(57)【要約】【課題】光通信量子暗号のデータ解読に対する安全性を一層強化し、多値強度変調による暗号の盗聴を防止する。【解決手段】第１の暗号鍵を用いて第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第１の擬似乱数発生部と、第１の擬似乱数発生部による第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、第２の暗号鍵を用いて第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第２の擬似乱数発生部と、第２の擬似乱数発生部による第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第１の変調器と、第１の変調器によって位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、多値変調信号発生部より生成される多値信号により、光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第２の変調器と、を有し、第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって光搬送波の周波数又は位相を経時的、かつランダムに変化させる。【選択図】図７
2010114662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、
第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第１の擬似乱数発生部と、該第１の擬似乱数発生部によって生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
ランダム鍵を生成するランダム鍵発生部と、該ランダム鍵発生部によって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第１の変調器と、
該第１の変調器によって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第２の変調器と、を有することを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
前記ランダム鍵発生部は、第２の暗号鍵を用いて、第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第２の擬似乱数発生部であり、
前記第１の変調器は、該第２の擬似乱数発生部によって生成された該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させることを特徴とする請求項１の光送信装置。
【請求項３】
前記ランダム鍵発生部は、雑音を発生する雑音源と、該雑音源から生じる雑音を増幅する増幅部とを含み、
前記第１の変調器は、該雑音増幅部で増幅された雑音を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させることを特徴とする請求項１の光送信装置。
【請求項４】
前記第１の変調器は、複数ｎのレーザと、該レーザを駆動する複数のレーザドライバと、該レーザの出力を合成する複数のカプラとを有する周波数変調器であり、前記第２の擬似乱数発生部からの前記第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって該複数ｎのレーザドライバの内の任意の複数ｍ（但しｍ<ｎ）を選択し、選択されたレーザドライバによって駆動されたレーザの出力を該カプラで合成して、合成された光搬送波を前記第２の変調器へ出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの光送信装置。
【請求項５】
前記第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵と前記第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵は異なる鍵が用いられ、前記第１の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの光送信装置。
【請求項６】
前記第１の擬似乱数発生部と前記第２の擬似乱数発生部は、異なるハードウェア回路で構成され、前記第１の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの光送信装置。
【請求項７】
前記第１の変調器は周波数変調器であり、
該周波数変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
送信された光信号を受信するヘテロダイン受信機が有する中間周波増幅器のバンドパスフィルタの周波数帯域外となる周波数の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの光送信装置。
【請求項８】
前記第１の変調器は周波数変調器であり、
該周波数変調器は、該該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
光搬送波の周波数ｆｃ（Ｈｚ）、周波数変動Δｆｃ（Ｈｚ）とした場合、
ｆｃ−Δｆｃ 〜 ｆｃ＋Δｆｃ
の周波数範囲（Ｈｚ）で、経時的且つランダムに変化した周波数の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの光送信装置。
