JP7113548B1 - 時刻タイミング信号を生成する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】基地局とリモート局と間の伝送遅延を測定し、高精度な同期用時刻タイミング信号を生成する。【解決手段】時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成し、マイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調して生成した往路光強度変調信号を光ファイバ３００経由でリモート局２００に伝送し、リモート局２００は往路光強度変調信号の偏波を回転させて復路光強度変調信号として光ファイバ３００を通して基地局１００に返送し、復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出し、復調用マイクロ波搬送波信号を用いて復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出し、時刻タイミング信号と逆拡散時刻タイミング信号との差から伝送遅延を求め、時刻タイミング信号を伝送遅延だけ進めてリモート局用の時刻タイミング信号を生成する。【選択図】図１

Description

この開示は、時刻タイミング信号を生成する方法及びシステムに関し、特に、基地局からリモート局に光ファイバを通して伝送するリモート局用の時刻タイミング信号を生成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生成が求められている。

非常に離れた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伝送遅延を精密に測定し、測定した伝送遅延分を進めたリモート局用の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気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気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（往復遅延）を検出する。
８． 基地局は、往復遅延の１／２の伝送遅延に相当する時間を早めたリモート局用の時刻タイミング信号によりレーザ光を振幅変調し、リモート局同期用光信号を生成する。
９． 基地局は、リモート局同期用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する必要がある。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、往路と復路の遅延量が変化する。

また、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、リモート局内の処理に起因して、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。

以上のような事情により、光ファイバ伝送される光信号に生じる伝送遅延を正確に測定することが困難になり、リモート局用の高精度な時刻タイミング信号を生成することが困難になるという問題があった。

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伝送遅延を正確に測定し、基地局からリモート局に光ファイバを通して伝送するリモート局用の時刻タイミング信号を生成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生成する方法は、時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成するステップと、マイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調して光強度変調信号を生成するステップと、光強度変調信号を往路光強度変調信号として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往路光強度変調信号の偏波を回転させ、復路光強度変調信号として、光ファイバを通して基地局に返送するステップと、復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出するステップと、基準マイクロ波信号の位相が調整された復調用マイクロ波搬送波信号を用いて復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出するステップと、時刻タイミング信号と逆拡散時刻タイミング信号とのタイミング差から伝送遅延を求めるステップと、時刻タイミング信号を伝送遅延だけ進めてリモート局用の時刻タイミング信号を生成するステップと、を備える。

この開示に係る時刻タイミング信号を生成するシステムは、基地局とリモート局とが光ファイバを通して接続されたシステムであって、基地局は、レーザ光を生成するレーザ光源と、時刻タイミング信号を生成する時刻タイミング信号生成部と、基準マイクロ波信号を生成する基準マイクロ波信号生成部と、時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成するマイクロ波位相変調器と、マイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調してリモート局に伝送する光強度変調信号を生成する光強度変調器と、光強度変調信号を往路光強度変調信号として光ファイバに供給すると共に、光ファイバを通してリモート局から返送される復路光強度変調信号を偏波の違いにより往路光強度変調信号から分離する光分離器と、復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出する光電気変換器と、基準マイクロ波信号の位相を調整して復調用マイクロ波搬送波信号を生成する移相器と、復調用マイクロ波搬送波信号を用いて復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出するマイクロ波位相変調信号復調器と、時刻タイミング信号と逆拡散時刻タイミング信号とのタイミング差から伝送遅延を求める遅延算出部と、時刻タイミング信号を伝送遅延だけ進めてリモート局用の時刻タイミング信号を生成する制御部と、を備え、リモート局は、基地局から伝送された往路光強度変調信号の偏波を回転させ、復路光強度変調信号として、光ファイバを通して基地局に返送する逆送部を備える。

この開示に係る時刻タイミング信号を生成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伝送遅延を正確に測定し、基地局からリモート局に光ファイバを通して伝送するリモート局用の時刻タイミング信号を生成することができる。

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。 実施の形態１におけるマイクロ波位相変調信号の生成の様子を示すタイミングチャートである。 実施の形態１における伝送遅延の算出の様子を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係るシステムにおける各部の処理手順を示すフローチャートである。 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。 実施の形態２に係るシステムにおける各部の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の時刻タイミング信号を生成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。
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１Ａの構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係るシステム１Ａの構成を示すブロック図である。

