(57)【要約】【課題】光ファイバ伝送中に生じた移相変動をキャンセルして、基準信号受信側において、移相変動を抑えた基準信号を取り出すことを目的としている。【解決手段】周波数標準送信側からは、オリジナル基準信号（周波数f0）を移相器を介して光ファイバに入力する。基準周波数の受信側においては、受信された信号を２分岐して、片方は受信波長とは異なる波長に変換して、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す。周波数標準送信側では、この送り返された光信号の再生信号と基準信号との位相差を検出して、この差が零になるよう位相制御部を制御する。この移相制御部は、移相器を制御する。一方、位相制御しないオリジナル基準信号を同一ファイバに合波する。受信部ではミキサーにより周波数合成して位相変動のない信号成分を抽出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準信号送信側から基準信号受信側に対して周波数の基準となる信号を光ファイバにより伝送する基準信号の供給方法において、
基準信号送信側にはオリジナル基準信号の位相または周波数を制御部により制御して、光ファイバに入力し、
基準信号受信側においては、受信された信号を２分岐して、その片方を受信波長とは異なる波長の光信号にして、当該光ファイバに入力して送信側に送り返し、
基準信号送信側では、この送り返された光信号を分波し、さらに光電変換して電気信号を再生し、この再生信号と前記オリジナル基準信号との位相差を検出して、位相差が零になるように前記制御部を制御し、
さらに基準信号送信側においては、前記の送信と受信のための光波長とは異なる光波長を用いて、前記オリジナル基準信号を位相制御しない状態で当該光ファイバを伝送させ、
基準信号光受信側で電気信号に変換後、前記の位相制御された受信信号と位相制御されていない当該信号を周波数合成させて、その出力信号から位相変動をキャンセルした基準信号を取り出すようにしたことを特徴とする基準信号の供給方法。
【請求項２】
基準信号送信側から基準信号受信側に対して周波数の基準となる信号を光ファイバにより伝送する基準信号の供給システムにおいて、
基準信号送信側には、オリジナル基準信号の位相または周波数を制御する制御部と、制御された基準信号を電気光変換した光信号を光ファイバに入力する電気光変換部と、基準信号受信側から当該光ファイバ内に送り返された光信号を分波する光分波器と、さらに光電変換して電気信号を再生する光電変換部と、この再生された電気信号と前記オリジナル基準信号との位相差を検出して、位相差が零になるように前記制御部を制御する位相差検出部と、前記光ファイバに入力した光信号及び基準信号受信側から送り返された光信号の光波長とは異なる光波長を用いて、基準信号を位相制御しない状態で当該光ファイバを伝送させる手段とを備え、
基準信号受信側には、受信した光信号を２分岐して、その片方を受信光波長とは異なる波長の光信号にして、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す手段と、前記の位相制御された受信信号と位相制御されていない信号を周波数合成させるミキサーとを備え、そのミキサー出力信号から位相変動をキャンセルした基準信号を取り出すことを特徴とする基準信号の供給システム。
【請求項３】
前記位相または周波数の制御は、電気光変換する前の電気段あるいは電気光変換した後の光段において行われる請求項２に記載の基準信号の供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準信号送信側から基準信号受信側に対して周波数の基準となる信号を光ファイバにより伝送する基準信号の供給方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（１）時間・周波数標準の技術分野
世界の標準時である協定世界時（ＵＴＣ）は各国の標準機関が有する原子発振器（原子時計）の時刻を各種手段により比較し（非特許文献１，２参照）、それらのデータを国際度量局（BIPM）がまとめて集計することにより得られている。こうして生成されたUTCと各国の原子発振器との位相差であるUTC- UTC(k)（kは各国の標準機関名）はCircular
TとしてBIPMより毎月公開される。また各国の標準機関はＵＴＣとの差を最小化するよう時間/基準周波数を生成している。このようにして得られた周波数標準を用いて、各国の標準機関は国内の校正事業者に対して校正を行っている。高精度の周波数校正を行うためには、ユーザが所有する周波数発振器、周波数カウンタ等を標準機関に持ち込む必要があり、運搬に伴う時間と手間が掛かると共に、不確かさの増加要因ともなっている。このため遠方のユーザに対して位相/周波数変動の少ない基準信号の供給装置が望まれている。
