(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入することにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の繰り返し周波数を前記第１の光パルス列の繰り返し周波数に受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項２】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入することにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の繰り返し周波数のＮ倍（Ｎは整数）と前記第１の光パルス列の繰り返し周波数のＭ倍（Ｍは整数）が同一になるように受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項３】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と前記第１の波長の帯域と一部を共有する第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に注入することにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項４】
前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させることを特徴とする請求項３に記載のクロック伝送装置。
【請求項５】
前記第１のモード同期レーザー装置と前記光注入手段間に、前記第１の光パルス列のうち、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載のクロック伝送装置。
【請求項６】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、前記第１の光パルス列の波長帯域を広げるための波長広帯域化手段と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記波長広帯域化手段によって広帯域化された第１の光パルス列を前記第２のレーザー装置の共振器内に注入するための光注入手段と、前記第２の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記広帯域化された第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のレーザー装置の共振器内に注入することにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項７】
前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させることを特徴とする請求項６に記載のクロック伝送装置。
【請求項８】
前記波長広帯域化手段と前記光注入手段間に、前記広帯域化された第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載のクロック伝送装置。
【請求項９】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に設けられた前記第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内の前記媒質において前記第１の光パルス列と光路を共有させることにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の繰り返し周波数を前記第１の光パルス列の繰り返し周波数に受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項１０】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に設けられた前記第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内の前記媒質において前記第１の光パルス列と光路を共有させることにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の繰り返し周波数のＮ倍（Ｎは整数）を前記第１の光パルス列の繰り返し周波数のＭ倍（Ｍは整数）と同一になるように受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項１１】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のモード同期レーザー装置と、光パルスの波長が長いほど当該光パルスが共振器を周回する時間が長くなるように構成されるとともに、第２の繰り返し周波数と前記第１の波長の帯域と一部を共有する第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のモード同期レーザー装置と、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内に設けられた前記第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器内の前記媒質において前記第１の光パルス列と光路を共有させることにより前記第２の光パルス列の波長を変移させ、該波長変移に基づき前記第２の光パルス列が共振器を周回する時間が変化することによって前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項１２】
前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させたことを特徴とする請求項１１に記載のクロック伝送装置。
【請求項１３】
前記第１のモード同期レーザー装置と前記媒質間に、前記第１の光パルス列のうち、前記第２のモード同期レーザー装置の前記共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とする請求項１１に記載のクロック伝送装置。
【請求項１４】
第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、前記第１の光パルス列の波長帯域を広げるための波長広帯域化手段と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第２のレーザー装置の共振器内に設けられた前記波長広帯域化手段により広帯域化された第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のレーザー装置の共振器内の前記媒質において前記広帯域化された第１の光パルス列と光路を共有させることにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置。
【請求項１５】
前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させたことを特徴とする請求項１４に記載のクロック伝送装置。
【請求項１６】
前記波長広帯域化手段と前記媒質間に、前記広帯域化された第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とする請求項１４に記載のクロック伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロック伝送装置に係り、特に、通信・計測分野において、高精度な周波数標準から生成される基準周波数クロック信号を光パルス列として遠隔地に長距離伝送するためのクロック伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の周波数標準では、セシウム原子の遷移に共鳴したマイクロ波（〜１０１０Hz）を基準に用いているが、次世代の高精度周波数標準として、マイクロ波遷移の代わりに、より周波数の高い冷却原子の光遷移を用いることが提案されている。周波数の精度は、遷移周波数をf(Hz)、周波数の不確定幅をΔf(Hz)とするならば、Δf／fで決まるため、より周波数fの高い遷移を用いることにより、周波数標準の精度を向上することができる。 周波数安定化レーザーの光周波数を原子遷移に共鳴させることにより、その光を高精度な周波数の標準として用いることが出来る。しかし、光の周波数は、１０１５Hzにも達するため、その高速性ゆえに既存の電気回路で処理することは不可能であり、その周波数を電気回路によって、計数することはできない。
【０００３】
