高安定高周波基準信号の光ファイバ長距離伝送のための伝送位相補償方法
自然科学研究機構
国立天文台アルマプロジェクト
特任教授 木内 等
2023年2月9日
1天文分野ではテラヘルツ周波数領域での観測、高速データ通信分野 (beyond5G)では300GHz越えの周波数領域の使用が計画されるなど信号の高周波広帯域化そして広域(>100km)使用が重要な検討項目である。
これらに伴い、信号のコヒーレンス維持のため、リモート局で周波数逓倍操作の必要の無い高周波基準信号の長距離伝送は高周波・広域のコヒーレント系構築のために避けて通れない課題である。
Microwave-Photonics技術を用いた原子周波数標準の位相安定度を持った高周波用Microwave-Photonics信号発生技術と伝送技術を開発したので報告する。
高周波基準信号は、コヒーレントな２光波の差（ビート信号）として発生・伝送され、光・電気変換により電気信号として取り出される。
高周波基準信号Ω1Ω2

光周波数2Microwave-Photonics信号発生技術

マイクロ波のシンセサイザのような信号発生器が欲しいMHzオーダからTHz以上まで、出力周波数がシームレスで高い周波数分解能 (< 1Hz) を持った光シンセサイザ

広周波数・高周波数分解能 光シンセサイザの検討

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Microwave-Photonics信号発生／従来技術とその問題点
従来の光位相同期方式
基準レーザ

合成

分配

光出力

光スペクトル
波長可変レーザ

位相制御

ハーモニックミキサ

フォトミキサ

外部マイクロ波シンセサイザ

 位相安定度は基準レーザの安定度の影響を受ける 外部擾乱の影響を受け易い
 高安定基準レーザや高速ループ制御など複雑で高価 アクティブレーザが２つあるので光スペクトルが異なる (位相雑音で不利) Loop BWは、Loop一周の時間で制限
 発生周波数に応じた高速なPhotomixerが必要
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Microwave-Photonics信号発生／要素技術１
高周波数分解能Mach-Zehnder optical modulator
4f
DC biasSub MZ

X-cut LiNbO3
Main MZ

フルバイアス駆動

偶数次のサイドバンド
外部レーザ

奇数次のサイドバンドSub MZ

DC bias2f

DC biasBias T

変調周波数 f

ヌルバイアス駆動

 位相安定度は外部レーザの影響を受けない 外部擾乱の影響を受けにくい 高位相安定度を持ち、高周波数分解能5Microwave-Photonics信号発生／要素技術２
広帯域光コム発生器

Fabry-Perot 共振器
EO 変調器

外部レーザ
反射ミラー

反射ミラー

光周波数コムDC-バイアス

増幅器
マイクロ波変調信号測定された光コム
周波数間隔 25 GHz

周波数ダイナミックレンジは広いが周波数分解能は非常に荒い。

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Microwave-Photonics信号発生／新技術
広周波数・高周波数分解能 光シンセサイザ技術
fm

A’ O A

増幅器r
DC-バイアスa’ a

Aは高い周波数分解能（ ２ミリヘルツ）
光フィルタ

共通レーザ

OA

マッハツェンダ光変調器
光周波数コム変調器

fcomb × N – 2fm

Fabry-Perot 共振器

B
光・電気変換器

EO 変調器
光フィルタ反射ミラー
DC-バイアス増幅器

反射ミラー

OB

fcomb Bは広い周波ダイナミックレンジ（ テラヘルツ以上）
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Microwave-Photonics信号発生／新技術 周波数関係
広周波数・高周波数分解能 光シンセサイザ
O は共通レーザ光周波数
MZM可変範囲
OAminAmax
36GHz

