(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＺ型クロック信号光を入力するマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１と、
このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する光分波手段ＳＰ−１と、
この光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調駆動用のクロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の位相変調手段へと導く光導波路と、
この光導波路に設けられ、前記光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１とを備え、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、
前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、
この光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、
この２つの干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、
前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１とから構成され、
高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をＰＬＣで構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を光半導体で構成して、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をフォトニック結晶導波路で構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作し、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
【請求項２】
請求項１記載の高速カオス光信号生成光回路において、
さらに、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を備え、
前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を光半導体で構成し、高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１をＰＬＣで構成し、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１をフォトニック結晶導波路で構成し、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作することを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
【請求項３】
高速カオス光信号生成光回路において出力信号光を生成するための高速カオス光信号生成方法であって、
ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力し、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を２系統に分波し、
この２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与し、
遅延が付与された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調駆動用のクロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力することにより、前記光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力され前記２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に位相差を生じさせ、
高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をＰＬＣで構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を光半導体で構成して、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をフォトニック結晶導波路で構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作し、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。
【請求項４】
請求項３記載の高速カオス光信号生成方法において、
前記位相変調駆動用のクロック信号光として用いられるＲＺ型クロック信号光は、前記出力信号光と同一の光出力ポートから出力されたＲＺ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。
【請求項５】
請求項３記載の高速カオス光信号生成方法において、
前記位相変調駆動用のクロック信号光として用いられるＲＺ型クロック信号光は、前記出力信号光と異なる光出力ポートから出力されたＲＺ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、乱数を生成する方法としては、大まかに言って３つの方法が提案されている。第１の乱数生成方法は、乱数発生プログラムに基づき計算により乱数を生成するものである。第２の乱数生成方法は、電子回路に内在する物理的な雑音を基に乱数を生成するものである。
【０００３】
第３の乱数生成方法は、（１）カオス・レーザー（非特許文献１参照）や、（２）レーザー光をＥ／Ｏ（Electrical/Optical）変調器を用いて一定時間前の出力パワーに応じて強度変調するＯ／Ｅ（Optical/Electrical）変換遅延フィードバック電気回路を持つ光カオス信号源（特許文献１参照）や、（３）熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置（特許文献２参照）などからの出力カオス信号を基に乱数を生成するものである。
【０００４】
上記の第１、第２の乱数生成方法には、実用の電子デバイスの動作周波数（非特許文献２参照）に基づく生成速度限界があり、１０Ｇｂ／ｓを超える高速信号生成には十分に対応することができない状況にある。
【０００５】
非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成においては、格段に高速な乱数生成が可能であるとの報告があるが、カオス・レーザーシステムの複雑さのために再現性を確保することが難しく、また、光ファイバ部等を含むシステム構成で有るためにシステム全体を集積化、小型化することも難しい。
【０００６】
加えて、カオス・レーザーによって生成される乱数は、光共振器を用いることに起因した周期性や従来よく知られたカオス生成メカニズムに基づき生成された信号であるため、出力信号光にカオス性が認められるものの、乱雑性の上では不完全さがあり、熱雑音等と同様な「ランダムな」信号となっている訳ではない。
【０００７】
このため、非特許文献１の例では、まず２系統のカオス的出力光信号を用意し、この２系統のカオス的出力光信号に対して１ビットＡＤ変換を施した後にＸＯＲ論理演算処理を施す、という論理演算等の後処理で信号の乱雑性を高めることが必要とされる。このため、後処理の論理演算部を含む複雑で大きなシステムとなることが避けられない。
【０００８】
特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成においても、光ファイバ部や高周波電気増幅器等を含むシステム構成が必要なために、システム全体を集積化することが難しい。
特許文献２に開示された光カオス乱数発生装置においては、熱光学効果に基づく制御速度（数ｍｓ）に基づく乱数生成速度の限界があり、加えて温度制御部、デジタルデータ処理部、記憶装置等々から構成されるため、装置全体を集積化することが難しいといった課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２９６０４０６号公報
【特許文献２】特許第３３９６８８３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A.Uchida，et al.，“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”，Nature Photonics，vol.2，p.728-732，2008
【非特許文献２】「Ｔビット／秒に入るスイッチ光技術の取り組み」，日経エレクトロニクス，No.719，p.107-113，1998.6.29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、第１、第２の乱数生成方法では、１０Ｇｂ／ｓを超える高速信号生成に対応することができないという問題点があった。
非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しく、信号の乱雑性を高めるためにシステムが複雑になるという問題点があった。
【００１２】
特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しいという問題点があった。
