JP7079515B2 - 時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステム - Google Patents

Description

この開示は、時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステムに関する。

高速光通信、深宇宙探査、天文精密計測などの分野では、非常に離れた複数の測定地点で時刻を高精度に同期させる必要がある。このような時刻の同期のため、高精度な時刻タイミング信号の伝送が求められている。

基地局とリモート局とが光ファイバにより接続されており、基地局からリモート局にタイミング信号を伝送して同期をとる場合、光ファイバにおいて生じる遅延時間を精密に測定し、測定した遅延時間分を進めたタイミング信号を基地局からリモート局に伝送することで、時刻同期を行う。この種の技術は、以下の非特許文献１に記載されている。

P.Krehlik, L.Sliwczynski, L.Buczek, J.Kolodziej, M.Lipinski, 「ELSTAB.Fiber-Optic Time and Frequency Distribution Technology: A General Characterization and Fundamental Limits,」, IEEE Trans on Ultrasonics, Ferroelectrics, and frequency control, (vol.63, no.7, pp.993-1004, Jul. 2016)

上記非特許文献１に記載された従来の手法では、以下のようにして時刻同期を行う。
１． 基地局は、時刻タイミング信号によりレーザ光を振幅変調し、振幅変調された光信号を生成する。
２． 基地局は、光信号を光ファイバ経由でリモート局に伝送する。
３． リモート局は、光ファイバ経由で伝送された光信号を光電変換により電気信号に変換し、時刻タイミング信号を抽出する。
４． リモート局は、抽出した時刻タイミング信号によりレーザ光を振幅変調し、光信号を再生成する。ただし、基地局で生成された光信号とリモート局で再生成された光信号とを、基地局で分離可能なように、リモート局において再生成する光信号の波長は、光フィルタで分離可能なように、基地局で生成された光信号の波長と異なるものにしておく。
５． リモート局は、再生成した光信号を光ファイバ経由で基地局に伝送する。
６． 基地局は、リモート局から伝送された光信号を光フィルタにより分離抽出し、分離抽出した光信号を光電変換により電気信号に変換し、時刻タイミング信号を抽出する。
７． 基地局は、元の時刻タイミング信号と、リモート局から伝送された光信号に含まれる時刻タイミング信号とのタイミングを比較し、光信号の往復により生じた遅延を検出する。
８． 基地局は、往路分の遅延に相当する時間を早めた時刻タイミング信号によりレーザ光を振幅変調し、リモート局用の光信号を生成する。
９． 基地局は、リモート局用の光信号を光ファイバ経由でリモート局に伝送する。

従来手法では、基地局からリモート局までの往路の光信号と、リモート局から基地局までの復路の光信号とで、光フィルタにより分離可能なように異なる波長を採用している。この場合、光ファイバ伝送における波長分散の影響により、往路と復路の光信号の波長の違いに応じて、遅延量が変化する。従って、光ファイバ伝送される光信号に生じる遅延を正確に測定することが困難になる。

従来手法では、リモート局は、基地局からの光信号から時刻タイミング信号を抽出し、抽出した時刻タイミング信号によりレーザ光を振幅変調して光信号を再生成している。この場合、基地局からリモート局までの光信号の往路とリモート局から基地局までの光信号の復路とで異なる経路を通ることがある。従って、光ファイバ伝送される光信号に生じる遅延を正確に測定することが困難になる。

この開示は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、基地局とリモート局との間で光ファイバ伝送される光信号に生じる遅延を正確に測定し、基地局からリモート局に高精度な時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステムを提供することを目的とする。

この開示に係る時刻タイミング信号を伝送する方法は、時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して光位相変調信号を生成するステップと、光位相変調信号を基地局から光ファイバを通してリモート局に伝送するステップと、リモート局に伝送された光位相変調信号を、光ファイバを通して基地局に戻すステップと、レーザ光または光位相変調信号の一方の光周波数をシフトさせるステップと、リモート局から基地局に戻された光位相変調信号とレーザ光との周波数差の差信号を生成するステップと、差信号を位相変調復調して差信号に含まれる位相変調された時刻タイミング信号を電気的に抽出するステップと、光位相変調に使用した時刻タイミング信号と復調により抽出した時刻タイミング信号とのタイミング差から遅延時間を求めるステップと、遅延時間だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して同期用の光位相変調信号を生成し、光ファイバを通して同期用の光位相変調信号をリモート局に送信するステップと、を備える。

