光基準信号伝送装置および複合型光基準信号伝送装置
【課題】大きな光路長変動であっても、位相変動を補償することで光路長の変動の補償を行う。
【解決手段】レーザ光を２分岐する光分配器２と、変調用マイクロ波信号に基づき、光分配器２により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタ３と、光周波数シフタ３から光サーキュレータ４および伝送光ファイバ５を介して出力されたレーザ光の一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射鏡６と、光分配器２により分岐された他方のレーザ光と、光部分反射鏡６から伝送光ファイバ５および光サーキュレータ４を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波器７と、光合波器７により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段８と、光電変換手段８により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づき、変調用マイクロ波信号を生成する位相同期回路１０とを備えた。
【解決手段】レーザ光を２分岐する光分配器２と、変調用マイクロ波信号に基づき、光分配器２により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタ３と、光周波数シフタ３から光サーキュレータ４および伝送光ファイバ５を介して出力されたレーザ光の一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射鏡６と、光分配器２により分岐された他方のレーザ光と、光部分反射鏡６から伝送光ファイバ５および光サーキュレータ４を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波器７と、光合波器７により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段８と、光電変換手段８により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づき、変調用マイクロ波信号を生成する位相同期回路１０とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光基準信号を光ファイバで伝送するシステムにおいて、光ファイバの長さの変動による光波の位相変動を補償する光基準信号伝送装置および複合型光基準信号伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光ファイバ中を光波が伝播する場合、光ファイバ周囲に温度変化や光ファイバに対する振動があると、光ファイバの伸び縮みなどが生じるため光路長が変動する。従って、光ファイバを介して光信号を伝送させた場合、光ファイバの光路長の変動により、光ファイバ伝送後の光波の位相が変動する。
このため、光基準信号などの光波を位相変動を抑えて伝送するためには、伝送路である光ファイバの光路長の変動を補償する必要がある。
【０００３】
従来、この種の光ファイバ伝送システムにおいて、光ファイバの光路長の変動量を測定し、測定結果に基づき変動分を補償する方式が提案されている（例えば非特許文献１の図１参照）。
【０００４】
この非特許文献１により開示された従来の光路長変動補償方式では、まず、レーザ（ＥＣＬＤ）から出力されたレーザ光が、第１の光カプラ（１０ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）により２分岐される。そして、分岐した一方のレーザ光が、第１の光サーキュレータ、光ファイバ（ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）の長さを可変する光ファイバストレッチャ（ｆｉｂｅｒ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）、伝送路である上記光ファイバ、第２の光サーキュレータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）を順番に介して伝送される。そして、上記第２の光サーキュレータから出力されたレーザ光は第２の光カプラ（３ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）で分岐される。この分岐した一方のレーザ光は基準光（光基準信号）として出力され、他方のレーザ光は音響光学光変調器（ＡＯＭ）を経て、上記第２の光サーキュレータに戻され、第２の光サーキュレータより、上記光ファイバを往復する。
【０００５】
この往復したレーザ光は、上記ＡＯＭにより角周波数がシフトされている。往復したレーザ光は、上記第１の光サーキュレータで光路が切り替えられ、第３の光カプラ（３ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）において、上記第１の光カプラにより分岐された他方のレーザ光と合波される。
【０００６】
そして、上記第３の光カプラから出力された合波光は、光電変換器（ＰＤ）により電気信号に変換される。ここで、変換された電気信号の角周波数は、上記ＡＯＭにより角周波数シフトされたマイクロ波信号の角周波数となる。上記光ファイバが温度変化などにより光路長が変動した場合、光電変換された電気信号のビート信号は光路長の変動に応じて位相が変動する。
【０００７】
そして、基準信号源（ｓｙｎｔｈ．５５ＭＨｚ）からの基準信号と上記ＰＤからのビート信号との位相を位相検波器（ＰＳＤ又はＤＰＦＤ）で比較し、ビート信号の位相を所望の位相と一致させるための例えば電圧などの制御信号を出力する。この制御信号は、ループフィルタを介して上記光ファイバストレッチャに入力され、制御信号に応じた量だけ光信号の位相がシフトされる。
【０００８】
ここで、上記ＰＤからのビート信号により得られる制御信号が、上記光ファイバストレッチャに入力されるという動作が繰り返されることにより、帰還回路が構成される。そして、この帰還回路により、擾乱による光路長の変動を補償する制御を行う。
従って、上記第２の光カプラで分岐された一方のレーザ光も高い位相安定性が得られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍｕｓｈａ，ｅｔ．ａｌ．著、”Ｒｏｂｕｓｔ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ２５−ｋｍ ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ”、２００５ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ、ＴｕＢ４．４、ｐ．１２３，２００５．、（Ｆｉｇｕｒｅ １）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の光基準信号伝送装置では、伝送路である光ファイバの光路長（位相）変動に対して、光ファイバストレッチャにより、光ファイバの長さを直接伸び縮みさせることで光路長の変動を補償していた。このため、光路長の変動量に対する補償範囲は光ファイバストレッチャの長さ可変範囲に制限されている。通常、光ファイバストレッチャの可変範囲は数ｍｍ程度であり、長くてもｃｍオーダである。
【００１１】
一方、光ファイバの遅延時間の温度特性は、数１０ｐｓ／ｋｍ／℃程度である。例えば、遅延の温度係数を１０ｐｓ／ｋｍ／℃と仮定すると、１ｋｍのファイバで１０℃の温度変動が生じた場合、１００ｐｓの遅延時間変動が生じる。これはファイバ長約３３ｍｍに相当し、上記の光ファイバストレッチャの可変範囲を超える。さらに、温度変動範囲が拡大した場合は、ファイバ長が長くなると光ファイバストレッチャでは対応できなくなる。
【００１２】
さらに、光ファイバストレッチャで遅延時間を制御する場合、光ファイバを圧電素子などで引張るため、応答速度も限られる。
このように、従来の構成では大きな光路長変動（遅延時間の変動に相当）に対応することは困難であるとともに、高速制御に対応できないという課題があった。