【０００３】
また各国の原子発振器の性能は年々向上し（安定度向上10-14→ 10-15）、国際間の時刻比較法に関しても一桁高いサブnsの高精度化が強く求められており、光ファイバを用いた高精度時刻比較あるいは供給装置、また基準周波数供給装置が必要となっている。
【０００４】
（２）情報通信及び計測技術分野
情報通信技術分野については光ファイバが全国に張り巡らされ、今日では、未使用状態の光ファイバはダークファイバと呼ばれ、他の業者に貸し出しが行われる状態になっている。
また、各種の周波数発振器、周波数カウンタ、波長計は計測技術において重要な装置であり、前記のダークファイバあるいは構内において自前のファイバにより、基準信号を遠方に送り、利用したいという要求がある。
【０００５】
（３）サイエンスの分野
電波天文や加速器といった分野においては、高精度で高安定なクロック信号が必要であり、前記（１）の周波数標準が光ファイバ等により直接、供給されると飛躍的な性能向上が期待される。
【０００６】
時間・周波数の比較及び標準供給方法の文献、及び本発明の背景となる技術を下記に示す。
【特許文献１】特開２００７−３３０２９号公報
【非特許文献１】今江理人「時間・周波数精密比較法」通信総合研究所季報  Vol.49. Nos.1/2 pp.103-109 (2003).
【非特許文献２】今江、木原「周波数と時刻の精密比較・伝送技術の動向」電学論C、119巻7号、pp.771-776, (平成11年).
【非特許文献３】Yasuhisa Shibuya  他「Development and Application of the FrequencyRemote Calibration System in Japan」ATF 2004 (2004.10).
【非特許文献４】木原、久留、今岡「高精度なタイミングを供給する網同期システムの研究」ＮＴＴ技術ジャーナル、９月号、pp.60-63,1992.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
産業界を始め、さまざまな分野で行われている各種の測定結果は国家計量標準に準拠していることが重要となる。時間・周波数標準の分野でも、通常、校正事業者あるいは計測器ユーザは周波数発振器やカウンタを標準機関に持ち込んで校正する必要があり、運搬に伴う時間と手間が掛かり、不確かさの増加要因ともなっている。このために衛星技術（非特許文献３）や光通信技術を用いて、遠方のユーザに連続的で高精度に標準が供給されることが望まれ、開発が行われた。
【０００８】
また、周波数標準の供給に加えて、各標準機関の原子発振器の比較においては、原子発振器の性能向上（安定度向上10-14→ 10-15オーダ）に伴い、周波数比較手段としても10-14〜10-15オーダの不確かさで比較できる技術が必要になっている。
【０００９】
光ファイバを用いて、単純に基準信号、ここでは5Mあるいは10MHzの正弦波を伝送する形態を図５に示す。このような伝送系では、光ファイバ周囲の温度変動に伴い、光ファイバの屈折率と長さが変動する。石英ガラスの屈折率温度係数と熱膨張係数から、１kmあたり、１℃の温度上昇で時間遅れΔ1ｔは36ps/km/℃となる。図６は光ファイバ５０kmを伝送させたときの位相変動量を温度変動とともに示している。測定中の最大温度変動量は1.5℃であり、このときの位相変動幅は約1.2nsである。計算では3.1nsとなるが、光ファイバボビンの熱時定数の関係で測定値は小さめに出ていると考えられる。
【００１０】
位相を微分した値は瞬時周波数であるから位相の変動は周波数の変動に対応している。図５の位相変動結果を周波数の安定度として図示すると図７となる。２００秒より長い平均化時間においては、光ファイバの温度変動により周波数安定度（ここでは尺度としてアラン標準偏差を用いて表示）が劣化し、１,０００秒でのアラン標準偏差は約３×１０-14となる。このままでは、１×１０-1５オーダの安定度の周波数供給／時刻比較と供給は不可能となる。
【００１１】
