JP2014179916A - Frequency transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周波数伝送システムに関する。具体的には、本発明は、周波数標準を遠隔地に伝送する伝送システムに関する。 The present invention relates to a frequency transmission system. Specifically, the present invention relates to a transmission system that transmits a frequency standard to a remote location.
周波数標準は、周波数、時間間隔、時刻の標準を与えるものとして、古くから研究されてきた。古くは地球の回転を基として水晶時計で維持されてきたが、より高精度の時間、周波数の標準を得るために、1967年以降は133Cs原子の基底状態の二つの超微細準位間マイクロ波遷移の周波数を9,192,631,770Hzとするセシウム原子周波数標準に置き換えられた。現在のところ、その最高精度は1015程度である。 Frequency standards have long been studied as providing standards for frequency, time interval, and time. In the old days, it was maintained by a quartz clock based on the rotation of the earth. However, in order to obtain a more accurate time and frequency standard, after 1967, two ultrafine interlevel microwaves in the ground state of 133 Cs atoms were used. The transition frequency was replaced by the cesium atomic frequency standard with 9,192,631,770 Hz. At present, the maximum accuracy is about 10 15 .
GPS衛星が正しい位置を示すための正確な電波を出す原子時計を提供することのために、クオーツ時計の一種であり原子時計による正確な時刻情報をもとにした標準電波を受信して時刻誤差を修正する電波時計を提供することのために、また、レーザーを用いて長さを正確に測定することのためにも、正確な時計の開発が肝要である。 In order to provide an atomic clock that emits accurate radio waves to indicate the correct position of GPS satellites, it is a type of quartz clock that receives standard radio waves based on accurate time information from atomic clocks and receives time errors In order to provide a radio timepiece that corrects the time and to accurately measure the length using a laser, it is important to develop an accurate timepiece.
周波数標準の精度を高めるためには、発信器の安定化だけでなく、高周波数化を行うことが必要である。マイクロ波の遷移を用いる周波数標準の高精度化はもはや限界に来ており、これ以上の精度を求めるためにはマイクロ波遷移ではなく光遷移を用いる必要がある。約9.2GHzの発振周波数を光の周波数領域である100THz〜1PHzまで引き上げることができれば、時間、周波数の標準の精度を4〜5桁向上させることができるため、近年その実現の期待が高まっている。 In order to increase the accuracy of the frequency standard, it is necessary not only to stabilize the transmitter but also to increase the frequency. Increasing the accuracy of frequency standards using microwave transitions has reached its limit, and in order to obtain higher accuracy, it is necessary to use optical transitions instead of microwave transitions. If the oscillation frequency of about 9.2 GHz can be raised to 100 THz to 1 PHz, which is the frequency range of light, the standard accuracy of time and frequency can be improved by 4 to 5 digits. Yes.
光遷移を用いた原子時計を実現するために、これまで大きく分けて(1)イオントラップ中の単一イオン(水銀、イッテルビウム、アルミニウム等のイオン)を用いる方法による手段(いわゆる単一イオン時計)や、(2)レーザー冷却されたカルシウム等の中性原子集団を用いた方法による手段(いわゆる中性原子集団時計)、といった二つの手段が研究されてきており、近年ではセシウム時計の精度を凌駕する性能が実証されてきている。 In order to realize an atomic clock using optical transition, it can be broadly classified as follows: (1) Means by a method using a single ion (mercury, ytterbium, aluminum, etc.) in an ion trap (so-called single ion clock) And (2) a method using a method using a neutral atomic group such as laser-cooled calcium (so-called neutral atomic group clock) has been studied, and in recent years has exceeded the accuracy of a cesium clock. Performance has been demonstrated.
(1)イオントラップ中の単一イオンを用いる方法は、単一イオンを、自身の放射(吸収)する波長よりも狭い領域に閉じ込めることでラム・ディッケ効果を用いることができるため、原子の運動によるドップラーシフトや光子の反跳による効果を取り除くことが可能になる。また、単一の粒子を用いているため他原子との相互作用による周波数シフトがないという利点があるが、一個の粒子を観測しなければならないため、信号対雑音比(SN比)が小さく、周波数安定度に対しては致命的な欠点となる。 (1) The method using a single ion in an ion trap can use the Lamb-Dicke effect by confining a single ion in a region narrower than the wavelength of its own radiation (absorption). It is possible to remove the effects of Doppler shift and photon recoil caused by. In addition, since a single particle is used, there is an advantage that there is no frequency shift due to interaction with other atoms, but since one particle must be observed, the signal-to-noise ratio (SN ratio) is small, This is a fatal drawback for frequency stability.