［システム１Ａの構成］
システム１Ａは、主に、基地局１００と、リモート局２００と、光ファイバ３００とにより構成されている。

基地局１００には、制御部１０１と、時刻タイミング信号生成部１１０と、レーザ光源１２０と、基準マイクロ波信号生成部１３０と、移相器１３５と、マイクロ波位相変調器１４０と、光強度変調器１５０と、光分離器１６０と、光電気変換器１７０と、マイクロ波位相変調信号復調器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、ファラデー反射器２１０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１Ａ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。システム１Ａの各部は、制御部１０１の制御に基づいて、高精度な時刻タイミング信号を生成する方法の各ステップを実行する。すなわち、制御部１０１は、以下に述べるようにして伝送遅延を算出した後、時刻同期の制御として、伝送遅延だけ進めた時刻タイミング信号によりレーザ光を変調してリモート局同期用光信号を生成し、光ファイバ３００を通してリモート局同期用光信号をリモート局２００に送信するように、基地局１００の各部を制御する。

時刻タイミング信号生成部１１０は、１秒信号などの特定の周期の精密な時刻タイミング信号を生成する。
レーザ光源１２０は、光ファイバ３００を往復し、伝送遅延を測定するためのレーザ光を生成する。なお、実施の形態１において、伝送遅延を測定する際にレーザ光の位相を用いないため、レーザ光の波長安定性は重要でない。

基準マイクロ波信号生成部１３０は、特定の周波数の基準マイクロ波信号を生成する。実施の形態１において、「マイクロ波」とは、一般にマイクロ波と呼ばれる３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚの周波数範囲に限定されず、短波（３ＭＨｚ～３０ＭＨｚ）、超短波（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）などの周波数範囲をも含むものとする。実施の形態１において、基準マイクロ波信号は、例えば、１０ＭＨｚ等の単一周波数の基準信号とすることができる。

移相器１３５は、マイクロ波位相変調信号復調器１８０における同期検波のため、基準マイクロ波信号の位相を調整して復調用マイクロ波搬送波信号を生成し、マイクロ波位相変調信号復調器１８０に供給する。

マイクロ波位相変調器１４０は、時刻タイミング信号生成部１１０において生成されたベースバンド信号としての時刻タイミング信号により、搬送波としての基準マイクロ波信号を位相変調し、マイクロ波位相変調信号を生成する。

マイクロ波位相変調器１４０よるマイクロ波位相変調信号の生成について、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１におけるマイクロ波位相変調信号の生成の様子を示すタイミングチャートである。図２の（ａ）は、時刻タイミング信号生成部１１０において生成される１秒信号などの時刻タイミング信号の波形を示している。図２の（ｂ）は、基準マイクロ波信号生成部１３０において生成される基準マイクロ波信号の波形を示している。図２の（ｃ）は、マイクロ波位相変調器１４０において、時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調して生成されるマイクロ波位相変調信号の波形を示している。

図２の（ｃ）に示すマイクロ波位相変調信号は、図２の（ｂ）に示す基準マイクロ波信号を搬送波として、図２の（ａ）に示す時刻タイミング信号の波形変化タイミングで基準マイクロ波信号の位相が変化する状態になっており、振幅に変化は生じていない。

光強度変調器１５０は、マイクロ波位相変調器１４０において生成されたマイクロ波位相変調信号により、レーザ光を偏波保持状態で光強度変調することで、偏波を保持した状態の光強度変調信号を生成する。ここで、光強度変調は、変調したい信号を光のパワーの強弱に変換する変調方式である。この光強度変調において、強度は振幅の２乗に比例する点が、振幅変調と異なる。なお、実施の形態１において、レーザ光源１２０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、実施の形態１において、レーザ光が各種の信号により光強度変調された光を「光強度変調信号」と呼ぶ。

光分離器１６０は、光強度変調器１５０において生成された光強度変調信号を光ファイバ３００に供給する。これにより、光強度変調信号は、基地局１００から送信され、往路光強度変調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からの往路光強度変調信号は、ファラデー反射器２１０により偏波回転されつつ反射され、復路光強度変調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、ファラデー反射器２１０は、逆送部として、基地局１００からの往路光強度変調信号を外部に取り出すことをせずに偏波回転したうえで、復路光強度変調信号として基地局１００へ返送する。なお、基地局１００の光分離器１６０での分離を容易にするため、ファラデー反射器２１０は往路光強度信号の偏波を９０°回転させることが望ましい。