【請求項９】
前記第１の変調器は位相変調器であり、
該位相変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
光搬送波の位相φｃ（radian）、位相変動Δφｃ（radian）とした場合、
φｃ−Δφｃ 〜 φｃ＋Δφｃ（ｔ）
の位相範囲（radian）で、経時的且つランダムに変化した位相の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの光送信装置。
【請求項１０】
前記第１の変調器はマッハツェンダ位相変調器であり、
該マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートに、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の多値電圧を入力して、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の多値電圧値に従って該光搬送波の位相をランダムに変化させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの光送信装置。
【請求項１１】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信方法であって、
第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第１の擬似乱数発生ステップと、
該第１の擬似乱数発生ステップによって生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生ステップと、
ランダム鍵を生成するランダム鍵発生ステップと、
該ランダム鍵発生ステップによって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第１の変調ステップと、
該第１の変調ステップによって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生ステップにより生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第２の変調ステップと、を有することを特徴とする光送信方法。
【請求項１２】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信方法であって、
第１の暗号鍵を用いて第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、
生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成するステップと、
第２の暗号鍵を用いて、第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、
生成された該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させるステップと、
位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、前記多値変調信号の生成ステップで生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成するステップと、
を有することを特徴とする光送信方法。
【請求項１３】
前記第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵と前記第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵として異なる鍵を用いて、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させることを特徴とする請求項１１の光送信方法。
【請求項１４】
光搬送波の周波数を変化させる周波数変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、送信された光信号を受信するヘテロダイン受信機が有する中間周波増幅器のバンドパスフィルタの周波数帯域外となる周波数の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかの光送信方法。
【請求項１５】
光搬送波の周波数を変化させる周波数変調器は、該該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、光搬送波の周波数ｆｃ（Ｈｚ）、周波数変動Δｆｃ（Ｈｚ）とした場合、
ｆｃ−Δｆｃ 〜 ｆｃ＋Δｆｃ
の周波数範囲（Ｈｚ）で、経時的且つランダムに変化した周波数の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかの光送信方法。
【請求項１６】
光搬送波の位相を変化させる変調器としてマッハツェンダ位相変調器を用い、
該マッハツェンダ位相変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
光搬送波の位相φｃ（radian）、位相変動Δφｃ（radian）とした場合、
φｃ−Δφｃ 〜 φｃ＋Δφｃ（ｔ）
