[論文レビュー] High Resolution Frequency Standard Dissemination via Optical Fibre Metropolitan Network

François Narbonneau, Michel Lours+7 more|ArXiv.org|Mar 15, 2006

Advanced Frequency and Time StandardsPhysics and Astronomy被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、100 MHz信号の100 kmメトロポリタン光ファイバー網における長距離・高安定性周波数伝送を、光キャリアの振幅変調を用いて実証した。位相ノイズ制限の安定性を1秒で10⁻¹⁴、1日で10⁻¹⁷に達成し、電子的位相共役と光電気的位相補償の2つの技術を用いて、マイクロ波と光周波数標準の超高精度比較を可能にした。

ABSTRACT

We present in this paper results on a new dissemination system of ultra-stable reference signal at 100 MHz on a standard fibre network. The 100 MHz signal is simply transferred by amplitude modulation of an optical carrier. Two different approaches for compensating the noise introduced by the link have been implemented. The limits of the two systems are analyzed and several solution suggested in order to improve the frequency stability and to further extend the distribution distance. Nevertheless, our system is a good tool for the best cold atom fountains comparison between laboratories, up to 100 km, with a relative frequency resolution of 10-14 at one second integration time and 10-17 for one day of measurement. The distribution system may be upgraded to fulfill the stringent distribution requirements for the future optical clocks.

研究の動機と目的

• メトロポリタン光ファイバー網を用いた高分解能周波数標準の拡散を可能にするため。
• 都市部の温度変動や機械的応力によって引き起こされるファイバー路線の位相ノイズと不安定性を克服するため。
• 最大100 kmの距離において、マイクロ波と光周波数標準を10⁻¹⁴未塔の分解能で比較するため。
• 電子的位相共役と光電気的位相補償の2つの位相ノイズ補償技術の評価と改善を目的とする。
• 将来の光クロック配布に向け、SBS、PMD、PDL、光フィードバックなどの制限要因を同定し、それらを低減するため。

提案手法

• 1.55 µmのDFBレーザーダイオードを100 MHzで振幅変調し、光ファイバーを介して基準信号を伝送する。
• フランステレコム網の既存通信ファイバーインfraを活用し、3～86 kmの長距離伝送を実現する。
• 2つの位相ノイズ補償方式を実装：電子的位相共役器と光電気的位相補償器。
• 励起ブリューノー散乱（SBS）を抑制し、白色位相ノイズを低減するために、ファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）フィルタを用いる。
• 偏光モード分散（PMD）の影響を軽減するために、偏光スクラムブルを採用する。
• 往復測定による位相摂動の測定に基づく位相共役技術を適用し、逆方向信号の周波数シフトによりフィードバックとミキサー出力を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準通信ファイバーを用いた100 kmの伝送において、100 MHz基準信号の位相ノイズと周波数安定性が最小限に低下するか。
• RQ2 都市部環境における温度変化および機械的摂動が、光路の位相ノイズと安定性に及ぼす影響は何か。
• RQ3 電子的位相共役と光電気的位相補償の相対的な性能限界は、長距離周波数伝送の安定化においてどのように異なるか。
• RQ4 SBS、PMD、光フィードバックがシステム性能に及ぼす影響はどの程度で、それらをどのように低減できるか。
• RQ5 現在のファイバーインfraを用いて、次世代光クロックに必要な10⁻¹⁷レベルの安定性を達成できるか。

主な発見

• 86 kmのファイバー路線において、1秒で10⁻¹⁴、1日で10⁻¹⁷の周波数安定性を達成し、遠隔に位置する周波数標準間の高分解能比較を可能にした。
• 電子的位相共役器は無限のダイナミックレンジのおかげで短期安定性に優れたが、数百分の1程度の拒否率に起因し、長期安定性に限界があった。
• 光電気的補償器は電子系よりも長期的な拒否性能に優れたが、PMDおよびPDLの影響によって制限を受けていた。
• SBSに起因する白色位相ノイズは、受信側でファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）フィルタを用いることで効果的に抑制された。
• コネクタおよびスプライシング部からの光フィードバックが寄生的位相シフトを引き起こしたが、効果的な補償のためには60 dBの抑制が必要であった。
• 偏光モード分散（PMD）が位相共役の原理を破壊したため、性能維持のためには偏光スクラムブルが不可欠であった。