一方、(2)レーザー冷却された中性原子集団を用いる中性原子集団時計の場合、原子が多数存在(約100万個程度)するため周波数安定度の面で有利であるが、完全に束縛できていないため、原子の運動によるドップラー効果や光子の反眺に起因する周波数シフトや、原子間衝突による周波数シフトなどによって、原子集団を無摂動状態に維持することが極めて困難であり、これらの要素によって時計周波数の不確かさが生じ、時計の精度向上が阻害されてしまう問題があった。 On the other hand, (2) a neutral atomic group clock using a laser-cooled neutral atom group is advantageous in terms of frequency stability because there are a large number of atoms (about 1 million), but is completely constrained. Therefore, it is extremely difficult to maintain the atomic group in an unperturbed state due to the frequency shift caused by the Doppler effect due to the movement of the atoms, the frequency shift due to the photon view, and the frequency shift due to the collision between atoms. There is a problem that the uncertainty of the clock frequency is caused by the elements, and the improvement of the accuracy of the clock is hindered.
上で述べた2つの方法はいずれも一長一短があったが、これらそれぞれの手法の利点を併せ持つ方法が考案された(非特許文献1を参照)。非特許文献1に記載の光格子時計は、レーザー光の干渉定在波によって作られた3次元の光格子ポテンシャルに、低温中性原子(ストロンチウムやイッテルビウム)約100万個をラム・ディッケ効果によって強く束縛する方法により実現することができる。ラム・ディッケ効果によりドップラーシフト及び格子の反跳シフトの影響を排除できるため高いQ値が実現できるとともに、約100万個の原子を同時に測定することにより、高いSN比を得ることが可能である。さらに、光格子を構成するレーザーの波長を適当に選択することで、光格子ポテンシャルの波長依存性を利用して光格子のトラップポテンシャルによるスペクトルの摂動をなくすことができる。このような波長はマジック波長と呼ばれ、マジック波長で光格子を実現することで、光シフトの影響が極めて少ない光時計を構成することが可能である。 Both of the above-mentioned two methods have advantages and disadvantages, but a method having both advantages of these methods has been devised (see Non-Patent Document 1). The optical lattice clock described in Non-Patent Document 1 uses about 1 million low-temperature neutral atoms (strontium and ytterbium) by the Lamb-Dicke effect in the three-dimensional optical lattice potential created by the interference standing wave of laser light. It can be realized by a method of strong binding. The influence of Doppler shift and lattice recoil shift can be eliminated by the Lamb-Dicke effect, so that a high Q value can be realized and a high S / N ratio can be obtained by measuring about 1 million atoms simultaneously. . Furthermore, by appropriately selecting the wavelength of the laser constituting the optical grating, it is possible to eliminate the spectral perturbation due to the trap potential of the optical grating using the wavelength dependence of the optical grating potential. Such a wavelength is called a magic wavelength, and by realizing an optical grating at the magic wavelength, it is possible to constitute an optical clock that is extremely less affected by light shift.
この光格子時計は従来の原子時計の長所を併せ持っているが、その有効性を確認するためには、同等以上の性能を持つ時計と比較することで評価する必要がある。また、時計から得られた周波数を周波数標準として利用するためには、物理的に離れた場所に存在する独立した複数の時計の周波数が一致していることを確認する必要がある。しかしながら、光格子時計は研究の進展が著しく、遠距離にある時計の周波数の差をその性能に見合う正確さで、高速に測定する手段がなかったため、15桁までしか、時計の信頼性が保証されていなかった。近年、24km離れた2つの光格子時計の周波数比較実験が行われ、従来より一桁高い16桁の精度で一致していることが確認された(非特許文献2を参照)。 This optical lattice clock has the advantages of the conventional atomic clock, but in order to confirm its effectiveness, it must be evaluated by comparing it with a clock having equivalent or better performance. In addition, in order to use the frequency obtained from the timepiece as a frequency standard, it is necessary to confirm that the frequencies of a plurality of independent timepieces that exist physically apart from each other match. However, research on optical lattice clocks has progressed remarkably, and there was no means to measure the frequency difference of a clock at a long distance with high accuracy to match its performance, so the reliability of the clock was guaranteed only to 15 digits. Was not. In recent years, frequency comparison experiments of two optical lattice clocks separated by 24 km were performed, and it was confirmed that they matched with an accuracy of 16 digits, which is one digit higher than before (see Non-Patent Document 2).
