(57)【要約】【課題】実効的な光路長の変動が少ない光干渉回路を実現する。【解決手段】基板上の導波路を用いて構成された光干渉回路であって、再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備えた。前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の３ｄＢカプラまでの参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の３ｄＢカプラまでの参照光経路を経由した経路の長さとが等しい。【選択図】図４
2020036229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の導波路を用いて構成された光干渉回路であって、
再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、
前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、
前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備え、
前記周波数同期検出回路および前記伝送路長揺らぎ検出回路は、
前記分岐カプラの出力に接続されたタップカプラ、
前記タップカプラの一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続された偏波ビームスプリッタ、
前記タップカプラの他方の出力が、参照光経路を介して一方の入力に接続された３ｄＢカプラ、および
前記タップカプラと前記偏波ビームスプリッタと前記３ｄＢカプラとを相互に接続している経路に挿入された偏波回転器を含み、
前記偏波ビームスプリッタの他方の偏波分離ポートは前記３ｄＢカプラの他方の入力に接続され、前記偏波ビームスプリッタの偏波合成ポートは伝送路ファイバ入出力ポートに接続され、前記３ｄＢカプラの出力は検出光出力ポートに接続され、
前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さとが等しいことを特徴とする光干渉回路。
【請求項２】
前記タップカプラから前記偏波ビームスプリッタを経由して前記伝送路ファイバ入出力ポートまでの経路の長さに前記伝送路ファイバ入出力ポートから前記偏波ビームスプリッタを経由して前記３ｄＢカプラまでの経路の長さを加えた長さと、前記タップカプラから前記参照光経路を経由して前記３ｄＢカプラまでの経路の長さとが等しいことを特徴とする請求項１記載の光干渉回路。
【請求項３】
前記タップカプラの光結合率は、５０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の光干渉回路。
【請求項４】
前記３ｄＢカプラの２つの出力に各々接続された２つの検出光出力ポートに、差動光検出器が接続されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光干渉回路。
【請求項５】
前記分岐カプラは、分岐比が可変の光カプラであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光干渉回路。
【請求項６】
周波数基準光を送信する光中継伝送システムにおける光送信装置であって、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに前記周波数基準光を入力する第１の光源と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器であって、その出力が後段の中継装置または受信装置に接続された光学変調器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに前記光学変調器を制御して周波数シフトを制御するための信号を出力する光検出器と
を備えたことを特徴とする光送信装置。
【請求項７】
周波数基準光を中継する光中継伝送システムにおける中継装置であって、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第１の光源と、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに前記第１の光源の発振周波数を制御するための信号を出力する光検出器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器であって、その出力が後段の中継局または受信局に接続された光学変調器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに前記光学変調器を制御して周波数シフトを制御するための信号を出力する光検出器とを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートから出力することを特徴とする中継装置。
【請求項８】
周波数基準光を受信する光中継伝送システムにおける光受信装置であって、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第１の光源と、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに前記第１の光源の発振周波数を制御するための信号を出力する光検出器とを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートまたは前記第１の光源の出力に挿入した分岐カプラから出力することを特徴とする光受信装置。
【請求項９】
周波数基準光を伝送する光中継伝送システムであって、
請求項６に記載された光送信装置と、
請求項８に記載された光受信装置と、
前記光送信装置と前記光受信装置との間に挿入された１または複数の請求項７に記載された中継装置と
を備えたことを特徴とする光中継伝送システム。
【請求項１０】
周波数基準光を伝送する光中継伝送システムにおける伝送方法であって、
再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、
前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、
前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備え、
前記周波数同期検出回路および前記伝送路長揺らぎ検出回路は、
前記分岐カプラの出力に接続されたタップカプラ、
前記タップカプラの一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続された偏波ビームスプリッタ、
前記タップカプラの他方の出力が、参照光経路を介して一方の入力に接続された３ｄＢカプラ、および
前記タップカプラと前記偏波ビームスプリッタと前記３ｄＢカプラとを相互に接続している経路に挿入された偏波回転器を含み、
前記偏波ビームスプリッタの他方の偏波分離ポートは前記３ｄＢカプラの他方の入力に接続され、前記偏波ビームスプリッタの偏波合成ポートは伝送路ファイバ入出力ポートに接続され、前記３ｄＢカプラの出力は検出光出力ポートに接続され、
前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さとが等しい光干渉回路を有する局において、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに接続された光検出器からの信号を用いて、前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第１の光源の発振周波数を制御するステップと、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに接続された光検出器からの信号を用いて、前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器を制御して周波数シフトを制御するステップとを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートから出力することを特徴とする伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉回路に関し、より詳細には、極めて高精度な周波数基準光を中継する光中継伝送システムにおける光送信装置、中継装置、光受信装置に適用可能な光干渉回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい時間周波数標準（周波数標準）として光を用いた光時計技術が進展しつつある。従来、周波数標準にはセシウム133Ｃｓのマイクロ波遷移（約９．２ＧＨｚ）を用いた原子時計が用いられており、その不確かさは１０-15程度であった。これに対して、近年、研究が加速している、ストロンチウム87Ｓｒの光周波数遷移（約５００ＴＨｚ）を用いた光原子時計（光時計）では、１０-18の不確かさが得られている（例えば、非特許文献１，２参照）。これは、量子限界で決まる遷移周波数揺らぎが基本的には周波数に依存しないため、遷移周波数揺らぎと遷移周波数の比である不確かさは、利用する周波数が高いほど本質的に有利になることに起因している。
【０００３】
光時計を用いて得られる極めて高精度な周波数を持つ周波数基準光を、その周波数精度を保持したまま伝送する技術として、光ファイバを用いた周波数高精度伝送技術がある（例えば、非特許文献３，４参照）。光ファイバは伝搬損失が安定して小さく、光信号を伝送する媒体としては最適である。しかしながら、一般的に物理媒体は、光弾性効果、熱光学効果を有するため、振動や温度変化によって実効的な光学的な長さが僅かに変動する。この長さ変動は、伝搬光に対してドップラー効果を起こすため、伝搬光の周波数揺らぎを引き起こすことになる。従って、周波数精度を保持したまま周波数基準光を伝送するには、この長さ変動を実効的に補正する機構が伝送システムとして必要となる。
【０００４】
図１に、従来の周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す。光格子時計が置かれる送信局１０１と、周波数基準光が配信される受信局１０５の間は、光伝送路である伝送用光ファイバ１０２、１０４で接続され、必要に応じて伝送路の途中に中継局１０３が配置される（図１では、中継局１０３は１つだけ配置されている）。送信局１０１には、ファイバ長揺らぎ補償部１１０が置かれ、受信局１０５には、基準光再生部１４０が置かれる。中継局１０３には、基準光再生部１２０とファイバ長揺らぎ補償部１３０とが置かれ、基準光再生部１２０で再生された周波数基準光は、ファイバ長揺らぎ補償部１３０に入力されて次局へと中継される。
【０００５】
図２に、従来のファイバ長揺らぎ補償部１１０、１３０の構成を示す。ファイバ長揺らぎ補償部１１０、１３０は、マイケルソン干渉計に類似した空間型光干渉回路１１１、光検出器（ＰＤ：Photo Detector）１１２、クロック源（ＣＬＫ）１１３、ミキサ（ＤＢＭ：Double Balanced Mixer）１１４、電圧制御発振器（ＶＣＯ:Voltage Controlled oscillator）１１５、音響光学変調器（ＡＯＭ：AcoustoOptic Modulator）１１６から構成されている。
【０００６】
図３に、基準光再生部１２０，１４０の構成を示す。基準光再生部１２０，１４０は、偏波制御器（ＰＣ:Polarized wave Controller）１２１、音響光学変調器１２２、マイケルソン干渉計に類似した空間型光干渉回路１２３、光検出器１２４、クロック源１２５、ミキサ１２６、基準光再生光源（ＬＤ：Laser Diode）１２７から構成されている。
【０００７】
