(57)【要約】【課題】異なる２地点間で時計の比較を行う光ファイバ周波数伝送システムであって、ファイバ伝送路中で光信号の増幅が必要な場合においても、光路を分岐させることなく双方向から到達する光信号をそれぞれ増幅させることができる光増幅器を備えた光ファイバ周波数伝送システムを提供すること。【解決手段】ある地点に存在する、第１の原子時計と、第１の光周波数コムと、第１の二次高調波発生器と、レーザー光源と、前記ある地点とは別の地点に存在する、第２の原子時計と、第２の光周波数コムと、第２の二次高調波発生器と、光信号を増幅可能な双方向増幅型の光増幅手段とを備えた、光ファイバ周波数伝送システムであって、前記双方向増幅型の光増幅手段において、パラメトリック増幅が用いられることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システムが提供される。【選択図】図１
2014179916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある地点に存在する、
第１の原子時計と、
第１の光周波数コムと、
第１の二次高調波発生器と、
レーザー光源と、
前記ある地点とは別の地点に存在する、
第２の原子時計と、
第２の光周波数コムと、
第２の二次高調波発生器と、
光信号を増幅可能な双方向増幅型の光増幅手段と
を備えた、光ファイバ周波数伝送システムであって、前記双方向増幅型の光増幅手段において、パラメトリック増幅が用いられることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ周波数伝送システムにおいて、前記双方向光増幅手段は、パラメトリック増幅効果を用いた位相感応光増幅器であることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光ファイバ周波数伝送システムにおいて、前記第１の原子時計と、前記第２の原子時計とはともに、光格子時計であることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の光ファイバ周波数伝送システムにおいて、パラメトリック増幅は、周期的に分極反転された２次非線形光学材料から成る光導波路を用いて行われることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。
【請求項５】
請求項４に記載の光ファイバ周波数伝送システムにおいて、前記２次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ 3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ４、又は、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加された物質であることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数伝送システムに関する。具体的には、本発明は、周波数標準を遠隔地に伝送する伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数標準は、周波数、時間間隔、時刻の標準を与えるものとして、古くから研究されてきた。古くは地球の回転を基として水晶時計で維持されてきたが、より高精度の時間、周波数の標準を得るために、１９６７年以降は１３３Ｃｓ原子の基底状態の二つの超微細準位間マイクロ波遷移の周波数を９，１９２，６３１，７７０Ｈｚとするセシウム原子周波数標準に置き換えられた。現在のところ、その最高精度は１０１５程度である。
【０００３】
ＧＰＳ衛星が正しい位置を示すための正確な電波を出す原子時計を提供することのために、クオーツ時計の一種であり原子時計による正確な時刻情報をもとにした標準電波を受信して時刻誤差を修正する電波時計を提供することのために、また、レーザーを用いて長さを正確に測定することのためにも、正確な時計の開発が肝要である。
【０００４】
周波数標準の精度を高めるためには、発信器の安定化だけでなく、高周波数化を行うことが必要である。マイクロ波の遷移を用いる周波数標準の高精度化はもはや限界に来ており、これ以上の精度を求めるためにはマイクロ波遷移ではなく光遷移を用いる必要がある。約９．２ＧＨｚの発振周波数を光の周波数領域である１００ＴＨｚ〜１ＰＨｚまで引き上げることができれば、時間、周波数の標準の精度を４〜５桁向上させることができるため、近年その実現の期待が高まっている。
【０００５】