の位相範囲（radian）で、経時的且つランダムに変化した位相の光搬送波を出力することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかの光送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置及び光送信方法に係り、特に多値強度変調を用いた光通信量子暗号における、暗号の盗聴に対する安全性の強化に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信量子暗号化では、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者において光信号を正確に識別できないレベルの受信信号とすることにより、無限の計算能力において識別、データ解読が不能となる共通鍵量子暗号が知られている。
この共通鍵量子暗号は、基底と呼ぶ、送信データを搬送する２値の光信号を１つのセットをＭ個用意し、何れの基底を使ってデータ送信するかを、暗号鍵に従った擬似乱数によって不規則に決める方式である。
実際には、光の複数個あるＭ値を量子ゆらぎによって、Ｍ値の信号間距離を位相と周波数の時間方向に対して小さくすることにより、盗聴者において受信される暗号信号から当該データを識別、データ解読（正しく復号化を成立）させないようにしている。
【０００３】
上記原理に基づく暗号化は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれている。現在、このＹ−００プロトコルを具現化した通信方式としては、Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学のＰ．ＫｕｍａｒやＨ．Ｙｕｅｎらによって非特許文献１の光位相変調方式が発表されている。
このＹ−００プロトコルは、光の量子ゆらぎを活用しない（古典Ｙ−００と呼ぶ）の有線／無線通信における従来のストリーム暗号と比較すると、データ解読への安全性強度においては、それよりも高いプロトコルである。
【０００４】
また、玉川大学のメンバーによって非特許文献２の光強度変調方式が発表されている。図１は、非特許文献２に記載されたＹｕｅｎ量子暗号送受信機のシステム構成の概略を示す。このシステムは、光信号を送出する送信機１００と、光信号を受信する受信機１０５が、光ファイバー等の伝送路である通過路１０４を介して接続される。
送信機１００は、送信データを発生する送信データ発生部１０３と、暗号鍵Ｋの入力により擬似乱数を発生しＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する擬似乱数発生部１０２と、擬似乱数発生部１０２で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信データ発生部１０３からの送信データをビット単位の多値信号として生成する多値光生成部１０１と、を有して構成される。また、受信機１０５は、直接検波方式の汎用受信機や同方式における雑音に対する復号化精度の高いヘテロダイン受信機などが用いられる場合がある。
【０００５】
図２は、暗号鍵の情報を送信機と共有している正規受信者、および暗号鍵の情報を共有していない盗聴者に対するデータと閾値の関係を示す。
送信機１００は暗号鍵の情報により、２値データを多値の信号レベルに変換する。例えば、８値の信号レベルに変換する場合を想定すると、正規受信者は、暗号鍵を送信機と共有しているため信号が基底Ａ〜Ｄのいずれにあるか認識しており、信号の遷移に追従して閾値を（a）に示すように、閾値１〜閾値４のいずれかに設定することができる。ここで、Ａの信号レベル「４」と「８」のペア、Ｂの信号レベル「３」と「７」のペア、Ｃの信号レベル「２」と「６」のペア、Ｄの信号レベル「１」と「５」のペアを、１つのセットとする２値の基底と呼んでいる。
【０００６】
盗聴者は、暗号鍵を送信機と共有していないので、信号レベルが何れのレベルにあるか認識できない。このため、（ｂ）に示すように、隣接の信号レベル間に多数の閾値からレベルを認識する必要がある。
例えば、７つの閾値からレベルを認識としたと仮定すると、接検波方式の主な雑音は「量子ゆらぎ（量子ショット雑音）」と「熱雑音」であり、ヘテロダイン方式の雑音は「量子ゆらぎ（量子ショット雑音）」となる。
【０００７】
図３に示すように、受信機における信号レベル７と信号レベル８について注目すると、ヘテロダイン方式（一点鎖線）は、直接検波方式に比べて、信号を中心とする雑音のすそのがより狭くなることから、信号の誤りが改善されて減少する。
このことから、盗聴者が使用する受信機としては、信号の誤りが減少する効果を利用して盗聴、及びデータ解読をするため、ヘテロダイン受信機を用いることが想定される。
ヘテロダイン受信機を用いた盗聴者によるデータ解読は、以下に示す様な構成を含む手順によって実施されることが想定される。
【０００８】
（ステップ１）光搬送波周波数f1（Ｈｚ）を有する受信信号、光搬送波周波数f2（Ｈｚ）を有する局部発振器の出力を合波器でミキシング（乗算）する。
（ステップ２）ミキシングされた光信号を光/電気変換部で電気信号に変換する。
（ステップ３）中間周波増幅器のバンドパスフィルタで、算出式（|ｆ1−f2|）にて光搬送波周波数の低周波成分を取り出して増幅する。
（ステップ４）バンドパスフィルタで取り出された低周波成分を復調器で再生する。
【０００９】
ここで、局部発信器の光電力を受信信号の光電力よりも大きくした場合は、受信機側の回路で発生する熱雑音の影響が無視できるようになるので、光/電気変換において、量子力学的に必ず生じる量子ゆらぎ（量子ショット雑音）のみを有する状態とすることができる。
【００１０】
ヘテロダイン受信機を用いたデータ解読に対して安全性が確保できれば、直接検波方式の受信機を用いた盗聴の場合でも安全性は保障されることになる。