このため、図８のように二本の光ファイバを用いて位相変動の補正を行うことが考えられるが（非特許文献４参照）、往路と復路の光ファイバで生じる位相変動量が異なるために往路側の位相変動を完全に補正することは困難である。そこで、図９のように往路と復路の光ファイバを完全に同一として、位相補正を行う必要がある（特許文献１参照）。そのために、基準信号送信側（周波数標準送信側）には電気段あるいは光段において位相/周波数の制御部を有し、基準信号受信側（周波数利用者側）においては、受信された信号を２分岐して、片方は電気光変換部Ｅ／Ｏにおいて受信波長λとは異なる波長λ2の光信号にして光合分波器（波長多重部）を介して、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す構成とする。基準信号送信側では、この送り返された光信号を光合分波器により分波し、光電変換して電気の基準信号を再生し、この再生信号と基準信号との位相差を検出して、前記の位相制御部（あるいは周波数制御部）を制御する。位相制御部としては移相器、ＰＭ変調器、ＦＭ変調器、ＶＣＸＯ（電圧制御型の水晶発振器）などがある。この制御により、周波数標準送信側における位相差が零になるように制御を実行する。この場合、光ファイバ周辺の温度変動による位相変動量をΔφとすると帰りのファイバ中でも同様の位相変動を受けるため、送信側の位相差検出部で検出される位相差はΔφの２倍となる（図１参照）。この値を零にするように制御される結果、移相器の制御量は-２Δφとなる。このためファイバ遠端の位相は位相制御された結果、-Δφとなってしまい、このままでは位相変動を抑えることができない。
【００１２】
本発明は、係る問題点を解決して、基準信号送信側から送信された基準信号に対して光ファイバ伝送中に生じた移相変動をキャンセルして、基準信号受信側において、移相変動を抑えた基準信号を取り出すことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の基準信号の供給方法及びシステムは、遠方の利用者に対して周波数の基準となる信号を光ファイバにより伝送する。基準信号送信側には電気段あるいは光段において位相または周波数の制御部を有し、基準信号受信側においては、受信された信号を２分岐して、片方を受信波長とは異なる波長の光信号にして波長多重部を介して、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す構成とする。基準信号送信側では、この送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに光電変換して電気信号を再生し、この再生信号と送信部（オリジナル）の基準信号との位相差を検出して、前記の位相制御部により位相差が零になるように制御する。さらに送信側においては、前記の送信と受信のための光波長とは異なる光波長を用いて、基準信号を位相制御しない状態で当該光ファイバを伝送させる構成を有する。光受信側で電気信号に変換後、前記の位相制御された受信信号と位相制御されていない当該信号をミキサーにより周波数合成させて、その出力信号からフィルタにより２倍の周波数を有する基準信号を抽出する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、行きと帰りの信号用に用いられた波長とは別の第３の波長を有する位相制御されていない基準信号を同一のファイバ中を波長多重伝送させることにより、位相変動をキャンセルさせることが可能となる。また、本発明によれば、発信器等の校正器物を校正機関に搬入する必要がなくなり、直接的かつ連続的に遠方に時間/周波数標準の供給が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、遠端で移相変動をキャンセルさせる本発明の原理図を示す図である。周波数標準送信側からは、オリジナル基準信号（周波数f0）を移相器を介して光ファイバに入力する。基準周波数の受信側においては、受信された信号を２分岐して、片方は受信波長とは異なる波長に変換して、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す。周波数標準送信側では、この送り返された光信号の再生信号と基準信号との位相差を検出して、この差が零になるよう位相制御部を制御する。この移相制御部は、移相器を制御する。移相器の制御量をΔｓ、行きの信号及び帰りの信号それぞれの移相変動量をΔφとして、移相器では、Δｓ＝−２Δφ、の制御をする。一方、位相制御しないオリジナル基準信号を同一ファイバに合波する。受信部ではミキサーにより周波数合成してフィルタを介して位相変動のない信号成分を抽出する。
【００１６】
このように、本発明は、位相制御されていない基準信号を同一のファイバ中を伝送させる。この信号は行きと帰りの信号用に用いられた波長とは別の第３の波長を用いて、波長多重伝送させる。この信号の受信端における位相は位相制御されていないため温度によりファイバ出力に位相変動があればΔφのまま残る（図１のΔφ）。そこでこの信号と前記の移相制御により-Δφとなった信号の二つの信号を用いて、位相変動をキャンセルさせる。
