JP6784373B2

JP6784373B2 - 光伝送システム

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Publication number: JP6784373B2
Application number: JP2017077298A
Authority: JP
Inventors: 克弥小栗; 友哉赤塚; 秀俊香取
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-04-10
Also published as: JP2018179662A

Description

本発明は、光ファイバを用いて高精度な光周波数基準を伝送する光伝送システムに関する。

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）。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、現在の周波数の基準であるセシウム（Ｃｓ）原子時計の精度をはるかに上回る性能を示している。この結果、光周波数基準の精度を劣化させること無く遠隔地へ伝送し、超高精度光周波数基準を共有することを可能とする超高精度光周波数基準ファイバ伝送技術に注目が集まっている。

Ｃｓ原子時計では、基準周波数がＲＦ周波数領域にあるのに対し、光時計の基準周波数は、光周波数領域となっている。このため、周波数νに対する周波数の不確かさΔνの割合（Δν／ν）という指標で精度を比較した場合、ＲＦ周波数（〜１０ＧＨｚ）に対して周波数が３〜５桁大きい光周波数（〜１００ＴＨｚ）を用いる光時計の方が、精度が３〜５桁向上することになる。

現状、Ｃｓ原子時計において、世界最高精度が１×１０^-16の不確かさを実現しているのに対し、最も有力な方式と考えられている光時計である光格子時計では、質量数が８７のストロンチウム（⁸⁷Ｓｒ）を用いて、２×１０^-18の不確かさを実現しており、１０^-19の不確かさのレベルにも到達目前である。従って、将来的には、周波数の基準がＣｓ原子時計のＲＦ領域から、光格子時計の光領域へ取って代わる可能性は極めて高い。

また、このような１０^-18レベルの不確かさの周波数精度を有する光格子時計は、一般相対論効果により重力ポテンシャルの違いが周波数の違いとして検出されることから、重力センサーとして地球物理学や測地学への応用が期待されている。このためには、超高精度光周波数基準を単純に２地点間で共有するだけでなく、多地点間で共有する超高精度光周波数基準ファイバネットワークへの展開が必須である。

典型的な超高精度光周波数基準ファイバ伝送の構成では、図４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（例えば光格子時計）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、精度を劣化させること無く再生（転写）する機能である。

このためには、超高精度光周波数基準３０４と送信用狭線幅レーザとの２つのレーザ光を干渉させることにより、差周波に相当するビート信号を検出し、このビート信号を高精度ＲＦ周波数基準に位相同期することによって、超高精度光周波数基準３０４を送信用レーザ光に再生する（オフセット同期）。

一般に、超高精度光周波数基準は、ファイバ伝送に適した通信波長帯とは異なる。例えば、Ｓｒ光格子時計では、波長６９８ｎｍ、Ｙｂ光格子時計では波長５７８ｎｍである。このため、光周波数コムや第２高調波発生を利用して送信用レーザ光とのビート信号を得る。オフセット同期は、中継地においても用いられており、前段の中継地から送られてきた超高精度光周波数基準を、中継地における送信用レーザに再生し、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、中継装置３０６と受信装置３０７と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、例えば、光ファイバ入射前の伝送光を音響光学素子（ＡＯＭ）などの周波数シフタで周波数シフトさせ、光ファイバ３０８に入射し、中継装置３０６で折り返され、送信装置３０５に戻ってくる折り返し光と周波数シフト前の伝送光との干渉をとることによってビート信号を検出する。このビート信号には、光ファイバ３０８中の伝搬に伴い、光ファイバ３０８の環境に由来する雑音成分が乗畳されているが、このビート信号を高精度ＲＦ周波数基準に位相比較することによって、ファイバ雑音を抽出する。

周波数シフタにより、ファイバ雑音に由来する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ようにする（ファイバ雑音補償）。

