JP2017225017A

JP2017225017A - 光伝送装置

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Publication number: JP2017225017A
Application number: JP2016119572A
Authority: JP
Inventors: 克弥小栗; Katsuya Oguri; 郷　隆司; Takashi Go; 隆司郷; 淳石澤; Atsushi Ishizawa; 弘光今井; Hiromitsu Imai; 橋本　俊和; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本; 後藤　秀樹; Hideki Goto; 秀樹後藤; 秀俊香取; Hidetoshi Katori
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: JP6712074B2

Abstract

【課題】超高精度な周波数基準となる光などを伝送するときの光ファイバで付加される雑音が抑制できるようにする。【解決手段】第１マッハツェンダー干渉計１０１、第２マッハツェンダー干渉計１０２を備える。た第１マッハツェンダー干渉計１０１、第２マッハツェンダー干渉計１０２は、対象とする通信波長帯の光導波路構造を有するプレーナ光波回路から構成されている。プレーナ光波回路は、例えば、シリコン基板の上にＳｉＯ2などの下部クラッドとなる絶縁層を介して形成した石英系コアおよびシリコンコアなどによる光導波路から構成された光波回路である。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた高精度な光周波数基準の伝送などに用いられる光伝送装置に関する。

超高精度光周波数基準の光ファイバ伝送技術とは、超高精度に安定化された周波数(時間)基準を、光ファイバを介して遠隔地へ精度を損なうことなく伝送する技術のことである（非特許文献１参照）。現在、世界の周波数（時間）標準は、¹³³Ｃｓ（セシウム）のマイクロ波遷移（９．２ＧＨｚ）を用いた原子時計であるが、セシウム原子時計がマイクロ波周波数（数ＧＨｚ）を基準としている。これに対し、近年、光周波数（数１００ＴＨｚ）を基準とする光時計の研究開発が急速に進展し、セシウム原子時計の精度をはるかに上回る性能を示しつつある。

光時計において、最も有力な方式と考えられている光格子時計では、⁸⁷Ｓｒ（ストロンチウム）を用いて、２×１０^-18の不確かさを実現しており、１０^-19のレベルにも到達目前である（非特許文献２参照）。この超高精度に安定化された光周波数基準を遠隔地間で共有するために、光ファイバ伝送技術が注目されている。

従来、原子時計レベルのマイクロ波周波数基準の伝送技術としては、全球測位システム（ＧＰＳ）や衛星双方向時刻比較といった自由空間をマイクロ波で伝送する方法がある（非特許文献３参照）。しかしながら、これらの方法では、大気中で長距離伝搬する際の空気の揺らぎなどの雑音の影響を受けるため、光格子時計の安定度を劣化させることなく伝送することは不可能である。

上述した技術よりも高安定な伝送方法が、周波数基準の光ファイバ伝送技術である。周波数基準の光ファイバ伝送技術により、超高精度光周波数基準を遠隔地へ伝送することが可能になれば、各研究機関で開発が進められている光時計同士を比較することが可能となる。特に、光通信ネットワークで用いられている光ファイバを用いれば、既設の光通信ファイバネットワーク社会基盤を利用することが可能である。

周波数基準の光ファイバ伝送技術を用いて多地点間を結ぶ超高精度光周波数基準ファイバネットワークを構築し、周波数（時間）基準配信という新しい社会基盤を実現するためには、光周波数基準をレーザ光に転写し、送信・中継・受信する高周波数精度の光伝送装置を多数用意することが必要不可欠である。そこで発明者らは、従来技術と比較して、量産が容易であり、小型・高安定性・堅牢性に優れた超高精度光周波数基準光伝送装置に着目した。

超高精度周波数基準ファイバネットワークを構成する光伝送装置の基本配置は、図３に示すように、送信部３０１，中継部３０２，受信部３０３から構成されている。送信部３０１は、超高精度光周波数基準３０４、送信装置３０５を備える。中継部３０２は、中継装置３０６を備える。受信部３０３は、受信装置３０７を備える。各装置は、直列に光ファイバ３０８で接続している。

各光伝送装置の基本的機能は、以下の２つに分類できる。１つは、超高精度光周波数基準３０４を、送信装置３０５の送信用周波数可変狭線幅レーザ光に再生（変換）する機能である。

通常、超高精度光周波数基準３０４は、周波数の絶対的な基準となる光周波数領域の量子遷移と、この遷移周波数の周波数確度および安定性を可能な限り忠実に転写した時計レーザから構成される。光伝送装置では、この時計レーザ（超高精度光周波数基準がコピーされたレーザ）を、送信用に用いる周波数可変狭線幅レーザに再コピーするため、２つのレーザ光をマイケルソン型干渉計に導入する。２つのレーザ光を干渉させることにより、差周波に相当する干渉ビート信号を検出し、このビート信号をその差周波に一致する周波数を有するＲＦ周波数基準に位相同期することによって、光周波数基準の精度が送信用レーザ光に再生される。

