JP7007668B2 - 光ファイバリンクおよび中継ノード - Google Patents

Description

本発明は、光格子時計などの超高精度光周波数基準を光ファイバで長距離伝送する光ファイバリンクで用いられて，送信器と受信器の間を複数の中継ノードで多段中継するためのカスケード伝送技術に関する。

現在、ＳＩ単位系において時間・周波数の標準であるセシウム（Ｃｓ）原子時計は、１５～１６桁の精度を有している。これに対して光格子時計やイオン時計などの光時計では、すでに１８桁の精度が実現されており、将来的に光時計が新たな時間・周波数の標準として採用される可能性が極めて高い。また、このような超高精度な光時計を用いることで、一般相対論で知られる重力ポテンシャルによる時間遅れの効果を、地球上において高さ１ｃｍに相当する精度で検出可能であり、量子水準点としての活用や、地球物理学・測地学への応用が期待できる。

特に、光格子時計は、高い安定度を有するため、短い測定時間で高精度まで到達可能であり、地殻変動や潮汐効果など、時間変動する重力ポテンシャルをリアルタイムにモニタすることも可能になる。これらの応用のためには、光格子時計を多地点間で高精度かつ高安定に共有する光周波数基準ファイバネットワークの展開が必須である。

光ファイバリンクは、光周波数基準を遠隔地へ伝送するための、最も高精度かつ高安定度が実現できる手法である。ファイバ中を伝播する光は、気圧・温度の変化や音響・振動などによって位相変動を受けるが、このようなファイバ雑音を抑圧する手法が１９９０年代にすでに考案されている（例えば、非特許文献１など参照）。基本的な構成では、ファイバを使って伝送した光の一部を、伝送先から同じファイバを使って返送し、マイケルソン干渉計を構成することでファイバ往復分の位相雑音を含む干渉信号を検出する。そして、この干渉信号を安定なＲＦ信号に位相同期するように伝送前の光周波数にフィードバックをかけることで、ファイバ雑音を抑圧することができる。

伝送距離が１００ｋｍを超えるような長距離の光ファイバリンクでは、パワーの減衰が大きいため、途中または終端において光を増幅する必要がある。通信波長帯（～１．５５μｍ）の光を用いたリンクでは、エルビウム（Ｅｒ）添加ファイバ増幅器が多く用いられる。また、別の光源を伝送先に配置し、伝送された光の位相をコピーするリピータと呼ばれる装置によって実質的に増幅することも可能である。特にファイバ増幅器が入手しにくい波長帯（１．４μｍなど）の光を用いたリンクでは、リピータを用いることが多い。１．４μｍの光は、第二高調波発生によってストロンチウム（Ｓｒ）光格子時計の動作波長６９８ｎｍに変換することができるため、ストロンチウム光格子時計をネットワーク化する際に有利である。

ヨーロッパでは、すでに複数の国家間を繋ぐ長さ１０００ｋｍ以上の光ファイバリンクが構築されており、ヨーロッパ全域をカバーする光周波数基準ファイバネットワークが展開されつつある（例えば、非特許文献２など参照）。しかし、長距離のリンクではファイバ雑音を十分に抑圧することができず、伝送光の周波数安定度が劣化してしまうという問題が生じる。一般に、ファイバ雑音の大きさはファイバ長に比例して増大する。また、ファイバ雑音補償のフィードバック帯域は、光がファイバを往復するのに要する時間で制限されるため、ファイバ長に反比例して低下する。その結果、ファイバ伝送後の光周波数の安定度は、ファイバ長の３／２乗に比例して劣化する（例えば、非特許文献３など参照）。

ファイバ雑音の大きさは環境にも依存するが、日本国内における測定では、長さ１００ｋｍのファイバリンクにおける１秒平均の伝送安定度は３×１０^-16程度であり、長さ１０００ｋｍの伝送安定度を推定すると１×１０^-14になる。一方、現在の光格子時計の１秒平均安定度は、商用で入手可能なレーザーを用いると１×１０^-15程度、世界で最も高安定なレーザーでは５×１０^-17が実現されている。したがって、１００ｋｍ以上の長距離な光ファイバリンクにおいては、ファイバ伝送によって本来の光の周波数安定度を劣化させてしまう状況にあり、光ファイバリンクの伝送安定度の向上が必須である。