そこで、一定時間間隔のパルス列を放出するモード同期レーザーを用いて計数を行うことが提案されている。図１に示すように、モード同期レーザーは、周波数軸上では、一定間隔に並んだ縦モード列を形成する。これを周波数コムと呼ぶ。周波数コムの間隔は、パルス列の繰り返し周波数（時間間隔の逆数）に等しく、周波数コムの一つの縦モードの周波数をfn(Hz)とし、繰り返し周波数をfr(Hz)と表すと、fn = n fr + f0 （式１）と書くことが出来る。ここで、nは整数で、f0は周波数コムを仮想的にゼロ周波数まで延長した時のオフセット周波数である。
【０００４】
まず、オフセット周波数をゼロもしくはある一定の周波数になるように周波数コムを安定化し、さらに、周波数コムの一本の縦モードの周波数が、冷却原子の光遷移によって周波数安定化されたレーザーの光周波数と同一になるように、繰り返し周波数を制御する。この状態において、繰り返し周波数は１０９Hz程度であるため、電気回路で容易に計数することができる。式１の関係から、原子遷移周波数の精度は、そのまま繰り返し周波数の精度に転写されることが分かるので、モード同期レーザーから送出される一定間隔のパルス列は、高精度な原子遷移標準の精度を有した基準クロックとして利用することができる。例えば、標準となる光遷移周波数を５００ＴＨｚ、ｎ＝５０００００とし、オフセット周波数をゼロに安定化した場合では、繰り返し１ＧＨｚの基準クロックを生成することができる（非特許文献１）。
【０００５】
また、このように原子遷移によって安定化された周波数コム自体は、絶対周波数計測等において、周波数軸上の高精度な物差しとして使用できる。例えば、未知の周波数をもつ光があると仮定する。その光と周波数コムとを重ね合わせると、未知の光周波数と周波数コムの縦モード周波数との差に相当する周波数を持つビート信号が検出できる。このビート周波数fb(Hz)を電気回路によって計数することにより、未知の周波数f(Hz)は、f = nfr + f0 + fb  （式２）なる関係式より求めることが可能となる。
【０００６】
ところが、オフセット周波数をゼロもしくはある一定周波数に安定化するためには、モード同期レーザーのスペクトル帯域が１オクターブ以上（スペクトルの低周波数端の成分の２倍周波数が高周波数端と重なる）広いことを必要とし、このことは一般にはきわめて困難な課題であり、 現在、オフセット周波数を高精度に安定化し、原子周波数標準から基準クロック信号、あるいは基準となる周波数コムを作り出すことが可能なモード同期レーザーは、波長８００ｎｍで発振するチタンサファイアレーザーのみである（非特許文献２）。
【０００７】
こうして得られた基準クロックを用いて遠隔地で高精度な計測を行うためには、基準クロックを遠隔地まで長距離伝送する必要がある。連続波光源を基準クロックで振幅変調して光ファイバで伝送する方法とモード同期レーザーからの光パルス列をそのまま光ファイバで伝送する方法があるが、光パルス列を伝送する方法の方が１桁程度高い精度で伝送できるという結果が得られている（非特許文献３）。
【０００８】
【非特許文献１】S． A． Diddams et al． “Standards of Time and Frequency at the Outset of the 21stCentury” Science Vol．306 p．1318-1324
【非特許文献２】S． A． Diddams et al． “An Optical Clock Based on a Single Trapped 199Hg+ Ion” Science Vol．293 p．825-828
【非特許文献３】K． W． Holmann et al． “Precise frequency transfer through a fiber network by use of 1．5-μm mode-locked sources” Optics Letters Vol．29 No．13 p．1554-1556
【非特許文献４】D．J． Jones et al． “Ultralow-jitter、 1550-nm mode-locked semiconductor laser synchronized to a visibleoptical frequency standard” Optics Letters vol．28 No．10 p．813-815
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光パルス列を通常の石英ファイバで伝送する場合、伝送損失の少ない波長1．５μｍを選択する必要がある。しかしながら、現在、原子周波数に安定化された周波数標準を供給できるモード同期レーザーは、波長８００ｎｍのチタンサファイアレーザーのみである。波長１．５μm帯のレーザーを用いた試みもなされているが、技術的に困難である。一方、波長１．５μmのモード同期レーザーの繰り返し周波数を電子回路によって能動的に制御し、基準クロックに同期させる技術が報告されているが、複雑な電子制御回路を必要とするうえ、電子回路の速度の限界により数十フェムト秒のタイミングジッターが発生してしまう（非特許文献４）。また、上記の方法では、繰り返し周波数を伝送することが可能であるのみで、オフセット周波数は安定化されないため、基準クロックに同期した周波数コムを伝送することはできない。
【００１０】
本発明の目的は、上記の問題点を踏まえ、高精度な周波数標準から発生する基準クロックを遠隔地まで長距離伝送することを可能にしたクロック伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、第１の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のレーザー装置の共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の波長の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のレーザー装置の共振器内に注入することにより、前記第２の光パルス列の繰り返し周波数を第１の光パルス列の繰り返し周波数に受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第２の手段は、第２及び３の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のレーザー装置の共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の波長の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のレーザー装置の共振器内に注入することにより、前記第２の光パルス列の繰り返し周波数のＮ倍（Ｎは整数）と前記第１の光パルス列の繰り返し周波数のＭ倍（Ｍは整数）が同一になるように受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第３の手段は、第４の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第１の波長帯域と一部を共有する第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第１の光パルス列を前記第２のレーザー装置の共振器内に注入する光注入手段と、前記第２の波長の光パルス列を伝送する光伝送手段とから構成され、前記第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のレーザー装置の共振器内に注入することにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第４の手段は、第５の実施形態に対応し、第３の手段において、前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させることを特徴とするクロック伝送装置である。
第５の手段は、第６の実施形態に対応し、第３の手段において、前記第１のレーザー装置と前記光注入手段間に、前記第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とするクロック伝送装置である。
第６の手段は、第７の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、前記第１の光パルス列の波長帯域を広げるための波長広帯域化手段と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記波長広帯域化手段によって広帯域化された第１の光パルス列を第２のレーザー装置の共振器内に注入するための光注入手段と、前記第２の波長の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記広帯域化された第１の光パルス列を前記光注入手段を用いて前記第２のレーザー装置の共振器内に注入することにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第７の手段は、第８の実施形態に対応し、第６の手段において、前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させることを特徴とするクロック伝送装置である。
