(57)【要約】【課題】従来、遠方にある光時計間の周波数比較を行うため光ファイバを用い光周波数領域(光キャリア)で信号比較する場合に、戻り光の偏波面に振動等の外乱による変動が生じ、偏光子(polarizer)等によりその偏波を調整する必要があった。  また、光ファイバの温度による周波数変動を補償するシステムの性能を評価する場合に、信号光と局発光の偏向状態は時間とともに変動するため偏光子を用いて互いに平行状態になるように制御する必要があった。【解決手段】ＰＢＳで分岐後の２つの光をそれぞれの受光器で受光して電気信号に変換し、次にそれぞれの電気信号を二乗する回路とその二乗された電気信号を相加する回路を通過させその相加された信号から信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気領域の信号成分を帯域通過フィルタで通過させて、信号光の偏波の影響を受けない電気信号に変換した。【選択図】図４
2016099568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と局発光を光結合器で合波させた合波光を入射して偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)の分岐光から信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気信号に変換する光受信回路であって、
さらに局発光と光結合器の間に偏光子を備え、ＰＢＳの分岐光には各受光器と各二乗回路と、および、１の相加回路と帯域通過フィルタを備え、
該偏光子は、局発光のＰＢＳの分岐後の光電力が２等分される角度(ＰＢＳに対して４５°の傾き)になるように偏光(偏波)を調整されていて、
信号光と該偏光子により偏光が調整された局発光は光結合器で合波して合波光となり、
該合波光はＰＢＳを通過すると互いに直交する２つの偏光(偏波)として分岐し、
該２つの偏光はそれぞれの受光器で干渉して各電気信号に変換され、
該変換された各電気信号は各二乗回路により二乗された後に相加回路により相加されて１の電気信号となり、
該相加された電気信号が該帯域通過フィルタを通過すると、信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気領域の信号成分に変換されることを特徴とする偏波ダイバーシティ光受信回路。
【請求項２】
請求項１に記載の偏波ダイバーシティ光受信回路を具備し、
前記局発光は一の光源からの射出光であって、
前記信号光は該同一の光源からの射出光が光ファイバを往復した偏波変動する戻り信号光であることを特徴とする光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システム。
【請求項３】
光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システムのシステム雑音評価システムにおいて、請求項１に記載の偏波ダイバーシティ光受信回路を具備し、
前記局発光は一の光源からの射出光であって、
前記信号光は該同一の光源からの射出光が光ファイバ伝送後の偏波変動する信号光(往路の光)であることを特徴とする光周波数比較システムのシステム雑音評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠方にある光時計間の時間・周波数比較と時間・周波数標準供給方法を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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(非特許文献１)。
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。
【０００３】
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して校正を行っている。
【０００４】
現在の秒の定義であるセシウム原子発振器の周波数は極めて安定であり、その周波数値の不確かさは相対値で１０-15レベルである。
セシウム原子発振器の周波数はマイクロ波の領域である。
【０００５】
これに対して近年では光格子時計に代表されるように光領域で高安定に発振する発振器(光時計)が開発されつつあり、その周波数安定度や不確かさは、従来のセシウム原子発振器を凌駕している(非特許文献２)。
【０００６】
このため、遠方にある光時計間の周波数比較を行う手段についても従来にない超高精度な比較手段が必要になり、マイクロ波方式ではなく光ファイバを用いて光周波数領域(光キャリア)で信号比較することが必要となっている(非特許文献３)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】雨宮正樹、他、「時間・周波数標準の現状と将来」JEMIC  計測サークル  ニュース、Vol.40、No.2、pp.1-7, (2011-04)
【非特許文献２】香取秀俊、"光格子時計の発明と展開"，応用物理学会誌81，656662 (2012)
【非特許文献３】和田雅人「時間周波数比較法に関する調査研究」産総研計量標準報告、Vol.9、No.1、p.23-33 (2014-03)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光時計の性能向上に伴い、その周波数比較手段として光ファイバを用いる検討がなされている。
ただし、光ファイバ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／℃程度となる。
【０００９】
図１は光ファイバ５０ｋｍについて位相変動量を温度変動とともに示している。
ここで位相変動量とは、光ファイバを信号光が通過する時間の変動量である。
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。
位相を時間で微分した値は瞬時周波数に比例するから位相の変動は周波数の変動に対応している。
【００１０】