図1は、非特許文献2に示された光ファイバ周波数伝送システムの構成図であり、互いに離れた2つの光格子時計から得られた周波数標準を伝送するためのシステムである。2地点における周波数標準を精度良く伝送するためには、光信号が光ファイバを通過する際に重畳される振動や温度変化などに起因する雑音を送信側で把握し、その雑音をキャンセルさせるように送信側に変調を加えることが必須となる。そのためには光信号を送信側から受信側に一方的に送るのではなく、受け取った光信号を受信側から送信側に再び戻す必要がある。その際に留意すべきこととして、光格子時計の精度を確保するためには、往路側と復路側の光路を一致させることが肝要であるため、往復で同一の光ファイバを用いる必要がある。 FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fiber frequency transmission system shown in Non-Patent Document 2, and is a system for transmitting frequency standards obtained from two optical lattice clocks separated from each other. In order to transmit the frequency standard at two points with high accuracy, it is necessary to grasp the noise caused by vibration or temperature change superimposed on the optical signal when it passes through the optical fiber, and cancel the noise. It is essential to add modulation to the transmission side. For this purpose, it is necessary to return the received optical signal from the receiving side to the transmitting side, instead of sending the optical signal unilaterally from the transmitting side to the receiving side. It should be noted in that case that in order to ensure the accuracy of the optical lattice clock, it is important to match the optical paths of the forward path and the backward path, and therefore, it is necessary to use the same optical fiber in the round trip.
ところで、この光格子時計を重力検出等に応用するためには、任意距離での異なる2地点間で光格子時計101、105の比較を行うことが重要になる。しかしながら、光ファイバ109は1.55μm帯において0.2dB/kmの損失を有していることから、例えば200km離れた地点では光信号は1万分の1に減衰してしまうため、任意距離での異なる2地点間で光格子時計の比較を行うためには、図1に示すように、光ファイバ伝送路の途中で光信号の減衰を補償するための双方向で増幅可能な光増幅器108を設けなければならない。
By the way, in order to apply this optical lattice clock to gravity detection or the like, it is important to compare the
しかしながら、従来から光増幅器として用いられているエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA:Erbium-doped optical fiber amplifier)(図2を参照)に代表されるレーザー光増幅器(反転分布媒質からの誘導放出によって増幅を行う光増幅器)は、エルビウム添加光ファイバとそれ以外の光ファイバとの融着接続点でのわずかな反射によって、エルビウム添加光ファイバ中で共振器を形成し、レーザー発振を引き起こしてしまう問題がある。この問題を解決するためには、図2に示すようにEDFA中に光アイソレータ204を挿入しておく必要があるため、一台の光増幅器を単に挿入するだけでは、双方向で光信号を増幅することは不可能である。 However, a laser optical amplifier represented by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) (see Fig. 2), which has been used as an optical amplifier, has been amplified by stimulated emission from an inverted distributed medium. The optical amplifier to be used) has a problem of causing a laser oscillation by forming a resonator in the erbium-doped optical fiber due to slight reflection at the fusion splice point between the erbium-doped optical fiber and the other optical fiber. . In order to solve this problem, it is necessary to insert an optical isolator 204 in the EDFA as shown in FIG. 2. Therefore, simply inserting one optical amplifier amplifies the optical signal in both directions. It is impossible to do.
このため、非特許文献2に示された伝送システムの途中にEDFAを挿入しようとすると、光増幅器の挿入箇所だけ、光伝送路を往路と復路に分け、2台の光増幅器を往路用と復路用に分けて利用することが必要になってくる。この光路が分岐した部分の光ファイバ長の揺らぎの差が、光格子時計の精度を制限してしまう。 For this reason, when an EDFA is inserted in the middle of the transmission system shown in Non-Patent Document 2, the optical transmission path is divided into the forward path and the backward path only at the insertion position of the optical amplifier, and two optical amplifiers are used for the forward path and the backward path. It will be necessary to use it separately for each purpose. The difference in the fluctuation of the optical fiber length at the portion where the optical path is branched limits the accuracy of the optical lattice clock.
双方向の光信号が増幅できるEDFAとしては、非特許文献3に示すような構成が提案されている。図3は、非特許文献3で開示されているEDFAを用いた双方向増幅器の構成を示す図である。しかしながら、図3に示す双方向増幅器は、図3から明白なとおり、レーザー増幅器を用いる際には必ず光アイソレータを光路中に配置しなければならないという制限を回避しているものでは無く、往路と復路とで光信号の波長を変え(図3のλ1とλ2)、WDMカプラで往路用と復路用との光信号を分岐して、同方向の増幅器で増幅、再びWDMカプラで合波するため、光路が分岐されてしまっており、分岐した光路部分の光ファイバ長の揺らぎの差が、光格子時計の精度を制限してしまうという問題は依然として解決していない。 As an EDFA capable of amplifying a bidirectional optical signal, a configuration as shown in Non-Patent Document 3 has been proposed. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a bidirectional amplifier using an EDFA disclosed in Non-Patent Document 3. However, as is clear from FIG. 3, the bidirectional amplifier shown in FIG. 3 does not avoid the limitation that the optical isolator must be arranged in the optical path when using the laser amplifier. The wavelength of the optical signal is changed in the return path (λ 1 and λ 2 in FIG. 3), the optical signal for the forward path and the return path is branched by the WDM coupler, amplified by the amplifier in the same direction, and multiplexed again by the WDM coupler Therefore, the problem that the optical path has been branched and the difference in fluctuation of the optical fiber length of the branched optical path portion limits the accuracy of the optical lattice clock has not been solved.