以上のように、光のビート信号をＲＦ周波数基準に安定化することで、再生または雑音補償された光の周波数精度は、最終的には、安定化に用いたＲＦ周波数の精度で制限されることになる。例えば、伝送光の周波数を２００ＴＨｚ（通信波長帯として知られている波長１５００ｎｍ相当）として、１０^-18レベルの不確かさの周波数精度を保つには、周波数の不確かさを０．２ｍＨｚ以内に抑える必要がある。

この精度を得るために、１０ＭＨｚのＲＦ周波数基準を用いる場合には、１０^-11の不確かさ以内のＲＦ周波数精度が必要である。これには、水素メーザー級の単体の発振器を用意するか、ルビジウム（Ｒｂ）発振器などを、全地球測位システムを用いてＣｓ原子時計によって較正しながら使用するか、あるいはこれらの高精度なＲＦ周波数基準をその精度を劣化させることなく光ファイバで伝送するといった設備が必要になる。

L.-S. Ma et al., "Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path", Optical Letters, vol. 19, no. 21, pp. 1777-1779, 1994. N. Chiodo et al., "Cascaded optical fiber link using the internet network for remote clocks comparison", OPTICS EXPRESS, vol. 23, no. 26, pp. 33927-33937, 2015.

しかしながら、このようなネットワーク構成は、光周波数基準およびＲＦ周波数基準の２つが必要であるという意味において、周波数基準が重複としているという根本的な課題がある。また、別途、高精度ＲＦ周波数基準を設置する、もしくは配信するというシステム構成は、この部分のコストが必要となることから、不必要であることが望ましい。特に、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考えた場合、すべての地点に水素メーザー級の高精度ＲＦ周波数基準を用意するのは現実的ではない。

また、中継地点として有力な候補の１つである電話局には、一般に全地球測位システム（ Global Positioning System；ＧＰＳ）アンテナが設置されておらずＧＰＳ較正発振器を用いることも現状困難である。

上述した点を考慮し、発明者らは、各地に高精度ＲＦ周波数基準を必要としないで実現可能な遠隔地間超高精度光周波数基準のファイバ伝送方式を検討した。

図４を用いて説明した光伝送システムにおいて、ファイバ伝送部のみに着目すれば、過去にも高精度ＲＦ周波数基準を必要としない伝送方式が提案されている。例えば、非特許文献１に示されているファイバ雑音補償方式がある。

非特許文献１のＦｉｇ．１に示されているように、送信部において、周波数シフタ（ＡＯＭ２）を、周波数可変なＲＦ発振器（ＶＣＸＯ：Voltage-Controlled Crystal Oscillator）を１／２に分周した信号で駆動し、これによって周波数シフトさせた伝送光の一部を参照光として取り出してからファイバに入射する［図５，（＋８０）］。ここで、＋８０とは、ＡＯＭ２によって光の周波数を＋８０ＭＨｚシフトしたということを示している。なお、＋８０ＭＨｚという値は一例である。

受信部において、出射した伝送光を別のＡＯＭ１によって周波数シフトさせてから［図５，（−８０）］，一部をミラーによって打ち返す。打ち返された光は再びＡＯＭ１によって周波数シフトされ［図５，（−８０）］、ファイバに入力し、送信部において参照光と重ねられディテクタに入射する。

受信部から打ち返された光と参照光には、受信部におけるＡＯＭ１の駆動周波数（８０ＭＨｚ）の２倍の周波数差が生じるため、これがビート信号として観測される。このＡＯＭ１による周波数シフトにより、受信部に到達して打ち返された光と、ファイバ中の散乱や反射によって戻ってきた光は区別される。このビート信号には、伝送光がファイバを往復する伝搬中に受ける周波数雑音と受信部のＲＦ周波数の揺らぎが含まれる［図５，（−８０ｂ）］。

従って、このビート周波数にＶＣＸＯを位相同期することによって、ＡＯＭ２の駆動周波数にファイバ雑音の１／２が逆位相で加えられ、ファイバ雑音が補償される。この技術では、送信部にはＲＦ周波数基準を用いず、受信部のＲＦ周波数の揺らぎはファイバ雑音と共に補償され、受信部のミラーの透過光では、送信部における伝送光の光周波数が再生される。