【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、大きな光路長変動であっても、位相変動を補償することで光路長の変動の補償を行うことができる光基準信号伝送装置および複合型光基準信号伝送装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る光基準信号伝送装置は、入力されたレーザ光を２分岐する光分配手段と、入力された変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配手段により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタと、光周波数シフタの後段に配置され、レーザ光の光路を選択的に切り替える光路切替手段と、光周波数シフタから光路切替手段および伝送光ファイバを介して出力されたレーザ光の一部を当該伝送光ファイバに反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射手段と、光分配手段により分岐された他方のレーザ光と、光部分反射手段から伝送光ファイバおよび光路切替手段を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波手段と、光合波手段により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、変調用マイクロ波信号を生成する位相同期手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、上記のように構成したので、大きな光路長変動であっても、位相変動を補償することで光路長の変動の補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図中、光ファイバを実線、電線を破線でそれぞれ描いている（以下同様）。
光基準信号伝送装置は、図１に示すように、レーザ１、光分配器（光分配手段）２、光周波数シフタ３、光サーキュレータ（光路切替手段）４、伝送光ファイバ５、光部分反射鏡（光部分反射手段）６、光合波器（光合波手段）７、光電変換手段８、基準信号源９および位相同期回路（ＰＬＬ、位相同期手段）１０から構成されている。
【００１８】
レーザ１は、所定の角周波数のレーザ光を発光するものである。このレーザ１により発光されたレーザ光は光分配器２に出力される。
光分配器２は、レーザ１からのレーザ光を２つに分岐するものである。この光分配器２により分岐された一方のレーザ光は光周波数シフタ３に出力され、他方のレーザ光は光合波器７に出力されるものである。
【００１９】
光周波数シフタ３は、外部（第２のマイクロ波分配器１０８）からの変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配器２からのレーザ光の角周波数をシフトさせるものである。この光周波数シフタ３により角周波数がシフトされたレーザ光は光サーキュレータ４に出力される。
なお、光周波数シフタ３は、例えば音響光学素子に超音波を加えることで入力光の角周波数をシフトさせるＡＯ変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や、ＬｉＮｂＯ３によるＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型光変調器などにより実現することができる。これらは、数ＭＨｚからＧＨｚ以上の応答速度が実現できるので、高速な位相変動の補償が可能である。
【００２０】
光サーキュレータ４は、光周波数シフタ３、伝送光ファイバ５および光合波器７と接続され、光周波数シフタ３からのレーザ光を伝送光ファイバ５に出力し、また、伝送光ファイバ５からのレーザ光を光合波器７に出力するものである。
伝送光ファイバ５は、光サーキュレータ４からのレーザ光を光部分反射鏡６に伝送し、また、光部分反射鏡６からのレーザ光を光サーキュレータ４に伝送するものである。
光部分反射鏡６は、伝送光ファイバ５からのレーザ光のうち、一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りの部分を透過して基準光（光基準信号）として出力するものである。
【００２１】
光合波器７は、光分配器２からのレーザ光と、光サーキュレータ４からのレーザ光とを合波するものである。この光合波器７により合波されたレーザ光は光電変換手段８に出力される。
光電変換手段８は、光合波器７からのレーザ光を電気信号（マイクロ波信号）に光電変換するものである。この光電変換手段８により変換されたマイクロ波信号は位相同期回路１０の第２の周波数変換手段１０３に出力される。
基準信号源９は、マイクロ波の基準信号（基準マイクロ波信号）を発生するものである。この基準信号源９により発生された基準マイクロ波信号は位相同期回路１０の第１のマイクロ波分配器１０１に出力される。
【００２２】
位相同期回路１０は、光電変換手段８からのマイクロ波信号の位相と基準信号源９からの基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、光周波数シフタ３でのシフト角周波数を示す変調用マイクロ波信号を生成するものである。この位相同期回路１０は、第１のマイクロ波分配器（マイクロ波分配手段）１０１、第１〜３の周波数変換手段１０２〜１０４、位相比較手段１０５、ループフィルタ（ローパスフィルタ）１０６、電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、変調用マイクロ波生成手段）１０７および第２のマイクロ波分配器１０８から構成されている。
【００２３】
第１のマイクロ波分配器１０１は、基準信号源９からの基準マイクロ波信号を２つに分岐するものである。この第１のマイクロ波分配器１０１により分岐された一方の基準マイクロ波信号は第１の周波数変換手段１０２に出力され、他方の基準マイクロ波信号は位相比較手段１０５に出力される。
第１の周波数変換手段１０２は、第１のマイクロ波分配器１０１からの基準マイクロ波信号の角周波数を３倍に変換するものである。この第１の周波数変換手段１０２により角周波数が変換された基準マイクロ波信号は第２の周波数変換手段１０３に出力される。
【００２４】
第２の周波数変換手段１０３は、光電変換手段８からのマイクロ波信号と第１の周波数変換手段１０２からの基準マイクロ波信号とに基づいて、それらの周波数の差および位相差を持つ第１の差分マイクロ波信号を生成するものである。この第２の周波数変換手段１０３により生成された第１の差分マイクロ波信号は第３の周波数変換手段１０４に出力される。
【００２５】
第３の周波数変換手段１０４は、第２の周波数変換手段１０３からの第１の差分マイクロ波信号と第２のマイクロ波分配器１０８からの変調用マイクロ波信号とに基づいて、それらの周波数の差および位相差を持つ第２の差分マイクロ波信号を生成するものである。この第３の周波数変換手段１０４により生成された第２の差分マイクロ波信号は位相比較手段１０５に出力される。
【００２６】
位相比較手段１０５は、第１のマイクロ波分配器１０１からの基準マイクロ波信号と第３の周波数変換手段１０４からの第２の差分マイクロ波信号とを比較して位相変動量（位相差）を計測し、この位相差を電気信号に変換した位相差信号を生成するものである。この位相比較手段１０５により生成された位相差信号はループフィルタ１０６に出力される。
【００２７】
ループフィルタ１０６は、位相比較手段１０５からの位相差信号に対して、短期間の変動分を抑圧するものである。ループフィルタ１０６により変動分が抑圧された位相差信号はＶＣＯ１０７に出力される。
ＶＣＯ１０７は、ループフィルタ１０６からの位相差信号に基づいて、第２の差分マイクロ波信号と基準マイクロ波信号間の位相差を打ち消す方向に発振周波数を制御した変調用マイクロ波信号を生成するものである。このＶＣＯ１０７により生成された変調用マイクロ波信号は第２のマイクロ波分配器１０８に出力される。
【００２８】
第２のマイクロ波分配器１０８は、ＶＣＯ１０７からの変調用マイクロ波信号を２つに分岐するものである。この第２のマイクロ波分配器１０８により分岐された一方の変調用マイクロ波信号は光周波数シフタ３に出力され、他方の変調用マイクロ波信号は第３の周波数変換手段１０４に出力される。
【００２９】
次に、上記のように構成された光基準信号伝送装置の動作について説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の動作を示すフローチャートである。
光基準信号伝送装置の動作では、図２に示すように、まず、レーザ１はレーザ光（角周波数ωｃ）を出力し、光分配器２はこのレーザ光を２つに分岐する（ステップＳＴ１）。
【００３０】
次いで、光周波数シフタ３は、第２のマイクロ波分配器１０８からの変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配器２からのレーザ光の角周波数をシフトさせる（ステップＳＴ２）。ここで、光周波数シフタ３によるシフト角周波数（変調用マイクロ波信号の角周波数）がωｍであった場合には、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光の角周波数はωｃ＋ωｍとなる。
