JP4599560B2

JP4599560B2 - 基準信号光伝送システム及び基準信号光伝送方法

Info

Publication number: JP4599560B2
Application number: JP2005152872A
Authority: JP
Inventors: 等木内
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006332999A

Description

この発明は、光による基準信号の長距離伝送において、偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion）の影響を最小に抑え、伝送マイクロ波信号位相でケーブル伝送による遅延位相を測定することができる基準信号光伝送システム及び基準信号光伝送方法に関するものである。

原子時計の進歩に伴った国家標準時刻や基準信号の伝送・分配の試みが続けられて来た。しかしながら、光ファイバ伝送中に生じる偏波モード分散（ＰＭＤ）の問題を解決できず十分な性能が得られていないため、図２に示すように、高安定な原子時計２０、４０を持った機関同士が、タイミング検出器２２、４２による時刻タイミングのみを光ファイバ３０等を用いたタイミングパルスの双方向伝送で比較するに留まっている（例えば、非特許文献１参照）。高安定な基準信号の伝送は、同軸（メタル）ケーブルでのマイクロ波電気信号伝送に限られており長距離伝送は行われていない。

M.Kihara, et.al., "Two-way time transfer through 2.4 Gb/s optical SDH system"，IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol.50, No.3, 709-715, 2001.

従来では、光ファイバ伝送中に生じる偏波モード分散（ＰＭＤ）の問題を解決できず十分な性能が得られていないという問題点があった。

すなわち、光ファイバでの高安定な基準信号の伝送では、伝送線による遅延及び光の偏波モード分散（ＰＭＤ）により群遅延誤差を生じることが問題となる。理想的なシングルモードファイバでは、等方的に均質であるため直交した光の伝播２軸（図３中のｘ、ｙ）での群遅延量は生じないが、実際は等方性に乱れがある上、外部からの応力等でも偏波面の回転があるので、伝送波形に、図３でΔτとして表す群遅延差を持つ。伝送ケーブル遅延、偏波面回転の変化に応じ群遅延差の変化が生じ、結果的に伝送信号の位相が乱される。これを最小にするには、受信点での偏波を一定にしたうえで、伝送線による伝送遅延を補償する必要がある。

光でのマイクロ波信号の伝送時は、２光、つまり、２つのレーザー光信号を用いて行われる。この時、２光の差周波数に相当するのがマイクロ波周波数である。この差は、受信側の光検出器のミキサとしての働きでマイクロ波信号として取り出される。光ファイバ伝送では、偏波モード分散（ＰＭＤ）の補償と並び、２光夫々で遅延量が異なり、独立した補正が不可欠である。

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、偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響を最小に抑えることができ、伝送マイクロ波信号位相でケーブル伝送による遅延位相を測定することができる基準信号光伝送システム及び基準信号光伝送方法を得るものである。

この発明に係る基準信号光伝送システムは、基準信号を光ファイバによって長距離伝送する基準信号光伝送システムであって、レーザー光を前記基準信号である第１のマイクロ波信号を用いて変調し、前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた２つの第１及び第２の波長のレーザー光信号を生成して出力する光変調手段と、前記光変調手段により出力された光信号の一部を分配する第１の光分配手段と、検出された受信側からの戻りの光信号の強度に基づき強度が最大になるように、前記第１の光分配手段により分配された一方の光信号の偏波を制御する偏波制御手段と、前記偏波制御手段により出力された光信号を前記光ファイバへ導く光方向変換手段と、前記光ファイバで伝送されてきた光信号の一部を分配する第２の光分配手段と、前記第２の光分配手段により分配された一方の２つの光信号の差周波数を伝送後の基準信号である第２のマイクロ波信号として出力する第１の光検出手段と、前記第２の光分配手段により分配された他方の光信号を、送受分離のための第３のマイクロ波信号で周波数シフトするとともに、前記第２の光分配手段とは逆方向からの戻りの光信号を前記第３のマイクロ波信号で再度周波数シフトする周波数シフト手段と、前記周波数シフト手段からの光信号の偏波を一意にするとともに、前記周波数シフト手段とは逆方向からの戻りの光信号の偏波を一意にする偏光手段と、前記偏光手段からの光信号を前記偏光手段へ反射する反射手段と、前記偏光手段、前記周波数シフト手段、前記第２の光分配手段及び前記光ファイバを経て送信側に戻され、前記光方向変換手段により向きが変えられた光信号の一部を分配する第３の光分配手段と、前記第３の光分配手段により分配された、受信側からの戻りの一方の光信号の強度を検出して前記偏波制御手段へ出力する第２の光検出手段と、前記第１の光分配手段により分配された他方の光信号と前記第３の光分配手段により分配された他方の光信号を混合する光混合手段と、前記光混合手段からの光信号を、第１の波長の送信光信号及び第１の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号と、第２の波長の送信光信号及び第２の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号に波長分割する光波長分割手段と、前記第１の波長の送信光信号及び第１の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第１のビート信号を検出する第１のビート信号検出手段と、前記第２の波長の送信光信号及び第２の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第２のビート信号を検出する第２のビート信号検出手段と、前記第１及び第２のビート信号に基づき前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数のマイクロ波信号の位相差を計算することにより、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。

