JP2009060241A - 高周波信号光伝送システム及び高周波信号光伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送による遅延位相量の補償を行うことで、光による高安定な高周波信号の長距離伝送を可能とする高周波信号光伝送システム及び方法を得る。
【解決手段】２つの光信号の差周波数による高周波信号伝送において、周波数シフトした戻り光信号を用いたラウンドトリップを行い、送信光信号とラウンドトリップ戻り光信号の位相測定をマイケルソン干渉計の原理で２つの光信号それぞれ独立に同時に行い、２つの光信号を分離するフィルタ２４を持ち、２つの光信号の一方の経路に入れた光移相器２５内の送受光信号をお互い直交した偏波状態とすることでラウンドトリップの送受光信号を区別し、光移相器２５を通過した後の偏波を補償するために光移相器２５の通過光を反射させ、往復で通過させることで光の可逆性を利用して光移相器２５の偏波回転を除去し、送信光信号とラウンドトリップ戻り光信号の位相を測定して位相同期させることで伝送位相補償を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、伝送による遅延位相量の補償を行うことで、光による高安定な高周波信号（ＳＩＮ波）の長距離伝送を可能とする高周波信号光伝送システム及び高周波信号光伝送方法に関するものである。

長距離の同軸ケーブルでは、ギガヘルツ以上の高い周波数を伝送することはできない。一方、光ファイバでは、高周波信号の伝送において、光の偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization mode dispersion）により遅延誤差を生じる。

マイクロ波信号を光によって伝送する場合には、波長の異なる２つの光（波長λ１とλ２）を用いて行われる。これらの２つの光の周波数（位相）差が伝送したいマイクロ波信号の周波数となる。

図３は、１本の光ファイバ中をラウンドトリップする波長の違う２つの光を示す図である。図３において、左端が光の送信端であり、右端が光の伝送先である。この時、２つの光の差周波数に相当するものが伝送したいマイクロ波周波数である。この差周波数は、右端の伝送先で光検出器のミキサーとしての働きでマイクロ波周波数として取り出される。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、２つの光のラウンドトリップする長さを変えて描いているのは、偏波モード分散（ＰＭＤ）で２つの光夫々の遅延量が異なることを表している。光ファイバ伝送では、偏波モード分散により２つの光夫々で遅延量が異なり、独立した補正が不可欠である。

光ファイバの左端から入力される２つの光（波長λ１とλ２）の夫々の初期位相を０と仮定する。２つの光の内、図３（ｂ）に示すように、光波長λ２に位相制御用の光移相器（移相量Φ）があるものとする。光波長λ１でラウンドトリップして戻って来た位相を（（２πｍ）＋φ_１）とし、光波長λ２でラウンドトリップして戻って来た位相を（（２πｎ）＋φ_２＋２Φ）とする。

ここで、一本のファイバを光が往復するので、右端の伝送先がラウンドトリップの中点にあると考えられる。そこでの光位相は、光波長λ１において、ｍが偶数の時には（φ_１）／２、ｍが奇数の時には（φ_１）／２＋πとなる。

また、光波長λ２において、ｎが偶数の時には（φ_２）／２＋Φ、ｎが奇数の時には（φ_２）／２＋Φ＋πとなる。

もし、φ_１＝φ_２＋２Φとなるように光位相を制御すると、右端の伝送先での２つの光（波長λ１とλ２）の位相が揃う、もしくは丁度πだけ異なる状態となる。伝送する信号は、２つの光（波長λ１とλ２）の位相の差として送られるため、長距離の光ファイバの右端の伝送先での伝送信号の位相は、左端の送信端での信号位相と同一、もしくは丁度πだけずれた信号となる。光位相をφ_１＝φ_２＋２Φと制御すれば、光ファイバの影響を気にせず、安定して高周波信号の長距離伝送が可能となる。この時、ファイバでの伝送中に外部から与えられる影響は、２つの光（波長λ１とλ２）に共通となるため、右端の伝送先での２つの光（波長λ１とλ２）の差を取ると共通雑音として相殺される。

これを可能とするには、２つの光（波長λ１とλ２）の片方にのみに入れた光移相器をラウンドトリップの送受（行きと戻り）光を区別しながら、送受計２回通過させる必要がある。このために、光周波数シフタ、偏波スプリッタ、サーキュレータを用いた構造とし、光移相器内の送受２波を直交した偏波状態とすることで区別を行う。また、光移相器を通過した後の偏波を補償するために、光移相器の通過光を反射させ、往復で通過させることで光の可逆性を利用して移相器の偏波回転を除去する。

ラウンドトリップによる２つの光（波長λ１とλ２）の位相は、送受光を分離するための伝送先（右端）での光周波数シフタの２倍の周波数の信号位相としてマイケルソン干渉計の原理により光検出器で検出され、φ_１＝φ_２＋２Φとなるように光移相器を制御することで遅延位相補償を可能とすることができる。

