(57)【要約】  ２連光パルスの高速位相変調時において、精度の高い位相変調を実現する位相変調装置を提供することを目的とする。位相変調装置が備える位相変調器１０５は、信号光パルスＳＰと参照光パルスＲＰとの時間差付き２連光パルスが通過する際に、この２連光パルスに対して、電気パルスの印加電圧に比例した位相変調を施す。その結果、位相変調されたＳＰ´とＲＰ´が出力される。変調信号生成器１０６は、例えば４値のデータ信号の入力に応じて、予め定められたバイアスの電気パルスをトリガ信号の入力タイミングで出力する。変調信号生成器１０６は、１回のトリガ信号の入力に対して、時間差のある、極性が正反対の２連電気パルスを出力する。この２連電気パルスの時間差は位相変調器１０５を通過する２連光パルスの時間差に対応している。
2010032326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを入力し、入力された光パルスから第１光パルスと前記第１光パルスを所定の時間差で追う第２光パルスとを生成して出力する光パルス出力部と、
所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第１光パルスを位相変調するとともに、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第２光パルスを位相変調する位相変調部とを備えることを特徴とする位相変調装置。
【請求項２】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、反対の極性をもつことを特徴とする請求項１に記載の位相変調装置。
【請求項３】
前記位相変調装置は、さらに、
電気パルスを入力し、前記光パルス出力部から前記第１光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを前記第１電気パルスとして出力するとともに、入力された電気パルスの極性を反転し、前記所定の時間差に対応する時間差で、前記極性が反転された電気パルスを前記第２電気パルスとして出力する電気パルス出力部を備え、
前記位相変調部は、前記電気パルス出力部から出力された第１電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第１光パルスに印加して当該第１光パルスを位相変調し、前記電気パルス出力部から出力された第２電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第２光パルスに印加して当該第２光パルスを位相変調することを特徴とする請求項２に記載の位相変調装置。
【請求項４】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、矩形波であることを特徴とする請求項２に記載の位相変調装置。
【請求項５】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、デューティ５０％であることを特徴とする請求項４に記載の位相変調装置。
【請求項６】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、鋸波であることを特徴とする請求項１に記載の位相変調装置。
【請求項７】
請求項１に記載の位相変調装置と、
前記位相変調装置の位相変調部により位相変調された第１光パルスと第２光パルスとを、光路を介して受信装置へ送信する送信部とを備えることを特徴とする送信装置。
【請求項８】
請求項７に記載の送信装置から光路を介して、位相変調された第１光パルスと第２光パルスとを受信する受信部と、
所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記受信部により受信された第１光パルスを位相変調するとともに、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記受信部により受信された第２光パルスを位相変調する位相変調部と、
前記位相変調部により位相変調された第１光パルスと第２光パルスとの間の位相差を検出する位相差検出部とを備えることを特徴とする受信装置。
【請求項９】
光パルス出力部が、光パルスを入力し、
前記光パルス出力部が、入力された光パルスから第１光パルスと前記第１光パルスを所定の時間差で追う第２光パルスとを生成して出力し、
位相変調部が、所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、
前記位相変調部が、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第１光パルスを位相変調し、
前記位相変調部が、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、
前記位相変調部が、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第２光パルスを位相変調することを特徴とする位相変調方法。
【請求項１０】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、反対の極性をもつことを特徴とする請求項９に記載の位相変調方法。
【請求項１１】
前記位相変調方法は、さらに、
電気パルス出力部が、電気パルスを入力し、
前記電気パルス出力部が、前記光パルス出力部から前記第１光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを前記第１電気パルスとして出力し、
前記電気パルス出力部が、入力された電気パルスの極性を反転し、前記所定の時間差に対応する時間差で、前記極性が反転された電気パルスを前記第２電気パルスとして出力し、
前記第１光パルスの位相変調では、前記位相変調部が、前記電気パルス出力部から出力された第１電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第１光パルスに印加して当該第１光パルスを位相変調し、