この開示に係る時刻タイミング信号を伝送するシステムは、基地局からリモート局に光ファイバを通して時刻タイミング信号を伝送するシステムであって、基地局は、時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して光位相変調信号を生成する光位相変調部と、リモート局から基地局に戻された光位相変調信号とレーザ光との周波数差の差信号を生成する光結合部と、差信号を位相変調復調し、差信号に含まれる位相変調された時刻タイミング信号を電気的に抽出する電気位相変調復調部と、光位相変調に使用した時刻タイミング信号と復調により抽出した時刻タイミング信号とのタイミング差から遅延時間を求める遅延算出部と、遅延時間だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して同期用の光位相変調信号を生成し、光ファイバを通して同期用の光位相変調信号をリモート局に送信するように制御する制御部と、を備え、リモート局は、伝送された光位相変調信号を、光ファイバを通して基地局に戻す逆送部を備え、基地局またはリモート局のいずれか一方は、レーザ光または光位相変調信号の一方の光周波数をシフトさせる光周波数シフタを有する。

光周波数をシフトさせるステップは、リモート局において光位相変調信号に対して行われてもよい。

光周波数をシフトさせるステップは、差信号を生成するステップにおいて差信号を電気信号として生成できるように、シフト周波数を設定してもよい。

この開示に係る時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステムによれば、基地局とリモート局との間で光ファイバ伝送される光信号に生じる遅延を正確に測定し、基地局からリモート局に高精度な時刻タイミング信号を伝送することができる。

本開示の実施の形態１に係るシステムの構成を示すブロック図である。 本開示の実施の形態１における光位相変調の様子を示すタイミングチャートである。 本開示の実施の形態１における位相変調復調の様子を示すタイミングチャートである。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態１における光分離部と光周波数シフタと逆送部との構成を示す構成図である。 本開示の実施の形態２に係るシステムの構成を示すブロック図である。 本開示の実施の形態３に係るシステムの構成を示すブロック図である。

以下、本開示の基地局からリモート局に光ファイバを通して時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステムの実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

実施の形態１．
はじめに、本開示の実施の形態１におけるシステム１の基本的な構成について、図１を参照して説明する。図１は、本開示の実施の形態１に係るシステム１の構成を示すブロック図である。なお、本開示の実施の形態１に係るシステム１は、基地局１００からリモート局２００に光ファイバ３００を通して時刻タイミング信号を伝送する方法を実現する手段である。

［システム１の構成］
システム１は、基地局１００と、リモート局２００と、光ファイバ３００とを備えている。基地局１００には、制御部１０１と、レーザ光源１１０と、光分配部１２０と、タイミング信号生成部１３０と、光位相変調部１４０と、光分離部１５０と、光結合部１６０と、光電気変換部１７０と、電気位相変調復調部１８０と、遅延算出部１９０とが設けられている。リモート局２００には、光周波数シフタ２１０と、逆送部２２０とが設けられている。光ファイバ３００は、高速光通信、深宇宙探査、または天文精密計測などを行うため非常に離れた測定地点に設けられている基地局１００とリモート局２００とを、光通信可能に接続している。なお、リモート局２００は、１つである必要は無く、複数存在していてもよい。

［システム１の各部の動作］
制御部１０１は、基地局１００とリモート局２００との時刻同期の制御を行う。制御部１０１は、以下に述べるようにして遅延時間を算出した後、時刻同期の制御として、遅延時間だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して同期用の光位相変調信号を生成し、光ファイバ３００を通して光位相変調信号をリモート局２００に送信するように、基地局１００の各部を制御する。

レーザ光源１１０は、光ファイバ３００を往復伝送した後も可干渉性を持つ狭線幅レーザ光を生成する。以下、本願明細書において、狭線幅レーザ光を単にレーザ光と呼ぶ。光分配部１２０は、レーザ光を光学的に分配し、光位相変調部１４０と光結合部１６０とに供給する。タイミング信号生成部１３０は、１秒信号などの精密な時刻タイミング信号を生成する。