ところが、非特許文献１の技術は簡潔ではあるが、送信部において雑音を受けやすいという欠点がある。まず、送信部において周波数シフタから干渉計までのパスが干渉計に含まれないため、この間で受ける雑音は干渉計で検出されず、補償されない。

ファイバ伝送装置は今後、オールファイバ化が進むことが予想されるため、雑音補償用の干渉計間の距離はできるだけ短くすることが重要であるという観点から、周波数シフタは干渉計の後段に配置することが望ましい。また、非特許文献１のＦｉｇ．１に示された構成では、ファイバからの戻り光が周波数シフトされずに直接干渉計に入るため、参照光と区別がつかない。長距離ファイバ伝送においては、ファイバ内での光散乱や接続点からの反射により、比較的大きな戻り光が存在するため、これは雑音になり得る。

現在の主流は、送信部の周波数シフタを干渉計の後段に配置している。この構成では、雑音補償に用いる周波数シフタの２倍の周波数シフトが含まれたビート信号を干渉計で検出し、ＲＦ周波数基準と位相比較する。この信号を用いてＶＣＸＯにフィードバックすることで、ファイバの雑音に加えてＶＣＸＯ自体の雑音や回路の雑音も補償されるため、より高精度なファイバ伝送が実現できる。また、干渉計とファイバの間に周波数シフタがあるため、ファイバの戻り光が周波数シフタで周波数シフトされ、参照光と区別することが可能である。

さらに、近年では、受信部に周波数シフタの代わりにリピータレーザを設置する構成が増えている。リピータレーザを受信光に対してオフセット同期させることで、周波数シフタ代わりに周波数シフトをつけることができると同時に、ファイバ伝送によって減衰した光パワーを増幅して打ち返すことができる。

送信部の周波数シフタを干渉計に含め、受信部にリピータを設置する構成は、高精度な雑音補償が実現できる一方、伝送光の周波数シフトが複雑になる。これを回避するために、送信局１か所にのみ高精度ＲＦ周波数基準を設置し、中継局には高精度ＲＦ周波数基準を必要としない多段階のファイバ伝送の方式が提案されている（非特許文献２、Ｆｉｇ．３参照）。

この技術では、Ｎ番中継局における周波数シフトと、Ｎ＋１番中継局における周波数シフトとの正負を反転させて送ることにより、送信側の中継局のＲＦ周波数の揺らぎも補償される配置としている（図６）。これにより、中継局のＲＦ周波数基準の精度に依存しないファイバ配信が実現でき、送信局を除く中継局および受信局の各局には高精度ＲＦ周波数基準の設置が不要となる。

しかしながら、上述した従来の技術では、送信局においては必ず高精度ＲＦ周波数基準が必要となり、「超高精度光周波数基準をファイバ配信するためには高精度ＲＦ周波数基準も必要である」という周波数の二重基準に関する課題は克服されない。また、実際の光周波数基準は紫外線〜可視光領域であるため、通信波長帯であるファイバ伝送光は、光周波数コムを用いて光周波数基準にオフセット同期され、超高精度な伝送光が実現されていることが前提となっている。このような、伝送光を光周波数基準にオフセット同期する際にも、高精度なＲＦ周波数基準が必要となる。

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、高精度なＲＦ周波数基準などを必要とせずに、超高精度な周波数基準となる光が伝送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システムは、送信元に配置され、光源から出射された光源光を光周波数基準を用いた安定化制御により所望の基準周波数に安定化した安定化光源光を生成する安定化光源光生成部と、送信元と送信先とのあいだに設けられた光ファイバと、送信元に配置され、安定化光源光を周波数シフトする雑音補償部と、送信先に配置され、光ファイバを介して送信元より伝送された安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する戻り光生成部とを備え、雑音補償部は、光ファイバを介して送信元から伝送された戻り光源光と、安定化制御により基準周波数に安定化されて生成されている安定化光源光との比較により、雑音補償部による周波数シフトを制御し、戻り光生成部は、送信元から送信先に伝送された安定化光源光の基準周波数からのシフト量と、送信先から送信元に伝送された戻り光源光の基準周波数からのシフト量とが、基準周波数に対して正負対称な周波数となるように、安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する。