【００３１】
次いで、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光は、伝送光ファイバ５を往復した後、光サーキュレータ４を介して光合波器７に出力される（ステップＳＴ３）。すなわち、まず、光サーキュレータ４は、光周波数シフタ３からのレーザ光を伝送光ファイバ５に出力し、伝送光ファイバ５は、このレーザ光を光部分反射鏡６に伝送する。そして、光部分反射鏡６は、このレーザ光の一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りの部分を透過する。なお、透過したレーザ光は基準光として出力される。そして、伝送光ファイバ５は、この反射光（レーザ光）を光サーキュレータ４に伝送し、光サーキュレータ４は、このレーザ光を光合波器７に出力する。
【００３２】
ここで、伝送光ファイバ５に温度変化などの環境変動が生じていると、この伝送光ファイバ５を伝播したレーザ光の位相に変動が生じる。よって、光部分反射鏡６を透過したレーザ光および光部分反射鏡６を反射して光合波器７に出力されたレーザ光には位相変動が生じる。
【００３３】
次いで、光合波器７は、光分配器２からのレーザ光と光サーキュレータ４からのレーザ光とを合波する（ステップＳＴ４）。ここで、光合波器７は、光分配器２からのレーザ光の角周波数ωｃと、光サーキュレータ４からのレーザ光の角周波数ωｃ＋ωｍとの２つの周波数成分を合波する。
【００３４】
次いで、光電変換手段８は、光合波器７からのレーザ光をマイクロ波信号に光電変換する（ステップＳＴ５）。ここで、光電変換手段８は、光合波器７により合波された２つの周波数成分（ωｃ、ωｃ＋ωｍ）の差周波である角周波数ωｍのマイクロ波信号を出力する。しかしながら、上述したように伝送光ファイバ５に環境変動が生じた場合には、このマイクロ波信号に位相変動が生じる。
【００３５】
一方、マイクロ波信号の位相Φとその角周波数ωとの間には、式（１）の関係があることが知られている。
ω＝ｄΦ／ｄｔ （１）
よって、位相変動ΔΦは式（２）と表される。
ΔΦ＝∫ωｄｔ （２）
これにより、光周波数シフタ３への変調用マイクロ波信号の角周波数ωを制御することで、光部分反射鏡６を透過したレーザ光の位相変動ΔΦを制御できることが分かる。そこで、光電変換手段８から出力されたマイクロ波信号を用いて、位相同期回路１０にて角周波数ωの制御を行う（ステップＳＴ６）。
【００３６】
以下では、図１の主要部分におけるレーザ光またはマイクロ波信号の周波数、位相を示しながら、位相同期回路１０による角周波数制御について説明する。
まず、基準信号源９からの基準マイクロ波信号の角周波数をωｍとし、ＶＣＯ１０７からの変調用マイクロ波信号の角周波数をωｍ＋ΔΦ０／Δｔとすると、光周波数シフタ３により角周波数がシフトされて出力されたレーザ光の角周波数は、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔとなる。
【００３７】
そして、光周波数シフタ３からのレーザ光は、光サーキュレータ４を介して伝送光ファイバ５を伝搬する。ここで、伝送光ファイバ５の環境変動により光路長が変動したときの透過位相の変動量をΔΦ１とすると、光部分反射鏡６を透過したレーザ光（基準光）の角周波数は、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔとなる。
【００３８】
一方、光部分反射鏡６で反射されることで伝送光ファイバ５を往復したレーザ光の角周波数は、伝送光ファイバ５による位相変動を２回受けることになるため、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δとなる。
そして、光合波器７を介して光電変換手段８で光電変換されたマイクロ波信号は、レーザ１からのレーザ光（角周波数ωｃ）と位相変動を受けたレーザ光との差成分となり、その角周波数は、ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔとなる。
【００３９】
一方、基準信号源９からの基準マイクロ波信号（角周波数ωｍ）の一部は、第１の周波数変換手段１０２で３倍の周波数に変換され、その角周波数は３ωｍとなる。
そして、第２の周波数変換手段１０３として例えばミキサなどを用い、光電変換手段８からのマイクロ波信号と第１の周波数変換手段１０２からの基準マイクロ波信号との差成分を出力すると、式（３）に示すような角周波数の第１の差分マイクロ波信号が出力される。
３ωｍ−（ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔ）＝２ωｍ−ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （３）
【００４０】
さらに、第３の周波数変換手段１０４として例えばミキサなどを用い、第２の周波数変換手段１０３からの第１の差分マイクロ波信号とＶＣＯ１０７（第２のマイクロ波分配器１０８）からの変調用マイクロ波信号との差成分を出力すると、式（４）に示すような角周波数の第２の差分マイクロ波信号が出力される。
（２ωｍ−ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ）−（ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ）＝ωｍ−２ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （４）
【００４１】
そして、この第２の差分マイクロ波信号の位相と基準信号源９からの基準マイクロ波信号の位相とを位相比較手段１０５で比較し、ＶＣＯ１０７でその差を打ち消す方向に発振周波数を制御した変調用マイクロ波信号を生成する。
よって、位相比較手段１０５への両入力信号が等しくなった場合には式（５）が成り立つため、式（６）のような関係が成り立つ。
ωｍ＝ωｍ−２ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （５）
ΔΦ０／Δｔ＝−ΔΦ１／Δｔ （６）
【００４２】
このとき、上記の光部分反射鏡６を透過したレーザ光の角周波数（ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔ）は、上式（６）によってωｃ＋ωｍとなるため、伝送光ファイバ５による位相変動成分を打ち消すことができる。なお、上記の説明では、固定の光路長（位相）の初期オフセット分は省略している。
【００４３】
以上のように、この実施の形態１によれば、レーザ光の伝送先近傍で往復するレーザ光をモニタして、レーザ光の角周波数を制御するように構成したので、伝送光ファイバ５などの伝送後の位相変動を補償することができる。また、従来の構成では、光ファイバストレッチャなどにより直接伝送路の位相変動分の長さを補償していたため、光ファイバストレッチャなどの光路長制御デバイスの制御可能な長さ、応答速度が制限されていたが、実施の形態１に係る光基準信号伝送装置では、変調用マイクロ波信号の周波数制御により位相変動を補償できることから、位相補償可能な長さを容易に拡大することができる。
【００４４】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図３に示す実施の形態２に係る光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置に第２の光周波数シフタ１１を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図３では、位相同期回路１０の内部構成の記載は省略している（以下同様）。
【００４５】
第２の光周波数シフタ１１は、レーザ１と光分配器２との間に配置され、外部（基準信号源９）からの基準マイクロ波信号に基づいて、レーザ１からのレーザ光の角周波数を、光周波数シフタ３とは反対方向にシフトさせるものである。この第２の光周波数シフタ１１により角周波数がシフトされたレーザ光は光分配器２に出力される。
【００４６】
ここで、実施の形態１と同様にレーザ１からのレーザ光の角周波数をωｃとし、第２の光周波数シフタ１１によるシフト角周波数（基準マイクロ波信号の角周波数）をωｍとすると、第２の光周波数シフタ１１から出力されたレーザ光の角周波数はωｃ−ωｍとなる。
