることが好ましい。このように周波数利得を小さくすることにより、発振器の周波数安定性を向上することができる。このような周波数の安定性は、特に発振器を光通信に適用する上で重要となる。
【００２５】
図１に示した高安定性発振器の具体的な構成例、及びそれによるジッタの低減効果について説明する。この構成例では、前段の発振器１０としては上記した発振周波数１９．４４ＭＨｚのＶＣＸＯを用い、逓倍回路１１で周波数を３２逓倍して６２２．０８ＭＨｚとする構成とした。
【００２６】
また、ＳＡＷフィルタ１２としては、水晶回転Ｙカット−Ｚ伝搬でＳＨ（Ｓｈｅａｒ−Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波を用いたＳＡＷフィルタを作製して用いた。また、このＳＡＷフィルタ１２のフィルタ特性は、中心周波数が６２２．１３ＭＨｚ、挿入損失が４．０ｄＢ、中心周波数から±０．５％離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃであった。また、そのＱ値は１３００、２次の温度係数は−０．０６２ｐｐｍ／℃２であった。ここで、ＳＡＷフィルタ１２の中心周波数６２２．１３ＭＨｚは、周波数６２２．０８ＭＨｚから±３００ｐｐｍ以内の条件を満たしている。
【００２７】
このような構成の高安定性発振器１の発振特性について、ＷＡＶＥＣＲＥＳＴ社製のジッタ解析システムＳＩＡ−３０００を用いて評価を行った。図２（ａ）及び（ｂ）は、ジッタ解析システムによって評価された発振器のジッタ特性を示すグラフであり、図２（ａ）は図１に示した高安定性発振器１のジッタ特性を示している。また、図２（ｂ）は図１の構成からＳＡＷフィルタ１２を除いた発振器のジッタ特性を示している。また、これらのグラフは累積時間波形であり、横軸は時間（ｎｓ）を、縦軸はカウント数を示している。
【００２８】
図２（ｂ）に示す逓倍回路からの出力信号のジッタ特性では、デターミナントジッタ（ＤＪ）が１０．７ｐｓ、ランダムジッタ（ＲＪ）が２．２ｐｓ、トータルジッタ（ＴＪ）が４０．６ｐｓであった。これに対して、図２（ａ）に示すＳＡＷフィルタからの出力信号のジッタ特性では、ランダムジッタは２．２ｐｓであるが、デターミナントジッタはほぼ０ｐｓになっており、トータルジッタでは３０．３ｐｓまで低減されている。このように、発振器の出力側にＳＡＷフィルタを用いることにより、ジッタが低減された高安定性の発振器が得られる。
【００２９】
なお、発振器１０及び逓倍回路１１の後段に設けられるＳＡＷフィルタ１２については、上記したものに限らず、要求されている発振特性や出力する信号の周波数などに応じて、適当なものを選択して用いて良い。特に、逓倍回路１１での逓倍後の第２周波数が２．４ＧＨｚ以上である場合、ＳＡＷフィルタ１２としては、ダイヤモンド基板上に圧電体層を形成することによって構成されたフィルタを用いることが好ましい。ダイヤモンドは、物質中で最も大きな弾性率を持つため、これを媒体とする表面弾性波の伝搬速度は大きい。したがって、ダイヤモンドを使ったＳＡＷフィルタは、このような高周波数でのフィルタに適している。
【００３０】
図３は、図１に示した高安定性発振器１を用いたＰＬＬ回路の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態のＰＬＬ回路２は、ジッタがある入力信号を回路内部でのジッタのない信号に置き換える６２２．０８ＭＨｚの１対１のＰＬＬ回路である。このＰＬＬ回路２は、入力側から出力側へと順に、位相比較器２１と、ループフィルタ２２と、高安定性発振器１Ａとを備えて構成されている。また、高安定性発振器１Ａは、ＶＣＸＯ１０、逓倍回路１１、及びＳＡＷフィルタ１２を有し、図１に示した高安定性発振器１と同様の構成となっている。
【００３１】
位相比較器２１には、外部からの入力信号、及び後段の発振器１Ａからのフィードバック信号が入力されている。位相比較器２１は、これらの信号の位相を比較し、位相が揃うように発振器１Ａを制御するための信号を出力する。この位相比較器２１からの出力信号は、ループフィルタ２２を介して高安定性発振器１Ａへと入力される。これにより、位相の揃った信号が発振器１Ａから出力されるとともに、位相比較器２１へとフィードバックされる。
【００３２】
図３に示したＰＬＬ回路２についてジッタ特性の評価を行った。図４は、ＰＬＬ回路のジッタ特性を評価するためのジッタ評価系の構成を示すブロック図である。ここでは、送信機（Ｔｘ）３１及び受信機（Ｒｘ）３２を有するトランスポンダ３と、ジッタアナライザ４とを用い、図４に示す測定構成によって１０Ｇｂｐｓの光通信での伝送特性を評価した。
【００３３】
具体的には、トランスポンダ３としては、住友電工のトランスポンダＳＤＧ２１１１を用いた。また、ジッタアナライザ４としては、Ｓｏｎｙ Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ のジッタアナライザＯＴＳ９０１０を用いた。トランスポンダ３の送信機３１とジッタアナライザ４との間にはアッテネータ４１を設置し、アッテネータ４１に対して入力信号光パワーを計測するパワーメータ４３を接続した。また、受信器３２とジッタアナライザ４との間にはアッテネータ４２を設置した。そして、トランスポンダ３のＲｘクロックとＴｘクロックとの間にジッタフィルタとしてＰＬＬ回路２を挿入し、ジッタアナライザ４によって１０Ｇｂｐｓの光通信でのジッタ特性を評価した。
【００３４】
図５は、図４に示したジッタ評価系でのジッタ生成（Ｊｉｔｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸はジッタ生成量（ＵＩｐｐ：ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ Ｕｎｉｔ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）を示している。ここでは、ジッタ測定帯域を５０ｋＨｚ〜８０ＭＨｚとして測定を行っている。このグラフに示すように、上記したジッタ評価系では、ジッタ生成が充分に抑制されている。
【００３５】
