JP4625927B2

JP4625927B2 - 光ファイバ伝送システムを用いた時刻或いは周波数の比較方法及びシステム

Info

Publication number: JP4625927B2
Application number: JP2005212005A
Authority: JP
Inventors: 正樹雨宮; 理人今江; 藤井　　靖久; 智也鈴山; 暁子久保田; 新一大嶋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: JP2007033030A

Description

本発明は、２つの発振器あるいは時計の時刻或いは周波数信号である基準信号を、上り方向と下り方向の双方向に光ファイバ伝送システムを介して伝送して、比較する時刻或いは周波数比較方法及びシステムに関する。

（１）時間・周波数標準技術分野
世界の標準時である協定世界時（ＵＴＣ）は、各国の標準機関が有する原子発振器の時刻を各種手段により比較し(非特許文献１，２参照)、それらのデータを国際度量局（BIPM）がまとめて集計することにより得られている。こうして生成されたUTCと各国の原子発振器との位相差であるUTC- UTC(k)（kは各国の標準機関名）はCircular TとしてBIPMより毎月公開される。また各国の標準機関はＵＴＣとの差を最小化するよう基準周波数を生成している。このようにして得られた基準周波数（国家標準）を用いて、各国の標準機関は国内の校正事業者の発振器を校正（キャリブレーション）している。このため原子発振器間の時間・周波数の高精度な比較が重要となる。また周波数比較（及び時刻）ができるということは、すなわち遠隔地の発振器、時計のキャリブレーションもできるということになる。

時刻及び周波数比較方法としては、GPS衛星に搭載された原子発振器からの信号と各国の原子発振器を比較する方法（コモンビュー方式）、また衛星双方向時刻比較等がある。現在広く採用されているコモンビュー方式の場合の時刻比較精度は数ns程度が限界となっている。一方、各国の原子発振器の性能は年々向上し（安定度向上10^-14 -> 10^-15）、国際間の時刻比較法に関しても一桁高いサブnsの高精度化が強く求められている。

（２）情報通信及び計測技術分野
情報通信技術分野にいては光ファイバが全国に張り巡らされている。また諸外国との通信は海底光ファイバ伝送システムが建設され利用されている。また、各種の周波数発振器、周波数カウンタ、波長計、原子時計は計測技術において重要な装置であり、光ファイバ伝送システムを用いた時間・周波数比較技術による基準信号の供給が検討されている。

今江理人「時間・周波数精密比較法」通信総合研究所季報 Vol.49. Nos.1/2 pp.103-109 (2003). 今江、木原「周波数と時刻の精密比較・伝送技術の動向」電学論C、119巻7号、pp.771-776, (平成11年). Yasuhisa Shibuya 他「Development and Application of the FrequencyRemote Calibration System in Japan」ATF 2004 (2004.10). 木原、久留、今岡「高精度なタイミングを供給する網同期システムの研究」ＮＴＴ技術ジャーナル、９月号、pp.60-63, 1992.

各国の研究機関が保有する原子発振器の周波数（及び時刻）を比較するための一つの方法として光ファイバ伝送システムを利用する場合を考える。光ファイバ伝送システムは伝送端局と端局間のリンクであり、情報をやり取りするために２心の光ファイバとそれぞれのファイバに中継器（無中継もあり）が設けられている。図１は海底システムを利用した案を示す。このように周波数（あるいは時刻）を比較するためには、それぞれの発振器からの基準信号（例えば１０MHz、あるいは時刻情報を含む信号）を直接に光ファイバ伝送システムで伝送すれば良いが、利用料金が高額になる恐れがある。