MZMは２光波を分離し易い
Full-bias mode
片側変調信号を抽出
MZM出力
高周波数分解能B1
光Comb出力広いダイナミックレンジ

B2

fV
28GHz
B3

O

B4

光周波数

B5
B6
fcomb
25GHz
光周波数

f0

fcomb × N – 2fm
MZMの光信号Aと光コム信号Bのどれか１波を抽出
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Microwave-Photonics信号発生／新技術 位相安定度
広周波数・高周波数分解能 光シンセサイザ位相安定度

光シンセサイザ光コム信号発生器

MZM 変調器

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Microwave-Photonics信号発生／新技術 特徴
・共通レーザ光を光源とし、基準信号に位相同期した周波数可変高周波数分解能マイクロ波信号で駆動されるMZM光変調器と基準信号に位相同期した周波数固定マイクロ波信号で駆動される光コム発生器のそれぞれの光信号の１波を抽出し合成する構造
・低周波からテラヘルツ領域までの広い周波数領域をシームレスにカバーし、任意周波数信号を高い周波数分解能で発生可能なシンセサイザ。
・高周波数分解能をMZM光変調器で実現、周波数ダイナミックレンジを光コム発生器で実現する構造を持つ・位相同期ループを用いないので位相同期外れがない。
・低周波からテラヘルツまでの広範囲にわたり2mHz程度の周波数分解能が得られる（1mHz分解能シンセサイザ使用時）
2023/1/25

・電気信号のような逓倍技術を用いないのでスプリアスが少ないなどである。
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Microwave-Photonics信号伝送技術
フォトニックマイクロ波信号の長距離伝送における位相補償伝送マイクロ波

光信号周波数マイクロ波信号は、２光波の差として伝送される低周波から高周波(~THz)の長距離伝送を可能とするシステム
2023/1/25

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Microwave-Photonics信号伝送／従来技術との比較

従来方式

往路と復路の光周波数を変えている

波長分散による遅延差τB

往路と復路信号、後方散乱波の分離が容易

τA
往路信号Fa
Ω2

Ω1新方式
τA

復路信号Fbτb

τB

τa
復路信号Fb
往路信号FafaΩ1 Ω3Ω4Ω3fbΩ2 Ω4波長分散による遅延差波長分散の影響を除けない。
100 GHz,400-km 伝送で波長分散≤ 5760ps。

往路と復路の光周波数は一致(Ω4 - Ω3) – (Ω2 - Ω1) = (Ω4 - Ω2) – (Ω3 - Ω1)
Fb – Fa = fb – fa
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Microwave-Photonics信号伝送技術／新技術
長距離ファイバ
周波数Ω10(2πm)+ϕ1Ω20(2πn)+ϕ2+2Φ

光周波数 Ω1
位相シフトΦ

光周波数 Ω2(ϕ1)/2or(ϕ1)/2+π(ϕ2)/2+Φor(ϕ2)/2+Φ+π制御

波長分散の影響で波長により見かけのケーブル長が変わる。
ラウンドトリップにより伝送信号位相を補償。
伝送先: Ω1: (ϕ1/2): m が偶数の場合 or [(ϕ1/2) + π]: m が奇数の場合,Ω2: [(ϕ2/2) + Φ]: n が偶数の場合 or [(ϕ2/2) + π + Φ]: n が奇数の場合.
Photo-mixer 出力: (ϕ1/2) - [(ϕ2/2) + Φ]or

(ϕ1/2) - [(ϕ2/2) + Φ ] + π

ラウンドトリップ信号位相を同じになるように送信点で制御すると;
ϕ1 = ϕ2 + 2Φ
これは可変位相器 Φ を制御することで行える。
この時 Photo-mixer 出力は 0 or π.
これで伝送位相を固定することができ、伝送信号位相補償を行える.
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Microwave-Photonics信号伝送技術

10km ファイバを用いた100GHz 信号伝送実験
圧力を加える2023/1/25

指でファイバに圧力を掛け、外乱による波長分散効果を発生させる。
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Microwave-Photonics信号伝送技術
10km ファイバを用いた100GHz 信号伝送
位相補償無し2023/1/25