図４は、従来の高周波信号光伝送システムの構成を示す図である（例えば、非特許文献１参照）。図４において、レーザー光は、送信側の光カプラ１により分配され、片方のレーザー光から２光波発生器２でマイクロ波信号Ｍ１を用いて波長の異なったコヒレントな２つの光信号が作られる。これにより、マイクロ波信号Ｍ１の周波数だけ離れた２つの光信号（波長λ１とλ２）を作り出す。このマイクロ波信号Ｍ１は、伝送したい高安定な信号である。２光波発生器２の構成は、２つの光信号の偏波が揃うことが条件である。

２つの光信号は、垂直偏波であり、偏波ビームスプリッタ３に導かれ、ファイバストレッチャ４を通過、さらに、光ファイバ５を通過後、受信側の光カプラ６で分配され、片方の２つの光信号は光検出器７に導かれ、マイクロ波信号Ｍ２として出力される。

光カプラ６で分配された残りの片方の２つの光信号は、ラウンドトリップ信号として光変調器８でマイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、ファラデー（Faraday）反射器９で反射される。このファラデー反射器９は、光に９０度のファラデー（Faraday）回転を与えるので、９０度偏波が異なった光として反射される。

ファラデー反射器９の反射光は、光変調器８で再度、マイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、光カプラ６、光ファイバ５、ファイバストレッチャ４を通過し、偏波ビームスプリッタ３に戻される。光の可逆性を考慮すると、受信側から戻された光は９０度偏波の違った光となるため水平偏波となり、偏波ビームスプリッタ３で光カプラ１０へ導かれる。

光カプラ１０において、光カプラ１で分配された残りの片方の２つの光信号と、偏波ビームスプリッタ３により導かれた２つの光信号が混合される。偏波ビームスプリッタ３からの２つの光信号は、光カプラ１からの光信号より、マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数が異なっている。光カプラ１０で混合された２つの光信号は、光検出器１１でマイクロ波のビート信号として検出される。ビート周波数は、マイクロ波信号Ｍ３の２倍の周波数である。これにミキサー１２で２倍のマイクロ波信号Ｍ４のシフト周波数を掛け合わせ、誤差信号をファイバストレッチャ４の制御に用いる。

マイクロ波信号Ｍ３のシフト周波数は、送信信号と戻りの信号を区別するためのものであり、低周波数の信号である。マイクロ波信号Ｍ３の影響は、１つの光信号の位相だけしか測定しないので測定結果に入り込む。このため、マイクロ波信号Ｍ３と２倍のシフト周波数のマイクロ波信号Ｍ４を何らかの方法で位相同期させる必要がある。また、光ファイバ５での伝送中に入り込んだ擾乱は、１つの光信号の位相だけしか測定しないので測定結果に入り込む。さらに、１つの光信号の位相だけしか測定しないので偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響を除去できない。

J.Francois and B.Shillue, "Precision timing control for radio astronomy", IEEE control systems magazine, 19-27, Feb. 2006.

上述したような従来の高周波信号光伝送システムでは、１つの光信号の位相だけしか測定しないので、マイクロ波信号Ｍ３の影響が測定結果に入り込む。また、光ファイバでの伝送中に入り込んだ擾乱は、１つの光信号の位相だけしか測定しないので測定結果に入り込む。さらに、１つの光信号の位相だけしか測定しないので、偏波モード分散の影響を除去できないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、伝送による遅延位相量の補償を行うことで、光による高安定な高周波信号（ＳＩＮ波）の長距離伝送を可能とする高周波信号光伝送システム及び高周波信号光伝送方法を得るものである。

この発明に係る高周波信号光伝送システムは、高周波信号を光ファイバによって長距離伝送する高周波信号光伝送システムであって、前記高周波信号である第１のマイクロ波信号を用いて、入力されたレーザー光から前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号を発生する２光波発生手段と、前記２光波発生手段により発生された２つの光信号を分配する光分配手段と、前記光分配手段により分配された片方の２つの光信号の方向を変え、位相が制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバに導くとともに、前記光ファイバにより受信側から戻された２つの光信号の方向を変え、位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバと異なる方向に導く光方向変換手段と、計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれた送信すべき２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻すとともに、前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻された２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻す移相制御手段と、前記光ファイバによって伝送された２つの光信号の差周波数を第２のマイクロ波信号として検出するとともに、前記伝送された２つの光信号について、第３のマイクロ波信号で周波数シフトし、かつ偏波を９０度回転させて前記光ファイバへ導く受信側処理手段と、前記光分配手段により分配された残りの片方の２つの光信号と前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻されて位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を混合し、第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号に波長分割し、前記第１及び第２の波長のマイクロ波信号のビート周波数を検出し、前記第１のマイクロ波信号と前記第２のマイクロ波信号の位相差を計算して前記移相制御手段へ出力する位相計算手段とを設けたものである。

