光ファイバーを用いた長距離高安定基準光伝送
植田研究室

山口昌人

1. はじめに近年、光格子時計などの高精度な基準光信号Down を処理する。これによって位相が半波長をその精度のまま光ファイバーを用いて長距離ずれると電圧が 1 ビット分上下するので、図 2.2伝送させることが、通信や計測、量子エレクトのように観測できる位相検出範囲を-π /2~π

ロニクスの分野で必要性を増している。しかし、/2 から、その 2 ビット倍まで広げる事が出来る。

長距離伝送では光ファイバーの位相雑音が基準光の伝送に大きな影響を与えてしまうので、高精度な伝送をおこなうにはこの雑音を抑制

localECLD

remotecirculator②①stretcher

AOM②circulator③①③する必要がある。植田研究室では光ファイバ
ーを用いた安定化伝送システムを開発したが、こ の 安 定 化 伝 送 シ ス テ ム で は Fiber
Stretcher を用い、制御範囲 5mm のファイバ

Servo filterー長制御より安定化を行なっていた。しかし、DDS

100km 光ファイバーでは位相変動が非常に大きくファイバー長による制御ではその範囲が400mm 以上も必要であり、ファイバー長制御

図 2.1 安定化制御システムだけでは対応できない事が判明した。そこで本
output研究では音響光学素子（AOM）に周波数制御をPFD行なわせる事によって位相雑音を抑える制御システムを開発し、外部環境に敷設された 100km光ファイバーを用いて位相雑音の制御をおこなった。

Phase

2. 原理

PSD

本研究で使用した安定化制御システムは図 2.
１のようにマイケルソン干渉計を応用した形となっている。AOM は remote 側で周波数シフトを行ない、終端まで到達した伝送光を識別する役割を担っている。これによって参照光とのビート信号には周波数シフト分＋位相雑音の信号
が 見 え る 。 そ し て こ の 位 相 情 報 を Phase
Frequency Discriminator (PFD)によって検出している。PFD は Local Oscillator と干渉信号に Up counter と Down counter を用いる事によってそれぞれ 1 パルス毎に加算器が Up と

図 2.2

PFD の位相検出範囲

PFD によって検出した位相情報はサーボ回路によって制御信号に変換され、ビート信号の位相雑音が 0 となるように Fiber Stretcher とAOM にそれぞれフィードバックされる。
この際、AOM へのフィードバックでは、Direct
Digital Synthesizer (DDS)を用いて AOM の周波数シフト分の信号にさらに制御信号を加えた形でフィードバックを行なっている。

また、remote 側からの往復させる戻り光も位相と周波数の間にはEDFA で 20mW まで増幅させた。
PFD の Local Oscillator には DDS によってφ = ∫ fdt

作成した 55MHz の基準信号を入力している。の関係があるので、AOM の周波数を変化させ測定には、光源から入射された信号と remoteる事により、位相を大きく変化させる事が可能側からの出力信号とのビート信号を out loop ととなる。これより、Fiber Stretcher の制御範囲し、PFD へと入力される参照光と往復した伝送を超える大きな位相変動にも対応が可能となっ光との干渉光の誤差信号を in loop としてそれた。

ぞれ PFD を用いて測定した。このとき、測定

また、DDS からの出力周波数はには AOM に伝送光が一度した通過しない片道

f out = (∆位相 × システムクロック ) / 2 32型配置と、往復で 2 回通過する双方向型配置のとなっているため、出力周波数が変化しても位また、AOM は伝送光が一回通過する毎に相情報は保持されたままとなる。

２通りでそれぞれ測定した。
55MHz の周波数シフトを行なっている。よって双方向型配置の場合は合計で 110MHz の周3. 実験
3.1 実験方法

波数シフトを行なっているため、参照光と往復した伝送光のビート信号では 110MHz が検出

図 3.1.1 のような実験系を組み、100km 光フされることになる。PFD に入力されているァイバーの制御実験を行なった。光源のある側

Local Oscillator は 55MHz なので、双方向型配を local 側、出力する側を remote 側とした。光

置の場合にはビート信号の周波数を DDS を用源には 1.5µm 帯の ECLD を使用した。ECLD

いて 110MHz から 55MHz に周波数を変化させから 2mW のレーザー光を光ファイバー内に入てから PFD に入力させた。

射させ、それをエルビウム添加光ファイバー増その後、AOM を双方向型の配置にし、in loopと out loop の位相雑音スペクトルを測定した。

幅器（EDFA）で 20mW まで増幅させた。

１００ｋｍ（つくば-柏-つくば）
local側側ECLD

EDFA
2.0mW@1.5µµm

remote側側
circulator②①stretcher

AOMcirculator③①③20mW②EDFAPD20mW(55M+αα )HzDDSServoDDS30MHz55MHzPFDPFD

図 3.1.1 実験図

3.2 実験結果・考察

1041.5 1044out
1 10位相 (radrad))2310-5 10-1 100-13-2

4205 104060time (s)80100-44out

4in-10in60time (s)80210310制御をかける事によってそれを 10rad/√Hz ま-140103341になるほど位相雑音レベルが上昇するところを、