長距離の光ファイバリンクでも高安定な光周波数伝送を実現する方法として、ファイバを複数の区間に分けて、区間ごとにファイバ雑音補償を実施するカスケード伝送方式が提案されている（例えば、非特許文献４など参照）。カスケード伝送方式は、短い区間に分けることによってファイバ雑音補償のフィードバック帯域を上げられるため、全体の雑音の抑圧特性を向上できる。ファイバ雑音が場所に依らず均一な場合、ファイバを均等な長さのＮ個の区間に分けてそれぞれ雑音補償を行うことで、全体の伝送安定度はＮ倍改善することができる。

Long-Sheng Ma et al.，"Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber of other time-varying path"，Opt. Lett. 19，1777-1779 (1994) Frits Riehle，"Optical clock networks"，Nat. Photon. 11，25-31 (2017) P. A. Williams et al.，"High-stability transfer of an optical frequency over long fiber-optic links"，J. Opt. Soc. Am. B 25，1284-1293 (2008) Nicola. Chiodo et al.，"Cascaded optical fiber link using the internet network for remote clocks comparison"，Optics Express 23，33927-33937 (2015) Tetsushi. Takano et al.，"Geopotential measurements with synchronously linked optical lattice clocks"，Nat. Photon. 10，662-666 (2016)

しかしながら、このような従来のカスケード伝送方式によれば、理論上は、ファイバの分割数を増やせばそれだけ伝送安定度を改善することができるが、実際には以下のような問題があった。
（１）ファイバ雑音補償に用いる干渉計・ディテクタ・電気回路の雑音が蓄積される。
（２）ファイバ雑音補償の際に生じるサーボピークが蓄積される。
（３）リピータを用いる場合は、リピータの位相安定化の際に生じるサーボピークも蓄積される。

このうち（１）の雑音による安定度の劣化は、最新の干渉計を用いれば１０段分蓄積しても１秒平均で１×１０^-17以下に抑えることができるため、（２）および（３）のサーボピークの蓄積が主な課題となる。
サーボピークとは、系全体が持つ遅延が原因となり、フィードバック信号の位相が１８０゜遅れるような周波数において、正のフィードバックに転じることによって生じる雑音スペクトルのピークである。

例えば、長さ５０ｋｍのファイバリンクにおいては、光がファイバ往復するために０．５ｍｓの時間を要するため、周波数１ｋＨｚの雑音に対してはフィードバック信号の極性が正に転じる。このため、５０ｋｍのファイバリンクにおいてはフィードバック帯域を１ｋＨｚ以下に設定する必要があるが、１ｋＨｚ以下の雑音を十分補償するようにゲインを設定すると、１ｋＨｚにおいてフィードバックゲインが完全にゼロにならないため、サーボピークが生じる。通常は若干のサーボピークは問題にならないが、多段カスケードにおいて蓄積されると無視できなくなる。

このようなサーボピークの蓄積があると、ファイバ往復のマイケルソン干渉計において、伝送光のキャリア周波数同士の干渉信号とサーボピーク同士の干渉信号が混合し、ファイバ雑音補償の性能を劣化させてしまう。実際、フランスにおいてカスケード伝送方式が実施されている非特許文献４においても、分割数はせいぜい２～４程度であり、より多段にしないのは上記の課題があるためと予想される。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、サーボピークの蓄積によるファイバ雑音補償の性能劣化を改善できるカスケード伝送技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる光ファイバリンクは、光ファイバを介して光信号を送受信する送信ノードおよび受信ノードと、光ファイバを介してこれら送信ノードと受信ノードとの間に直列接続された１つまたは複数の中継ノードとを備え、前記中継ノードは、前段ノードから受信した伝送光を再生するとともに、前記再生された伝送光の一部分を返送光として前記前段ノードへ返送するリピータと、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を新たな伝送光として後段ノードへ送信するとともに、前記後段ノードから受信した前記新たな伝送光に対する新たな返送光に基づいて、前記後段ノードとの間の光ファイバに関するファイバ雑音を補償する雑音補償部を含み、少なくとも前記中継ノードのいずれか１つは、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分から、前記前段ノード以前のノードにおけるファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、前記雑音補償部へ入力するサーボピーク除去部を含むものである。