以上説明したことにより、本発明によれば、高精度なＲＦ周波数基準などを必要とせずに、超高精度な周波数基準となる光が伝送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システムの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態における光伝送システムのより詳細な構成例を示す構成図である。図３は、図２に例示した光伝送システムにおける周波数伝送ダイアグラムである。図４は、典型的な超高精度光周波数基準ファイバ伝送の構成を示す構成図である。図５は、非特許文献１のＦｉｇ．１に示された光伝送システムにおける周波数伝送ダイアグラムである。図６は、非特許文献２の、Ｆｉｇ．３に示された光伝送システムにおける周波数伝送ダイアグラムである。

以下、本発明の実施の形態に係る光伝送システムについて図１を用いて説明する。この光伝送システムは、送信元１０１より光ファイバ１０２を介して送信先１０３に安定化光源光を伝送する。

送信元１０１では、安定化光源光生成部１０４で生成された安定化光源光を、雑音補償部１０５で光ファイバ１０２における雑音を補償し、光ファイバ１０２により送信先１０３に伝送する。

安定化光源光生成部１０４は、光源から出射された光源光を、光周波数基準を用いた安定化制御により所望の基準周波数に安定化した安定化光源光を生成する。また、雑音補償部１０５は、安定化光源光生成部１０４が生成した安定化光源光を、光ファイバ１０２における雑音を補償するために周波数シフトする。

送信先１０３では、戻り光生成部１０６が、光ファイバ１０２を介して送信元１０１から伝送された安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する。戻り光は、雑音補償部１０５による雑音補償のために用いられる。雑音補償部１０５は、光ファイバ１０２を介して送信元１０１より伝送された戻り光源光と、安定化制御により基準周波数に安定化されて生成されている安定化光源光との比較により、雑音補償部１０５による周波数シフトを制御する。この制御は、よく知られた光ファイバ１０２の雑音補償と同様である。

よく知られているように、光ファイバの雑音を補償する機能では、例えば、光ファイバ入射前の安定化光源光を、音響光学素子（ＡＯＭ）などの周波数シフタで周波数シフトさせ、光ファイバに入射し、送信先で折り返され、送信元に戻ってくる戻り光源光と周波数シフト前の安定化光源光との干渉をとることによってビート信号を検出する。このビート信号には、光ファイバ中の伝搬に伴い、光ファイバの雑音成分が乗畳されている。このビート信号を、ＲＦ周波数基準となるＲＦ発振器からの信号と位相比較することによって、ファイバ雑音を抽出する。

周波数シフタにより、ファイバ雑音に由来する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安定化光源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安定化光源光を伝送することが可能となる。

ここで、本発明では、戻り光生成部１０６が、送信元１０１から送信先１０３に伝送された安定化光源光の基準周波数からのシフト量と、送信先１０３から送信元１０１に伝送された戻り光源光の基準周波数からのシフト量とが、基準周波数に対して正負対称な周波数となるように、安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する。これにより、高精度なＲＦ周波数基準などを必要とせずに、超高精度な周波数基準となる光（安定化光源光）が、送信元から送信先に伝送できるようになる。

以下、図２，図３を用いてより詳細に説明する。図２は、本発明における光伝送システムの構成例を示している。図３は、図２に示した光伝送システムにおける周波数伝送ダイアグラムである。

図２に示す光伝送システムは、送信部（送信元）２０１と受信部（送信先）２３１とから構成している。この光伝送システムでは、光ファイバ２２１を介し、送信部２０１から受信部２３１に、超高精度に安定化された基準周波数（周波数ν₀）の周波数基準の光を伝送する。