特許文献２に開示された光カオス乱数発生装置では、高速信号生成に対応することが難しく、加えてシステム全体を集積化することが難しいという問題点があった。
【００１３】
本発明の目的は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法において、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした超高速の光乱数生成要求にも対応することができる、乱雑性の高い乱数を生成可能な高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の高速カオス光信号生成光回路は、ＲＺ型クロック信号光を入力するマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１と、このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する光分波手段ＳＰ−１と、この光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調駆動用のクロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の位相変調手段へと導く光導波路と、この光導波路に設けられ、前記光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１とを備え、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、この光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、この２つの干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１とから構成され、高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をＰＬＣで構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を光半導体で構成して、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をフォトニック結晶導波路で構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作し、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例は、さらに、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を備え、前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を光半導体で構成し、高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１をＰＬＣで構成し、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１をフォトニック結晶導波路で構成し、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明は、高速カオス光信号生成光回路において出力信号光を生成するための高速カオス光信号生成方法であって、ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力し、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を２系統に分波し、この２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与し、遅延が付与された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調駆動用のクロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力することにより、前記光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力され前記２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に位相差を生じさせ、高速カオス光信号生成光回路全体を光半導体で集積化して製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をＰＬＣで構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を光半導体で構成して、高速カオス光信号生成光回路全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作するか、あるいは前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を除く部分をフォトニック結晶導波路で構成し、前記位相変調手段Ｒ１，Ｌ１として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、高速カオス光信号生成光回路全体を集積化して製作し、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の１構成例において、前記位相変調駆動用のクロック信号光として用いられるＲＺ型クロック信号光は、前記出力信号光と同一の光出力ポートから出力されたＲＺ型クロック信号光である。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の１構成例において、前記位相変調駆動用のクロック信号光として用いられるＲＺ型クロック信号光は、前記出力信号光と異なる光出力ポートから出力されたＲＺ型クロック信号光である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力し、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を２系統に分波し、この２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与し、遅延が付与された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調駆動用のクロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力することにより、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に位相差を生じさせるので、基本的にはカオス力学に基づき工学的に応用・実現可能な低次元カオス系を応用しつつ、カオス力学に従う系からの出力信号を応用する方式で問題となる連続する時系列の隣合う信号間の規則性を抑えてより乱雑性の高い出力信号を得ることができ、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした１０Ｇｂ／ｓを超える超高速の光乱数生成要求にも対応することができる乱雑性の高い乱数を生成可能となる。本発明では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった１０Ｇｂ／ｓを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本発明では、カオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、カオス・レーザーによる乱数生成方法や光カオス信号源による乱数生成方法のように、単独では信号の乱雑性が不十分であるために、後段の論理処理回路や論理処理システムを必要とし、システム全体が大きくなってしまうという問題点を解消することができる。また、本発明では、熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。また、本発明では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるクロック信号光の光パワー変化の模式図である。
【図３】光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における光出力ポートから出力されるクロック光パルスの規格化光出力強度の例を示す図である。
【図５】通常のカオスダイナミクスに従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る高速カオス光信号生成方法に従う光信号の時系列の力学的履歴関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る高速カオス光信号生成方法に従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の後述する光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたＲＺ（Return to Zero）型クロック信号光を２系統に分波する光分波部ＳＰ−１と、光分波部ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延部Ｄ−Ｔ−１と、光遅延部Ｄ−Ｔ−１から出力された２系統のＲＺ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の後述する位相変調部Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、位相変調部Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１とから構成される。