例えば、非特許文献３によれば、局部発振機と信号に位相誤差があって、その位相誤差が分散σ2を有するガウス分布であると仮定した場合、符号誤り率は標準偏差σに大きく依存すると述べている。すなわち、信号に位相雑音を付加することで、データ解読できないシステムを作ることが出来ることが分かる。
【００１１】
しかし、非特許文献４によれば、送信機の光搬送波は単一周波数であり、盗聴者の受信機を直接検波方式として符号誤り率を評価しているが、送信端にて０[ゼロ]（ｄＢｍ）（ｄＢｍは、ｍＷ基準の絶対値表現で０ｄＢ＝１ｍＷ）においての符号誤り率０．１以上の結果が得られている。これは、データ誤りの確率が１０分の１以上を意味しており、ヘテロダイン受信機を用いた場合は、直接検波方式より受信感度が良好となる構成であることから、盗聴、及びデータ解読される可能性がある。
【００１２】
さらに、特許文献１（特開２００６−３０３９２７公報）では、光搬送波が単一周波数であるため、非特許文献４と同様に、ヘテロダイン受信機が用いられた場合は、データ解読をされてしまう可能性がある。
【００１３】
【非特許文献１】Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ，  Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ，  Ｐ．Ｋｕｍａｒ，  Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，  “Ｓｅｃｕｒｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｔａｔｅ，”  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ−９０，  ２２７９０１，  （２００３年）
【非特許文献２】Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，  Ｋ．Ｋａｔｏ，  Ｍ．Ｓｏｈｍａ，  Ｔ．Ｕｓｕｄａ，  Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ，  “Ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｔｒｅａｍ  ｃｉｐｈｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”  ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．  ｏｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｖｏｌ−５５５１，  （２００４年）
【非特許文献３】大越孝敬、菊池和朗著、「コヒーレント光通信工学」、オーム社、１９８９年
【非特許文献４】圷重人  他著、“光強度変調方式 ２．５Ｇｂｉｔ／ｓ 光通信量子暗号伝送装置(Ｙ−００)の開発”、２００６電子情報通信学会総合大会、Ｂ−１０−４１．
【特許文献１】特開２００６−３０３９２７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、光通信量子暗号のデータ解読に対する安全性を一層強化し、多値強度変調による暗号の盗聴を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光送信装置は、好ましくは、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第１の擬似乱数発生部と、該第１の擬似乱数発生部によって生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、ランダム鍵を生成するランダム鍵発生部と、該ランダム鍵発生部によって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第１の変調器と、該第１の変調器によって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第２の変調器と、を有することを特徴とする光送信装置として構成される。
【００１６】
好ましい例では、前記ランダム鍵発生部は、第２の暗号鍵を用いて、第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第２の擬似乱数発生部であり、
前記第１の変調器は、該第２の擬似乱数発生部によって生成された該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる。
【００１７】
また、他の好ましい例では、前記ランダム鍵発生部は、雑音を発生する雑音源と、該雑音源から生じる雑音を増幅する増幅部とを含み、
前記第１の変調器は、該雑音増幅部で増幅された雑音を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる。
【００１８】
また、好ましくは、前記第１の変調器は、複数ｎのレーザと、該レーザを駆動する複数のレーザドライバと、該レーザの出力を合成する複数のカプラとを有する周波数変調器であり、前記第２の擬似乱数発生部からの前記第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって該複数ｎのレーザドライバの内の任意の複数ｍ（但しｍ<ｎ）を選択し、選択されたレーザドライバによって駆動されたレーザの出力を該カプラで合成して、合成された光搬送波を前記第２の変調器へ出力する。
