(57)【要約】【課題】ループ許容誤差範囲が緩和された光ファイバ干渉計（１０）、およびそれを用いる量子キー分配（ＱＫＤ）システム（２００）を開示する。【解決手段】干渉計は、２つの光ファイバループ（ＬＰ１，ＬＰ２）を備える。ループは、ループ間の光路長（ＯＰＬ）差を有する。長さ（Ｌ６０）であり、光学速軸および光学遅軸（ＡＦ，ＡＳ）を有する偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクション（６０）が、２つのループを連結する。長さおよび速軸および遅軸の向きは、偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクション（６０）を通って進行する直交的に偏光した光学パルス間の時間遅延（ΔＴ１−２）がＯＰＬ差を補償するように選択される。これにより、ループの作成時の許容誤差範囲を抜本的に緩和すること、光ファイバベースのＱＫＤシステムなどの関連する装置の製造と同様に干渉計の製造もより容易にし、かつよりコスト効率を高めることを可能にする。【選択図】図１
2009516987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路長（ＯＰＬ）差を有する第１光ファイバループおよび第２光ファイバループと、
光学速軸および光学遅軸と長さ（Ｌ６０）とを有する偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションとを備え、
前記偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションは、前記第１・第２光ファイバループを光学的に連結するとともに、前記第１・第２の直交的に偏光した光学信号を、それぞれ前記光学速軸および前記光学遅軸に沿って前記第１光ファイバループから伝送するように配置されており、
前記長さＬ６０は、前記光路長差を補償するように前記第１・第２の直交的に偏光した光学信号間の時間遅延を与えるように形成されている、
光ファイバ干渉計。
【請求項２】
前記ＰＭ光ファイバセクションの出力端部にあるいはその近傍に、前記ＰＭ光ファイバセクションによって送信された前記第１・第２の直交的に偏光した光学信号を、前記第２光ファイバループを通る第１・第２の共通偏光状態の光学信号に変換する偏光調整部材を備える、請求項１に記載の光ファイバ干渉計。
【請求項３】
前記ＰＭ光ファイバセクションと、前記第１または第２光ファイバループと、に光学的に連結される光ファイバリンクをさらに備える、請求項１に記載の光ファイバ干渉計。
【請求項４】
前記第１・第２光ファイバループは、それぞれ２つのビーム分割エレメントと、該ビーム分割エレメントに光学的に連結される２つの光ファイバセクションと、を有する請求項１に記載の光ファイバ干渉計。
【請求項５】
前記第２光ファイバループの光学的に下流側に配置され、前記第２光ファイバループによって形成された干渉光学信号を検出し、この検出に応じて電気的検出信号を生成する第１・第２光検出器と、
前記第１・第２光検出器に電気的に連結されるとともに、前記電気的検出信号を受信して処理する電子検出ユニットと、
をさらに備える、
請求項１に記載の光ファイバ干渉計。
【請求項６】
請求項１に記載の光ファイバ干渉計と、
第１・第２位相変調器と、
第１・第２単一光子検出器（ＳＰＤ）と、
を備え、
前記第１・第２位相変調器は、前記第１・第２光ファイバループにそれぞれ配置され、通過する第１・第２光学信号を選択的にランダム位相変調し、
前記第１・第２単一光子検出器は、前記第２ファイバループに対してそれぞれ配置されており、前記第２光ファイバループによって、変調された前記第１・第２光学信号から干渉された光学信号が形成され、
前記干渉された光学信号は、前記第１・第２単一光子検出器のいずれか一方に検出される、
量子鍵分配システム。
【請求項７】
第１・第２アームを有し、前記第１・第２アームのそれぞれにおいて、直交的に偏光した第１・第２光学信号を伝送するように適合された第１光ファイバループと、
入力端部で前記第１光ファイバループに光学的に連結され、直交的に偏光した第１・第２光学パルスをそれぞれ速軸および遅軸に沿って送信する偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションと、