光遷移を用いた原子時計を実現するために、これまで大きく分けて（１）イオントラップ中の単一イオン（水銀、イッテルビウム、アルミニウム等のイオン）を用いる方法による手段（いわゆる単一イオン時計）や、（２）レーザー冷却されたカルシウム等の中性原子集団を用いた方法による手段（いわゆる中性原子集団時計）、といった二つの手段が研究されてきており、近年ではセシウム時計の精度を凌駕する性能が実証されてきている。
【０００６】
（１）イオントラップ中の単一イオンを用いる方法は、単一イオンを、自身の放射（吸収）する波長よりも狭い領域に閉じ込めることでラム・ディッケ効果を用いることができるため、原子の運動によるドップラーシフトや光子の反跳による効果を取り除くことが可能になる。また、単一の粒子を用いているため他原子との相互作用による周波数シフトがないという利点があるが、一個の粒子を観測しなければならないため、信号対雑音比（ＳＮ比）が小さく、周波数安定度に対しては致命的な欠点となる。
【０００７】
一方、（２）レーザー冷却された中性原子集団を用いる中性原子集団時計の場合、原子が多数存在（約１００万個程度）するため周波数安定度の面で有利であるが、完全に束縛できていないため、原子の運動によるドップラー効果や光子の反眺に起因する周波数シフトや、原子間衝突による周波数シフトなどによって、原子集団を無摂動状態に維持することが極めて困難であり、これらの要素によって時計周波数の不確かさが生じ、時計の精度向上が阻害されてしまう問題があった。
【０００８】
上で述べた２つの方法はいずれも一長一短があったが、これらそれぞれの手法の利点を併せ持つ方法が考案された（非特許文献１を参照）。非特許文献１に記載の光格子時計は、レーザー光の干渉定在波によって作られた３次元の光格子ポテンシャルに、低温中性原子（ストロンチウムやイッテルビウム）約１００万個をラム・ディッケ効果によって強く束縛する方法により実現することができる。ラム・ディッケ効果によりドップラーシフト及び格子の反跳シフトの影響を排除できるため高いＱ値が実現できるとともに、約１００万個の原子を同時に測定することにより、高いＳＮ比を得ることが可能である。さらに、光格子を構成するレーザーの波長を適当に選択することで、光格子ポテンシャルの波長依存性を利用して光格子のトラップポテンシャルによるスペクトルの摂動をなくすことができる。このような波長はマジック波長と呼ばれ、マジック波長で光格子を実現することで、光シフトの影響が極めて少ない光時計を構成することが可能である。
【０００９】
この光格子時計は従来の原子時計の長所を併せ持っているが、その有効性を確認するためには、同等以上の性能を持つ時計と比較することで評価する必要がある。また、時計から得られた周波数を周波数標準として利用するためには、物理的に離れた場所に存在する独立した複数の時計の周波数が一致していることを確認する必要がある。しかしながら、光格子時計は研究の進展が著しく、遠距離にある時計の周波数の差をその性能に見合う正確さで、高速に測定する手段がなかったため、１５桁までしか、時計の信頼性が保証されていなかった。近年、２４ｋｍ離れた２つの光格子時計の周波数比較実験が行われ、従来より一桁高い１６桁の精度で一致していることが確認された（非特許文献２を参照）。
【００１０】
図１は、非特許文献２に示された光ファイバ周波数伝送システムの構成図であり、互いに離れた２つの光格子時計から得られた周波数標準を伝送するためのシステムである。２地点における周波数標準を精度良く伝送するためには、光信号が光ファイバを通過する際に重畳される振動や温度変化などに起因する雑音を送信側で把握し、その雑音をキャンセルさせるように送信側に変調を加えることが必須となる。そのためには光信号を送信側から受信側に一方的に送るのではなく、受け取った光信号を受信側から送信側に再び戻す必要がある。その際に留意すべきこととして、光格子時計の精度を確保するためには、往路側と復路側の光路を一致させることが肝要であるため、往復で同一の光ファイバを用いる必要がある。
【００１１】
ところで、この光格子時計を重力検出等に応用するためには、任意距離での異なる２地点間で光格子時計１０１、１０５の比較を行うことが重要になる。しかしながら、光ファイバ１０９は１．５５μｍ帯において０．２ｄＢ／ｋｍの損失を有していることから、例えば２００ｋｍ離れた地点では光信号は１万分の１に減衰してしまうため、任意距離での異なる２地点間で光格子時計の比較を行うためには、図１に示すように、光ファイバ伝送路の途中で光信号の減衰を補償するための双方向で増幅可能な光増幅器１０８を設けなければならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】T. Ido, H. Katori,“Recoil-Free Spectroscopy of Neutral Sr Atoms in the Lamb-Dicke Regime”, Phys. Rev. Lett. 91, 053001（2003）.