第８の手段は、第９の実施形態に対応し、第６の手段において、前記波長広帯域化手段と前記光注入手段間に、前記広帯域化された第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とするクロック伝送装置である。
第９の手段は、第１０及び１１の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第２のレーザー装置の共振器内に設けられた第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、第２の波長の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のレーザー装置の共振器内の前記媒質において第１の光パルス列と光路を共有させることにより、前記第２の光パルス列の繰り返し周波数を前記第１の光パルス列の繰り返し周波数に受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第１０の手段は、第１２の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第２のレーザー装置の共振器内に設けられた第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、第２の波長の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のレーザー装置の共振器内の前記媒質において第１の光パルス列と光路を共有させることにより、前記第２の光パルス列の繰り返し周波数のＮ倍（Ｎは整数）を前記第１の光パルス列の繰り返し周波数のＭ倍（Ｍは整数）と同一になるように受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第１１の手段は、第１３の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、第２の繰り返し周波数と第１の波長帯域と一部を共有する第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第２のレーザー装置の共振器内に設けられた第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の波長の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のレーザー装置の共振器内の前記媒質において第１の光パルス列と光路を共有させることにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第１２の手段は、第１４の実施形態に対応し、第１１の手段において、前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させたことを特徴とするクロック伝送装置である。
第１３の手段は、第１５の実施形態に対応し、第１１の手段において、前記第１のレーザー装置と前記媒質間に、前記第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とするクロック伝送装置である。
第１４の手段は、第１６の実施形態に対応し、第１の繰り返し周波数と第１の波長を有する第１の光パルス列を発生する第１のレーザー装置と、前記第１の光パルス列の波長帯域を広げるための波長広帯域化手段と、第２の繰り返し周波数と第２の波長を有する第２の光パルス列を発生する第２のレーザー装置と、前記第２のレーザー装置の共振器内に設けられた前記波長広帯域化手段により広帯域化された第１の光パルス列と光路を共有する媒質と、前記第２の波長の光パルス列を伝送するための光伝送手段とから構成され、前記第２のレーザー装置の共振器内の前記媒質において前記広帯域化された第１の光パルス列と光路を共有させることにより、前記第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数を第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数に対して受動的に同期させ、前記第２の光パルス列を前記光伝送手段により伝送することを特徴とするクロック伝送装置である。
第１５の手段は、第１７の実施形態に対応し、第１４の手段において、前記第２の光パルス列の周波数コムのＮ本ごと（Ｎは整数）の縦モード周波数を前記第１の光パルス列の周波数コムのＭ本ごと（Ｍは整数）の縦モード周波数に対して受動的に同期させたことを特徴とするクロック伝送装置である。
第１６の手段は、第１８の実施形態に対応し、第１４の手段において、前記波長広帯域化手段と前記媒質間に、前記第１の光パルス列のうち、前記第２のレーザー装置の共振器の発振波長と同一の成分を選択する手段を設けたことを特徴とするクロック伝送装置である。
【発明の効果】
【００１２】
高精度な周波数標準から発生する基準クロックを遠隔地まで長距離伝送することを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
はじめに、以下に、本発明の概要について説明する。基準クロックを発生する第１のモード同期レーザー装置（チタンサファイア等）と、波長１．５μｍで発振する第２のモード同期レーザー装置（エルビウムファイバーレーザー等）を用いて、第１のモード同期レーザー装置から発生する第１の光パルス列を第２のモード同期レーザー装置の共振器に注入する。第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列は、前記共振器内において第１の光パルス列による非線形効果によりスペクトルの変移を受け、第２の光パルス列の繰り返し周波数を第１の光パルス列の繰り返し周波数、すなわち基準クロックと等しくなるように受動的に同期させる。これにより、光学的効果のみを用いて、電子回路を用いることなく、電子回路を用いた場合の電子回路の速度によって生じるタイミングジッターを抑制し、１桁以上高精度なクロック伝送が期待できる。基準クロックと等しくなるように同期された第２の光パルス列は、光伝送手段を用いて遠隔地に伝送される。
【００１４】
また、他の本発明として、第２のレーザー装置の共振器内に第１のレーザー装置の第１の光パルス列と光路を共有する媒質を設けることにより、第２のレーザー装置の第２の光パルス列が前記媒質中で第１の光パルス列による非線形効果によりスペクトルの変移を受け、第２の光パルス列の繰り返し周波数が第１の光パルス列の繰り返し周波数、すなわち基準クロックと等しくなるように受動的に同期させる。これにより、光学的効果のみを用いて、電子回路を用いることなく、電子回路を用いた場合の電子回路の速度によって生じるタイミングジッターを抑制し、１桁以上高精度なクロック伝送が期待できる。基準クロックと等しくなるように同期された第２の光パルス列は、光伝送手段を用いて遠隔地に伝送される。
【００１５】
さらに、他の本発明として、第１のレーザー装置の第１の光パルス列を波長広帯域化手段を用いて広帯域化し、第２のレーザー装置の第２の光パルス列の波長帯域と重なりを持つようにして、第２の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数が第１の光パルス列の周波数コムの縦モード周波数と同一になるように受動的に同期させ、第２の光パルス列は光伝送手段を用いて遠隔地に伝送される。
【００１６】
次に、第１の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図２及び図３を用いて説明する。