海底システムの特徴：光増幅器を多段に接続した海底光伝送システムは太平洋、大西洋を始めとして世界中の海底に布設されている。時間・周波数標準の比較と供給という観点から見た海底光伝送システムの特徴の一つは海底環境の温度安定性である。数千ｍの深海部は零度近い水温で年間を通じて温度変動が小さい。このため光ファイバの温度変動による位相変動が緩慢であり、位相制御や双方向比較といった技術の適用性が良い。また近年導入された海底光伝送システムは、ある国の陸揚げ局から他の国の陸揚げ局まで光増幅器と光ファイバーケーブルだけで構成されており、途中の海底部分でルーティングやスイッチングは行われていない。この点も比較・供給に都合が良い。海底光伝送システム内の情報ビットは時間多重及び波長多重技術で多重化され、トータルの伝送容量は１Ｔbit/s近くに及んでいるが、時間・周波数標準の比較・供給のために一つの波長を占有するには利用コストの低減が課題である。

そこで、本発明は、係る問題点を解決して、直接基準信号を伝送せずに間接的に周波数（及び時刻）を比較することにより、高精度な時刻・周波数比較を安価に達成することを目的としている。

本発明の時刻或いは周波数の比較方法及びシステムは、２つの時計の時刻、あるいは２つの発振器の周波数である基準信号を、光ファイバ伝送システムを用いて比較する。光ファイバ伝送システムの第１と第２の両端局において、それぞれ伝送路に伝送されている情報ビット列からクロック信号を抽出する装置と、上り方向の第１の端局において第１の発振器の信号である第１の基準信号（Ｔ_１）と上り伝送路のクロック信号（Ｔsub）の時間差（ｔ_１）を第１の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ上り方向の第２の端局においても同様に第２の発振器の信号である第２の基準信号（Ｔ_２）と上り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ_２）を第２の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定して、上り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ _１，ｔ _２）を差し引いた値（ａ）を算出する手段と、下り方向の第２の端局において前記第２の基準信号（Ｔ_２）と下り伝送路のクロック信号（Ｔ’sub）の時間差（ｔ’_２）を第２の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ下り方向の第１の端局においても同様に前記第１の基準信号（Ｔ_１）と下り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ’_１）を第１の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定して、下り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ’ _１，ｔ’ _２）を差し引いた値（ｂ）を算出する手段と、上り方向と下り方向のそれぞれについて算出された値（ａ）（ｂ）を比較する手段とを備えて、２つの時計の時刻の差（Ｔ _１ −Ｔ _２）を求める、あるいはこの差（Ｔ _１ −Ｔ _２）に基づいて２つの発振器の周波数の差を求める。

本発明によれば、これまで国際間の原子時計の高精度な時刻・周波数比較を安価に可能にするだけでなく、広く陸上の光ファイバ伝送システムを用いて安価に周波数比較（遠隔校正）に応用していくことも可能となる。

図２は、本発明を具体化する光ファイバ伝送システムを用いた時刻及び周波数比較システムを例示する図である。本発明は、高安定な２つの発振器（あるいは時計）の周波数（あるいは時刻）を比較するに際し、陸上あるいは海底の光ファイバ伝送システムを利用する。ここで光ファイバ伝送システムとは、２つの伝送端局と端局間を結ぶ伝送路からなるリンクであり、情報をやり取りするために通常２心の光ファイバとそれぞれのファイバに中継器（無中継もあり）が設けられている。２つの発振器の周波数（あるいは時刻）を比較するためには、それぞれの発振器（あるいは時計）からの基準信号（例えば１０MHz）を直接に光ファイバ伝送システムで伝送すれば良いが利用料金が課題となる。そこで、本発明においては、直接基準信号を伝送せずに間接的に周波数（及び時刻）を比較する。

本発明のシステムは、陸上及び海底システムのどちらにも適用可能であるが、ここでは海底システムについて説明する。図２に示すように、原子発振器１及び２の信号は、それぞれ陸上伝送を介して光ファイバ伝送システムの端局１及び端局２に至り、これら端局１及び端局２の間は、海底ケーブルで接続されている。以下、２つの発振器の信号はそれぞれ両端局まで来ているとして記述する。図２のように光ファイバ伝送システムの両端局（端局１と端局２）において、それぞれの光ファイバの入力部、及び出力部の端局装置においてクロック信号（タイミング信号）を抽出する装置を設ける（元々、具備されていればそれを利用する）。