前記ＰＭ光ファイバセクションの出力端部に、あるいはその近傍に配置され、前記ＰＭ光ファイバセクションによって送信された前記直交的に偏光した第１・第２光学信号を受けて、共通偏光状態の第１・第２光学信号を形成する偏光調整部材と、
前記偏光調整部材に光学的に連結され、前記第１・第２の共通偏光状態の光学パルスを干渉させ、前記第１に対して光路長（ＯＰＬ）差を有している第２光ファイバループと、
を備え、
前記ＰＭ光ファイバセクションは、前記ＯＰＬ差を補償するために選択された長さおよび向きを有している光ファイバ干渉計。
【請求項８】
前記ＰＭ光ファイバセクションと、前記第１または第２光ファイバループと、に光学的に連結される光ファイバリンクを、さらに備える請求項７に記載の光ファイバ干渉計。
【請求項９】
光路長（ＯＰＬ）差を有する第１・第２光ファイバループを準備する工程と、
前記光路長差を補償するように、偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションを進行する直交的に偏光した光学信号に時間遅延を与えるために選択された光学速軸および光学遅軸の向きおよび長さを有する偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションに、前記第１・第２光ファイバループを光学的に連結する工程と、
を備える光ファイバ干渉計の形成方法。
【請求項１０】
前記光路長差を測定する工程と、
前記ＰＭ光ファイバセクションの長さを前記測定された光路長差に基づいて形成する工程と、
を備える請求項９に記載の光ファイバ干渉計の形成方法。
【請求項１１】
前記第１または第２光ファイバループを、前記ＰＭ光ファイバセクションに光ファイバリンクで光学的に連結する工程を備える請求項９に記載の光ファイバ干渉計の形成方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の光ファイバ干渉計の形成方法によって光ファイバ干渉計を形成する工程と、
第１・第２位相変調器を前記第１・第２光ファイバループに配置する工程と、
を備え、
前記第１・第２位相変調器は、前記第１・第２位相変調器を通過するそれぞれの第１・第２光学信号に、選択的にランダムな位相変調を与える、
量子鍵分配システムの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉法に関し、特に、光ファイバベースの（Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ）干渉計およびそれを用いる量子鍵分配システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学干渉計
光学干渉計は、光学信号の両方または一方において暗号化された情報（例えば、位相情報）に基づいて測定するために、コヒーレントな光学信号を分離し、後で結合するデバイスである。
光学干渉計は、コヒーレントな光学信号を分離し、後に結合するデバイスであり、分離された光学信号の両方または一方においてコード化された情報（例えば、位相情報）に基づいて測定する。光学干渉計は、例えば、表面トポグラフィーの正確な測定や、２つの物体の間の正確な距離を測定すること、微小な運動量を測定することなど、多くの測定関係の用途に用いられる。
【０００３】
光学干渉計に基づいている多くの高精度なデバイスがある。１つのこのようなデバイスは、ミサイルや飛行機のためのナビゲーションシステムに用いられるリングレーザジャイロスコープである。他のこのようなデバイスは、量子暗号において用いられる量子鍵分配（ＱＫＤ）システムである。この後者のデバイスは、後に詳細に議論されており、また、本発明にとっての例示的な応用として用いられている。
【０００４】
量子鍵分配（ＱＫＤ）
ＱＫＤは、単一光子、または弱い（例えば、平均で０．１光子の）光学信号（パルス）、または量子チャネルを伝送された量子ビットのいずれか１つを用いることによって、送信者（アリス）と受信者（ボブ）との間の鍵の成立を含む。
量子鍵分配の安全性は、未知の状態における量子システムのどのような測定も、その状態を変更するという量子力学の原理に基づいている。結果として、交換された量子ビットを傍受または測定しようとする盗聴者（イブ）は、彼女（イブ）の存在を暴露するエラーを導くであろう。