16桁よりもさらに高い精度で光格子時計を実現するためには、同一光路で双方向の信号を増幅可能な光増幅器を実現する必要があるが、ここで本願発明者達は、レーザー増幅ではなくパラメトリック増幅を用いて光信号を増幅することにより、双方向の光信号が増幅できる光増幅器を構成可能であることを初めて見出した。 In order to realize an optical lattice clock with an accuracy higher than 16 digits, it is necessary to realize an optical amplifier capable of amplifying a bidirectional signal in the same optical path. It was discovered for the first time that an optical amplifier capable of amplifying a bidirectional optical signal can be constructed by amplifying the optical signal using parametric amplification instead.
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、異なる2地点間で時計の比較を行う光ファイバ周波数伝送システムであって、ファイバ伝送路中で光信号の増幅が必要な場合においても、光路を分岐させることなく双方向から到達する光信号をそれぞれ増幅させることができる光増幅器を備えた光ファイバ周波数伝送システムを提供することである。これにより、極めて精度の高い光格子時計を提供することができる。 The present invention has been made in view of the above problems. An object of the present invention is an optical fiber frequency transmission system that compares clocks between two different points, and even when amplification of an optical signal is necessary in a fiber transmission line, it can be performed from both directions without branching the optical path. An object of the present invention is to provide an optical fiber frequency transmission system including an optical amplifier capable of amplifying each optical signal that arrives. Thereby, it is possible to provide a highly accurate optical lattice clock.
本発明の請求項1に記載の発明は、ある地点に存在する、第1の原子時計と、第1の光周波数コムと、第1の二次高調波発生器と、レーザー光源と、前記ある地点とは別の地点に存在する、第2の原子時計と、第2の光周波数コムと、第2の二次高調波発生器と、光信号を増幅可能な双方向増幅型の光増幅手段とを備えた、光ファイバ周波数伝送システムであって、前記双方向増幅型の光増幅手段において、パラメトリック増幅が用いられることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システムである。 The invention according to claim 1 of the present invention includes a first atomic clock, a first optical frequency comb, a first second harmonic generator, a laser light source, and the laser light source that are present at a certain point. A second atomic clock, a second optical frequency comb, a second second harmonic generator, and a bidirectional amplification type optical amplifying means capable of amplifying an optical signal, which are present at a point different from the point In the optical fiber frequency transmission system, parametric amplification is used in the bidirectional amplification type optical amplification means.
本発明によれば、異なる2地点間で時計の比較を行うための光ファイバ周波数伝送システムにおいて、ファイバ伝送路の損失補償のために光信号の増幅が必要な場合であっても、光格子時計の精度を落とすことなく光信号を増幅させることが可能となるため、極めて精度の高い光格子時計を構成することが可能になる。 According to the present invention, in an optical fiber frequency transmission system for comparing clocks between two different points, an optical lattice clock can be used even when optical signal amplification is required for loss compensation of the fiber transmission line. Therefore, it is possible to amplify the optical signal without reducing the accuracy of the optical clock, so that it is possible to construct an extremely accurate optical lattice clock.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[位相感応光増幅器(PSA)の基本的構成]
まずは、光ファイバ周波数伝送システムついて説明する前に、その構成要素である双方向増幅が可能な位相感応光増幅器(PSA)について説明する。
[Basic configuration of phase sensitive optical amplifier (PSA)]
First, before describing the optical fiber frequency transmission system, a phase sensitive optical amplifier (PSA) capable of bidirectional amplification, which is a component thereof, will be described.
図4に、位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。この光増幅器は、位相感応光増幅部401と、励起光源402と、励起光位相制御部403と、3つの光分岐部404−1、404−2、404−3とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部401における信号光と励起光との位相が一致すると入力信号光410は増幅され、両者の位相が90度ずれた直交位相関係になると、入力信号光410は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりSN比を劣化させずに信号光を増幅することができる。
FIG. 4 shows a basic configuration of the phase sensitive optical amplifier. This optical amplifier includes a phase sensitive
信号光と励起光との位相同期を達成するために、光分岐部404−1で分岐された入力信号光410の位相に同期するように励起光411の位相を制御する。励起光位相制御部403は、光分岐部404−3で分岐された出力信号光412の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光411の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部401において、信号光の位相と励起光の位相とが同期するように制御され、SN比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部403は、図4に示すような励起光源402の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源402の位相を直接制御する構成としてもよい。
In order to achieve phase synchronization between the signal light and the pump light, the phase of the pump light 411 is controlled so as to be synchronized with the phase of the
図4に基本構成を示した位相感応光増幅器はパラメトリック増幅に基づいており、光信号の光路中にアイソレータが不要なため、双方向で増幅が可能である。以下、図5を用いて双方向増幅を行うための位相感応光増幅器の構成を説明する。 The phase-sensitive optical amplifier whose basic configuration is shown in FIG. 4 is based on parametric amplification and does not require an isolator in the optical path of the optical signal, and thus can be amplified in both directions. Hereinafter, the configuration of a phase sensitive optical amplifier for performing bidirectional amplification will be described with reference to FIG.