【非特許文献２】A. Yamaguchi1, M. Fujieda, M. Kumagai1, H. Hachisu1, S. Nagano, Y. Li, T. Ido, T. Takano, M. Takamoto, and H. Katori, “Direct Comparison of Distant Optical Lattice Clocks at the 10-16 Uncertainty” Applied Physics Express Vol. 4 (2011) 082203
【非特許文献３】加藤智之、木村英之、村上泰弘、山下育男、竹中  保、青海恵之「双方向光増幅器による一心双方向型光マルチドロップシステムの開発」古河電工時報、第103号 （1999年1月）
【非特許文献４】T. Umeki, H. Takenouchi, and M. Asobe, “First Demonstration of In-Line Phase Sensitive Amplifier based on PPLN Waveguide”, Proc. of European Conf. on Optical Communication, Tu.3.E.1(2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来から光増幅器として用いられているエルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA：Erbium-doped optical fiber amplifier）（図２を参照）に代表されるレーザー光増幅器（反転分布媒質からの誘導放出によって増幅を行う光増幅器）は、エルビウム添加光ファイバとそれ以外の光ファイバとの融着接続点でのわずかな反射によって、エルビウム添加光ファイバ中で共振器を形成し、レーザー発振を引き起こしてしまう問題がある。この問題を解決するためには、図２に示すようにＥＤＦＡ中に光アイソレータ２０４を挿入しておく必要があるため、一台の光増幅器を単に挿入するだけでは、双方向で光信号を増幅することは不可能である。
【００１４】
このため、非特許文献２に示された伝送システムの途中にＥＤＦＡを挿入しようとすると、光増幅器の挿入箇所だけ、光伝送路を往路と復路に分け、２台の光増幅器を往路用と復路用に分けて利用することが必要になってくる。この光路が分岐した部分の光ファイバ長の揺らぎの差が、光格子時計の精度を制限してしまう。
【００１５】
双方向の光信号が増幅できるＥＤＦＡとしては、非特許文献３に示すような構成が提案されている。図３は、非特許文献３で開示されているＥＤＦＡを用いた双方向増幅器の構成を示す図である。しかしながら、図３に示す双方向増幅器は、図３から明白なとおり、レーザー増幅器を用いる際には必ず光アイソレータを光路中に配置しなければならないという制限を回避しているものでは無く、往路と復路とで光信号の波長を変え（図３のλ１とλ２）、ＷＤＭカプラで往路用と復路用との光信号を分岐して、同方向の増幅器で増幅、再びＷＤＭカプラで合波するため、光路が分岐されてしまっており、分岐した光路部分の光ファイバ長の揺らぎの差が、光格子時計の精度を制限してしまうという問題は依然として解決していない。
【００１６】
１６桁よりもさらに高い精度で光格子時計を実現するためには、同一光路で双方向の信号を増幅可能な光増幅器を実現する必要があるが、ここで本願発明者達は、レーザー増幅ではなくパラメトリック増幅を用いて光信号を増幅することにより、双方向の光信号が増幅できる光増幅器を構成可能であることを初めて見出した。
【００１７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、異なる２地点間で時計の比較を行う光ファイバ周波数伝送システムであって、ファイバ伝送路中で光信号の増幅が必要な場合においても、光路を分岐させることなく双方向から到達する光信号をそれぞれ増幅させることができる光増幅器を備えた光ファイバ周波数伝送システムを提供することである。これにより、極めて精度の高い光格子時計を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の請求項１に記載の発明は、ある地点に存在する、第１の原子時計と、第１の光周波数コムと、第１の二次高調波発生器と、レーザー光源と、前記ある地点とは別の地点に存在する、第２の原子時計と、第２の光周波数コムと、第２の二次高調波発生器と、光信号を増幅可能な双方向増幅型の光増幅手段とを備えた、光ファイバ周波数伝送システムであって、前記双方向増幅型の光増幅手段において、パラメトリック増幅が用いられることを特徴とする光ファイバ周波数伝送システムである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、異なる２地点間で時計の比較を行うための光ファイバ周波数伝送システムにおいて、ファイバ伝送路の損失補償のために光信号の増幅が必要な場合であっても、光格子時計の精度を落とすことなく光信号を増幅させることが可能となるため、極めて精度の高い光格子時計を構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光ファイバ周波数伝送システムの構成例を示す図である。
【図２】エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の構成例を示す図である。
【図３】従来のＥＤＦＡを用いた双方向増幅器の構成を示す図である。