前記第２光パルスの位相変調では、前記位相変調部が、前記電気パルス出力部から出力された第２電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第２光パルスに印加して当該第２光パルスを位相変調することを特徴とする請求項１０に記載の位相変調方法。
【請求項１２】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、矩形波であることを特徴とする請求項１０に記載の位相変調方法。
【請求項１３】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、デューティ５０％であることを特徴とする請求項１２に記載の位相変調方法。
【請求項１４】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、鋸波であることを特徴とする請求項９に記載の位相変調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相変調装置及び送信装置及び受信装置及び位相変調方法に関するものである。本発明は、特に、高速位相変調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、時間差のある２つの光パルスである信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差に情報を載せる位相変調方式があった。この位相変調方式を採用した位相変調装置は、量子暗号通信に用いられていた。位相変調装置に設けられた位相変調器に入力された光パルスに電気パルスが印加されると、その光パルスに位相変調がかけられる（図９参照）。【０００３】
上記の従来の位相変調装置では、特許文献１の送信側装置の構成にみられるように、信号光パルスにのみ位相変調をかけるための電気パルスを印加し、参照光パルスは位相変調をかけることなく位相変調器を透過させていた（図１０参照）。あるいは、特許文献１の受信側装置の構成にみられるように、信号光パルスは位相変調をかけることなく位相変調器を透過させ、参照光パルスにのみ位相変調をかけるための電気パルスを印加していた。
【特許文献１】特開２００７−２５１６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術のように、信号光パルスと参照光パルスとのいずれか一方にのみ電気パルスを印加することにより位相変調し、他方の光パルスには電気パルスを印加せず位相変調しない構成においては、以下のような課題が生じる。【０００５】
電気パルスはパルス幅が数ｎｓ（ナノ秒）と狭いため、駆動周波数が数十ＭＨｚ（メガヘルツ）までの遅い周波数であればデューティは非常に小さくなる。なお、デューティとは、パルス周期に対するパルス幅の比率をいう。デューティが非常に小さければ、データ信号の値（即ち、信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差に載せられる情報）の変化に伴う電気パルスの信号値の変化（即ち、電気パルスの有無）に関係なく、電気パルスのＤＣ（直流）フロアは変動しない。一方、駆動周波数が１００ＭＨｚ以上の高速になるとデューティが大きくなるため、電気パルスの信号値の変化に追従してＤＣフロアが変動する。その結果、位相変調をかけないはずの他方の光パルスにもＤＣフロアの変動分の位相変調がかかることになる。この予期せぬ位相変調は信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差に対する雑音成分を発生させることに相当するため、干渉明瞭度の低下、ひいては、通信エラーの増加を招く。【０００６】
電気パルスの信号値の変化とＤＣフロアの変動との関係についてシミュレーションを行った結果を図１１に示す。【０００７】
このシミュレーションでは、パルスジェネレータを使用し、繰り返しレートが２０ＭＨｚ、パルス幅が１０ｎｓ、波高が０．５Ｖの入力信号を生成した。そして、入力信号のパターンを操作することで、パルス間隔が（ａ）５０ｎｓ、（ｂ）１００ｎｓ、（ｃ）１５０ｎｓ、（ｄ）２００ｎｓの４種類の信号波についてシミュレーションを行った。例えば、パターンを１１１１１１１１・・・とすれば、（ａ）の信号波が作り出せる。また、パターンを０００１０００１・・・とすれば、（ｄ）の信号波を作り出せる。（ａ）〜（ｄ）の信号波を広帯域アンプ（ＳＨＦ１００ＡＰを使用）に入力したところ、図１１に示すような出力信号が得られた。それぞれの出力信号のＤＣフロアは、（ａ）−７１０ｍＶ（ミリボルト）、（ｂ）−３３０ｍＶ、（ｃ）−２５０ｍＶ、（ｄ）−１７０ｍＶとなっている。この結果から、パルス間隔が狭くなるほど、即ち、デューティが大きくなるほど、ＤＣフロアが下がることがわかる。なお、このシミュレーションでは周波数が２０ＭＨｚ、パルス幅が１０ｎｓとなっているが、周波数が１００ＭＨｚ以上、パルス幅が数ｎｓの場合にも同様の現象が起きると考えられる。【０００８】
このように、従来技術では、電気パルスの信号値の変化に追従して予期せぬＤＣフロアの変動が起こる。そのため、従来の位相変調装置を組み込んだ量子暗号通信装置では、雑音を含んだ品質の悪い通信しかできなかった。【０００９】
本発明は、例えば、２連光パルスの高速位相変調時において、精度の高い位相変調を実現する位相変調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】
【００１０】
本発明の一の態様に係る位相変調装置は、
光パルスを入力し、入力された光パルスから第１光パルスと前記第１光パルスを所定の時間差で追う第２光パルスとを生成して出力する光パルス出力部と、
所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第１光パルスを位相変調するとともに、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第２光パルスを位相変調する位相変調部とを備えることを特徴とする。【００１１】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、反対の極性をもつことを特徴とする。【００１２】