この発明に係る基準信号光伝送システムは、偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響を最小に抑えることができ、伝送マイクロ波信号位相でケーブル伝送による遅延位相を測定することができ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に係る基準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に係る基準信号光伝送システムの構成を示す図である。

図１において、この実施の形態１に係る基準信号光伝送システムは、送信側に、入力されたレーザー光を、基準信号であるマイクロ波信号Ｍ１を用いて変調し、マイクロ波信号周波数だけ離れた２つのレーザー光信号を出力する光変調器（光変調手段）１と、光信号を分配する光カプラ（第１の光分配手段）２と、光信号の偏波を制御する偏波制御器（偏波制御手段）３と、受信側から戻された光信号の向きを変えるサーキュレータ（光方向変換手段）４と、戻された光信号を分配する光カプラ（第３の光分配手段）１１と、戻された光信号の強度変化を検出する光検出器（第２の光検出手段）１２と、光カプラ２で分配された光信号と光カプラ１１で分配された他方の光信号を混合する光カプラ（光混合手段）１３と、光信号を波長分割する光分波器（光波長分割手段）１４と、マイクロ波信号のビート信号を検出する光検出器（第１及び第２のビート信号検出手段）１５、１６と、位相計算を実施する位相計算器（位相計算手段）１７とが設けられている。

また、受信側に、光ファイバ５で伝送されてきた光信号の一部をそれぞれ取り出す光カプラ（第２の光分配手段）６と、光信号をマイクロ波信号Ｍ２に変換する光検出器（第１の光検出手段）７と、分配された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（周波数シフト手段）８と、光信号の偏波を一意にする偏光子（偏光手段）９と、光信号を反射する反射器（反射手段）１０とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る基準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。

この基準信号光伝送システムの動作の概要は、次の通りである。光信号を送信側→受信側→送信側とラウンドトリップさせ伝送系の遅延を測定すると共に、受信点での光の偏波を一定にするために受信側に偏光子９を設け、この偏光子９に一致した偏波のみを送信側にラウンドトリップ信号として戻し、戻り光の強度を検出して送信光信号の強度を最大にするように偏波制御を行うことで、偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響を最小に抑えることを可能とした。さらに、２光夫々で伝送系の遅延位相の補償を行うことが可能であり、光による高安定な基準信号の長距離伝送を可能とすることができる。

受信する偏波を一定に保つことを行い、偏波モード分散（ＰＭＤ）による複数の伝送経路による遅延量の分散を絞り込もうという発想である。これは、送信側もしくは受信側で偏波制御を行うことで実現できる。また、伝送光ケーブルの遅延は、光信号によるラウンドトリップ遅延の測定を２光独立に同時に行い、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。２光の内の片方だけの光でラウンドトリップ遅延測定を行うと、光周波数差によって発生する偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響が残る。

図１に示すように、送信側において、レーザー光は、光変調器１でマイクロ波信号Ｍ１を用いて変調が掛けられる。これによりマイクロ波信号周波数だけ離れた２つのレーザー光信号を作り出す。このマイクロ波信号Ｍ１は、伝送したい高安定な基準信号である。この光変調器１は、偏波保持型の変調器である。

変調された光信号は、送信側の光カプラ２と偏波制御器３、さらにサーキュレータ４を通過後、光ファイバ５に導かれる。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が使用可能である。偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響で受信側まで偏波が回転し、伝送軸の群遅延カップリングが起こる。