送信局１０１において、光時計で生成された周波数基準光は、光ファイバ伝送に適した周波数、例えば、約１．４μｍ帯の周波数ｆ0に変換され、伝送される周波数基準光（マスタ光）としてファイバ長揺らぎ補償部１１０に入力される。ファイバ長揺らぎ補償部１１０において、周波数基準光は、空間型光干渉回路１１１を経由して、音響光学変調器１１６により周波数シフトｆsa＝ｆm−δｆ’を受けた後、伝送用光ファイバ１０２へ出射される。ここで、ｆmは音響光学変調器１１６の中心音響周波数、例えば１００ＭＨｚである。δｆ’は、後述するようにファイバ長揺らぎにより生じる周波数の揺らぎを補正する周波数である。
【０００８】
伝送用光ファイバ１０２を伝搬した周波数基準光は、上述したように、振動や温度変化によって周波数変動δｆを受ける。従って、光ファイバ伝送後の周波数基準光の周波数は、ｆ0＋ｆsa＋δｆとなる。
【０００９】
中継局１０３で受信された周波数基準光は、基準光再生部１２０において、偏波制御器１２１により、空間型光干渉回路１２３における光干渉が最大となるように偏波状態が制御され、音響光学変調器１２２により一定の周波数シフトｆsbを受ける。ここで、周波数シフトｆsbは、ｆsb＝−ｆm−ｆCLKとなるようにする。ｆCLKは、クロック源１２５の周波数であり、例えば１０ＭＨｚが用いられる。よって、音響光学変調器１２２から出力される周波数基準光の周波数ｆ0’は、  
ｆ0’＝ｆ0−ｆCLK＋δｆ−δｆ’
となる。
【００１０】
基準光再生光源１２７は、後述するように、ヘテロダイン検波による位相ロックループ（ＰＬＬ）を用いて周波数ロックされた周波数  
ｆ1＝ｆ0’＋ｆCLK＋ｆerr
の光が再生され、これが再生基準光となる。ｆerrは、周波数ロックがずれてしまった場合の周波数ずれ量であり、ＰＬＬがきちんと動作していればｆerr＝０となる。
【００１１】
再生基準光ｆ1と受信した周波数基準光ｆ0’とは、空間型光干渉回路１２３で干渉し、光検出器１２４において、２つの基準光の差
ΔｆLD＝ｆ1−ｆ0’＝ｆCLK＋ｆerr
の干渉ビート信号が検出（ヘテロダイン検波）される。このビート信号とクロック源１２５からのクロック周波数ｆCLKとをミキサ１２６で乗算し、図示しない適切な低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を通すことにより、ベースバンドでの誤差信号として周波数ずれｆerrを検出することができる。すなわち、ミキサ１２６は、ＬＰＦ等を組み合わせることにより、クロック周波数ｆCLKに対する一種の周波数比較を行う周波数比較器として動作する。なお、必要に応じてビート信号をミキサ１２６に入力する前に、分周器で分周して位相比較範囲（ロック範囲）を拡大することもできる。
【００１２】
この誤差信号を用いて、基準光再生光源１２７の発振周波数を制御して位相ロックをかけることにより、ｆerr＝０となり、再生基準光の光周波数ｆ1を正確にｆ0’＋ｆCLKに合せることができる（基準光再生動作）。
【００１３】
再生基準光ｆ1は、空間型光干渉回路１２３経由で、音響光学変調器１２２、偏波制御器１２１、および伝送用光ファイバ１０２を逆伝搬して、送信局１０１へ送り返される。さらに、送信局１０１の音響光学変調器１１６を通って、空間型光干渉回路１１１に入力される。再生基準光ｆ1は、逆伝搬の過程で順伝搬時と同様にｆsb＋δｆ＋ｆsaの周波数シフトを受ける。従って、逆伝搬した再生基準光の空間型光干渉回路１１１での干渉時における周波数ｆ1’は、
ｆ1’＝ｆ1＋ｆsb＋δｆ＋ｆsa
＝（ｆ0’＋ｆCLK）＋（−ｆm−ｆCLK）＋δｆ＋（ｆm−δｆ’）
＝ｆ0’＋δｆ−δｆ’＝（ｆ0−ｆCLK＋δｆ−δｆ’）＋δｆ−δｆ’
＝ｆ0−ｆCLK＋２（δｆ−δｆ’）
となる。この逆伝搬した再生基準光ｆ1’と元の周波数基準光ｆ0とは、空間型光干渉回路１１１で干渉し、光検出器１１２では両基準光の差
Δｆfbr＝ｆ0−ｆ1’＝ｆCLK＋２（δｆ’−δｆ）
の干渉ビート信号が検出（ヘテロダイン検波）される。
【００１４】
クロック源１１３からのクロック周波数を、中継局１０３のクロック源１２５のクロック周波数と同じｆCLKとする。光検出器１１２からのビート信号とクロック源１１３からのクロック周波数とをミキサ１１４で乗算し、図示しない適切な低域通過フィルタを通すことにより、ベースバンドでの誤差信号として周波数ずれｆsft＝２（δｆ’−δｆ）を検出することができる。すなわち、ミキサ１１４も、ＬＰＦ等を組み合わせることにより、クロック周波数ｆCLKに対する一種の周波数比較を行う周波数比較器として動作する。なお、必要に応じてビート信号をミキサ１１４に入力する前に、分周器で分周して位相比較範囲（ロック範囲）を拡大することもできる。
【００１５】
この誤差信号を用いて、電圧制御発振器１１５から出力する発振周波数、すなわち、音響光学変調器１１６における周波数シフトｆsaを制御して位相ロックをかける。その結果、ｆsft＝０となり、δｆ’＝δｆの状態を得ることができ、伝送用光ファイバ１０２のファイバ長揺らぎを実質的に補償することができる（ファイバ長揺らぎ補償動作）。
【００１６】
ここで、電圧制御発振器１１５と音響光学変調器１１６とは、電気制御によって周波数シフト量を変えることができる可変光周波数シフタとして機能していることになる。なお、音響光学変調器１２２は、周波数シフト量が一定の固定光周波数シフタとして機能していることになる。
【００１７】
この状態において、中継局１０３ではｆ0’＝ｆ0−ｆCLKが実現されるので、再生された再生基準光ｆ1の光周波数は正確にｆ0になり、送信局１０１における周波数基準光ｆ0が中継局１０３で正確に再生されることになる。次の局間においても再生された再生基準光を用い、ファイバ長揺らぎ補償と基準光再生を繰り返すことにより、ファイバ長揺らぎの影響を抑制して、正確な周波数基準光を順繰りに伝送することができる。
【００１８】
なお、各局で用いるクロック源の発振周波数ｆCLKにズレが生じていると、伝送される周波数基準光にはこのズレが誤差として累積していくことになる。例えば、全地球測位システムＧＰＳを用いた市販の１０ＭＨｚクロック源でも不確かさ１０-12が得られており、周波数誤差としては１０-5Ｈｚが得られている。この周波数誤差は、伝送される周波数基準光の周波数ｆ0≒２１５ＴＨｚに対する不確かさとしては１０-19になるので、元々の周波数基準光の不確かさ１０-18に対しても十分小さい値になっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】香取秀俊、「光格子時計の発明と展開」、応用物理、第８１巻８号６５６−６６２頁、２０１２年
【非特許文献２】Ichiro Ushijima, et al., "Cryogenic optical lattice clocks," Nature Photonics, vol.9, pp.185-189, March 2015.
【非特許文献３】Olivier Lopez, et al., "Cascaded multiplexed optical link on a telecommunication network for frequency dissemination," Optics Express, vol.17, no.16, pp.16849-16857, 2010.
【非特許文献４】Tomoya Akatsuka, et al., "30-km-long optical fiber link at 1397 nm for frequency comparison between distant strontium optical lattice clocks," Japanese Journal of Applied Physics , vol.53, 032801, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述したように、従来の周波数高精度伝送技術では、マイケルソン干渉計に類似した空間型光干渉回路を用いた干渉結果をフィードバックすることにより、再生基準光の周波数の調整とファイバ長揺らぎの補償とを行っている。従って、空間型光干渉回路の干渉条件の時間変動は、これら調整や補償の誤差要因となる。例えば、空間型光干渉回路１１１においてハーフミラー１１１ａからミラー１１１ｂまでの往復経路は、伝送用光ファイバ１０２からの戻り光に対する参照光の経路となっている。この光路の長さが時間変動すると、参照光の周波数／位相が揺らぐことになり、伝送用光ファイバ１０２からの戻り光の周波数／位相を正確に検出することができなくなる。同様に、空間型光干渉回路１２３においても、ハーフミラー１２３ａからミラー１２３ｂまでの往復経路の長さが変動すると、再生基準光の周波数／位相が揺らぐことになり、受信した周波数基準光ｆ0’に対する再生基準光ｆ1の周波数差／位相差を正確に検出することができなくなる。いずれも正確な周波数基準光の伝送を阻害する要因となる。
【００２１】
また、中継局１０３において基準光再生部１２０で再生された再生基準光ｆ1は、ハーフミラー１２８で分岐されて、一方は空間型光干渉回路１２３に、他方はファイバ長揺らぎ補償部１３０の空間型光干渉回路１１１に向かう。この二手に分かれてからそれぞれの空間型光干渉回路までの長さの差が変動すると、基準光再生部１２０に入力される再生基準光とファイバ長揺らぎ補償部１３０に入力される再生基準光の周波数／位相が異なることになる。これもまた、正確な周波数基準光の伝送を阻害する要因となる。従って、これら光路長の時間変動が極力生じないように、光学系を構成する必要がある。
【００２２】
しかしながら、従来技術では、空間型光干渉回路が光学定盤上にバルク光学部品を並べた空間光学技術を用いて構成されていたため、風／振動／温度変化による空気の屈折率変動、光学部材／定盤の伸縮などにより、上述した光路長の時間変動が無視できないという問題があった。また、従来のマイケルソン干渉計に類似した空間型光干渉回路によりビート信号を得る方法は、干渉によって光検出器に入射される平均光電力が減少し、検出感度が落ちるといった問題もあった。さらに、従来技術では、中継局において周波数基準光の中継伝送は、単一地点に向けた中継しかできず、複数地点に向けた中継伝送ができないという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の目的は、実効的な光路長の変動が少ない光干渉回路を実現することにより、高精度で高安定な周波数基準光を伝送することができる光中継伝送システムにおける光送信装置、中継装置、光受信装置を提供することにある。
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、基板上の導波路を用いて構成された光干渉回路であって、再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備え、前記周波数同期検出回路および前記伝送路長揺らぎ検出回路は、前記分岐カプラの出力に接続されたタップカプラ、前記タップカプラの一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続された偏波ビームスプリッタ、前記タップカプラの他方の出力が、参照光経路を介して一方の入力に接続された３ｄＢカプラ、および前記タップカプラと前記偏波ビームスプリッタと前記３ｄＢカプラとを相互に接続している経路に挿入された偏波回転器を含み、前記偏波ビームスプリッタの他方の偏波分離ポートは前記３ｄＢカプラの他方の入力に接続され、前記偏波ビームスプリッタの偏波合成ポートは伝送路ファイバ入出力ポートに接続され、前記３ｄＢカプラの出力は検出光出力ポートに接続され、前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記３ｄＢカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さとが等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、導波路技術を用いることにより実効的な光路長の変動が小さい光干渉回路を提供することができ、高精度な周波数基準光を伝送することができる。また、光干渉回路をマッハツェンダー干渉計に類似した構成とし、各経路の長さを規定することにより、実効的な光路長の変動の影響を相殺する光干渉回路を提供することができ、高精度で高安定な周波数基準光を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す図である。