【図４】従来の一方向増幅型の位相感応光増幅器の基本的構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る双方向増幅型の位相感応光増幅器の基本的構成例を示す図である。
【図６】周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路を用いた一方向増幅型の位相感応光増幅器の具体的構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る具体的構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
[位相感応光増幅器（ＰＳＡ）の基本的構成]
まずは、光ファイバ周波数伝送システムついて説明する前に、その構成要素である双方向増幅が可能な位相感応光増幅器（ＰＳＡ）について説明する。
【００２３】
図４に、位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。この光増幅器は、位相感応光増幅部４０１と、励起光源４０２と、励起光位相制御部４０３と、３つの光分岐部４０４−１、４０４−２、４０４−３とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部４０１における信号光と励起光との位相が一致すると入力信号光４１０は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光４１０は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。
【００２４】
信号光と励起光との位相同期を達成するために、光分岐部４０４−１で分岐された入力信号光４１０の位相に同期するように励起光４１１の位相を制御する。励起光位相制御部４０３は、光分岐部４０４−３で分岐された出力信号光４１２の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光４１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部４０１において、信号光の位相と励起光の位相とが同期するように制御され、ＳＮ比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部４０３は、図４に示すような励起光源４０２の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源４０２の位相を直接制御する構成としてもよい。
【００２５】
図４に基本構成を示した位相感応光増幅器はパラメトリック増幅に基づいており、光信号の光路中にアイソレータが不要なため、双方向で増幅が可能である。以下、図５を用いて双方向増幅を行うための位相感応光増幅器の構成を説明する。
【００２６】
図５に示すように、この光増幅器は、図４に示した構成と同様、位相感応光増幅部５０１と、励起光源５０２と、励起光位相制御部５０３と、３つの光分岐部５０４−１、５０４−２、５０４−３とから構成される。また、この光増幅器は、励起光源５０５と、励起光位相制御部５０６と、３つの光分岐部５０７−１、５０７−２、５０７−３とをさらに備える。
【００２７】
図５に示す位相感応光増幅器は、往路及び復路について位相感応光増幅部５０１を共有した構成になっている。かかる構成を用いることで、双方向からの信号において光路を完全に同一に保ちつつ、往路と復路とにおいて独立に位相感応増幅を実現することが可能になる。
【００２８】
[位相感応光増幅器（ＰＳＡ）の具体的構成]
本実施形態に係る双方向信号が増幅可能な位相感応光増幅器の具体的構成を説明する前に、非特許文献４に示された２値の位相変調（ＢＰＳＫ）又は２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）伝送信号から片方向の位相感応増幅を実現する具体的な構成を図６に示す。
【００２９】
図６に示す構成では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）を用いて、信号光の一部を増幅する。図６に示す構成では、信号光と第１の励起光とを合波して増幅した後、二次非線形光学素子に入射する。二次非線形光学素子内部で信号光の第二高調波が生成され、かつ、生成された第二高調波と第１の励起光との差周波発生により搬送波の抽出が行われる。差周波光は同じ波長で発振する第２の励起光に注入同期された後に、第１の励起光と合波され、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）を用いて、第１及び第２の励起光で構成された励起基本波光が増幅される。増幅した基本波光を後段の二次非線形光学素子に入射して和周波光を発生させる。そして、さらに後段の二次非線形光学素子に信号光と和周波光とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。
【００３０】
以下、図６を用いて、ＢＰＳＫ又はＤＰＳＫが施された１．５４μｍの信号光を増幅するための搬送波を抽出する搬送波抽出部を含む位相感応増幅装置の構成を説明する。入力信号光６０１の一部は、偏波コントローラ６０２を用いて偏波を調整され、光分岐部６０３で分岐されて、第１の励起光と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）６０６で増幅される。増幅された信号光と第一の励起光とは、二次非線形光学素子６０７−１に入力される。本実施形態に係る二次非線形光学素子６０７は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路６５１を備える。光導波路６５１には、信号光の第二高調波発生、ならびに、発生した第二高調波と第一の励起光との間で差周波発生が可能となる擬似位相整合条件を満たす周期分極反転構造が形成されている。