前記位相変調装置は、さらに、
電気パルスを入力し、前記光パルス出力部から前記第１光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを前記第１電気パルスとして出力するとともに、入力された電気パルスの極性を反転し、前記所定の時間差に対応する時間差で、前記極性が反転された電気パルスを前記第２電気パルスとして出力する電気パルス出力部を備え、
前記位相変調部は、前記電気パルス出力部から出力された第１電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第１光パルスに印加して当該第１光パルスを位相変調し、前記電気パルス出力部から出力された第２電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第２光パルスに印加して当該第２光パルスを位相変調することを特徴とする。【００１３】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、矩形波であることを特徴とする。【００１４】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、デューティ５０％であることを特徴とする。【００１５】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、鋸波であることを特徴とする。【００１６】
本発明の一の態様に係る送信装置は、
前記位相変調装置と、
前記位相変調装置の位相変調部により位相変調された第１光パルスと第２光パルスとを、光路を介して受信装置へ送信する送信部とを備えることを特徴とする。【００１７】
本発明の一の態様に係る受信装置は、
前記送信装置から光路を介して、位相変調された第１光パルスと第２光パルスとを受信する受信部と、
所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記受信部により受信された第１光パルスを位相変調するとともに、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記受信部により受信された第２光パルスを位相変調する位相変調部と、
前記位相変調部により位相変調された第１光パルスと第２光パルスとの間の位相差を検出する位相差検出部とを備えることを特徴とする。【００１８】
本発明の一の態様に係る位相変調方法は、
光パルス出力部が、光パルスを入力し、
前記光パルス出力部が、入力された光パルスから第１光パルスと前記第１光パルスを所定の時間差で追う第２光パルスとを生成して出力し、
位相変調部が、所定の電圧をもつ第１電気パルスを入力し、
前記位相変調部が、入力された第１電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第１光パルスを位相変調し、
前記位相変調部が、前記第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスを入力し、
前記位相変調部が、入力された第２電気パルスの電圧に応じて前記光パルス出力部から出力された第２光パルスを位相変調することを特徴とする。【００１９】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、反対の極性をもつことを特徴とする。【００２０】
前記位相変調方法は、さらに、
電気パルス出力部が、電気パルスを入力し、
前記電気パルス出力部が、前記光パルス出力部から前記第１光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを前記第１電気パルスとして出力し、
前記電気パルス出力部が、入力された電気パルスの極性を反転し、前記所定の時間差に対応する時間差で、前記極性が反転された電気パルスを前記第２電気パルスとして出力し、
前記第１光パルスの位相変調では、前記位相変調部が、前記電気パルス出力部から出力された第１電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第１光パルスに印加して当該第１光パルスを位相変調し、
前記第２光パルスの位相変調では、前記位相変調部が、前記電気パルス出力部から出力された第２電気パルスを前記光パルス出力部から出力された第２光パルスに印加して当該第２光パルスを位相変調することを特徴とする。【００２１】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、矩形波であることを特徴とする。【００２２】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、デューティ５０％であることを特徴とする。【００２３】
前記第１電気パルスと前記第２電気パルスとは、鋸波であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の一の態様によれば、位相変調部が、第１電気パルスの電圧に応じて第１光パルスを位相変調するとともに、第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスの電圧に応じて第２光パルスを位相変調することにより、２連光パルスの高速位相変調時において、精度の高い位相変調が可能となる。例えば、このような位相変調部を備えた位相変調装置を量子暗号通信装置に組み込むことで、通信品質が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。【００２６】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る位相変調装置１００，２００が組み込まれた量子暗号通信装置の構成例を示すブロック図である。【００２７】
図１において、量子暗号送信装置１０１は送信装置の一例であり、位相変調装置１００のほか、（単一）光子源１０２、非対称マッハツェンダ干渉計１０３、送信部１０４を備えている。位相変調装置１００は位相変調器１０５を備えている。【００２８】