光分離器１６０は、リモート局２００から光ファイバ３００を通して基地局１００に到達する復路光強度変調信号を、偏波の違いにより往路光強度変調信号と区別し、光電気変換器１７０に供給する。すなわち、光分離器１６０は、往路光強度変調信号と復路光強度変調信号とを偏波の違いにより分離しており、往路光強度変調信号を図１中の端子ａから端子ｂに向けて光ファイバ３００に供給し、復路光強度変調信号を図１中の端子ｂから端子ｃに向けて光電気変換器１７０に供給する。

なお、基地局１００から光ファイバ３００を通りリモート局２００に向かう往路光強度変調信号の一部は、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、異常反射光強度信号として基地局１００に戻ることがある。
この異常反射光強度変調信号は、元の往路光強度変調信号と同じ偏波であり、リモート局２００において偏波回転されて正常に返送されてくる復路光強度変調信号と比較して、偏波に９０°の違いを有している。
このため、光分離器１６０において、異常反射光強度変調信号を、復路光強度変調信号と分離し、容易に遮断することができる。また、基地局１００において、光位相変調を用いず、光強度変調器１５０による光強度変調を用いていることで、偏波消光比の高い光強度変調信号（偏光光信号）を発生することが可能である。

光電気変換器１７０は、復路光強度変調信号を光電気変換し、復路光強度変調信号に含まれるマイクロ波位相変調信号（以下、「復路マイクロ波位相変調信号」と呼ぶ）を電気的に抽出する。復路マイクロ波位相変調信号は、基地局１００～リモート局２００の間を往復して基地局１００に戻るため、基準マイクロ波信号生成部１３０で生成された基準マイクロ波信号に対して伝送遅延の２倍の往復遅延が含まれている。

マイクロ波位相変調信号復調器１８０は、移相器１３５からの復調用マイクロ波搬送波信号を基準搬送波として用いて復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより、復路マイクロ波位相変調信号から逆拡散により抽出された時刻タイミング信号（以下、「逆拡散時刻タイミング信号」と呼ぶ）を抽出する。なお、移相器１３５は、復路マイクロ波位相変調信号の搬送波と位相が一致するように基準マイクロ波信号を位相調整して、復調用マイクロ波搬送波信号を生成する。例えば、移相器１３５は、マイクロ波位相変調信号復調器１８０から抽出される逆拡散時刻タイミング信号の振幅が最大になるように、位相調整を行う。なお、移相器１３５は、フェーズロックドループ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）制御を用いて復調用マイクロ波搬送波信号を生成してもよい。

遅延算出部１９０は、マイクロ波位相変調器１４０において光強度変調に使用した時刻タイミング信号と、マイクロ波位相変調信号復調器１８０において抽出された逆拡散時刻タイミング信号とを比較し、往復遅延に相当するタイミング差Δｔを求める。遅延算出部１９０は、Δｔの１／２を伝送遅延として算出する。

以下、同期検波により逆拡散時刻タイミング信号を抽出し、伝送遅延を算出する様子を図３により説明する。図３は、実施の形態１における伝送遅延の算出の様子を示すタイミングチャートである。

図３の（ａ）は、復路光強度変調信号が光電気変換されて生成された復路マイクロ波位相変調信号の波形を示している。図３の（ｂ）は、移相器１３５により生成された復調用マイクロ波搬送波信号の波形を示している。図３の（ｃ）は、復調用マイクロ波搬送波信号（図３の（ｂ））を基準搬送波として使用し、復路マイクロ波位相変調信号（図３の（ａ））を同期検波することにより抽出された逆拡散時刻タイミング信号の波形を示している。図３の（ｄ）は、マイクロ波位相変調器１４０においてマイクロ波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。

基地局１００からリモート局２００に向けた往路マイクロ波位相変調信号が、復路マイクロ波位相変調信号としてリモート局２００から基地局１００に返送されてくるため、図３の（ｃ）と（ｄ）とにおけるタイミング差Δｔは、光ファイバ３００を往復したことによる往復遅延に相当する。

よって、遅延算出部１９０は、マイクロ波位相変調器１４０において光強度変調に使用した時刻タイミング信号と、マイクロ波位相変調信号復調器１８０において抽出された逆拡散時刻タイミング信号とを比較し、往復遅延に相当するタイミング差Δｔを求める。更に、遅延算出部１９０は、このΔｔの１／２を、光ファイバ３００を通して基地局１００からリモート局２００までに生じる伝送遅延として算出する。