その後、このレーザ光は光分配器２により２分岐されて、一方は光周波数シフタ３に出力され、他方は光合波器７に出力される。ここで、光周波数シフタ３は第２の光周波数シフタ１１とは反対方向に角周波数をシフトすることになるため、光周波数シフタ３によるシフト角周波数がωｍであった場合には、光周波数シフタ３から出力されるレーザ光の角周波数はωｃとなる。すなわち、レーザ１から出力されたレーザ光を、そのままの角周波数ωｃで伝送することができる。その後、このレーザ光は、伝送光ファイバ５にて位相変動を受ける。
【００４７】
ここで、伝送光ファイバ５が環境変動により光路長が変動したときの透過位相の変動量をΔΦ１とすると、光部分反射鏡６を透過したレーザ光（基準光）の角周波数は、ωｃ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔとなる。
一方、光部分反射鏡６により反射されることで伝送光ファイバ５を往復したレーザ光は、伝送光ファイバ５などによる位相変動を２回受けることになる。よって、伝送光ファイバ５を往復したレーザ光の角周波数は、ωｃ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δとなる。
【００４８】
そして、光合波器７を介して光電変換手段８で光電変換されたマイクロ波信号は、レーザ１からのレーザ光（角周波数ωｃ−ωｍ）と位相変動を受けたレーザ光との差成分となり、その角周波数は、ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔとなる。以降は、実施の形態１と同様である。
【００４９】
以上のように、この実施の形態２によれば、光周波数シフタ３のシフト方向とは反対方向にレーザ光の角周波数をシフトさせる第２の周波数シフタ１１を設けたので、実施の形態１における効果に加えて、レーザ１から出力した信号を、そのままの周波数で遠方に伝送することができる。
【００５０】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図４に示す実施の形態３に係る光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の光サーキュレータ４を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ、光路切替手段）１２に変更し、光部分反射鏡６を光合分波器（光合分波手段）１３およびファラディ回転鏡（偏波回転手段）１４に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
ＰＢＳ１２は、入力されたレーザ光を、その偏波方向に応じて、透過または反射するものである。ここで、ＰＢＳ１２は、光周波数シフタ３からのレーザ光を透過して伝送光ファイバ５に出力し、また、伝送光ファイバ５からの偏波方向が９０度回転したレーザ光を反射して光合波器７に出力する。
【００５２】
光合分波器１３は、伝送光ファイバ５からのレーザ光を２つに分岐するものである。この光合分波器１３により分岐された一方のレーザ光はファラディ回転鏡１４に出力され、他方のレーザ光は基準光として出力される。また、光合分波器１３は、ファラディ回転鏡１４からの反射光（レーザ光）を伝送光ファイバ５に出力する。
ファラディ回転鏡１４は、光合分波器１３からのレーザ光の偏波方向を９０度回転させて光合分波器１３に反射するものである。
【００５３】
この場合、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光は、ＰＢＳ１２を透過（図４では左から右に進行）し、伝送光ファイバ５を介して光合分波器１３で分岐されて、一方のレーザ光がファラディ回転鏡１４に出力される。そして、ファラディ回転鏡１４は、このレーザ光の偏波方向を９０度回転させて光合分波器１３に反射する。
【００５４】
そして、この反射光（レーザ光）は、光合分波器１３を介して伝送光ファイバ５で上記とは逆方向に伝送（図４では右から左に進行）されてＰＢＳ１２に出力される。ここで、ＰＢＳ１２に到達したレーザ光の偏波方向は、ＰＢＳ１２を透過した際の偏波方向に対して９０度傾いているため、ＰＢＳ１２により反射されて光合波器７に出力される（図４では下側に反射）。
【００５５】
以上のように、この実施の形態３によれば、ファラディ回転鏡１４により伝送光ファイバ５からのレーザ光の偏波方向を９０度回転させて伝送光ファイバ５に反射するように構成したので、実施の形態１における効果に加えて、伝送光ファイバ５中で光の偏波方向が変動した場合であっても、往復する過程で偏波方向は直交させることができるため、ファイバ伝送中の偏波の変動を打ち消すことができる。
【００５６】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図５に示す実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置を複数組備えたものである（図５では２組の場合を示し、２組目の光基準信号伝送装置内の各機能部の符号に「ａ」を付している）。なお、レーザ１および基準信号源９は各光基準信号伝送装置で共有する構成となっている。
これにより、レーザ１から出力されたレーザ光を、位相を同期させた状態で複数の地点に伝送することが可能となる
【００５７】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ レーザ、２ 光分配器（光分配手段）、３ 光周波数シフタ、４ 光サーキュレータ（光路切替手段）、５ 伝送光ファイバ、６ 光部分反射鏡（光部分反射手段）、７ 光合波器（光合波手段）、８ 光電変換手段、９ 基準信号源、１０ 位相同期回路（位相同期手段）、１１ 第２の光周波数シフタ、１２ ＰＢＳ（光路切替手段）、１３ 光合分波器（光合分波手段）、１４ ファラディ回転鏡（偏波回転手段）、１０１ 第１のマイクロ波分配器（マイクロ波分配手段）、１０２〜１０４ 第１〜３の周波数変換手段、１０５ 位相比較手段、１０６ ループフィルタ、１０７ ＶＣＯ（変調用マイクロ波生成手段）、１０８ 第２のマイクロ波分配器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光基準信号を光ファイバで伝送するシステムにおいて、光ファイバの長さの変動による光波の位相変動を補償する光基準信号伝送装置および複合型光基準信号伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光ファイバ中を光波が伝播する場合、光ファイバ周囲に温度変化や光ファイバに対する振動があると、光ファイバの伸び縮みなどが生じるため光路長が変動する。従って、光ファイバを介して光信号を伝送させた場合、光ファイバの光路長の変動により、光ファイバ伝送後の光波の位相が変動する。
このため、光基準信号などの光波を位相変動を抑えて伝送するためには、伝送路である光ファイバの光路長の変動を補償する必要がある。
【０００３】
従来、この種の光ファイバ伝送システムにおいて、光ファイバの光路長の変動量を測定し、測定結果に基づき変動分を補償する方式が提案されている（例えば非特許文献１の図１参照）。
【０００４】
この非特許文献１により開示された従来の光路長変動補償方式では、まず、レーザ（ＥＣＬＤ）から出力されたレーザ光が、第１の光カプラ（１０ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）により２分岐される。そして、分岐した一方のレーザ光が、第１の光サーキュレータ、光ファイバ（ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）の長さを可変する光ファイバストレッチャ（ｆｉｂｅｒ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）、伝送路である上記光ファイバ、第２の光サーキュレータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）を順番に介して伝送される。そして、上記第２の光サーキュレータから出力されたレーザ光は第２の光カプラ（３ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）で分岐される。この分岐した一方のレーザ光は基準光（光基準信号）として出力され、他方のレーザ光は音響光学光変調器（ＡＯＭ）を経て、上記第２の光サーキュレータに戻され、第２の光サーキュレータより、上記光ファイバを往復する。
【０００５】
この往復したレーザ光は、上記ＡＯＭにより角周波数がシフトされている。往復したレーザ光は、上記第１の光サーキュレータで光路が切り替えられ、第３の光カプラ（３ｄＢ ｃｏｕｐｌｅｒ）において、上記第１の光カプラにより分岐された他方のレーザ光と合波される。