光位相変調部１４０は、タイミング信号生成部１３０により生成された時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して、光位相変調信号を生成する。なお、本願明細書において、レーザ光源１１０により生成された光であって、変調されていなものを「レーザ光」と呼ぶ。そして、本願明細書において、レーザ光が時刻タイミング信号により光位相変調された光を「光位相変調信号」と呼ぶ。

光位相変調部１４０よる光位相変調について、図２を参照して説明する。図２は、本開示の実施の形態１における光位相変調の様子を示すタイミングチャートである。図２の（ａ）は、レーザ光源１１０において生成されるレーザ光の波形を示している。図２の（ｂ）は、タイミング信号生成部１３０において生成される時刻タイミング信号の波形を示している。図２の（ｃ）は、光位相変調部１４０において、時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して生成される光位相変調信号の波形を示している。すなわち、図２の（ｃ）に示す光位相変調信号は、図２の（ａ）に示すレーザ光を搬送波として、振幅は変化せず、図２の（ｂ）に示す時刻タイミング信号の波形変化タイミングでレーザ光の位相が変化する状態になっている。

光分離部１５０は、光位相変調部１４０で生成された光位相変調信号を光ファイバ３００に供給する。これにより、光位相変調信号は、基地局１００から送信され、往路信号として光ファイバ３００を通り、リモート局２００に向かう。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を通過した後に逆送部２２０に到達する。逆送部２２０に到達した光位相変調信号は、逆送部２２０を構成する反射ミラーまたはファラデー反射器により向きを変えられ、光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。すなわち、リモート局２００は、往路の光位相変調信号を外部に取り出すことをせずに復路の光位相変調信号としている。

光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を２回通過するため、光周波数シフタ２１０により付与されるシフト周波数の２倍のシフト周波数を与えられる。ここで、光位相変調信号が光周波数シフタ２１０から受けるシフト周波数は、可視光線の周波数４０５ＴＨｚ～７９０ＴＨｚの百万分の一程度の低い周波数、例えば、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚになるように設定しておく。また、シフト周波数は、周波数の上昇であっても、周波数の低下であってもよい。

光周波数シフタ２１０によりシフト周波数を与えられて光位相変調信号の周波数が変化する様子について、図３を参照して説明する。図３は、本開示の実施の形態１における位相変調復調の様子を示すタイミングチャートである。

図３の（ａ）は、図２の（ｃ）と同じであり、光位相変調部１４０で生成された光位相変調信号の波形を示している。図３の（ｂ）は、リモート局２００から光ファイバ３００を通して基地局１００に到達する復路の光位相変調信号を示している。図３の（ｂ）において、基地局１００に戻った復路の光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０によりシフト周波数を与えられて光位相変調信号の周波数が変化すると共に、光ファイバ３００を往復したことにより遅延が生じている。

光分離部１５０は、リモート局２００から光ファイバ３００を通して基地局１００に到達する復路の光位相変調信号を光結合部１６０に供給する。光結合部１６０は、光分離部１５０から供給される光位相変調信号と、光分配部１２０から供給されるレーザ光とを混合し、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分によって振幅と位相とが変化するビート成分光を生成する。

光電気変換部１７０は、ヘテロダイン動作により、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分を有するビート成分光を電気信号の差信号として生成する。差信号は、光周波数シフタ２１０が光位相変調信号に与えたシフト周波数の２倍の周波数の信号であり、光信号ではなく、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の電波の周波数の電気信号である。従って、所望の周波数の差信号を得ることができるように、光周波数シフタ２１０のシフト周波数を設定しておく。

以下、差信号を生成する様子を図３により説明する。図３の（ｂ）は、光分離部１５０から光結合部１６０に供給される復路の光位相変調信号の波形を示している。図３の（ｃ）は、光分配部１２０から光結合部１６０に供給されるレーザ光の波形を示している。図３の（ｄ）は、光結合部１６０と光電気変換部１７０とにおけるヘテロダイン動作によりビート成分として生成される、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数の差信号の波形を示している。

電気位相変調復調部１８０は、差信号に含まれている位相変調された時刻タイミング信号を、電気的な位相変調復調により抽出する。図３の（ｅ）は、位相変調復調により、図３の（ｄ）に示す差信号から時刻タイミング信号を取り出す様子を示している。