図5に示すように、この光増幅器は、図4に示した構成と同様、位相感応光増幅部501と、励起光源502と、励起光位相制御部503と、3つの光分岐部504−1、504−2、504−3とから構成される。また、この光増幅器は、励起光源505と、励起光位相制御部506と、3つの光分岐部507−1、507−2、507−3とをさらに備える。
As shown in FIG. 5, this optical amplifier has a phase sensitive
図5に示す位相感応光増幅器は、往路及び復路について位相感応光増幅部501を共有した構成になっている。かかる構成を用いることで、双方向からの信号において光路を完全に同一に保ちつつ、往路と復路とにおいて独立に位相感応増幅を実現することが可能になる。
The phase sensitive optical amplifier shown in FIG. 5 has a configuration in which the phase sensitive
[位相感応光増幅器(PSA)の具体的構成]
本実施形態に係る双方向信号が増幅可能な位相感応光増幅器の具体的構成を説明する前に、非特許文献4に示された2値の位相変調(BPSK)又は2値差動位相変調(DPSK)伝送信号から片方向の位相感応増幅を実現する具体的な構成を図6に示す。
[Specific configuration of phase sensitive optical amplifier (PSA)]
Before describing a specific configuration of a phase-sensitive optical amplifier capable of amplifying a bidirectional signal according to the present embodiment, binary phase modulation (BPSK) or binary differential phase modulation (non-patent document 4) FIG. 6 shows a specific configuration for realizing unidirectional phase sensitive amplification from a DPSK) transmission signal.
図6に示す構成では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器(EDFA)を用いて、信号光の一部を増幅する。図6に示す構成では、信号光と第1の励起光とを合波して増幅した後、二次非線形光学素子に入射する。二次非線形光学素子内部で信号光の第二高調波が生成され、かつ、生成された第二高調波と第1の励起光との差周波発生により搬送波の抽出が行われる。差周波光は同じ波長で発振する第2の励起光に注入同期された後に、第1の励起光と合波され、ファイバレーザー増幅器(EDFA)を用いて、第1及び第2の励起光で構成された励起基本波光が増幅される。増幅した基本波光を後段の二次非線形光学素子に入射して和周波光を発生させる。そして、さらに後段の二次非線形光学素子に信号光と和周波光とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。 In the configuration shown in FIG. 6, a part of the signal light is amplified using a fiber laser amplifier (EDFA) in order to obtain sufficient power from the weak laser light used for optical communication to obtain the nonlinear optical effect. . In the configuration shown in FIG. 6, the signal light and the first excitation light are combined and amplified, and then incident on the second-order nonlinear optical element. A second harmonic of the signal light is generated inside the second-order nonlinear optical element, and a carrier wave is extracted by generating a difference frequency between the generated second harmonic and the first excitation light. The difference frequency light is injection-locked to the second pumping light oscillated at the same wavelength, and then combined with the first pumping light, and is then used as the first and second pumping light by using a fiber laser amplifier (EDFA). The constructed excitation fundamental wave light is amplified. The amplified fundamental wave light is incident on the second-order nonlinear optical element in the subsequent stage to generate sum frequency light. Then, the signal light and the sum frequency light are incident on the second-order nonlinear optical element in the subsequent stage to perform degenerate parametric amplification, thereby performing phase sensitive amplification.
