[論文レビュー] Beyond the fundamental noise limit in coherent optical fiber links

Claudio Calosso, Elio K. Bertacco+8 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、前向き信号からループバック位相信号を時間遅延させ、差し引くことで、コherent光ファイバー回線における基本的遅延非抑制ノイズ制限を克服する後処理技術を提案する。この手法により位相ノイズ抑制が6 dB向上し、アクティブ安定化のアップグレードを要せず、遠隔光時計比較の分解能を2倍に向上する。

ABSTRACT

It is well known that temperature variations and acoustic noise affect ultrastable frequency dissemination along optical fiber. Active stabilization techniques are in general adopted to compensate for the fiber-induced phase noise. However, despite this compensation, the ultimate link performances remain limited by the so called delay-unsuppressed fiber noise that is related to the propagation delay of the light in the fiber. In this paper, we demonstrate a data post-processing approach which enables us to overcome this limit. We implement a subtraction algorithm between the optical signal delivered at the remote link end and the round-trip signal. In this way, a 6 dB improvement beyond the fundamental limit imposed by delay-unsuppressed noise is obtained. This result enhances the resolution of possible comparisons between remote optical clocks by a factor of 2. We confirm the theoretical prediction with experimental data obtained on a 47 km metropolitan fiber link, and propose how to extend this method for frequency dissemination purposes as well.

研究の動機と目的

• コherent光ファイバー回線における遅延非抑制ノイズが引き起こす持続的制限を解消すること。
• 伝搬遅延のため完全に位相ノイズを抑制できない従来のドップラーキャンセレーション方式の性能限界を打ち破ること。
• 既存のアクティブ安定化技術の理論的限界を超える性能を実現するデータ後処理手法を実証すること。
• 既存のドップラー安定化ファイバー回線に対して、実用的なアップグレード経路を提供し、遠隔周波数比較の分解能を向上させること。
• 47 kmのメトロポリタンファイバー回線を用いて、同期位相測定とデジタル位相計を用いて実験的に手法を検証すること。

提案手法

• デジタル位相計を用いて、同期サンプリングによりリモート端末での前向き信号位相とローカル端末でのループバック信号位相を測定する。
• 時間遅延差し引きアルゴリズムを適用：1方向のファイバー伝搬遅延がτであるとき、時間遅延τ/2の位置で測定されたループバック位相の半分を前向き位相から差し引くことで補正を行う。
• 中心となる式は φ_r,comp(t) = φ_r(t) - ½ φ_rt(t + τ/2) であり、これにより遅延非抑制ノイズ成分が効果的にキャンセルされる。
• 実時間制御ループを避けるために、記録済み位相データの後処理として実装される。
• 既存のドップラー安定化回線と互換性があり、同時にアクティブ周波数配信とオフライン分解能向上の両方をサポート可能である。
• ピーターマンの47 km DWDMファイバー回線を用いて実験的に検証し、4 kHzでサンプリングされた位相データを用い、ノイズパワー密度スペクトルを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent光ファイバー回線における基本的遅延非抑制ノイズ制限を、後処理技術によって克服できるか？
• RQ2 従来のドップラーキャンセレーション限界を超えて、得られる最大の位相ノイズ抑制向上はどの程度か？
• RQ3 ループバック信号に対する位相補正の時間遅延をどのように設定するかが、ノイズキャンセレーション性能に与える影響は？
• RQ4 この手法は、アクティブ安定化ハードウェアを変更せずに、既存のドップラー安定化ファイバー回線に実装可能か？
• RQ5 時間遅延位相差し引きを用いた場合の、理論的および実験的位相安定性向上限界は何か？

主な発見

• フーリエ周波数 f ≪ 1/τ の領域で、実験的に6 dBの位相ノイズ抑制向上が達成された。理論的予測と一致した。
• 時間遅延差し引きによる測定位相ノイズパワー密度スペクトル（図2の赤線）は、理論的予測（点線d）とよく一致しており、モデルの妥当性が裏付けられた。
• τ/2の時間遅延を用いた差し引きでは、同期差し引きに比べて6 dBのノイズ抑制向上が確認され、時間遅延の有効性が実証された。
• この手法により、遠隔光時計比較の分解能が2倍に向上し、より高速または高精度な周波数比較が可能になった。
• 制御信号 u(t) を測定し、後処理に適用することで、既存のドップラー安定化回線にこの手法を適用可能であり、リアルタイム配信とオフライン分解能向上の両機能を実現できる。
• 47 kmの都市内ファイバー回線を用いた実験結果から、この手法が実世界の標準通信ファイバーインfraに適しており、頑健であることが確認された。