(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムにおける光通信装置であって、
複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を出力する光合波手段と、
前記合波光信号を時間的に分離する光干渉手段と、
前記光干渉手段からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を出力する光分波手段と、
前記光合波手段の入力側の前記複数波長の光信号あるいは前記光分波手段の出力側の前記複数波長の分波光信号のいずれか一方を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、
前記複数の位相変調手段による変調量を波長に応じて個別に制御する位相変調制御手段と、
を有することを特徴とする光通信装置。
【請求項２】
前記位相変調制御手段は、前記光干渉手段の遅延量の波長依存性を補償するように前記変調量を制御することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項３】
前記位相変調制御手段は、乱数に基づいて生成された変調信号に前記変調量を加えて前記複数の位相変調手段へそれぞれ出力することを特徴とする請求項１または２に記載の光通信装置。
【請求項４】
前記複数の位相変調手段の各々は第１位相変調器と第２位相変調器とを有し、
前記位相変調制御手段は、乱数に基づいて生成された変調信号を前記第１位相変調器へ出力し、前記変調量を前記第２位相変調器へ出力することを特徴とする請求項１または２に記載の光通信装置。
【請求項５】
前記光通信システムにおいて伝送される光信号は、パルスあたりの光子数が１個以下の光強度であることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光通信装置。
【請求項６】
光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムにおける光通信方法であって、
光合波手段が複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を生成し、
光干渉計が前記合波光信号を時間的に分離し、
光分波手段が前記光干渉計からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を生成し、
前記複数波長の分波光信号または前記複数波長の光信号を、波長ごとに、波長に応じて個別に制御された変調量でそれぞれ位相変調する、
ことを特徴とする光通信方法。
【請求項７】
前記光干渉計の遅延量の波長依存性を前記変調量で補償することを特徴とする請求項６に記載の光通信方法。
【請求項８】
乱数に基づいて生成された変調信号に前記変調量を加えて位相変調することを特徴とする請求項６または７に記載の光通信方法。
【請求項９】
乱数に基づいて生成された変調信号により前記複数波長の分波光信号または前記複数波長の光信号を波長ごとに位相変調し、さらに前記変調量により位相変調することを特徴とする請求項６または７に記載の光通信方法。
【請求項１０】
前記光通信システムの送信側通信装置および受信側通信装置がそれぞれ送信側光干渉計および受信側光干渉計を有し、前記送信側光干渉計と前記受信側光干渉計との遅延量の差を前記変調量で補償することを特徴とする請求項６または７に記載の光通信方法。
【請求項１１】
前記光通信システムが送信側通信装置および受信側通信装置を有し、前記光干渉計が前記受信側通信装置に設けられ、前記送信側通信装置において前記光干渉計の遅延量の波長依存性を前記変調量で補償することを特徴とする請求項６または７に記載の光通信方法。
【請求項１２】
前記光通信システムにおいて伝送される光信号は、パルスあたりの光子数が１個以下の光強度であることを特徴とする請求項６−１１のいずれか１項に記載の光通信方法。
【請求項１３】
送信側通信装置と受信側通信装置とを有し、光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムにおいて、
前記送信側通信装置は、複数波長の光信号を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、位相変調された複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を前記受信側通信装置へ送信する光合波手段と、を少なくとも有し、
前記受信側通信装置は、受信光信号を時間的に分離する受信側光干渉手段と、前記受信側光干渉手段からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を出力する受信側光分波手段と、を少なくとも有し、
前記送信側通信装置は、前記複数の位相変調手段による変調量を波長に応じて個別に制御する位相変調制御手段を更に有することを特徴とする光通信システム。
【請求項１４】
前記受信側光干渉手段の遅延量の波長依存性を前記変調量で補償することを特徴とする請求項１３に記載の光通信システム。
【請求項１５】
前記送信側通信装置は、送信合波光信号を時間的に分離する送信側光干渉手段と、前記送信側光干渉手段の出力を分波して前記複数波長の光信号を出力する送信側光分波手段と、を更に有し、
前記位相変調制御手段は、前記送信側光干渉手段と前記受信側光干渉計との遅延量の差を前記変調量で補償することを特徴とする請求項１３または１４に記載の光通信システム。
【請求項１６】
前記送信側通信装置から前記受信側通信装置へ伝送される前記複数波長の光信号の各々は、パルスあたりの光子数が１個以下の光強度であることを特徴とする請求項１３−１５のいずれか１項に記載の光通信システム。
【請求項１７】
光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムの光通信装置におけるプログラム制御プロセッサを位相変調制御装置として機能させるプログラムであって、
光合波手段が複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を生成し、
光干渉計が前記合波光信号を時間的に分離し、
光分波手段が前記光干渉計からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を生成し、
前記複数波長の分波光信号または前記複数波長の光信号を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段の変調量を波長に応じて個別に制御する、
ように前記プログラム制御プロセッサを機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項１８】
前記光干渉計の遅延量の波長依存性を前記変調量で補償することを特徴とする請求項１７に記載のプログラム。
【請求項１９】
前記光通信システムの送信側通信装置および受信側通信装置がそれぞれ送信側光干渉計および受信側光干渉計を有し、前記送信側光干渉計と前記受信側光干渉計との遅延量の差を前記変調量で補償することを特徴とする請求項１７または１８に記載のプログラム。
【請求項２０】
前記光通信システムが送信側通信装置および受信側通信装置を有し、前記光干渉計が前記受信側通信装置に設けられ、前記送信側通信装置において前記光干渉計の遅延量の波長依存性を前記変調量で補償することを特徴とする請求項１７または１８に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光信号の位相情報を利用して通信を行う光通信システムに係り、特に複数波長の信号を伝送する光通信システムおよび方法、光通信装置並びにその位相変調制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットトラフィックの急激な成長が継続している現状において、伝送帯域を向上させることは最重点課題の一つである。このことは、基幹系光ネットワークにおいても例外ではなく、伝送路や中継器を増設することなく既存のインフラを利用して伝送容量を拡大するために、様々な研究機関が１搬送波当たりの信号速度の高速化に取り組み、実際の商用伝送システムでも信号速度は高速化し続けている。【０００３】