図２において、基準となる第１のモード同期レーザー装置として、波長１．３μｍのクロムフォルステライトレーザー１を用い、第２のモード同期レーザー装置として、波長１．５μｍのエルビウムファイバレーザー２を用いる。第１のモード同期レーザー装置は、鏡３、凹面鏡４、５、プリズム６、７、出力鏡８より構成される共振器を有し、レーザー媒質としてクロムフォルステライト結晶９を有する。１対のプリズム６、７は、共振器内の分散を補償し、モード同期パルス列を生成するために用いられる。鏡３は、不図示の可動ステージ上に設置され、共振器長を調整する。また、鏡３の背面にピエゾ素子１０があり、共振器長の微調整を可能にする。第２のモード同期レーザー装置は、エルビウム添加ファイバ１１、石英ファイバ１２、波長多重カプラ１３、１４、偏光コントローラ１５、アイソレータ１６、出力カプラ１７、ファイバ延伸器１８、レンズ１９、２０、不図示の可動ステージから構成されるリング型共振器を有する。ファイバ延伸器１８及び可動ステージにより、共振器長の微調整及び粗調整が可能である。第１のモード同期レーザー装置と第２のモード同期レーザー装置のそれぞれの共振器の周回の光路長はほぼ等しくなるように設計され、繰り返し周波数は５０ＭＨｚでほぼ等しくなっているとする。
【００１７】
第１のモード同期レーザー装置から出力される第１の光パルス列の一部はビームスプリッタ２１で分けられ、光検出器２２で検出され、フィルタ２３で繰り返し周波数成分を取り出し、セシウム原子時計２４から生成される１０ＭＨｚの信号を基準に基準周波数発生器２５で生成された５０ＭＨｚの基準周波数と、ミキサ２６で比較される。ミキサ２６から出力された誤差信号はフィルタ２７で整形され、ピエゾドライバ２８を介して、ピエゾ素子１０に印加することにより、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を５０ＭＨｚの基準信号に同期させることができる。第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は、前記共振器長調整手段を用いて、予めできるだけ第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数に等しくなるように調整しておく。
【００１８】
以下、説明のために、第１の光パルス列を主パルス列、第２の光パルス列を従パルス列と呼ぶことにする。第１のモード同期レーザー装置の共振器の出力鏡８から出力された繰り返し周波数５０MHzの第１の光パルス列をレンズ２９を用いて、シングルモードファイバ３０に入射する。シングルモードファイバ３０は、１．３μｍと１．５μｍの光を結合する波長多重カプラー１３を介して、第２のモード同期レーザー装置のリング共振器に結合されており、主パルス列は、前記リング共振器内に注入される。
【００１９】
図３は主パルスと従パルスの相互位相変調を説明するための図である。第２のモード同期レーザー装置のリング共振器内で、従パルスは主パルスにより非線形効果による相互位相変調を受ける。主パルスの強度に応じて、従パルスに対する屈折率が変化する。まず、図３（ａ）に示すように、ファイバ中で従パルスが主パルスよりも時間的に進んでいる状態で重なった場合を考える。従パルスは、時間的に増加している主パルスの強度に応じて、時間的に増加する屈折率変化を受け、それにより位相変調が起き、図３（ｂ）に示すように、従パルスのスペクトルが長波長側に変移する（周波数が減少する）。
【００２０】
第２のモード同期レーザー装置のリング共振器内群遅延分散を負に設定しておくと、従パルスがリング共振器を周回するのに必要な時間は、スペクトルの長波長側への変移により、長くなる。第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列と第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数はほぼ等しく設計されているので、周回した従パルスは、次に注入された主パルスと時間的に重なることになるが、従パルスの周回時間が長くなっているため、従パルスが主パルスよりも時間的に進んでいた状態が緩和され、図３（ｃ）に示すように、両パルスの時間差が縮められることになる。
【００２１】
逆に、図３（ｄ）に示すように、従パルスが主パルスよりも時間的に遅れている場合を考える。従パルスは、時間的に減少している主パルスの強度に応じて、時間的に減少する屈折率変化を受け、位相変調が起き、図３（ｅ）に示すように、従パルスのスペクトルが短波長側に変移する（周波数が増加する）。この場合、上記とは逆に従パルスの周回時間は短くなり、やはり従パルスが時間的に遅れていた状態が緩和され、図３（ｆ）に示すように、両パルスの時間差は縮められる。
【００２２】
この受動的なメカニズムが繰り返されるので、第１の光パルス列と第２の光パルス列は時間的に重なった状態で維持され、第２の光パルス列の繰り返し周波数は、第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期されることになる。第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期された第２の光パルス列は、ファイバ出力カプラ１７から出力され、シングルモードファイバ（または分散シフトファイバ）３１を通って、遠隔地まで長距離伝送される。遠隔地でファイバ端より出力された第２の光パルス列は、光検出器３２で電気信号に変換され、基準クロックとして用いられる。
【００２３】
次に、第２の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図４及び図５を用いて説明する。
図４において、第１のモード同期レーザー装置として、波長８００ｎｍのチタンサファイアレーザー３３、第２のモード同期レーザー装置として、第１の実施形態と同様に、波長１．５μｍのエルビウムファイバレーザー２を用いる。第１のモード同期レーザー装置は、おおむね第１の実施形態におけるクロムフォルステライトレーザー１と同じ構成であるが、分散補償鏡３４、３５の多重反射を利用して、分散補償を行っている。共振器長は、繰り返し周波数が１ＧＨｚになるように設計されている。
【００２４】
出力鏡８から出力された第１の光パルス列は、その一部をビームスプリッタ２１によって分け、フォトニック結晶ファイバ３６及びレンズ対３７，３８からなる広帯域化装置３９を用いて、スペクトルを１オクターブ以上（低周波数成分の２倍の周波数が自身の高周波数成分に重なる状態）に広げる。広帯域化された第１の光パルス列の一部を自己参照型ｆ−２ｆ干渉計４０に入射する。自己参照型ｆ−２ｆ干渉計４０では、光を低周波数成分と高周波数成分に分け、非線形結晶により低周波数成分の２倍波を発生し、時間遅延を補償して、高周波数成分と重ね合わせ、偏光子により同一偏光成分を取り出し、光検出器４１でその干渉信号を測定する。
【００２５】
縦モード周波数をfn(Hz)、繰り返し周波数をfr(Hz)、オフセット周波数をf0(Hz)とすると、fn = f0 + n fr （式３）の関係式(nは各縦モードを指定する整数)で表される。図５に示すように、低周波数側のある整数nで指定される縦モードfnの２倍波の周波数は、2fn = 2f0 + 2n fr  となり、その最近接する高周波数側の縦モードは、f2n = f0 + 2n fr  である。これら２つの周波数の光は、その差に相当する周波数のビートを生み、その周波数は、fb = 2fn − f2n = f0 となり、オフセット周波数そのものになる。
【００２６】
フィルタ４２によって、このビート信号（オフセット周波数成分）のみを抜き出し、位相比較器４３で基準周波数発生器４４から出力される基準周波数と比較し、誤差信号をフィルタ４５を通して、ドライバ４６を介して、電気光学変調器４７にフィードバックする。電気光学変調器４７と偏光子４８により、励起レーザーの透過率を調整して、オフセット周波数を制御することが可能となり、フィードバック制御により、オフセット周波数を基準周波数に同期させることができる。
【００２７】
オフセット周波数をゼロ周波数にロックしたい場合には、自己参照型ｆ−２ｆ干渉計４０の片方の腕だけに不図示の音響光学変調器を入れる。音響光学変調器に基準周波数の正弦波信号を印加すると、光周波数はその周波数だけシフトを受ける。その結果、ビート周波数は、オフセット周波数に加えて、音響光学変調器による周波数シフト分が上乗せされることになる。このビート信号を音響光学変調器に加えた基準信号の周波数と同期することによって、オフセット周波数をゼロ周波数にロックすることが可能となる。上記の機構を用いて、第１のモード同期レーザー装置の縦モードのオフセット周波数を安定化する。
【００２８】
広帯域化された第１の光パルス列の残りは、周波数安定化レーザー４９と重ね合わせられ、光検出器５０により、広帯域化された第１の光パルス列の縦モードと周波数安定化レーザー４９とのビート信号（差の周波数）が検出される。周波数安定化レーザー４９の一部は、原子トラップにより低温に冷却された原子（またはイオン）５１に入射され、光の周波数が原子（イオン）５１の遷移周波数に共鳴するように、周波数安定化制御回路５２を用いて周波数安定化を行っている。検出されたビート信号は、フィルタ５３を介して、ビート周波数成分のみを抜きだし、位相比較器５４で基準周波数発生器４４から出力される基準周波数と比較され、誤差信号はフィルタ５５とドライバ５６を介して、鏡３に取り付けられたピエゾ素子１０にフィードバックされる。このフィードバックにより、第１のモード同期レーザー装置の縦モード周波数と周波数安定化レーザー４９の周波数の差が基準周波数に等しくなるように制御される。