遅延算出部１９０は、光位相変調部１４０において光位相変調に使用した時刻タイミング信号と、電気位相変調復調部１８０において抽出された時刻タイミング信号とを比較し、タイミング差Δｔを求める。
以下、タイミング差Δｔを求める様子を図３により説明する。図３の（ｅ）は、電気位相変調復調部１８０において抽出された時刻タイミング信号の波形を示している。図３の（ｆ）は、光位相変調部１４０において光位相変調に使用した時刻タイミング信号の波形を示している。ここで、図３の（ｅ）と（ｆ）との波形のずれがタイミング差Δｔに相当する。

このタイミング差Δｔは、光ファイバ３００を往復した光位相変調信号に生じる往復の遅延時間である。よって、遅延算出部１９０は、往復の遅延時間に相当するタイミング差Δｔの１／２であるΔｔ／２を、光ファイバ３００を通して基地局１００からリモート局２００までに生じる遅延時間として算出する。この結果、基地局１００とリモート局２００との間において光ファイバ３００で伝送される光位相変調信号に生じる遅延を正確に測定することが可能になる。

制御部１０１は、以上のようにして光ファイバ３００を通して光位相変調信号を伝送する際に生じる遅延時間Δｔ／２を算出した後、時刻同期の制御を行う。すなわち、時刻同期の制御として、制御部１０１の指示に基づいて、タイミング信号生成部１３０は、リモート局２００のために、遅延時間Δｔ／２だけ進めた時刻タイミング信号を生成する。光位相変調部１４０は、遅延時間だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して同期用の光位相変調信号を生成する。光分離部１５０は、光ファイバ３００を通して同期用の光位相変調信号をリモート局２００に送信する。

これにより、システム１において、リモート局２００は、光ファイバ３００での伝送において生じる遅延時間が相殺された、正確な時刻タイミング信号を入手することができる。そして、基地局１００とリモート局２００とは、時刻を高精度に同期させた状態において、高速光通信、深宇宙探査、天文精密計測などを行うことが可能になる。

ところで、基地局１００から光ファイバ３００を通りリモート局２００に向かう往路の光位相変調信号の一部は、リモート局２００に到達する前に、光ファイバ３００の途中で異常反射して基地局１００に戻ることがある。この異常反射の光位相変調信号は、リモート局２００において光周波数シフタ２１０を通過していないため、元の周波数のままである。従って、光分離部１５０を通過した異常反射の光位相変調信号と、光分配部１２０から供給されるレーザ光とは同一の周波数であるため、光結合部１６０と光電気変換部１７０により得られる差信号は、電気的にＤＣ周波数成分近辺となる。一方、異常反射がない場合、光結合部１６０と光電気変換部１７０により得られる差信号は、シフト周波数の２倍の周波数近辺の電気信号となる。よって、異常反射の生じた差信号と異常反射のない差信号とは、容易に分離可能である。すなわち、基地局１００とリモート局２００とは、異常反射の光位相変調信号の影響を受けることなく、遅延を正確に測定し、同期した状態を実現することができる。

以上のシステム１では、基地局１００からリモート局２００までの往路の光位相変調信号と、リモート局２００から基地局１００までの復路の光位相変調信号とで、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の電波の周波数に相当する周波数差がある。すなわち、以上のシステム１は、従来のような光フィルタで分離可能な数ＴＨｚの周波数差は必要なく、必要な周波数差を従来の１万分の一程度に小さくすることができる。従って、実施の形態１においては、往路と復路の光位相変調信号の波長の違いに応じた遅延量の変化は従来と比較して無視することができ、光ファイバ３００に伝送される光位相変調信号に生じる遅延を正確に測定することが可能になる。

以上のシステム１では、基地局１００からリモート局２００までの光信号の往路とリモート局２００から基地局１００までの光信号の復路とは、光位相変調信号を外部に取り出さないため、同一の経路を通っている。すなわち、従来のように光信号が異なる経路を伝送されるために生じる経路差に基づく誤差の問題も発生しない。