【００２１】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のＲＺ型のクロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、この２つの干渉アームの端部に設けられた２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、光分波部ＳＰ−１で分波された２つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アーム内の後述する位相変調部Ｒ１，Ｌ１へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部Ｒ１，Ｌ１とから構成される。
【００２２】
図１における１００は一端が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に接続され他端が位相変調部Ｌ１の入力に接続された光導波路、１０１は一端が光導波路１００に近接して配置され他端が位相変調部Ｒ１の入力に接続された光導波路、１０２は一端が位相変調部Ｌ１の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒに接続された光導波路、１０３は一端が位相変調部Ｒ１の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され、一部が光導波路１０２と近接して配置された光導波路である。
【００２３】
光導波路１００，１０２がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の一方の干渉アームを構成し、光導波路１０１，１０３がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の他方の干渉アームを構成している。光導波路１００と光導波路１０１との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路１００に入力された光信号は光導波路１０１にも入力される。光導波路１０２と光導波路１０３との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。
【００２４】
また、１０４は一端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され他端が光分波部ＳＰ−１の入力に接続された光導波路、１０５は一端が光分波部ＳＰ−１の第１の出力に接続され他端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の入力に接続された光導波路、１０６は一端が光分波部ＳＰ−１の第２の出力に接続され他端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の入力に接続された光導波路、１０７は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の入力に接続された光導波路、１０８は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１に接続された光導波路、１０９は一端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｌ１に接続された光導波路である。
【００２５】
光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光の光パワー変化を図２に示す。このように、図示しないクロック信号光源から光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のＲＺ型の信号光である。
【００２６】
ここで、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分を低損失な半導体導波路で構成し、位相変調部として半導体光増幅器（ＳＯＡ）若しくは量子ドット型ＳＯＡ（ＱＤ−ＳＯＡ）を用いるか、或いは位相変調部として半導体ＥＡ（Electro-absorption）変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。
【００２７】
また、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分をＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）で構成し、位相変調部としてＳＯＡ若しくはＱＤ−ＳＯＡを用いるか、或いは位相変調部として半導体ＥＡ変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作してもよい。このような光回路は、文献「T.Ito，et al.，“Bit-rate and format conversion from 10-Gbit/s WDM channels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”，IEE Proc.-Optoelectron.，Vol.151，No.1，p.41-45，February 2004」に開示されている。
【００２８】
また、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分にフォトニック結晶導波路を用い、位相変調部として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、全体を一体集積化して製作してもよい。このような光回路は、文献「H.Nakamura，Y.Sugimoto，K.Kanamoto，N.Ikeda，Y.Tanaka，Y.Nakamura，S.Ohkouchi，Y.Watanabe，K.Inoue，H.Ishikawa and K.Asakawa，“Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonic networks”，Optics Express，vol.12，no.26，p.6606-6614，2004」に開示されている。
【００２９】
標準的なマッハツェンダー干渉型光強度変調部においては、干渉器を構成する２つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差が生じない状態が変調駆動が行われていない状態であり、このとき入力側の干渉アームに対して異なる側の干渉アームの光出力ポートから光信号が１００％出力される。また、２つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差がπとなる状態においては、光入力ポートと同じ側の干渉アームの光出力ポートから光信号が１００％出力される。
【００３０】
したがって、図１に示した高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１から位相変調部Ｒ１，Ｌ１へと入力される。
【００３１】
図３（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｂ）は位相変調部Ｒ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｃ）は位相変調部Ｌ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図３（Ｂ）に示すように、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ０から時系列的にある一定の遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、図３（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力される。
【００３２】
遅延ステップ時間Ｔ−１は、光遅延部Ｄ−Ｔ−１によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック信号光は、光分波部ＳＰ−１により２つに分波され光遅延部Ｄ−Ｔ−１によって遅延ステップ時間Ｔ−１に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートＰ−Ｒ１に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により更に遅延が付与された後に光入力ポートＰ−Ｌ１に入力される。
【００３３】
位相変調部Ｒ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐＭ２が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ１から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ２の位相を変調する。
一方、位相変調部Ｌ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐＭ２が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ１から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。
【００３４】
結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ２の光出力強度が変調されることとなる。
【００３５】