【００１７】
以下、この移相変動のキャンセルについて、基準信号を周波数f0のコサイン波としてさらに詳細に説明する。位相制御された受信端での信号vc(t)は式（１）のように表される。
【数１】
2010038771.tif 000003
ここでαは一定の任意位相であり、-Δφは位相制御された結果を示す。
【００１８】
一方、第３の波長で送られた信号v３(t)は
【数２】
2010038771.tif 000004
と表せる。ここでβは一定の任意位相である。式（１）と（２）の信号をミキサーにより、乗算すると得られる信号v(t)は
【数３】
2010038771.tif 000005
となる。
【００１９】
従って、式（３）の右辺第１項の成分である基準信号の２倍の周波数である2f0の成分をフィルタにより取り出すとこの信号はファイバの位相変動がキャンセルされて安定な信号を得ることができる。得られた信号はそのまま用いても良いし、分周器により２分周して元のf0の周波数に容易に戻すこともできる。前記のような手段により、同一のファイバ内に波長多重伝送された信号により受信部において位相変動をキャンセルさせることが可能となる。
また、光ファイバの損失による伝送距離の制限を克服するためには双方向の光増幅器を用いる適用も可能である（図３参照）。
【００２０】
図２は本発明を具体化する光ファイバ基準信号供給システムの一例を示す図である。基準信号（周波数標準）の送信側には位相差検出部、位相制御部（或いは周波数制御部）を有する。基準周波数の受信側（遠端利用者側）においては、受信された信号を光合分波器により２分岐して、片方は受信波長とは異なる波長に変換して光合分波器（波長多重部）を介して、当該光ファイバに入力して送信側に送り返す構成とする。基準信号送信側では、この送り返された光信号を光合分波器により分波し、光電気変換部Ｏ／Ｅにおいて光電変換して電気信号を再生し、この再生信号と基準信号との位相差を位相差検出部で検出して、この差が零になるよう位相制御部を制御する。一方、位相制御しない第３の波長を有する基準信号を同一ファイバに合波する。受信部ではミキサーにより周波数合成してフィルタを介して位相変動のない信号成分を抽出する形態である。
【実施例】
【００２１】
図３は本発明の効果を実証するための実験系を示す図である。図示のように、全長160 kmの光ファイバと双方向の光増幅器からなる伝送路に周波数10 MHzの基準信号を伝送する。
【００２２】
図４は、図３の実験系を用いた実験結果を示す図である。本方法を用いない通常の片方向の伝送における結果では、ファイバ周囲の温度変動に伴い１００秒以上の時間において周波数の変動が大きくなり、アラン標準偏差は１０-13より大きな値に劣化する。これに対して本発明の供給システムでは、同一の温度環境において、位相変動を抑圧していることがわかる。一日の平均化時間においてもファイバの温度変動による位相変動を抑圧させ、１０-15オーダーに安定化された信号の供給が可能となる。図４には水素メーザの安定度を点線で示しており、長期（１日以上）において水素メーザのレベルの安定な信号供給が可能であることがわかる。
これにより、発信器等の校正器物を校正機関に搬入する必要がなくなる。本発明により直接的かつ連続的に遠方に時間/周波数標準の供給が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
これまで周波数標準供給の効果を中心に述べたが、時間/周波数標準は他の電圧等の物理量の基礎でもある。本発明により周波数標準を使う多くの産業や科学分野で利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】遠端で位相変動をキャンセルさせる原理図
【図２】本発明を適用した最良かつ簡便な形態
【図３】本方法の効果を実証するための実験系
【図４】図３の実験系を用いた実験結果を示す図
【図５】光ファイバを用いた通常の基準周波数の伝送形態例
【図６】光ファイバ５０kmを伝送させたときの温度変動と位相変動量
【図７】光ファイバ伝送系の周波数安定度（RF amp：電気増幅器、EO：電気光変換装置、OE：光電気変換装置、ＥＤＦＡ：エルビウム添加光ファイバ増幅器）
【図８】２本の光ファイバを用いた周波数（位相）変動の補正システム
【図９】同一ファイバを用いた基準信号供給の基本形
【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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