［システム１の構成の変形例］
以下、光位相変調信号の往復に関する、光分離部１５０と逆送部２２０との構成の各種の具体例を図４～図９を参照して説明する。

図４は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図４の構成において、光分離部１５０は、方向性結合器により構成されている。そして、逆送部２２０は、反射ミラーにより構成されている。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を通過した後に逆送部２２０に到達する。逆送部２２０に到達した光位相変調信号は、逆送部２２０を構成する反射ミラーにより反射されて、光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する方向性結合器によりｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

図５は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図５の構成において、光分離部１５０は、偏波分離器により構成されている。そして、逆送部２２０は、ファラデー反射器により構成されている。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を通過した後に逆送部２２０に到達する。逆送部２２０に到達した光位相変調信号は、逆送部２２０を構成するファラデー反射器により、偏波面を変更されつつ反射され、光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する偏波分離器により、偏波面の違いに応じてｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

図６は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図６の構成において、光分離部１５０は、方向性結合器により構成されている。そして、逆送部２２０は、方向性結合器２２１と、光ファイバループ２２２とにより、ループ状に構成されている。ここで、方向性結合器２２１のａ端子には、光周波数シフタ２１０が接続され、方向性結合器２２１のｂ端子とｃ端子とには、光ファイバループ２２２が接続されている。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を通過した後に逆送部２２０に到達する。逆送部２２０に到達した光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子に入力され、ｂ端子から光ファイバループ２２２に入り、光ファイバループ２２２から方向性結合器２２１のｃ端子に戻る。方向性結合器２２１のｃ端子に入力された光位相変調信号は、ａ端子に向かう。その後、光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子から光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する方向性結合器によりｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

図７は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図７の構成において、光分離部１５０は、方向性結合器により構成されている。また、逆送部２２０は、方向性結合器２２１と、光ファイバ２２３と、光周波数シフタ２１０と、光ファイバ２２４とにより、ループ状に構成されている。ここで、方向性結合器２２１のａ端子には、光ファイバ３００が接続されている。方向性結合器２２１のｂ端子と、光周波数シフタ２１０の一方の端子との間には、光ファイバ２２３が接続されている。そして、光周波数シフタ２１０の他方の端子と、方向性結合器２２１のｃ端子との間には、光ファイバ２２４が接続されている。

リモート局２００において、逆送部２２０に到達した基地局１００からの光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子に入力され、ｂ端子から光ファイバ２２３を通り、光周波数シフタ２１０を通過した後に、光ファイバ２２４を通り方向性結合器２２１のｃ端子に戻る。方向性結合器２２１のｃ端子に入力された光位相変調信号は、ａ端子に向かう。その後、光位相変調信号は、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する方向性結合器によりｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

図８は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図８の構成において、光分離部１５０は、偏波分離器により構成されている。また、逆送部２２０は、方向性結合器２２１と、光ファイバ２２３と、ファラデー回転子２３０と、光ファイバ２２４とにより、ループ状に構成されている。ここで、光周波数シフタ２１０の一方の端子は、光ファイバ３００に接続されている。光周波数シフタ２１０の他方の端子は、方向性結合器２２１のａ端子に接続されている。方向性結合器２２１のｂ端子と、ファラデー回転子２３０の一方の端子との間には、光ファイバ２２３が接続されている。そして、ファラデー回転子２３０の他方の端子と、方向性結合器２２１のｃ端子との間には、光ファイバ２２４が接続されている。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、光周波数シフタ２１０を通過した後に逆送部２２０に到達する。逆送部２２０に到達した光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子に入力され、ｂ端子から光ファイバ２２３に入り、ファラデー回転子２３０を通って偏波面が変更され、光ファイバ２２４から方向性結合器２２１のｃ端子に戻る。方向性結合器２２１のｃ端子に入力された光位相変調信号は、ａ端子に向かう。その後、光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子から光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する偏波分離器により、偏波面の違いに応じてｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

図９は、本開示の実施の形態１における光分離部１５０と光周波数シフタ２１０と逆送部２２０との構成を示す構成図である。この図９の構成において、光分離部１５０は、偏波分離器により構成されている。また、逆送部２２０は、方向性結合器２２１と、光ファイバ２２３と、光周波数シフタ２１０と、光ファイバ２２４と、ファラデー回転子２３０と、光ファイバ２２５とにより、ループ状に構成されている。ここで、方向性結合器２２１のａ端子に光ファイバ３００が接続されている。方向性結合器２２１のｂ端子と、光周波数シフタ２１０の一方の端子との間に、光ファイバ２２３が接続されている。光周波数シフタ２１０の他方の端子と、ファラデー回転子２３０の一方の端子との間に、光ファイバ２２４が接続されている。そして、ファラデー回転子２３０の他方の端子と、方向性結合器２２１のｃ端子との間には、光ファイバ２２５が接続されている。