【図２】従来のファイバ長揺らぎ補償部の構成を示す図である。
【図３】従来の基準光再生部の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる偏波直交型の光干渉回路の構成を示す図である。
【図５】第１の実施形態の光干渉回路を適用した中継局の構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態の差動光検出器から出力される干渉ビート信号の振幅と光干渉回路のタップカプラのタップ率との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波型の光干渉回路の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、干渉回路共用型の光干渉回路の構成を示す図である。
【図９】第３の実施形態に係る周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す図である。
【図１０】第３の実施形態の光干渉回路を適用した中継局の構成を示す図である。
【図１１】第３の実施形態の光干渉回路を空間光学系で構成した場合を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、捨て光再利用型の光干渉回路の構成を示す図である。
【図１３】第４の実施形態の差動光検出器から出力される干渉ビート信号の振幅と光干渉回路のタップカプラのタップ率との関係を示す図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる多出力型の光干渉回路の構成を示す図である。
【図１５】第５の実施形態に係る周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す図である。
【図１６】第５の実施形態の光干渉回路を適用した中継局の構成を示す図である。
【図１７】第５の実施形態において、第３の実施形態の光干渉回路を援用した時の基準光再生および複数のファイバ長揺らぎ補償に用いる光干渉回路の構成を示す図である。
【図１８】第５の実施形態において、図１７の光干渉回路を適用した時の中継局の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、光干渉回路に石英系の平面光波回路（ＰＬＣ）技術を用いた例を示している。石英系ＰＬＣは、低損失で高信頼な導波路デバイスであり、これまで通信用光デバイスとして光合分波器、光スイッチ、光スプリッタ等の集積回路を実現するプラットフォームとして広く利用されているからである。しかしながら、本発明の光干渉回路は、特に材料を指定するものではないことから、石英系導波路に限ったものではなく、シリコン（Ｓｉ）導波路、インジウムリン（ＩｎＰ）系導波路、高分子系導波路など他の材料系の導波路を用いることができる。
【００２８】
［第１の実施形態］
（偏波直交型光干渉回路の構成）
図４に、本発明の第１の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる偏波直交型の光干渉回路２００の構成を示す。光干渉回路２００は、導波路を用いた光回路で構成され、再生基準光入力ポート２０１からの光を分岐する分岐カプラ２０２と、分岐カプラ２０２の一方の出力に接続される周波数同期検出回路２１０と、他方の出力に接続される伝送路長揺らぎ検出回路２２０とから構成される。
【００２９】
周波数同期検出回路２１０は、分岐カプラ２０２からの光の一部を分岐するタップカプラ２１１と、タップカプラ２１１の一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続される偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ：:Polarized Beam Splitter）２１２と、他方の出力に参照光経路２１８を介して接続される３ｄＢカプラ２１４とを含む。ＰＢＳ２１２の偏波合成ポートは、伝送路ファイバ入出力ポート２１５に接続され、他方の偏波分離ポートは３ｄＢカプラ２１４に接続されている。３ｄＢカプラ２１４の出力は、検出光出力ポート２１６／２１７に接続されている。さらに、タップカプラ２１１、ＰＢＳ２１２、３ｄＢカプラ２１４を相互に接続している光経路のいずれか１つには、偏波回転器２１３（２１３ａ、２１３ｂ）が設置されている。なお、全ての箇所に偏波回転器２１３、２１３ａ、２１３ｂを設置しても良い。
【００３０】
伝送路長揺らぎ検出回路２２０も周波数同期検出回路２１０と同じ構成であり、タップカプラ２２１、ＰＢＳ２２２、３ｄＢカプラ２２４、偏波回転器２２３（２２３ａ、２２３ｂ）を含み、伝送路ファイバ入出力ポート２２５、検出光出力ポート２２６／２２７に接続されている。
【００３１】
第１の実施形態の中継局１０３は、図５（ａ）に示した従来の中継局１０３における基準光再生部１２０の空間型光干渉回路１２３、ハーフミラー１２８およびミラー１２９と、ファイバ長揺らぎ補償部１３０の空間型光干渉回路１１１とが、図５（ｂ）に示すように、一体となって光干渉回路２００に置き換えられる。空間型光干渉回路１１１、１２３が１つの光干渉回路２００となり、空間型光干渉回路１１１、１２３において空間を伝搬する光信号は、光干渉回路２００では光導波路を伝搬する。
【００３２】
基準光再生部１２０においては、再生基準光入力ポート２０１に基準光再生光源１２７が接続され、伝送路ファイバ入出力ポート２１５に固定周波数シフタとしてのＡＯＭ１２２が接続される。検出光出力ポート２１６／２１７には、差動光検出器２１９が光検出器１２４として接続される。再生基準光入力ポート２０１には、基準光再生光源１２７からの光をＴＥ偏波またはＴＭ偏波に規定して入力する。どちらの偏波で規定するかは、ＰＢＳ２１２、２２２の偏波分離の方向、偏波回転器２１３、２２３の挿入場所によって決まる。
【００３３】
ファイバ長揺らぎ補償部１３０においては、伝送路ファイバ入出力ポート２２５に可変周波数シフタとしてのＡＯＭ１１６が接続され、検出光出力ポート２２６／２２７には、差動光検出器２２９が光検出器１１２として接続される。
【００３４】
なお、中継局１０３において、クロック源１１３、１２５をまとめて１つとしても良い。伝送用光ファイバにおける光反射の影響を抑制するために、音響光学変調器１１６、１２２は、伝送用光ファイバ１０２、１０４の終端部に配置した方が望ましいが、ファイバ長揺らぎ補償部に集約してもよい。さらに、音響光学変調器１１６、１２２は、一台で所望の周波数シフト量を扱えるのであれば、一つにまとめることもできる。このようにして、図５（ｃ）に示すように、中継局１０３の構成を簡易化することができる。
【００３５】
また、偏波制御器１２１は、伝送用光ファイバが偏波保持ファイバの場合は省略することができる。基準光再生部１２０のミキサ１２６とファイバ長揺らぎ補償部１３０のミキサ１１４とは、図示しないＬＰＦ、分周器等と共に周波数比較器として動作しているが、このようなアナログ回路による構成だけでなく、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタル信号処理器（ＤＳＰ）、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）の組み合わせによるデジタル信号処理を用いても良い。さらに、光周波数シフタに用いている変調器は、音響光学変調器に限られるものではなく、例えば、光単側波帯（光ＳＳＢ）変調器等の他の手段を用いても良い。これらの簡略化、省略、代替などは、後述する他の実施形態においても同様に考えることができる。
【００３６】
なお、第１の実施形態の送信局１０１では、ファイバ長揺らぎ補償部１１０に関連する部分のみの光干渉回路２００が接続される。光ファイバ伝送に適した周波数（例えば、約１．４μｍ帯）に変換された伝送用の周波数基準光（マスタ光）が再生基準光入力ポート２０１に入力される。伝送路長揺らぎ検出回路２２０の伝送路ファイバ入出力ポート２２５に可変周波数シフタとしてのＡＯＭ１１６が接続され、周波数基準光が後段の局に出力される。検出光出力ポート２２６／２２７には、差動光検出器２２９が光検出器１１２として接続され、ファイバ長揺らぎ補償動作を行う。送信局１０１では、前段の局が無いので、周波数同期検出回路２１０は使用せず、基準光再生動作は行わない。
【００３７】
なお、送信局１０１において、周波数基準光（マスタ光）の光電力が弱い場合等は、送信局１０１においても、周波数同期検出回路２１０を使用して中継局１０３と同様の構成を用い、基準光再生動作も行う。
【００３８】
また、第１の実施形態の受信局１０５では、基準光再生部１４０に関連する部分のみの光干渉回路２００が接続される。再生基準光入力ポート２０１に基準光再生光源１２７が接続され、周波数同期検出回路２１０の伝送路ファイバ入出力ポート２１５に固定周波数シフタとしてのＡＯＭ１２２が接続され、前段の局からの周波数基準光が入力される。検出光出力ポート２１６／２１７には、差動光検出器２１９が光検出器１２４として接続され、基準光再生動作を行う。再生基準光入力ポート２０１に入力する直前でタップする、または、伝送路長揺らぎ検出回路２２０の伝送路ファイバ入出力ポート２２５からの出力光を利用することにより、再生基準光を取り出す。受信局１０５では、後段の局がないので、伝送路長揺らぎ検出回路２２０は再生基準光の取り出し以外では使用せず、ファイバ長揺らぎ補償動作は行わない。
【００３９】
なお、受信局１０５において、光干渉回路２００を用いて再生された再生基準光を局内の他装置に配信する光ファイバ等の伝送路の伝送路長揺らぎが無視できない場合は、受信局１０５においても、中継局１０３と同様の構成を用い、ファイバ長揺らぎ補償動作も行う。
【００４０】
（偏波直交型光干渉回路の動作）
光干渉回路２００の動作について、以下に説明する。ここでは、再生基準光入力ポート２０１へは再生基準光がＴＭ偏波で入力され、参照光経路２１８、２２８に偏波回転器２１３、２２３が設置されているとする。また、ＰＢＳ２１２、２２２は、ＴＭ偏波光がクロス経路（タップカプラ２１１、２２１と伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５を結ぶ経路）、ＴＥ偏波光がバー経路（３ｄＢカプラ２１４、２２４と伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５を結ぶ経路）で１００％伝搬するように設計されているとする。再生基準光入力ポート２０１へ入力された再生基準光は、分岐カプラ２０２で分岐され、周波数同期検出回路２１０と伝送路揺らぎ検出回路２２０とに入力される。
【００４１】
周波数同期検出回路２１０に入力された再生基準光は、タップカプラ２１１で２分岐され、一方の分岐光は、ＰＢＳ２１２を経由してＴＭ偏波で伝送路ファイバ入出力ポート２１５から光ファイバ２１５ａへ出力される。すなわち、ＡＯＭ１２２と偏波制御器１２１とを経て、前段の送信局１０１へ伝送される。タップカプラ２１１で２分岐された他方の分岐光は、参照光経路２１８を通り、偏波回転器２１３によってＴＭ偏波からＴＥ偏波に変換された後、３ｄＢカプラ２１４に参照光として導かれる。
【００４２】
伝送路ファイバ入出力ポート２１５には、前段の送信局１０１から伝送されてきた周波数基準光が、偏波制御器１２１で偏波調整されてＴＥ偏波となって入力される。この周波数基準光は、ＰＢＳ２１２によって３ｄＢカプラ２１４に被検出光として導かれる。
【００４３】