量子暗号受信装置２０１は受信装置の一例であり、位相変調装置２００のほか、受信部２０２、非対称マッハツェンダ干渉計２０３、１対の光子検出器２０４，２０５を備えている。位相変調装置２００は位相変調器２０６を備えている。【００２９】
量子暗号送信装置１０１において、光子源１０２から放射された光子は非対称マッハツェンダ干渉計１０３を通過するときに信号光パルスと参照光パルスとの時間差付き２連光パルスとなる。この２連光パルスは位相変調器１０５で位相変調された後、光路の一例である量子通信路３０１を介して送信部１０４から量子暗号受信装置２０１に送信される。後述するように、位相変調器１０５には、上記２連光パルスのタイミングに合わせて２連電気パルスが入力される。この２連電気パルスは、上記２連光パルスに印加され、変調信号として作用する。【００３０】
量子暗号受信装置２０１において、量子暗号送信装置１０１から送信された２連光パルスは受信部２０２で受信される。この２連光パルスは位相変調器２０６で位相変調された後、非対称マッハツェンダ干渉計２０３を通過する。このとき、信号光パルスと参照光パルスとが干渉して、非対称マッハツェンダ干渉計２０３の２つのポートのそれぞれに接続された光子検出器２０４，２０５のいずれかで検出される。量子暗号送信装置１０１の位相変調器１０５と同様に、位相変調器２０６には、上記２連光パルスのタイミングに合わせて２連電気パルスが入力される。この２連電気パルスは、上記２連光パルスに印加され、復調信号として作用する。【００３１】
図２は、量子暗号送信装置１０１に組み込まれている位相変調装置１００の構成を示すブロック図である。図３は、この位相変調装置１００における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。【００３２】
図２において、位相変調装置１００は位相変調器１０５及び変調信号生成器１０６を備える。【００３３】
位相変調器１０５は、通過する光パルスに対して、電気パルスの印加電圧に比例した位相変調を施す。例えば、位相変調器１０５は、印加される電気パルスのバイアス電圧により光パルスの屈折率が変化するという電気光学効果を利用して、光パルスの光路長を変化させることで光パルスに対して位相変調をかけることができる。図２では、位相変調器１０５に入力される信号光パルス及び参照光パルスをそれぞれＳＰ及びＲＰと表している。位相変調器１０５から出力される信号光パルス及び参照光パルス、即ち、位相変調がかけられた信号光パルス及び参照光パルスをＳＰ´及びＲＰ´と表している。【００３４】
変調信号生成器１０６は、例えば４値のデータ信号（２値もしくは多値でもよい）の入力に応じて、予め定められたバイアスの電気パルスをトリガ信号の入力タイミングで出力する。トリガ信号はクロック又はクロックと同期した信号であり、光子源１０２にも同様の信号が入力されている。これにより、位相変調器１０５を２連光パルスが通過するタイミングと変調信号生成器１０６から２連電気パルスを印加するタイミングとを合わせることができる。本実施の形態では、変調信号生成器１０６は、１回のトリガ信号の入力に対して、時間差のある、極性が正反対の２連電気パルスを出力する。この２連電気パルスの時間差は位相変調器１０５を通過する２連光パルスの時間差に対応している。【００３５】
図３に示すように、位相変調器１０５には、信号光パルスと参照光パルスとがある一定の時間差をもって繰り返し入力されている。同様に、変調信号生成器１０６には、トリガ信号が繰り返し入力され、データ信号が切り替わっている。トリガ信号が入力されると、変調信号生成器１０６は、信号光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせてデータ信号が指定する振幅の電気パルスを位相変調器１０５に印加する。そして、参照光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせて、信号光パルスに印加された電気パルスと極性が反対で振幅が同じ大きさの電気パルスを位相変調器１０５に印加する。つまり、変調信号生成器１０６は、位相変調器１０５を１組の光パルスが通過する度に、互いに極性が反対の１組の電気パルスを位相変調器１０５に印加する。【００３６】
本実施の形態は、上記のような電気パルスの印加形態をとることにより、信号光パルスにのみ電気パルスを印加していた従来技術と比して、以下のような有利な効果を奏するものである。【００３７】
本実施の形態によれば、データ信号の変化に伴う位相変調器１０５への印加電気パルスのパターン変化に起因する、そのＤＣフロアの変動をほぼ０にまで抑制できる。これにより、従来技術のように参照光パルスにもＤＣフロアの変動に伴う位相変調がなされ、雑音が発生するという事態を回避でき、常に精確な位相変調が可能になる。【００３８】
位相変調器１０５へ入力される電気パルスの信号値の変化とＤＣフロアの変動との関係についてシミュレーションを行った結果を図４に示す。【００３９】
このシミュレーションでは、パルスジェネレータを使用し、繰り返しレートが２０ＭＨｚ、パルス幅が１０ｎｓ、波のピーク−ピークの高さが０．５Ｖの入力信号を生成した。そして、図１１のシミュレーションと同様に、入力信号のパターンを操作することで、パルス間隔が（ａ）５０ｎｓ、（ｂ）１００ｎｓ、（ｃ）１５０ｎｓ、（ｄ）２００ｎｓの４種類の信号波についてシミュレーションを行った。（ａ）〜（ｄ）の信号波を広帯域アンプ（ＳＨＦ１００ＡＰを使用）に入力したところ、図４に示すような出力信号が得られた。いずれの出力信号のＤＣフロアもほぼ０Ｖとなっている。この結果から、本実施の形態では、デューティが大きくなっても、ＤＣフロアの変動を抑制できることがわかる。なお、このシミュレーションでは周波数が２０ＭＨｚ、パルス幅が１０ｎｓとなっているが、前述したように、周波数が１００ＭＨｚ以上、パルス幅が数ｎｓの場合にも同様の効果が期待できる。【００４０】
図４と図１１とを比べればわかるように、本実施の形態では、単一の光パルスにのみ電気パルスを印加していた従来技術に比して、信号光パルス、参照光パルスに印加する電気パルスの振幅（即ち、電圧）が半分の大きさで済む。そのため、変調信号生成器１０６を構成するドライバとして、従来技術よりゲインが小さく、かつ、飽和出力の小さい安価なアンプを使用できる。【００４１】