また、本発明にかかる上記光ファイバリンクの一構成例は、前記サーボピーク除去部が、前記再生された伝送光のサーボピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源を前記リピータに位相安定化することにより、前記サーボピークを除去するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記光ファイバリンクの一構成例は、前記サーボピーク除去部が、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を、狭線幅光源からの狭線幅光源光と干渉させるビームスプリッタと、前記干渉により得られた干渉信号をＲＦ基準信号と位相比較する位相比較器と、前記位相比較器で得られた比較結果に基づいて前記狭線幅光源光の光周波数を制御して、前記雑音補償部へ出力する周波数制御器とを備えるものである。

また、本発明にかかる中継ノードは、光ファイバを介して光信号を送受信する送信ノードおよび受信ノードと、光ファイバを介してこれら送信ノードと受信ノードとの間に直列接続された１つまたは複数の中継ノードとを備える光ファイバリンクで用いられる中継ノードであって、前段ノードから受信した伝送光を再生するとともに、前記再生された伝送光の一部分を返送光として前記前段ノードへ返送するリピータと、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を新たな伝送光として後段ノードへ送信するとともに、前記後段ノードから受信した前記新たな伝送光に対する新たな返送光に基づいて、前記後段ノードとの間の光ファイバに関するファイバ雑音を補償する雑音補償部と、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分から、前記前段ノード以前のノードにおけるファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、前記雑音補償部へ入力するサーボピーク除去部とを備えている。

また、本発明にかかる上記中継ノードの一構成例は、前記サーボピーク除去部が、前記再生された伝送光のサーボピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源を前記リピータに位相安定化することにより、前記サーボピークを除去するようにしたものである。

また、本発明にかかる中継ノードは、前記サーボピーク除去部が、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を、狭線幅光源からの狭線幅光源光と干渉させるビームスプリッタと、前記干渉により得られた干渉信号をＲＦ基準信号と位相比較する位相比較器と、前記位相比較器で得られた比較結果に基づいて前記狭線幅光源光の光周波数を制御して、前記雑音補償部へ出力する周波数制御器とを備えるものである。

本発明によれば、リピータの安定化やファイバ雑音補償によって生じるサーボピークの蓄積を抑えることができ、長距離かつ高安定な光ファイバリンクを実現することが可能となる。また、すでに設置済みの長距離光ファイバリンクにおいて、途中の接続点にリピータを設置して多段化することによって安定化を簡便に改善することができ、実現性が極めて高い。したがって、光格子時計の高い周波数安定度を劣化させることなく長距離を伝送可能となり、光周波数基準ファイバネットワークを展開する上で極めて大きな効果が期待できる。

光ファイバリンクの構成を示すブロック図である。 送信ノードの構成を示すブロック図である。 受信ノードの構成を示すブロック図である。 第１の中継ノードの構成を示すブロック図である。 第２の中継ノードの構成を示すブロック図である。 周波数スペクトルの測定結果（サーボピーク除去なし）を示すグラフである。 周波数スペクトルの測定結果（サーボピーク除去あり）を示すグラフである。 周波数揺らぎの測定結果（サーボピーク除去なし）を示すグラフである。 周波数揺らぎの測定結果（サーボピーク除去あり）を示すグラフである。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［光ファイバリンク］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる光ファイバリンク１について説明する。図１は、光ファイバリンクの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、この光ファイバリンク１は、光格子時計などの超高精度光周波数基準を光ファイバで長距離伝送する光伝送システムであり、光ファイバを介して光信号を送受信する送信ノード（送信部）Ｓおよび受信ノード（受信部）Ｒと、光ファイバを介してこれら送信ノードＳと受信ノードとＲの間に直列接続された１つまたは複数の中継ノード（中継部）Ｔとを備えている。

図１の例では、送信器Ｓと受信器Ｒとの間に３つの中継ノード（第１の中継ノード）Ｔ１，Ｔ２と中継ノード（第２の中継ノード）Ｔ３を設けた光ファイバリンク１の構成例が示されている。これらＴ１，Ｔ２，Ｔ３により、ＳとＲとを結ぶ光ファイバが４つの光ファイバＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４に分割され、それぞれのＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を終端するノード間で、前段ノードから送信した伝送光ＰＳの一部分を、返送光ＰＲとして後段ノードから返送することにより、個々の前段ノードでそれぞれのＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４に関するファイバ雑音補償が行われる。

本発明では、中継ノード（第２の中継ノード）Ｔ３にサーボピーク除去部３３を設け、短期安定度の良い狭線幅光源（３３Ａ）を用いてサーボピーク除去を行うようにしたものである。これにより、それ以前の区間で蓄積されたサーボピークが後段の区間に伝送されなくなるため、後段のファイバ雑音補償の性能劣化を防ぐことができる。