送信部２０１は、光源２０２、光周波数基準発生部２０３、第２高調波発生部２０４、帰還制御部２０５、ＲＦ発振器２０６、周波数シフタ２０７、帰還制御部２０８、ＲＦ発振器２０９、ビームスプリッタ２１０、光検出部２１１、半反射ミラー２１２、ビームスプリッタ２１３、光検出部２１４、ミラー２１５を備える。

受信部２３１は、周波数シフタ２３２、ＲＦ発振器２３３、ビームスプリッタ２３４、光リピータ２３５、光検出部２３６、帰還制御部２３７、ＲＦ発振器２３８、ミラー２３９を備える。

超高精度な光周波数基準の光を生成する光周波数基準発生部２０３は、例えば、Ｓｒ光格子時計（波長６９８ｎｍ）を用いればよい。一般に、光源２０２より出射される光源光の波長は、通信波長帯の１３９７ｎｍであるが、この光源光より第２高調波を発生させれば、光周波数コムを用いることなく、光源光を、周波数２ν₀の光周波数基準の光で安定化して安定化光源光を生成することができる。

光源２０２より出力された光源光（の一部）を半反射ミラー２１２で反射し、第２高調波発生部２０４で光源光の第２高調波を得る。この第２高調波と、光周波数基準発生部２０３より出力された周波数２ν₀の光周波数基準の光とを、ビームスプリッタ２１０で干渉させる。この干渉により発生する光源光の第２高調波と光周波数基準の光との周波数差の光信号（ビート信号）を光検出部２１１で検出（光電変換）する。

このようにして光検出部２１１で検出されたビート信号を元に、帰還制御部２０５が、光源２０２の出力をフィードバック制御する。このフィードバック制御においては、ビート信号をＲＦ発振器２０６から出力されるＲＦ基準信号に位相同期することで、出力される光源光の周波数を安定化して安定化光源光を生成する。光源２０２、光周波数基準発生部２０３、第２高調波発生部２０４、帰還制御部２０５、ＲＦ発振器２０６、ビームスプリッタ２１０、光検出部２１１、半反射ミラー２１２により、安定化光源光生成部が構成される。

この安定化では、光源光の第２高調波と周波数２ν₀の光周波数基準の光とのビート信号を観測し、ＲＦ発振器２０６のＲＦ基準信号と位相比較をして光源光のオフセット同期を行うが、本発明では、参照信号であるＲＦ基準信号は高精度でなくてもよい。ここで、ＲＦ発振器２０６から出力されるＲＦ基準信号の周波数をｆ₁とすると、上述したことにより安定化した安定化光源光の周波数は、ν₀＋ｆ₁となる。

次に、安定化光源光の周波数を、光ファイバ２２１の雑音補償のために、周波数シフタ２０７でシフトし、光ファイバ２２１で受信部２３１に伝送する。なお、周波数シフタ２０７、帰還制御部２０８、ＲＦ発振器２０９、ビームスプリッタ２１３、光検出部２１４、ミラー２１５が、雑音補償部となる。

なお、雑音補償では、まず、ビームスプリッタ２１３で一部が反射され、ミラー２１５で反射した安定化光源光と、受信部２３１より戻ってきた戻り光源光とを、ビームスプリッタ２１３で干渉させる。この干渉により発生したビート信号を光検出部２１４で検出し、帰還制御部２０８で、ＲＦ発振器２０９から出力されるＲＦ基準信号と位相比較することで、ファイバ雑音を検出する。周波数シフタ２０７によりシフトに、検出したファイバ雑音の１／２が逆位相で加わり、ファイバ雑音が補償されるようになる。なお、ＲＦ発振器２０９のＲＦ基準信号は、ＲＦ発振器２０６のＲＦ基準信号と同期している。この、ファイバ雑音補償に用いるＲＦ発振器２０９のＲＦ基準信号も、高精度でなくてもよい。

ここで、送信部２０１において、安定化光源光を生成するために用いたＲＦ発振器２０６によるＲＦ基準信号は、揺らぎａを持っており、ｆ₁という周波数を設定したときに、ｆ₁ ^(a)＝（１＋ａ）ｆ₁という揺らぎをもった信号が出力されるとする。例えば、一般的な水晶発振器を用いて生成されるＲＦ基準信号の揺らぎは、１０^-8程度である。