【００１９】
また、好ましくは、前記第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵と前記第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵は異なる鍵が用いられ、前記第１の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させる。
【００２０】
また、好ましくは、前記第１の擬似乱数発生部と前記第２の擬似乱数発生部は、異なるハードウェア回路で構成され、前記第１の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させる。
【００２１】
また、好ましくは、前記第１の変調器は周波数変調器であり、該周波数変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、送信された光信号を受信するヘテロダイン受信機が有する中間周波増幅器のバンドパスフィルタの周波数帯域外となる周波数の光搬送波を出力する。
【００２２】
また、好ましくは、前記第１の変調器は周波数変調器であり、該周波数変調器は、該該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
光搬送波の周波数ｆｃ（Ｈｚ）、周波数変動Δｆｃ（Ｈｚ）とした場合、
ｆｃ−Δｆｃ 〜 ｆｃ＋Δｆｃ
の周波数範囲（Ｈｚ）で、経時的且つランダムに変化した周波数の光搬送波を出力する。
【００２３】
また、好ましくは、前記第１の変調器は位相変調器であり、該位相変調器は、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の印加によって、
光搬送波の位相φｃ（radian）、位相変動Δφｃ（radian）とした場合、
φｃ−Δφｃ 〜 φｃ＋Δφｃ（ｔ）
の位相範囲（radian）で、経時的且つランダムに変化した位相の光搬送波を出力する。
【００２４】
また、好ましくは、前記第１の変調器はマッハツェンダ位相変調器であり、
該マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートに、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の多値電圧を入力して、該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の多値電圧値に従って該光搬送波の位相をランダムに変化させる。
【００２５】
本発明に係る光送信方法は、好ましくは、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信方法であって、第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第１の擬似乱数発生ステップと、該第１の擬似乱数発生ステップによって生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生ステップと、ランダム鍵を生成するランダム鍵発生ステップと、該ランダム鍵発生ステップによって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第１の変調ステップと、該第１の変調ステップによって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生ステップにより生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第２の変調ステップと、を有することを特徴とする光送信方法として構成される。
【００２６】
好ましい例では、本発明に係る光送信方法は、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信方法であって、第１の暗号鍵を用いて第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、生成された該第１のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成するステップと、第２の暗号鍵を用いて、第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、生成された該第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させるステップと、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、前記多値変調信号の生成ステップで生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成するステップと、を有することを特徴とする光送信方法として構成される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、光通信量子暗号のデータ解読に対する安全性を一層強化し、多値強度変調による暗号の盗聴を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の実施例を説明する前に、図４を参照して、一般的なヘテロダイン受信機の構成について説明しておきたい。