量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献（特許文献１参照）およびＣ．Ｈ．ベネットの論文（非特許文献２参照）に述べられている。ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターらの著作（非特許文献３参照）に述べられている。
【０００５】
前述のベネットによる文献は、それぞれ、２つの（１つはアリスにあり、１つはボブにある）ループを有するエクステンディッド（ｅｘｔｅｎｄｅｄ）干渉計をベースにした、いわゆる「ワンウェイ」ＱＫＤシステムを開示している。ループは、光学信号を分割して再結合するために用いられる。各ループにおけるアームの一方は、位相変調器を備えており、これにより、アリスとボブとが、それぞれ、ランダムに選択された位相を、位相変調器を通過する光学信号に与えることができる。変調された光学信号は、ボブにおいて再合成され（干渉され）、干渉された信号に与えられた全体的な変調を示すために配置される単一光子検出器を用いて測定される。十分に多くの光学信号が交換されると、アリスとボブとは、変調情報を共有し、アリスとボブとの間の秘密キーを、既知のＱＫＤ技術を用いて確立する。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【非特許文献１】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９８４）
【非特許文献２】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８  ３１２１（１９９２）
【非特許文献３】“Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，”Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  ２００１，ｉｎ  Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，ｐａｇｅｓ２７−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＱＫＤシステムが適切に機能するためには、干渉計ループが同じ光路長を有するように、それぞれの干渉計ループを非常に正確に形成する必要がある。このことは、干渉計の異なる経路上を進行する光学信号が、同時に同じ場所で出合って干渉することを保証する。光学信号が、ほぼ光速で光ファイバ内を進行するということから、２つの光学信号がとる光学経路の差が非常に小さなものであっても、光学信号が互いを見落としてしまい、干渉しないという結果をもたらす可能性がある。ＱＫＤシステムにおいて用いられる典型的なレーザコヒーレンス長は、通常、１０ｐｓのオーダーである（光ファイバ屈折率を１．５として１ｐｓ＝２００ｍｋｍ）。よい視認性（干渉）を保証するには、それぞれの光ファイバループのアームを構成する光ファイバセクションを、１ｐｓ（〜２００ｍｋｍすなわち０．２ｍｍ）のオーダー以上の精度で組み立てなければならない。これは、実際には非常に実施が難しく、干渉計の全体的な製造コストを著しく増加させ、製造誤差の原因になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の説明
本発明の一特徴は、光路長（ＯＰＬ）差を有する第１および第２光ファイバループを備える光ファイバ干渉計である。この光ファイバ干渉計は、また、第１および第２光ファイバループを光学的に結合し、ある長さＬ６０と光学速軸（ＡＦ）および光学遅軸（ＡＳ）とを有する偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションを備える。このＰＭ光ファイバセクションは、第１光ファイバループによって形成される直交的に偏光した光学信号を伝送する。直交的に偏光した光学信号は、光学速軸および光学遅軸によって異なる速度でファイバを進み、これにより、相対的な時間遅延を受ける。光学速軸および光学遅軸の向きと長さＬ６０とは、ＰＭ光ファイバセクションが、２つの光ファイバループ間のＯＰＬ差を補償する、直交的に偏光した光学信号間の時間遅延を与えるように選択される。
【０００８】