このような揺らぎを持っているＲＦ基準信号を参照信号として、前述したように光源光を安定化すると、安定化光源光の周波数ν_A ^(a)は、ν₀＋ｆ₁ ^(a)になる。本発明の実施の形態における図２に示す光伝送システムでは、周波数ν_A ^(a)の安定化光源光を図３に示す周波数ダイアグラムで伝送することで、受信部２３１で超高精度に基準周波数ν₀が再生されるようにしている。

なお、本発明は、前述したように第２高調波発生のみでは通信波長帯の伝送光に変換できない場合でも利用可能である。例えば、光周波数コムを高精度に安定化することなく、光周波数基準（ｍ₁／ｍ₂）ν₀と通信波長帯の伝送光との仮想的なビート信号を観測する場合、このビート信号をＲＦ周波数ｆ₁ ^(a)に安定化することで、同様に伝送光の周波数をν_A ^(a)＝ν₀＋ｆ₁ ^(a)とすることができる。

以下に、図３の周波数ダイアグラムを用いて詳細に説明する。まず、送信部２０１におけるＲＦ発振器２０６（ＲＦ発振器２０９）から出力されるＲＦ基準信号の周波数は、前述したように、ｆ₁ ^(a)＝（１＋ａ）ｆ₁，である。また、受信部２３１におけるＲＦ発振器２３８（ＲＦ発振器２３３）から出力されるＲＦ基準信号は、揺らぎｂを持っており、この周波数は、ｆ₂という周波数を設定したときにｆ₂ ^(b)＝（１＋ｂ）ｆ₂である。例えば、ｆ₁＝５ＭＨｚ，ｆ₂＝１０ＭＨｚとする。また、周波数シフタ２０７でシフトする周波数ｆ_AOM1は、８０ＭＨｚとし、周波数シフタ２３２でシフトする周波数は、−７５ＭＨｚとする。これらの数値が、図３に反映されている。

前述したように、送信部２０１において，周波数ν_A ^(a)＝ν₀＋ｆ₁ ^(a)の安定化光源光を用意する。安定化光源光は、帰還制御部２０８によって電圧駆動される周波数シフタ２０７によって＋ｆ_AOM1 ^駆動電圧だけ周波数シフトさせた後、光ファイバ２２１によって受信部２３１へ伝送される。

上述したように周波数シフトされた安定化光源光を受信した受信部２３１では、光ファイバ２２１の雑音補償のために戻り光源光を生成して打ち返す。このとき、この光伝送システムでは、戻り光源光の周波数を、受信部２３１で受信した安定化光源光に対して周波数を−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)だけシフトさせる。ここで、ｆ₁ ^(b)は、ＲＦ発振器２３８（ＲＦ発振器２３３）において、ｆ₁という周波数を設定したときに揺らぎｂをもって生成される周波数である。また、ｆ_AOM1 ^(b)は、周波数シフタ２０７と同じ周波数のシフトを、周波数シフタ２３２において実施した場合の周波数である。

前述したように、受信部２３１で受け付けられた安定化光源光の基準周波数からのシフト量と、送信部２０１で受け付けられる戻り光源光のシフト量とが、基準周波数に対して正負対称な周波数となるように、安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する。

ここで、受信部２３１において、ＲＦ発振器２３８および帰還制御部２３７によりオフセット同期させることで、光リピータ２３５により上述したようなシフト量とした戻り光源光を生成するようにしてもよい。しかしながら、この場合、オフセット同期のための光学系を構成するビームスプリッタ２３４、光検出部２３６に、生成した戻り光が入り、ミラー２３９を反射してビームスプリッタ２３４で干渉させる参照光と区別がつかなくなる。このため、上述したシフト量とする戻り光を生成するために、周波数シフタ２３２を設ける。