以下、本実施の形態における量子暗号通信方法（即ち、手順）について説明する。【００４２】
図５は、本実施の形態に係る位相変調方法を用いた量子暗号通信手順を示すフローチャートである。【００４３】
量子暗号送信装置１０１において、光子源１０２は光パルスを生成して、非対称マッハツェンダ干渉計１０３に入力する。非対称マッハツェンダ干渉計１０３は光子源１０２により入力された光パルスから信号光パルスと参照光パルスとを生成して出力する（ステップＳ１０１：光パルス出力ステップ）。なお、光子源１０２及び非対称マッハツェンダ干渉計１０３の組み合わせは光パルス出力部の一例である。信号光パルスは第１光パルスの一例である。参照光パルスは、第１光パルスを所定の時間差で追う第２光パルスの一例である。【００４４】
位相変調装置１００の変調信号生成器１０６は、所定の電圧をもつ電気パルスを入力する。変調信号生成器１０６は、非対称マッハツェンダ干渉計１０３から信号光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを第１電気パルスとして出力する。また、変調信号生成器１０６は、入力された電気パルスの極性を反転し、上記所定の時間差（即ち、信号光パルスと参照光パルスとの間の時間差）に対応する時間差で、上記極性が反転された電気パルスを第２電気パルスとして出力する（ステップＳ１０１：電気パルス出力ステップ）。なお、変調信号生成器１０６は電気パルス出力部の一例である。第１電気パルスは、データ信号の値に応じた電圧（ただし、従来の半分の電圧でよい）をもつ電気パルスであり、信号光パルスの変調信号となるものである。データ信号は、量子暗号通信で送信する情報を符号化したものであり、量子暗号送信装置１０１の入力装置（図示していないが、例えばキーボードやマウス）や記憶装置（図示していないが、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ・Ｄｉｓｋ・Ｄｒｉｖｅ））から変調信号生成器１０６に入力されるものである。第２電気パルスは、第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ電気パルスであり、参照光パルスの変調信号となるものである。第１電気パルスと第２電気パルスとの間の電位差は、ＤＣ成分をキャンセルできる程度であることが望ましい。本実施の形態では、単に第１電気パルスと第２電気パルスとに反対の極性をもたせることで、その電位差を確保している。【００４５】
位相変調装置１００の位相変調器１０５は、変調信号生成器１０６から出力された第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて非対称マッハツェンダ干渉計１０３から出力された信号光パルスを位相変調する。即ち、位相変調器１０５は、変調信号生成器１０６から出力された第１電気パルスを非対称マッハツェンダ干渉計１０３から出力された信号光パルスに印加して当該信号光パルスを位相変調する。また、位相変調器１０５は、変調信号生成器１０６から出力された第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて非対称マッハツェンダ干渉計１０３から出力された第２光パルスを位相変調する。即ち、位相変調器１０５は、変調信号生成器１０６から出力された第２電気パルスを非対称マッハツェンダ干渉計１０３から出力された参照光パルスに印加して当該参照光パルスを位相変調する（ステップＳ１０２：位相変調ステップ）。なお、位相変調器１０５は位相変調部の一例である。【００４６】
例えば、変調信号生成器１０６に入力されるデータ信号を４値としたとき（即ち、量子暗号通信で送信される情報が２ビットの場合）、電気パルス出力ステップ（ステップＳ１０１）では、量子暗号送信装置１０１の入力装置や記憶装置から変調信号生成器１０６に値が００、１０、０１、１１のいずれかであるデータ信号（即ち、２ビットの情報）が入力される。変調信号生成器１０６は、データ信号の値に応じた第１電気パルスと第２電気パルスとを生成し、位相変調ステップ（ステップＳ１０２）で信号光パルスと参照光パルスとの間に付される位相差を制御する。例えば、データ信号の値００、１０、０１、１１に、順番に、位相差０、π、−π／２、π／２を割り当てることができる。ここで、位相差０は、ｎをｎ＞１となる整数としたとき、２ｎπと同じものとする。同様に、位相差π、−π／２、π／２は、順番に、２ｎπ＋π、２ｎπ−（π／２）、２ｎπ＋（π／２）と同じものとする。【００４７】
送信部１０４は、位相変調装置１００の位相変調器１０５により位相変調された信号光パルスと参照光パルスとを、量子通信路３０１を介して量子暗号受信装置２０１へ送信する（ステップＳ１０３：送信ステップ）。【００４８】
量子暗号受信装置２０１において、受信部２０２は量子暗号送信装置１０１から量子通信路３０１を介して、位相変調された信号光パルスと参照光パルスとを受信して出力する（ステップＳ１０４：受信ステップ）。【００４９】
位相変調装置２００の変調信号生成器（図示していない）は、所定の電圧をもつ電気パルスを入力する。この変調信号生成器は、受信部２０２から信号光パルスが出力されるタイミングに合わせて、入力された電気パルスを第１電気パルスとして出力する。また、変調信号生成器１０６は、入力された電気パルスの極性を反転し、上記所定の時間差（即ち、信号光パルスと参照光パルスとの間の時間差）に対応する時間差で、上記極性が反転された電気パルスを第２電気パルスとして出力する（ステップＳ１０４：電気パルス出力ステップ）。なお、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６と同様に、位相変調装置２００の変調信号生成器も電気パルス出力部の一例である。第１電気パルスは、データ信号の値に応じた電圧（ただし、従来の半分の電圧でよい）をもつ電気パルスであり、信号光パルスの復調信号となるものである。データ信号は、乱数の値を示す信号（以下、単に「乱数」という）であり、量子暗号受信装置２０１の乱数生成器（図示していない）から変調信号生成器に入力されるものである。第２電気パルスは、第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ電気パルスであり、参照光パルスの復調信号となるものである。第１電気パルスと第２電気パルスとの間の電位差については、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６と同じである。【００５０】