一般的な光通信技術では主として２値振幅変調 (ＡＳＫ:Amplitude Shift Keying)が使用されているので、１搬送波当たりの信号速度を向上させるためには１ビット当たりのタイムスロットを短くすることによるアプローチが主流であった。しかしながら、１搬送波当たりの信号速度が１０Ｇｂ／ｓを超えだした頃からＡＳＫのみでの高速化の困難性が顕著になりつつある。この原因の一つとして、光伝送路特有の波長分散による波形劣化が挙げられる。波長分散とは、信号光波長によって伝送路で生じる伝播遅延時間が異なる現象を意味する。信号光スペクトルは特定の波長範囲を有しているので、同一信号光内の短波長成分と長波長成分とが伝送中に異なる波長分散値を蓄積し、伝送後にはこの蓄積分散によって伝播遅延差、つまり波形歪みが生じる。ＡＳＫ信号で比較した場合、信号光スペクトルは変調速度に比例するので、信号速度が速くなるに比例して波長分散による波形歪みが大きくなる。一方、信号速度が速くなるに比例して１タイムスロットが短くなるので、同一量の波形歪み(伝播遅延差)を受けた場合でも、高速信号である程この影響を大きく受ける。このことにより伝送特性は信号速度の２乗に比例して劣化する。【０００４】
このようにＡＳＫのみでの高速化が困難になってきた結果、高速化の為の別のアプローチとして、１タイムスロットで表す状態を多値化することにより伝送帯域を向上させる技術も注目を集めている（非特許文献１，２および３参照）。非特許文献１は光の位相を４値変調することで伝送帯域を向上させ、非特許文献２および３は光の強度および位相の両方を変調する方式（ＡＰＳＫ:Amplitude Phase Shift Keying)によって１シンボル（１搬送波および１タイムスロットでの）でより多くのディジタルビット数を表現している。ただし、光信号をフォトダイオード(PD)等の光電変換モジュールで直接検波するだけでは位相情報が抽出できないので、光信号の位相を変調する場合には、受信側で参照光と信号光とを干渉させ干渉後の光強度を読み取る等の検出方法を採る必要がある。【０００５】
図１１は、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(ＤＰＳ：Differential Phase Shift)方式の復号方式の一例を示す模式図である。受信側に１ビット遅延干渉計を設け、前後１ビットの光信号を干渉させることによって載せられた位相情報を取り出す。前後の位相差が０ならポート０に、位相差がπならポート１に、それぞれ干渉後の光信号が出力される。この例では、１ビット遅延干渉計としてマッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計を用いたが、マイケルソン（Michelson）干渉計を利用することも可能である。なお、１ビット遅延干渉計には、後述するように温度調整手段としての熱電冷却器（ＴＥＣ：Thermo-Electric Cooler)が設けられている。【０００６】
光信号の位相変調を利用する通信システムとして、量子暗号鍵配付技術(ＱＫＤ:Quantum Key Distribution)も挙げることができる。ＱＫＤでは、一般に通信媒体として光子を使用し、その量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るものの、ハイゼンベルク（Heisenberg）の不確定性原理により１度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となるので、このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。この変化を検出することにより受信者は伝送路における盗聴者を検出することができる。【０００７】
量子暗号鍵配付方法では、送信者と受信者(以下、ＡｌｉｃｅとＢｏｂと称する。）で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅとＢｏｂでそれぞれランダムに位相変調を施し、この変調位相の深さの差によってＢｏｂ側で０あるいは１の出力を得ることができる。その後、ＡｌｉｃｅとＢｏｂの間で、出力データを測定したときの条件の一部分を照合することにより、最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で同一ビット列を共有することができる。以下、図１２を参照してより詳細に説明する。【０００８】
図１２は量子暗号鍵配付に使用される光干渉計の一例を示すシステム構成図である。ここでは、送信側通信機であるＡｌｉｃｅ２１が光伝送路２２を通して受信側通信機であるＢｏｂ２３に接続されているものとする。本例は、一方向型の光干渉計であり、Ａｌｉｃｅ２１とＢｏｂ２３の双方に１ビット遅延干渉計２１３および２３２が設けられている。この理由は、上述した差動位相シフトＤＰＳの様に隣接ビット間に情報を載せると、盗聴者（以下、Ｅｖｅという。）がローカルオシレータを準備することにより暗号鍵配付の安全性劣化が懸念される為である。なお、１ビット遅延干渉計２１３および２３２には、それぞれ温度調整器２１２および２３３が設けられている。【０００９】
Ａｌｉｃｅ２１では、パルス光源２１１によって発生した光パルス列(ΔＴ間隔)を、１ビット遅延干渉計２１３を用いて遅延量Δtの２連パルス列へと変換し、位相変調器２１４によって各々のパルス対の間にφAの位相差を与える様に変調を施す。後述するＢＢ８４プロトコルと呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配付アルゴリズムでは、φAは０、π、π／２、３π／２の４値をとり、各パルス対に対してこの４値をランダムに割り当てる。このために、Ａｌｉｃｅ２１には、２系統の乱数源２１５および２１６と、これらの乱数を足し合わせるデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ：Digital-to-Analog Converter)２１７と、を設ける。【００１０】
Ｂｏｂ２３では、Ａｌｉｃｅ２１より送られてきた光信号に対し、位相変調器２３１によって再びパルス対の間にφBの位相差を与える様に変調を施す。そして遅延量Δtの１ビット遅延干渉計２３２を用いてパルス対を干渉させ、干渉結果を光子検出器２３４および２３５で読み取る。Ｂｏｂ側の位相変調は０、π／２の２値で行い、この為の乱数源２３６を保有する。現状では、光子検出器の動作速度制限から、システムの繰り返し周波数（１／ΔＴ）は１ＧＨｚ程度までの高速化が実現されているものの、この動作速度に対応する１ビット遅延干渉計の遅延量は〜５００ｐｓ(〜１０ｃｍ) と非常に長く、安定した特性を得るためには干渉計の温度制御を０．０１Ｋ単位で行う必要がある。【００１１】
図１３は非特許文献４に開示されているＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。ここでは、送信側のＡｌｉｃｅ２１と受信側のＢｏｂ２３とが光伝送路２２で接続され、量子暗号通信を行うものとする。この方法では４通りの量子状態を利用し、Ａｌｉｃｅ２１が乱数源を２つ持ち、一方の乱数１で０あるいは１の暗号鍵データを表し、もう一方の乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。【００１２】
具体的には、コヒーレントな２パルス間の位相差を利用して４状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法において、位相０が暗号鍵“０”、位相πが暗号鍵“１”の組を表すコーディングセット（以下、「Ｘ基底」と称する。)と、位相π／２が暗号鍵“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセット（以下、「Ｙ基底」と称する。）と、の２組の基底を乱数２で選択する。つまり１つの光子に対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに施してＢｏｂ２３へ送信する。【００１３】
一方、Ｂｏｂ２３では基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、Ａｌｉｃｅ２１より送られてきた光子に対してデコードを行う。乱数３の値が“０”である場合、光子に対して位相０（Ｘ基底）の変調を、“１”である時には位相π／２（Ｙ基底）の変調を施す。ここで光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。【００１４】
Ａｌｉｃｅ２１とＢｏｂ２３の両者が施した変調の基底が同一である場合（乱数２＝乱数３）には、乱数１の値をＢｏｂ２３は正しく検出することができ（乱数１＝乱数４）、異なる場合（乱数２≠乱数３）には乱数１の値に依らずＢｏｂ２３は乱数４として０／１の値をランダムに得る。【００１５】
乱数１／２／３は共に１ビット毎に変化する乱数である為、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となる。ただし、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除する為、Ａｌｉｃｅ２１とＢｏｂ２３は乱数１に対応する０／１ビット列を共有することができる。なお、量子暗号鍵配付では、基底不一致ビットを削除する前の乱数データを「生鍵」、基底不一致ビットを削除した後の乱数データを「選別鍵」と呼ぶ。【００１６】