この発明に係る高周波信号光伝送システムは、伝送による遅延位相量の補償を行うことで、光による高安定な高周波信号（ＳＩＮ波）の長距離伝送を可能とするという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムについて図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムの構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムは、送信側に、入力されたレーザー光から、マイクロ波信号Ｍ１を用いて波長の異なったコヒレントな２つの光信号（波長λ１とλ２）を発生する２光波発生器（２光波発生手段）２と、２つの光信号を分配する光カプラ（光分配手段）２１と、光信号の方向を変えるサーキュレータ２２と、垂直偏波光をサーキュレータ２２及びフィルタ２４間で通過させ、水平偏波光をサーキュレータ２８及びフィルタ２４間で通過させる偏波ビームスプリッタ２３と、波長λ１の光信号を反射し、波長λ２の光信号を通過させるフィルタ２４と、波長λ２の光信号の位相を制御する移相器（光移相器）２５と、波長λ２の光信号を反射するフィルタ２６と、垂直偏波光をサーキュレータ２２及び光ファイバ５間で通過させ、水平偏波光を光ファイバ５及びサーキュレータ２８間で通過させる偏波ビームスプリッタ２７と、光信号の方向を変えるサーキュレータ２８と、光信号を混合する光カプラ２９と、光信号を波長分割する光分波器３０と、マイクロ波として光のビート信号を検出する光検出器３１、３２と、光検出器３１、３２から出力されるマイクロ波の位相差を計算する、すなわちマイクロ波信号Ｍ１とマイクロ波信号Ｍ２の位相差を計算する位相計算器３３とが設けられている。なお、この発明の光方向変換手段は、サーキュレータ２２、偏波ビームスプリッタ２３、偏波ビームスプリッタ２７及びサーキュレータ２８から構成されている。また、移相制御手段は、フィルタ２４、移相器２５及びフィルタ２６から構成されている。さらに、位相計算手段は、光カプラ２９、光分波器３０、光検出器３１、３２及び位相計算器３３から構成されている。

フィルタ２４及び２６は、共にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）で構成されている。ＦＢＧは、ある特定の波長の光を反射し、それ以外を通過させる。フィルタ２４で波長λ１の光信号を反射し、波長λ２の光信号を通過させる。フィルタ２６で波長λ２の光信号を反射する。つまり、フィルタ２４とフィルタ２６の間では、波長λ２の光信号のみへの操作が可能である。両者は、反射により元の偏波に戻される。フィルタ２４とフィルタ２６と偏波を用いることで、片方の光信号のみをコヒレントのまま取り出すことができる。また、往復の光信号で偏波が９０度異なるので、往復光を区別できることになる。さらに、フィルタ２４とフィルタ２６の間は、ラウンドトリップ往復で２回通過するので、ここに移相器２５を置くことで、行きと帰りの通過時に同じだけの位相量を片方の光信号に与えることが可能となる。これにより、図３（ｂ）の光移相器を実現している。なお、フィルタ２６は、反射器でも良い。

また、図１において、この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムは、受信側に、光信号を分配する光カプラ６と、２つの光信号からマイクロ波信号Ｍ２を検出する光検出器（Photo-mixer）７と、光信号をマイクロ波信号Ｍ３で周波数シフトする光変調器８と、光信号の偏波を９０度回転させて光信号を反射するファラデー（Faraday）反射器９とが設けられている。なお、この発明の受信側処理手段は、光カプラ６、光検出器７、光変調器８及びファラデー反射器９から構成されている。

なお、図１において、送信側と受信側の間には、光ファイバ５が設けられている。この光ファイバ５は、一般のシングルモードファイバで伝送用の長距離のものであり、偏波保持ができないものを使用可能である。

つぎに、この実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムの動作について図面を参照しながら説明する。

この高周波信号光伝送システムの動作の概要は、次の通りである。２つの光信号の差周波数による高周波信号伝送において、周波数シフトした戻り光信号を用いたラウンドトリップを行い、送信光信号とラウンドトリップ戻り光信号の位相測定をマイケルソン干渉計の原理で２つの光信号それぞれ独立に同時に行い、２つの光信号を分離するフィルタ２４を持ち、２つの光信号の一方の経路に入れた光移相器２５内の送受光信号をお互い直交した偏波状態とすることでラウンドトリップの送受光信号を区別し、光移相器２５を通過した後の偏波を補償するために光移相器２５の通過光を反射させ、往復で通過させることで光の可逆性を利用して光移相器２５の偏波回転を除去し、送信光信号とラウンドトリップ戻り光信号の位相を測定して位相同期させることで伝送位相補償を行う。

この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムは、ラウンドトリップ遅延測定を２つの光信号について独立に同時に行い、両者の差として伝送マイクロ波信号の往復による伝送遅延位相を測定するものである。