この光信号は、受信側の光カプラ６を通過後、光検出器（Photo-mixer）７で２つの光信号の差周波数がマイクロ波信号Ｍ２として取り出される。このマイクロ波信号Ｍ２が伝送後の基準信号である。

受信側の光カプラ６では、伝送されてきた光信号の一部が取り出され、マイクロ波信号Ｍ３で光変調器８において周波数シフトされ、偏光子９を通過後、反射器１０で反射される。この反射された光信号は、偏光子９を再び通過後、マイクロ波信号Ｍ３で光変調器８において再度周波数シフトされ、光カプラ６で元の光ファイバ５に戻される。この光変調器８は、光信号に送受分離のためにマイクロ波信号Ｍ３で変調を掛け、送信側に戻す。

受信側から送信側へ戻された光信号は、光ファイバ５を通過後、送信側のサーキュレータ４で向きを変えられ、光カプラ１１に導かれる。この光カプラ１１で分配された光信号は、光検出器１２で強度変化が求められ、強度が最大になる様に偏波制御器３が制御される。送信時の偏波を制御できれば、常に偏光子９に一致する偏波を加える様に送信側で偏波を制御できたことになり、偏波モード分散（ＰＭＤ）の影響も軽減できる。戻り光の偏波・振幅検出は、送信信号とその直交偏波（９０度偏波回転操作）で検波する。あるいは、単純に偏波分離器で分離後検波することで検出する。２つのレーザー光信号の入力後、波長分離された状態で偏波回転素子により偏波制御を行い、振幅が最大になるように偏波面を制御する。

また、光カプラ１１で分配された他方の光信号は、光カプラ２で分配された光信号と光カプラ１３で混合された後、光分波器１４で光信号が波長分割され、光検出器１５、１６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。

光検出器１５、１６の出力信号には、位相計算器１７により位相計算が施される。２つの光信号について、それぞれ送受光の位相差として、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１７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１７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。

受信側で入力されるマイクロ波信号Ｍ３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（例えば、２５ＭＨｚ）の信号である。このマイクロ波信号Ｍ３の影響は、２つの光信号に同一に入るため、２つの光検出器１５、１６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１７で求められる量に影響を及ぼさない。

すなわち、光カプラ１３で、送信光（例えば、波長１と波長２の２つのレーザー光信号：２光）と、戻り光（夫々送信光よりマイクロ波信号Ｍ３の周波数の２倍だけシフトした２つのレーザー光信号：２光）が混合される。光分波器１４では、２つの光信号夫々が分波（波長１と波長２の光信号に分離）される。この光分波器１４の出力として、光検出器１５へ波長１の送信光と波長１のマイクロ波信号Ｍ３の２倍だけずれた戻り光が送られ、光検出器１６へ波長２の送信光と波長２のマイクロ波信号Ｍ３の２倍だけずれた戻り光が送られる。結果として、光検出器１５、１６の出力は夫々マイクロ波信号Ｍ３の２倍のマイクロ波が得られる。

ここで、マイクロ波信号Ｍ１を送信光の２光で送り、差としてマイクロ波信号Ｍ２が得られるが、マイクロ波信号Ｍ２の中には伝送による位相変化量が入っている。この量は、光波長１と光波長２の伝送差によるものである。この位相量は、送受の光をマイケルソン干渉計で測定すれば計れるが、反射等があり送受光を区別する手段（光変調器８）が必要である。こうすることにより、マイクロ波信号Ｍ３の２倍の周波数のマイクロ波として波長１の光信号の往復遅延が計れる（光の位相として）。ところが、波長１だけであるとマイクロ波信号Ｍ３自体の位相が除去できず、マイクロ波信号Ｍ３の位相を正確に知る必要がある。そこで、波長２の光信号も同時に考慮したものである。マイクロ波信号Ｍ３の２倍の周波数のマイクロ波として波長２の光信号の往復遅延が計れる。波長１と波長２で計った位相差は、まさに伝送したいマイクロ波信号Ｍ１での位相計測値に相当し、マイクロ波信号Ｍ２に入り込む伝送による位相変化量の２倍（往復しているため）になる。しかも、マイクロ波信号Ｍ３の位相は、上記計算時に共通なものとしてキャンセルされるのでマイクロ波信号Ｍ３自体の位相を送信点と受信点で既知のものとする必要がなくなる。以上より、光検出器１５、１６の出力であるマイクロ波信号Ｍ３の２倍のマイクロ波信号の位相差を計ればよいことになる。