図４において、送信装置から送信された光信号である受信信号ｆ１は、合波器２００で、局部発信器２０１で発生された所定の周波数ｆ２と合成され、光/電気変換器２０２で電気信号に変換される。電気信号は、中間周波増幅器２０３で特定の共振周波数（バンドパス特性）で共振して増幅され、復調器２０４で復調されて、正規の受信データが生成される。
【００２９】
まず、本発明による送信装置の原理について説明する。送信装置側で、特徴的な多値強度変調によるデータの暗号化を行えば、仮に、盗聴者が図４のヘテロダイン受信機を用いて、本発明による暗号化データを受信した場合でも、その解読（即ち正しい復号化の成立）が極めて困難である。
【００３０】
一例として、光搬送波の周波数ｆｃ（Ｈｚ）、周波数変動Δｆｃ（Ｈｚ）とした場合、
ｆｃ−Δｆｃ 〜 ｆｃ＋Δｆｃ（Ｈｚ）  ・・・（１）
これらを（１）の周波数範囲（Ｈｚ）にて経時的、且つランダムに変動させる。
【００３１】
他の例として、光搬送波の位相φｃ（radian）、位相変動Δφｃ（radian）とした場合、
φｃ−Δφｃ 〜 φｃ＋Δφｃ（ｔ）  ・・・（２）
これらを（２）の位相範囲（radian）にて経時的、且つランダムに変動させる。
【００３２】
例えば、周波数変動の場合は、
| f1 − f2 |  （Ｈｚ）  ・・・（３）
この場合は（３）により、中間周波増幅器２０３のバンドパスフィルタの周波数帯域外（図４）にすることができる。
【００３３】
データ解読に対しては経時的、且つランダムに変動させることで、擬似乱数系列を用いた場合、若しくは外部雑音源を用いた場合でも、暗号化に対する安全性の強化としては一定の条件で同等とすることができる。
その条件とは、光搬送波の周波数変動分Δｆｃ（Ｈｚ）、又は光搬送波の位相変動分Δφｃ（radian）について、受信機の局部発信器の周波数可変範囲よりΔｆｃ（Ｈｚ）が広範囲まで変動させられること。さらに、局部発信器が応答できない高速度で位相変動Δφｃ（radian）の変動させられることである。
【００３４】
上記の周波数又は位相の変動の機能は、図５に示すように、送信装置のレーザ５９から発生される光搬送波（連続光）の周波数又は位相を変調する変調機構５００によって実現される。この周波数又は位相変調機構５００の詳細例については、図７及び図９を参照して後述する。ここでは、送信装置の概略的な構成について述べておきたい。
【００３５】
送信装置は、暗号鍵５１３からＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する擬似乱数発生部５１２と、擬似乱数発生部５１２で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信データをビット単位の多値信号として生成する多値変調電気信号発生部５１１と、周波数又は位相変調機構５００からの位相又は周波数が変調された光信号を受け、多値変調電気信号発生部５１１で生成される多値信号により、光信号の光強度基底を変化させた光信号を生成する強度変調器５２と、を有して構成される。ここで、擬似乱数発生部５１２や多値変調電気信号発生部５１１は、従来の光送信機(例えば図１の)が有している機能と同様のものである。
【００３６】
次に、図６を参照して、光搬送波の周波数変動及び位相変動について説明する。
図６において、（ａ）は基準光搬送波、（ｂ）は基準光搬送波に対してΔｆｃ（Ｈｚ）周波数を変動した光搬送波、（ｃ）は基準光搬送波に対してΔφｃ（radian）位相を変動させた光搬送波を示す。
送信装置側で基準光搬送波の周波数又は位相を経時的、かつランダムに変動させると、ヘテロダイン受信機（図４）では、受信した光信号に対して特定の共振周波数ｆ２で共振が発生しなくなる。そのため、受信信号の正しい復号化（盗聴）が成立せず、送信データの暗号化の安全性を一層強化することできる。
【００３７】
[実施例１]
図７は、一実施例による基準光搬送波の周波数を変動させる送信装置の構成例を示す。
図７において、暗号鍵７１３からＲｕｎｎｉｎｇ鍵１を生成する擬似乱数発生部７１２と、擬似乱数発生部７１２で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵１を用いて、送信データをビット単位の多値信号として生成する多値変調電気信号発生部７１１、及び光信号の光強度基底を変化させた光信号を生成する強度変調器７２は、図５の暗号鍵５１３、擬似乱数発生部５１２、多値変調電気信号発生部５１１、及び強度変調器５２と同様である。
【００３８】
更に、暗号鍵２（７３）を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵２を生成する擬似乱数発生部７２と、周波数変調器７０を備える。周波数変調器７０は、複数（ｎ個）のレーザ（ＬＤ）に対応して、それらを駆動する複数のレーザドライバ７０２と、レーザ７０３の出力である連続光を加算する複数のカプラ７０４を有して構成される。
【００３９】
擬似乱数発生部７２で発生されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵２に従って、少なくとも２個以上のレーザドライバ７０２を選択して、その対応するレーザ７０３を経時的にオン/オフする。これにより発生する連続光を経時的にカプラ７０４で加算して、それを強度変調器３０３に与える。
これにより、強度変調器５２に与えられる連続光は、図１０のように、基準周波数の連続光（ａ）に対して、周波数がｆ１〜ｆ3・・のように変動した信号となる。
【００４０】
例えば、それぞれ出力パワーが等しいｎ個のレーザ７０３を用いた場合、経時的に同時にオンする任意の２個のレーザ７０３を、それぞれＬＤ-ｉ、ＬＤ-ｊとし、他の（ｎ−２）個のレーザ７０３をオフ状態とする。