３ｄＢカプラ２１４では、再生基準光（参照光）と前段の局から伝送されてきた周波数基準光（被検出光）とが干渉する。３ｄＢカプラ２１４の入力における、参照光の光電力をＰL、被検出光の光電力をＰS、参照光と被検出光の光位相の差をθとすると、３ｄＢカプラの公知の伝達特性により、検出光出力ポート２１６には式１の光電力ＰUが出力され、検出光出力ポート２１７には式２の光電力ＰDが出力される。
【００４４】
【数１】
2020036229.tif 000003
【００４５】
【数２】
2020036229.tif 000004
【００４６】
参照光と被検出光に周波数差Δｆがある場合、光位相の差θ＝２π・Δｆ・ｔとなる。差動光検出器２１９の上側の光検出器と下側の光検出器には、これら光電力に比例した光電流が流れる。従って、各光検出器において、各式の第１項ＰLとＰSの相加平均に比例した直流成分の光電流と、振幅が第２項のＰLとＰSの相乗平均に比例した周波数Δｆの交流成分の光電流（干渉ビート信号）とが検出される。差動光検出器２１９としては、上側の光検出器の光電流と下側の光検出器の光電流の差（ＰU−ＰDに比例した）が出力されるので、第１項の直流成分の光電流は相殺され、第２項の交流成分の光電流のみが出力される。すなわち、振幅２（ＰL・ＰS）1/2に比例した周波数Δｆの干渉ビート信号が出力される。この干渉ビート信号を用いて、基準光再生光源１２７の発振周波数を制御することにより、再生基準光の光周波数ｆ1を、前段の送信局１０１から伝送されてきた周波数基準光ｆ0’にクロック周波数ｆCLKを加えた周波数ｆ0’＋ｆCLKに合せることができる（基準光再生動作）。
【００４７】
一方、伝送路揺らぎ検出回路２２０に入力された再生基準光は、周波数同期検出回路２１０と同様に、再生基準光の一部がＴＭ偏波で伝送路ファイバ入出力ポート２２５から出力され、ＡＯＭ１１６を経て、後段の受信局１０５へ伝送される。伝送路ファイバ入出力ポート２２５には、後段の受信局１０５から伝送されてきた後段の再生基準光がＴＥ偏波で入力される。再生基準光（参照光）と後段の再生基準光（被検出光）とが３ｄＢカプラ２２４で干渉し、干渉ビート信号が差動光検出器２２９から出力される。この干渉ビート信号を用いて、電圧制御発振器１１５から音響光学変調器１１６における周波数シフトを制御することにより、伝送用光ファイバ１０４のファイバ長揺らぎを実質的に補償することができる（ファイバ長揺らぎ補償動作）。
【００４８】
光干渉回路２００は、導波路を用いた光回路で構成されているため、従来技術で問題となっていた風等による空気の屈折率変動の影響は全く生じない。また、導波路に用いている石英系の材料は、光弾性効果も十分小さいため、振動による導波路の屈折率変動の影響も無視できるほど小さい。
【００４９】
（温度特性を考慮した設計）
次に、環境温度変化による光干渉回路２００の物理的なサイズの伸び縮み、すなわち、経路長の温度依存性の影響と、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計について詳細に説明する。温度依存性の影響を小さくする為ためには、分岐カプラ２０２から周波数同期検出回路２１０のタップカプラ２１１、参照光経路２１８を経由して３ｄＢカプラ２１４までの経路長Ｌ0と、分岐カプラ２０２から伝送路長揺らぎ検出回路２２０のタップカプラ２２１、参照光経路２２８を経由して３ｄＢカプラ２２４までの経路長Ｌ1が同じになる（Ｌ0＝Ｌ1）ように設計する。光が感じる経路の長さ、すなわち光路長は、経路長に導波路の等価屈折率ｎeqを乗じた値となるので、上記の各経路の光路長Ｌｐ0、Ｌｐ1は、それぞれ、
Ｌｐ0＝ｎeq・Ｌ0
Ｌｐ1＝ｎeq・Ｌ1
となる。環境温度の変動によって、光干渉回路２００の物理的なサイズの伸び縮みが生じても、その伸び縮みの比率は、光干渉回路２００の中では概ね均一であると考えて良いので、常にＬ0＝Ｌ1が保たれることから、Ｌｐ1＝Ｌｐ0が保たれる。また、環境温度が変化して導波路の等価屈折率ｎeqが変化しても、やはり、Ｌｐ1＝Ｌｐ0が保たれる。
【００５０】
このように、Ｌ0＝Ｌ1で設計を行っておけば、環境温度変化より、光路長Ｌｐ1、Ｌｐ0の値が変化しても、これら光路長の関係は常にＬｐ1＝Ｌｐ0に保たれる。Ｌｐ1＝Ｌｐ0が保たれるということは、分岐カプラ２０２で分岐された再生基準光に関して、３ｄＢカプラ２１４における再生基準光（周波数同期検出回路２１０の参照光）の光位相と、３ｄＢカプラ２２４における再生基準光（伝送路揺らぎ検出回路２２０の参照光）の光位相との差が変動しないことを意味する。上述したように、再生基準光の周波数同期は、３ｄＢカプラ２１４で生じる干渉ビート信号に基づいて行われ、ファイバ長揺らぎ補償は３ｄＢカプラ２２４で生じる干渉ビート信号に基づいて行われる。もし、３ｄＢカプラ２１４における再生基準光の光位相と３ｄＢカプラ２２４における再生基準光の光位相との差が変動してしまうと、ファイバ長揺らぎ補償に用いる再生基準光の周波数が前段の局から伝送されてきた周波数基準光の周波数と、厳密には異なってしまうことになり、ファイバ長揺らぎ補償の精度が低下することになる。Ｌｐ1＝Ｌｐ0が保たれれば、このような精度低下を招くことなく、正確に周波数基準光の伝送することができる。
【００５１】
なお、導波路に複屈折があって、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の等価屈折率が、それぞれｎeqTEとｎeqTMであり異なる場合は、それを考慮した設計となる。例えば、再生基準光がＴＭ偏波で規定して再生基準光入力ポート２０１へ入力され、参照光経路２１８、２２８に偏波回転器２１３、２２３が設置されているとする。このとき、分岐カプラ２０２−タップカプラ２１１−偏波回転器２１３−３ｄＢカプラ２１４のそれぞれを接続する経路の経路長を順にＬ01、Ｌ02、Ｌ03とし、分岐カプラ２０２−タップカプラ２２１−偏波回転器２２３−３ｄＢカプラ２２４のそれぞれを接続する経路の経路長を順にＬ11、Ｌ12、Ｌ13とすると、  
Ｌｐ0＝ｎeqTM・（Ｌ01＋Ｌ02）＋ｎeqTE・Ｌ03
Ｌｐ1＝ｎeqTM・（Ｌ11＋Ｌ12）＋ｎeqTE・Ｌ13
となる。従って、環境温度変動があってもＬｐ0＝Ｌｐ1を維持するためには、
Ｌ01＋Ｌ02＝Ｌ11＋Ｌ12、Ｌ03＝Ｌ13
となるように設計することが望ましい。
【００５２】
周波数同期検出回路２１０の伝送路ファイバ入出力ポート２１５のチップ端面において、再生基準光の周波数と前段の局から伝送されてきた周波数基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる必要がある場合は、タップカプラ２１１からＰＢＳ２１２を経由して伝送路ファイバ入出力ポート２１５のチップ端面までの経路長Ｌ04に、伝送路ファイバ入出力ポート２１５のチップ端面からＰＢＳ２１２を経由して３ｄＢカプラ２１４までの経路長Ｌ05を加えた経路長Ｌ04＋Ｌ05と、タップカプラ２１１から参照光経路２１８を経由して３ｄＢカプラ２１４までの経路長Ｌ06が同じになるように設計する。  
Ｌ06＝Ｌ02＋Ｌ03＝Ｌ04＋Ｌ05
さらに、複屈折の影響も考慮する場合は、Ｌ02＝Ｌ04、Ｌ03＝Ｌ05となるように設計する。このように設計を行っておけば、前者の経路の光路長Ｌｐ04＋Ｌｐ05に相当する経路長は、
ｎeqTM・Ｌ04＋ｎeqTE・Ｌ05
であり、後者の経路の光路長Ｌｐ06に相当する経路長は、
ｎeqTM・Ｌ02＋ｎeqTE・Ｌ03
であるので、環境温度変化よって等価屈折率や導波路長の変動があっても、Ｌｐ04＋Ｌｐ05＝Ｌｐ06が維持される。
【００５３】
従って、伝送路ファイバ入出力ポート２１５から出力される再生基準光の光位相と伝送路ファイバ入出力ポート２１５に入力される前段の局からの周波数基準光の光位相が一致していれば、３ｄＢカプラ２１４での再生基準光（参照光）の光位相と周波数基準光（被検出光）の光位相の差は常に一定に保たれることになる。なお、ここでは説明の便宜上、再生基準光の周波数と周波数基準光の周波数が同じであるとして説明している。
【００５４】
逆に言えば、３ｄＢカプラ２１４での参照光の光位相と被検出光の光位相の差が一定になっていれば、伝送路ファイバ入出力ポート２１５から出力される再生基準光の光位相と伝送路ファイバ入出力ポート２１５に入力される前段の局からの周波数基準光の光位相は、環境温度変動があっても、常に一定に保たれていることになる。その結果、再生基準光の周波数と前段の局からの周波数基準光の周波数が常に一致することになる。
【００５５】
伝送路長揺らぎ検出回路２２０の伝送路ファイバ入出力ポート２２５のチップ端面において、再生基準光の周波数と後段の局から伝送されてきた再生基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる必要がある場合についても、同じ考え方により、伝送路長揺らぎ検出回路２２０の中の経路長設計を行えばよい。
【００５６】
（タップ率の設計）
タップカプラ２１１、２２１の結合率、いわゆるタップ率の詳細設計について説明する。タップカプラ２１１は、結合率可変の光カプラとして、使用状況に応じて結合率を調整する。一方、干渉ビート信号の振幅が最大になる結合率は、以下に示すように５０％になるので、回路構成の簡素化のため、通常は結合率が５０％に固定された光カプラを用いても良い。３ｄＢカプラ２１４、２２４の結合率は、上述したように、差動光検出器における検出時に直流成分を相殺させるために、５０％に設計する。
【００５７】
図６に、干渉ビート信号の振幅とタップカプラのタップ率との関係を示す。図６（ａ）に示すように、タップカプラ２１１のタップ率をｘとし、タップカプラ２１１に入力される光電力を１とすると、３ｄＢカプラ２１４に入力される参照光の光電力ＰLはｘとなる。前段の局においても状況は同じであるとして、前段の局のタップカプラ２２１のタップ率もｘとし、タップカプラ２２１に入力される光電力も１とし、ＡＯＭ等のデバイスでの損失も含めた伝送路の透過率をαとする。この場合、当該局で、伝送路ファイバ入出力ポート２１５からＰＢＳ２１２を経由して３ｄＢカプラ２１４に入力される被検出光の光電力ＰSは、α（１−ｘ）となる。従って、差動光検出器２１９から出力される干渉ビート信号の振幅Ａは、
【００５８】
【数３】
2020036229.tif 000005
【００５９】
となる。この導関数
【００６０】
【数４】
2020036229.tif 000006
【００６１】
がゼロになるｘで振幅Ａが最大になるので、伝送路の透過率αの値にかかわらず、タップカプラのタップ率ｘ＝１／２、すなわち、結合率５０％が常に最適値となることが分かる。図６（ｂ）は、式３で求めた干渉ビート信号振幅のタップカプラのタップ率依存性である。
【００６２】
分岐カプラ２０２は、分岐比が固定の光カプラでも良いが、以下に述べる理由により、通常は分岐比が可変の光カプラとした方が良い。中継局間の伝送用光ファイバの長さは、各区間によって通常は異なっているので、前段の局までの伝送用光ファイバの損失の値と後段の局に接続している伝送用光ファイバの損失の値は異なっている。よって、この損失値の差に応じて、再生基準光の光電力を分岐カプラ２０２で適切な分岐比で割り振ることによって、伝送用光ファイバの損失が大きい区間においても、基準光再生部／ファイバ長揺らぎ補償部の差動光検出器の光電力レベルを改善することができる。
【００６３】
（干渉ビート信号の検出感度）
干渉ビート信号の検出感度に関して述べる。例として周波数同期検出回路２１０で説明するが、伝送路揺らぎ検出回路２２０でも同様である。干渉ビート信号は、検出光出力ポート２１６／２１７のいずれか一方の出力に通常の光検出器（シングルエンド光検出器）を接続した構成を用いても検出することができる。この場合、シングルエンド光検出器からは、式１または式２で表される光電力に比例した光電流が出力される。従って、振幅がＰLとＰSの相乗平均に比例した周波数Δｆの干渉ビート信号が得られることになる。
【００６４】
差動光検出器を用いた場合は、振幅２（ＰL・ＰS）1/2に比例した干渉ビート信号が得られているのに対して、シングルエンド光検出器を用いた場合は、検出感度が半分になっていることがわかる。背景技術で示した従来のマイケルソン干渉計に類似した空間型光干渉回路によりビート信号を得る方法も、基本的にはこのシングルエンド光検出器を用いた場合と同じ検出感度になる。