【００２９】
ゼロ周波数にロックしたい時、すなわち、縦モード周波数と周波数安定化レーザー４９の周波数を完全に一致させたい時には、自己参照型ｆ−２ｆ干渉計４０の場合と同様に、音響光学変調器を用いて行う。この制御により、式３の関係から、整数ｎが決まれば、繰り返し周波数が安定化されることになる。ｎは整数であるから、初期条件により任意の値に正確に決定することが可能であるので、繰り返し周波数の精度は、周波数安定化レーザー４９の周波数精度そのものになり、高精度に安定化されたパルス列が生成されることになり、基準クロックとして用いることができる。
【００３０】
第１のモード同期レーザー装置から出力された繰り返し周波数１ＧＨｚの第１の光パルス列の残りは、第１の実施形態と全く同様に、第２のモード同期レーザー装置の共振器に入射される。第１の実施形態と同様のメカニズムで繰り返し周波数の受動的な同期が起きるが、本実施形態の場合は、第２のモード同期レーザー装置を予め繰り返し周波数５０ＭＨｚに設定されているのに対し、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返しは１ＧＨｚであるため、第１の光パルス列の２０個の光パルスが入射するごとに、第２の光パルス列の光パルスと遭遇することになる。 すなわち、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は、安定化された第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数の２０分の１に同期されることになる。以下は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３１】
次に、第３の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図６を用いて説明する。
図６において、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数を６０ＭＨｚに設定する。この場合、第２のモード同期レーザー装置の共振器内で第１の光パルス列の２光パルスごと、第２の光パルス列の３光パルスごとに、同じタイミングで遭遇することになり、受動的な同期が起きる。この時、第１の光パルス列の繰り返し周波数４０ＭＨｚの３倍（Ｍ＝３）の値と、第２の光パルス列の繰り返し周波数６０ＭＨｚの２倍（Ｎ＝２）の値が同一の値（１２０ＭＨｚ）になるように同期されることになる。
【００３２】
次に、第４の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図７を用いて説明する。
図７において、図４と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置のチタンサファイアレーザーに代えて、繰り返し周波数とオフセット周波数が安定化された周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー５７を用いる。また、周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー５７の鏡に広帯域反射鏡を用いて、発振波長帯域が１．５μｍと重なるようにする。繰り返し周波数は、第１のモード同期レーザー装置と第２のモード同期レーザー装置ともに５０ＭＨｚとする。
【００３３】
第１のモード同期レーザー装置は、オフセット周波数及び繰り返し周波数が高精度に安定化されているので、光周波数コムの各々の縦モード周波数はすべて安定化されていることになる。第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を入力カプラ５８を用いて、第２のモード同期レーザー装置に入射する。第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は、第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムにより、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期される。さらに、本実施形態においては、入射した第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列は、１．５μｍの波長成分を含んでいるため、第２のモード同期レーザー装置から発振される第２の光パルス列の周波数コムと入射した第１のモード同期レーザー装置による周波数コムのスペクトルに重なりが生じている。そのことにより、第２のモード同期レーザー装置は、第１のモード同期レーザー装置による周波数コムの縦モードに同期して、周波数コムを形成し、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数は受動的に第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数に同期される。その結果、高精度に安定化された第１のモード同期レーザー装置の周波数コムが第２のモード同期レーザー装置の周波数コムに転写され、高精度な周波数コムを長距離伝送することが可能となる。
【００３４】
次に、第５の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図８を用いて説明する。
図８において、図４と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置のチタンサファイアレーザーに代えて、繰り返し周波数とオフセット周波数が安定化された周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー５７を用いる。第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数を６０ＭＨｚとする。この場合、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の２パルスごとと、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の３パルスごとが同じタイミングで遭遇することになり、第１の実施形態で述べた受動同期のメカニズムにより同期される。このとき、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数の３倍（Ｍ＝３）と第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数の２倍（Ｎ＝２）が同一の値になる。
【００３５】
その結果、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の３倍と第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の２倍が等しくなる。第１のモード同期レーザー装置の周波数コムは、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムと波長帯域の重なりがあるため、第２のモード同期レーザー装置の２本ごとの縦モード周波数が第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数に同一になるように、周波数コムを形成する。これにより、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数（Ｍ＝３）が第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの縦モード（Ｎ＝２）に転写される。周波数コムの縦モード間隔はどの縦モードにおいても、繰り返し周波数に等しいため、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの間に存在するモードの周波数についても、自動的に安定化されることになる。
【００３６】
次に、第６の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図９を用いて説明する。