以下、図6を用いて、BPSK又はDPSKが施された1.54μmの信号光を増幅するための搬送波を抽出する搬送波抽出部を含む位相感応増幅装置の構成を説明する。入力信号光601の一部は、偏波コントローラ602を用いて偏波を調整され、光分岐部603で分岐されて、第1の励起光と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器(EDFA)606で増幅される。増幅された信号光と第一の励起光とは、二次非線形光学素子607−1に入力される。本実施形態に係る二次非線形光学素子607は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム(PPLN)から成る光導波路651を備える。光導波路651には、信号光の第二高調波発生、ならびに、発生した第二高調波と第一の励起光との間で差周波発生が可能となる擬似位相整合条件を満たす周期分極反転構造が形成されている。
Hereinafter, the configuration of a phase sensitive amplification device including a carrier extraction unit that extracts a carrier for amplifying 1.54 μm signal light subjected to BPSK or DPSK will be described with reference to FIG. A part of the
信号光と第一の励起光とが入力された二次非線形光学素子607−1によって、信号光の波長に対して半分の波長を持つ第二高調波が生成される。さらに、二次非線形光学素子607−1によって、内部で発生した第二高調波と第一の励起光との間の差周波光が生成される。信号光の位相φsと、第一の励起光の位相φp1と、差周波光の位相φp2との間には、2φs -φp1-φp2 =0の関係があるため、差周波光の位相φp2は、信号光の位相φs及び第一の励起光の位相φp1を用いてφp2 = 2φs -φp1と表される。つまり、通常データ信号には変調がかかっているため搬送波の位相を抽出することが難しいが、第二高調波発生を用いたことにより信号光の位相φsを2倍とすることで、2値の位相変調を取り除くことができる。さらに、差周波数発生を用いることで、搬送波の位相情報を含んだ差周波光を信号光と同じ波長帯である1.55μm帯で取り出すことができる。 A second harmonic having a wavelength half that of the signal light is generated by the second-order nonlinear optical element 607-1 to which the signal light and the first excitation light are input. Further, the second-order nonlinear optical element 607-1 generates difference frequency light between the second harmonic generated inside and the first excitation light. Since there is a relationship of 2φs−φp1−φp2 = 0 between the phase φs of the signal light, the phase φp1 of the first excitation light, and the phase φp2 of the difference frequency light, the phase φp2 of the difference frequency light is Using the phase φs of the signal light and the phase φp1 of the first excitation light, φp2 = 2φs−φp1. That is, it is difficult to extract the phase of the carrier wave because the normal data signal is modulated. However, by using the second harmonic generation, the signal light phase φs is doubled to obtain a binary value. Phase modulation can be removed. Further, by using the difference frequency generation, the difference frequency light including the phase information of the carrier wave can be extracted in the 1.55 μm band which is the same wavelength band as the signal light.
伝送されてきた信号光が完全な2値の位相変調状態であれば、差周波光には変調の影響は現れない。しかしながら、ファイバなどの伝送路を伝搬してきた光信号には位相雑音が重畳されているため、完全な2値の位相変調状態とはならず、実際に得られた差周波光には、変調の不均一性に起因した影響が残る。また、元々微弱な信号光をさらに分波して二次非線形光学素子607−1に入力しているため、得られる差周波光の光強度は微弱なものである。これらの問題を解決するために、差周波光を用いて光注入同期を行っている。 If the transmitted signal light is a complete binary phase modulation state, the difference frequency light has no modulation effect. However, since the phase noise is superimposed on the optical signal that has propagated through the transmission line such as a fiber, a complete binary phase modulation state is not obtained. The effect due to non-uniformity remains. Further, since the originally weak signal light is further demultiplexed and input to the second-order nonlinear optical element 607-1, the light intensity of the obtained difference frequency light is weak. In order to solve these problems, light injection locking is performed using difference frequency light.
図6に示す通り、二次非線形光学素子607−1から出力された、信号光、第1の励起光、及び差周波光は、光サーキュレータ608を通過した後、それぞれの光に分波される。分波には、アレイ導波路格子(AWG)型の波長合分波器609が使用される。分波器609から出力された信号光は、空間系に放出される。分波器609から出力された第1の励起光は、アイソレータ610を用いて消光される。差周波光と一致した波長を持つ分波器出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー611が接続されている。差周波光の光強度を10μW〜100μWになるように調整した後、半導体レーザー611に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第2の励起光を生成することができる。
As shown in FIG. 6, the signal light, the first excitation light, and the difference frequency light output from the second-order nonlinear optical element 607-1 pass through the
第2の励起光は、差周波光位相φp2と同じ位相を持つ。第2の励起光の光強度は、半導体レーザー611の出力により決まるため、数10μW程度の微弱な差周波光を用いて数10mW以上の励起光を得ることができたことになり、さらに、差周波光に重畳されていた信号光の変調の不均一性に起因した影響も緩和することができたことになる。AWG型合分波器609の合波側から第1の励起光を入射し、第2の励起光と合波した上で、サーキュレータ608を用いて取り出す。非線形素子と光注入同期とにより信号光搬送位相を抽出した、第1の励起光及び第2の励起光が、励起基本波光として用いられる。
The second excitation light has the same phase as the difference frequency light phase φp2. Since the light intensity of the second excitation light is determined by the output of the