【００６５】
従って、本実施形態の構成によれば、従来に比べて２倍の検出感度が得られるようになる。本実施形態の光干渉回路２００は、マッハツェンダー干渉計に類似した構成となっていて、式１および式２の第２項に示されるように、干渉ビート信号が２つのポートから相補的に出力される。これを活かし、相補的に出力された信号を差動検出することにより、両ポートの干渉ビート信号が合算されることになり、検出感度が２倍になっているとも言える。
【００６６】
また、この差動検出を採ることの副次的なメリットに関しても以下に付記しておく。光検出器からは、式１または式２で表される光電力に比例した光電流が出力されるので、干渉ビート信号以外に直流成分の光電流が重畳されて出力される。通常、再生基準光の光電力ＰLに比べて、前段／後段の局から伝送されてきた周波数基準光の光電力ＰSは小さく、ＰS≪ＰLとなっていることが多い。従って、干渉ビート信号の振幅に比べて、直流成分の光電流の方が大きい。シングルエンド光検出器において、この直流成分の光電流は、干渉ビート信号をオフセットさせるように作用するため、直流成分の光電流が大きい場合、光検出器の後段に適宜接続される増幅器等の電子回路において動作範囲を超えてしまう。いわゆる、クリッピングの問題が生じる。そのため、シングルエンド光検出器の出力には、適切な高域通過フィルタ（ＨＰＦ）または帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を接続して、直流成分の光電流をカットする必要がある。
【００６７】
一方、本実施形態のように差動検出を採った場合には、この直流成分の光電流は差動検出の過程で相殺され、カットされる。従って、ＨＰＦ、ＢＰＦといった電気フィルタを設ける必要がないといったメリットがある。
【００６８】
なお、この差動検出においては、２つのポートから相補的に出力される干渉ビート信号を用いているので、この相補性が維持されるように、３ｄＢカプラ２１４から差動光検出器２１９までの２つの経路（検出光出力ポート２１６経由、及び検出光出力ポート２１７経由の経路）の光路長は、ほぼ同じにしておくことが望ましい。
【００６９】
［第２の実施形態］
（同一偏波型光干渉回路の構成）
図７に、本発明の第２の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波型の光干渉回路３００の構成を示す。光干渉回路３００の構成は、第１の実施形態の光干渉回路２００に対して、ＰＢＳ２１２、２２２がそれぞれ３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２に置き換えられ、偏波回転器２１３、２２３が削除された点が異なる。周辺のデバイスへの接続は、第１の実施形態と同じである。再生基準光入力ポート３０１には基準光再生光源１２７が接続され、伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５には、それぞれ、ＡＯＭ１２２、１１６が接続される。検出光出力ポート３１６／３１７、３２６／３２７には、それぞれ、差動光検出器３１９、３２９が光検出器１２４、１１２として接続される。なお、再生基準光入力ポート３０１への再生基準光の入力は、ＴＥ偏波／ＴＭ偏波のどちらでも良いが、本実施形態ではＴＭ偏波で入力する例を示している。
【００７０】
第１の実施形態の光干渉回路２００では、伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５から光ファイバ２１５ａ、２２５ａへ出力される光の偏波と、光ファイバ２１５ａ、２２５ａから伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５へ入力される光の偏波が直交している。このことから、ＰＢＳ２１２、２２２は、サーキュレータのような働きをしており、光が捨てられることが無い構成になっている。すなわち、タップカプラ２１１、２２１から伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５に伝搬する光も、逆に、伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５から３ｄＢカプラ２１４、２２４に伝搬する光も、両方とも原理的には損失を受けることなく１００％伝搬する。この点が、第１の実施形態の光干渉回路２００の特徴の一つであった。
【００７１】
一方、光ファイバ２１５ａ、２２５ａに入力される光と出力される光との間で偏波が直交しているということは、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光で偏波が直交していることを意味する。理想的な光ファイバでは等価屈折率に偏波依存性はないが、実際の光ファイバでは製造誤差によってコア形状が真円ではなく僅かに楕円になっていること、ファイバの引き回しにおいて湾曲になっていることに起因して、等価屈折率に偏波依存性を有し、複屈折が生じる。従って、行きの伝搬光と帰りの伝搬光とでは、伝搬光が感じる伝送用光ファイバの長さが僅かに異なる。この複屈折が振動や温度変化によって変動すると、伝送用光ファイバで受ける伝搬光の周波数変動δｆが行きの伝搬光と帰りの伝搬光で異なることになる。これは、ファイバ長揺らぎ補償において誤差要因となる。
【００７２】
第２の実施形態の光干渉回路３００では、第１の実施形態におけるＰＢＳ２１２、２２２がそれぞれ３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２に置き換わっている。従って、タップカプラ３１１、３２１から伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５に伝搬する光も、伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５から３ｄＢカプラ３１４、３２４に伝搬する光も、両方とも３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２によって原理的に３ｄＢの損失を受ける。すなわち、３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２に起因して、伝搬光に対して合計６ｄＢの損失が増えるという欠点がある。
【００７３】
干渉ビート信号の振幅は被検出光の光電力のルートに比例するので、本実施形態の干渉ビート信号の振幅は、第１の実施形態と比べて半分になる。一方、第２の実施形態の光干渉回路３００では、偏波回転器２１３、２２３が削除されているので、３ｄＢカプラ３１４、３２４に入力される参照光と被検出光の偏波の向きが同じになるように、光ファイバ３１５ａ、３２５ａから伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５へ入力される光の偏波状態は、偏波制御器１２１で調整される。よって、伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５から光ファイバ３１５ａ、３２５ａへ出力される光の偏波と、光ファイバ３１５ａ、３２５ａから伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５へ入力される光の偏波とは同じになり、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光で偏波が同じになる。従って、前述のように伝送用光ファイバに複屈折の変動があった場合でも、行きと帰りで伝搬光が感じる伝送用光ファイバの長さが必ず同じになり、伝搬光の周波数変動δｆも行きと帰りで必ず同じになる。第２の実施形態によれば、ファイバ長揺らぎ補償において伝送用光ファイバの複屈折変動の影響を受けないという利点がある。
【００７４】
これ以外の動作、利点に関しては、第１の実施形態に同じである。光干渉回路３００は、導波路を用いた光回路で構成されているため、風等による空気の屈折率変動の影響は全く生じない。また、導波路に用いている石英系の材料は光弾性効果も十分小さいため、振動による導波路の屈折率変動の影響も無視できるほど小さい。経路長の温度依存性の影響、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。さらに、伝送路ファイバ入出力ポート３１５／３２５のチップ端面において、再生基準光の周波数と伝送されてきた基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる場合についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。タップカプラ３１１、３２１の結合率、すなわち、タップ率の最適設計に関しても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。分岐カプラ３０２は、分岐比固定の光カプラでも良いが、必要に応じて分岐比可変の光カプラとしても良い。また、相補的に出力された信号を差動検出することにより、検出感度向上できること、クリッピングの問題を回避できる点に関しても、第１の実施形態と同様である。また、各種の簡略化や省略、代替に関しても第１の実施形態と同様に行うことができる。
【００７５】
なお、図７において、３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２は、通常の２入力２出力の方向性結合器として記載しているが、３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２は２入力１出力のカプラであれば良いので、例えば、単純なＹ分岐導波路を用いて構成しても良い。
【００７６】
なお、本実施形態において、タップカプラ３１１（、３２１）、３ｄＢ合流カプラ３１２（、３２２）、３ｄＢカプラ３１４（、３２４）を相互に接続している光経路のいずれか１つまたは全てに、偏波回転器を設置することにより、第１の実施形態と同様に、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光との間で、偏波を直交させることができる。但し、この構成の場合、３ｄＢ合流カプラ３１２（、３２２）に起因する合計６ｄＢの損失増を避けることはできない。
【００７７】
［第３の実施形態］
（同一偏波、干渉回路共用型光干渉回路の構成）
図８に、本発明の第３の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、干渉回路共用型の光干渉回路４００の構成を示す。光干渉回路４００は、第２の実施形態の光干渉回路３００の構成を基に、以下の変更を加えている。第１に、光干渉回路３００において個別に用意されていた周波数同期検出回路３１０と伝送路長揺らぎ検出回路３２０とを１つにまとめ、分岐カプラ３０２を削除している。第２に、光干渉回路３００では、３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２が２入力１出力カプラとして用いられていたのに対して、光干渉回路４００では、２入力２出力の３ｄＢ合分岐カプラ４１２に置き換えられている。３ｄＢ合分岐カプラ４１２の２出力の内、一方の出力が伝送路ファイバ入出力ポート４１３に接続され、他方の出力が伝送路ファイバ入出力ポート４１４に接続されている。なお、再生基準光入力ポート４０１への再生基準光の入力は、ＴＥ偏波／ＴＭ偏波のどちらでも良いが、本実施形態ではＴＭ偏波で入力する例を示している。
【００７８】