120010

図 3.2.3 位相雑音スペクトルで抑えられることが確認できた。そして in loop

23-1.5 104 011040-1 10out

制御をかけなければ 1/f の傾きで低周波領域

0-5 102frequency (Hz)100

光学長 (mm)

位相 (radrad))1 101010

図 3.2.1 片道型配置
1.5 103-3401010in-1.5 10

光学長 (mm)

5 1034rad//√Hz)
Phase noise (rad片道型と双方向型による測定結果を示す。と out loop の位相雑音スペクトルがほぼ同じであることより、remote 側より出力される信号はlocal 側に入力された信号とほぼ同じ位相雑音であるといえる。これより、本研究の制御シス-2テムを用いることにより、1-10Hz の周波数領-3域で 10rad/√Hz の位相雑音レベルまで 100km-4光ファイバーの位相雑音を抑えられることが判明した。

図 3.2.2 双方向型配置

4. 結論
図 3.2.1 と図 3.2.2 より、片道型配置の制御で本研究では Fiber Stretcher を用いたファイは out loop に光ファイバーの付加位相雑音とみバー長制御に加え、従来は伝送光の終端到達のられる雑音が観測され、out loop で信号が制御マーキングのために使用していた AOM に新たされた事が確認できなかったのに対して、双方に周波数制御を加えた制御システムを用いての向型配置の制御では in loop と out loop 共に制制御実験を行なった。

御後に位相雑音の値が一定となり、in loop, out

その結果、AOM を双方向型配置の制御素子loop 共に制御がされていることがわかった。

配置を行なうことによって制御がかかったかど

次に、制御素子の配置を双方向型配置にした

うか容易に判断がつき、remote 側に送られた光時の in loop, out loop それぞれの位相雑音スペ信号を位相雑音の付加されていないそのままのクトルの測定結果を図 3.2.3 に示す。

状態で出力出来るということで片道型配置と比べてその優位性を示すことが出来た。そして本研究での制御システムを用いる事によって、周そこでそれを解決させる方法として AOM を

波数領域 1-10Hz で位相雑音レベルを 10rad/√local 側、remote 側に１つずつ用意し、それぞHz まで抑えることが出来た。これより、本研れで別の働きをさせる事によって制御させる方究の制御システムを用いる事によって外部環境法を提案する。に敷設された 100km 光ファイバーの基準光伝提案する実験系は、図 5.1 のように local 側送が出来るということが確認された。この結果で周波数制御を行ない、remote 側で伝送光の到は今回の実験ではじめて得られたものである。

達確認用の周波数シフトを行なうことによってしかし、本研究で使用した制御システムは問題の解決を図っている。このとき、local 側とlocal 側と remote 側が手元にある状態であり、remote 側の機器の同期を行なう必要があり、そ周波数制御する AOM は remote 側に配置されの同期には GPS を用いてシンセサイザーの絶ていた。これでは、実際に遠距離で伝送するた対周波数を同期させることを考案している。

めには AOM を制御させる信号も基準光信号と必要となる基準光の伝送における周波数安定同じ 100km の伝送をさせなければならず、シ度が 10-15 であるのを考慮すると、GPS から送ステムに問題が出てきてしまう。よって AOMられる信号の周波数は 10MHz であるのでそのの制御方法を見直す必要が出てきた。

周波数安定度は 10-8 ほどの桁が必要となる。これは GPS では十分可能であると考えられる。

5. 今後の展望

また、制御システムがどの程度の周波数安定

実際に 100km の基準光伝送を行なう時は度であるかを確認するために、アラン分散によremote 側の装置を 100km 先に置いた状態でのる周波数安定度の測定も行なう予定である。

制御を行なう必要がある。そして、その状態でそして、今回得られた周波数領域 1-10Hz で制御をするためには、本研究で用いた制御シス

位相雑音レベル 10rad/√Hz という値は、光源

テムでは remote 側に配置された 1 つの AOMの位相雑音である可能性があるので、その確認で周波数シフトと周波数制御を行なわなければの意味として今回使用した ECLD ではなく、さならないが、そのためには制御信号を 100km

らに狭線幅な光源を使用しての制御実験をする伝送させなければならない。

予定である。

100km
laser

EDFA

circulator②①stretcher

AOM

AOM

②circulator③①③

EDFAs ynthes izer

55MHz

Servo
10MHzs ynthes izer

S ynchronize(55M+f)Hz30MHz

PFD

10MHz

55MHzDDS

図 5.1 今後の実験系

ＯＵＴ