図１４は非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。図１４に示す方式では２値の位相状態と２値の時間状態とを使用する。【００１７】
まずＡｌｉｃｅ３１で４入力２出力の２×４干渉計を利用し、４つの入力ポート各々に光源ＬＤ１〜ＬＤ４からの光パルスを入力する。光源ＬＤ１から光パルスを入力した場合、光パルスは干渉計の長経路のみを通る為、時間的に遅れた１パルスのみが伝送路に送出され、光源ＬＤ４から光パルスを入力した場合には、光パルスは干渉計の短経路のみを通る為に時間的に進んだ１パルスのみが伝送路に送出される。光源ＬＤ２およびＬＤ３から光パルスを入力した場合は、２×４干渉計の両経路の位相差によって、Ｘ基底あるいはＹ基底を生成できる。Ｂｏｂ３２では、２入力４出力の２×４干渉計を利用して各基底のデコードを行い４個の光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４により検出される。【００１８】
以下、光源ＬＤ１およびＬＤ４を使用した場合の様に、２連パルスの片側のみ光子が存在するようなコーディングセットを「Ｚ基底(Z basis)」と呼ぶこととする。なお、Ｘ基底あるいはＹ基底を選択時の２連パルスの光強度の総和は、Ｚ基底選択時と等しい必要がある為、個々のパルスの強度は半分となる。【００１９】
すなわち、Ａｌｉｃｅ側は光源ＬＤ１−ＬＤ４のうちのどの光源から光パルスを発生させるかを選択し、Ｂｏｂ側は光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４のいずれかで光子を検出することによりビットおよび基底を同時に判定することができる。本方式では、Ｂｏｂ側に変調器を必要としない為、暗号鍵生成の高速化が実現できる。【００２０】
図１５は非特許文献６に開示されたＤＰＳ方式を利用した量子暗号鍵配付システムの概略的ブロック図である。このシステムのＡｌｉｃｅ４１には、パルス源４１１、位相変調器４１２および乱数源４１３が設けられているが、干渉計がない。Ｂｏｂ４３には、位相変調器４３１、１ビット遅延干渉計４３２、温度調整器４３３、光子検出器４３４および４３５が設けられている。Ａｌｉｃｅ４１の位相変調器４１２により、隣接ビットの位相差にランダムに位相変調（０、πの２値位相変調）が施される。【００２１】
ところで、光通信の高速化には、上述したような繰り返し周波数の向上以外に、複数信号をパラレルに伝送する方式も考えられる。特に、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術を利用することによって、Ａｌｉｃｅ-Ｂｏｂ間の光伝送ファイバを１本としたままでＱＫＤシステムでの鍵生成速度の向上を図ることができる。【００２２】
複数波長を利用して通信を行う通信システムとしては、たとえば特許文献１に波長多重光ＣＤＭＡシステムが開示されている。ここには、複数の位相変調器を用いて波長毎に異なる位相変調を施す手法が記載されているが、複数のＤＰＳＫ復調器を使用することを前提としており、このＤＰＳＫ復調器は１ビット遅延干渉計として機能している（特許文献１の明細書段落００３５、００４８および図３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特表２００８−５２９４２２号公報
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】R. A. Griffin et al., “10 Gb/s Optical Differential Quadrature Phase Shift Key (DQPSK) Transmission using GaAs/AlGaAs Integration,” OFC2002, PD-FD6
【非特許文献２】S. Hayase et al., “Proposal of 8-state per Symbol (Binary ASK and QPSK) 30-Gbit/s Optical Modulation/Demodulation Scheme,” ECOC2003, Th.2.6.4
【非特許文献３】M. Ohm et al., “Quaternary Optical ASK-DPSK and Receivers With Direct Detection,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 1, p. 159
【非特許文献４】C. H. Bennett and G. Brassard, “QUANTUM CRYPTOGRAPHY: PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING,” IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore,  India, p. 175
【非特許文献５】Y. Nambu et al., “Quantum key distribution systems without optical switching using planar lightwave circuit,” QCMC2006, P2-31
【非特許文献６】K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, “Differential phase shift quantum key distribution,” Physical Review Letters, Vol. 89, 037902
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、量子暗号鍵配付技術のような位相変調を利用した光干渉システムにＷＤＭ技術を適用する場合、特許文献１に記載されているように波長毎に１ビット遅延干渉計を設けることは、たとえば図１６に例示するように装置構成が複雑化しコスト的にも不利である。【００２６】
図１６はＷＤＭ技術を光干渉システムに単純に適用したシステムのブロック図である。図１２に例示した量子暗号システムを、ＷＤＭフィルタを用いて複数波長束ねた構成である。本構成ではＡｌｉｃｅ５１が光伝送路ファイバ５２を通してＢｏｂ５３に接続されているが、Ａｌｉｃｅ５１およびＢｏｂ５３のそれぞれにおいて、波長ごとに１ビット遅延干渉計５１１、５３１と、その温度調整器５１２、５３２とを設ける必要がある。【００２７】
上述したように、システムの繰り返し周波数（１／ΔＴ）が１ＧＨｚ程度までの高速化されていても、この動作速度に対応する１ビット遅延干渉計の遅延量は〜５００ｐｓ(〜１０ｃｍ) と非常に長く、安定した特性を得るためには干渉計の温度制御を０．０１Ｋ単位で行う必要がある。このような１ビット遅延干渉計や０．０１Ｋ単位での温度制御を行うための温度調整器は非常に高額である。したがって、図１６に示すように波長ごとに１ビット遅延干渉計および温度調整器を設ける構成では、システム構成を複雑化するだけでなく、システムコストを大幅に増加させる要因となる。【００２８】
図１７（ａ）は遅延干渉計の動作特性を検証するための実験系を示すブロック図であり、図１７（ｂ）は温度と光強度との関係を示すグラフ、図１７（ｃ）は温度、波長および光強度の関係を示すグラフである。【００２９】
図１７（ａ）において、連続光源(ＣＷ光源)６０１の出力をMach-Zehnder干渉計６０２に通し、出力ポートの片側の光強度を光パワーメータ６０４で測定する。ＣＷ光源６０１の波長をλ０で固定し、干渉計６０２の制御温度を変化させた場合、光パワーメータ６０４で測定した光強度は図１７（ｂ）に示す様に正弦波を描くことになる。これは、干渉計６０２の遅延経路の温度が変化することによって遅延経路の伸縮が生じ、干渉計の両経路を通過する光信号の光路差が変化することで、合波される際に強めあったり(光路差が波長の整数倍)、弱めあったり(光路差が波長の「整数＋１／２」倍) する為である。図１７（ｂ）に示す関係をさらに波長方向に見てみると、図１７（ｃ）に示す様に、モニタ光強度の山および谷がある傾斜を持って変化する。これは干渉計６０２の光路差が波長の整数倍となる遅延量が波長によって異なるためである。【００３０】
さらに、１ビット遅延干渉計の製造誤差も考慮しなければならない。たとえば、遅延量（８００ｐｓ±製造誤差）の２つの１ビット遅延干渉計を考える。遅延量の製造誤差の一般的な仕様値は８００ｐｓ±２％程度であるが、一例として図１８（ａ）に示すように０．５％の誤差がある場合を考える。計算を簡略にするために遅延量８００ｐｓを１６．００ｃｍとし、０．５％の製造誤差がある場合の遅延量８０４ｐｓを１６．０８ｃｍとする。【００３１】