本発明の他の特徴は、上述の光ファイバ干渉計を用いるＱＫＤシステムである。このＱＫＤシステムは、第１および第２光ファイバループにそれぞれ配置された第１および第２位相変調器を備える。これらの変調器は、通過するそれぞれの第１および第２光学信号を選択的にランダムに位相変調するよう適合されている。ＱＫＤシステムは、また、第２光ファイバループに対して配置された第１および第２単一光子検出器（ＳＰＤ）を備える。これらのＳＰＤの一方は、第１および第２の変調された光学信号から、第２光ファイバループによって形成される干渉された光学信号を検出する。変調された信号に与えられた全体的な位相は、いずれのＳＰＤが干渉された光学信号を検出するかを決定する。
【０００９】
本発明の他の特徴は、光ファイバ干渉計を形成する方法である。この方法は、ＯＰＬ差を有する第１および第２光ファイバループを配置する工程を備える。この方法は、また、光ファイバループを偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションに光学的に連結する工程を備える。偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションは、偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションを進行する直交的に偏光した光学信号に時間遅延を与えるために選択された光学速軸および光学遅軸の向きとある長さとを有しており、これにより、ＯＰＬ差を補償する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図では、利便化のため、同様のエレメントには同様の参照符号を付している。また、図に示す、および以下に説明する偏光方向は、例示のために選択されたものであって、当業者には、他の偏光方向が可能であることは、明らかであろう。
また、図面に示した種々のエレメントは、単に、表示的なもので、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。ある部分が誇張されていることもあり、また、他の部分が極小化されていることもある。図面は、当業者によって理解され適切に実行することができる本発明の種々の実施形態を例示するように意図されたものである。
【００１１】
＜装置＞
図１は、本発明にかかる光ファイバ干渉計１０の例示的な実施形態の概略図である。干渉計１０は、レーザなどのコヒーレント光源１２を備える。干渉計１０は、また、光源１２に光学的に連結されたビーム分割エレメント１６（例えばビーム分割キューブ）を備える。例示的な実施形態では、ビーム分割エレメント１６は、１つの偏光光を受けて、２つの直交する偏光に分割するように適合されている。ビーム分割エレメントは、入力ポート１８と、出力ポート２０，２２と、を備える。ビーム分割エレメント１６は、光源１２に、偏光保持（ＰＭ）光ファイバセクションＦ０を介して、入力ポート１８で光学的に連結される。
【００１２】
干渉計１０は、また、入力ポート３８，４０、および出力ポート４２を有する偏光ビーム分割エレメント３６（例えばビーム分割キューブ）を備える。ビーム分割エレメント３６は、エレメント１６の出力ポート２２をエレメント３６の入力ポート３８に接続する光ファイバセクションＦ１によって、ビーム分割エレメント１６に光学的に連結される。同様に、ビーム分割エレメント３６は、エレメント１６の出力ポート２０をエレメント３６の入力ポート４０に接続する光ファイバセクションＦ２によって、ビーム分割エレメント１６に光学的に連結される。ビーム分割エレメント１６，３６とともに、光ファイバセクションＦ１，Ｆ２は、第１干渉計「ループ」ＬＰ１を構成する。光ファイバセクションはループの「アーム」である。以下に、ループＬＰ１の構成をより詳細に説明する。
【００１３】
例示的な実施形態では、ビーム分割エレメント１６は、５０−５０ビーム分割エレメントである。そして光ファイバセクションＦ１は、光がビーム分割エレメント３６の入力ポート４０に到達した時に、光ファイバセクションにおける光の偏光が実効的に９０°回転されるようにツイストされたＰＭ保持光ファイバから作られる。