［システム１Ａにおける各部の処理手順］
以下、図４のフローチャートを参照して、システム１Ａにおける各部の処理手順、すなわち、時刻タイミング信号を生成する方法の手順を説明する。図４は、実施の形態１に係るシステム１Ａにおける各部の処理手順を示すフローチャートである。

基地局１００では、前提として、時刻タイミング信号生成部１１０による時刻タイミング信号の生成と、基準マイクロ波信号生成部１３０による基準マイクロ波信号の生成と、レーザ光源１２０によるレーザ光の生成と、移相器１３５による基準マイクロ波信号の位相を調整した復調用マイクロ波搬送波信号の生成とを行っている。

まず、ステップＳ１０１において、マイクロ波位相変調器１４０は、時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調して、マイクロ波位相変調信号を生成する。この後、処理はステップＳ１０２へと進む。

ステップＳ１０２において、光強度変調器１５０は、マイクロ波位相変調信号により、レーザ光を光強度変調して、リモート局２００に伝送する光強度変調信号を生成する。この後、処理はステップＳ１０３へと進む。

ステップＳ１０３において、光分離器１６０は、光強度変調器１５０で生成された光強度変調信号を往路光強度変調信号として光ファイバ３００に供給する。供給された往路光強度変調信号は、光ファイバ３００を通して、リモート局２００に伝送される。この後、処理は、リモート局２００のステップＳ２０１に移る。

ステップＳ２０１において、リモート局２００は、光ファイバ３００を通して基地局１００から伝送された往路光強度変調信号を受信する。この後、処理はステップＳ２０２へと進む。

ステップＳ２０２において、ファラデー反射器２１０は、往路光強度変調信号の偏波を回転させつつ反射し、復路光強度変調信号として光ファイバ３００を通して基地局１００へ返送する。この後、処理は、基地局１００のステップＳ１０４に移る。

ステップＳ１０４において、光分離器１６０は、光ファイバ３００を通してリモート局２００から到達した復路光強度変調信号を、偏波の違いによって往路光強度変調信号と分離し、光電気変換器１７０に供給する。この後、処理はステップＳ１０５へと進む。

ステップＳ１０５において、光電気変換器１７０は、復路光強度変調信号を光電気変換し、復路光強度変調信号に含まれる復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出する。この後、処理はステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０６において、マイクロ波位相変調信号復調器１８０は、移相器１３５からの復調用マイクロ波搬送波信号を基準搬送波として用いて、復路マイクロ波位相変調信号を同期検波する。マイクロ波位相変調信号復調器１８０は、この同期検波により、復路マイクロ波位相変調信号から逆拡散により逆拡散時刻タイミング信号を抽出する。この後、処理はステップＳ１０７へと進む。

ステップＳ１０７において、遅延算出部１９０は、マイクロ波位相変調器１４０において光強度変調に使用した時刻タイミング信号と、マイクロ波位相変調信号復調器１８０において抽出された逆拡散時刻タイミング信号とを比較し、往復遅延に相当するタイミング差Δｔを求める。遅延算出部１９０は、更に、Δｔの１／２を伝送遅延として算出する。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で伝送される光信号に生じる伝送遅延を正確に測定することが可能になる。この後、処理はステップＳ１０８へと進む。

ステップＳ１０８において、制御部１０１は、伝送遅延だけ進めた時刻タイミング信号（以下、「リモート局用の時刻タイミング信号」と呼ぶ）を生成するよう、時刻タイミング信号生成部１１０を制御する。この後、処理はステップＳ１０９へと進む。

ステップＳ１０９において、制御部１０１は、光ファイバ３００を通してリモート局同期用光信号をリモート局２００に送信するよう制御する。このリモート局同期用光信号については、マイクロ波位相変調と光強度変調以外の変調であってもよい。この後、処理は、リモート局２００のステップＳ２０３に移る。

ステップＳ２０３において、リモート局２００は、光ファイバ３００を通して受信したリモート局同期用光信号からリモート局用の時刻タイミング信号を抽出し、リモート局用の時刻タイミング信号によってリモート局２００内の各部のタイミングを制御する。

以上の一連の処理により、基地局１００とリモート局２００との間において時刻を高精度に同期させた状態にすることができる。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。