以下では、図１に示すように、送信ノードＳと受信ノードＲとの間に３つの中継ノード（第１の中継ノード）Ｔ１，Ｔ２と中継ノード（第２の中継ノード）Ｔ３を設けた光ファイバリンク１を例として説明するが、第１および第２の中継ノードの数や第２の中継ノードの配置位置については、これに限定されるものではない。

［送信ノード］
送信ノードＳは、主な構成として、基準光源１１と雑音補償部１２を備えている。
基準光源１１は、例えばＳｒ光格子時計などの、超高精度な光周波数基準の送信基準光ＰＳ０を生成する光源である。
雑音補償部１２は、基準光源１１からの送信基準光ＰＳ０を伝送光ＰＳ１として光ファイバＦ１を介して後段ノード（中継ノードＴ１）へ送信する機能と、後段ノードから受信したＰＳ１に対する返送光ＰＲ１に基づいて、ＰＳ１のＦ１に関するファイバ雑音を補償する機能とを有している。

図２は、送信ノードの構成を示すブロック図である。
図２に示すように、雑音補償部１２は、主な機能部として、ビームスプリッタ１２Ａ、ミラー１２Ｂ、光検出器１２Ｃ、ＲＦ発振器１２Ｄ、位相比較器１２Ｅ、制御信号発生器１２Ｆ、および周波数制御器１２Ｇを備えている。

基準光源１１から出射された送信基準光ＰＳ０（の一部分）は、ビームスプリッタ１２Ａおよびミラー１２Ｂを介して光検出器１２Ｃに入力される。また、後段ノード（中継ノードＴ１）から戻った返送光ＰＲ１は、周波数制御器１２Ｇおよびビームスプリッタ１２Ａを介して光検出器１２Ｃに入力される。これにより、送信基準光ＰＳ０（の一部分）と返送光ＰＲ１とが干渉し、この干渉により発生した干渉信号が光検出器１２Ｃで検出される。

位相比較器１２Ｅは、光検出器１２Ｃで検出された干渉信号、すなわちＰＳ０とＰＲ１との差分周波数信号と、ＲＦ発振器１２Ｄからの基準ＲＦ信号とを位相比較することにより、光ファイバＦ１に関するファイバ雑音を検出し、制御信号発生器１２Ｆによりフィードバック信号ＦＢＳとして出力する。
周波数制御器１２Ｇは、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）などの周波数シフタからなり、入力されたフィードバック信号ＦＢＳに基づいて、ＰＳ０を周波数シフトして伝送光ＰＳ１として光ファイバＦ１へ出力する。これにより、光ファイバＦ１に関するファイバ雑音が補償されることになる。

［受信ノード］
受信ノードＲは、主な構成として、リピータ２１を備えている。
リピータ２１は、前段ノード（中継ノードＴ３）から光ファイバＦ４を介して受信した伝送光ＰＳ４の一部分を返送光ＰＲ４として前段ノードへ返送する機能と、伝送光ＰＳ４の残り分を受信基準光ＰＲ０として出力する機能とを有している。

図３は、受信ノードの構成を示すブロック図である。
図３に示すように、リピータ２１は、主な機能部として、ビームスプリッタ２１Ａ、ミラー２１Ｂ、光検出器２１Ｃ、ＲＦ発振器２１Ｄ、位相比較器２１Ｅ、制御信号発生器２１Ｆ、リピータ光源２１Ｇ、およびビームスプリッタ２１Ｈを備えている。

光ファイバＦ４から入力された伝送光ＰＳ４は、ビームスプリッタ２１Ａを介して光検出器２１Ｃに入力される。また、リピータ光源２１Ｇから出射されたリピータ光Ｐ（の一部分）は、ビームスプリッタ２１Ｈおよびビームスプリッタ２１Ａを介して光検出器２１Ｃに入力される。これにより、伝送光ＰＳ４の残り分とリピータ光Ｐ（の一部分）とが干渉し、この干渉により発生した干渉信号が光検出器２１Ｃで検出される。また、リピータ光Ｐの一部分は、ビームスプリッタ２１Ｈおよびビームスプリッタ２１Ａを介してミラー２１Ｂで打ち返されて返送光ＰＲ４として光ファイバＦ４へ出力される。