この場合、図１６に示すように、送受信両端に１ビット遅延干渉計５１１および５３１を有する光通信システムでは、１ビット遅延干渉計５１１および５３１の遅延量の差が０若しくはπ(＋波の整数倍)となっている必要がある。特定波長λ０でこの条件を満たす為には、片方の干渉計の遅延量を温度制御すればよいので比較的容易である。【００３２】
しかしながら、λ０で１ビット遅延干渉計５１１および５３１の遅延量の差が０(＋波長の整数倍)になる様に制御温度を設定すると、遅延量の差が「０若しくはπ」となる波長は、図１８（ｂ）に示すように周期的になる。この周期で波長配置を行えば干渉システムにＷＤＭ技術を適用することは可能であるが、遅延量の製造誤差によってこの周期は変化する。したがって、使用する干渉計の特性によって波長配置を変更する必要が生じ、システムの大量生産に適さない。また、波長合分波を行うＷＤＭフィルタも、ＩＴＵグリッド（５０ＧＨｚ間隔や１００ＧＨｚ間隔)に合わせて製造されていることが殆どであるために、これらの市販品を使用できないことも問題となる。【００３３】
そこで、本発明は、干渉計の製造誤差に依存せず、かつ、装置構成を複雑化しないで、任意の波長配置にて波長分割多重技術を光干渉システムに適用可能にする光通信システム、光通信方法および光通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明による光通信装置は、光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムにおける光通信装置であって、複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を出力する光合波手段と、前記合波光信号を時間的に分離する光干渉手段と、前記光干渉手段からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を出力する分波手段と、前記光合波手段の入力側の前記複数波長の光信号あるいは前記光分波手段の出力側の前記複数波長の分波光信号のいずれか一方を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、前記複数の位相変調手段による変調量を波長に応じて個別に制御する位相変調制御手段と、を有することを特徴とする。【００３５】
本発明による光通信方法は光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムにおける光通信方法であって、光合波手段が複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を生成し、光干渉計が前記合波光信号を時間的に分離し、光分波手段が前記光干渉計からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を生成し、前記複数波長の分波光信号または前記複数波長の光信号を、波長ごとに、波長に応じて個別に制御された変調量でそれぞれ位相変調する、ことを特徴とする法。【００３６】
本発明による光通信システムは、送信側通信装置と受信側通信装置とを有し、光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムであって、前記送信側通信装置は、複数波長の光信号を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、位相変調された複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を前記受信側通信装置へ送信する光合波手段と、を少なくとも有し、前記受信側通信装置は、受信光信号を時間的に分離する受信側光干渉手段と、前記受信側光干渉手段からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を出力する受信側光分波手段と、を少なくとも有し、前記送信側通信装置は、前記複数の位相変調手段による変調量を波長に応じて個別に制御する位相変調制御手段を更に有することを特徴とする。【００３７】
本発明によるプログラムは、光信号の位相情報を利用した光干渉システムを含む光通信システムの光通信装置におけるプログラム制御プロセッサを位相変調制御装置として機能させるプログラムであって、光合波手段が複数波長の光信号を合波して１つの合波光信号を生成し、光干渉計が前記合波光信号を時間的に分離し、光分波手段が前記光干渉計からの出力光を分波して前記複数波長の分波光信号を生成し、前記複数波長の分波光信号または前記複数波長の光信号を波長ごとにそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段の変調量を波長に応じて個別に制御する、ように前記プログラム制御プロセッサを機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
上述したように、本発明により、光干渉計の製造誤差に依存せず、かつ、装置構成を複雑化しないで、任意の波長配置にて波長分割多重技術が光干渉システムに適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態による光通信システムの概略的に構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態による光通信システムの概略的に構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施例による光通信システムの概略的に構成を示すブロック図である。
【図４】第１実施例で使用する２つのMach-Zehnder干渉計の遅延量の差を説明するための波長−位相差を示すグラフである。
【図５】（ａ）は第１実施例の位相制御をしない場合の位相変調器の駆動信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は第１実施例の位相制御を実行する場合の位相変調器の駆動信号の波形を示すグラフある。
【図６】本発明の第２実施例による光通信システムの概略的に構成を示すブロック図である。
【図７】（ａ）は第２実施例における乱数による位相変調器の駆動信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は第２実施例におけるオフセット用位相制御を実行する場合の位相変調器の駆動信号の波形を示すグラフある。
【図８】第２実施例における位相変調器の駆動信号の振幅を決定する手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施例による光通信システムの送信装置の概略的構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４実施例による光通信システムの概略的に構成を示すブロック図である。
【図１１】隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフトＤＰＳ復号方式の一例を示す模式図である。
【図１２】量子暗号鍵配付に使用される光干渉計の一例とその機能を説明するためのシステム構成図である。
【図１３】非特許文献４に開示されているＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。
【図１４】非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。
【図１５】非特許文献６に開示されたＤＰＳ方式を利用した量子暗号鍵配付システムの概略的ブロック図である。
【図１６】ＷＤＭ技術を光干渉システムに単純に適用したシステムのブロック図である。
【図１７】（ａ）は遅延干渉計の動作特性を検証するための実験系を示すブロック図であり、（ｂ）は温度と光強度との関係を示すグラフ、（ｃ）は温度、波長および光強度の関係を示すグラフである。
【図１８】（ａ）は遅延量の製造誤差がある２つの１ビット遅延干渉計の模式的構成図、（ｂ）は１ビット遅延干渉計の遅延量の差を説明するための波長−位相差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
１．第１実施形態
図１に示すように、本発明の第１実施形態による光通信システムは、複数の波長λ１〜λｎの光信号を合波／分波する波長分割多重（ＷＤＭ）フィルタ１０１、１０４および１０６を有する。ＷＤＭフィルタ１０１とＷＤＭフィルタ１０４との間の光信号が多重された区間には遅延干渉計１０２が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器１０３が装備されている。遅延干渉計１０２には、一例として、入力した光信号を時間分離するための２入力２出力マッハツェンダ（Mach-Zehnder）非対称干渉計が用いられる。温度調整器１０３には、一例として熱電気冷却器（ＴＥＣ）が用いられる。