干渉計１０は、また、ビーム分割エレメント３６の出力ポート４２の近傍に配置されるとともに、ＰＭ光ファイバセクションＦ３によってビーム分割エレメント３６の出力ポート４２に光学的に連結されている第１光ファイバカプラ５０を備える。光ファイバカプラ５０およびＰＭ光ファイバセクションＦ３の使用は、必須ではなく、干渉計の組み立てを容易にする方法に相当する。長さＬ６０、入力端部６２および出力端部６４を有する偏光保持（ＰＭ）光ファイバのセクション６０は、その入力端部６２で、第１光ファイバカプラ５０に光学的に連結される。ＰＭ光ファイバ出力端部６４は、第２光ファイバカプラ５２に光学的に連結される。第２光ファイバカップラ５２は、また、ＰＭ光ファイバセクションＦ４に光学的に連結される。
【００１４】
ＰＭ光ファイバセクション６０は、直交する光学速軸ＡＦおよび光学遅軸ＡＳと、長さＬ６０と、を有する。以下で詳細に説明する通り、長さＬ６０と、光学速軸ＡＦおよび光学遅軸ＡＳの向きとは、干渉計ループＬＰ１，ＬＰ２間の光路長差を補償するよう選択される。第２光ファイバカプラ５２およびＰＭ光ファイバセクションＦ４の使用は、製造を容易にするものであり、したがって必須ではない。
【００１５】
干渉計１０は、光ファイバカプラ５２にＰＭ光ファイバセクションＦ４を介して光学的に連結される偏光調整部材８０をさらに備える。偏光調整部材８０は、直交的に偏光した光学信号を受けて、２つの同方向偏光の光学信号を出力するように適合されている。例示的な実施形態では、偏光調整部材８０は、主軸がＰＭ光ファイバセクション６０の速軸ＡＦに対して４５°になるように配置された偏光子を備える。他の例示的な実施形態では、偏光調整部材８０は、半波長板と、主軸がＰＭ光ファイバセクション６０の速軸ＡＦに対して０°となるように配置された偏光子と、を備える。他の例示的な実施形態では、偏光調整部材８０は、垂直な偏光の光学信号Ｐ１に作用するようにゲート制御された高速位相変調器を備えており、これにより、この光学信号を水平な偏光の光学信号に転換する。
【００１６】
引き続き図１を参照して、例示的な実施形態では、干渉計１０は、光ファイバセクションＦＬを備える。光ファイバセクションＦＬは、一方の端部（ＦＬＡ）で、偏光調整部材８０に光学的に連結される。また、光ファイバセクションＦＬは、反対側の端部（ＦＬＢ）で、５０−５０ビーム分割エレメント１００の入力ポート１０２に光学的に連結される。５０−５０ビーム分割エレメント１００は、また、２つの出力ポート１０４，１０６を有する。ここで注目されるのは、他の例示的な実施形態では、ビーム分割エレメント１００は、間に光ファイバセクションを用いることなく、偏光調整部材８０に光学的に直接連結されることである。しかしながら、光ファイバセクションＦＬは、これらの２つのエレメントが、間隔をあけて配置されることを可能にする。これらの２つのエレメントの間隔をあけて配置することは、後述するＱＫＤシステムなどの多くの用途に対して好ましい。
【００１７】
例示的な実施形態では、ビーム分割エレメント１００は、偏光保持するものであり、そして、干渉計１０は、このエレメントの上流に偏光制御器９９（破線のボックス）を、さらに、備えている。
干渉計１０は、また、２つの入力ポート１１２，１１４と２つの出力ポート１１６，１１８とを有するビーム分割エレメント１１０を備える。ビーム分割エレメントは、エレメント１００の出力ポート１０６をエレメント１１０の入力ポート１１２に接続する光ファイバセクションＦ８と、エレメント１００の出力ポート１０４をエレメント１１０の入力ポート１１４に接続している光ファイバセクションＦ９と、によって、ビーム分割エレメント１００に光学的に連結される。ビーム分割エレメント１００，１１０とともに、光ファイバセクションＦ８，Ｆ９は、第２光ファイバ干渉計ループＬＰ２を構成する。光ファイバセクションはループのアームである。以下に、ループＬＰ１の構成を、よりに詳細に説明する。
【００１８】
干渉計１０は、２つの光検出器Ｄ１，Ｄ２をさらに備える。２つの光検出器Ｄ１，Ｄ２は、それぞれの光ファイバセクションＦ１０，Ｆ１１を介して、ビーム分割エレメント１１０の出力ポート１１６，１１８に、それぞれ光学的に連結される。例示的な実施形態では、光検出器Ｄ１，Ｄ２は、単一光子検出器（ＳＰＤ）である。光検出器Ｄ１，Ｄ２は、電子検出ユニット１３０（例えばコンピュータ）に電気的に連結される。電子検出ユニット１３０は、検出器電気信号ＳＤ１，ＳＤ２を受信し、処理して、対応する情報を記憶するように適合されている。
【００１９】
＜ループ光路差＞