位相比較器２１Ｅは、光検出器２１Ｃで検出された干渉信号、すなわちＰＳ１とＰとの差分周波数信号と、ＲＦ発振器２１Ｄからの基準ＲＦ信号とを位相比較し、制御信号発生器２１Ｆによりフィードバック信号ＦＢＲとして出力する。
このフィードバック信号ＦＢＲは、リピータ光源２１Ｇに入力され、リピータ光源２１Ｇからのリピータ光Ｐの出力が制御される。これにより、伝送光ＰＳ４が受信基準光ＰＲ０として再生出力されることになる。

［第１の中継ノード］
第１の中継ノードＴ１，Ｔ２は、主な構成として、リピータ３１と雑音補償部３２とを備えている。
リピータ３１は、前段ノードから光ファイバＦｉ（ｉ＝１または２）を介して受信した伝送光ＰＳｉの一部分を返送光ＰＲｉとして前段ノードへ返送する機能と、伝送光ＰＳｉの残り分を再生出力する機能とを有している。

雑音補償部３２は、リピータ３１で得られた伝送光の残り分を新たな伝送光ＰＳｊ（ｊ＝ｉ＋１）として後段ノードへ光ファイバＦｊを介して送信する機能と、後段ノードから受信した新たな伝送光ＰＳｊに対する新たな返送光ＰＲｊに基づいて、後段ノードとの間の光ファイバＦｊに関するファイバ雑音を補償する機能とを有している。

図４は、第１の中継ノードの構成を示すブロック図である。
図４に示すように、リピータ３１は、主な機能部として、ビームスプリッタ３１Ａ、ミラー３１Ｂ、光検出器３１Ｃ、ＲＦ発振器３１Ｄ、位相比較器３１Ｅ、制御信号発生器３１Ｆ、リピータ光源３１Ｇ、およびビームスプリッタ３１Ｈを備えている。なお、リピータ３１の構成は、前述した図３のリピータ２１と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。

また、図４に示すように、雑音補償部３２は、主な機能部として、ビームスプリッタ３２Ａ、ミラー３２Ｂ、光検出器３２Ｃ、ＲＦ発振器３２Ｄ、位相比較器３２Ｅ、制御信号発生器３２Ｆ、および周波数制御器３２Ｇを備えている。なお、雑音補償部３２の構成は、前述した図２の雑音補償部１２と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。

［第２の中継ノード］
第２の中継ノードＴ３は、主な構成として、リピータ３１、雑音補償部３２、およびサーボピーク除去部３３とを備えている。
リピータ３１は、前段ノードから光ファイバＦ３を介して受信した伝送光ＰＳ３の一部分を返送光ＰＲ３として前段ノードへ返送する機能と、伝送光ＰＳ３の残り分を再生出力する機能とを有している。なお、リピータ３１の構成は、前述した図３のリピータ２１と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。

雑音補償部３２は、リピータ３１で得られた伝送光の残り分を新たな伝送光ＰＳ４として後段ノードへ光ファイバＦ４を介して送信する機能と、後段ノードから受信した新たな伝送光ＰＳ４に対する新たな返送光ＰＲ４に基づいて、後段ノードとの間の光ファイバＦ４に関するファイバ雑音を補償する機能とを有している。なお、雑音補償部３２の構成は、前述した図２の雑音補償部１２と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。

サーボピーク除去部３３は、リピータ３１で得られた伝送光ＰＳ３の残り分から、ファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、雑音補償部３２へ入力する機能を有している。

図５は、第２の中継ノードの構成を示すブロック図である。
図５に示すように、サーボピーク除去部３３は、主な機能部として、狭線幅光源３３Ａ、ビームスプリッタ３３Ｂ，３３Ｃ、光検出器３３Ｄ、ＲＦ発振器３３Ｅ、位相比較器３３Ｆ、制御信号発生器３３Ｇ、および周波数制御器３３Ｈを備えている。

光ファイバＦ３から入力された伝送光ＰＳ３の一部分は、リピータ３１で再生され、ビームスプリッタ３３Ｃを介して光検出器３３Ｄに入力される。また、狭線幅光源３３Ａから出射された狭線幅光源光ＰＮ（の一部分）は、ビームスプリッタ３３Ｂ，３３Ｃを介して光検出器３３Ｄに入力される。これにより、リピータ３１で再生された伝送光ＰＳ３の一部分と狭線幅光源光ＰＮ（の一部分）とが干渉し、この干渉により発生した干渉信号が光検出器３３Ｄで検出される。