【００４１】
ＷＤＭフィルタ１０４と１０６との間の光信号が波長ごとに分波された区間には位相変調器群１０５が設けられ、位相変調器群１０５は複数の波長λ１〜λｎの光信号に対してそれぞれ位相変調を行う位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎを有する。これらの位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎは、位相変調制御部１０７によりそれぞれ波長に依存した位相オフセットθ（λ）が設定される。たとえば、与えられたデータに従った位相変調量φに、後述するように遅延干渉計１０２の波長依存性の遅延量を補償するための位相オフセットθ（λ）を加えた位相変調が実行される。位相オフセットθ（λ）は波長λに依存して予め決定されたオフセット値であり、ここでは波長λ１〜λｎにそれぞれ対応した位相オフセット値θ１〜θｎが位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎにそれぞれ設定される。なお、位相変調φと位相オフセットθとは、１つの位相変調器で実行することもできるし、それぞれ別個の位相変調器で実行することもできる。
【００４２】
このように遅延干渉計１０２の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することで、任意の波長配置の設定が可能となると共に、遅延干渉計１０２とその温度調整器１０３を複数波長の光信号で共用することが可能となる。
【００４３】
図１に示す構成から明らかなように、複数の波長λ１〜λｎの光信号に対して１つの遅延干渉計１０２（およびその温度調整器１０３）だけ装備すればよい。図１６に示す構成と比較すれば明らかなように、本実施形態によれば、光干渉系に波長分割多重を適用しても装置構成を極めて簡略化することができる。さらに、位相オフセット値θ１〜θｎが位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎにそれぞれ設定されることで、遅延干渉計１０２の遅延量の製造誤差も補償することができる。
【００４４】
第１実施形態によれば、光通信システムの送信装置あるいは受信装置を構成可能である。たとえば、ＷＤＭフィルタ１０１の波長ごとのローカルポートに波長λ１〜λｎの光を発光する複数の光源を接続し、ＷＤＭフィルタ１０６の多重ポートに光伝送ファイバを接続することで送信装置が構成され、ＷＤＭフィルタ１０１のローカルポートに波長λ１〜λｎの光を検出する光検出器を接続すれば受信装置が構成される。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、量子暗号鍵配付技術等の位相変調を利用した光干渉システムにＷＤＭ技術を適用する際、Mach-Zehnder干渉計等の１ビット遅延干渉計の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することによって干渉計とその温度調整器を複数波長信号で共用できるので、簡易な構成でシステムを構築できる。その結果、量子暗号鍵配付システムにおいて、伝送路１本当たりの暗号鍵生成速度を向上させることができる。
【００４６】
２．第２実施形態
図２に示すように、本発明の第２実施形態による光通信システムも、第１実施形態と同様に、複数の波長λ１〜λｎの光信号を合波／分波するＷＤＭフィルタ１０１および１０４を有し、ＷＤＭフィルタ１０１と１０４との間に遅延干渉計１０２が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器１０３が装備されている。遅延干渉計１０２および温度調整器１０３には、それぞれ一例として、２入力２出力マッハツェンダ（Mach-Zehnder）非対称干渉計および熱電気冷却器（ＴＥＣ）が用いられるものとする。ただし、上記第１実施形態による光通信システムでは入出力の一方が複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、他方が多重化信号であるのに対して、第２実施形態による光通信システムは、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波された入出力を有する点が異なっている。
【００４７】
ＷＤＭフィルタ１０１の波長ごとのポートには位相変調器群１１０が接続され、位相変調器群１１０は複数の波長λ１〜λｎの光信号に対してそれぞれ位相変調を行う位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎからなる。これらの位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎは位相変調制御部１１１により第１実施形態と同様に位相変調制御される。したがって、第１実施形態と同様に、遅延干渉計１０２の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することで、遅延干渉計１０２とその温度調整器１０３を複数波長の光信号で共用することが可能となり、光干渉系に波長分割多重を適用しても装置構成を極めて簡略化することができる。さらに、位相オフセット値θ１〜θｎが位相変調器ＰＭ１〜ＰＭｎにそれぞれ設定されることで、遅延干渉計１０２の遅延量の製造誤差も補償することができる。
【００４８】
第２実施形態によれば、送信装置と受信装置とを含む光通信システムが構成可能である。たとえば、ＷＤＭフィルタ１０１、位相変調器群１１０および位相変調制御部１１１を送信側／受信側の構成とし、ＷＤＭフィルタ１０４、遅延干渉計１０２および温度調整器１０３を受信側／送信側の構成とすることが可能である。この場合には、ＷＤＭフィルタ１０１と遅延干渉計１０２との間の光伝送路が送信装置と受信装置とを接続する光ファイバである。
【００４９】
また、第１実施形態と同様に、本実施形態によれば、量子暗号鍵配付技術等の位相変調を利用した光干渉システムにＷＤＭ技術を適用する際、Mach-Zehnder干渉計等の１ビット遅延干渉計の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することによって干渉計とその温度調整器を複数波長信号で共用できるので、簡易な構成でシステムを構築できる。その結果、量子暗号鍵配付システムにおいて、伝送路１本当たりの暗号鍵生成速度を向上させることができる。
【００５０】
３．第１実施例
次に、図３〜図５を参照して、本発明の第１実施例による光通信システムを詳細に説明する。本実施例では、多値変調レベルを調整して２連光子パルス間に施す位相差に波長に応じたオフセットを重畳させる。以下、一例として多重する波長数を４個として説明するが、無論この波長数に限定されるものではない。
【００５１】
３．１）構成
図３において、送信装置であるＡｌｉｃｅ１１は、光伝送路１２によってＢｏｂ１３と接続されている。
【００５２】
Ａｌｉｃｅ１１は、４つの波長λ１〜λ４の光パルスをそれぞれ生成するレーザダイオード（ＬＤ）１１０１−１１０４と、光パルスを時間分離して２連光パルスを生成する２入力２出力Mach-Zehnder非対称干渉計（以下、Mach-Zehnder干渉計という。）１１０５と、Mach-Zehnder干渉計１１０５の遅延量の温度制御を行う温度調整器１１０６と、２つに時間分離した２連光パルスに所定の位相差を加える位相変調器１１０７−１１１０と、レーザダイオード１１０１−１１０４を駆動するクロック源１１１１と、乱数源１１１２−１１１９と、波長ごとのオフセット量を保持するオフセット記憶部１１２０と、乱数源１１１２−１１１９とオフセット記憶部１１２０のオフセット量とにより変調信号を生成するデジタル−アナログ変換器ＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter)１１２１−１１２４と、ＷＤＭフィルタ１１２５−１１２７と、を有する。ＤＡＣ１１２１−１１２４の各々は、２つの乱数源からの２つの乱数とオフセット記憶部１１２０からのオフセット値とを入力し、位相変調器１１０７−１１１０へ波長ごとの変調信号をそれぞれ出力し、上述した位相変調φ＋θ（λ）が実行される。
【００５３】