位相変調装置２００の位相変調器２０６は、変調信号生成器から出力された第１電気パルスを入力し、入力された第１電気パルスの電圧に応じて受信部２０２により受信された信号光パルスを位相変調する。即ち、位相変調器２０６は、変調信号生成器から出力された第１電気パルスを受信部２０２から出力された信号光パルスに印加して当該信号光パルスを位相復調する。また、位相変調器２０６は、変調信号生成器から出力された第２電気パルスを入力し、入力された第２電気パルスの電圧に応じて受信部２０２により受信された第２光パルスを位相変調する。即ち、位相変調器２０６は、変調信号生成器から出力された第２電気パルスを受信部２０２から出力された参照光パルスに印加して当該参照光パルスを位相復調する（ステップＳ１０５：位相復調ステップ）。なお、位相変調器２０６は位相変調部の一例であり、量子暗号送信装置１０１の位相変調器１０５と同じものを使用できる。【００５１】
光子検出器２０４，２０５のいずれかは、位相変調器２０６により位相復調された信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差を検出する。なお、光子検出器２０４，２０５は位相差検出部の一例である（ステップＳ１０６：位相差検出ステップ）。【００５２】
例えば、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６に入力されるデータ信号を４値としたとき（即ち、量子暗号通信で送信される情報が２ビットの場合）、受信ステップ（ステップＳ１０４）では、受信部２０２にて位相差が０、π、−π／２、π／２のいずれかである２連光パルスが受信される。電気パルス出力ステップ（ステップＳ１０４）では、量子暗号受信装置２０１の乱数生成器から変調信号生成器に値が０又は１の乱数（即ち、１ビットの乱数）が入力される。変調信号生成器は、乱数の値に応じた第１電気パルスと第２電気パルスとを生成し、位相復調ステップ（ステップＳ１０５）で信号光パルスと参照光パルスとに施される位相変調の量を制御する（即ち、信号光パルスと参照光パルスとの間に付される位相差を制御する）。例えば、乱数の値０、１に、順番に、位相変調の量０、π／２を割り当てることができる。【００５３】
電気パルス出力ステップ（ステップＳ１０４）で乱数の値が０の場合、位相復調ステップ（ステップＳ１０５）における位相変調の量は０となる。そのため、受信ステップ（ステップＳ１０４）で受信された位相差０、π、−π／２、π／２の２連光パルスは、位相復調ステップ（ステップＳ１０５）では、順番に、位相差０、π、−π／２、π／２の２連光パルスとなる（即ち、位相変調されない）。例えば、光子検出器２０４として位相差０の光子を検出するものを、光子検出器２０５として位相差πの光子を検出するものを使用すると、位相差検出ステップ（ステップＳ１０６）において、光子検出器２０４が位相差０の２連光パルスを、光子検出器２０５が位相差πの２連光パルスを検出できることになる。光子検出器２０４が位相差０の２連光パルスを検出した場合、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６に入力されたデータ信号の値が００であることがわかる。光子検出器２０５が位相差πの２連光パルスを検出した場合、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６に入力されたデータ信号の値が１０であることがわかる。位相差検出ステップ（ステップＳ１０６）でわかったデータ信号の値（即ち、２ビットの情報）は、例えば、量子暗号受信装置２０１の出力装置（図示していないが、例えばＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ・Ｃｒｙｓｔａｌ・Ｄｉｓｐｌａｙ））により出力される。そして、量子暗号受信装置２０１の処理装置（図示していないが、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ））により、例えば暗号鍵情報あるいはその一部として利用される。【００５４】
一方、電気パルス出力ステップ（ステップＳ１０４）で乱数の値が１の場合、位相復調ステップ（ステップＳ１０５）における位相変調の量はπ／２となる。そのため、受信ステップ（ステップＳ１０４）で受信された位相差０、π、−π／２、π／２の２連光パルスは、位相復調ステップ（ステップＳ１０５）では、順番に、位相差π／２、−π／２、０、πの２連光パルスとなる。例えば、上記のように、光子検出器２０４として位相差０の光子を検出するものを、光子検出器２０５として位相差πの光子を検出するものを使用すると、位相差検出ステップ（ステップＳ１０６）において、光子検出器２０４が位相差０の２連光パルスを、光子検出器２０５が位相差πの２連光パルスを検出できることになる。光子検出器２０４が位相差０の２連光パルスを検出した場合、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６に入力されたデータ信号の値が０１であることがわかる。光子検出器２０５が位相差πの２連光パルスを検出した場合、量子暗号送信装置１０１の変調信号生成器１０６に入力されたデータ信号の値が１１であることがわかる。位相差検出ステップ（ステップＳ１０６）でわかったデータ信号の値（即ち、２ビットの情報）は、例えば、上記のように、量子暗号受信装置２０１の出力装置（図示していない）により出力される。そして、量子暗号受信装置２０１の処理装置（図示していない）により、例えば暗号鍵情報あるいはその一部として利用される。【００５５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、位相変調部（例えば、位相変調器１０５，２０６）が、第１電気パルスの電圧に応じて第１光パルス（例えば、信号光パルス）を位相変調するとともに、第１電気パルスに対して所定の電位差をもつ第２電気パルスの電圧に応じて第２光パルス（例えば、参照光パルス）を位相変調することにより、２連光パルスの高速位相変調時において、精度の高い位相変調が可能となる。そして、このような位相変調部を備えた位相変調装置（例えば、位相変調装置１００，２００）を量子暗号通信装置（例えば、量子暗号送信装置１０１、量子暗号受信装置２０１）に組み込むことで、通信品質が向上する。【００５６】