［システム１Ａの特徴］
実施の形態１のシステム１Ａにおいて、ベースバンド信号としての精密な時刻タイミング信号で、搬送波としての基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成し、このマイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調して光強度変調信号を生成し、この光強度変調信号を伝送路である光ファイバ３００から取り出すことなく、基地局１００とリモート局２００との間を往復させて遅延を測定する。これにより、光電気変換器１７０とマイクロ波位相変調信号復調器１８０のみで復路光強度変調信号を復調して逆拡散時刻タイミング信号を抽出できるため、光信号周波数の制御が必要な複雑な光位相同期回路や光波長レベルでの伝送路長の温度補償等が不要になり、高精度な時刻同期が可能になる。

実施の形態１のシステム１Ａにおいて、遅延算出部１９０は、時刻タイミング信号と、逆拡散時刻タイミング信号とのタイミングを比較し、伝送遅延を算出している。ここで、逆拡散時刻タイミング信号は、時刻タイミング信号に、往路光強度変調信号の伝送時間と復路マイクロ波位相変調信号の伝送時間とが加わったものであるため、伝送遅延を高精度に算出することができる。

マイクロ波位相変調信号復調器１８０において復調される復路マイクロ波位相変調信号の搬送波周波数は、基準マイクロ波信号生成部１３０で生成された基準マイクロ波信号の周波数に、光ファイバ３００の伝送路変化による変異分が付加された程度であり、ほとんど変化していない。このため、マイクロ波位相変調信号復調器１８０は、基準マイクロ波信号生成部１３０で生成された元の基準マイクロ波信号を移相器１３５で位相シフトした復調用マイクロ波搬送波信号を用いることで、復路マイクロ波位相変調信号の同期検波による復調を容易に行うことができる。

実施の形態１のシステム１Ａにおいて、レーザ光の位相をパラメータとして用いていないため、レーザ光源１２０において生成されるレーザ光の波長安定性は重要でない。よって、波長安定性及び狭線幅発振特性等に特別に配慮された高価なレーザ光源を用いる必要はない。

実施の形態１のシステム１Ａにおいて、レーザ光の光周波数シフトを行っておらず、往復させる往路光強度変調信号と復路光強度変調信号との周波数差は、伝送により生じる変動程度であって極めて小さい。このため、往路光強度変調信号と復路光強度変調信号とを同一光波長とみなすことができる。このため、光ファイバ３００における波長分散の影響を非常に小さく抑えることができる。

実施の形態１のシステム１Ａにおいて、基地局１００からリモート局２００に向けて、基地局１００と同期した状態の時刻タイミング信号と共に、基準マイクロ波信号を伝送することができる。従って、リモート局２００において、時刻タイミング信号のほかに、基準マイクロ波信号を利用した各種の処理を実行することができる。

光強度変調器１５０がマイクロ波位相変調信号によりレーザ光を偏波保持状態で光強度変調し、偏波消光比の高い偏光光信号としての光強度変調信号を発生することができる。このため、光ファイバ３００の途中で異常反射により生じる異常反射光強度信号は、光分離器１６０において偏波の違いにより遮断されるため、異常反射光強度変調信号の影響を受けることなく、伝送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。

実施の形態１のシステム１Ａにおいて、マイクロ波位相変調器１４０における処理とマイクロ波位相変調信号復調器１８０における処理とはマイクロ波を扱う回路であり、光電気変換器１７０は単純な光電気変換回路である。このため、光信号周波数の制御が必要な複雑な光位相同期回路や光波長レベルでの伝送路長の温度補償等が不要であり、光位相変調信号復調器のような光周波制御や伝送路長の光波長レベルでの安定性は要求されない。従って、実施の形態１のシステム１Ａは、高精度な処理を容易に実現することができる。

レーザ光を位相変調する場合、位相変調により得られる光位相変調信号には振幅の変化が無いため、光電気変換によって目的の信号を直接的に検出することはできない問題を有している。これに対し、実施の形態１のシステム１Ａは、光強度変調器１５０によりレーザ光を強度変調することにより、振幅の変化を伴う光強度変調信号を生成している。このため、実施の形態１のシステム１Ａでは、光電気変換器１７０で復路光強度変調信号から復路マイクロ波位相変調信号を抽出することが可能になっている。これにより、光信号からマイクロ波信号への変換を容易に行うことができる。従って、簡易な回路構成により高精度な処理を行うことが可能になる。