この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムは、図１に示すように、受信側において、反射器９にファラデーミラー（Faraday mirror）を用い、光ファイバ５中を通る光信号の偏波が往復で９０度異なる。本来は、往復で同じ偏波の方が偏波モード分散（ＰＭＤ)等を考えると測定原理と一致するが、ファラデー反射器９を用い、偏波を往復で９０度回転させると光ファイバ５中で発生する後方散乱の影響を受け難くなり、ＳＮＲで有利になる。

図１に示すように、送信側において、２光波発生器２で、マイクロ波信号Ｍ１を用いて、入力されたレーザー光から、波長の異なったコヒレントな２つの光信号が発生される。これにより、マイクロ波信号Ｍ１の周波数だけ離れた、波長λ１の光信号と波長λ２の光信号を作り出す。このマイクロ波信号Ｍ１は、伝送したい高安定な高周波信号である。２光波発生器２の構成は、２つの光信号の偏波が揃うことが条件であり、ＬＮ（Lithium Niobate）変調器等の変調器、もしくはレーザー光と位相同期した副レーザーを用いて２つの光信号を作成する方式でも良い。

２つの光信号は、垂直偏波であり、光カプラ２１、サーキュレータ２２を通過後、偏波ビームスプリッタ２３に導かれる。さらに、偏波ビームスプリッタ２３により、フィルタ２４に導かれ、フィルタ２４で波長λ１の光信号が反射されて偏波ビームスプリッタ２３に戻される。

一方、波長λ２の光信号は、フィルタ２４を通過し、さらに、移相器２５を通過後、フィルタ２６で反射される。その後、フィルタ２６で反射された波長λ２の光信号は、移相器２５、フィルタ２４を再度通過後、偏波ビームスプリッタ２３に戻され、波長λ１の光信号と合流する。

この一連の処理では、光の可逆性があるので偏波は変わらず、垂直偏波のままである。このため、２つの光信号は、偏波ビームスプリッタ２３からサーキュレータ２２に戻され、偏波ビームスプリッタ２７に導かれる。そして、垂直偏波の２つの光信号は、光ファイバ５に導かれる。

垂直偏波の２つの光信号は、光ファイバ５を通過後、受信側の光カプラ６で分配される。分配された片方の２つの光信号は、光検出器７に導かれ、マイクロ波信号Ｍ２として検出される。この光検出器（Photo-mixer）７は、２つの光信号の差周波数をマイクロ波信号Ｍ２として取り出す。このマイクロ波信号Ｍ２が伝送後の高周波信号である。

受信側の光カプラ６で分配された残りの片方の２つの光信号は、ラウンドトリップ信号として光変調器８でマイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、ファラデー反射器９で反射される。このファラデー反射器９は、光に９０度のファラデー（Faraday）回転を与えるので、９０度偏波が異なった水平偏波の光として反射される。この反射光は、光変調器８で再度、マイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、光カプラ６に導かれ、さらに、光ファイバ５に導かれる。

受信側から光ファイバ５を通過し、送信側へ戻された２つの光信号は、偏波ビームスプリッタ２７に戻される。光の可逆性を考慮すると、戻された２つの光信号は、９０度偏波の違った光となるため水平偏波であり、偏波ビームスプリッタ２７でサーキュレータ２８へ導かれる。

サーキュレータ２８から偏波ビームスプリッタ２３に導かれた水平偏波の２つの光信号は、さらに、偏波ビームスプリッタ２３により、フィルタ２４に導かれ、このフィルタ２４で波長λ１の光信号が反射されて偏波ビームスプリッタ２３に戻される。

一方、波長λ２の光信号は、フィルタ２４を通過し、さらに、移相器２５を通過後、フィルタ２６で反射される。その後、フィルタ２６で反射された波長λ２の光信号は、移相器２５、フィルタ２４を再度通過後、偏波ビームスプリッタ２３に戻され、波長λ１の光信号と合流する。

この一連の処理では、光の可逆性があるので偏波は変わらず、水平偏波のままである。このため、戻された２つの光信号は、偏波ビームスプリッタ２３からサーキュレータ２８に戻され、さらに、光カプラ２９に導かれる。

光カプラ２９において、光カプラ２１で分配された残りの片方の２つの光信号と、サーキュレータ２８により導かれた２つの光信号が混合される。サーキュレータ２８から導かれた光信号は、光カプラ２１で分配された光信号より、マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数が異なっている。

光カプラ２９で混合された２つの光信号は、光分波器３０で波長λ１の光信号と波長λ２の光信号に波長分割され、光検出器３１、３２でマイクロ波のビート信号として検出される。このビート周波数は、マイクロ波信号Ｍ３の２倍の周波数である。すなわち、この光分波器３０の出力として、波長λ１の送信光信号と、波長λ１のマイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数がずれた波長λ１の戻り光信号が光検出器３１へ送られる。また、波長λ２の送信光信号と、マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数がずれた波長λ２の戻り光信号が光検出器３２へ送られる。結果として、光検出器３１、３２の出力として、夫々マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍の周波数のマイクロ波信号が得られる。