リモート局２００において、基地局１００からの光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子に入力され、ｂ端子から光ファイバ２２３を通り、光周波数シフタ２１０を通過した後に、光ファイバ２２４を通り、ファラデー回転子２３０を通って偏波面が変更され、光ファイバ２２５から方向性結合器２２１のｃ端子に戻る。方向性結合器２２１のｃ端子に入力された光位相変調信号は、ａ端子に向かう。その後、光位相変調信号は、方向性結合器２２１のａ端子から光周波数シフタ２１０を再び通過した後に、復路信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ向かう。基地局１００に到達した復路の光位相変調信号は、光分離部１５０を構成する偏波分離器により、偏波面の違いに応じてｂ端子からｃ端子に向かって進行方向を変えられ、光結合部１６０に向かう。

実施の形態２．
次に、本開示の実施の形態２におけるシステム１の構成について、図１０を参照して説明する。図１０は、本開示の実施の形態２に係るシステム１の構成を示すブロック図である。図１０のブロック図において、既に説明した図１のブロック図と同じ構成については同じ符号を付している。よって、図１０のブロック図の構成について、図１のブロック図と異なる部分を詳細に説明する。

基地局１００において、光分配部１２０と光結合部１６０との間に、光周波数シフタ１２５が設けられている。光分配部１２０は、レーザ光を光学的に分配し、光位相変調部１４０と、光周波数シフタ１２５とに供給する。

光分配部１２０により分配されたレーザ光には、光周波数シフタ１２５によりシフト周波数が与えられて、その周波数が変化する。光周波数シフタ１２５は、周波数が変化したレーザ光を、光結合部１６０に供給する。

一方、光分離部１５０は、光ファイバ３００を通して基地局１００に到達するリモート局２００からの光位相変調信号を、光結合部１６０に供給する。なお、リモート局２００には、光周波数シフタが設けられていない。このため、リモート局２００から光ファイバ３００を通して基地局１００に到達する復路の光位相変調信号は、周波数の変化は生じておらず、光ファイバ３００を往復したことによる遅延のみが生じている。

光結合部１６０は、光周波数シフタ１２５から供給されるシフト周波数を与えられたレーザ光と光分離部１５０から供給される遅延を有する光位相変調信号とを混合し、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分によって振幅と位相とが変化するビート成分光を生成する。

光電気変換部１７０は、ヘテロダイン動作により、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分を有するビート成分光を電気信号の差信号として生成する。差信号は、光周波数シフタ１２５が光位相変調信号に与えたシフト周波数と同じ周波数の信号であり、光信号ではなく、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の電波の周波数の電気信号である。従って、所望の周波数の差信号を得ることができるように、光周波数シフタ１２５のシフト周波数を設定しておく。この後、図１のシステム１と同様に、制御部１０１は、光ファイバ３００を通して光位相変調信号を伝送する際に生じる遅延時間を算出した後、時刻同期の制御を行う。

図１０に示すシステム１も、図１のシステム１と同様に、基地局１００とリモート局２００との間において光ファイバ３００で伝送される光位相変調信号に生じる遅延を正確に測定し、基地局１００からリモート局２００に高精度な時刻タイミング信号を伝送することが可能になる。また、図１０に示すシステム１の場合、リモート局２００に光周波数シフタを設ける必要がないため、構成を簡素化することができる。

実施の形態３．
次に、本開示の実施の形態３におけるシステム１の構成について、図１１を参照して説明する。図１１は、本開示の実施の形態３に係るシステム１の構成を示すブロック図である。図１１のブロック図において、既に説明した図１のブロック図と同じ構成については同じ符号を付している。よって、図１１のブロック図の構成について、図１のブロック図と異なる部分を詳細に説明する。

基地局１００において、光分離部１５０と光結合部１６０との間に、光周波数シフタ１５５が設けられている。光分離部１５０は、光ファイバ３００を通して基地局１００に到達するリモート局２００からの光位相変調信号を、光周波数シフタ１５５に供給する。