位相比較器３３Ｆは、光検出器３３Ｄで検出された干渉信号、すなわちＰＳ３とＰＮとの差分周波数信号と、ＲＦ発振器３３Ｅからの基準ＲＦ信号とを位相比較し、制御信号発生器３３Ｇによりフィードバック信号ＦＢＤとして出力する。
周波数制御器３３Ｈは、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）などの周波数シフタからなり、入力されたフィードバック信号ＦＢＤに基づいて、ＰＮを周波数シフトして雑音補償部３２へ出力する。

この際、フィードバック信号ＦＢＤの帯域は、伝送光のピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域を有している。このフィードバック帯域は、制御信号発生器３３Ｇに含まれる、例えばＰＩ制御用の比例増幅器や積分器等の設定により決められる。
これにより、狭線幅光源３３Ａが、比較的低い周波数のフィードバック帯域でリピータ３１に位相安定化されるため、ファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークが除去されたＰＳ３がＰＮにより再生され、雑音補償部３２へ出力されることになる。

図１に示したように、送信ノードＳと受信ノードＲとを結ぶ光ファイバを、光ファイバＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の４つの区間に分割し、３つの中継ノードＴ１，Ｔ２，Ｔ３で中継する場合、中継ノードＴ１，Ｔ２，Ｔ３のリピータ３１は、それぞれ前段ノードから伝送された光に位相安定化され、光の一部分を前段ノードへ返送し、残り分を後段ノードへ伝送する。

この際、各ファイバＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を終端する２つのノード間でファイバ雑音補償を行うことで、送信ノードＳから受信ノードＲへの伝送安定度は、理論上、Ｓ－Ｒ間を直接接続した場合に比べて３倍改善される。しかし図１の構成では、前段までのリピータ安定化およびファイバ雑音補償のサーボピークがそのままリピータへコピーされるため、後段になるほどサーボピークが蓄積され、ファイバ雑音補償の性能劣化が生じる。

本発明は、このような課題を解決するため、図５に示すように、中継ノードＴ３にサーボピーク除去部３３を設け、短期安定度の良い狭線幅光源３３Ａを用いてサーボピーク除去を行うようにしたものである。これにより、それ以前の区間で蓄積されたサーボピークが後段の区間に伝送されなくなるため、後段のファイバ雑音補償の性能劣化を防ぐことができる。

ここで、ファイバ雑音補償のサーボピークが生じる周波数は、ファイバの長さに反比例し、長さ５０ｋｍのファイバでは約１ｋＨｚである。また、リピータ安定化のサーボピークが生じる周波数は、フィードバックの時定数に依存するが、数十ｋＨｚ～数ＭＨｚである。これらのサーボピークを除去するため、ピーク周波数１ｋＨｚの１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源３３Ａをリピータ３１に位相安定化する。狭線幅光源３３Ａは、短期安定度が良いため、サーボピークを生じない程度の弱いフィードバックゲインで安定化することができる。

狭線幅光源３３Ａとしては、商用で入手可能な、平均時間τ＝０．０１～１００ｓｅｃの範囲で安定度１×１０^-13以下（周波数偏差に換算すると２０Ｈｚ以下）のものを用いる。５０ｋｍファイバの典型的な伝送安定度は、１×１０^-16τ^-3/2であり、τ＜０．０１ｓｅｃにおいては狭線幅光源の安定度のほうが良く、τ＞０．０１ｓｅｃにおいては伝送安定度のほうが良い。この場合、フィードバック帯域を１００Ｈｚ以下にすることで、サーボピークを除去すると同時に、狭線幅光源の安定度よりも伝送安定度のほうが良い周波数帯域だけコピーすることができる。

このとき、リピータに伝送光の１００Ｈｚ以上の高周波成分がコピーされないことは問題にならない。例えば非特許文献５では、送信ノードから安定度３×１０^-16の光を長さ３０ｋｍの光ファイバリンクで伝送し、受信ノードにおいて光格子時計の分光用光源にコピーしているが、分光用光源の安定度２×１０^-15と光ファイバリンクの伝送安定度４×１０^-17τ^-3/2を比較して、リンクの伝送安定度のほうが良くなる１／τ＜１４Ｈｚの低周波成分だけをコピーして使用している。したがって、中継ノードにおいてリピータから狭線幅光源に位相をコピーする周波数帯域は、最後段の受信部において光格子時計の分光用光源にコピーする低周波部分だけでよい。