ＷＤＭフィルタ１１２５と１１２６との間の光信号が多重された区間には遅延干渉計であるMach-Zehnder干渉計１１０５が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器１１０６が装備されている。ＷＤＭフィルタ１１２６と１１２７との間の光信号が波長ごとに分波された区間には波長λ１〜λ４の光信号に対してそれぞれ位相変調を行う位相変調器１１０７−１１１０が接続されている。また、乱数源１１１２−１１１９と、オフセット記憶部１１２０と、ＤＡＣ１１２１−１１２４とが図１における位相変調制御部１０７を構成する。なお、Ａｌｉｃｅ１１には、位相変調された２連光パルスをそれぞれ単一光子レベル以下に減衰させる光減衰器が設けられてもよい。
【００５４】
Ｂｏｂ１３は、Ａｌｉｃｅ１１より送られた２連光子パルスに再度位相差を与える位相変調器１３０１−１３０４と、２連光子パルスを合波するMach-Zehnder干渉計１３０５と、Mach-Zehnder干渉計１３０５の遅延量の温度制御を行う温度調整器１３０６と、波長ごとに２つの光子検出器１３０７および１３１１、１３０８および１３１２、１３０９および１３１３、１３１０および１３１４と、ＷＤＭフィルタ１３１５−１３１８とを有する。
【００５５】
ＷＤＭフィルタ１３１６と１３１７／１３１８との間の光信号が多重された区間には遅延干渉計であるMach-Zehnder干渉計１３０５が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器１３０６が装備されている。ＷＤＭフィルタ１３１５と１３１６との間の光信号が波長ごとに分波された区間には波長λ１〜λ４の２連光子パルスに対して位相変調を行う位相変調器１３０１−１３０４が接続されている。なお、光子検出器１３０７−１３１０および１３１１−１３１４は、ここではアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）がゲートモードで使用される。
【００５６】
３．２）動作
Ａｌｉｃｅ１１では、６２５ＭＨｚのクロック源１１１１に同期した波長λ１〜λ４の光パルスがＬＤ１１０１−１１０４により生成される。ここでは波長λ１＝1550.92nm、λ２＝1551.72nm、λ３＝1552.52nm、λ４＝1553.33nmであるとする。波長λ１〜λ４の光パルスはＷＤＭフィルタ１１２５によって合波され、Mach-Zehnder干渉計１１０５によって時間分離された２連光パルスへと変換された後、再びＷＤＭフィルタ１１２６によって分波される。そして、波長λ１〜λ４の２連光パルスの一方の光位相を位相変調器１１０７−１１１０でそれぞれ変調することで、各波長の２連光パルスの相対位相差φＡをランダムに生成し、再びＷＤＭフィルタ１１２７で合波して伝送路１２へと送り出す。ここでの位相変調量φＡに関しては後ほど詳細な説明を行う。
【００５７】
２連光パルスは伝送路１２を通過してＢｏｂ１３に到達し、ＷＤＭフィルタ１３１５によって分波した後、波長λ１〜λ４の２連光パルスの一方の光位相が位相変調器１３０１−１３０４によってそれぞれ変調される。ここでの位相変調は、２連光パルスの相対位相差（φＢ）が０、π／２となるようにランダムに行われる。この２連光パルスをＷＤＭフィルタ１３１６で合波した後、Mach-Zehnder干渉計１３０５を用いて合波させることで、Ａｌｉｃｅ１１とＢｏｂ１３でそれぞれ施した変調位相に従って光子検出器１３０７−１３１０または光子検出器１３１１−１３１４において検出される。
【００５８】
以下、具体的に説明するために、図１８に示した例に従うものとする。すなわち、Mach-Zehnder干渉計１１０５および１３０５は、図１８（ａ）で例示したように、それぞれ８００．００ｐｓと８０４．００ｐｓの遅延量を有するものとする。図４は、図１８（ｂ）のグラフをλ１〜λ４の波長帯で拡大したグラフである。
【００５９】
図４に示すように、２つのMach-Zehnder干渉計１１０５および１３０５の遅延量の差が４ｐｓであるから、波長λ１に対しては１．６５π、波長λ２に対しては１．１１π、波長λ３に対しては０．５８π、波長λ４に対しては０．０５πの位相差が生じることになる。この位相差θ（λ）を事前に測定してオフセット量記憶部１１２０にオフセットとして記憶しておく。なお、オフセット用位相差θ（λ）の測定方法に関しては後述する。そして、各波長に対応するＤＡＣは、２つの乱数と当該オフセットとを入力し、２つの乱数による位相変調φにオフセット分θＡを加えた位相変調信号を位相変調器へ出力する。
【００６０】
図１６に示す構成であれば、波長λ１〜λ４の４つの信号の各々に対して、２つの乱数を参照して得た位相差φとして０、π／２、π、３π／２の４値をランダムに与えていたのに対し、本実施例では波長毎にオフセット分が加えられる。すなわち、波長λ１に対しては、０＋１．６５π、π／２＋１．６５π、π＋１．６５π、３π／２＋１．６５πの４位相を、波長λ２に対しては、０＋１．１１π、π／２＋１．１１π、π＋１．１１π、３π／２＋１．１１πの４位相を、波長λ３に対しては、０＋０．５８π、π／２＋０．５８π、π＋０．５８π、３π／２＋０．５８πの４位相を、波長λ４に対しては、０＋０．０５π、π／２＋０．０５π、π＋０．０５π、３π／２＋０．０５πの４位相を、それぞれランダムに与える。
【００６１】
次に、図５を参照して、波長λ１を例にとり、本実施例における位相変調制御方法をより詳細に説明する。
【００６２】
まず、図１６に示すように波長ごとに設けられたMach-Zehnder干渉計により生成された２連光パルス（前パルス、後パルス）が位相変調器に入力する構成では、図５（ａ）に示すように、乱数ＲＮＤ１＝ＲＮＤ２＝０では共に０で位相差φＡ＝０、乱数ＲＮＤ１＝０、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝π／２、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝０では位相差φＡ＝π、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝３π／２の位相変調が２連光パルスに対して加えられる。ただし、以上の値は一例であり、等価な変調方法は何通りも採りうるが、いずれも４値変調である。
【００６３】
これに対して、本実施例によれば、図５（ｂ）に示すように、波長λ１に対して１．６５πのオフセットが加えられる。従って、前パルスには常に０の位相変調を加えるものの、後パルスには、乱数ＲＮＤ１＝ＲＮＤ２＝０では位相差φＡ＝１．６５π、乱数ＲＮＤ１＝０、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝π／２＋１．６５π、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝０では位相差φＡ＝π＋１．６５π、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝３π／２＋１．６５πの位相変調が２連光パルスに対して加えられる。結果として位相変調器１１０７を駆動する信号は５値信号となる。
【００６４】
以上の様に、２連光パルスに対してＡｌｉｃｅ１１で施される位相差φＡ、Ｂｏｂ１３で施される位相差φＢ、および干渉計１１０５および１３０５の間の位相差Δとすれば、ΔΦ＝φＡ＋φＢ＋Δは波長によらず０、π／２、π、３π／２の４値となる。したがって、図１２および図１３に示す量子暗号鍵配付システムにおいて、ΔΦが０の場合、光子検出器１３０７−１３１０の対応する波長の光子検出器にて光子パルスが検出され、暗号鍵の当該ビットは“０”となる。ΔΦがπの場合、光子検出器１３１１−１３１４の対応する波長の光子検出器にて光子パルスは検出され、暗号鍵の当該ビットは“１”となる。ΔΦがπ／２若しくは３π／２の場合は１／２の確率でどちらかの光子検出器にて光子パルスは検出されるが、これらの検出ビットは既に述べたように基底照合過程で破棄される。
【００６５】
なお、このような位相変調制御はＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でコンピュータプログラムを実行することにより実現することができる。
【００６６】
３．３）効果
本実施例によれば、量子暗号鍵配付技術等の位相変調を利用した光干渉システムにＷＤＭ技術を適用する際、安価な構成でシステムを構築できる。その理由は、Mach-Zehnder干渉計等の１ビット遅延干渉計の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することによって、干渉計とその温度調整器を複数波長信号で共用できる為である。なお、本実施例ではＩＴＵグリッド上の波長配置を例示したが、波長配置はこれに限定されるものではなく、また波長数も４波長に限られない。
【００６７】
また、本実施例では、送信側の位相変調器１１０７−１１１０にて干渉計１１０５の遅延量の波長依存性を補償する例を示したが、これを受信側で行っても良い。２つのMach-Zehnder干渉計１１０５および１３０５の遅延量の差も、波長λ１〜λ４のいずれかの波長で０若しくはπになる様に温度調整器１１０６および１３０６を調整した後、残りの波長に対するオフセットを決定しても良い。