すなわち単純に光周波数領域の信号光(光キャリア)をやり取りして光時計の周波数を比較しようとしても伝達手段による周波数変動が加算されることになる。
このため光ファイバ自身の周波数変動を補償する必要があり、図2のような方法がとられる。
【００１１】
図２は基本的な構成例の一つであり、峡線幅レーザのような光源からの信号を光ファイバにより遠方に送信する。
遠方ではＦＲＭ(Faraday rotator mirror)等により、一部の光を反射させて送り返す。
このとき、遠方側ではＡＯＭ２(acousto-optic modulator)等により光の周波数(例えば、２００Ｔｈｚ)をＲＦ発振器等によりｆ２(例えば、３０ＭＨｚ)だけシフトさせる。
これは往路の信号(途中で光コネクタ等による反射戻り光と復路の信号を区別できるようにするためである。
【００１２】
具体的な区別方法としては周波数弁別を行う。送信側では光ファイバによる周波数変動を補償する目的のＡＯＭ１がある。
このＡＯＭ１は、ＶＣＯ(voltage-controlled oscillator)により光ファイバの周波数が高くなった場合にはその分を減少させるように動作させる(例えば、平均値を２０ＭＨｚとしてΔＨｚだけ上下させる)。
この動作を達成させるために図２のように光源からの一部の信号光(これが局発光に該当)と戻ってきた信号光をＰＤ(photo detector)により混合(ヘテロダイン検波)し、局発光と信号光の光周波数の差分の成分を電気信号に変換する(周波数弁別する)。
ここでの例では、光周波数の差分は１００ＭＨｚとなる。
その内訳はＡＯＭ１を往復の２回のシフトで４０ＭＨｚ、ＡＯＭ２の往復で６０ＭＨｚの和である。
光ファイバが周囲の温度変動などにより周波数変動を生じると１００ＭＨｚ＋ΔＨｚが検出される。
従ってこのΔＨｚが零になるようにＰＬＬ(phase-locked loop)を用いてフィードバック制御を行う。
【００１３】
ここで重要となることは、ヘテロダイン検波のためにＰＤに入力される局発光と信号光の偏波が平行となることである。
平行からずれると出力が減少し、直交状態では干渉が生じなくなり必要とする周波数差の電気信号は零になる。
一般に光ファイバ出力の偏波面は振動等の外乱により変化するために偏波が変動する。
このため図２のように偏光子(polarizer)等により戻り光の偏波を調整する必要がある。
【００１４】
また、光ファイバの温度による周波数変動を補償するシステムの性能を評価する場合には、送信側と遠方の装置を同一の場所に設置して、図３のように遠方側の光と送信側の光源の光をＰＤで干渉させ電気信号に変換して、電気信号の周波数変動量を評価する。
このとき図２と同様に信号光と局発光の偏向状態は時間とともに変動するため偏光子を用いて互いに平行状態になるように制御する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、次の偏波ダイバーシティ光受信回路を基本回路として提供できる。
（１）信号光と局発光を光結合器で合波させた合波光を入射して偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)の分岐光から信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気信号に変換する光受信回路であって、
さらに局発光と光結合器の間に偏光子を備え、ＰＢＳの分岐光には各受光器と各二乗回路と、および、１の相加回路と帯域通過フィルタを備え、
該偏光子は、局発光のＰＢＳの分岐後の光電力が２等分される角度(ＰＢＳに対して４５°の傾き)になるように偏光(偏波)を調整されていて、
信号光と該偏光子により偏光が調整された局発光は光結合器で合波して合波光となり、
該合波光はＰＢＳを通過すると互いに直交する２つの偏光(偏波)として分岐し、
該２つの偏光はそれぞれの受光器で干渉して各電気信号に変換され、
該変換された各電気信号は各二乗回路により二乗された後に相加回路により相加されて１の電気信号となり、
該相加された電気信号が該帯域通過フィルタを通過すると、信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気領域の信号成分に変換されることを特徴とする偏波ダイバーシティ光受信回路。
【００１６】
本発明は、次の光周波数比較システムに適用できる。
（２）(１)に記載の偏波ダイバーシティ光受信回路を具備し、
前記局発光は一の光源からの射出光であって、
前記信号光は該同一光源からの射出光が光ファイバを往復した偏波変動する戻り信号光であることを特徴とする光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システム。
【００１７】
本発明は、また次の光周波数比較システムの雑音評価システムに適用できる。
（３）光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システムのシステム雑音評価システムにおいて、(１)に記載の偏波ダイバーシティ光受信回路を具備し、
前記局発光は一の光源からの射出光であって、
前記信号光は該同一光源からの射出光が光ファイバ伝送後の偏波変動する信号光(往路の光)であることを特徴とする光周波数比較システムのシステム雑音評価システム。
【発明の効果】
【００１８】
図５に示したような形態により、高精度な時間周波数標準を遠方に供給できるようになる。
特に光格子時計のような光時計の精度は１８桁に到達し、１ｃｍの高低差による重力の違いが検出可能なレベルになりつつある(非特許文献２)。
すなわち高精度重力センサとして地下資源探査、地殻変動の観測など広範な応用において本発明が寄与する可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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を表した図である。
【図２】光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システムの基本例を表した図である。