青: 伝送前の信号,
黄: 10km 伝送後の信号
ピンク: 位相シフタ制御電圧15Microwave-Photonics信号伝送技術
10km ファイバを用いた100GHz 信号伝送
位相補償有り2023/1/25

青: 伝送前の信号,
黄: 10km 伝送後の信号
ピンク: 位相シフタ制御電圧
16Microwave-Photonics信号伝送技術
オフライン位相位相補償の可能性

この領域の位相安定度は、実時間位相補償を行わなくとも変わらない

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Microwave-Photonics信号伝送技術
オフライン伝送位相補償法
長距離ファイバ
波長Ω10(2πm)+ϕ1

光周波数 Ω1Ω20(2πn)+ϕ2

光周波数 Ω2(ϕ1)/2or(ϕ1)/2+π(ϕ2)/2or(ϕ2)/2+π

差位相の測定位相補償ダイナミックレンジ、対応可能周波数範囲に制限は無い。
周波数が高くなるとΩ1とΩ2の間隔が広がるが、Round-trip測定はΩ1とΩ2で独立に行われるので同一装置で対応可能。
使用可能な上限周波数の制限は理論上は無い。
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Microwave-Photonics信号伝送技術
Ω1

Ω2

Ω3A

B

Ω4

Ω3

Ω4

光周波数

長距離ファイバ
基準信号

マイクロ波
信号発生
ω0

マイクロ波-THz波
MZM
光信号発生発生器+Ω 1 Ω3

光
波長分離(Ω3 – Ω1)

オフライン方式

周波数シフタω(Ω4 – Ω2)

光検出器

光検出器

ab

A

B

ファラデー反射器Ω2 Ω4ab
B–A=b-a

デジタル位相測定部

A and B: 伝送周波数に依存
a and b: 伝送周波数に依存しない （周波数シフタの２倍の周波数） 本方式は伝送周波数に関係なく対応できる。THz周波数にも対応可 低周波・高感度の光検出器２個で実現可能

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Microwave-Photonics信号伝送技術
Ω1

Ω2

Ω3A

B

Ω4

Ω3

Ω4

光周波数

長距離ファイバ
基準信号

マイクロ波
信号発生
ω0

マイクロ波-THz波
MZM
光信号発生発生器+Ω 1 Ω3光波長分離(Ω3 – Ω1)

オフライン方式

周波数
シフタ
ω

(Ω4 – Ω2)

光検出器

光検出器

abA

B

ファラデー反射器Ω2 Ω4ab
B–A=b-a

デジタル位相測定部

周波数シフタを基準局側に移動しても同様の効果が得られるか？
 ファラデー反射器のみでは後方散乱波の影響を除くのが難しいため長距離ファイバには応用できないため同様の効果は得られない。
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Microwave-Photonics信号伝送技術
100GHz~700GHz 10km伝送 オフライン方式

Round-trip 伝送路補償前（左）後（右）オフライン方式21

Microwave-Photonics信号伝送技術

100GHz 250km伝送 双方向EDFA使用

100GHz 100km伝送 双方向EDFA不使用

オフライン方式

オフライン方式22

Microwave-Photonics信号伝送技術／リアルタイム制御
Ω1

Ω2

Ω3A

B

Ω4

Ω3

Ω4

光周波数

長距離ファイバ
基準信号

マイクロ波
信号発生
ω0

マイクロ波-THz波
MZM
光信号発生器+Ω 1 Ω3光
波長分離(Ω3 – Ω1)

周波数
シフタ
ω

(Ω4 – Ω2)

光検出器

光検出器

ab

A

B

ファラデー
反射器

Ω2 Ω4

ab
B–A=b-a

デジタル位相測定部

リアルタイム制御方式
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Microwave-Photonics信号伝送技術／低周波用（補足）
Ω1