２つのファイバ伝送路を区別するため便宜上、端局１から端局２の方向を上り、その逆方向を下りと称する。まず上りの端局１において、基準信号Ｔ_１と上り伝送路のクロック信号Ｔsubの時間差ｔ_１＝Ｔ_１−Ｔsubを測定する。次に上り側端局２においても同様に基準信号Ｔ_２と上り伝送路のクロック信号の時間差ｔ_２を測定する。上り側について両端局で測定したそれぞれの時間差を差し引いた値を、ａ＝ｔ_１−ｔ_２とする。

下り側についても上りと全く同様に測定し、得られる結果をｂとする。最後に上り下りのそれぞれで測定された結果であるa,bの比較（足し算）により２つの発振器の周波数差（あるいは時間差）を求めるという手段により、間接的に周波数（及び時刻）を比較する。

本方法では、海底光伝送路に基準信号を直接伝送する代わりに海底伝送路に伝送されている情報ビット列からそれぞれの陸揚げ局において伝送路クロックを抽出して、そのクロック信号とお互いの標準機関の原子発振器の位相差を比較することにより、間接的に基準信号同士の比較を行う。また海底光伝送システムは上り、下りの方向のそれぞれに情報が乗せられており、それぞれ対向するクロック信号を利用して双方向の時間・周波数比較を行う。

以下、この周波数（及び時刻）の比較について、さらに図３及び図４を参照して、具体的な方法と計算によりその効果を説明する。図３及び図４はそれぞれ、海底光増幅伝送システムの伝送路クロックを介して、間接的に周波数（及び時刻）を比較する方法の原理ブロック図、及び原理説明図である。

海底伝送路の陸揚げ局１において、原子発振器と海底伝送路のクロックとの時間差ｔ_１は上りの情報伝送パルス列から抽出したクロック信号をＴsub、原子発振器の信号をＴ_１とすると、式(1)で表される。ここで時間差は測定器であるタイムインターバルカウンタのスタートとストップに準拠した符号とした。
ｔ_１＝Ｔ_１−Ｔsub (1)

光パルス列は、海底光ファイバケーブルの長さに比例した遅延ｄ_１（あるいは光増幅器で相加される位相雑音分も含める）の後に陸揚げ局２に到達する。従って、この受信パルス列から抽出されるクロック信号と原子発振器Ｔ_２との時刻差ｔ_２は式(2)で求められる。
ｔ_２＝Ｔ_２−Ｔsub−ｄ_１ (2)
両局で求められた時刻差を差し引いた値を計算する。これをａとする。
ａ＝ｔ_１−ｔ_２＝Ｔ_１−Ｔ_２＋ｄ_１ (3)
また、対向する下り伝送路についても全く同様であり、式(4)(5)(6)が得られる。

上記の結果は、海底光伝送路のクロックを仲介とするコモンビュー方式といえる。次に得られた結果の式(3)(6)より両局の原子発振器の時間差が式(7)のように算出される。

この結果から海底伝送路の遅延ｄ_１，ｄ_２が等しいか、それぞれの値が既知の場合には、衛星双方向システムと同様に時刻・周波数比較が可能となる。通常の海底伝送路では、両者の値は等しくなく、絶対値も精度良く測定することは困難である。ただし、海底システムのように温度変動が少なく、かつ同一のケーブル内に複数本の光ファイバが実装された場合では、ｄ_１−ｄ_２の変動量は極めて少なく、位相を時間微分した瞬時周波数についての比較については高精度な比較が可能となる。

尚、両端局で測定される位相比較結果の転送手段としては、図２に示すようにインターネットやFAX、郵便等各種の方法が可能である。リアルタイムに近い形で行うには、当該の海底伝送路を利用して情報をやりとりするのが良い。衛星双方向システムの例では、測定後に結果のファイルをE-メールに添付して相手に送る方法が一般的である。