位相計算器３３は、光検出器３１、３２の出力に基づき送受光信号の位相差を計算する。２つの光信号について、それぞれ送受光信号の位相差として、マイクロ波の形でマイケルソン干渉計の原理により取り出される。位相計算器３３により計算された位相量は、光ファイバ５等のケーブル往復分に相当する。つまり、求められた位相は、光ファイバ５等を通過したための遅延の往復分の影響が入り込むため、マイクロ波信号Ｍ１とマイクロ波信号Ｍ２の位相差の２倍となる。このため、位相計算器３３で求められた位相の半分の量が、光ファイバ５等の遅延による付加位相として求められる。光検出器３１、３２で検出したそれぞれの位相が同じになるように移相器２５を制御すれば、受信側のマイクロ波信号Ｍ２の位相は、送信側のマイクロ波信号Ｍ１の位相に同期することになる。

マイクロ波信号Ｍ３は、送信光信号と戻り光信号を区別するためのものであり、低周波数の信号である。マイクロ波信号Ｍ３の影響及び光ファイバ５での伝送中に入り込む擾乱は、２つの光信号に同一に入るためコモンモードノイズとして扱うことができ、光検出器３１、３２の出力の差として位相角を計算すると消えてしまう。つまり、位相計算器３３で求められる量に影響を及ぼさないこととなる。

この実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムでは、光カプラ２１、サーキュレータ２２、偏波ビームスプリッタ２３、偏波ビームスプリッタ２７、サーキュレータ２８、及び光カプラ２９を偏波保持ファイバで結合する。この偏波保持ファイバは、光ファイバ５に比べ、非常に短い。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムについて図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムの構成を示す図である。

図２において、この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムは、送信側に、入力されたレーザー光から、マイクロ波信号Ｍ１を用いて波長の異なったコヒレントな２つの光信号（波長λ１とλ２）を発生する２光波発生器（２光波発生手段）２と、２つの光信号を分配する光カプラ（光分配手段）２１と、光信号の方向を変えるサーキュレータ２２と、垂直偏波光をサーキュレータ２２及び４５度ファラデー回転器３４間で通過させ、水平偏波光を光ファイバ５及び４５度ファラデー回転器３４間で通過させる偏波ビームスプリッタ２３と、４５度の偏波回転を行う４５度ファラデー（Faraday）回転器３４と、波長λ１の光信号を反射し、波長λ２の光信号を通過させるフィルタ２４と、波長λ２の光信号の位相を制御する移相器（光移相器）２５と、波長λ２の光信号を反射するフィルタ２６と、光信号を混合する光カプラ２９と、光信号を波長分割する光分波器３０と、マイクロ波として光のビート信号を検出する光検出器３１、３２と、光検出器３１、３２から出力されるマイクロ波の位相差を計算する、すなわちマイクロ波信号Ｍ１とマイクロ波信号Ｍ２の位相差を計算する位相計算器３３とが設けられている。なお、この発明の光方向変換手段は、サーキュレータ２２及び偏波ビームスプリッタ２３から構成されている。また、移相制御手段は、４５度ファラデー回転器３４、フィルタ２４、移相器２５及びフィルタ２６から構成されている。さらに、位相計算手段は、光カプラ２９、光分波器３０、光検出器３１、３２及び位相計算器３３から構成されている。

フィルタ２４及び２６は、共にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）で構成されている。ＦＢＧは、ある特定の波長の光信号を反射し、それ以外を通過させる。フィルタ２４で波長λ１の光信号を反射し、波長λ２の光信号を通過させる。フィルタ２６で波長λ２の光信号を反射する。つまり、フィルタ２４とフィルタ２６の間では、波長λ２の光信号のみへの操作が可能である。両者は、反射により元の偏波に戻される。フィルタ２４とフィルタ２６と偏波を用いることで、片方の光信号のみをコヒレントのまま取り出すことができる。また、往復の光信号で偏波が９０度異なるので、往復光を区別できることになる。さらに、フィルタ２４とフィルタ２６の間は、ラウンドトリップ往復で２回通過するので、ここに移相器２５を置くことで、行きと帰りの通過時に同じだけの位相量を片方の光信号に与えることが可能となる。これにより、図３（ｂ）の光移相器を実現している。なお、フィルタ２６は、反射器でも良い。

また、図２において、この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムは、受信側に、光信号を分配する光カプラ６と、２つの光信号からマイクロ波信号Ｍ２を検出する光検出器（Photo-mixer）７と、光信号をマイクロ波信号Ｍ３で周波数シフトする光変調器８と、光信号を反射する反射器９Ａとが設けられている。なお、この発明の受信側処理手段は、光カプラ６、光検出器７、光変調器８及び反射器９Ａから構成されている。

なお、図２において、送信側と受信側の間には、光ファイバ５が設けられている。この光ファイバ５は、一般のシングルモードファイバで伝送用の長距離のものであり、偏波保持ができないものを使用可能である。

つぎに、この実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムの動作について図面を参照しながら説明する。