【図３】光ファイバの温度による周波数変動を補償する光周波数比較システムの性能評価方法を表した図である。
【図４】偏波ダイバーシティ光受信回路を表した図である。
【図５】本発明を適用した形態の光周波数比較システムを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
本発明を実施するための「偏波ダイバーシティ光受信回路」を以下に示す。
図４に示すように信号光と局発光はそれぞれ、光結合器を介して合波された後に偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)に入射され、このＰＢＳにより２つの互いに直交する偏光(偏波)として分岐され出力される構成とする。
【００２１】
この構成において局発光についてはＰＢＳの分岐後の光電力が２等分される角度(ＰＢＳに対して４５°の傾き)になるように光結合器前に置かれた偏光子により偏光(偏波)が調整される。
ＰＢＳで信号光の電力を均等に振り分ける、即ち、受光器(ＰＤ)に受信される光電力を均等にするためである。
【００２２】
信号光と局発光からなる合波光はＰＢＳで分岐後、２つの光となりそれぞれの受光器で受光され干渉して電気信号に変換される。次にそれぞれの電気信号を二乗する回路とその二乗された電気信号を相加する回路を備え、さらにその相加された信号から信号光と局発光の光周波数の差に比例する電気領域の信号成分のみを通過させるための帯域通過フィルタを備えている。
【００２３】
本発明は、具体的に次のように構成される。
図４は提案する偏波ダイバーシティ光受信回路である。
本発明を、図５に示す光周波数比較システムに適用する場合の偏波ダイバーシティ光受信回路をモデル化して説明する。
図５でモデル化する信号光は、光ファイバ伝送後の信号光(戻り光)であってその位相変動成分φfiberをパラメータに持つ。本発明を、偏波変動する信号光であって位相変動成分φfiberがない信号光に適用する場合は、単純に該パラメータをφfiber＝0とするか、適宜、適用例に応じたパラメータを導入すれば良い。
【００２４】
図４のように局発光は偏光子により４５°の傾きにされて偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)に入射される。
このためＰＢＳのポートＡとＢには３ｄＢ減衰した光が均等に出力される。ここでＰＢＳの結合過剰損失を無視する。
また、光結合器(Coupler)を通過後の信号光の電力をＰs、同じく光結合器を通過後の局発光の電力をＰLとする。
【００２５】
ＰＢＳ通過後の信号光の電力は入射偏波面の角度に応じてαと１-αに分岐される。
αは光電力の分岐割合であり、例えば、４５°のときα＝０.５となる。
このときポートＡから得られる光電流の内、信号光と局発光の光周波数の差(ωS−ωL)の成分は式(１)となる。
【００２６】
【数１】
2016099568.tif 000003
【００２７】
式(１)でφfiberは光ファイバの位相変動成分であり、信号光と局発光の固定位相差は無視する。
【００２８】
光電変換効率ηと電子の電荷ｅ、プランク定数：ｈ、光の振動数をνとする。
ａは０あるいは１で信号光と局発光の位相関係による(ＰＢＳで分岐された局発光と信号光の電界のベクトル方向が一致するときを０とし、互いに反転した状態を１とする)。
同じくポートＢから得られる光電流は、次式で表される。
【００２９】
【数２】
2016099568.tif 000004
【００３０】
ここでｂはａと同様に０あるいは１で信号光と局発光の位相関係による。
次に図４のようにそれぞれの電流を二乗して相加して得られる信号をｐ(ｔ)とすると、ＰＢＳで分岐されＲＦ信号が相加されるまでの２経路の経路長に差が無視できる場合には、
【００３１】
【数３】
2016099568.tif 000005
【００３２】
となる。
さらにＢＰＦで光周波数差の成分を抽出すると
【００３３】
【数４】
2016099568.tif 000006
【００３４】
が得られる。
すなわち二乗和された信号においては、αが消去され、信号光の偏波変動による影響を原理的に回避可能となる。
【実施例２】
【００３５】
本発明を適用した最良かつ簡便な実施例２を図５に示す。
本形態は光ファイバ伝送路の位相変動の補償システム内に本「偏波ダイバーシティ光受信回路」を適用させた例である。
【００３６】
本形態においては、図５左の光周波数標準送信側の光源からの光をカプラにより分岐し、一部を局発光として偏波ダイバーシティ回路に入力させる。
【００３７】
図５右の遠方において一部の光は反射されて、光ファイバ伝送路を伝送されて送信側に戻され、信号光として偏波ダイバーシティ回路に入力される。
【００３８】
ここで信号光の偏波は光ファイバ伝送路の温度変動、機械的振動等により時間的に変動するが、本偏波ダイバーシティ回路の出力は信号光の偏波状態によらずに局発光と信号光の光周波数差に比例した成分を検出可能となる。
【００３９】
これにより、光ファイバ伝送路の位相変動の補償システムの機能を達成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明により周波数を使う多くの産業や科学分野で利用の可能性がある。
【符号の説明】
【００４１】
１      Signal Light(信号光)
２      Local Light(局発光)
３      Polarizer(45°)(偏光子)
４、５  偏光角度
６      Coupler(光結合器、結合器)
７      ＰＢＳ(偏光ビームスプリッタ)
８Ａ、８Ｂ  ポートＡ、ポートＢ
９      PD(光検出器、受光器)
１０      Squarer(二乗回路)
１１      相加回路
１２      BPF(帯域通過フィルタ)
１３      電気信号
【図１】
2016099568.tif 000007
【図２】
2016099568.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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