【００３１】
信号光と第一の励起光とが入力された二次非線形光学素子６０７−１によって、信号光の波長に対して半分の波長を持つ第二高調波が生成される。さらに、二次非線形光学素子６０７−１によって、内部で発生した第二高調波と第一の励起光との間の差周波光が生成される。信号光の位相φsと、第一の励起光の位相φp1と、差周波光の位相φp2との間には、2φs -φp1-φp2 =0の関係があるため、差周波光の位相φp2は、信号光の位相φs及び第一の励起光の位相φp1を用いてφp2 = 2φs -φp1と表される。つまり、通常データ信号には変調がかかっているため搬送波の位相を抽出することが難しいが、第二高調波発生を用いたことにより信号光の位相φsを２倍とすることで、２値の位相変調を取り除くことができる。さらに、差周波数発生を用いることで、搬送波の位相情報を含んだ差周波光を信号光と同じ波長帯である１．５５μｍ帯で取り出すことができる。
【００３２】
伝送されてきた信号光が完全な２値の位相変調状態であれば、差周波光には変調の影響は現れない。しかしながら、ファイバなどの伝送路を伝搬してきた光信号には位相雑音が重畳されているため、完全な２値の位相変調状態とはならず、実際に得られた差周波光には、変調の不均一性に起因した影響が残る。また、元々微弱な信号光をさらに分波して二次非線形光学素子６０７−１に入力しているため、得られる差周波光の光強度は微弱なものである。これらの問題を解決するために、差周波光を用いて光注入同期を行っている。
【００３３】
図６に示す通り、二次非線形光学素子６０７−１から出力された、信号光、第１の励起光、及び差周波光は、光サーキュレータ６０８を通過した後、それぞれの光に分波される。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器６０９が使用される。分波器６０９から出力された信号光は、空間系に放出される。分波器６０９から出力された第１の励起光は、アイソレータ６１０を用いて消光される。差周波光と一致した波長を持つ分波器出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー６１１が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ〜１００μＷになるように調整した後、半導体レーザー６１１に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の励起光を生成することができる。
【００３４】
第２の励起光は、差周波光位相φp2と同じ位相を持つ。第２の励起光の光強度は、半導体レーザー６１１の出力により決まるため、数１０μＷ程度の微弱な差周波光を用いて数１０ｍＷ以上の励起光を得ることができたことになり、さらに、差周波光に重畳されていた信号光の変調の不均一性に起因した影響も緩和することができたことになる。ＡＷＧ型合分波器６０９の合波側から第１の励起光を入射し、第２の励起光と合波した上で、サーキュレータ６０８を用いて取り出す。非線形素子と光注入同期とにより信号光搬送位相を抽出した、第１の励起光及び第２の励起光が、励起基本波光として用いられる。
【００３５】
ＰＰＬＮ導波路６５１−２から出射した、和周波光と励起光とは、ダイクロイックミラー６５３を用いて分離される。ダイクロイックミラー６５３で反射された波長０．７７μｍの和周波光は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ６１６を経由して、二次非線形光学素子６０７−３へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー６５３で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の励起光及びＡＳＥ光も偏波保持ファイバ６１６に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不用な光を効果的に減衰させることができる。偏波保持ファイバ６１６で導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー６５４を用いて波長１．５４μｍの信号光６０１と合波される。ダイクロイックミラー６５４は和周波光のみを反射させるために、ＰＰＬＮ導波路６５１−２から出射され、ダイクロイックミラー６５３で反射されて、偏波保持ファイバ６１６を通ってくる波長１．５４μｍ付近の励起基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。信号光６０１と和周波光とは合波され、ＰＰＬＮ導波路６５１−３に入射される。ＰＰＬＮ導波路６５１−３は、ＰＰＬＮ導波路６５１−２と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路６５１−２，６５１−３はそれぞれ、個別の温度調節器により一定の温度となるように制御されている。２つのＰＰＬＮ導波路の作製誤差のために同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を一致させることができる。ＰＰＬＮ導波路６５１−３から出射された光は、ダイクロイックミラー６５６により励起光である和周波光と増幅された信号光とに分離される。このときも和周波光と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