上述の通り、従来の光ファイバ干渉計においては、ループＬＰ１の光ファイバセクション（アーム）Ｆ１，Ｆ２、およびループＬＰ２の光ファイバセクション（アーム）Ｆ８，Ｆ９を、サブミリメートル精度で、通常は約０．１ｍｍ内の精度で、切断する必要がある。これは、非常に大変な作業であり、製造プロセスのコスト増加をまねき、さらには、干渉計ループにおける光路長エラーをもたらす。
【００２０】
本発明の光ファイバ干渉計は、光ファイバループＬＰ１，ＬＰ２の一方あるいは両方を、より低精度で、例えば、コンマ数ミリメートルではなく数ミリメートルのオーダーで（あるいはセンチメートルのオーダーでさえ）、作成することを可能にする。例示的な実施形態では、光ファイバループＬＰ１，ＬＰ２は、緩和された許容誤差範囲で（再び、例えば、数ミリメートルあるいは数センチメートル内で）作成される。このように緩和された許容誤差範囲では、一般的に、ループの光路長に差があらわれることになる。本発明の例示的な実施形態では、ループが、意図的に異なる光路長を有するように、例えば、意図的に一方のループを他方のループに対して短縮することによって、形成される。例示的な実施形態において、ループＬＰ１，ＬＰ２間の光路長差は（意図的あるいは意図せずのどちらであっても）、光学信号間の完全な干渉を防止する。
【００２１】
ループＬＰ１，ＬＰ２間の光路長（ＯＰＬ）差を、ΔＬ１−２として定義する。本発明の例示的な実施形態では、このＯＰＬ差が、（例えば、干渉計を用いて）測定される。そして、ＯＰＬ差ΔＬ１−２は、ＯＰＬ差ΔＬ１−２に起因する対応した時間遅延ΔＴ１−２を次の関係によって計算するために用いられる。
ΔＴ１−２  ＝  （ｎ）（ΔＬ１−２）／ｃ      式（１）
ここで、ｎは光ファイバセクションの屈折率（この例においては、各光ファイバセクションの屈折率は同じであると仮定する）であり、ｃは光速である。
【００２２】
ＯＰＬ差による時間遅延は、ＰＭ光ファイバセクション６０の選択長さＬ６０を用いることによって補償される。ＰＭ光ファイバセクションは、複屈折であるため、軸ＡＦ，ＡＳに沿って異なる屈折率を有する。したがって、ＰＭ光ファイバセクションは、速軸および遅軸に沿った向きの直交的に偏光した光学信号に対するグループ遅延Ｄ６０の増加を与える。ＰＭ光ファイバセクションにおける屈折率の差が比較的小さいので、直交的に偏光した光学信号間の時間遅延を変えるために、光ファイバは比較的長いセクションを要する。グループ遅延Ｄ６０は、ｐｓ／ｍ単位で測定され、通常の値は〜１ｐｓ／ｍである。このグループ遅延によって、ＰＭ光ファイバセクション６０を速軸および遅軸に沿って進行する直交的に偏光した光学信号間の時間遅延を、高精度で調整することが可能になる。詳細には、ＰＭ光ファイバセクションの速軸および遅軸の向きと長さＬ６０とは、２つのループ間のＯＰＬ差によってもたらされる直交光学パルス間の時間遅延における不一致を補償するように選択される。ＰＭ光ファイバセクションは、いずれの光学信号が遅延することになるか、つまり、いずれの光学信号がＰＭ光ファイバセクションの速軸に沿った向きであり、いずれの光学信号が遅軸に沿った向きであるか、を選択するように方向付けられる。
【００２３】
ＯＰＬ差を補償する長さＬ６０は、次のように求められる。
Ｌ６０  ＝  （ΔＴ１−２）／Ｄ６０  ＝  （ｎ）（ΔＬ１−２）／（Ｄ６０ｃ）      式（２）
実際的な製造の観点から、意図的に、干渉計ループＬＰ１，ＬＰ２に異なるＯＰＬを持たせて（例えば、意図的にループの一方を短縮することによって）、そして、ＰＭ光ファイバセクション６０の長さＬ６０を調整することによってその差を補償する方が、ループＬＰ１，ＬＰ２の４つの光ファイバセクションをすべてコンマミリメートル内で形成するよりもはるかに容易である。この点を例証するために、１ｐｓ／ｍのグループ遅延Ｄ６０を考えると、長さＬ６０のＰＭ光ファイバ６０を、１本だけ、１メートルの非常に許容範囲の広い精度で切断する必要があるが、ループＬ１，Ｌ２を形成することは、４つの異なる光ファイバセクションのそれぞれを、０．１ｍｍのかなり許容範囲の狭い精度で切断することを含んでいる。このように、本発明は、従来技術の１０４の製作公差の減少に相当する。
【００２４】
＜動作の方法＞