位相計算器１７におけるマイクロ波信号の位相差の測定方法として、他に次の方法がある。
（１）最も簡単なのはベクトルボルトメータに入れて位相を測る。
（２）タイムインターバルカウンタで時間差（位相差）を計り周波数を掛けて位相を求める。
（３）位相計で計る。
（４）直交した「マイクロ波信号Ｍ３の２倍のマイクロ波信号（正確でなくて良い）」でサイン（ＳＩＮ）、コサイン（ＣＯＳ）信号を作り、光検出器１５、１６の出力と夫々掛け合わせ、夫々のアークタンジェント（ＡＴＡＮ）を計算することで作成したＳＩＮ、ＣＯＳ信号との位相差が計算でき、両者の差として光検出器１５、１６の出力位相差を得る。

この基準信号光伝送システムでは、光ファイバ５である伝送用長距離ケーブル以外を偏波保持ファイバで構成する。この光ファイバ５に比べ、偏波保持ファイバは、非常に短い。

送信側の光変調器１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。

特徴的なのは、上述したように受信側に偏光子９が入っており、偏波が一意に決定される。この偏光子９の通過光は、反射器１０で反射され、同一経路を通り送信側に戻される。光は可逆性を持つので、送信側から送られた偏波も含めた経路を逆にたどり、戻ることになる。この時、偏光子９に一致しない偏波は、送信側に戻ってきた時に弱く検出される。送信側に戻ってくる光のパワー（強度）を検出し、偏波制御器３による送信時の偏波制御ができれば、常に偏光子９に一致する偏波を加える様に送信側で偏波を制御できたことになり、偏波モード分散（ＰＭＤ）が軽減できる。なお、偏波制御器３は、受信側に置くことも可能である。この場合は、光ファイバ５と光カプラ６の間に置かれる。

干渉計等の基準信号の伝送、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。

すなわち、この実施の形態１では、光による信号伝送で、（１）受信側に偏光子９を設け、この偏光子９に一致した偏波光成分のみを送信側に返送することで、光によるラウンドトリップを行い、戻り光の振幅を検出し、戻り光の振幅を最大になる様に送信時（または受信時）の偏波を制御することで、受信側の光偏波を一定にでき、偏波モード分散の影響（ＰＭＤ）を軽減することができる。また、（２）光によるラウンドトリップ遅延測定を２光独立に同時に行い、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得て、伝送光の位相ではなく、伝送マイクロ波信号の位相でケーブル伝送による遅延位相を測定することを可能にするものである。特に２光周波数差による信号伝送に有効であるが、ＡＭ変調光信号伝送にも応用可能である。

この発明の実施の形態１に係る基準信号光伝送システムの構成を示すブロック図である。従来の光伝送システムの構成を示すブロック図である。光ファイバ伝送において光の偏波モード分散（ＰＭＤ）による群遅延誤差を示す図である。

符号の説明

１光変調器、２光カプラ、３偏波制御器、４サーキュレータ、５光ファイバ、６光カプラ、７光検出器、８光変調器、９偏光子、１０反射器、１１光カプラ、１２光検出器、１３光カプラ、１４光分波器、１５光検出器、１６光検出器、１７位相計算器。