【００６８】
４．第２実施例
次に、図６〜図８を参照して、本発明の第２実施例による光通信システムを詳細に説明する。本実施例においても、第１実施例と同様に、多値変調レベルを調整して２連光子パルス間に施す位相差に波長に応じたオフセットを重畳させるが、乱数による位相変調器とは別個にオフセット用の位相変調器を直列に接続した点が異なっている。以下、一例として多重する波長数を４個として説明するが、無論この波長数に限定されるものではない。
【００６９】
４．１）構成
図６において、送信装置であるＡｌｉｃｅ４１は、光伝送路４２によってＢｏｂ４３と接続されている。
【００７０】
Ａｌｉｃｅ４１は、４つの波長λ１〜λ４の光パルスをそれぞれ生成するレーザダイオード（ＬＤ）４１０１−４１０４と、光パルスを時間分離して２連光パルスを生成する２入力２出力Mach-Zehnder非対称干渉計（以下、Mach-Zehnder干渉計という。）４１０５と、Mach-Zehnder干渉計４１０５の遅延量の温度制御を行う温度調整器４１０６と、２つに時間分離した２連光パルスに乱数に従った所定の位相差を加える位相変調器４１０７−４１１０およびオフセット用の位相変調器４１１１−４１１４と、レーザダイオード４１０１−４１０４を駆動するクロック源４１１５と、乱数源４１１６−４１２３と、波長ごとのオフセット量を保持するオフセット記憶部４１２４と、乱数源４１１６−４１２３により変調信号を生成するデジタル−アナログ変換器ＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter)４１２５−４１２８と、ＷＤＭフィルタ４１２９−４１３１と、を有する。ＤＡＣ４１２５−４１２８の各々は２つの乱数源から２つの乱数を入力し、位相変調器４１０７−４１１０へ波長ごとの変調信号をそれぞれ出力することで上述した位相変調φを実行し、オフセット記憶部４１２４に記憶されたオフセット量が位相変調器４１１１−４１１４へ波長ごとに出力されることでオフセットθ（λ）が実行される。したがって、位相変調器４１０７−４１１０および位相変調器４１１１−４１１４によって、波長ごとに位相変調φ＋θ（λ）が実行される。
【００７１】
ＷＤＭフィルタ４１２９と４１３０との間の光信号が多重された区間には遅延干渉計であるMach-Zehnder干渉計４１０５が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器４１０６が装備されている。ＷＤＭフィルタ４１３０と４１３１との間の光信号が波長ごとに分波された区間には波長λ１〜λ４の光信号に対してそれぞれ位相変調を行う位相変調器４１０７−４１１０および位相変調器４１１１−４１１４が接続されている。また、乱数源４１１６−４１２３と、オフセット記憶部４１２４と、ＤＡＣ４１２５−４１２８とが図１における位相変調制御部１０７を構成する。なお、Ａｌｉｃｅ４１には、位相変調された２連光パルスをそれぞれ単一光子レベル以下に減衰させる光減衰器が設けられてもよい。
【００７２】
Ｂｏｂ４３は、Ａｌｉｃｅ４１より送られた２連光子パルスに再度位相差を与える位相変調器４３０１−４３０４と、２連光子パルスを合波するMach-Zehnder干渉計４３０５と、Mach-Zehnder干渉計４３０５の遅延量の温度制御を行う温度調整器４３０６と、波長ごとに２つの光子検出器４３０７−４３１０および４３１１−４３１４と、ＷＤＭフィルタ４３１５−４３１８と、を有する。
【００７３】
ＷＤＭフィルタ４３１６と４３１７／４３１８との間の光信号が多重された区間には遅延干渉計であるMach-Zehnder干渉計４３０５が設けられ、その遅延量の温度制御を行う温度調整器４３０６が装備されている。ＷＤＭフィルタ４３１５と４３１６との間の光信号が波長ごとに分波された区間には波長λ１〜λ４の２連光子パルスに対して位相変調を行う位相変調器４３０１−４３０４が接続されている。なお、光子検出器４３０７−４３１０および４３１１−４３１４は、ここではアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）がゲートモードで使用される。
【００７４】
４．２）動作
位相変調器４１０７−４１１０および４１１１−４１１４とＤＡＣ４１２５−４１２８以外のブロックの動作は、第１実施例と同等であるから本実施例では説明を省略する。
【００７５】
Mach-Zehnder干渉計４１０５および４３０５は、第１実施例と同じく、図１８（ａ）で例示したように、それぞれ８００．００ｐｓと８０４．００ｐｓの遅延量を有するものとする。
【００７６】
２つのMach-Zehnder干渉計４１０５および４３０５の遅延量の差が４ｐｓであるから、波長λ１に対しては１．６５π、波長λ２に対しては１．１１π、波長λ３に対しては０．５８π、波長λ４に対しては０．０５πの位相差が生じることになる。この位相差θ（λ）を事前に測定してオフセット量記憶部４１２４にオフセットとして記憶しておく。なお、オフセット用位相差θ（λ）の測定方法に関しては後述する。そして、各波長に対応するＤＡＣは、２つの乱数を入力して位相変調φを生じさせる位相変調信号を位相変調器へ出力する。波長λ１〜λ４の４つの信号の各々に対して、２つの乱数を参照して得た位相差φとして０、π／２、π、３π／２の４値がランダムに与えられる。
【００７７】
Mach-Zehnder干渉計４１０５により生成された２連光パルスは、位相変調器４１０７−４１１０により位相変調された後、位相変調器４１１１−４１１４によりオフセット用位相変調が加えられる。具体的には、波長λ１に対しては１．６５×Ｖπ、波長λ２に対しては１．１１×Ｖπ、波長λ３に対しては０．５８×Ｖπ、波長λ４に対しては０．０５×Ｖπの振幅で位相変調器４１１１−４１１４の各々が駆動される。ここでＶπはπの位相変調を加える為に位相変調器に印加される電圧を指す。
【００７８】
次に、図７を参照して、波長λ１を例にとり、本実施例における位相変調制御方法をより詳細に説明する。
【００７９】
まず、Mach-Zehnder干渉計４１０５により生成された２連光パルス（前パルス、後パルス）がＷＤＭフィルタ４１３０により分波され、それぞれ位相変調器４１０７−４１１０に入力する。そして、図７（ａ）に示すように、乱数ＲＮＤ１＝ＲＮＤ２＝０では共に０で位相差φＡ＝０、乱数ＲＮＤ１＝０、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝π／２、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝０では位相差φＡ＝π、乱数ＲＮＤ１＝１、ＲＮＤ２＝１では位相差φＡ＝３π／２の位相変調が２連光パルスに対して加えられる。ただし、以上の値は一例であり、等価な変調方法は何通りも採りうるが、いずれも４値変調である。
【００８０】
このような位相変調された波長λ１の２連光パルスは、図７（ｂ）に示すように、さらに１．６５πのオフセットが加えられる。すなわち乱数ＲＮＤ１、ＲＮＤ２の値によらず、オフセットθ１＝１．６５πの位相変調が２連光パルスに対して加えられる。したがって、結果としては、Mach-Zehnder干渉計４１０５により生成された２連光パルスに対して位相変調φ＋θ（λ）が実行される。
【００８１】
なお、このような位相変調制御はＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でコンピュータプログラムを実行することにより実現することができる。
【００８２】
４．３）効果
本実施例によれば、第１実施例の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、位相変調器の駆動信号を生成する手段が簡易となる。その理由は、第１実施例では５値の位相変調を施す必要があったが、本実施例では位相変調器を４値変調を行う変調器と位相オフセットを与える変調器とに分割することによって、多値数を抑制することができるからである。この４値変調を行う位相変調器をさらに２つに分割して駆動信号を全てバイナリ信号とすることも可能であるが、もちろん変調器の数が増えるに従ってシステムのコストは高くなる。
【００８３】
なお、本実施例では、送信側の位相変調部４１１１−４１１４にて干渉計４１０５の遅延量の波長依存性を補償する例を示したが、これを受信側で行っても良い。２つのMach-Zehnder干渉計４１０５および４３０５の遅延量の差も、波長λ１〜λ４のいずれかの波長で０若しくはπになる様に温度調整器４１０６および４３０６を調整した後、残りの波長に対するオフセットを決定しても良い。
【００８４】
５．位相オフセット量の決定手順