この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムは、ラウンドトリップ遅延測定を２つの光信号について独立に同時に行い、両者の差として伝送マイクロ波信号の往復による伝送遅延位相を測定するものである。

この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムは、図２に示すように、受信側において、反射器９Ａに普通のミラー（mirror）を用い、光ファイバ５中を通る光信号の偏波を往復で一致させる。従って、測定原理と一致させた手法である。

図２に示すように、送信側において、２光波発生器２で、マイクロ波信号Ｍ１を用いて、入力されたレーザー光から、波長の異なったコヒレントな２つの光信号が発生される。これにより、マイクロ波信号Ｍ１の周波数だけ離れた、波長λ１の光信号と波長λ２の光信号を作り出す。このマイクロ波信号Ｍ１は、伝送したい高安定な高周波信号である。２光波発生器２の構成は、２つの光信号の偏波が揃うことが条件であり、ＬＮ（Lithium Niobate）変調器等の変調器、もしくはレーザー光と位相同期した副レーザーを用いて２つの光信号を作成する方式でも良い。

２つの光信号は、垂直偏波であり、光カプラ２１、サーキュレータ２２を通過後、偏波ビームスプリッタ２３に導かれる。その後、偏波ビームスプリッタ２３により４５度ファラデー（Faraday）回転器３４に導かれる。この４５度ファラデー回転器３４では、４５度の偏波回転が行われる。さらに、２つの光信号は、フィルタ２４に導かれ、フィルタ２４で波長λ１の光信号が反射され、４５度ファラデー回転器３４で再度偏波回転が行われ、偏波ビームスプリッタ２３に戻される。偏波回転の合計は９０度になり、偏波ビームスプリッタ２３への入射時の垂直偏波と直交した水平偏波となる。

一方、波長λ２の光信号は、フィルタ２４を通過し、さらに、移相器２５を通過後、フィルタ２６で反射される。その後、フィルタ２６で反射された波長λ２の光信号は、移相器２５、フィルタ２４、４５度ファラデー回転器３４を再度通過後、偏波ビームスプリッタ２３に戻され、波長λ１の光信号と合流する。偏波回転の合計は９０度になり、偏波ビームスプリッタ２３への入射時の垂直偏波と直交した水平偏波となる。このため、水平偏波光は、偏波ビームスプリッタ２３から光ファイバ５に導かれる。

水平偏波の２つの光信号は、光ファイバ５を通過後、受信側の光カプラ６で分配される。分配された片方の２つの光信号は、光検出器７に導かれ、マイクロ波信号Ｍ２として検出される。この光検出器（Photo-mixer）７は、２つの光信号の差周波数をマイクロ波信号Ｍ２として取り出す。このマイクロ波信号Ｍ２が伝送後の高周波信号である。

受信側の光カプラ６で分配された残りの片方の２つの光信号は、ラウンドトリップ信号として光変調器８でマイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、反射器９Ａで反射される。この反射光は、光変調器８で再度、マイクロ波信号Ｍ３の周波数だけ周波数シフトされた後、光カプラ６に導かれ、さらに、光ファイバ５に導かれる。

受信側から光ファイバ５を通過し、送信側へ戻された２つの光信号は、偏波ビームスプリッタ２３に戻される。光の可逆性を考慮すると、戻された２つの光信号は水平偏波であり、偏波ビームスプリッタ２３により４５度ファラデー回転器３４へ導かれる。この４５度ファラデー回転器３４では、偏波回転が行われる。さらに、２つの光信号は、フィルタ２４に導かれ、フィルタ２４で波長λ１の光信号が反射され、４５度ファラデー回転器３４で再度偏波回転が行われ、偏波ビームスプリッタ２３に戻される。偏波回転の合計は９０度になり、偏波ビームスプリッタ２３への入射時の水平偏波と直交した垂直偏波となる。

一方、波長λ２の光信号は、フィルタ２４を通過し、さらに、移相器２５を通過後、フィルタ２６で反射される。その後、フィルタ２６で反射された波長λ２の光信号は、移相器２５、フィルタ２４、４５度ファラデー回転器３４を再度通過後、偏波ビームスプリッタ２３に戻され、波長λ１の光信号と合流する。偏波回転の合計は９０度になり、偏波ビームスプリッタ２３への入射時の水平偏波と直交した垂直偏波となる。このため、垂直偏波光は、偏波ビームスプリッタ２３からサーキュレータ２２に戻され、光カプラ２９に導かれる。

光カプラ２９において、光カプラ２１で分配された残りの片方の２つの光信号と、サーキュレータ２２により導かれた２つの光信号が混合される。サーキュレータ２２から導かれた光信号は、光カプラ２１で分配された光信号より、マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数が異なっている。