PPLN導波路651−2から出射した、和周波光と励起光とは、ダイクロイックミラー653を用いて分離される。ダイクロイックミラー653で反射された波長0.77μmの和周波光は、この波長0.77μmにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ616を経由して、二次非線形光学素子607−3へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー653で完全には取り除けなかった波長1.54μm付近の励起光及びASE光も偏波保持ファイバ616に入射されることになるが、0.77μmにおいてシングルモードであるこのファイバは波長1.54μmの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、1m程度の長さを伝搬させることにより、これらの不用な光を効果的に減衰させることができる。偏波保持ファイバ616で導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー654を用いて波長1.54μmの信号光601と合波される。ダイクロイックミラー654は和周波光のみを反射させるために、PPLN導波路651−2から出射され、ダイクロイックミラー653で反射されて、偏波保持ファイバ616を通ってくる波長1.54μm付近の励起基本波光とASE光との残留成分を効果的に取り除くことができる。信号光601と和周波光とは合波され、PPLN導波路651−3に入射される。PPLN導波路651−3は、PPLN導波路651−2と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。本実施形態では、2つのPPLN導波路651−2,651−3はそれぞれ、個別の温度調節器により一定の温度となるように制御されている。2つのPPLN導波路の作製誤差のために同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を一致させることができる。PPLN導波路651−3から出射された光は、ダイクロイックミラー656により励起光である和周波光と増幅された信号光とに分離される。このときも和周波光と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
The sum frequency light and the excitation light emitted from the PPLN waveguide 651-2 are separated using a
位相感応増幅では、励起光と信号光との位相を同期させることが必要であるが、図6に示す構成では出力した増幅信号光の一部を光分岐部618で分岐して光検出器619で受光した後に位相同期ループ回路(PLL)620により位相同期を行った。AWG型の合波器の前に配置した位相変調器621を用いてsin波により微弱な位相変調を第1の励起光に施す。光検出器619とPLL回路620とでその位相変調の位相ずれを検出して、AWG型の合波器の前に配置したPZTによる光ファイバ622の伸長器の駆動電圧と位相変調器621のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収するので、安定的に位相感応増幅ができる。
In the phase sensitive amplification, it is necessary to synchronize the phases of the excitation light and the signal light. However, in the configuration shown in FIG. 6, a part of the output amplified signal light is branched by the optical branching
図7に双方向増幅が可能な位相感応光増幅器の具体的構成を示す。図7に示すように位相感応光増幅器は、図6に示した構成と同一の構成(符号600番台の構成要素)を備えている。また、この光増幅器は、図6に示した構成における往路を復路とし、復路を往路とするような信号光を増幅するための、図6に示した構成と同様の構成(符号700番台の構成要素)も備える。図7に示す位相感応光増幅器は、双方向の信号光について二次非線形光学素子607−3を共有した構成になっている。図7に示すような構成によって、双方向からの信号光を独立に位相感応増幅することができる。 FIG. 7 shows a specific configuration of a phase sensitive optical amplifier capable of bidirectional amplification. As shown in FIG. 7, the phase sensitive optical amplifier has the same configuration as the configuration shown in FIG. Further, this optical amplifier has a configuration similar to the configuration shown in FIG. 6 (a configuration in the 700s order) for amplifying signal light in which the forward path in the configuration shown in FIG. Element). The phase sensitive optical amplifier shown in FIG. 7 is configured to share the second-order nonlinear optical element 607-3 for bidirectional signal light. With the configuration as shown in FIG. 7, it is possible to independently amplify the phase of the signal light from both directions.
また、本実施形態における双方向増幅器は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてZnを添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いたが、本発明はニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶(LiNb(x)Ta(1-x)O3(0≦x≦1))、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、チタニルリン酸カリウム(KTiOPO4)等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また、二次非線形光学材料の添加物に関しても、Znに限定されるものではなく、Znの代わりにMg、Zn、Sc、In、Feを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。 In addition, the bidirectional amplifier in this embodiment uses lithium niobate (LiNbO 3 ) doped with Zn as a second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted, but the present invention is limited to lithium niobate. Lithium tantalate (LiTaO 3 ), mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate (LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1)), potassium niobate (KNbO 3) ), A second-order nonlinear optical material typified by potassium titanyl phosphate (KTiOPO 4 ) and the like, the same effect can be obtained. Further, the additive of the second-order nonlinear optical material is not limited to Zn, and Mg, Zn, Sc, In, Fe may be used instead of Zn, or no additive may be added. Good.
実際に、図1に示した光ファイバ周波数伝送システムにおいて図7の構成を双方向増幅型光アンプとして用いて光ファイバ周波数の伝送実験を実施した。伝送には波長1538nmの信号を用いて、双方の地点で1538nmの光信号の第2次高調波を取ることで769nmの信号に変換し、波長698nmのストロンチウム原子時計の周波数でロックした光周波数コムとのビート信号を検出することで双方の原子時計の周波数比較を行った。実験に際しては二地点の標高差による一般相対論的な重力シフトの影響等の補正を行っている。 Actually, in the optical fiber frequency transmission system shown in FIG. 1, an optical fiber frequency transmission experiment was performed using the configuration of FIG. 7 as a bidirectional amplification type optical amplifier. An optical frequency comb that uses a signal of wavelength 1538nm for transmission, converts it to a 769nm signal by taking the second harmonic of the optical signal of 1538nm at both points, and locks it at the frequency of the strontium atomic clock of wavelength 698nm. The frequency of both atomic clocks was compared by detecting the beat signal. In the experiment, the influence of the general relativistic gravity shift due to the elevation difference between the two points is corrected.