この機能は、主に中継装置３０６において用いられており、前段の中継装置３０６から送られてきた超高精度光周波数基準を、中継装置３０６における送信用レーザにコピーし、前段に折り返し（後述）、また後段へ送信する。

もう１つの機能は、送信装置３０５と中継装置３０６との間、また各々の中継装置３０６間をつなぐ光ファイバ３０８の環境に由来する雑音を補償する機能である。環境に由来する雑音は、例えば、熱や振動といった光ファイバ３０８の敷設環境に由来する雑音である。この光ファイバ３０８の雑音を補償する機能では、マイケルソン型干渉計により、光ファイバ入射前の送信光と、光ファイバ入射後に中継装置で折り返され、送信装置に戻ってくる折り返し光との干渉をとることによって、光ファイバ中の伝搬に伴う雑音成分を検出する。

上述した雑音成分は、伝送光の周波数揺らぎとして伝送した周波数基準の周波数精度を劣化させる原因となるが、この干渉計により周波数揺らぎを検出し、中継装置に到着した際に周波数揺らぎを補償するようにあらかじめ周波数揺らぎを伝送光に与えておくことによって、精度を劣化することなく中継装置まで光周波数基準を伝送することができる。また、この送信装置と同じ構成をとる中継装置を多段に接続することによって、ファイバネットワークを構成することが可能となる。

P. A. Williams et al., "High-stability transfer of an optical frequency over long fiber-optic links", Journal of the Optical Society of America B, Vol.25, Issue 8, pp.1284-1293, 2008. I. Ushijima et al., "Cryogenic optical lattice clocks", Nature Photonics, vol.9, 2015. A. Bauch et al., "Comparison between frequency standards in Europe and the USA at the 10-15 uncertainty level", Metrologia, vol.43, pp.109-120, 2006. O. Lopez et al., "Cascaded multiplexed optical link on a telecommunication network for frequency dissemination", Optics Express, vol.18, no.16, pp.16849-16857, 2010. O. Lopez et al., "Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network", Optics Express, vol.20, no.21, pp.23518-23526, 2012.

これらの光伝送装置において最大限忠実に光周波数基準を伝送するためには、マイケルソン型干渉計における参照光の光路長に対する擾乱を可能な限り排除することが最重要である。光路長の揺らぎは、参照光の周波数揺らぎの原因となり、伝送周波数精度の劣化を引き起こす。光路長の擾乱を防止するためには、光路長を短くし、光路における空気の擾乱、温度変化、振動の影響を可能な限り低減させる必要がある。

しかしながら、従来技術では、光伝送装置における干渉計は、主にミラー、波長板、ビームスプリッタおよびこれらの光学部品を固定するホルダーやポスト、ペデスタルフォークといった各種部品で構成されているため、光路長の短距離化には限界があった。また、光ファイバの周波数揺らぎを補償する上記の方法は、折り返し光のファイバ伝搬による時間遅れのため、この遅れ時間よりも早い時間スケールで変動する雑音を補償することが原理的に不可能である。

上述のことより、ファイバ伝送距離を長くとると精度劣化を引き起こすことになる。従って、精度劣化を低減させるためには、なるべくファイバ伝送距離を短くし、より多くの中継装置を配置することになる。このために、光伝送装置の小型化および堅牢化が望まれている。上記の課題の解決に向け、ファイバ型光学部品を用いたマイケルソン型干渉計による光伝送装置の小型化・堅牢化が試みられている（非特許文献４，非特許文献５）。

しかしながら、ファイバ型光学部品によるマイケルソン型干渉計は、空間系における空気揺らぎの影響の排除やサイズの小型化という観点で改善が見られるものの、温度変化や振動の影響によるファイバ雑音が付加されるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、超高精度な周波数基準となる光などを伝送するときの光ファイバで付加される雑音が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光伝送装置は、送信用光を出力先の光ファイバに出力し、光ファイバより戻ってくる折り返し光と送信用光との干渉をマッハツェンダー光干渉計によりとることで、光ファイバ中の伝搬に伴う雑音成分を検出し、検出した雑音成分をもとに光ファイバにおける周波数揺らぎを補償する光伝送装置であって、マッハツェンダー光干渉計は、プレーナ光波回路から構成されている。