【０００６】
そして、上記第３の光カプラから出力された合波光は、光電変換器（ＰＤ）により電気信号に変換される。ここで、変換された電気信号の角周波数は、上記ＡＯＭにより角周波数シフトされたマイクロ波信号の角周波数となる。上記光ファイバが温度変化などにより光路長が変動した場合、光電変換された電気信号のビート信号は光路長の変動に応じて位相が変動する。
【０００７】
そして、基準信号源（ｓｙｎｔｈ．５５ＭＨｚ）からの基準信号と上記ＰＤからのビート信号との位相を位相検波器（ＰＳＤ又はＤＰＦＤ）で比較し、ビート信号の位相を所望の位相と一致させるための例えば電圧などの制御信号を出力する。この制御信号は、ループフィルタを介して上記光ファイバストレッチャに入力され、制御信号に応じた量だけ光信号の位相がシフトされる。
【０００８】
ここで、上記ＰＤからのビート信号により得られる制御信号が、上記光ファイバストレッチャに入力されるという動作が繰り返されることにより、帰還回路が構成される。そして、この帰還回路により、擾乱による光路長の変動を補償する制御を行う。
従って、上記第２の光カプラで分岐された一方のレーザ光も高い位相安定性が得られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍｕｓｈａ，ｅｔ．ａｌ．著、”Ｒｏｂｕｓｔ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ２５−ｋｍ ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ”、２００５ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＬＥＯＳ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ、ＴｕＢ４．４、ｐ．１２３，２００５．、（Ｆｉｇｕｒｅ １）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の光基準信号伝送装置では、伝送路である光ファイバの光路長（位相）変動に対して、光ファイバストレッチャにより、光ファイバの長さを直接伸び縮みさせることで光路長の変動を補償していた。このため、光路長の変動量に対する補償範囲は光ファイバストレッチャの長さ可変範囲に制限されている。通常、光ファイバストレッチャの可変範囲は数ｍｍ程度であり、長くてもｃｍオーダである。
【００１１】
一方、光ファイバの遅延時間の温度特性は、数１０ｐｓ／ｋｍ／℃程度である。例えば、遅延の温度係数を１０ｐｓ／ｋｍ／℃と仮定すると、１ｋｍのファイバで１０℃の温度変動が生じた場合、１００ｐｓの遅延時間変動が生じる。これはファイバ長約３３ｍｍに相当し、上記の光ファイバストレッチャの可変範囲を超える。さらに、温度変動範囲が拡大した場合は、ファイバ長が長くなると光ファイバストレッチャでは対応できなくなる。
【００１２】
さらに、光ファイバストレッチャで遅延時間を制御する場合、光ファイバを圧電素子などで引張るため、応答速度も限られる。
このように、従来の構成では大きな光路長変動（遅延時間の変動に相当）に対応することは困難であるとともに、高速制御に対応できないという課題があった。
【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、大きな光路長変動であっても、位相変動を補償することで光路長の変動の補償を行うことができる光基準信号伝送装置および複合型光基準信号伝送装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る光基準信号伝送装置は、入力されたレーザ光を２分岐する光分配手段と、入力された変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配手段により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタと、光周波数シフタの後段に配置され、レーザ光の光路を選択的に切り替える光路切替手段と、光周波数シフタから光路切替手段および伝送光ファイバを介して出力されたレーザ光の一部を当該伝送光ファイバに反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射手段と、光分配手段により分岐された他方のレーザ光と、光部分反射手段から伝送光ファイバおよび光路切替手段を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波手段と、光合波手段により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、変調用マイクロ波信号を生成する位相同期手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、上記のように構成したので、大きな光路長変動であっても、位相変動を補償することで光路長の変動の補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図中、光ファイバを実線、電線を破線でそれぞれ描いている（以下同様）。
光基準信号伝送装置は、図１に示すように、レーザ１、光分配器（光分配手段）２、光周波数シフタ３、光サーキュレータ（光路切替手段）４、伝送光ファイバ５、光部分反射鏡（光部分反射手段）６、光合波器（光合波手段）７、光電変換手段８、基準信号源９および位相同期回路（ＰＬＬ、位相同期手段）１０から構成されている。
【００１８】
レーザ１は、所定の角周波数のレーザ光を発光するものである。このレーザ１により発光されたレーザ光は光分配器２に出力される。
光分配器２は、レーザ１からのレーザ光を２つに分岐するものである。この光分配器２により分岐された一方のレーザ光は光周波数シフタ３に出力され、他方のレーザ光は光合波器７に出力されるものである。
【００１９】
光周波数シフタ３は、外部（第２のマイクロ波分配器１０８）からの変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配器２からのレーザ光の角周波数をシフトさせるものである。この光周波数シフタ３により角周波数がシフトされたレーザ光は光サーキュレータ４に出力される。
なお、光周波数シフタ３は、例えば音響光学素子に超音波を加えることで入力光の角周波数をシフトさせるＡＯ変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や、ＬｉＮｂＯ３によるＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型光変調器などにより実現することができる。これらは、数ＭＨｚからＧＨｚ以上の応答速度が実現できるので、高速な位相変動の補償が可能である。
【００２０】
光サーキュレータ４は、光周波数シフタ３、伝送光ファイバ５および光合波器７と接続され、光周波数シフタ３からのレーザ光を伝送光ファイバ５に出力し、また、伝送光ファイバ５からのレーザ光を光合波器７に出力するものである。
伝送光ファイバ５は、光サーキュレータ４からのレーザ光を光部分反射鏡６に伝送し、また、光部分反射鏡６からのレーザ光を光サーキュレータ４に伝送するものである。
光部分反射鏡６は、伝送光ファイバ５からのレーザ光のうち、一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りの部分を透過して基準光（光基準信号）として出力するものである。
【００２１】
光合波器７は、光分配器２からのレーザ光と、光サーキュレータ４からのレーザ光とを合波するものである。この光合波器７により合波されたレーザ光は光電変換手段８に出力される。
光電変換手段８は、光合波器７からのレーザ光を電気信号（マイクロ波信号）に光電変換するものである。この光電変換手段８により変換されたマイクロ波信号は位相同期回路１０の第２の周波数変換手段１０３に出力される。
基準信号源９は、マイクロ波の基準信号（基準マイクロ波信号）を発生するものである。この基準信号源９により発生された基準マイクロ波信号は位相同期回路１０の第１のマイクロ波分配器１０１に出力される。
【００２２】