図９に、第３の実施形態に係る周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す。光格子時計が置かれる送信局４２１と、周波数基準光が配信される受信局４２７の間は、光伝送路である伝送用光ファイバ４２２、４２４、４２６で接続され、伝送路の途中に中継局４２３、４２５が配置されている。送信局４２１には、ファイバ長揺らぎ補償部４３０が置かれ、受信局４２７には、基準光再生部４８０が置かれる。中継局４２３、４２５には、基準光再生部４４０、４６０とファイバ長揺らぎ補償部４５０、４７０とがそれぞれ置かれ、基準光再生部で再生された周波数基準光は、ファイバ長揺らぎ補償部に入力されて次局へと中継される。
【００７９】
図１０に、第３の実施形態の光干渉回路を適用した中継局の構成を示す。第３の実施形態では、光干渉回路４００において周波数同期検出回路と伝送路長揺らぎ検出回路が１つにまとめられていることから、差動光検出器４１９も１つにまとめられている。この差動光検出器４１９からの信号出力が分岐されて、基準光再生部４４０のミキサ４４６と、ファイバ長揺らぎ補償部４５０のミキサ４５４とに入力されている。
【００８０】
図９に示したように、伝送用光ファイバとその前後で対となっているファイバ長揺らぎ補償部と基準光再生部とを、伝送システムユニットとして見立てた場合、ファイバ長揺らぎ補償部と基準光再生部で用いるクロック源の発振周波数を、隣接する伝送システムユニットで異なった値にしている。例えば、伝送システムユニットＡにある伝送用光ファイバ４２２の前後にあるファイバ長揺らぎ補償部４３０と基準光再生部４４０でのクロック源の発振周波数をｆaとする。これに対して、隣接している伝送システムユニットＢにある伝送用光ファイバ４２４の前後にあるファイバ長揺らぎ補償部４５０と基準光再生部４６０でのクロック源の発振周波数を、ｆaとは異なるｆbとしている。伝送システムユニットＣでは、ｆaともｆbとも異なる第３の発振周波数ｆcをクロック源に用いても良いが、隣接している伝送システムユニット間でクロック源の発振周波数が異なっていれば良いので、２種類のクロック周波数を伝送システムユニット毎に交互に用いれば良い。これら発振周波数は、例えば、ｆa＝７.５ＭＨｚ、ｆb＝１５ＭＨｚ等、下記で述べる干渉ビート信号の分離が十分に可能な周波数の間隔であれば良い。
【００８１】
上述したように、基準光再生部４４０のクロック源４４５の発振周波数と、ファイバ長揺らぎ補償部４５０のクロック源４５３の発振周波数とは異なるため、上述した実施形態のように、中継局においてクロック源をまとめて１つにすることはできないが、それ以外の各種の簡略化や省略、代替に関しては第１の実施形態と同様に行うことができる。
【００８２】
本実施形態での再生光同期動作とファイバ長揺らぎ補償動作は、基本的には第２の実施形態と同じであるが、周波数同期検出回路と伝送路揺らぎ検出回路が共用化されていることから、若干の違いがある。第１に、３ｄＢ合分岐カプラ４１２の２出力を、それぞれ、前段の局への再生基準光の送信と、後段の局への再生基準光の送信に用いている。第２に、前段の局から送られてきた周波数基準光を伝送路ファイバ入出力ポート４１３で受信し、また、後段の局からの再生基準光を伝送路ファイバ入出力ポート４１４で受信している。受信したそれぞれの光は、両方とにも３ｄＢ合分岐カプラ４１２を経て、３ｄＢカプラ４１５に被検出光として導かれ、タップカプラ４１１から参照光経路４１８経由で参照光として導かれた再生基準光と干渉する。
【００８３】
よって、差動光検出器４１９からは、前段の局から送られてきた周波数基準光による干渉ビート信号Ａと後段の局からの再生基準光による干渉ビート信号Ｂの２種類の干渉ビート信号が同時に出力される。上述したように、伝送システムユニットＡには発振周波数ｆaのクロック源が用いられ、伝送システムユニットＢには発振周波数ｆbのクロック源が用いられているので、中継局４２３での干渉ビート信号Ａのビート周波数はｆaに、干渉ビート信号Ｂのビート周波数はｆbになり、上記の２種類の干渉ビート信号は異なった周波数で出力されることになる。
【００８４】
これらの干渉ビート信号は、この周波数の違いを利用して分離することができる。例えば、差動光検出器４１９からの干渉ビート信号を、ミキサ４４６の直前でｆaを通過中心周波数とするＢＰＦ（図示しない）で選択し、ミキサ４５４の直前でｆbを通過中心周波数とするＢＰＦ（図示しない）で選択することにより、これら干渉ビート信号を分離することができる。
【００８５】
また、このようなＢＰＦを用いなくても、下記のように、これらの干渉ビート信号を分離することができる。これら干渉ビート信号は、ミキサ４４６によってクロック源４４５の発振周波数ｆaを基準としたベースバンド信号に変換され、ミキサ４５４によってクロック源４５３の発振周波数ｆbを基準としたベースバンド信号に変換される。すなわち、ミキサ４４６の出力では、干渉ビート信号Ａは直流付近の低域信号に変換され、干渉ビート信号Ｂは｜ｆａ−ｆｂ｜を中心とした周波数の比較的高域の信号に変換される。これとは逆に、ミキサ４５４の出力では、干渉ビート信号Ｂが直流付近の低域信号に変換され、干渉ビート信号Ａが｜ｆａ−ｆｂ｜を中心とした周波数の比較的高域の信号に変換される。そこで、これらミキサ４４６、４５４の後段に適切なＬＰＦ（図示しない）を配置して低域の信号のみを通過させることにより、これら干渉ビート信号を分離することができる。また、このようなＢＰＦを用いなくても、基準光再生光源４４７、電圧制御発振器４５５の入力帯域を適切な帯域とすることによって実質的にＬＰＦの代わりとして機能させ、これら干渉ビート信号を分離することもできる。これ以外の動作に関しては、第２の実施形態と基本的に同じである。
【００８６】
なお、送信局１０１に第３の実施形態を適用する場合は、ファイバ長揺らぎ補償部１１０に関連する部分のみの光干渉回路４００が接続される。光ファイバ伝送に適した周波数（例えば、約１．４μｍ帯）に変換された伝送用の周波数基準光（マスタ光）が再生基準光入力ポート４０１に入力される。３ｄＢ合分岐カプラ４１２の他方の出力に接続された伝送路ファイバ入出力ポート４１４に可変周波数シフタとしてのＡＯＭ１１６が接続され、周波数基準光が後段の局に出力される。検出光出力ポート４１６／４１７には、差動光検出器４１９が光検出器１１２として接続され、ファイバ長揺らぎ補償動作を行う。送信局１０１では、前段の局が無いので、３ｄＢ合分岐カプラ４１２の一方の出力に接続された伝送路ファイバ入出力ポート４１３は使用せず、基準光再生動作は行わない。
【００８７】
なお、送信局１０１において、周波数基準光（マスタ光）の光電力が弱い場合等は、送信局１０１においても、伝送路ファイバ入出力ポート４１３を使用して中継局１０３と同様の構成を用い、基準光再生動作も行う。
【００８８】
また、受信局１０５に第３の実施形態を適用する場合は、基準光再生部１４０に関連する部分のみの光干渉回路４００が接続される。再生基準光入力ポート４０１に基準光再生光源１２７が接続され、３ｄＢ合分岐カプラ４１２の一方の出力に接続された伝送路ファイバ入出力ポート４１３に固定周波数シフタとしてのＡＯＭ１２２が接続され、前段の局からの周波数基準光が入力される。検出光出力ポート４１６／４１７には、差動光検出器４１９が光検出器１２４として接続され、基準光再生動作を行う。再生基準光入力ポート４０１に入力する直前でタップする、または、３ｄＢ合分岐カプラ４１２の他方の出力に接続された伝送路ファイバ入出力ポート４１４からの出力光を利用することにより、再生基準光を取り出す。後段の局がないので、ファイバ長揺らぎ補償動作は行わない。
【００８９】
なお、受信局１０５において、光干渉回路４００を用いて再生された再生基準光を局内の他装置に配信する光ファイバ等の伝送路の伝送路長揺らぎが無視できない場合は、受信局１０５においても、中継局１０３と同様の構成を用い、ファイバ長揺らぎ補償動作も行う。
【００９０】
第２の実施形態では、３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２で再生基準光を伝送路ファイバ入出力ポート３１５、３２５に伝搬させるときに、半分の光電力を捨てており、３ｄＢの損失となっていた。これに対して、第３の実施形態では周波数同期検出回路と伝送路揺らぎ検出回路とを共用化し、３ｄＢ合分岐カプラ４１２の２出力を、それぞれ、前段の局への再生基準光と後段の局への再生基準光とに用いており、光電力を捨てていない。そのため、第２の実施形態と比較して、第３の実施形態では再生基準光の送信時における損失が３ｄＢ低くなるという利点がある。なお、受信時、伝送路ファイバ入出力ポート４１３、４１４から３ｄＢ合分岐カプラ４１２を経由して３ｄＢカプラ４１５に伝搬する光に対しては、第２の実施形態と同様に３ｄＢ合分岐カプラ４１２において原理的に３ｄＢの損失を受ける。
【００９１】
本実施形態では、周波数同期検出回路と伝送路揺らぎ検出回路とが１つにまとまっていることから、周波数同期検出回路としての参照光と伝送路揺らぎ検出回路としての参照光が完全に同一であるため、両検出で用いる参照光の光位相が同じになる。従って、各経路の長さの時間変動に対する問題は本質的に全く生じないことになり、極めて堅牢で安定な周波数基準光高精度伝送を実現することができる。
【００９２】
（空間光学系による同一偏波、干渉回路共用型光干渉回路の構成）
図１１に、第３の実施形態の光干渉回路を空間光学系で構成した場合を示す。本実施形態については、導波路技術を用いた構成に限定されることなく、空間光学技術を用いた構成においても適用でき、同様の効果が得られることを付記しておく。すなわち、各部の光カプラをハーフミラーに置き換えることにより、空間光学系による光干渉回路を構成してもよい。
【００９３】
これ以外の利点に関しては、第２の実施形態に同じである。伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光とで偏波が同じになるので、ファイバ長揺らぎ補償において伝送用光ファイバの複屈折の影響を受けない。伝送路ファイバ入出力ポート４１３、４１４のチップ端面において、再生基準光の周波数と伝送されてきた基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる場合についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。タップカプラ４１１の結合率、すなわち、タップ率の最適設計に関しても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。また、相補的に出力された信号を差動検出することにより、検出感度向上できること、クリッピングの問題を回避できる点に関しても、第１の実施形態と同様である。
【００９４】
本実施形態では、周波数同期検出回路と伝送路揺らぎ検出回路とが１つにまとまっており、差動光検出器も１つにまとまっていることから、第２の実施形態と比較して中継器の構成が小型化／簡素化されているという利点もある。
【００９５】
なお、本実施形態において、タップカプラ４１１、３ｄＢ合流カプラ４１２、３ｄＢカプラ４１５を相互に接続している光経路のいずれか１つまたは全てに、偏波回転器を設置することにより、第１の実施形態と同様に、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光との間で偏波を直交させることができる。
【００９６】
［第４の実施形態］
（同一偏波、捨て光再利用型光干渉回路の構成）
図１２に、本発明の第４の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、捨て光再利用型の光干渉回路の構成を示す。
【００９７】
光干渉回路５００の構成は、第２の実施形態の光干渉回路３００の構成に対して、タップカプラ３１１、３２１と３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２がまとめられて、タップカプラ５１１、５２１に置き換えられている点が異なる。なお、周辺のデバイスへの接続は、第１および第２の実施形態と同じである。再生基準光入力ポート５０１には基準光再生光源１２７が接続され、伝送路ファイバ入出力ポート５１５に、５２５には、それぞれ、ＡＯＭ１２２、１１６が接続される。検出光出力ポート５１６／５１７、５２６／５２７には、それぞれ、差動光検出器５１９、５２９が光検出器１２４、１１２として接続される。なお、再生基準光入力ポート５０１への再生基準光の入力は、ＴＥ偏波／ＴＭ偏波のどちらでも良いが、本実施形態ではＴＭ偏波で入力する例を示している。