図２に示すシステムでは、まず、ＲＦ発振器２３８および帰還制御部２３７によりオフセット同期させる光リピータ２３５において、オフセット同期周波数を−２ｆ₂ ^(b)とする。また、周波数シフタ２３２では、シフト量を−ｆ₁ ^(b)−ｆ_AOM1 ^(b)＋ｆ₂ ^(b)とする。受信部２３１に到達した安定化光源光は、まず周波数シフタ２３２を通過し、ビームスプリッタ２３４で反射され、ミラー２３９で反射して参照光となる。この参照光を元に光リピータ２３５より出力される光がオフセット同期されるため、光リピータ２３５より出力される光は、−２ｆ₂ ^(b)のシフトに、周波数シフタ２３２によるシフトが加わっている。この出力光が、再度、周波数シフタ２３２で周波数シフトを受けて、戻り光源光として送信部２０１に送られる。

このように、戻り光源光を生成する過程で、周波数シフタ２３２を２回通過するので、周波数シフタ２３２のシフト量を「−ｆ₁ ^(b)−ｆ_AOM1 ^(b)＋ｆ₂ ^(b)」すれば、光リピータ２３５のオフセット同期周波数−２ｆ₂ ^(b)に、−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)＋２ｆ₂ ^(b)が加わることとなる。この結果、−２ｆ₂ ^(b)＋（−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)＋２ｆ₂ ^(b)）＝−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)となる。

以上のように、受信部２３１で−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)のシフトを受けて生成され、送信部２０１に伝送された戻り光源光の周波数は、ν_A ^(a)＋ｆ_AOM1 ^駆動電圧−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)となる。このように、送信部２０１より送信された周波数ν_A ^(a)＋ｆ_AOM1 ^駆動電圧の安定化光源光は、光ファイバ２２１を往復し、ν_A ^(a)＋ｆ_AOM1 ^駆動電圧−２ｆ₁ ^(b)−２ｆ_AOM1 ^(b)の戻り光源光として送信部２０１に戻ってくる。

このように周波数シフトされた戻り光源光を、周波数シフタ２０７を通過させ、ビームスプリッタ２１３において、周波数ν_A ^(a)＝ν₀＋ｆ₁ ^(a)の安定化光源光と干渉させると、｜２ｆ₁ ^(b)＋２ｆ_AOM1 ^(b)−２ｆ_AOM1 ^駆動電圧｜の干渉信号が得られる。

この干渉信号を、ＲＦ発振器２０９より得られる２ｆ₁ ^(a)のＲＦ基準信号と位相比較し、２ｆ₁ ^(b)＋２ｆ_AOM1 ^(b)−２ｆ_AOM1 ^駆動電圧＝２ｆ₁ ^(a)となるように、帰還制御部２０８で周波数シフタ２０７の駆動電圧を制御し、周波数シフタ２０７のシフト周波数ｆ_AOM1 ^駆動電圧にフィードバックをかけて安定化する。

この安定化により、周波数シフタ２０７のシフト周波数ｆ_AOM1 ^駆動電圧は、ｆ₁ ^(b)＋ｆ_AOM1 ^(b)−ｆ₁ ^(a)となる。

このように安定化された周波数シフタ２０７で、ファイバ補償のためにシフトされた安定化光源が、光ファイバ２２１を介して受信部２３１に伝送されると、光リピータ２３５より出力される光の周波数ν_B ^(b)は、
ν_B ^(b)＝ν_A ^(a)＋ｆ_AOM1 ^駆動電圧−ｆ₁ ^(b)−ｆ_AOM1 ^(b)＋ｆ₂ ^(b)−２ｆ₂ ^(b)
＝ν_A ^(a)−ｆ₁ ^(a)−ｆ₂ ^(b)
＝ν₀−ｆ₂ ^(b)
となる。

上記式においては、送信部２０１のＲＦ発振器２０６（ＲＦ発振器２０９）から出力されるＲＦ基準信号における揺らぎａを備える項がなく、前述したことにより光リピータ２３５より出力される光の周波数ν_B ^(b)は、送信部２０１におけるＲＦ周波数の揺らぎａの影響を受けなくなる。