なお、リモート局２００には、光周波数シフタが設けられておらず、リモート局２００から光ファイバ３００を通して基地局１００に到達する復路の光位相変調信号は、周波数の変化は生じておらず、光ファイバ３００を往復したことによる遅延のみが生じている。このように遅延のみが生じている光位相変調信号には、光周波数シフタ１５５によりシフト周波数が与えられて、その周波数が変化する。光周波数シフタ１５５は、周波数が変化した光位相変調信号を光結合部１６０に供給する。

光結合部１６０は、光分配部１２０から供給されるレーザ光と、光周波数シフタ１５５から供給されるシフト周波数を与えられた光位相変調信号とを混合し、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分によって振幅と位相とが変化するビート成分光を生成する。光電気変換部１７０は、ヘテロダイン動作により、レーザ光の光周波数と光位相変調信号の光周波数との差の周波数のビート成分を有するビート成分光を電気信号の差信号として生成する。差信号は、光周波数シフタ１５５が光位相変調信号に与えたシフト周波数と同じ周波数の信号であり、光信号ではなく、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の電波の周波数の電気信号である。従って、所望の周波数の差信号を得ることができるように、光周波数シフタ１５５のシフト周波数を設定しておく。

この後、図１のシステム１と同様に、制御部１０１は、光ファイバ３００を通して光位相変調信号を伝送する際に生じる遅延時間を算出した後、時刻同期の制御を行う。

図１１に示すシステム１も、図１のシステム１と同様に、基地局１００とリモート局２００との間において光ファイバ３００で伝送される光位相変調信号に生じる遅延を正確に測定し、基地局１００からリモート局２００に高精度な時刻タイミング信号を伝送することが可能になる。また、図１１に示すシステム１の場合、リモート局２００に光周波数シフタを設ける必要がないため、構成を簡素化することができる。

［実施の形態により得られる効果］
基地局１００からリモート局２００に光ファイバ３００を通して時刻タイミング信号を伝送する方法及びシステムの実施の形態により得られる効果は以下の通りである。

本開示における方法は、時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して光位相変調信号を生成し、光位相変調信号を基地局１００から光ファイバ３００を通してリモート局２００に伝送し、リモート局２００に伝送された光位相変調信号を、光ファイバ３００を通して基地局１００に戻し、レーザ光または光位相変調信号の一方の光周波数をシフトさせ、リモート局２００から基地局１００に戻された光位相変調信号とレーザ光との周波数差の差信号を生成し、差信号を位相変調復調して差信号に含まれる位相変調された時刻タイミング信号を電気的に抽出し、光位相変調に使用した時刻タイミング信号と復調により抽出した時刻タイミング信号とのタイミング差から遅延時間を求め、遅延時間だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して同期用の光位相変調信号を生成し、同期用の光位相変調信号を光ファイバ３００を通してリモート局２００に送信する。この開示に係るシステムは、以上の方法を用いて、基地局１００からリモート局２００に光ファイバ３００を通して同期用の光位相変調信号を伝送する。

これにより、基地局１００とリモート局２００との間において光位相変調信号を伝送する光ファイバ３００で生じる遅延時間を、シフト周波数に応じた周波数差を有する電気信号の差信号として検出することができる。ここで、光位相変調信号のシフト周波数による周波数差は電波の周波数範囲であり、光の周波数に比べると極めて小さい。このため、光ファイバ３００の伝送における波長分散の影響による遅延量の変化に基づく誤差を極めて小さくすることができる。そして、光位相変調信号を往復の経路の途中で外部に取り出さないため、光位相変調信号は同じ経路を通っており、往復経路差による誤差も生じない。このため、基地局１００とリモート局２００との間において光ファイバ３００で伝送される光位相変調信号に生じる遅延を正確に測定することができる。そして、基地局１００からリモート局２００に高精度な時刻タイミング信号を含む光位相変調信号を伝送することができる。

光周波数をシフトさせるステップを、リモート局２００において光位相変調信号に対して行うことが可能である。これにより、リモート局２００に到達する前に、光ファイバ３００の途中で異常反射して基地局１００に戻る位相変調信号は、周波数シフトを受けておらず元の周波数のままであるため、差信号として現れることがない。従って基地局１００とリモート局２００とは、異常反射した位相変調信号の影響を受けることなく、遅延を正確に測定し、同期した状態を実現することができる。