【００９８】
本実施形態の光干渉回路５００では、周波数同期検出回路５１０と伝送路揺らぎ検出回路５２０のそれぞれにおいて以下の様に動作する。再生基準光は、タップカプラ５１１、５２１で２分岐され、一方の分岐光は、そのまま伝送路ファイバ入出力ポート５１５、５２５から出力され、前段／後段の局へ送信光となる。他方の分岐光は、参照光経路５１８、５２８を通り３ｄＢカプラ５１４、５２４に参照光として導かれる。前段／後段の局からの受信光は、伝送路ファイバ入出力ポート５１５、５２５にＴＭ偏波で入力され、タップカプラ５１１、５２１、および被検出光経路５１８ｂ、５２８ｂ経由で３ｄＢカプラ５１４、５２４に被検出光として導かれる。
【００９９】
本実施形態の光干渉回路５００は、第２の実施形態の光干渉回路３００において３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２で捨てられている光を、参照光として上手く利用し、タップカプラ３１１、３２１を省略した構成であると言える。光干渉回路３００ではタップカプラ３１１、３２１と３ｄＢ合流カプラ３１２、３２２とにより、送信光が合計６ｄＢの損失を受けていたのに対して、光干渉回路５００では、送信光が受ける損失はタップカプラ５１１、５２１における３ｄＢのみとなる。従って、本実施形態の光干渉回路５００は、第２の実施形態の光干渉回路３００と比較して、損失が３ｄＢ低減することになり、受信感度が２1/2倍に向上するという利点がある。実際には、後述するように、タップ率の最適化により更に受信感度を向上することができる。
【０１００】
（タップ率の設計）
タップカプラ５１１、５２１の結合率、いわゆるタップ率の詳細設計について説明する。タップカプラ５１１は、結合率可変の光カプラとして、使用状況に応じて結合率を調整する。一方、干渉ビート信号の振幅が最大になる結合率は、以下に示すように約６７％になるので、回路構成の簡素化のため、通常は結合率が６７％に固定された光カプラを用いても良い。３ｄＢカプラ５１４、５２４の結合率は、上述したように、差動検出器における直流成分を相殺させるために、５０％に設計する。
【０１０１】
図１３に、干渉ビート信号の振幅とタップカプラのタップ率との関係を示す。図１３（ａ）に示すように、タップカプラ５１１のタップ率をｘとし、タップカプラ５１１に入力される再生基準光の光電力を１とすると、３ｄＢカプラ５１４に入力される参照光の光電力ＰLはｘとなる。前段の局においても状況は同じであるとして、前段の局のタップカプラ５２１のタップ率もｘとし、タップカプラ５２１に入力される再生基準光の光電力も１とし、ＡＯＭ等のデバイスでの損失も含めた伝送路の透過率をαとする。この場合、当該局で、伝送路ファイバ入出力ポート５１５からタップカプラ５１１を経由して３ｄＢカプラ５１４に入力される被検出光の光電力ＰSは、αｘ（１−ｘ）となる。従って、差動光検出器５１９から出力される干渉ビート信号の振幅Ｂは、
【０１０２】
【数５】
2020036229.tif 000007
【０１０３】
となる。この導関数
【０１０４】
【数６】
2020036229.tif 000008
【０１０５】
がゼロになるｘで振幅Ｂが最大になるので、伝送路の透過率αの値にかかわらず、タップカプラのタップ率ｘ＝２／３、すなわち、結合率６７％が常に最適値となることが分かる。図１３（ｂ）は、式５で求めた干渉ビート信号振幅のタップカプラのタップ率依存性である。
【０１０６】
第２の実施形態の干渉ビート信号の振幅は、第１の実施形態と比べて半分になることを考慮して、第１の実施形態の干渉ビート振幅を示した図６（ｂ）と第４の実施形態の干渉ビート振幅を示した図１３（ｂ）を比較すると、最適タップ率において、本実施形態の干渉ビート振幅は、第２の実施形態の干渉ビート信号振幅と比較して１.５４倍になっていることがわかる。従って、本実施形態は、第２の実施形態と比較して、２1/2倍を上回って受信感度が改善する。
【０１０７】
これ以外の動作、利点等に関しては、第２の実施形態に同じである。伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光で偏波が同じになるので、ファイバ長揺らぎ補償において伝送用光ファイバの複屈折の影響を受けない。光干渉回路５００は、導波路を用いた光回路で構成されているため、風等による空気の屈折率変動の影響は全く生じない。また、導波路に用いている石英系の材料は光弾性効果も十分小さいため、振動による導波路の屈折率変動の影響も無視できるほど小さい。経路長の温度依存性の影響、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。具体的には、分岐カプラ５０２から周波数同期検出回路５１０のタップカプラ５１１、参照光経路５１８を経由して３ｄＢカプラ５１４までの経路長Ｌ0と、分岐カプラ５０２から伝送路長揺らぎ検出回路５２０のタップカプラ５２１、参照光経路５２８を経由して３ｄＢカプラ５２４までの経路長Ｌ1とが同じになる（Ｌ0＝Ｌ1）ように設計すれば良い。
【０１０８】
さらに、伝送路ファイバ入出力ポート５１５、５２５のチップ端面において、再生基準光の周波数と伝送されてきた基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる場合についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。具体的には、周波数同期検出回路５１０においては、タップカプラ５１１から伝送路ファイバ入出力ポート５１５のチップ端面までの経路長Ｌ04に、伝送路ファイバ入出力ポート５１５のチップ端面からタップカプラ５１１、被検出光経路５１８ｂを経由して３ｄＢカプラ５１４までの経路長Ｌ05を加えた経路長Ｌ04＋Ｌ05と、タップカプラ５１１から参照光経路５１８を経由して３ｄＢカプラ５１４までの経路長Ｌ06とが同じになるように設計する。伝送路長揺らぎ検出回路５２０においても同様である。  
Ｌ06＝Ｌ04＋Ｌ05
【０１０９】
分岐カプラ５０２は、分岐比固定の光カプラでも良いが、必要に応じて分岐比可変の光カプラとしても良い。また、相補的に出力された信号を差動検出することにより、検出感度を向上できること、クリッピングの問題を回避できる点に関しても、第１の実施形態と同様である。また、各種の簡略化や省略、代替に関しても第１の実施形態と同様に行うことができる。
【０１１０】
なお、本実施形態において、参照光経路５１８（、５２８）、被検出光経路５１８ｂ（、５２８ｂ）のいずれか１つに、偏波回転器を設置することにより、第１の実施形態と同様に、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光で偏波を直交させることができる。
【０１１１】
［第５の実施形態］
（多出力型光干渉回路の構成）
図１４に、本発明の第５の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる多出力型の光干渉回路の構成を示す。光干渉回路６００は、導波路を用いた光回路で構成され、再生基準光入力ポート６０１からの光をＮ分岐する多分岐カプラ６０５（Ｎは２以上の整数）と、多分岐カプラ６０５の出力にそれぞれ接続される周波数同期検出回路６１０および（Ｎ−１）個の伝送路長揺らぎ検出回路６２０〜６４０とから構成される。本実施形態では、例としてＮ＝４の場合を示す。
【０１１２】
本実施形態において、多分岐カプラ６０５は、複数の２分岐の分岐カプラ６０２〜６０４を、２分木状に接続したツリー構成により示している。多分岐カプラ６０５として、複数の２分岐の分岐カプラを、一方の出力に直列に接続したタップ構成を用いても良いし、またはＭＭＩ導波路等を用いた多分岐カプラを用いても良い。
【０１１３】
図１５に、第５の実施形態に係る周波数高精度伝送技術を備えた伝送システムを示す。光格子時計が置かれる送信局６５１と、周波数基準光が配信される受信局６５５、６５７、６５９との間は、光伝送路である伝送用光ファイバ６５２、６５４、６５６、６５８で接続され、伝送路の途中に多分岐の中継局６５３が配置されている。送信局６５１には、ファイバ長揺らぎ補償部７１０が置かれ、受信局６５５、６５７、６５９には、基準光再生部７２０、７３０、７４０が置かれる。中継局６５３には、基準光再生部６６０とファイバ長揺らぎ補償部６７０、６８０、６９０とが置かれ、基準光再生部で再生された周波数基準光は、ファイバ長揺らぎ補償部に入力されて次局へと中継される。本実施形態では、多分岐の中継局６５３が、中継局として１か所のみに置かれ、複数のファイバ長揺らぎ補償部６７０〜６９０が受信局６５５、６５７、６５９にそれぞれ接続されて、送信局６５１からの周波数基準光を、複数の受信局に分配する。
【０１１４】
図１６に、第５の実施形態の光干渉回路を適用した中継局の構成を示す。第５の実施形態では、光干渉回路６００において周波数同期検出回路と複数の伝送路長揺らぎ検出回路が１つにまとめられている。光干渉回路６００と、基準光再生部６６０およびファイバ長揺らぎ補償部６７０、６８０、６９０との接続関係は、第１の実施形態と同様である（図５（ｂ）参照）。
【０１１５】
従来の技術、第１〜第４の実施形態では、ポイントツーポイントの周波数基準光伝送、すなわち単一地点に向けた周波数基準光の中継を行うだけであった。第５の実施形態によれば、複数のファイバ長揺らぎ補償部６７０〜６９０を備えているので、多地点に向けた光周波数基準伝送が可能となり、周波数基準光の面的なネットワーク配信を行うことができる。
【０１１６】
これ以外の動作、利点に関しては、第１の実施形態に同じである。光干渉回路６００は、導波路を用いた光回路で構成されているため、風等による空気の屈折率変動の影響は全く生じない。また、導波路に用いている石英系の材料は光弾性効果も十分小さいため、振動による導波路の屈折率変動の影響も無視できるほど小さい。経路長の温度依存性の影響、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。具体的には、分岐カプラ６０２から周波数同期検出回路６１０のタップカプラ６１１と参照光経路６１８を経由して３ｄＢカプラ６１４までの経路長Ｌ0と、分岐カプラ６０２から伝送路長揺らぎ検出回路６２０のタップカプラ６２１と参照光経路６２８を経由して３ｄＢカプラ６２４までの経路長Ｌ1、および伝送路長揺らぎ検出回路６３０、６４０における経路長Ｌ2、Ｌ3とが同じになる（Ｌ0＝Ｌ1＝Ｌ2＝Ｌ3）ように設計すれば良い。
【０１１７】
さらに、伝送路ファイバ入出力ポート６１５、６２５、６３５、６４５のチップ端面において、再生基準光の周波数と伝送されてきた基準光の周波数の周波数差を厳密に合わせる場合についても、第１の実施形態と同様の考えを適用することができる。
【０１１８】
分岐カプラ６０２〜６０４は、分岐比固定の光カプラでも良いが、必要に応じて分岐比可変の光カプラとしても良い。また、相補的に出力された信号を差動検出することにより、検出感度向上できること、クリッピングの問題を回避できる点に関しても、第１の実施形態と同様である。また、各種の簡略化や省略、代替に関しても第一の実施形態と同様に行うことができる。
【０１１９】
図１４において、周波数同期検出回路６１０は、第１の実施形態の周波数同期検出回路２１０と同じであり、伝送路長揺らぎ検出回路６２０〜６４０は、第１の実施形態の伝送路長揺らぎ検出回路２２０と同じである。第２および第４の実施形態で用いた周波数同期検出回路３１０、５１０と伝送路長揺らぎ検出回路３２０、５２０とを用いても良い。また、第３の実施形態の光干渉回路４００、すなわち周波数同期検出回路と伝送路長揺らぎ検出回路を１つにまとめた構成を用いても良い。第２〜４の実施形態に示した各検出回路を用いる場合には、伝送用光ファイバ中での行きの伝搬光と帰りの伝搬光とで偏波が同じになるので、ファイバ長揺らぎ補償において伝送用光ファイバの複屈折の影響を受けないという利点が得られる。