光カプラ２９で混合された２つの光信号は、光分波器３０で波長λ１の光信号と波長λ２の光信号に波長分割され、光検出器３１、３２でマイクロ波のビート信号として検出される。このビート周波数は、マイクロ波信号Ｍ３の２倍の周波数である。すなわち、この光分波器３０の出力として、波長λ１の送信光信号と、波長λ１のマイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数がずれた波長λ１の戻り光信号が光検出器３１へ送られる。また、波長λ２の送信光信号と、マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけ周波数がずれた波長λ２の戻り光信号が光検出器３２へ送られる。結果として、光検出器３１、３２の出力として、夫々マイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍の周波数のマイクロ波信号が得られる。

位相計算器３３は、光検出器３１、３２の出力に基づき送受光信号の位相差を計算する。２つの光信号について、それぞれ送受光信号の位相差として、マイクロ波の形でマイケルソン干渉計の原理により取り出される。位相計算器３３により計算された位相量は、光ファイバ５等のケーブル往復分に相当する。つまり、求められた位相は、光ファイバ５等を通過したための遅延の往復分の影響が入り込むため、マイクロ波信号Ｍ１とマイクロ波信号Ｍ２の位相差の２倍となる。このため、位相計算器３３で求められた位相の半分の量が、光ファイバ５等の遅延による付加位相として求められる。光検出器３１、３２で検出したそれぞれの位相が同じになるように移相器２５を制御すれば、受信側のマイクロ波信号Ｍ２の位相は、送信側のマイクロ波信号Ｍ１の位相に同期することになる。

なお、４５度ファラデー回転器３４は、３ポートサーキュレータ（入力端をＡ、Ｂ、Ｃとすると、Ａ→Ｂ、Ｂ→Ｃ、Ｃ→Ａと循環できるサーキュレータ）とファラデー（Faraday）反射器（９０度偏波回転）で置き換えることも可能である。

マイクロ波信号Ｍ３は、送信光信号と戻り光信号を区別するためのものであり、低周波数の信号である。マイクロ波信号Ｍ３の影響及び光ファイバ５での伝送中に入り込む擾乱は、２つの光信号に同一に入るためコモンモードノイズとして扱うことができ、光検出器３１、３２の出力の差として位相角を計算すると消えてしまう。つまり、位相計算器３３で求められる量に影響を及ぼさないこととなる。

この実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムでは、光カプラ２１、サーキュレータ２２、偏波ビームスプリッタ２３、及び光カプラ２９を偏波保持ファイバで結合する。この偏波保持ファイバは、光ファイバ５に比べ、非常に短い。

上記の各実施の形態は、干渉計等の基準信号伝送、国家周波数標準等高安定信号の伝送、分配等の高い安定度を問題にした信号伝送分野への応用、及び伝送遅延を問題にする分野への応用が可能である。

この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送システムの構成を示す図である。 １本の光ファイバ中をラウンドトリップする波長の違う２つの光を示す図である。 従来の高周波信号光伝送システムの構成を示す図である。

符号の説明

２ ２光波発生器、５ 光ファイバ、６ 光カプラ、７ 光検出器、８ 光変調器、９ ファラデー反射器、９Ａ 反射器、２１ 光カプラ、２２ サーキュレータ、２３ 偏波ビームスプリッタ、２４ フィルタ、２５ 移相器、２６ フィルタ、２７ 偏波ビームスプリッタ、２８ サーキュレータ、２９ 光カプラ、３０ 光分波器、３１ 光検出器、３２ 光検出器、３３ 位相計算器、３４ ４５度ファラデー回転器。

Claims (4)