【００４１】
経時的に同時にＯＮしたレーザ７０３の出力が、（４）で表される場合、
【００４２】
【数１】
2010114662.tif 000003
強度変調器５２の入力信号は、（５）となる。
【００４３】
【数２】
2010114662.tif 000004
ここで、（６）は、変換された光搬送波周波数（Ｈｚ）、（７）は、同包短線成分の周波数（Ｈｚ）である。
【００４４】
【数３】
2010114662.tif 000005
【００４５】
【数４】
2010114662.tif 000006
図８は、レーザ７０３およびレーザドライバ７０２の動作速度とヘテロダイン受信機の局部発信器２０１の応答速度による光搬送波周波数の関係を示す。
レーザ７０３およびレーザドライバ７０２の動作速度は光搬送波周波数が０．１ｆ１になる速度が３５（ｐｓ）、ヘテロダイン受信機の局部発信器２０１の応答速度が０．１ｆ２になる速度が１４０（ｐｓ）である。
【００４６】
時間ｔにおける光搬送波周波数はｆ１、局部発信器周波数はｆ２'であり、
【００４７】
【数５】
2010114662.tif 000007
つまり、レーザ７０３およびレーザドライバ７０２の動作速度がヘテロダイン受信機の局部発信器２０１の応答速度より速い場合、光搬送波の周波数の変化にヘテロダイン受信機が追従できなくなる。そのために、式（８）の場合は中間周波増幅器２０３（図４）のバンドパスフィルタの周波数帯域外にすることが可能となる。従って、レーザの出力レベルは小さくなり、受信信号は正確に復号化はできない。
【００４８】
一方、ヘテロダイン受信機の局部発信器２０３の応答速度よりレーザ７０３、レーザドライバ７０２の動作速度が遅い場合でも、局部発信器２０１の動作周波数範囲より（６）の変動幅が大きいならば、バンドパスフィルタの周波数帯域外にすることが可能となる。そのため、ヘテロダイン受信機を用いた場合においても、正しい復号化を成立（暗号の盗聴）させなくすることができる。
【００４９】
次に、具体的数値を用いて、実施例を説明する。
中間周波増幅器２０３のバンドパスフィルタの伝達関数Ｈ(ｆ)は、
【００５０】
【数６】
2010114662.tif 000008
【００５１】
【数７】
2010114662.tif 000009
ｆ：周波数（Ｈｚ）、ｆ0＝|ｆ1−ｆ2|:中間周波数（Ｈｚ）、Ｑ：尖鋭度(１０〜１００)、
Ｖｏｕｔ：復調器出力レベル（Ｖ）、Ｖｉｎ：中間周波増幅器入力レベル（Ｖ）、
Ｇ：中間周波増幅器の利得（倍）
レーザ５０４の周波数をＩＴＵ-Ｔ  Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ  Ｇ．６９２で規定されているＬＤ５０４の周波数を用い、Ｑ＝１００、Ｖｉｎ＝０．１（Ｖ）、Ｇ＝１０（倍）、ｆ2＝１９３．３３９（ＴＨｚ）の中間周波増幅器２０３を想定する。
【００５２】
特許文献１又は非特許文献４に記載のように、単一周波数１９３．４（ＴＨｚ）のＬＤを１個用いた時の中間周波数はｆ0＝|１９３．４−１９３．３３９|＝１（ＧＨｚ）、（９）は、
｜Ｈ（ｆ）｜＝１となる。（１０）よりＶｏｕｔ＝１（Ｖ）となる。
【００５３】
ｆLD-i＝１９３．４（ＴＨｚ）、ｆLD-j＝１９２．７（ＴＨｚ）のＬＤを２個用いた場合（６）より、ｆｓ＝（１９３．４＋１９２．７）／２＝１９３．０５（ＴＨｚ）となり、（９）は｜Ｈ（ｆ）｜＝２．８６×１０−５、（１０）よりＶｏｕｔ＝２．８６×１０−５（Ｖ）となり、復調器２０４（図４）に信号はほとんど入力されず、データの復調は期待できない。
【００５４】
ヘテロダイン受信機の局部発信器２０１の応答速度よりレーザ７０３、レーザドライバ７０２の動作速度が遅い場合について、具体的数値を用いて説明する。
光搬送波周波数の可変範囲が１９３．４（ＴＨｚ）±０．１（ＴＨｚ）、局部発振器２０１の周波数可変範囲が１９３．３９９（ＴＨｚ）±０．０５（ＴＨｚ）であった場合、中間周波数は、|（１９３．４±０．１）−（１９３．３３９±０．０５）|＝‐４９（ＧＨｚ）〜５１（ＧＨｚ）となる。中間周波増幅器２０３の条件が上記である場合、Ｖｉｎ＝０．２（ｍＶ）となり、復調器２０４に入力される信号はデータの復調に期待できない程度しか入力されない。
【００５５】
本実施例において、暗号鍵７１３と暗号鍵７３、擬似乱数発生部７１２と擬似乱数発生部７２は、同じ回路でも良好に機能する。しかし、光通信量子暗号化による安全性の強化の観点から、暗号鍵１と暗号鍵２を異ならしめ、及び又は擬似乱数発生部１と２を異なるハードウェア回路で構成するのが好ましい。また、擬似乱数発生部１と擬似乱数発生部２は非同期に独立的に動作させることが望ましい。
【００５６】
また、上記例では、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵２にて２個のレーザドライバ７０２を選択するようにしたが、２個に限らず、３個以上の複数個でもよい。
また、各レーザ７０３の出力パワーはそれぞれ等しいとしたが、各レーザの出力パワーは適当に異なってもよい。
【００５７】
[実施例２]
図９は、他の実施例（実施例２）による、基準光搬送波の位相を変動させる送信装置の構成例を示す。
レーザ５９から常時出力される光搬送波（連続光）が位相変調器９０に入力される。
例えば、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵２の出力は、多値の電圧であり、＋０〜＋４（Ｖｐｐ）までの１０２４段階ステップにおいて、ランダムな電圧値を設定した場合、ステップ単位には、４（Ｖｐｐ）÷１０２４（ステップ）≒３．９ｍ（Ｖｐｐ／ステップ）となることから、位相変調器９０には、マッハツェンダ位相変調器を使用することが望ましい。