【０１２０】
図１７に、第５の実施形態において、第３の実施形態の光干渉回路を援用した時の基準光再生および複数のファイバ長揺らぎ補償に用いる光干渉回路の構成を示す。第３の実施形態の光干渉回路４００は、光干渉回路が１つでありながらも２個の光干渉回路として動作させることとができるので、この光干渉回路を、周波数同期検出回路と伝送路長揺らぎ検出回路として適用するだけでなく、２個の伝送路長揺らぎ検出回路として適用することもできる。分岐カプラ８０２のそれぞれの出力に光干渉回路４００と同じ回路を集積した構成の光干渉計回路８００を用いることにより、１つの周波数同期検出回路と３つの伝送路長揺らぎ検出回路として用いることができる。本光干渉計回路８００では、１つ目の光干渉回路４００を周波数同期検出回路と伝送路長揺らぎ検出回路（周波数同期／伝送路長揺らぎ補償共用検出回路８１０）として用い、２つ目の光干渉回路４００を２つの伝送路長揺らぎ検出回路（２ファイバ伝送路長揺らぎ検出回路８２０）として用いる。
【０１２１】
図１８に、第５の実施形態において、図１７の光干渉回路を適用した時の中継局の構成を示す。光干渉計回路８００を第５の実施形態で記載した中継局６５３に適用した場合の中継局の構成を示す。周波数同期／伝送路長揺らぎ補償共用検出回路８１０、および、基準光再生部６６０、ファイバ長揺らぎ補償部６７０に関しては、第３の実施形態で示した構成／動作と同じである。２ファイバ伝送路長揺らぎ共用検出回路８２０、および、ファイバ長揺らぎ補償部６８０、６９０に関しては、第３の実施形態で示した構成／動作と基本的な考えは同じである。ファイバ長揺らぎ補償部６８０、６９０で異なる周波数の干渉ビート信号を検出できる構成とすることにより、ファイバ伝送路長揺らぎ検出回路を共用して２ファイバ伝送路長揺らぎ共用検出回路８２０とし、差動光検出器を共用して１つの差動光検出器８２９にまとめることができる。
【０１２２】
第５の実施形態にかかる基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる多出力型の光干渉回路においては、第１〜４の実施形態の構成を組み合わせた構成、例えば、周波数同期検出回路６１０には、周波数同期検出回路２１０の構成、伝送路長揺らぎ検出回路６２０には伝送路長揺らぎ検出回路３２０の構成、伝送路長揺らぎ検出回路６３０には２ファイバ伝送路長揺らぎ共用検出回路８２０の構成、伝送路長揺らぎ検出回路６４０には伝送路長揺らぎ検出回路５２０の構成を用いても良い。２ファイバ伝送路長揺らぎ共用検出回路８２０、または周波数同期／伝送路長揺らぎ補償共用検出回路８１０の構成を組み入れる場合は、周辺に接続されるデバイスはそれに合わせて、図１８に示した構成を用いることになる。また、経路長の温度依存性の影響、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計についても、これまで述べてきた考え方により適用することができる。
【０１２３】
なお、このような組み合わせは、Ｎが３以上の場合に限られることなく、Ｎが２の場合においても、周波数同期検出回路と伝送路長揺らぎ検出回路の構成を、第１〜第４の実施形態で記載した構成の任意の組み合わせにしても良い。
【０１２４】
［実施例］
第１の実施形態の光干渉回路２００を、石英系ＰＬＣ技術を用いて作製した。等長設計は、周波数同期検出回路２１０と伝送路長揺らぎ検出回路２２０を、同じパターン設計とし、分岐カプラ２０２から周波数同期検出回路２１０のタップカプラ２１１までの経路長と分岐カプラ２０２から伝送路長揺らぎ検出回路２２０のタップカプラ２２１までの経路長を同じにした。偏波回転器２１３、２２３は、参照光経路２１８、２２８に設置している。３ｄＢカプラ、分岐カプラ、合流カプラ、合分岐カプラの各種の光カプラには、２本の導波路を近接して配置することによって光を結合させる方向性結合器を用いている。偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、２つの方向性結合器を縦続接続した一種のマッハツェンダー干渉計を用いた。方向性結合器を接続している２本の導波路アームの光路長差が、ＴＭ偏波光に対してゼロに、ＴＥ偏光に対して半波長になるように設計されている。偏波によって異なる光路長差を与える方法には様々な方法があるが、本実施例では一方の導波路の周辺のクラッドを除去する応力解放溝を設け、複屈折を制御する方法を用いている。
【０１２５】
偏波回転器は、導波路を横切るように作製した溝に、主軸を４５°傾けた半波長板を挿入した構成とした。分岐比可変、タップ比可変の光カプラは、２つの方向性結合器を縦続接続した一種のマッハツェンダー干渉計を用いた。方向性結合器を接続している２本の導波路アームに可変移相器を設けている。可変移相器は、熱光学効果による可変移相器を用いており、導波路のクラッド上に設けた薄膜ヒータにより導波路の温度を局所的に制御している。
【０１２６】
光干渉回路２００は、導波路の最小曲げ半径２ｍｍで設計され、チップサイズ４３×２５ｍｍの大きさであり、コンパクトに実現されている。導波路、上述した各光機能回路は、火炎堆積（ＦＨＤ）法等のガラス膜堆積技術と、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の微細加工技術の公知の組み合わせを用いて作製した。チップはモジュールケースに収容し、温度調整機構は設けていない。
【０１２７】
作製した光干渉回路２００の挿入損失は、再生基準光入力ポート２０１と伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５との間で約８.４ｄＢ、再生基準光入力ポート２０１と検出光出力ポート２１６／２１７および検出光出力ポート２２６／２２７との間で１１.１ｄＢ、伝送路ファイバ入出力ポート２１５、２２５と検出光出力ポート２１６／２１７および検出光出力ポート２２６／２２７との間で５.５ｄＢであった。分岐等に伴う原理損失を除いた過剰損失は、いずれの経路も１.６〜２.８ｄＢとなり低損失な光波回路を実現できている。
【０１２８】
作製した光干渉回路２００に、第１の実施形態で説明したように周辺にデバイスを接続し中継局を構成した。周波数基準光の中継の安定度（修正アラン分散）を評価したところ、平均時間１０秒にて１×１０-19の値が得られた。従来の空間型光干渉回路を用いた場合、安定度は３×１０-18である。従って、本実施例の構成により３０倍の安定度向上を達成することができた。
【０１２９】
以上述べたように、本実施形態によれば、導波路技術を用いることにより実効的な光路長の変動が小さい光干渉回路を提供することができ、高精度な周波数基準光を伝送することができる。また、光干渉回路をマッハツェンダー干渉計に類似した構成とし、各経路の長さを規定することにより、実効的な光路長の変動の影響を相殺する光干渉回路を提供することができ、高精度で高安定な周波数基準光を伝送することができる。さらに、マッハツェンダー干渉計に類似した光干渉回路の構成により、干渉ビート信号が２つのポートから相補的に出力されることを活かし、検出感度を向上させることができる。さらにまた、光干渉回路に平面光波回路（ＰＬＣ）技術を用いることにより、低損失な特性を有し、コンパクトなデバイスサイズで実現することができる。さらにまた、正確な周波数基準光を単一地点に伝送するだけでなく、複数地点へ分配することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、周波数基準光を高精度で高安定に伝送する周波数基準光伝送装置に使用することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
１０１、４２１、６５１  送信局
１０２、１０４、４２２、４２４、４２６、６５２、６５４、６５６、６５８  伝送用光ファイバ
１０３、４２３、４２５、６５３  中継局
１０５、４２７、６５５、６５７、６５９  受信局
１１０、１３０、４３０、４５０、４７０、６７０、６８０、６９０、７１０  ファイバ長揺らぎ補償部
１２０、１４０、４４０、４６０、４８０、６６０、７２０、７３０、７４０  基準光再生部
１１１、１２３、４００ｂ  空間型光干渉回路
１１２、１２４  光検出器（ＰＤ）
１１３、１２５、４４５、４５３、６６５、６７３、６８３、６９３、８６５、８７３、８８３、８９３  クロック源（ＣＬＫ）
１１４、１２６、４４６、４５４、６６６、６７４、６８４、６９４、８６６、８７４、８８４、８９４  ミキサ（ＤＢＭ）
１１５、４５５、６７５、６８５、６９５、８７５、８８５、８９５  電圧制御発振器（ＶＣＯ）
１１６、１２２、４４２、４５６、６６２、６７６、６８６、６９６、８６２、８７６、８８６、８９６  音響光学変調器（ＡＯＭ）
１２１、４４１、６６１、８６１  偏波制御器（ＰＣ）
１２７、４４７、６６７、８６７  基準光再生光源（ＬＤ）
１１１ａ、１２３ａ、１２８、４１１ｂ、４１２ｂ、４１５ｂ  ハーフミラー
１１１ｂ、１２３ｂ、１２９、４０２  ミラー
２００、３００、４００、５００、６００、８００  光干渉回路
２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、８０１  再生基準光入力ポート
２０１ａ、３０１ａ、４０１ａ、５０１ａ、６０１ａ、８０１ａ  偏波保持光ファイバ
２０２、３０２、５０２、６０２〜６０４、８０２  分岐カプラ
２１０、３１０、５１０、６１０  周波数同期検出回路
２１１、２２１、３１１、３２１、４１１、５１１、５２１、６１１、６２１、８１１、８２１  タップカプラ
２１２、２２２、６１２、６２２  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２１３、２２３、６１３、６２３  偏波回転器
２１４、２２４、３１４、３２４、４１５、５１４、５２４、６１４、６２４、８１５、８２５  ３ｄＢカプラ
２１５、２２５、３１５、３２５、４１３、４１４、５１５、５２５、６１５、６２５、６３５、６４５、８１３、８１４、８２３、８２４  伝送路ファイバ入出力ポート
２１５ａ〜２１７ａ、２２５ａ〜２２７ａ、３１５ａ〜３１７ａ、３２５ａ〜３２７ａ、４０１ｂ、４１３ａ、４１３ｂ、４１４ａ、４１４ｂ、４１６ａ、４１７ａ、５１５ａ〜５１７ａ、５２５ａ〜５２７ａ、６１５ａ〜６１７ａ、６２５ａ〜６２７ａ、６３５ａ〜６３７ａ、６４５ａ〜６４７ａ、８１３ａ〜８１７ａ、８２３ａ〜８２７ａ  光ファイバ
２１６、２１７、２２６、２２７、３１６、３１７、３２６、３２７、４１６、４１７、５１６、５１７、５２６、５２７、６１６、６１７、６２６、６２７、６３６、６３７、６４６、６４７、８１６、８１７、８２６、８２７  検出光出力ポート
２１８、２２８、３１８、３２８、４１８、５１８、５２８、６１８、６２８、８１８、８２８  参照光経路
２１９、２２９、３１９、３２９、４１９、４１９ｂ、５１９、５２９、６１９、６２９、６３９、６４９、８１９、８２９  差動光検出器
２２０、３２０、５２０、６２０、６３０、６４０  伝送路長揺らぎ検出回路
３１２、３２２  ３ｄＢ合流カプラ
４０３、４０４、４０５  レンズ
４１２、８１２、８２２  ３ｄＢ合分岐カプラ
６０５  多分岐カプラ
８１０  周波数同期／伝送路長揺らぎ検出回路
８２０  ２ファイバ伝送路長揺らぎ検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2020036229.tif 000019
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2020036229.tif 000023
【図１６】
2020036229.tif 000024
【図１７】
2020036229.tif 000025
【図１８】
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