光周波数をシフトさせるステップは、差信号を生成するステップにおいて差信号を電気信号として生成できるように、シフト周波数を定める。これにより、差信号を、光信号ではなく、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の電波の周波数の電気信号として得ることができる。光信号は光電変換することで位相変調の成分が欠落してしまうが、本開示では差信号を電気信号として直接生成しているため、位相変調復調によって遅延を正確に測定することができる。この結果、基地局１００からリモート局２００に高精度な時刻タイミング信号を含む光位相変調信号を伝送することができる。

本開示は、たとえば、複数の局間において時刻を高精度に同期させた状態にすることで、高速光通信、深宇宙探査、天文精密計測への応用が可能である。

１ システム、１００ 基地局、１０１ 制御部、１１０ レーザ光源、１２０ 光分配部、１２５ 光周波数シフタ、１３０ タイミング信号生成部、１４０ 光位相変調部、１５０ 光分離部、１５５ 光周波数シフタ、１６０ 光結合部、１７０ 光電気変換部、１８０ 電気位相変調復調部、１９０ 遅延算出部、２００ リモート局、２１０ 光周波数シフタ、２２０ 逆送部、３００ 光ファイバ。

Claims (4)

1. 時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して光位相変調信号を生成するステップと、
   前記光位相変調信号を基地局から光ファイバを通してリモート局に伝送するステップと、
   前記リモート局に伝送された前記光位相変調信号を、前記光ファイバを通して前記基地局に戻すステップと、
   前記レーザ光または前記光位相変調信号の一方の光周波数をシフトさせるステップと、
   前記リモート局から前記基地局に戻された前記光位相変調信号と前記レーザ光との周波数差の差信号を生成するステップと、
   前記差信号を位相変調復調して前記差信号に含まれる位相変調された前記時刻タイミング信号を電気的に抽出するステップと、
   光位相変調に使用した前記時刻タイミング信号と復調により抽出した前記時刻タイミング信号とのタイミング差から遅延時間を求めるステップと、
   前記遅延時間だけ進めた前記時刻タイミング信号により前記レーザ光を光位相変調して同期用の前記光位相変調信号を生成し、前記光ファイバを通して同期用の前記光位相変調信号を前記リモート局に送信するステップと、
   を備える、時刻タイミング信号を伝送する方法。
2. 前記光周波数をシフトさせるステップは、前記リモート局において前記光位相変調信号に対して行われる、
   請求項１に記載の時刻タイミング信号を伝送する方法。
3. 前記光周波数をシフトさせるステップは、前記差信号を生成するステップにおいて前記差信号を電気信号として生成できるように設定されたシフト周波数を、前記光位相変調信号に付与する、
   請求項１または２に記載の時刻タイミング信号を伝送する方法。
4. 基地局からリモート局に光ファイバを通して時刻タイミング信号を伝送するシステムであって、
   前記基地局は、
   時刻タイミング信号によりレーザ光を光位相変調して光位相変調信号を生成する光位相変調部と、
   前記リモート局から前記基地局に戻された前記光位相変調信号と前記レーザ光との周波数差の差信号を生成する光結合部と、
   前記差信号を位相変調復調し、前記差信号に含まれる位相変調された前記時刻タイミング信号を電気的に抽出する電気位相変調復調部と、
   光位相変調に使用した前記時刻タイミング信号と復調により抽出した前記時刻タイミング信号とのタイミング差から遅延時間を求める遅延算出部と、
   前記遅延時間だけ進めた前記時刻タイミング信号により前記レーザ光を光位相変調して同期用の前記光位相変調信号を生成し、前記光ファイバを通して同期用の前記光位相変調信号を前記リモート局に送信するように制御する制御部と、を備え、
   前記リモート局は、伝送された前記光位相変調信号を、前記光ファイバを通して前記基地局に戻す逆送部を備え、
   前記基地局または前記リモート局のいずれか一方は、前記レーザ光または前記光位相変調信号の一方の光周波数をシフトさせる光周波数シフタを有する、
   時刻タイミング信号を伝送するシステム。

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