【００５８】
具体的には、マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートにＲｕｎｎｉｎｇ鍵２の多値電圧を入力すると、ＬＤ５９からの位相がそろった連続光の位相をＲｕｎｎｉｎｇ鍵２の多値電圧値に従い、ランダムに変化させることが出来る。
【００５９】
暗号鍵７３によってＲｕｎｎｉｎｇ鍵２を生成する擬似乱数発生部７２の構成は、図７と同様である。また、暗号鍵７１３によってＲｕｎｎｉｎｇ鍵１を生成する擬似乱数発生部７１１、及びＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって多値信号の基調を変化させる多値変調電気信号発生部７１１の構成も図７と同様である。
【００６０】
この例によれば、図１１に示すように、基準光搬送波（ａ）に対して、位相変調器９０で、Δφ０〜Δφｃ（radian）の位相変調した多値位相変調信号光（ｂ）が生成され、その多値位相変調信号光を強度変調器９２で多値強度変調して光ファイバ１０４に送出する。
【００６１】
上記したように、好ましい実施例によれば、光搬送波とヘテロダイン受信機（図４）における局部発信器２０１の周波数差を中間周波増幅器２０３の周波数帯域外に設定する（実施例１）、又はヘテロダイン受信機における局部発信器２０１の応答速度よりレーザドライバ５９の動作速度を速くするように位相を制御する（実施例２）ことにより、多値強度変調による暗号化に対する安全性の強化を図ることができる。而して、ヘテロダイン受信機を用いた場合においても、正しい復号化を成立（暗号の盗聴）させなくすることができる。
【００６２】
[実施例３]
図１２は、実施例１の送信装置におけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵２の発生手段に代えて雑音源を用いた例である。
すなわち、図７の送信装置において、暗号鍵２、擬似乱数発生部７２の出力であるＲｕｎｉｎｇ鍵２に代えて、物理的雑音源７４と、その雑音を増幅する雑音増幅部７５を設け、雑音増幅部７５で増幅された雑音を周波数変調器７０に与える。物理的雑音源７４は、電圧や熱による環境により規則性が保たれることがなく、この物理的雑音源７４と雑音増幅部７５を用いることで、安全性が強化された送信装置を構成することができる。
【００６３】
[実施例４]
図１３は、実施例２の送信装置におけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵２の発生手段に代えて雑音源を用いた例である。
すなわち、図９の送信装置において、暗号鍵２、擬似乱数発生部７２の出力であるＲｕｎｉｎｇ鍵２に代えて、物理的雑音源７４と、その雑音を増幅する雑音増幅部７５を設け、雑音増幅部７５で増幅された雑音を位相変調器９０に与える。物理的雑音源７４は、電圧や熱による環境により規則性が保たれることがなく、この物理的雑音源７４と雑音増幅部７５を用いることで、安全性が強化された送信装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】Ｙｕｅｎ量子暗号送受信機のシステム構成の概略を示す図。
【図２】正規受信者と盗聴者のデータと閾値の関係を示す図。
【図３】受信機における直接検波方式とヘテロダイン方式の信号レベルの比較を示す図。
【図４】一般的なヘテロダイン受信機の構成を示す図。
【図５】一実施例による送信装置の構成を示す図。
【図６】一実施例における光搬送波の波形を示す図。
【図７】一実施例（実施例１）による送信装置の構成を示す図。
【図８】一実施例におけるＬＤ動作速度および局部発信器への応答速度を示す図。
【図９】一実施例（実施例２）による送信装置の構成を示す図。
【図１０】実施例１における光搬送波の光周波数特性を示す図。
【図１１】実施例２における光搬送波の位相特性を示す図。
【図１２】実施例３による送信装置の構成を示す図。
【図１３】実施例４による送信装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００６５】
５００：周波数又は位相変調機構  ５１１：多値変調電気信号発生部  ５１２：擬似乱数発生部  ５１３：暗号鍵  １０４：光ファイバ  ５２：強度変調器  
７０：周波数変調器  ７０２：ＬＤ  Ｄｒｉｖｅｒ  ７０３：ＬＤ  ７０４：カプラ  ７２：擬似乱数発生器２、  ７３：暗号鍵２  ７１３：暗号鍵１  ７１２：擬似乱数発生部１  ７１１：多値変調電気信号発生部  ５２：強度変調器  １０４：光ファイバ  ９０：位相変調器  ７４：物理的雑音源  ７５：雑音増幅部。
【図１】
2010114662.tif 000010
【図２】
2010114662.tif 000011
【図３】
2010114662.tif 000012
【図４】
2010114662.tif 000013
【図５】
2010114662.tif 000014
【図６】
2010114662.tif 000015
【図７】
2010114662.tif 000016
【図８】
2010114662.tif 000017
【図９】
2010114662.tif 000018
【図１０】
2010114662.tif 000019
【図１１】
2010114662.tif 000020
【図１２】
2010114662.tif 000021
【図１３】
2010114662.tif 000022