Ω2

Ω3A

マイクロ波
信号発生
ω0

基準信号

Ω 1 Ω3AB

baΩ4

Reflectedlight

長距離ファイバ
MZM
光信号発生器

Opticalfrequency

周波数
シフタ
ω+

Ω2 Ω4

Ω3
光検出器

B

イメージ
リジェクション
ミキサ
USB
LSB

ファラデー
反射器

Ω4-2ω

ω0ba

デジタル位相測定部+2ω

周波数+2ω

上側帯波 = 2ωt+φ4
下側帯波 = -(-2ωt−φ3)

+2ω
０

上側帯波
下側帯波

イメージリジェクション
ミキサ出力

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想定される用途
Microwave-Photonics信号発生技術／光シンセサイザ• 測定器への応用
MHz ~ THz 以上の周波数帯域をシームレスにカバー
Microwave-Photonics信号伝送技術• 次世代大型・高周波電波干渉計• 次世代高速通信 (Beyond 5G) の基地局同期• 広域コヒーレント系が必要な高精密測定システム

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企業への期待• 測定器応用をお考えの企業との共同研究を希望• 光集積化の技術を持つ企業との共同研究を希望• 次世代高速通信 (Beyond 5G)分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する参考文献[1] H.Kiuchi, “Wide-frequency-range phase-locked Photonic-Microwave oscillator operated ina fiber-coupled remote station,” J. of Lightwave Technol., Vol.37, No.10, pp.2172-2177, 2019.
[2] H.Kiuchi, “Phase comparison method for wide-frequency-range microwave photonicsignals,” J. of Lightwave Technol., Vol.35, No.17, pp.3643-3649, 2017.
[3] H.Kiuchi, “Postprocessing phase stabilizer for wide frequency range photonic-microwave
signal distribution,” IEEE Trans. Terahertz Sci. and Technol., Vol.7, No.2, pp.177-183, 2017.
[4] H.Kiuchi, T.Kawanishi, A.Kanno, “A wide frequency range optical synthesizer with highfrequency resolution,” IEEE Photonics Technol. Lett., Vol. 29, No. 1, pp.78-81. 2017.
[5] H.Kiuchi, “Optical transmission signal phase compensation method using an imagerejection mixer,” IEEE Photonics Journal, Vol.3, No.1, pp.89-99, 2011.
[6] H.Kiuchi, “Highly stable millimeter-wave signal distribution with an optical round-trip
phase stabilizer”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.56, No.6, pp.1493-1500, 2008.
[7] H.Kiuchi, T.Kawanishi, M.Yamada, T.Sakamoto, M.Tsuchiya, J.Amagai, M.Izutsu, “Highextinction ratio Mach-Zehnder modulator applied to a highly stable optical signal generator”,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.55, No.9, pp.1964-1972, 2007.
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本技術に関する知的財産権
・H.Kiuchi, “Optical synthesizer,” US-PAT : US9935717
・木内等、光伝送システム及び光伝送方法 特許第5291143号
・H.Kiuchi, “Optical transmission system and Optical transmission method,” , US-PAT :US8582977
・木内等、光信号の周波数差を比較する方法ならびに光信号の位相を同期させる方法
および装置 特許第6130527号
・木内等、低周波信号光伝送システム及び低周波信号光伝送方法 特許第4801194号
・H.Kiuchi, “Low-frequency signal optical transmission system and low-frequency
signal optical transmission method,” US-PAT : US8145065
・木内等、高周波信号光伝送システム及び高周波信号光伝送方法 特許第4849683号
・H.Kiuchi, “High-frequency signal optical transmission system and high-frequency
signal optical transmission method,” US-PAT : US7974541••

出願人：自然科学研究機構 (National Institutes of Natural Sciences )発明者：木内 等 (Hitoshi Kiuchi)

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お問い合わせ先
自然科学研究機構事務局研究協力課
ＴＥＬ ０３－５４２５－１３１６
ＦＡＸ ０３－５４２５－２０４９
e-mail nins-sangaku＠nins.jp

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