次に、上述した第１実施例におけるオフセット記憶部１１２０および第２実施例におけるオフセット記憶部４１２４に記憶される波長毎の位相オフセット量θ１〜θ４の決定方法を図６に示す第２実施例の構成を例にとって説明する。ただし、位相変調器は駆動信号の電圧値により位相変調の深さが決定されるので、実際には、それぞれの位相オフセット量に対応する位相変調器の駆動信号の振幅を決定する。
【００８５】
図８において、まずシステム導入時に、全ての位相変調器４１０７−４１１４、４３０１−４３０４の駆動信号振幅を０とし、４つの変数Ｃ１−Ｃ４の初期値０にする（ステップＳ１０）。続いて、波長λ１〜λ４の各々に対応する位相変調器の駆動信号振幅を決定するが、基本的手順はどの波長についても同一であるから、ここでは波長λ１の場合の処理ステップＳ１１−Ｓ１６について説明する。
【００８６】
まず、波長λ１の信号に対しては、位相変調器４１１１の駆動信号振幅を所定ステップΔＶだけ増加させ（ステップＳ１１）、光子検出器４３０７および４３１１での単位時間当たりの光子カウント数を測定する（ステップＳ１２）。続いて、光子検出器４３０７および４３１１でのそれぞれのカウント値Ｃ１０、Ｃ１１を用いてカウント比Ｃ１’を計算し（ステップＳ１３）、算出したＣ１’と現在の変数Ｃ１とを比較する（ステップＳ１４）。
【００８７】
算出したＣ１’が現在の変数Ｃ１以上であれば（ステップＳ１４：Ｎｏ）、算出したＣ１’の値を新たに変数Ｃ１として（ステップＳ１５）、ステップＳ１１へ戻る。こうしてステップＳ１１〜Ｓ１５を繰り返すことで、前回算出したＣ１’以上のＣ１’が得られる駆動信号振幅がΔＶステップで更新されていく。
【００８８】
算出したＣ１’が現在の変数Ｃ１より小さくなると（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、ピー
クを過ぎたことになるので、位相変調器４１１１の駆動信号振幅をΔＶだけ減少させて固
定し、波長λ１の信号の位相オフセット量を決定する（ステップＳ１６）。
【００８９】
このように、位相変調器４１１１の駆動信号振幅をスキャンし、対応する２つの光子検出器４３０７および４３１１での光子検出カウント値の比が最大となるように駆動信号振幅を設定する。この際、ΔＶを出来る限り小さくした方が精度良く位相オフセット量を決定できる。他の波長λ２〜λ４の場合も、それぞれステップＳ２１〜Ｓ２６、ステップＳ３１〜Ｓ３６およびステップＳ４１〜Ｓ４６において同様の手順で、それぞれの位相オフセット量を決定することができる。
【００９０】
６．第３実施例
本発明は、非特許文献５に記載されているような「Ｚ基底」を使用する量子暗号鍵配付方法（図１４参照）にも適用できる。
【００９１】
図９に示すように、本発明の第３実施例による光通信システムにおける送信装置（Ａｌｉｃｅ）において、４入力２出力の２×４干渉計５１２２を利用し、４つの入力ポート各々に多重光源部が接続されている。第１の多重光源部は波長λ１〜λ４にそれぞれ対応するＬＤ５１０１−５１０４およびＷＤＭフィルタ５１１７からなり、第２の多重光源部は波長λ１〜λ４にそれぞれ対応するＬＤ５１０５−５１０８およびＷＤＭフィルタ５１１９、第３の多重光源部は波長λ１〜λ４にそれぞれ対応するＬＤ５１０９−５１１２およびＷＤＭフィルタ５１２０、第４の多重光源部は波長λ１〜λ４にそれぞれ対応するＬＤ５１１３−５１１６およびＷＤＭフィルタ５１１８からなる。
【００９２】
さらに、ＷＤＭフィルタ５１２３と５１２８との間の分波された区間には、位相変調器５１２４−５１２７がそれぞれの波長に対応して挿入されている。位相変調器５１２４−５１２７は、オフセット記憶部５１２９からのオフセット量に従って、上述したように２×４干渉計５１２２の遅延量の波長依存性を位相変調で補償することができる。
【００９３】
２×４干渉計５１２２に第１の多重光源部から光パルスを入力した場合、光パルスは干渉計の長経路のみを通る為、時間的に遅れた１パルスのみが対応する波長の位相変調器を通って伝送路に送出される。また、第４の多重光源部から光パルスを入力した場合には、光パルスは干渉計の短経路のみを通る為に時間的に進んだ１パルスのみが伝送路に送出される。第２多重光源部あるいは第３多重光源部から光パルスを入力した場合は、２×４干渉計の両経路の位相差によって、Ｘ基底あるいはＹ基底を生成できる。
【００９４】
このように２×４干渉計５１２２によって各波長のパルスを時間分離した後、位相変調器５１２４−５１２７は、オフセット記憶部５１２９からのオフセット量に従って波長に応じたオフセットを加える。この際、波長単位の位相変調を加えてもＺ基底の信号には影響が無い為、位相変調器５１２４−５１２７はＸ基底もしくはＹ基底の信号に対してのみ作用する。
【００９５】
７．第４実施例
本発明は、非特許文献６に開示されたＤＰＳ方式を利用した量子暗号鍵配付システム（図１５参照）にも適用できる。
【００９６】
図１０に示すように、本発明の第４実施例による光通信システムの送信側Ａｌｉｃｅは、４つの波長λ１〜λ４の光パルスをそれぞれ生成するレーザダイオード（ＬＤ）６１０１−６１０４と、波長λ１〜λ４の光パルスに対してそれぞれ位相変調する位相変調器６１０５−６１０８と、レーザダイオード６１０１−６１０４を駆動するクロック源６１０９と、乱数源６１１１−６１１４と、波長ごとのオフセット量を保持するオフセット記憶部６１１５と、乱数源６１１１−６１１４とオフセット記憶部６１１５のオフセット量とにより変調信号を生成するＤＡＣ６１１６−６１１９と、ＷＤＭフィルタ６１２０と、を有する。ＤＡＣ６１１６−６１１９の各々は、対応する乱数源からの乱数とオフセット記憶部６１１５からのオフセット値とを入力し、位相変調器６１０５−６１０８へ波長ごとの変調信号をそれぞれ出力する。こうして位相変調された波長λ１〜λ４の光パルスがＷＤＭフィルタ６１２０で合波され、光伝送路６１２１を通して受信側であるＢｏｂへ到達する。
【００９７】
受信側Ｂｏｂは、光パルスを時間分離して２連光パルスを生成するMach-Zehnder干渉計６１２２と、Mach-Zehnder干渉計６１２２の遅延量の温度制御を行う温度調整器６１２３と、波長ごとにそれぞれ２つの光子検出器６１２５−６１２８および６１２９−６１３２と、ＷＤＭフィルタ６１２４および６１３３と、を有する。
【００９８】
本実施例では、送信側のＷＤＭフィルタ６１２０と受信側のＷＤＭフィルタ６１２４／６１３３との間の光信号が多重された区間に、Mach-Zehnder干渉計６１２２とその遅延量の温度制御を行う温度調整器６１２３とが装備されている。また、レーザダイオード（ＬＤ）６１０１−６１０４とＷＤＭフィルタ６１２０のローカルポートとの間の光信号が波長ごとに分波された区間には波長λ１〜λ４の光信号に対してそれぞれ位相変調を行う位相変調器６１０５−６１０８が接続されている。
【００９９】
このようなＤＰＳ型量子暗号鍵配付システムでは、送信側に干渉計がないが、各波長に対して、隣接ビット間で異なる位相オフセットを施すことにより、受信側に設けられたMach-Zehnder干渉計６１２２の自由スペクトル間隔（ＦＳＲ：Free Spectral Range）に依存せずに、使用する波長を決定することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、量子暗号鍵配付技術に代表される位相変調を利用した光干渉通信システムに利用可能である。量子暗号鍵配付方法のプロトコルは問わない。
【符号の説明】
【０１０１】
101  ＷＤＭフィルタ
102  干渉計
103  温度調整器
104  ＷＤＭフィルタ
105、110  位相変調器群
106  ＷＤＭフィルタ
107、111  位相変調制御部
11、41  送信装置（Alice）
12、42  光伝送路
13、43  受信装置（Bob）
1101-1104、4101-4104、5101-5116、6101-6104  レーザダイオード
1105、1305、4105、4305、6122  2入力2出力Mach-Zehnder干渉計
1107-1110、1301-1304、4107-4114、4301-4304、5124-5127、6105-6108  位相変調器
1111、4115、6109  クロック源
1307-1314、4307-4314、6125-6132  光子検出器
5122   4入力2出力非対称Mach-Zehnder干渉計
1106、1306、4106、4306、5121、6123  温度調整器
1120、4124、5129、6115  オフセット記憶部
1121-1124、4125-4128、6116-6119  デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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