位相同期回路１０は、光電変換手段８からのマイクロ波信号の位相と基準信号源９からの基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、光周波数シフタ３でのシフト角周波数を示す変調用マイクロ波信号を生成するものである。この位相同期回路１０は、第１のマイクロ波分配器（マイクロ波分配手段）１０１、第１〜３の周波数変換手段１０２〜１０４、位相比較手段１０５、ループフィルタ（ローパスフィルタ）１０６、電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、変調用マイクロ波生成手段）１０７および第２のマイクロ波分配器１０８から構成されている。
【００２３】
第１のマイクロ波分配器１０１は、基準信号源９からの基準マイクロ波信号を２つに分岐するものである。この第１のマイクロ波分配器１０１により分岐された一方の基準マイクロ波信号は第１の周波数変換手段１０２に出力され、他方の基準マイクロ波信号は位相比較手段１０５に出力される。
第１の周波数変換手段１０２は、第１のマイクロ波分配器１０１からの基準マイクロ波信号の角周波数を３倍に変換するものである。この第１の周波数変換手段１０２により角周波数が変換された基準マイクロ波信号は第２の周波数変換手段１０３に出力される。
【００２４】
第２の周波数変換手段１０３は、光電変換手段８からのマイクロ波信号と第１の周波数変換手段１０２からの基準マイクロ波信号とに基づいて、それらの周波数の差および位相差を持つ第１の差分マイクロ波信号を生成するものである。この第２の周波数変換手段１０３により生成された第１の差分マイクロ波信号は第３の周波数変換手段１０４に出力される。
【００２５】
第３の周波数変換手段１０４は、第２の周波数変換手段１０３からの第１の差分マイクロ波信号と第２のマイクロ波分配器１０８からの変調用マイクロ波信号とに基づいて、それらの周波数の差および位相差を持つ第２の差分マイクロ波信号を生成するものである。この第３の周波数変換手段１０４により生成された第２の差分マイクロ波信号は位相比較手段１０５に出力される。
【００２６】
位相比較手段１０５は、第１のマイクロ波分配器１０１からの基準マイクロ波信号と第３の周波数変換手段１０４からの第２の差分マイクロ波信号とを比較して位相変動量（位相差）を計測し、この位相差を電気信号に変換した位相差信号を生成するものである。この位相比較手段１０５により生成された位相差信号はループフィルタ１０６に出力される。
【００２７】
ループフィルタ１０６は、位相比較手段１０５からの位相差信号に対して、短期間の変動分を抑圧するものである。ループフィルタ１０６により変動分が抑圧された位相差信号はＶＣＯ１０７に出力される。
ＶＣＯ１０７は、ループフィルタ１０６からの位相差信号に基づいて、第２の差分マイクロ波信号と基準マイクロ波信号間の位相差を打ち消す方向に発振周波数を制御した変調用マイクロ波信号を生成するものである。このＶＣＯ１０７により生成された変調用マイクロ波信号は第２のマイクロ波分配器１０８に出力される。
【００２８】
第２のマイクロ波分配器１０８は、ＶＣＯ１０７からの変調用マイクロ波信号を２つに分岐するものである。この第２のマイクロ波分配器１０８により分岐された一方の変調用マイクロ波信号は光周波数シフタ３に出力され、他方の変調用マイクロ波信号は第３の周波数変換手段１０４に出力される。
【００２９】
次に、上記のように構成された光基準信号伝送装置の動作について説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の動作を示すフローチャートである。
光基準信号伝送装置の動作では、図２に示すように、まず、レーザ１はレーザ光（角周波数ωｃ）を出力し、光分配器２はこのレーザ光を２つに分岐する（ステップＳＴ１）。
【００３０】
次いで、光周波数シフタ３は、第２のマイクロ波分配器１０８からの変調用マイクロ波信号に基づいて、光分配器２からのレーザ光の角周波数をシフトさせる（ステップＳＴ２）。ここで、光周波数シフタ３によるシフト角周波数（変調用マイクロ波信号の角周波数）がωｍであった場合には、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光の角周波数はωｃ＋ωｍとなる。
【００３１】
次いで、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光は、伝送光ファイバ５を往復した後、光サーキュレータ４を介して光合波器７に出力される（ステップＳＴ３）。すなわち、まず、光サーキュレータ４は、光周波数シフタ３からのレーザ光を伝送光ファイバ５に出力し、伝送光ファイバ５は、このレーザ光を光部分反射鏡６に伝送する。そして、光部分反射鏡６は、このレーザ光の一部を伝送光ファイバ５に反射し、残りの部分を透過する。なお、透過したレーザ光は基準光として出力される。そして、伝送光ファイバ５は、この反射光（レーザ光）を光サーキュレータ４に伝送し、光サーキュレータ４は、このレーザ光を光合波器７に出力する。
【００３２】
ここで、伝送光ファイバ５に温度変化などの環境変動が生じていると、この伝送光ファイバ５を伝播したレーザ光の位相に変動が生じる。よって、光部分反射鏡６を透過したレーザ光および光部分反射鏡６を反射して光合波器７に出力されたレーザ光には位相変動が生じる。
【００３３】
次いで、光合波器７は、光分配器２からのレーザ光と光サーキュレータ４からのレーザ光とを合波する（ステップＳＴ４）。ここで、光合波器７は、光分配器２からのレーザ光の角周波数ωｃと、光サーキュレータ４からのレーザ光の角周波数ωｃ＋ωｍとの２つの周波数成分を合波する。
【００３４】
次いで、光電変換手段８は、光合波器７からのレーザ光をマイクロ波信号に光電変換する（ステップＳＴ５）。ここで、光電変換手段８は、光合波器７により合波された２つの周波数成分（ωｃ、ωｃ＋ωｍ）の差周波である角周波数ωｍのマイクロ波信号を出力する。しかしながら、上述したように伝送光ファイバ５に環境変動が生じた場合には、このマイクロ波信号に位相変動が生じる。
【００３５】
一方、マイクロ波信号の位相Φとその角周波数ωとの間には、式（１）の関係があることが知られている。
ω＝ｄΦ／ｄｔ （１）
よって、位相変動ΔΦは式（２）と表される。
ΔΦ＝∫ωｄｔ （２）
これにより、光周波数シフタ３への変調用マイクロ波信号の角周波数ωを制御することで、光部分反射鏡６を透過したレーザ光の位相変動ΔΦを制御できることが分かる。そこで、光電変換手段８から出力されたマイクロ波信号を用いて、位相同期回路１０にて角周波数ωの制御を行う（ステップＳＴ６）。
【００３６】
以下では、図１の主要部分におけるレーザ光またはマイクロ波信号の周波数、位相を示しながら、位相同期回路１０による角周波数制御について説明する。
まず、基準信号源９からの基準マイクロ波信号の角周波数をωｍとし、ＶＣＯ１０７からの変調用マイクロ波信号の角周波数をωｍ＋ΔΦ０／Δｔとすると、光周波数シフタ３により角周波数がシフトされて出力されたレーザ光の角周波数は、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔとなる。
【００３７】
そして、光周波数シフタ３からのレーザ光は、光サーキュレータ４を介して伝送光ファイバ５を伝搬する。ここで、伝送光ファイバ５の環境変動により光路長が変動したときの透過位相の変動量をΔΦ１とすると、光部分反射鏡６を透過したレーザ光（基準光）の角周波数は、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔとなる。
【００３８】
一方、光部分反射鏡６で反射されることで伝送光ファイバ５を往復したレーザ光の角周波数は、伝送光ファイバ５による位相変動を２回受けることになるため、ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δとなる。
そして、光合波器７を介して光電変換手段８で光電変換されたマイクロ波信号は、レーザ１からのレーザ光（角周波数ωｃ）と位相変動を受けたレーザ光との差成分となり、その角周波数は、ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔとなる。
【００３９】
一方、基準信号源９からの基準マイクロ波信号（角周波数ωｍ）の一部は、第１の周波数変換手段１０２で３倍の周波数に変換され、その角周波数は３ωｍとなる。
そして、第２の周波数変換手段１０３として例えばミキサなどを用い、光電変換手段８からのマイクロ波信号と第１の周波数変換手段１０２からの基準マイクロ波信号との差成分を出力すると、式（３）に示すような角周波数の第１の差分マイクロ波信号が出力される。
３ωｍ−（ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔ）＝２ωｍ−ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （３）
【００４０】