Claims

基準信号を光ファイバによって長距離伝送する基準信号光伝送システムであって、
レーザー光を前記基準信号である第１のマイクロ波信号を用いて変調し、前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた２つの第１及び第２の波長のレーザー光信号を生成して出力する光変調手段と、
前記光変調手段により出力された光信号の一部を分配する第１の光分配手段と、
検出された受信側からの戻りの光信号の強度に基づき強度が最大になるように、前記第１の光分配手段により分配された一方の光信号の偏波を制御する偏波制御手段と、
前記偏波制御手段により出力された光信号を前記光ファイバへ導く光方向変換手段と、
前記光ファイバで伝送されてきた光信号の一部を分配する第２の光分配手段と、
前記第２の光分配手段により分配された一方の２つの光信号の差周波数を伝送後の基準信号である第２のマイクロ波信号として出力する第１の光検出手段と、
前記第２の光分配手段により分配された他方の光信号を、送受分離のための第３のマイクロ波信号で周波数シフトするとともに、前記第２の光分配手段とは逆方向からの戻りの光信号を前記第３のマイクロ波信号で再度周波数シフトする周波数シフト手段と、
前記周波数シフト手段からの光信号の偏波を一意にするとともに、前記周波数シフト手段とは逆方向からの戻りの光信号の偏波を一意にする偏光手段と、
前記偏光手段からの光信号を前記偏光手段へ反射する反射手段と、
前記偏光手段、前記周波数シフト手段、前記第２の光分配手段及び前記光ファイバを経て送信側に戻され、前記光方向変換手段により向きが変えられた光信号の一部を分配する第３の光分配手段と、
前記第３の光分配手段により分配された、受信側からの戻りの一方の光信号の強度を検出して前記偏波制御手段へ出力する第２の光検出手段と、
前記第１の光分配手段により分配された他方の光信号と前記第３の光分配手段により分配された他方の光信号を混合する光混合手段と、
前記光混合手段からの光信号を、第１の波長の送信光信号及び第１の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号と、第２の波長の送信光信号及び第２の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号に波長分割する光波長分割手段と、
前記第１の波長の送信光信号及び第１の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第１のビート信号を検出する第１のビート信号検出手段と、
前記第２の波長の送信光信号及び第２の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第２のビート信号を検出する第２のビート信号検出手段と、
前記第１及び第２のビート信号に基づき前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数のマイクロ波信号の位相差を計算することにより、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する位相計算手段と
を備えたことを特徴とする基準信号光伝送システム。
基準信号を光ファイバによって長距離伝送する基準信号光伝送システムにおいて、
光変調手段により、レーザー光を前記基準信号である第１のマイクロ波信号を用いて変調し、前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ離れた２つの第１及び第２の波長のレーザー光信号を生成して出力するステップと、
第１の光分配手段により、前記光変調手段により出力された光信号の一部を分配するステップと、
偏波制御手段により、検出された受信側からの戻りの光信号の強度に基づき強度が最大になるように、前記第１の光分配手段により分配された一方の光信号の偏波を制御するステップと、
光方向変換手段により、前記偏波制御手段により出力された光信号を前記光ファイバへ導くステップと、
第２の光分配手段により、前記光ファイバで伝送されてきた光信号の一部を分配するステップと、
第１の光検出手段により、前記第２の光分配手段により分配された一方の２つの光信号の差周波数を伝送後の基準信号である第２のマイクロ波信号として出力するステップと、
周波数シフト手段により、前記第２の光分配手段により分配された他方の光信号を、送受分離のための第３のマイクロ波信号で周波数シフトするとともに、前記第２の光分配手段とは逆方向からの戻りの光信号を前記第３のマイクロ波信号で再度周波数シフトするステップと、
偏光手段により、前記周波数シフト手段からの光信号の偏波を一意にするとともに、前記周波数シフト手段とは逆方向からの戻りの光信号の偏波を一意にするステップと、
反射手段により、前記偏光手段からの光信号を前記偏光手段へ反射するステップと、
第３の光分配手段により、前記偏光手段、前記周波数シフト手段、前記第２の光分配手段及び前記光ファイバを経て送信側に戻され、前記光方向変換手段により向きが変えられた光信号の一部を分配するステップと、
第２の光検出手段により、前記第３の光分配手段により分配された、受信側からの戻りの一方の光信号の強度を検出して前記偏波制御手段へ出力するステップと、
光混合手段により、前記第１の光分配手段により分配された他方の光信号と前記第３の光分配手段により分配された他方の光信号を混合するステップと、
光波長分割手段により、前記光混合手段からの光信号を、第１の波長の送信光信号及び第１の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号と、第２の波長の送信光信号及び第２の波長の前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数だけずれた戻りの光信号に波長分割するステップと、
第１のビート信号検出手段により、前記第１の波長の送信光信号及び第１の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第１のビート信号を検出するステップと、
第２のビート信号検出手段により、前記第２の波長の送信光信号及び第２の波長の戻りの光信号から、前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数であるビート周波数のマイクロ波の第２のビート信号を検出するステップと、
位相計算手段により、前記第１及び第２のビート信号に基づき前記第３のマイクロ波信号の２倍の周波数のマイクロ波信号の位相差を計算することにより、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するステップと
を含むことを特徴とする基準信号光伝送方法。