引き続き図１を参照して、光ファイバ干渉計１０の動作において、光源１２は、光ファイバセクションＦ０上をＰＭビーム分割エレメント１６に進行する４５°偏光された光学信号Ｐ０を生成する。そして、ビーム分割エレメント１６は、光学信号Ｐ０を、光ファイバセクションＦ１上を進行する垂直な偏光の光学信号Ｐ１と、光ファイバセクションＦ２上を進行する水平な偏光の光学信号Ｐ２と、に分割する。光ファイバセクションＦ２が光ファイバセクションＦ１より長いので、時間遅延がある。時間遅延は、光ファイバセクションＦ３において、光学パルスＰ１が光学パルスＰ２に先行する状態で光学パルスＰ１，Ｐ２に与えられる。
【００２５】
説明のため、ループＬＰ１における光ファイバセクションＦ２がループＬＰ２における光ファイバセクションＦ９より短く、ループＬＰ１，ＬＰ２間にＯＰＬ差ΔＬ１−２があると仮定する。光ファイバセクションＦ１は光ファイバセクションＦ９より短いので、光学信号Ｐ１，Ｐ２は、上記の式（１）でΔＴ１−２によって与えられた量により、「極端に短い」時間遅延を有する。
【００２６】
直交的に偏光した光学信号Ｐ１，Ｐ２は、光ファイバセクションＦ３を通過し、光ファイバカプラ５０を通過し、そして、ＰＭ光ファイバセクション６０上を進行する。ＰＭ光ファイバ６０は、式（２）によって定義される長さＬ６０を有するとともに、光学信号Ｐ１が速軸ＡＦに沿って進行し、光学信号Ｐ２が遅軸ＡＳに沿って進行するように配置されている（向きが決められている）。この結果、ＰＭ光ファイバセクション６０が、ループＬＰ１，ＬＰ２間のＯＰＬ差を補う光学信号Ｐ１，Ｐ２間の時間遅延を与えることになる。
【００２７】
適切に遅延された光学信号Ｐ１，Ｐ２は、ＰＭ光ファイバセクション６０を出て、光ファイバカプラ５２を通過して光ファイバセクションＦ５へと入る。そこで、光学信号は、偏光調整部材８０に出合う。偏光調整部材８０は、光学信号Ｐ１，Ｐ２の一方あるいは両方に対して作用し、これにより、これらの信号が共通の偏光になる。例示のため、偏光調整部材８０は、例えば、光学信号Ｐ２の偏光を９０°回転させることによって、光学信号Ｐ１，Ｐ２が垂直に偏光するよう作用すると仮定する。一方の干渉計ループから他方のループまで、共通偏光状態の光学信号を送信することは、干渉計を単純化する。なぜなら、２つの光学信号は、それらがループ間を進行するのと同じ位相摂動（ｐｈａｓｅ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ）を受けるからである。
【００２８】
共通の方向に偏光された光学信号Ｐ１，Ｐ２は、光ファイバリンクＦＬ上をビーム分割エレメント１００へと、上述の例示的な実施形態においては、偏光制御器９９を通って進行する。例示的な実施形態では、ビーム分割エレメント１００は、光学信号Ｐ１，Ｐ２それぞれを、光ファイバセクションＦ８，Ｆ９上をそれぞれ進行する２つの光学信号へと、分割する。例示のため、最終的に干渉する光学信号Ｐ１，Ｐ２のみを示す。
【００２９】
光学信号Ｐ１，Ｐ２は、ここでは、光学信号Ｐ１，Ｐ２間の適切な時間遅延を有しているので、より長い光ファイバセクションＦ９上を進行する光学信号Ｐ１は、より短い光ファイバセクションＦ８上を進行する光学信号Ｐ２と干渉するのに必要とされる正確な量だけ遅延する。これにより、２つの共通偏光状態の光学信号Ｐ１，Ｐ２が、ビーム分割エレメント１１０によって、再合成（干渉）される。干渉が強め合うか弱め合うかに応じて、干渉されたパルスは、光検出器Ｄ１あるいは光検出器Ｄ２のいずれかで検出される。光検出器Ｄ１，Ｄ２の検出イベントは、電子検出ユニット１３０によって受信および処理されるそれぞれの電気的検知器信号ＳＤ１またはＳＤ２を生成する。
【００３０】
＜例示的な用途：ＱＫＤ＞
本発明の光ファイバ干渉計は、１つ以上の干渉計ループを構成する光ファイバセクションの切断における許容誤差範囲の緩和から利益を受けるであろうあらゆる用途に有用である。
本発明の光ファイバ干渉計の例示的な用途には、ＱＫＤシステムがある。図２は、図１を用いて上述した光ファイバ干渉計１０をベースにしたＱＫＤシステム２００の概略図である。ＱＫＤシステム２００は、後述する通り、光ファイバ干渉計１０の上述したエレメントのすべてと、ＱＫＤシステムを構成する追加のエレメントと、を備えている。
【００３１】