海底光増幅伝送システムの１波長を用いて基準信号を直接伝送して比較する従来技術による方法海底光増幅伝送システムの伝送路クロックを介して、間接的に周波数（及び時刻）を比較する本発明による方法の全体説明図海底光増幅伝送システムの伝送路クロックを介して、間接的に周波数（及び時刻）を比較する本発明による方法の原理ブロック図海底光増幅伝送システムの伝送路クロックを介して、間接的に周波数（及び時刻）を比較する本発明による方法の原理説明図

Claims

２つの時計の時刻、あるいは２つの発振器の周波数である基準信号を、光ファイバ伝送システムを用いて比較する時刻或いは周波数の比較方法において、
前記光ファイバ伝送システムの第１と第２の両端局において、それぞれ伝送路に伝送されている情報ビット列からクロック信号を抽出し、
上り方向の第１の端局において第１の発振器の信号である第１の基準信号（Ｔ_１）と上り伝送路のクロック信号（Ｔsub）の時間差（ｔ_１）を第１の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ上り方向の第２の端局においても同様に第２の発振器の信号である第２の基準信号（Ｔ_２）と上り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ_２）を第２の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定して、上り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ _１，ｔ _２）を差し引いた値（ａ）を算出し、
下り方向の第２の端局において前記第２の基準信号（Ｔ_２）と下り伝送路のクロック信号（Ｔ’sub）の時間差（ｔ’_２）を第２の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ下り方向の第１の端局においても同様に前記第１の基準信号（Ｔ_１）と下り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ’_１）を前記第１の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定して、下り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ’ _１，ｔ’ _２）を差し引いた値（ｂ）を算出し、
前記上り方向と下り方向のそれぞれについて算出された２つの値（ａ）（ｂ）の比較により、２つの時計の時刻の差（Ｔ _１ −Ｔ _２）を求める、あるいはこの差（Ｔ _１ −Ｔ _２）に基づいて２つの発振器の周波数の差を求めることを特徴とする時刻或いは周波数の比較方法。
２つの時計の時刻、あるいは２つの発振器の周波数である基準信号を、光ファイバ伝送システムを用いて比較する時刻或いは周波数比較システムにおいて、
前記光ファイバ伝送システムの第１と第２の両端局において、それぞれ伝送路に伝送されている情報ビット列からクロック信号を抽出する装置と、
上り方向の第１の端局において第１の発振器の信号である第１の基準信号（Ｔ_１）と上り伝送路のクロック信号（Ｔsub）の時間差（ｔ_１）を第１の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ上り方向の第２の端局においても同様に第２の発振器の信号である第２の基準信号（Ｔ_２）と上り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ_２）を第２の端局の第１のタイムインターバルカウンタで測定して、上り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ _１，ｔ _２）を差し引いた値（ａ）を算出する手段と、
下り方向の第２の端局において前記第２の基準信号（Ｔ_２）と下り伝送路のクロック信号（Ｔ’sub）の時間差（ｔ’_２）を第２の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定し、かつ下り方向の第１の端局においても同様に前記第１の基準信号（Ｔ_１）と下り伝送路のクロック信号の時間差（ｔ’_１）を第１の端局の第２のタイムインターバルカウンタで測定して、下り方向の両端局で測定したそれぞれの時間差（ｔ’ _１，ｔ’ _２）を差し引いた値（ｂ）を算出する手段と、
前記上り方向と下り方向のそれぞれについて算出された２つの値（ａ）（ｂ）を比較する手段と、
を備え、２つの時計の時刻の差（Ｔ _１ −Ｔ _２）を求める、あるいはこの差（Ｔ _１ −Ｔ _２）に基づいて２つの発振器の周波数の差を求めることを特徴とする時刻或いは周波数の比較システム。