以上のように、本実施の形態に係る位相変調装置は、時間差のある２つの光パルスである信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差に情報を載せる位相変調方式を採用し、量子暗号の位相変調器と変調信号生成器とを備える位相変調装置である。この位相変調装置において、信号光パルスと参照光パルスは、位相変調器を通過し、変調信号の有無により位相変調を受ける。変調信号生成器は、変調用電気パルス信号を出力する。変調用電気パルス信号の振幅は、位相変調用データ信号により選択される。変調用電気パルス信号の出力タイミングは、トリガ信号に同期する。変調用電気パルス信号は、信号光パルスと参照光パルスとの間の時間差に合わせて生成され、互いに極性の反転した２つの変調用電気パルス信号から構成される。信号光パルスと参照光パルスとには、それぞれ極性の反転した位相変調がかけられる。【００５７】
実施の形態２．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。【００５８】
本実施の形態に係る位相変調装置１００，２００が組み込まれた量子暗号通信装置は、実施の形態１と同様に、図１に示したような構成をとることができる。位相変調装置１００の構成は、図２に示した実施の形態１のものと同様である。【００５９】
図３に示したように、実施の形態１では、トリガ信号が入力されると、変調信号生成器１０６は、信号光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせてデータ信号が指定する振幅の第１電気パルスを位相変調器１０５に印加する。そして、変調信号生成器１０６は、参照光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせて、信号光パルスに印加された電気パルスと極性が反対で振幅が同じ大きさの第２電気パルスを位相変調器１０５に印加する。図３の第１電気パルス、第２電気パルスは、パルス幅を信号光パルス、参照光パルスのパルス幅に合わせた矩形波であるが、第１電気パルス、第２電気パルスのパルス幅はもっと広くしてもよい。【００６０】
図６は、本実施の形態に係る位相変調装置１００における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。【００６１】
図６に示すように、第１電気パルス、第２電気パルス、即ち、位相変調器１０５に印加する電気パルスのパルス幅は、光パルスのパルス幅に合わせず、パルス周期の５０％としてもよい。つまり、変調信号生成器１０６から出力される第１電気パルスと第２電気パルスとは、デューティ５０％であってもよい。これにより、電気パルスを作りやすくなるため、位相変調装置１００の実装が簡単になる。なお、位相変調装置２００についても同様のことがいえる。【００６２】
実施の形態３．
図７は、図２に示した実施の形態１に係る位相変調装置１００（特に、変調信号生成器１０６）の詳細構成の一例を示す図である。【００６３】
図７において、変調信号生成器１０６は、電気パルス生成器１０７、遅延線１０８、差動アンプ１０９を備える。【００６４】
電気パルス生成器１０７は、トリガ信号の入力に同期して、データ信号で設定される振幅の電気パルスを生成する。電気パルス生成器１０７は、生成した電気パルスを信号パルス変調信号と参照パルス変調信号として２つの出力ポートから出力する。このとき、信号パルス変調信号と参照パルス変調信号との振幅は同じである。信号パルス変調信号は差動アンプ１０９に直接入力される。一方、参照パルス変調信号は、信号光パルスと参照光パルスとの間の時間差に相当する遅延を付加する遅延線１０８を経由して、差動アンプ１０９のインバータ入力ポートに入力される。差動アンプ１０９は、位相変調器１０５の特性に応じて適切に信号増幅を行ってから、増幅された信号パルス変調信号及び参照パルス変調信号を位相変調器１０５に印加する。【００６５】
本実施の形態では、上記のような構成をとることにより、図２のタイミングチャートに示したような互いに極性の反転した時間差のある２連電気パルスを容易に生成することが可能となる。【００６６】
以上のように、本実施の形態に係る位相変調装置の変調信号生成器は、データ信号により振幅変調された電気パルス信号を２チャンネル出力する。この変調信号生成器において、出力された２つの信号のうち、１つの信号は信号光パルス変調用に差動アンプに直接入力される。もう１つの信号は参照光パルス変調用に、遅延線にて光パルスの時間差に合わせて遅延した後、差動アンプのインバータ入力に入力される。各信号は差動アンプにて適切な位相変調電圧に増幅され、出力される。【００６７】
実施の形態４．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。【００６８】
本実施の形態に係る位相変調装置１００，２００が組み込まれた量子暗号通信装置は、実施の形態１と同様に、図１に示したような構成をとることができる。位相変調装置１００の構成は、図２に示した実施の形態１のものと同様である。【００６９】