図９において、図４と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置のチタンサファイアレーザーに代えて、繰り返し周波数とオフセット周波数が安定化された周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー５７を用いる。また、第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を第２のモード同期レーザー装置の共振器に注入する直前に、波長フィルタ５９を設け、第２のモード同期レーザー装置の発振帯域の成分のみを抽出、または第１のモード同期レーザー装置の利得中心部分を除去するなど、波長成分を加工した後に、第２のモード同期レーザー装置に注入する。これにより、第２のモード同期レーザー装置の発振波長以外の成分が周波数コムの同期に与えうる擾乱を除去することができる。
【００３７】
次に、第７の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１０を用いて説明する。
図１０において、図４と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数５０ＭＨｚと同じとし、第２のモード同期レーザー装置に入射するためのシングルモードファイバ３０の直前にフォトニック結晶ファイバ（または高非線形ファイバ）３６からなる波長広帯域化装置３９を設け、第１のモード同期レーザー装置のスペクトルを波長１．５μｍ帯まで広帯域化する。第２の実施形態で述べたとおり、第１のモード同期レーザー装置は、オフセット周波数及び繰り返し周波数が高精度に安定化されているので、光周波数コムの各々の縦モード周波数はすべて安定化されていることになる。広帯域化は、４光波混合によって起きるため、１．５μｍまで広げられた周波数コムの縦モードのオフセット及び間隔は維持される。広帯域化された第１のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列を入力カプラ５８を用いて、第２のモード同期レーザー装置に入射する。
【００３８】
第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は、第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムにより、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期される。さらに、本実施形態においては、入射した第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列は、１．５μｍの波長成分を含んでいるため、第２のモード同期レーザー装置から発振される周波数コムと入射した第１のモード同期レーザー装置による周波数コムのスペクトルに重なりが生じている。そのことにより、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列は第１のモード同期レーザー装置による周波数コムの縦モードに同期して、周波数コムを形成し、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数は受動的に第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数に同期される。その結果、高精度に安定化された第１のモード同期レーザー装置の周波数コムが第２のモード同期レーザー装置の周波数コムに転写され、高精度な周波数コムを長距離伝送することが可能となる。
【００３９】
次に、第８の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１１を用いて説明する。
同図において、第１のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数を６０ＭＨｚとなるよう、両レーザー装置の共振器長を設計する。第５の実施形態と同様のメカニズムにより、第２のモード同期レーザー装置は、その２本ごとの縦モード周波数が第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数に同一になるように、周波数コムを形成する。これにより、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数（Ｍ＝３）が第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの縦モード（Ｎ＝２）に転写される。周波数コムの縦モード間隔はどの縦モードにおいても、繰り返し周波数に等しいため、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの間に存在するモードの周波数についても、自動的に安定化されることになる。
【００４０】
次に、第９の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１２を用いて説明する。
同図において、第１のモード同期レーザー装置から波長広帯域化装置３９を介して出力される第１の光パルス列が第２のモード同期レーザー装置の共振器に注入される直前に、波長フィルタ５９を設ける。これによって第２のモード同期レーザー装置の発振帯域の成分のみを抽出、または第１のモード同期レーザー装置の利得中心部分を除去するなど、波長成分を加工された後に、第２のモード同期レーザー装置に注入する。これにより第２のモード同期レーザー装置の発振波長以外の成分が周波数コムの同期に与えうる擾乱を除去することができる。
【００４１】
次に、第１０の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１３を用いて説明する。
同図において、第１のモード同期レーザー装置には、図２に示される構成と同様に、繰り返し周波数安定化クロムフォルステライトレーザー６１を用い、第２のモード同期レーザー装置には、波長１．５μｍのエルビウム・イッテルビウムガラスレーザー６２を用いる。第２のモード同期レーザー装置の共振器中には、プリズム対６３，６４が挿入され、分散補償を行い、共振器内群遅延分散を負に設定する。第２のモード同期レーザー装置の共振器の鏡３は、不図示の可動ステージに乗せられ、ピエゾ素子１０が付けられ、共振器長の粗調整・微調整が行われる。レーザー媒質６５であるエルビウム・イッテルビウムガラス中で、共振器の光路とほぼ同軸に交差するように、第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を入射させる。第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムがレーザー媒質６５中で起き、第２のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数が第１のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数に同期される。
【００４２】
次に、第１１の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１４を用いて説明する。
同図において、第１のモード同期レーザー装置には、第１の実施例と同様の繰り返し周波数安定化クロムフォルステライトレーザー６１を用い、第２のモード同期レーザー装置には波長１．５μｍのクロムヤグレーザー６８を用いる。第２のモード同期レーザー装置の共振器内にはプリズム対６３，６４を挿入し、共振器内群遅延分散が負になるように設定しておく。本実施形態では、第２のモード同期レーザー装置の共振器中にレーザー媒質６６以外にもう１つ別の媒質６７を挿入する。この媒質６７中で、共振器の光路とほぼ同軸に交差するように、第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を媒質６７に入射させる。第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムにより、第２のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数が第１のモード同期レーザー装置の繰り返し周波数に一致するよう受動的に同期する。
【００４３】
次に、第１２の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１５を用いて説明する。