ＱＫＤシステム２００は、２つのＱＫＤステーション、アリスとボブとを備える。アリスは、光源１２と、第１ループＬＰ１と、第１光ファイバカプラ５０と、ＰＭ光ファイバセクション６０と、第２光ファイバカプラ５２と、偏光調整部材８０と、を、すべて、保護ハウジングＨＡ内に収容して備えている。アリスは、さらに、光ファイバセクションＦ２に配置された位相変調器ＭＡと、光源１２およびその位相変調器に機能的に連結されたコントローラＣＡと、を備えている。アリスは、また、偏光調整部材８０を光ファイバリンクＦＬにハウジングＨＡの出力ポート２１０を介して連結する光ファイバセクションＦ６を備えている。アリスは、さらに、光ファイバセクションＦ６に配置されるとともにコントローラＣＡに機能的に連結された可変光減衰器２２０を備えている。
【００３２】
ボブは、光検出器Ｄ１，Ｄ２および電子検出ユニット１３０に加えて、第２干渉計ループＬＰ２を、すべて、保護ハウジングＨＢ内に収容して、備えている。ＱＫＤ用途では、光検出器Ｄ１，Ｄ２は、単一光子検出器（ＳＰＤ）である。ボブは、また、光ファイバセクションＦ９に配置された位相変調器ＭＢと、電子検出ユニット１３０およびその位相変調器に機能的に連結されたコントローラＣＢと、を備えている。コントローラＣＢ，ＣＡは、同期信号ＳＳを伝送する同期チャネルＳＣを介して機能的に連結される。同期信号ＳＳは、ボブとアリスの動作、したがってＱＫＤシステムの動作全体を連係して機能させるよう用いられる。例示的な実施例において、同期チャネルＳＣは、光ファイバリンクＦＬ上を伝送される。光ファイバリンクＦＬは、ループＬＰ２に、ハウジングＨＢにおける入力ポート２１２に光学的に連結された光ファイバセクションＦ７を介して、光学的に連結される。
【００３３】
ＱＫＤシステム２００の動作において、コントローラＣＡは、光源１２に光学信号Ｐ０を出射させる制御信号Ｓ０を生成する。光学信号Ｐ０は、光学信号Ｐ１，Ｐ２に、上述の通り分割される。しかしながら、光学パルスＰ２は、ここでは、変調器ＭＡを通過する。変調器ＭＡは、コントローラＣＡからのタイミングが合わせられた作動信号ＳＡを通じて作動される。これにより、１セットの基準位相変調からランダムに選択された位相変調を与え、その結果、一度変調された光学信号Ｐ２’を形成する。この変調処理を、ここでは、「選択的ランダム位相変調」と呼ぶ。そして、信号Ｐ１，Ｐ２’は、可変光減衰器２２０によって減衰される。可変光減衰器２２０は、制御信号Ｓ２２０を通じてコントローラＣＡによって設定される。その結果、アリスを出た光学信号が、弱い（量子）光学信号であることを保証する。
【００３４】
そして、光学信号Ｐ１，Ｐ２は、上述の通り、ボブ上を進行する。しかしながら、ボブでは、光学パルスＰ１は、コントローラＣＢからのタイミングが合わせられた作動信号ＳＢを通じて作動される変調器ＭＢを通過する。これにより、光学信号Ｐ１を選択的にランダムに位相変調し、その結果、一度変調された光学信号Ｐ１’を形成する。
そして、変調された光学信号Ｐ１’，Ｐ２’は、ビーム分割プリズム１１０において干渉される。そして、干渉された信号は、光学信号Ｐ１’，Ｐ２’に与えられた全体的な位相に応じて、ＳＰＤ  Ｄ１またはＳＰＤ  Ｄ２で検出される。干渉された光学信号Ｐ１’，Ｐ２’のそれぞれのペアに対して、１つの電気的な検知器信号ＳＤ１またはＳＤ２が生成され、コントローラＣＢに提供される情報を出力する電子検出ユニット１３０に送信される。
【００３５】
十分な数の光学信号がアリスとボブとの間で交換されると、通常のＱＫＤ処理（つまり、エラー訂正、シフティング、プライバシー増幅など）が、コントローラＣＡ，ＣＢ間の通信を通じたデータに対して行われる。
ＱＫＤシステム２００において光ファイバ干渉計１０を用いる利点は、その結果として得られるＱＫＤシステムが、従来技術の光ファイバベースのＱＫＤシステムよりも、製造がはるかに簡単で、非常に低コストであることにある。例示的な実施形態では、キュービット誤り率（ＱＢＥＲ）は、光ファイバループＬＰ１，ＬＰ２間のＯＰＬ差を評価するために用いられる。この差がＱＢＥＲに悪影響を及ぼす場合、（個々の光ファイバループではなく）ＰＭ光ファイバセクション６０の長さＬ６０は、ＱＢＥＲが最適化される（例えば、最小化される）ように調整される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明にかかる、ループ許容誤差範囲が緩和された光ファイバ干渉計の例示的な実施形態の概略図である。
【図２】図２は、図１の光ファイバ干渉計をベースにしたＱＫＤシステムの例示的な実施形態の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2009516987.tif 000006