図３に示したように、実施の形態１では、トリガ信号が入力されると、変調信号生成器１０６は、信号光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせてデータ信号が指定する振幅の第１電気パルスを位相変調器１０５に印加する。そして、変調信号生成器１０６は、参照光パルスが位相変調器１０５を通過するタイミングに合わせて、信号光パルスに印加された電気パルスと極性が反対で振幅が同じ大きさの第２電気パルスを位相変調器１０５に印加する。図３の第１電気パルス、第２電気パルスは、パルス幅を信号光パルス、参照光パルスのパルス幅に合わせた矩形波であるが、第１電気パルス、第２電気パルスは矩形波でなくてもよい。【００７０】
図８は、本実施の形態に係る位相変調装置１００における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。【００７１】
図８に示すように、第１電気パルス、第２電気パルス、即ち、位相変調器１０５に印加される電気パルスの波形は鋸歯状の波形であってもよい。つまり、変調信号生成器１０６から出力される第１電気パルスと第２電気パルスとは、鋸波であってもよい。これにより、位相変調器１０５を２連光パルスが通過するタイミングと位相変調器１０５に２連電気パルスが印加されるタイミングとが多少ずれても、必要な電位差をもった２連電気パルスの印加が可能となる。つまり、鋸歯状の電気パルスを印加することで、光パルスに対して電気パルスのタイミングが不精確で多少ずれていても、信号光パルスと参照光パルスとに対する位相変調の量の差が一定であるため、精確な位相変調が可能となる。なお、位相変調装置２００についても同様のことがいえる。【００７２】
図８では、鋸歯状波の掃引レンジが光パルスの時間差よりも少し長い例を示しているが、掃引レンジは光パルスの時間差と同じか少し短くてもよい。また、掃引レンジをパルス周期と同じにしてもよい。即ち、実施の形態２と同様に、パルス周期の全体に渡る掃引をかけてもよい。【００７３】
以上のように、本実施の形態に係る位相変調装置は、時間差のある２つの光パルスである信号光パルスと参照光パルスとの間の位相差に情報を載せる位相変調方式を採用し、量子暗号の位相変調器と変調信号生成器とを備える位相変調装置である。この位相変調装置において、信号光パルスと参照光パルスは、位相変調器を通過し、変調信号の有無により位相変調を受ける。変調信号生成器は、変調用電気パルス信号を出力する。変調用電気パルス信号の振幅は、位相変調用データ信号により選択される。変調用電気パルス信号の出力タイミングは、トリガ信号に同期する。変調用電気パルス信号は、ＤＣ成分をキャンセルする単発の鋸波状で、信号光パルスと参照光パルスとの間の時間差と同じ程度又は当該時間差より長い掃引時間をもつ。信号光パルスと参照光パルスとには、それぞれ極性の反転した位相変調がかけられる。【００７４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらのうち、２つ以上の実施の形態を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、１つの実施の形態を部分的に実施しても構わない。あるいは、これらのうち、２つ以上の実施の形態を部分的に組み合わせて実施しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施の形態１に係る位相変調装置が組み込まれた量子暗号通信装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る位相変調装置の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る位相変調装置における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。
【図４】実施の形態１のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る位相変調方法を用いた量子暗号通信手順を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態２に係る位相変調装置における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。
【図７】実施の形態３に係る位相変調装置の詳細構成の一例を示す図である。
【図８】実施の形態４に係る位相変調装置における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。
【図９】従来の位相変調装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の位相変調装置における位相変調のタイミング及び電気パルスの波形を示すタイミングチャートである。
【図１１】従来技術のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００  位相変調装置、１０１  量子暗号送信装置、１０２  光子源、１０３  非対称マッハツェンダ干渉計、１０４  送信部、１０５  位相変調器、１０６  変調信号生成器、１０７  電気パルス生成器、１０８  遅延線、１０９  差動アンプ、２００  位相変調装置、２０１  量子暗号受信装置、２０２  受信部、２０３  非対称マッハツェンダ干渉計、２０４  光子検出器、２０５  光子検出器、２０６  位相変調器、３０１  量子通信路。
【図１】
2010032326.tif 000003
【図２】
2010032326.tif 000004
【図３】
2010032326.tif 000005
【図４】
2010032326.tif 000006
【図５】
2010032326.tif 000007
【図６】
2010032326.tif 000008
【図７】
2010032326.tif 000009
【図８】
2010032326.tif 000010
【図９】
2010032326.tif 000011
【図１０】
2010032326.tif 000012
【図１１】
2010032326.tif 000013
【国際調査報告】
2010032326.tif 000014
2010032326.tif 000015
2010032326.tif 000016