同図において、図１３と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数を６０ＭＨｚとする。この場合、第２のモード同期レーザー装置の共振器内のレーザー媒質６５中で第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の２パルスごとと、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の３パルスごととが同じタイミングで遭遇することになり、受動的な同期が起きる。この時、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数４０ＭＨｚの３倍（Ｍ＝３）の値と、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数６０ＭＨｚの２倍（Ｎ＝２）の値が同一の値（１２０ＭＨｚ）になるように同期されることになる。
【００４４】
次に、第１３の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１６を用いて説明する。
同図において、図１３と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置に、繰り返し周波数とオフセット周波数が安定化された周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー５７を用いる。第１のモード同期レーザー装置の鏡には、広帯域反射鏡を用いて、発振波長域が第２のモード同期レーザー装置の発振波長域（１．５μｍ）と重なるようにする。第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数と第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は同一になるように、両レーザー装置の共振器長を設計する。第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列をレーザー媒質（エルビウム・イッテルビウムガラス）６５に入射する。レーザー媒質６５中で第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムにより、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数が第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期する。さらに、本実施形態では、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムと入射された第１のモード同期レーザー装置の周波数コムのスペクトルに重なりが存在するため、レーザー媒質６５中の非線形相互作用によって、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数が第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数に受動的に同期し、その結果、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムが第２のモード同期レーザー装置の周波数コムに転写される。
【００４５】
次に、第１４の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１７を用いて説明する。
同図において、図１６と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数を６０ＭＨｚとする。この場合、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の２パルスごとと、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の３パルスごととが同じタイミングで遭遇することになり、第１の実施形態で述べた受動同期のメカニズムにより同期される。このとき、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数の３倍（Ｍ＝３）と第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数の２倍（Ｎ＝２）が同一の値になる。その結果、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の３倍と第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の２倍が等しくなる。
【００４６】
第１のモード同期レーザー装置の周波数コムは、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムと波長帯域の重なりがあるため、第２のモード同期レーザー装置は、その２本ごとの縦モード周波数が第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数に同一になるように、周波数コムを形成する。これにより、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数（Ｍ＝３）が第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの縦モード（Ｎ＝２）に転写される。周波数コムの縦モード間隔はどの縦モードにおいても、繰り返し周波数に等しいため、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの間に存在するモードの周波数についても、自動的に安定化されることになる。
【００４７】
次に、第１５の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１８を用いて説明する。
同図において、図１６に示す構成において、第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を第２のモード同期レーザー装置の共振器に注入する直前に、波長フィルタ５９を設け、第２のモード同期レーザー装置の発振帯域の成分のみを抽出、または第１のモード同期レーザー装置の利得中心部分を除去するなど、波長成分を加工した後、第２のモード同期レーザー装置に注入する。これにより、第２のモード同期レーザー装置の発振波長以外の成分が周波数コムの同期に与えうる擾乱を除去することができる。
【００４８】
次に、第１６の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図１９を用いて説明する。
同図において、第１のモード同期レーザー装置として、繰り返し周波数とオフセット周波数が安定化された周波数コム安定化チタンサファイアレーザー６０を用いる。第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数は、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数５０ＭＨｚと同じであるとする。第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列をフォトニック結晶ファイバ（または高非線形ファイバ）３６からなる波長広帯域化装置３９に通し、スペクトルが第２のモード同期レーザー装置の発振波長（１．５μｍ）と重なるまでスペクトルの広帯域化を行う。第２の実施形態で述べたとおり、第１のモード同期レーザー装置は、オフセット周波数及び繰り返し周波数が高精度に安定化されているので、光周波数コムの各々の縦モード周波数はすべて安定化されていることになる。広帯域化は、４光波混合によって起きるため、１．５μｍまで広げられた周波数コムの縦モードのオフセット及び間隔は維持される。広帯域化された第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列を第２のモード同期レーザー装置の共振器内のレーザー媒質（エルビウム・イッテルビウムガラス）６５に入射する。
【００４９】
第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数は、第１の実施形態で述べた受動同期メカニズムにより、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数に同期される。さらに、本実施形態においては、入射した第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列は、１．５μｍの波長成分を含んでいるため、第２のモード同期レーザー装置から発振される第２の光パルス列の周波数コムと入射した第１のモード同期レーザー装置による周波数コムのスペクトルに重なりが生じている。そのことにより、第２のモード同期レーザー装置は、第１のモード同期レーザー装置による周波数コムの縦モードに同期して、周波数コムを形成し、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数は受動的に第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード周波数に同期される。その結果、高精度に安定化された第１のモード同期レーザー装置の周波数コムが第２のモード同期レーザー装置の周波数コムに転写され、高精度な周波数コムを長距離伝送することが可能となる。