以上のシステム１Ａ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において、光強度変調信号を外部に取り出していないため、往路光強度変調信号と復路光強度変調信号とは同一の経路を通っている。すなわち、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は発生しない。

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１Ｂの構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、実施の形態２に係るシステム１Ｂの構成を示すブロック図である。図６は、実施の形態２に係るシステム１Ｂにおける各部の処理手順を示すフローチャートである。なお、図５において、図１に示した実施の形態１に係るシステム１Ａと同一物には同一番号を付している。また、図６のフローチャートにおいて、図４のフローチャートと同一処理には同一ステップ番号を付している。

ここで、実施の形態２におけるシステム１Ｂの構成及び処理について、実施の形態１におけるシステム１Ａと異なる部分を中心にして説明する。

実施の形態１において、マイクロ波位相変調信号復調器１８０は、移相器１３５からの復調用マイクロ波搬送波信号を基準搬送波として用いて、復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより、逆拡散時刻タイミング信号を抽出していた。
一方、実施の形態２において、マイクロ波位相変調信号復調器１８１は、コスタスループ等により構成され、マイクロ波搬送波信号を再生する発信器を内蔵している。このため、マイクロ波位相変調信号復調器１８１は、ステップＳ１０６ｂにおけるマイクロ波搬送波信号の再生と、ステップＳ１０６ａにおける逆拡散時刻タイミング信号の抽出とを、単独で並行して行うことができる。

位相比較部１３２は、ステップＳ１１０において、基準マイクロ波信号生成部１３０で生成された基準マイクロ波信号と、マイクロ波位相変調信号復調器１８１で再生されたマイクロ波搬送波信号とを位相比較し、位相差信号を生成する。
移相器１３６は、ステップＳ１１１において、位相比較部１３２で生成された位相差信号に基づき、基準マイクロ波信号とマイクロ波搬送波信号との位相が一致するように、基準マイクロ波信号の位相を調整する。

これにより、実施の形態２のシステム１Ｂは、実施の形態１と同じ効果を得られるほか、以下のような特徴的な効果を得ることができる。
すなわち、リモート局２００に到達するリモート局同期用光信号（ステップＳ２０３）に含まれるマイクロ波位相変調信号の位相は、光ファイバ３００での伝送状態にかかわらず、固定された状態になる。従って、実施の形態２のシステム１Ｂにおいて、基地局１００からリモート局２００に向けて、基地局１００と同期した状態の時刻タイミング信号と共に、位相の固定された状態の基準マイクロ波信号を伝送することができる。この結果、リモート局２００において、時刻タイミング信号のほかに、基準マイクロ波信号を利用した各種の処理を実行することができる。

［実施の形態１と実施の形態２の比較］
以下、実施の形態１のシステム１Ａと実施の形態２のシステム１Ｂとの違いについて説明する。
実施の形態１のシステム１Ａの復路マイクロ波位相変調信号において、位相が反転するタイミング信号位置は安定しているものの、位相そのものは光ファイバ３００での長距離伝送の影響により安定しないことがある。ただし、マイクロ波位相変調信号復調器１８０を簡単な回路構成にすることができる。
一方、実施の形態２のシステム１Ｂの復路マイクロ波位相変調信号において、位相が反転するタイミング信号位置が安定しているだけでなく、光ファイバ３００での長距離伝送の影響にかかわらず位相そのものも安定している。ただし、マイクロ波位相変調信号復調器１８１は、コスタスループ等の複雑な回路構成にする必要がある。

以上のようなシステム１Ａとシステム１Ｂの特性の違いを考慮し、以下のような選択が考えられる。
リモート局２００に対して正確な時刻タイミング信号の伝送のみで良い場合は、実施の形態１のシステム１Ａを選択することが望ましい。
リモート局２００に対して正確な時刻タイミング信号を伝送するほかに、位相そのものが安定した状態の基準マイクロ波信号を伝送したい場合は、実施の形態２のシステム１Ｂを選択することが望ましい。

［変形例］
以下、システム１Ａとシステム１Ｂの変形例を以下に説明する。
実施の形態１及び２のリモート局２００におけるファラデー反射器２１０は、ファラデー回転子と方向性結合器との間を短い光ファイバによりループ形状に接続したものに置き換えることが可能である。

図２のタイミングチャートの（ａ）に示す時刻タイミング信号は、０１１０１００のＳＹＮ符号の場合を一例として示しているが、どのような符号列であってもよい。

［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を通して伝送する時刻タイミング信号を生成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。