【００３６】
位相感応増幅では、励起光と信号光との位相を同期させることが必要であるが、図６に示す構成では出力した増幅信号光の一部を光分岐部６１８で分岐して光検出器６１９で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）６２０により位相同期を行った。ＡＷＧ型の合波器の前に配置した位相変調器６２１を用いてｓｉｎ波により微弱な位相変調を第１の励起光に施す。光検出器６１９とＰＬＬ回路６２０とでその位相変調の位相ずれを検出して、ＡＷＧ型の合波器の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ６２２の伸長器の駆動電圧と位相変調器６２１のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収するので、安定的に位相感応増幅ができる。
【００３７】
図７に双方向増幅が可能な位相感応光増幅器の具体的構成を示す。図７に示すように位相感応光増幅器は、図６に示した構成と同一の構成（符号６００番台の構成要素）を備えている。また、この光増幅器は、図６に示した構成における往路を復路とし、復路を往路とするような信号光を増幅するための、図６に示した構成と同様の構成（符号７００番台の構成要素）も備える。図７に示す位相感応光増幅器は、双方向の信号光について二次非線形光学素子６０７−３を共有した構成になっている。図７に示すような構成によって、双方向からの信号光を独立に位相感応増幅することができる。
【００３８】
また、本実施形態における双方向増幅器は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いたが、本発明はニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また、二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。
【００３９】
実際に、図１に示した光ファイバ周波数伝送システムにおいて図７の構成を双方向増幅型光アンプとして用いて光ファイバ周波数の伝送実験を実施した。伝送には波長1538nmの信号を用いて、双方の地点で1538nmの光信号の第２次高調波を取ることで769nmの信号に変換し、波長698nmのストロンチウム原子時計の周波数でロックした光周波数コムとのビート信号を検出することで双方の原子時計の周波数比較を行った。実験に際しては二地点の標高差による一般相対論的な重力シフトの影響等の補正を行っている。
【００４０】
両地点の原子時計のアラン偏差（周波数差の不確かさ）によって時間精度を評価したところ、1000秒換算で5×10-18であった。これにより、双方の時計が従来の限界であった１６桁の精度をはるかに上回る１８桁の精度で一致していることが実験的に確認できた。
【符号の説明】
【００４１】
１０１、１０５  光格子時計
１０２、１０６  光周波数コム
１０３、１０７  二次高調波発生器
１０４  レーザー光源
１０８  光増幅器
１０９  光ファイバ
２０１  ＷＤＭカプラ
２０２  励起用レーザー
２０３、２０４  光アイソレータ
２０５  エルビウム添加光ファイバ
３００  双方向増幅器
３０１〜３０４  ＷＤＭカプラ
３０５  ＥＤＦＡ
４０１  位相感応光増幅部
４０２  励起光源
４０３  励起光位相制御部
４０４−１、４０４−２、４０４−３  光分岐部
４１０  入力信号光
４１１  励起光
４１２  出力信号光
５０１  位相感応光増幅部
５０２、５０５  励起光源
５０３、５０６  励起光位相制御部
５０４−１、５０４−２、５０４−３、５０７−１、５０７−２、５０７−３  光分岐部
５１０  入力信号光（往路）
５１１  励起光（往路）
５１２  出力信号光（往路）
５１３  入力信号光（復路）
５１４  励起光（復路）
５１５  出力信号光（復路）
６０１  入力信号光
６０２  偏波コントローラ
６０３、６０５、６１２、６１８  光分岐部
６０４  ＥＣＬ
６０６、６１３  ＥＤＦＡ
６０７  二次非線形光学素子
６０８  光サーキュレータ
６０９  ＡＷＧ型合分波器
６１０  アイソレータ
６１１  半導体レーザー
６１４  バンドパスフィルタ
６１６  偏波保持ファイバ
６１９  光検出器
６２０  位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
６２１  位相変調器
６２２  ＰＺＴによる光ファイバ
６２３  ＰＭ光アッテネータ
６５１  ＰＰＬＮ導波路
６５３、６５４、６５６  ダイクロイックミラー
７０１  入力信号光
７０２  偏波コントローラ
７０３、７０５、７１２、７１８  光分岐部
７０４  ＥＣＬ
７０６、７１３  ＥＤＦＡ
７０７  二次非線形光学素子
７０８  光サーキュレータ
７０９  ＡＷＧ型合分波器
７１０  アイソレータ
７１１  半導体レーザー
７１４  バンドパスフィルタ
７１６  偏波保持ファイバ
７１９  光検出器
７２０  位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
７２１  位相変調器
７２２  ＰＺＴによる光ファイバ
７２３  ＰＭ光アッテネータ
７５１  ＰＰＬＮ導波路
７５３  ダイクロイックミラー
【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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