上記光伝送装置において、マッハツェンダー光干渉計は、入射した送信用光を第１光路と第２光路とに分岐する分岐部と、入射した光を第２光路と第３光路とに各々異なる偏光に分岐する偏光分岐部と、第１光路の光と第３光路の光とを合波する合波部とを備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、超高精度な周波数基準となる光などを伝送するときの光ファイバで付加される雑音が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光伝送装置の構成を示す構成図である。図２は、第１マッハツェンダー干渉計１０１の構成を説明するための構成図である。図３は、超高精度周波数基準ファイバネットワークを構成する光伝送装置の基本配置を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光伝送装置の構成を示す構成図である。ここでは、図３を用いて説明した送信装置に本発明を適用する場合について説明する。

この送信装置は、第１マッハツェンダー干渉計１０１、第２マッハツェンダー干渉計１０２を備える。また、第１マッハツェンダー干渉計１０１は、分岐部１１１、第１光路１１２、第２光路１１３、偏光分岐部１１４、合波部１１５、第３光路１１６を備える。同様に、第２マッハツェンダー干渉計１０２は、分岐部１２１、第１光路１２２、第２光路１２３、偏光分岐部１２４、合波部１２５、第３光路１２６を備える。また、第１ポート１０３，第２ポート１０４，第３ポート１０５，第４ポート１０６，第５ポート１０７を備える。

第１マッハツェンダー干渉計１０１、第２マッハツェンダー干渉計１０２は、マッハツェンダー型の光干渉計であり、対象とする通信波長帯の光導波路構造を有するプレーナ光波回路（Planar Lightwave Circuit；ＰＬＣ）から構成されている。また、分岐部１０８およびここから第１マッハツェンダー干渉計１０１、第２マッハツェンダー干渉計１０２までの光路もプレーナ光波回路から構成されている。

プレーナ光波回路は、よく知られているように、例えば、シリコン基板の上にＳｉＯ₂などの下部クラッドとなる絶縁層を介して形成した石英系コアおよびシリコンコアなどによる光導波路から構成された光波回路である。

第１マッハツェンダー干渉計１０１は、例えば、図２に示すように、Ｙ分岐光導波路などの方向性結合器により分岐部１１１および合波部１１５が構成されている。また、偏光分岐部１１４は、方向性結合器２０１，第１アーム２０２，第２アーム２０３，方向性結合器２０４によるマッハツェンダー干渉計により構成されている。第１アーム２０２には、例えば、第１アーム２０２を構成する光導波路の両脇に応力開放溝２５１，２５２を設けた位相差付与部２０５が設けられ、通過するＴＭ偏光の位相が半波長ずらされる。これにより、第１アーム２０２を通過した光が、方向性結合器２０１または方向性結合器２０４で第２アーム２０３を通過した光と合波されると、ＴＥ偏光が取り出されることになる。第２マッハツェンダー干渉計１０２も同様の構成である。

まず、送信用レーザ１５１より出射される送信用レーザ光が第１ポート１０３に入射されると、Ｙ分岐光導波路などの方向性結合器から構成された分岐部１０８により第１マッハツェンダー干渉計１０１および第２マッハツェンダー干渉計１０２に５０％ずつ分岐される。

第１マッハツェンダー干渉計１０１に入射した送信レーザ光は、分岐部１１１により第１光路１１２と第２光路１１３とに分岐される。

また、超高精度光周波数基準となる時計レーザ１５２から出射される基準レーザ光が第２ポート１０４より入射し、異なる偏光に分岐する偏光分岐部１１４により第２光路１１３と第３光路１１６とに分岐される。分岐されて第３光路１１６に入射した基準レーザ光は、第１光路１１２に設けられている半波長板１１７で偏光が９０度回転した送信用レーザ光と合波部１１５で合波され、第３ポート１０５より出射する。

合波部１１５で合波された基準レーザ光と送信用レーザ光とは干渉し、基準レーザ光と送信用レーザ光との間の差周波に相当するビート信号が発生する。このビート信号は、第３ポート１０５の出射口に配置された検出部１５３により検出される。

検出されたビート信号と、図示しない基準周波数発生器より得られるＲＦ周波数基準信号とを、図示しない位相同期回路（ＰＬＬ）を用いて周波数同期させることなどにより、送信用レーザ１５１を帰還制御することで、基準レーザ光の周波数精度を送信用レーザ光に転写する。この結果、送信用レーザ１５１から出力される送信用レーザ光は、基準レーザ光の精度が再生されたものとなり、この送信用レーザ光が、第１ポート１０３、分岐部１０８を経て第２マッハツェンダー干渉計１０２にも入射されることになる。

第２マッハツェンダー干渉計１０２に入射した送信用レーザ光は、分岐部１２１により第１光路１２２および第２光路１２３に分岐され、一方は、偏光分岐部１２４を通り第４ポート１０６より出射される。第４ポート１０６からの出射光（送信用レーザ光）は、周波数シフタ１５４を通り、例えば、図示しない中継局へ光ファイバにより伝送される。周波数シフタ１５４は、よく知られているように、例えば、音響光学素子から構成することができる。