1. 高周波信号を光ファイバによって長距離伝送する高周波信号光伝送システムであって、
   前記高周波信号である第１のマイクロ波信号を用いて、入力されたレーザー光から前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号を発生する２光波発生手段と、
   前記２光波発生手段により発生された２つの光信号を分配する光分配手段と、
   前記光分配手段により分配された片方の２つの光信号の方向を変え、位相が制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバに導くとともに、前記光ファイバにより受信側から戻された２つの光信号の方向を変え、位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバと異なる方向に導く光方向変換手段と、
   計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれた送信すべき２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻すとともに、前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻された２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻す移相制御手段と、
   前記光ファイバによって伝送された２つの光信号の差周波数を第２のマイクロ波信号として検出するとともに、前記伝送された２つの光信号について、第３のマイクロ波信号で周波数シフトし、かつ偏波を９０度回転させて前記光ファイバへ導く受信側処理手段と、
   前記光分配手段により分配された残りの片方の２つの光信号と前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻されて位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を混合し、第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号に波長分割し、前記第１及び第２の波長のマイクロ波信号のビート周波数を検出し、前記第１のマイクロ波信号と前記第２のマイクロ波信号の位相差を計算して前記移相制御手段へ出力する位相計算手段と
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送システム。
2. 高周波信号を光ファイバによって長距離伝送する高周波信号光伝送方法であって、
   ２光波発生手段によって、前記高周波信号である第１のマイクロ波信号を用いて、入力されたレーザー光から前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号を発生する２光波発生ステップと、
   光分配手段によって、前記２光波発生手段により発生された２つの光信号を分配する光分配ステップと、
   光方向変換手段によって、前記光分配手段により分配された片方の２つの光信号の方向を変える第１の光方向変換ステップと、
   移相制御手段によって、計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれた送信すべき２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻す第１の移相制御ステップと、
   前記光方向変換手段によって、位相が制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバに導く第２の光方向変換ステップと、
   受信側処理手段によって、前記光ファイバによって伝送された２つの光信号の差周波数を第２のマイクロ波信号として検出するとともに、前記伝送された２つの光信号について、第３のマイクロ波信号で周波数シフトし、かつ偏波を９０度回転させて前記光ファイバへ導く受信側処理ステップと、
   前記光方向変換手段によって、前記光ファイバにより受信側から戻された２つの光信号の方向を変える第３の光方向変換ステップと、
   前記移相制御手段によって、計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻された２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御して前記光方向変換手段へ戻す第２の移相制御ステップと、
   前記光方向変換手段によって、位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバと異なる方向に導く第４の光方向変換ステップと、
   位相計算手段によって、前記光分配手段により分配された残りの片方の２つの光信号と前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻されて位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を混合し、第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号に波長分割し、前記第１及び第２の波長のマイクロ波信号のビート周波数を検出し、前記第１のマイクロ波信号と前記第２のマイクロ波信号の位相差を計算して前記移相制御手段へ出力する位相計算ステップと
   を含むことを特徴とする高周波信号光伝送方法。
3. 高周波信号を光ファイバによって長距離伝送する高周波信号光伝送システムであって、
   前記高周波信号である第１のマイクロ波信号を用いて、入力されたレーザー光から前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号を発生する２光波発生手段と、
   前記２光波発生手段により発生された２つの光信号を分配する光分配手段と、
   前記光分配手段により分配された片方の２つの光信号の方向を変え、位相が制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバに導くとともに、前記光ファイバにより受信側から戻された２つの光信号の方向を変え、位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバと異なる方向に導く光方向変換手段と、
   計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれた送信すべき２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御し、かつ偏波を９０度回転させて前記光方向変換手段へ戻すとともに、前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻された２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御し、かつ偏波を９０度回転させて前記光方向変換手段へ戻す移相制御手段と、
   前記光ファイバによって伝送された２つの光信号の差周波数を第２のマイクロ波信号として検出するとともに、前記伝送された２つの光信号について、第３のマイクロ波信号で周波数シフトして前記光ファイバへ導く受信側処理手段と、
   前記光分配手段により分配された残りの片方の２つの光信号と前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻されて位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を混合し、第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号に波長分割し、前記第１及び第２の波長のマイクロ波信号のビート周波数を検出し、前記第１のマイクロ波信号と前記第２のマイクロ波信号の位相差を計算して前記移相制御手段へ出力する位相計算手段と
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送システム。
4. 高周波信号を光ファイバによって長距離伝送する高周波信号光伝送方法であって、
   ２光波発生手段によって、前記高周波信号である第１のマイクロ波信号を用いて、入力されたレーザー光から前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号を発生する２光波発生ステップと、
   光分配手段によって、前記２光波発生手段により発生された２つの光信号を分配する光分配ステップと、
   光方向変換手段によって、前記光分配手段により分配された片方の２つの光信号の方向を変える第１の光方向変換ステップと、
   移相制御手段によって、計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれた送信すべき２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御し、かつ偏波を９０度回転させて前記光方向変換手段へ戻す第１の移相制御ステップと、
   前記光方向変換手段によって、位相が制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバに導く第２の光方向変換ステップと、
   受信側処理手段によって、前記光ファイバによって伝送された２つの光信号の差周波数を第２のマイクロ波信号として検出するとともに、前記伝送された２つの光信号について、第３のマイクロ波信号で周波数シフトして前記光ファイバへ導く受信側処理ステップと、
   前記光方向変換手段によって、前記光ファイバにより受信側から戻された２つの光信号の方向を変える第３の光方向変換ステップと、
   前記移相制御手段によって、計算された位相差に基づき、前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻された２つの光信号のうち第２の波長の光信号の位相を制御し、かつ偏波を９０度回転させて前記光方向変換手段へ戻す第２の移相制御ステップと、
   前記光方向変換手段によって、位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を前記光ファイバと異なる方向に導く第４の光方向変換ステップと、
   位相計算手段によって、前記光分配手段により分配された残りの片方の２つの光信号と前記光方向変換手段により導かれ受信側から戻されて位相が再度制御された第２の波長の光信号を含む２つの光信号を混合し、第１の波長の光信号及び第２の波長の光信号に波長分割し、前記第１及び第２の波長のマイクロ波信号のビート周波数を検出し、前記第１のマイクロ波信号と前記第２のマイクロ波信号の位相差を計算して前記移相制御手段へ出力する位相計算ステップと
   を含むことを特徴とする高周波信号光伝送方法。

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