両地点の原子時計のアラン偏差(周波数差の不確かさ)によって時間精度を評価したところ、1000秒換算で5×10-18であった。これにより、双方の時計が従来の限界であった16桁の精度をはるかに上回る18桁の精度で一致していることが実験的に確認できた。 When time accuracy was evaluated by the Allan deviation (uncertainty of frequency difference) of the atomic clocks at both points, it was 5 × 10 -18 in 1000 seconds. As a result, it was confirmed experimentally that both watches matched with an 18-digit accuracy far exceeding the 16-digit accuracy that was the limit of the prior art.
101、105 光格子時計
102、106 光周波数コム
103、107 二次高調波発生器
104 レーザー光源
108 光増幅器
109 光ファイバ
201 WDMカプラ
202 励起用レーザー
203、204 光アイソレータ
205 エルビウム添加光ファイバ
300 双方向増幅器
301〜304 WDMカプラ
305 EDFA
401 位相感応光増幅部
402 励起光源
403 励起光位相制御部
404−1、404−2、404−3 光分岐部
410 入力信号光
411 励起光
412 出力信号光
501 位相感応光増幅部
502、505 励起光源
503、506 励起光位相制御部
504−1、504−2、504−3、507−1、507−2、507−3 光分岐部
510 入力信号光(往路)
511 励起光(往路)
512 出力信号光(往路)
513 入力信号光(復路)
514 励起光(復路)
515 出力信号光(復路)
601 入力信号光
602 偏波コントローラ
603、605、612、618 光分岐部
604 ECL
606、613 EDFA
607 二次非線形光学素子
608 光サーキュレータ
609 AWG型合分波器
610 アイソレータ
611 半導体レーザー
614 バンドパスフィルタ
616 偏波保持ファイバ
619 光検出器
620 位相同期ループ回路(PLL)
621 位相変調器
622 PZTによる光ファイバ
623 PM光アッテネータ
651 PPLN導波路
653、654、656 ダイクロイックミラー
701 入力信号光
702 偏波コントローラ
703、705、712、718 光分岐部
704 ECL
706、713 EDFA
707 二次非線形光学素子
708 光サーキュレータ
709 AWG型合分波器
710 アイソレータ
711 半導体レーザー
714 バンドパスフィルタ
716 偏波保持ファイバ
719 光検出器
720 位相同期ループ回路(PLL)
721 位相変調器
722 PZTによる光ファイバ
723 PM光アッテネータ
751 PPLN導波路
753 ダイクロイックミラー
101, 105 Optical lattice clocks 102, 106 Optical frequency combs 103, 107 Second
401 Phase sensitive
511 Excitation light (outward)
512 Output signal light (outward)
513 Input signal light (return)
514 Excitation light (return path)
515 Output signal light (return path)
601
606, 613 EDFA
607 Second-order nonlinear
621
706, 713 EDFA
707 Second-order nonlinear
721
Claims (5)
第1の原子時計と、
第1の光周波数コムと、
第1の二次高調波発生器と、
レーザー光源と、
前記ある地点とは別の地点に存在する、
第2の原子時計と、
第2の光周波数コムと、
第2の二次高調波発生器と、
光信号を増幅可能な双方向増幅型の光増幅手段と
を備えた、光ファイバ周波数伝送システムであって、前記双方向増幅型の光増幅手段において、パラメトリック増幅が用いられることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。 Exists at a certain point,
A first atomic clock;
A first optical frequency comb;
A first second harmonic generator;
A laser light source;
Exists at a point different from the certain point,
A second atomic clock;
A second optical frequency comb;
A second second harmonic generator;
An optical fiber frequency transmission system comprising a bidirectional amplification type optical amplification means capable of amplifying an optical signal, wherein the bidirectional amplification type optical amplification means uses parametric amplification. Fiber frequency transmission system.
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Citations (1)
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WO2012098911A1 (en) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | 日本電信電話株式会社 | Optical amplifier device |
-
2013
- 2013-03-15 JP JP2013054096A patent/JP2014179916A/en active Pending
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WO2012098911A1 (en) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | 日本電信電話株式会社 | Optical amplifier device |
Non-Patent Citations (1)
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JPN6015050647; T. Ido 他: '「Optical direct comparison of two 87Sr lattice clocks using a >50km fiber link」' CLEO 2011 , 2011 * |
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