さらに、第３の周波数変換手段１０４として例えばミキサなどを用い、第２の周波数変換手段１０３からの第１の差分マイクロ波信号とＶＣＯ１０７（第２のマイクロ波分配器１０８）からの変調用マイクロ波信号との差成分を出力すると、式（４）に示すような角周波数の第２の差分マイクロ波信号が出力される。
（２ωｍ−ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ）−（ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ）＝ωｍ−２ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （４）
【００４１】
そして、この第２の差分マイクロ波信号の位相と基準信号源９からの基準マイクロ波信号の位相とを位相比較手段１０５で比較し、ＶＣＯ１０７でその差を打ち消す方向に発振周波数を制御した変調用マイクロ波信号を生成する。
よって、位相比較手段１０５への両入力信号が等しくなった場合には式（５）が成り立つため、式（６）のような関係が成り立つ。
ωｍ＝ωｍ−２ΔΦ０／Δｔ−２・ΔΦ１／Δｔ （５）
ΔΦ０／Δｔ＝−ΔΦ１／Δｔ （６）
【００４２】
このとき、上記の光部分反射鏡６を透過したレーザ光の角周波数（ωｃ＋ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔ）は、上式（６）によってωｃ＋ωｍとなるため、伝送光ファイバ５による位相変動成分を打ち消すことができる。なお、上記の説明では、固定の光路長（位相）の初期オフセット分は省略している。
【００４３】
以上のように、この実施の形態１によれば、レーザ光の伝送先近傍で往復するレーザ光をモニタして、レーザ光の角周波数を制御するように構成したので、伝送光ファイバ５などの伝送後の位相変動を補償することができる。また、従来の構成では、光ファイバストレッチャなどにより直接伝送路の位相変動分の長さを補償していたため、光ファイバストレッチャなどの光路長制御デバイスの制御可能な長さ、応答速度が制限されていたが、実施の形態１に係る光基準信号伝送装置では、変調用マイクロ波信号の周波数制御により位相変動を補償できることから、位相補償可能な長さを容易に拡大することができる。
【００４４】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図３に示す実施の形態２に係る光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置に第２の光周波数シフタ１１を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図３では、位相同期回路１０の内部構成の記載は省略している（以下同様）。
【００４５】
第２の光周波数シフタ１１は、レーザ１と光分配器２との間に配置され、外部（基準信号源９）からの基準マイクロ波信号に基づいて、レーザ１からのレーザ光の角周波数を、光周波数シフタ３とは反対方向にシフトさせるものである。この第２の光周波数シフタ１１により角周波数がシフトされたレーザ光は光分配器２に出力される。
【００４６】
ここで、実施の形態１と同様にレーザ１からのレーザ光の角周波数をωｃとし、第２の光周波数シフタ１１によるシフト角周波数（基準マイクロ波信号の角周波数）をωｍとすると、第２の光周波数シフタ１１から出力されたレーザ光の角周波数はωｃ−ωｍとなる。
その後、このレーザ光は光分配器２により２分岐されて、一方は光周波数シフタ３に出力され、他方は光合波器７に出力される。ここで、光周波数シフタ３は第２の光周波数シフタ１１とは反対方向に角周波数をシフトすることになるため、光周波数シフタ３によるシフト角周波数がωｍであった場合には、光周波数シフタ３から出力されるレーザ光の角周波数はωｃとなる。すなわち、レーザ１から出力されたレーザ光を、そのままの角周波数ωｃで伝送することができる。その後、このレーザ光は、伝送光ファイバ５にて位相変動を受ける。
【００４７】
ここで、伝送光ファイバ５が環境変動により光路長が変動したときの透過位相の変動量をΔΦ１とすると、光部分反射鏡６を透過したレーザ光（基準光）の角周波数は、ωｃ＋ΔΦ０／Δｔ＋ΔΦ１／Δｔとなる。
一方、光部分反射鏡６により反射されることで伝送光ファイバ５を往復したレーザ光は、伝送光ファイバ５などによる位相変動を２回受けることになる。よって、伝送光ファイバ５を往復したレーザ光の角周波数は、ωｃ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δとなる。
【００４８】
そして、光合波器７を介して光電変換手段８で光電変換されたマイクロ波信号は、レーザ１からのレーザ光（角周波数ωｃ−ωｍ）と位相変動を受けたレーザ光との差成分となり、その角周波数は、ωｍ＋ΔΦ０／Δｔ＋２・ΔΦ１／Δｔとなる。以降は、実施の形態１と同様である。
【００４９】
以上のように、この実施の形態２によれば、光周波数シフタ３のシフト方向とは反対方向にレーザ光の角周波数をシフトさせる第２の周波数シフタ１１を設けたので、実施の形態１における効果に加えて、レーザ１から出力した信号を、そのままの周波数で遠方に伝送することができる。
【００５０】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図４に示す実施の形態３に係る光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置の光サーキュレータ４を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ、光路切替手段）１２に変更し、光部分反射鏡６を光合分波器（光合分波手段）１３およびファラディ回転鏡（偏波回転手段）１４に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
ＰＢＳ１２は、入力されたレーザ光を、その偏波方向に応じて、透過または反射するものである。ここで、ＰＢＳ１２は、光周波数シフタ３からのレーザ光を透過して伝送光ファイバ５に出力し、また、伝送光ファイバ５からの偏波方向が９０度回転したレーザ光を反射して光合波器７に出力する。
【００５２】
光合分波器１３は、伝送光ファイバ５からのレーザ光を２つに分岐するものである。この光合分波器１３により分岐された一方のレーザ光はファラディ回転鏡１４に出力され、他方のレーザ光は基準光として出力される。また、光合分波器１３は、ファラディ回転鏡１４からの反射光（レーザ光）を伝送光ファイバ５に出力する。
ファラディ回転鏡１４は、光合分波器１３からのレーザ光の偏波方向を９０度回転させて光合分波器１３に反射するものである。
【００５３】
この場合、光周波数シフタ３から出力されたレーザ光は、ＰＢＳ１２を透過（図４では左から右に進行）し、伝送光ファイバ５を介して光合分波器１３で分岐されて、一方のレーザ光がファラディ回転鏡１４に出力される。そして、ファラディ回転鏡１４は、このレーザ光の偏波方向を９０度回転させて光合分波器１３に反射する。
【００５４】
そして、この反射光（レーザ光）は、光合分波器１３を介して伝送光ファイバ５で上記とは逆方向に伝送（図４では右から左に進行）されてＰＢＳ１２に出力される。ここで、ＰＢＳ１２に到達したレーザ光の偏波方向は、ＰＢＳ１２を透過した際の偏波方向に対して９０度傾いているため、ＰＢＳ１２により反射されて光合波器７に出力される（図４では下側に反射）。
【００５５】
以上のように、この実施の形態３によれば、ファラディ回転鏡１４により伝送光ファイバ５からのレーザ光の偏波方向を９０度回転させて伝送光ファイバ５に反射するように構成したので、実施の形態１における効果に加えて、伝送光ファイバ５中で光の偏波方向が変動した場合であっても、往復する過程で偏波方向は直交させることができるため、ファイバ伝送中の偏波の変動を打ち消すことができる。
【００５６】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置の構成を示すブロック図である。図５に示す実施の形態４に係る複合型光基準信号伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る光基準信号伝送装置を複数組備えたものである（図５では２組の場合を示し、２組目の光基準信号伝送装置内の各機能部の符号に「ａ」を付している）。なお、レーザ１および基準信号源９は各光基準信号伝送装置で共有する構成となっている。
これにより、レーザ１から出力されたレーザ光を、位相を同期させた状態で複数の地点に伝送することが可能となる