図６は、図４に示したジッタ評価系でのジッタ転送（Ｊｉｔｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はジッタ周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸はジッタゲイン（ｄＢ）を示している。また、グラフＡ（実線）は測定されたジッタ転送特性を示すグラフであり、グラフＢ（破線）は光通信の規格である Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＧＲ−２５３ の ＯＣ−１９２ ジッタ転送マスク（Ｊｉｔｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｓｋ）を示すグラフである。このグラフに示すように、上記したジッタ評価系では、ジッタ転送がジッタ転送マスクを充分に下回っている。以上より、上記構成の高安定性発振器及びＰＬＬ回路を用いることにより、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＧＲ−２５３ の規格を満たす良好な光通信の伝送特性が得られる。
【００３６】
本発明による高安定性発振器は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、前段の低周波数発振器については、上記実施形態では水晶振動子を用いたＶＣＸＯとしているが、これ以外の電圧制御型圧電発振器としても良い。あるいは、圧電素子を用いない発振器としても良い。さらに、低周波数発振器としては、電圧制御型ではなく、固定発振の発振器を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明による高安定性発振器は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、元となる発振部分には低周波数の固定発振または電圧制御型の発振器を用いるとともに、発振信号の周波数を逓倍回路によって所望の周波数とし、さらに逓倍回路の後段にＳＡＷフィルタを設置する構成によれば、良好な特性を有する高安定性発振器を実現することができる。
【００３８】
特に、ＳＡＷフィルタを通過した信号成分を出力する構成により、ジッタが少なく安定した発振特性を有する発振器を得ることができる。また、ＳＡＷフィルタでは信号の位相は問題とならず、逓倍後の所望の周波数と、ＳＡＷフィルタの中心周波数とのばらつきが所定範囲内であれば良い。したがって、高周波数で、かつ高安定性の発振器を低いコストで容易に製造することが可能となる。このような発振器は、例えば、光通信に必要とされる高性能で安定な電圧制御型発振器として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高安定性発振器の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】ジッタ解析システムによって評価された（ａ）図１に示した高安定性発振器、及び（ｂ）ＳＡＷフィルタを除いた発振器のジッタ特性を示すグラフである。
【図３】図１に示した発振器を用いたＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示したＰＬＬ回路のジッタ特性を評価するためのジッタ評価系の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示したジッタ評価系でのジッタ生成特性を示すグラフである。
【図６】図４に示したジッタ評価系でのジッタ転送特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…高安定性発振器、１０…低周波数電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１１…逓倍回路、１２…ＳＡＷフィルタ、１３…ＰＥＣＬレベル変換回路、２…ＰＬＬ回路、２１…位相比較器、２２…ループフィルタ、
３…トランスポンダ、３１…送信機、３２…受信機、４…ジッタアナライザ、４１、４２…アッテネータ、４３…パワーメータ。
Claims (5)
- 第１周波数を有する第１信号を生成するとともに前記第１周波数が固定または電圧制御可能に構成された低周波数発振器と、
前記低周波数発振器から出力された前記第１信号の周波数を逓倍して第２周波数を有する第２信号を生成する逓倍回路と、
前記逓倍回路で逓倍された前記第２信号を入力し、所定の中心周波数から所定周波数範囲内の信号成分を通過させるＳＡＷフィルタと
を備えることを特徴とする高安定性発振器。 - 前記逓倍回路での前記第２周波数と前記ＳＡＷフィルタでの前記中心周波数との差は、絶対値で３００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高安定性発振器。
- 前記ＳＡＷフィルタは、そのＱ値が８００以上、２次の温度係数が絶対値で０．１ｐｐｍ／℃２以下、前記中心周波数から±０．５％以上離れた帯域外周波数での抑圧レベルが−３０ｄＢｃ以下のフィルタ特性を有することを特徴とする請求項１記載の高安定性発振器。
- 前記低周波数発振器及び前記逓倍回路は、逓倍後の前記第２周波数が２．４ＧＨｚ以上となるように構成され、前記ＳＡＷフィルタは、ダイヤモンド基板を用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載の高安定性発振器。
- 前記低周波数発振器における電圧制御の周波数利得は、絶対値で２５０ｋＨｚ／Ｖ以下であることを特徴とする請求項１記載の高安定性発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003124302A JP2004328670A (ja) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | 高安定性発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003124302A JP2004328670A (ja) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | 高安定性発振器 |
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| JP2004328670A true JP2004328670A (ja) | 2004-11-18 |
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| JP (1) | JP2004328670A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102035473A (zh) * | 2009-10-01 | 2011-04-27 | 邓加慧 | 高稳定性正弦波信号发生器 |
-
2003
- 2003-04-28 JP JP2003124302A patent/JP2004328670A/ja active Pending
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