この開示では、時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成し、マイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調して光強度変調信号を生成し、光強度変調信号を往路光強度変調信号として基地局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に伝送された往路光強度変調信号の偏波を回転させ、復路光強度変調信号として、光ファイバ３００を通して基地局１００に返送し、復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出し、基準マイクロ波信号の位相が調整された復調用マイクロ波搬送波信号を用いて復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出し、時刻タイミング信号と逆拡散時刻タイミング信号とのタイミング差から伝送遅延を求め、時刻タイミング信号を伝送遅延だけ進めてリモート局２００用の時刻タイミング信号を生成する。これにより、以上の方法を用いて生成された高精度な時刻タイミング信号を含むリモート局同期用光信号を、基地局１００からリモート局２００に伝送することができるため、離れた局同士において時刻を高精度に同期させることができる。

本開示は、たとえば、離れた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ができるため、超高速光通信、深宇宙探査、宇宙・天文精密計測、及び各種精密計測分野への応用が可能である。

１Ａ 実施の形態１のシステム、１Ｂ 実施の形態２のシステム、１００ 基地局、１０１ 制御部、１１０ 時刻タイミング信号生成部、１２０ レーザ光源、１３０ 基準マイクロ波信号生成部、１３２ 位相比較部、１３５ 移相器、１４０ マイクロ波位相変調器、１５０ 光強度変調器、１６０ 光分離器、１７０ 光電気変換器、１８０，１８１ マイクロ波位相変調信号復調器、１９０ 遅延算出部、２００ リモート局、２１０ ファラデー反射器、３００ 光ファイバ。

Claims (2)

1. 時刻タイミング信号により基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成するステップと、
   前記マイクロ波位相変調信号によりレーザ光を光強度変調して光強度変調信号を生成するステップと、
   前記光強度変調信号を往路光強度変調信号として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往路光強度変調信号の偏波を回転させ、復路光強度変調信号として、前記光ファイバを通して前記基地局に返送するステップと、
   前記復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出するステップと、
   基準マイクロ波信号の位相が調整された復調用マイクロ波搬送波信号を用いて前記復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出するステップと、
   前記時刻タイミング信号と前記逆拡散時刻タイミング信号とのタイミング差から伝送遅延を求めるステップと、
   前記時刻タイミング信号を前記伝送遅延だけ進めてリモート局用の時刻タイミング信号を生成するステップと、
   を備える、
   時刻タイミング信号を生成する方法。
2. 基地局とリモート局とが光ファイバを通して接続されたシステムであって、
   前記基地局は、
   レーザ光を生成するレーザ光源と、
   時刻タイミング信号を生成する時刻タイミング信号生成部と、
   基準マイクロ波信号を生成する基準マイクロ波信号生成部と、
   前記時刻タイミング信号により前記基準マイクロ波信号を位相変調してマイクロ波位相変調信号を生成するマイクロ波位相変調器と、
   前記マイクロ波位相変調信号により前記レーザ光を光強度変調して前記リモート局に伝送する光強度変調信号を生成する光強度変調器と、
   前記光強度変調信号を往路光強度変調信号として前記基地局から前記光ファイバを通して前記リモート局に伝送すると共に、前記光強度変調信号を往路光強度変調信号として前記光ファイバに供給すると共に、前記光ファイバを通して前記リモート局から返送される復路光強度変調信号を偏波の違いにより前記往路光強度変調信号から分離する光分離器と、
   前記復路光強度変調信号を光電気変換して復路マイクロ波位相変調信号を電気的に抽出する光電気変換器と、
   基準マイクロ波信号の位相を調整して復調用マイクロ波搬送波信号を生成する移相器と、
   前記復調用マイクロ波搬送波信号を用いて前記復路マイクロ波位相変調信号を同期検波することにより逆拡散時刻タイミング信号を抽出するマイクロ波位相変調信号復調器と、
   前記時刻タイミング信号と前記逆拡散時刻タイミング信号とのタイミング差から伝送遅延を求める遅延算出部と、
   前記時刻タイミング信号を前記伝送遅延だけ進め、リモート局用の時刻タイミング信号を生成する制御部と、を備え、
   前記リモート局は、前記基地局から伝送された前記往路光強度変調信号の偏波を回転させ、前記復路光強度変調信号として前記光ファイバを通して前記基地局に返送する逆送部を備える、
   時刻タイミング信号を生成するシステム。

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