【００５７】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ レーザ、２ 光分配器（光分配手段）、３ 光周波数シフタ、４ 光サーキュレータ（光路切替手段）、５ 伝送光ファイバ、６ 光部分反射鏡（光部分反射手段）、７ 光合波器（光合波手段）、８ 光電変換手段、９ 基準信号源、１０ 位相同期回路（位相同期手段）、１１ 第２の光周波数シフタ、１２ ＰＢＳ（光路切替手段）、１３ 光合分波器（光合分波手段）、１４ ファラディ回転鏡（偏波回転手段）、１０１ 第１のマイクロ波分配器（マイクロ波分配手段）、１０２〜１０４ 第１〜３の周波数変換手段、１０５ 位相比較手段、１０６ ループフィルタ、１０７ ＶＣＯ（変調用マイクロ波生成手段）、１０８ 第２のマイクロ波分配器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたレーザ光を２分岐する光分配手段と、
入力された変調用マイクロ波信号に基づいて、前記光分配手段により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタと、
前記光周波数シフタの後段に配置され、レーザ光の光路を選択的に切り替える光路切替手段と、
前記光周波数シフタから前記光路切替手段および伝送光ファイバを介して出力されたレーザ光の一部を当該伝送光ファイバに反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射手段と、
前記光分配手段により分岐された他方のレーザ光と、前記光部分反射手段から前記伝送光ファイバおよび前記光路切替手段を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、前記変調用マイクロ波信号を生成する位相同期手段と
を備えた光基準信号伝送装置。
【請求項２】
前記位相同期手段は、
前記基準マイクロ波信号を２分岐するマイクロ波分配手段と、
前記マイクロ波分配手段により分岐された一方の基準マイクロ波信号の角周波数を変換する第１の周波数変換手段と、
前記光電変換手段により変換されたマイクロ波信号と、前記第１の周波数変換手段により変換された基準マイクロ波信号との差成分である第１の差分マイクロ波信号を生成する第２の周波数変換手段と、
前記第２の周波数変換手段により生成された第１の差分マイクロ波信号と前記変調用マイクロ波信号との差成分である第２の差分マイクロ波信号を生成する第３の周波数変換手段と、
前記マイクロ波分配手段により分岐された他方の基準マイクロ波信号の位相と、前記第３の周波数変換手段により生成された第２の差分マイクロ波信号の位相とに基づいて、位相差信号を生成する位相比較手段と、
前記位相比較手段により生成された位相差信号に基づいて角周波数を制御した前記変調用マイクロ波信号を生成する変調用マイクロ波生成手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光基準信号伝送装置。
【請求項３】
前記光路切替手段は光サーキュレータである
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光基準信号伝送装置。
【請求項４】
前記光部分反射手段は、
入力されたレーザ光の偏波方向を９０度回転させて反射する偏波回転手段と、
前記伝送光ファイバにより伝送されたレーザ光を分岐して前記偏波回転手段に出力し、当該偏波回転手段により反射されたレーザ光を当該伝送光ファイバに出力する光合分波手段とからなり、
前記光路切替手段は偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項５】
前記光分配手段の前段に配置され、前記基準マイクロ波信号に基づいて、入力されたレーザ光の角周波数を、前記光周波数シフタによるシフト方向とは反対方向にシフトさせる第２の光周波数シフタを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項６】
前記第１の周波数変換手段は、前記マイクロ波分配手段により分岐された一方の基準マイクロ波信号の角周波数を３倍に変換する
ことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置を複数備え、前記各光基準信号伝送装置間で前記レーザ光および基準マイクロ波信号を共用とした
ことを特徴とする複合型光基準信号伝送装置。
【請求項１】
入力されたレーザ光を２分岐する光分配手段と、
入力された変調用マイクロ波信号に基づいて、前記光分配手段により分岐された一方のレーザ光の角周波数をシフトさせる光周波数シフタと、
前記光周波数シフタの後段に配置され、レーザ光の光路を選択的に切り替える光路切替手段と、
前記光周波数シフタから前記光路切替手段および伝送光ファイバを介して出力されたレーザ光の一部を当該伝送光ファイバに反射し、残りを透過して光基準信号として出力する光部分反射手段と、
前記光分配手段により分岐された他方のレーザ光と、前記光部分反射手段から前記伝送光ファイバおよび前記光路切替手段を介して出力されたレーザ光とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段により合波されたレーザ光をマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段により変換されたマイクロ波信号の位相と基準マイクロ波信号の位相とに基づいて、前記変調用マイクロ波信号を生成する位相同期手段と
を備えた光基準信号伝送装置。
【請求項２】
前記位相同期手段は、
前記基準マイクロ波信号を２分岐するマイクロ波分配手段と、
前記マイクロ波分配手段により分岐された一方の基準マイクロ波信号の角周波数を変換する第１の周波数変換手段と、
前記光電変換手段により変換されたマイクロ波信号と、前記第１の周波数変換手段により変換された基準マイクロ波信号との差成分である第１の差分マイクロ波信号を生成する第２の周波数変換手段と、
前記第２の周波数変換手段により生成された第１の差分マイクロ波信号と前記変調用マイクロ波信号との差成分である第２の差分マイクロ波信号を生成する第３の周波数変換手段と、
前記マイクロ波分配手段により分岐された他方の基準マイクロ波信号の位相と、前記第３の周波数変換手段により生成された第２の差分マイクロ波信号の位相とに基づいて、位相差信号を生成する位相比較手段と、
前記位相比較手段により生成された位相差信号に基づいて角周波数を制御した前記変調用マイクロ波信号を生成する変調用マイクロ波生成手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光基準信号伝送装置。
【請求項３】
前記光路切替手段は光サーキュレータである
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光基準信号伝送装置。
【請求項４】
前記光部分反射手段は、
入力されたレーザ光の偏波方向を９０度回転させて反射する偏波回転手段と、
前記伝送光ファイバにより伝送されたレーザ光を分岐して前記偏波回転手段に出力し、当該偏波回転手段により反射されたレーザ光を当該伝送光ファイバに出力する光合分波手段とからなり、
前記光路切替手段は偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項５】
前記光分配手段の前段に配置され、前記基準マイクロ波信号に基づいて、入力されたレーザ光の角周波数を、前記光周波数シフタによるシフト方向とは反対方向にシフトさせる第２の光周波数シフタを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項６】
前記第１の周波数変換手段は、前記マイクロ波分配手段により分岐された一方の基準マイクロ波信号の角周波数を３倍に変換する
ことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の光基準信号伝送装置を複数備え、前記各光基準信号伝送装置間で前記レーザ光および基準マイクロ波信号を共用とした
ことを特徴とする複合型光基準信号伝送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３０８８６（Ｐ２０１３−３０８８６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４２０６（Ｐ２０１１−１６４２０６）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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