同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ１から遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、クロック光パルスｐＭ３と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ４との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ１に入力される。
【００３６】
位相変調部Ｒ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐＭ３が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。
位相変調部Ｌ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐＭ３が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ４の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ３の光出力強度が変調されることとなる。
【００３７】
以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ）（Ｎｓは１以上の整数）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｒ１に入力され、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｌ１に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスｐＭ２，ｐＭ３，ｐＭ４，・・・・の変調が連続して行われる。
【００３８】
図４はマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの光強度を規格化した規格化光出力強度を示す図であり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が１．８２６１πである場合を示している。ただし、図４は光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、即ちＴ−１＝０の場合を示している。
【００３９】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスがこのパルスよりも時間軸上で後ろに位置するクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部Ｒ１，Ｌ１を設定することにより、例えば図４に示した場合のように光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。
【００４０】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる理由は、クロック光パルスの全光強度から、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される同じクロック光パルスの光強度を引いた残りの光強度のクロック光パルスが光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるからである。
【００４１】
上記の光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、即ちＴ−１＝０の場合、時間ステップｉのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップｉ−１のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。
【００４２】
しかしながら、光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓまたはＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、一般的にカオス的な振る舞いをする力学系に従っている系は長期的には予測不能で乱雑な振る舞いをするが、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度には、例えば図５のリターンマップで示されるような明確な関係性・相関があり、ある時間ステップの光強度から次の時間ステップの光強度を予測することが容易となってしまうため、即ち、短期的にみて乱雑な振る舞いとなっていないためである。図５の例では、時間ステップｉでの規格化光出力強度と次の時間ステップｉ＋１での規格化光出力強度との間に相関性があることが示されている。
【００４３】
このような事情から、非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法においては、２つのカオスレーザーから２つのカオス的出力光信号を得た後に、この２つの独立したカオス的出力光信号に対して論理的な演算処理を施すことにより、短期的にみても乱雑性の高い乱数列を得るようにしている。
【００４４】
これに対して、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路においては、出力クロック信号光が時系列で短期的にみて乱雑でないという問題を、複数のカオス光源を用意することなく、かつ付加的な論理演算処理を施すことなく実現している。即ち、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間（クロック光パルスの周期）以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けることにより問題を解決する。ここで、遅延ステップ時間Ｔ−１は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間である。
【００４５】
遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けた場合、出力クロック信号光のパルス列は、ｐ（ｉ），ｐ（ｉ＋１），ｐ（ｉ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、ｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋２Ｎｓ），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋３Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したＮｓ個のカオス状態のパルス列が図６のように組み合わされたものとなる。なお、Ｎｓは、遅延ステップ時間Ｔ−１中のクロック光パルスの数であり、１以上の整数値である。
【００４６】
このようなパルスの組み合わせにより、現実世界では僅かな揺らぎによる初期値の差が物理的に避けがたいがために上記Ｎｓ個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることとなり、加えてＮｓ個のカオス状態のパルス列と別のＮｓ個のカオス状態のパルス列との間の関係性も予測不能となる。したがって、本実施の形態では、Ｔ−１＝０の場合に時系列上で隣接する任意の時間ステップｉのパルスの光強度と時間ステップｉ＋１のパルスの光強度との間に見られた明確な関係性・規則性を、図７に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。
【００４７】
本実施の形態では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった１０Ｇｂ／ｓを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化とを実現することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法や特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成方法のように、単独では信号の乱雑性が不十分であるために、後段の論理処理回路や論理処理システムを必要とし、システム全体が大きくなってしまうという問題点を解消することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。
【００５０】
また、本実施の形態では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続しているが、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から得るようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
ＭＺ−１…マッハツェンダー干渉型光強度変調部、ＳＰ−１…光分波部、Ｄ−Ｔ−１…光遅延部、Ｄ−Ｄ−１…光伝搬遅延差付与部、Ｐ−ＭＺ−１−１，Ｐ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１…光入力ポート、Ｒ１，Ｌ１…位相変調部、Ｐ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒ…光出力ポート、１００〜１２９…光導波路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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