上記中継局へ伝送された送信用レーザ光は、この中継局で折り返され、光ファイバで伝送されて再び第４ポート１０６から第２マッハツェンダー干渉計１０２に入射する。この折り返しレーザ光は、異なる偏光に分岐する偏光分岐部１２４および第３光路１２６を経由し、合波部１２５で第１光路１２２を通りここに設けられている半波長板１２７で偏光が９０度回転した送信レーザ光と合波され、第５ポート１０８より出射する。

合波部１２５で合波された折り返しレーザ光と送信レーザ光とは干渉し、折り返しレーザ光と送信用レーザ光との間の差周波に相当するビート信号が発生する。このビート信号は、第５ポート１０７の出射口に配置された検出部１５５により検出される。検出されたビート信号より、光ファイバの位相雑音によって伝送の往復で受けた周波数変化を検出する。

検出した周波数変化を上記中継局において打ち消すように周波数シフタ１５４を制御することで、周波数シフタ１５４より出射される送信用レーザ光における光ファイバにおける周波数揺らぎを補償する。この結果、周波数シフタ１５４より出射される送信用レーザ光は、基準レーザ光の周波数精度が転写された状態の精度を劣化すること無く、中継局へ伝送することが可能となる。

なお、上述した実施の形態における送信装置（光伝送装置）は、中継装置や受信装置にも適用可能である。中継装置とした場合、第２ポート１０４には、前段の中継地点から光ファイバにより伝送されてきた送信レーザ光が入射することになる。この伝送されてきた送信レーザ光の周波数精度を、中継装置における送信レーザ光に転写し、第４ポート１０６から後段の中継地点へ向けて光ファイバにより伝送される。

また、受信装置とした場合、中継装置と同様に、第２ポート１０４には、前段の中継地点から光ファイバにより伝送されてきた送信レーザ光が入射することになる。この伝送されてきた送信レーザ光の周波数精度を、中継装置における送信レーザ光に転写し、第４ポート１０６から出射される送信レーザ光を、受信側ユーザーの用途に用いる。

上述したように、本発明の光伝送装置は、送信用光を出力先の光ファイバに出力し、光ファイバより戻ってくる折り返し光と送信用光との干渉をマッハツェンダー光干渉計によりとることで、光ファイバ中の伝搬に伴う雑音成分を検出し、検出した雑音成分をもとに光ファイバにおける周波数揺らぎを補償する光伝送装置において、マッハツェンダー光干渉計を、プレーナ光波回路から構成するところに特徴がある。このように構成したことにより、本発明によれば、超高精度な周波数基準となる光などを伝送するときの光ファイバで付加される雑音が抑制できるようになる。また、超高精度な周波数基準となる光の精度を別のレーザに転写するときの精度をより向上させることができるようになる。

また、本発明によれば、マイケルソン型ではなく、マッハツェンダー型を採用することにより、マイケルソン型では必須である反射鏡をプレーナ光波回路に組み込む必要がなくなり、プレーナ光波回路の作製工程上有利である。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１マッハツェンダー干渉計、１０２…第２マッハツェンダー干渉計、１０３…第１ポート、１０４…第２ポート、１０５…第３ポート、１０６…第４ポート、１０７…第５ポート、１０８…分岐部、１１１…分岐部、１１２…第１光路、１１３…第２光路、１１４…偏光分岐部、１１５…分岐部、１１６…第３光路、１１７…半波長板、１２１…分岐部、１２２…第１光路、１２３…第２光路、１２４…偏光分岐部、１２５…分岐部、１２６…第３光路、１２７…半波長板、１５１…送信用レーザ、１５２…時計レーザ、１５３…検出部、１５４…周波数シフタ、１５５…検出部。

Claims

送信用光を出力先の光ファイバに出力し、前記光ファイバより戻ってくる折り返し光と前記送信用光との干渉をマッハツェンダー光干渉計によりとることで、前記光ファイバ中の伝搬に伴う雑音成分を検出し、検出した雑音成分をもとに前記光ファイバにおける周波数揺らぎを補償する光伝送装置であって、
前記マッハツェンダー光干渉計は、プレーナ光波回路から構成されている
ことを特徴とする光伝送装置。
請求項１記載の光伝送装置において、
前記マッハツェンダー光干渉計は、
入射した送信用光を第１光路と第２光路とに分岐する分岐部と、
入射した光を前記第２光路と第３光路とに各々異なる偏光に分岐する偏光分岐部と、
前記第１光路の光と前記第３光路の光とを合波する合波部と
を備えることを特徴とする光伝送装置。