【００５０】
次に、第１７の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図２０を用いて説明する。
同図において、図１９と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数を４０ＭＨｚ、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数を６０ＭＨｚとする。この場合、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の２パルスごとと、第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の３パルスごととが同じタイミングで遭遇することになり、第１の実施形態で述べた受動同期のメカニズムにより同期される。このとき、第１のモード同期レーザー装置の第１の光パルス列の繰り返し周波数の３倍（Ｍ＝３）と第２のモード同期レーザー装置の第２の光パルス列の繰り返し周波数の２倍（Ｎ＝２）が同一の値になる。その結果、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の３倍と第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの縦モード間隔（繰り返し周波数に等しい）の２倍が等しくなる。
【００５１】
第１のモード同期レーザー装置の周波数コムは、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムと波長帯域の重なりがあるため、第２のモード同期レーザー装置は、その２本ごとの縦モード周波数が第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数に同一になるように、周波数コムを形成する。これにより、第１のモード同期レーザー装置の周波数コムの３本ごとの縦モード周波数（Ｍ＝３）が第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの縦モード（Ｎ＝２）に転写される。周波数コムの縦モード間隔はどの縦モードにおいても、繰り返し周波数に等しいため、第２のモード同期レーザー装置の周波数コムの２本ごとの間に存在するモードの周波数についても、自動的に安定化されることになる。
【００５２】
次に、第１８の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を図２１を用いて説明する。
同図において、図１９と同様の構成において、第１のモード同期レーザー装置からの第１の光パルス列を第２のモード同期レーザー装置の共振器内のレーザー媒質６５に入射する直前に、波長フィルタ５９を設け、第２のモード同期レーザー装置の発振帯域の成分のみを抽出、または第１のモード同期レーザー装置の利得中心部分を除去するなど、波長成分を加工した後に、第２のモード同期レーザー装置に注入する。これにより、第２のモード同期レーザー装置の発振波長以外の成分が周波数コムの同期に与えうる擾乱を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】モード同期レーザーにおける周波数軸上での一定間隔に並んだ縦モード列を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図３】主パルスと従パルスの相互位相変調を説明するための図である。
【図４】第２の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図５】縦モード周波数fn(Hz)の２倍波の周波数2fn(Hz)と、２倍波の周波数2fn(Hz)に最近接する高周波数側の縦モードf2n(Hz)との差の周波数fb = 2fn− f2n = f0 がオフセット周波数f0(Hz)になることを説明する図である。
【図６】第３の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図７】第４の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図８】第５の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図９】第６の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１０】第７の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１１】第８の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１２】第９の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１３】第１０の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１４】第１１の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１５】第１２の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１６】第１３の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１７】第１４の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１８】第１５の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図１９】第１６の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図２０】第１７の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【図２１】第１８の実施形態の発明に係るクロック伝送装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  クロムフォルステライトレーザー
２  エルビウムファイバレーザー
３  鏡
４，５  凹面鏡
６，７  プリズム
８  出力鏡
９  クロムフォルステライト結晶
１０  ピエゾ素子
１１  エルビウム添加ファイバ
１２  石英ファイバ
１３，１４  波長多重カプラ
１５  偏光コントローラ
１６  アイソレータ
１７  出力カプラ
１８  ファイバ延伸器
１９，２０  レンズ
２１ ビームスプリッタ
２２  光検出器
２３  フィルタ
２４  セシウム原子時計
２５  基準周波数発生器
２６  ミキサ
２７  フィルタ
２８  ピエゾドライバ
２９  レンズ
３０  シングルモードファイバ
３１  シングルモードファイバ（分散シフトファイバ）
３２  光検出器
３３  チタンサファイアレーザー
３４，３５  分散補償鏡
３６  フォトニック結晶ファイバ
３７，３８  レンズ対
３９  波長広帯域化装置
４０  自己参照型ｆ−２ｆ干渉計
４１  光検出器
４２  フィルタ
４３  位相比較器
４４  基準周波数発生器
４５  フィルタ
４６  ドライバ
４７  電気光学変調器
４８  偏光子
４９  周波数安定化レーザー
５０  光検出器
５１  原子（またはイオン）
５２  周波数安定化制御回路
５３  フィルタ
５４  位相比較器
５５  フィルタ
５６  ドライバ
５７  周波数コム安定化クロムフォルステライトレーザー
５８  入力カプラ
５９  波長フィルタ
６０  周波数コム安定化チタンサファイアレーザー
６１  繰り返し周波数安定化クロムフォルステライトレーザー
６２  エルビウム・イッテルビウムガラスレーザー
６３，６４  プリズム対
６５  レーザー媒質（エルビウム・イッテルビウムガラス）
６６  レーザー媒質（クロムヤグ結晶）
６７  媒質
６８  クロムヤグレーザー
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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