また、受信部２３１において、光リピータ２３５より出力される光の周波数を＋ｆ₂ ^(b)だけシフトさせることで、受信部２３１におけるＲＦ基準周波数の揺らぎｂの影響もキャンセルされ、超高精度に安定化された基準周波数の信号（周波数ν₀）が再生できる。

また、受信部２３１を中継局とし、他の受信局に光ファイバを介して安定化光源光を伝送する場合、前述同様にすればよい。ＲＦ発振器２３８（ＲＦ発振器２３３）に同期するＲＦ発振器のＲＦ基準周波数を用いる帰還制御部の駆動電圧で駆動する位相シフタによって、−ｆ_AOM2 ^駆動電圧だけ周波数シフトさせた光を、光ファイバで送信先の受信局に送り，受信局において、打ち返す光の周波数が＋２ｆ₂ ^(c)＋２ｆ_AOM2 ^(c)だけシフトするように、受信局の光リピータのオフセット同期周波数２ｆ₃ ^(c)および受信局における周波数シフタのシフト周波数を決めればよい。

中継局において、光ファイバを往復してきた光と、中継局の光リピータで出力する光とを干渉させ、２ｆ₂ ^(b)のＲＦ基準信号と位相比較することでｆ_AOM2 ^駆動電圧を安定化すれば、受信局における光リピータで出力する光の周波数は、中継局におけるＲＦ基準周波数ｆ₂ ^(b)の揺らぎｂの影響を受けなくなる。

以上に説明したように、本発明では、送信先で受け付けられた安定化光源光の基準周波数からのシフト量と、送信元で受け付けられる戻り光源光のシフト量とが、基準周波数に対して正負対称な周波数となるように、安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を送信先で生成する。この結果、本発明によれば、高精度なＲＦ周波数基準などを必要とせずに、超高精度な周波数基準となる光が伝送できるようになる。本発明によれば、送信元で用いるＲＦ基準周波数、ファイバ補償のためのシフト周波数、送信先で用いるＲＦ基準周波数を、いかなる値にしても、送信先において、超高精度な周波数基準の光が再生できる。

本発明によれば、従来技術と比較して、用いるＲＦ周波数基準によって伝送周波数精度が制限されることがなく、伝送周波数精度が、超高精度な光周波数基準のみで決まるため、原理的に極めて優れている。また、従来技術で用いられている位相同期の周波数を適切に設定するだけで実現できる方式であることから、極めて簡便な方式であり、実現性には全く問題がない。さらに、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という新しいインフラストラクチャを構築する上で、各地点に一般的な精度を有する安価なＲＦ周波数発振器を用いるだけで、高精度なＲＦ周波数基準を配備する必要が無くなるという、より実用的な面においてもメリットが大きい。

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…送信元、１０２…光ファイバ、１０３…送信先、１０４…安定化光源光生成部、１０５…雑音補償部、１０６…戻り光生成部。

Claims

送信元に配置され、光源から出射された光源光を光周波数基準を用いた安定化制御により所望の基準周波数に安定化した安定化光源光を生成する安定化光源光生成部と、
前記送信元と送信先とのあいだに設けられた光ファイバと、
前記送信元に配置され、前記安定化光源光を周波数シフトする雑音補償部と、
前記送信先に配置され、前記光ファイバを介して前記送信元より伝送された前記安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する戻り光生成部と
を備え、
前記雑音補償部は、前記光ファイバを介して前記送信元から伝送された前記戻り光源光と、前記安定化制御により前記基準周波数に安定化されて生成されている前記安定化光源光との比較により、前記雑音補償部による周波数シフトを制御し、
前記戻り光生成部は、
前記送信元から前記送信先に伝送された前記安定化光源光の前記基準周波数からのシフト量と、前記送信先から前記送信元に伝送された前記戻り光源光の前記基準周波数からのシフト量とが、前記基準周波数に対して正負対称な周波数となるように、前記安定化光源光の周波数をシフトさせた戻り光源光を生成する
ことを特徴とする光伝送システム。