図６は、周波数スペクトルの測定結果（サーボピーク除去なし）を示すグラフである。図７は、周波数スペクトルの測定結果（サーボピーク除去あり）を示すグラフである。図８は、周波数揺らぎの測定結果（サーボピーク除去なし）を示すグラフである。図９は、周波数揺らぎの測定結果（サーボピーク除去あり）を示すグラフである。

測定では、送信ノードＳと受信ノードＲとを結ぶ１５０ｋｍの光ファイバを４分割し、送信ノードＳと中継ノードＴ１を結ぶ光ファイバＦ１を３０ｋｍとし、中継ノードＴ１，Ｔ２を結ぶ光ファイバＦ２を２０ｋｍとし、中継ノードＴ２，Ｔ３を結ぶ光ファイバＦ３を７０ｋｍとし、中継ノードＴ３と受信ノードＲを結ぶ光ファイバＦ４を３０ｋｍとし、中継ノードＴ３でサーボピーク除去（帯域１０Ｈｚ）を行った。

これら図６－図９は、光ファイバＦ４の区間における、ファイバ雑音補償後の往復の干渉信号を測定した結果を示している。図６および図７については、スペクトルアナライザを用いてスパン１００ｋＨｚ、バンド幅１０Ｈｚで干渉信号の周波数スペクトルを測定した。また、図８および図９については、周波数カウンタによりゲート時間０．１ｓｅｃで干渉信号の周波数揺らぎを測定した。サーボピーク除去なしと比較してサーボピーク除去ありの方が、ファイバ雑音補償の性能劣化が大きく改善されているのがわかる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、送信ノードＳと受信ノードＲとの間に直列接続された任意の中継ノードＴ３において、サーボピーク除去部３３が、リピータ３１で得られた伝送光の残り分から、ファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、雑音補償部３２へ入力するようにしたものである。

この際、伝送光のピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源３３Ａをリピータ３１に位相安定化することにより、サーボピークを除去するようにしたものである。
より具体的には、ビームスプリッタ３３Ｃが、リピータ３１で得られた伝送光の残り分を、狭線幅光源３３Ａからの狭線幅光源光ＰＮと干渉させ、位相比較器３３Ｆが、干渉により得られた干渉信号をＲＦ基準信号と位相比較し、周波数制御器３３Ｈが、位相比較器３３Ｆで得られた比較結果に基づいて狭線幅光源光ＰＮの光周波数を制御して、雑音補償部３２へ出力するようにしたものである。

これにより、リピータの安定化やファイバ雑音補償によって生じるサーボピークの蓄積を抑えることができ、長距離かつ高安定な光ファイバリンクを実現することが可能となる。また、すでに設置済みの長距離光ファイバリンクにおいて、途中の接続点にリピータを設置して多段化することによって安定化を簡便に改善することができ、実現性が極めて高い。したがって、光格子時計の高い周波数安定度を劣化させることなく長距離を伝送可能となり、光周波数基準ファイバネットワークを展開する上で極めて大きな効果が期待できる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１…光ファイバリンク、Ｓ…送信ノード、Ｒ…受信ノード、Ｔ１，Ｔ２…第１の中継ノード、Ｔ３…第２の中継ノード、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆｉ，Ｆｊ…光ファイバ、１１…基準光源、１２…雑音補償部、１２Ａ…ビームスプリッタ、１２Ｂ…ミラー、１２Ｃ…光検出器、１２Ｄ…ＲＦ発振器、１２Ｅ…位相比較器、１２Ｆ…制御信号発生器、１２Ｇ…周波数制御器、２１…リピータ、２１Ａ…ビームスプリッタ、２１Ｂ…ミラー、２１Ｃ…光検出器、２１Ｄ…ＲＦ発振器、２１Ｅ…位相比較器、２１Ｆ…制御信号発生器、２１Ｇ…リピータ光源、２１Ｈ…ビームスプリッタ、３１…リピータ、３１Ａ…ビームスプリッタ、３１Ｂ…ミラー、３１Ｃ…光検出器、３１Ｄ…ＲＦ発振器、３１Ｅ…位相比較器、３１Ｆ…制御信号発生器、３１Ｇ…リピータ光源、３１Ｈ…ビームスプリッタ、３２…雑音補償部、３２Ａ…ビームスプリッタ、３２Ｂ…ミラー、３２Ｃ…光検出器、３２Ｄ…ＲＦ発振器、３２Ｅ…位相比較器、３２Ｆ…制御信号発生器、３２Ｇ…周波数制御器、３３…サーボピーク除去部、３３Ａ…狭線幅光源、３３Ｂ，３３Ｃ…ビームスプリッタ、３３Ｄ…光検出器、３３Ｅ…ＲＦ発振器、３３Ｆ…位相比較器、３３Ｇ…制御信号発生器、３３Ｈ…周波数制御器、ＰＳ０…送信基準光、ＰＲ０…受信基準光、ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＰＳｉ，ＰＳｊ…伝送光、ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３，ＰＲ４，ＰＲｉ，ＰＲｊ…返送光、ＦＢＳ，ＦＢＲ，ＦＢＤ…フィードバック信号、Ｐ…リピータ光、ＰＮ…狭線幅光源光。

Claims (6)

1. 光ファイバを介して光信号を送受信する送信ノードおよび受信ノードと、
   光ファイバを介してこれら送信ノードと受信ノードとの間に直列接続された１つまたは複数の中継ノードとを備え、
   前記中継ノードは、
   前段ノードから受信した伝送光を再生するとともに、前記再生された伝送光の一部分を返送光として前記前段ノードへ返送するリピータと、
   前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を新たな伝送光として後段ノードへ送信するとともに、前記後段ノードから受信した前記新たな伝送光に対する新たな返送光に基づいて、前記後段ノードとの間の光ファイバに関するファイバ雑音を補償する雑音補償部を含み、
   少なくとも前記中継ノードのいずれか１つは、前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分から、前記前段ノード以前のノードにおけるファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、前記雑音補償部へ入力するサーボピーク除去部を含む
   ことを特徴とする光ファイバリンク。
2. 請求項１に記載の光ファイバリンクにおいて、
   前記サーボピーク除去部は、前記再生された伝送光のサーボピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源を前記リピータに位相安定化することにより、前記サーボピークを除去することを特徴とする光ファイバリンク。
3. 請求項１に記載の光ファイバリンクにおいて、
   前記サーボピーク除去部は、
   前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を、狭線幅光源からの狭線幅光源光と干渉させるビームスプリッタと、
   前記干渉により得られた干渉信号をＲＦ基準信号と位相比較する位相比較器と、
   前記位相比較器で得られた比較結果に基づいて前記狭線幅光源光の光周波数を制御して、前記雑音補償部へ出力する周波数制御器と
   を備えることを特徴とする光ファイバリンク。
4. 光ファイバを介して光信号を送受信する送信ノードおよび受信ノードと、光ファイバを介してこれら送信ノードと受信ノードとの間に直列接続された１つまたは複数の中継ノードとを備える光ファイバリンクで用いられる中継ノードであって、
   前段ノードから受信した伝送光を再生するとともに、前記再生された伝送光の一部分を返送光として前記前段ノードへ返送するリピータと、
   前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を新たな伝送光として後段ノードへ送信するとともに、前記後段ノードから受信した前記新たな伝送光に対する新たな返送光に基づいて、前記後段ノードとの間の光ファイバに関するファイバ雑音を補償する雑音補償部と、
   前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分から、前記前段ノード以前のノードにおけるファイバ雑音の補償時に発生するサーボピークを除去して、前記雑音補償部へ入力するサーボピーク除去部と
   を備えることを特徴とする中継ノード。
5. 請求項４に記載の中継ノードにおいて、
   前記サーボピーク除去部は、前記再生された伝送光のサーボピーク周波数の１／１０以下のフィードバック帯域で狭線幅光源を前記リピータに位相安定化することにより、前記サーボピークを除去することを特徴とする中継ノード。
6. 請求項４に記載の中継ノードにおいて、
   前記サーボピーク除去部は、
   前記リピータで得られた前記再生された伝送光の残り分を、狭線幅光源からの狭線幅光源光と干渉させるビームスプリッタと、
   前記干渉により得られた干渉信号をＲＦ基準信号と位相比較する位相比較器と、
   前記位相比較器で得られた比較結果に基づいて前記狭線幅光源光の光周波数を制御して、前記雑音補償部へ出力する周波数制御器と
   を備えることを特徴とする中継ノード。

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