(57)【要約】【課題】量子信号波長が古典信号波長帯域内にあるか、古典信号波長の１つに非常に近接する量子信号および古典信号を光ネットワーク上で送信するシステムおよび方法を開示する。【解決手段】本システムは、古典信号波長を含まず量子信号波長を含むブロッキング帯域幅を有するディープノッチ光学フィルタを備える。古典信号は、量子信号と多重化される前に、ディープノッチ光学フィルタリングがかけられ、伝送光ファイバで古典信号から生成されたノイズが伝送される量子信号に悪影響を及ぼすことを防止する。伝送光ファイバで非線形効果から生じるスプリアス非量子信号波長を大幅に排除するため、量子信号は検出前に狭帯域フィルタリングがかけられる。量子信号および古典信号が、互いにわずか数ナノメータ内に波長を有することができ、共通伝送光ファイバ上での古典信号および量子信号の両方の伝送に効果がある。【選択図】図１
2009526474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送光ファイバ上で、対応する古典信号波長を有する古典信号と、量子信号波長を有する量子信号と、を送信する送信方法であって、
前記量子信号波長を含む波長をブロックするために前記古典信号をフィルタリングする工程であって、前記量子信号波長を中心とするが前記古典信号波長にまでは広がっていない狭帯域幅にわたって行われ、前記古典信号波長の少なくとも１つは、前記量子信号波長の１００ｎｍ内にある古典信号をフィルタリングする工程と、
前記量子信号の検出直前に、非量子信号波長を実質的に排除するために前記量子信号をフィルタリングする工程と、
を備えている、送信方法。
【請求項２】
前記古典信号波長の少なくとも１つは、前記量子信号波長の１０ｎｍ内にある、
請求項１に記載の送信方法。
【請求項３】
前記帯域幅は、５ｎｍ以下である、
請求項１に記載の送信方法。
【請求項４】
前記帯域幅は、１ｎｍ以下である、
請求項３に記載の送信方法。
【請求項５】
前記量子信号波長は、前記２つの古典信号波長の間にある、
請求項１に記載の送信方法。
【請求項６】
前記２つの古典信号波長は、１０ｎｍ以下で離れている、
請求項５に記載の送信方法。
【請求項７】
前記古典信号波長は、１５５２．５２ｎｍおよび１５４６．１２ｎｍを含んでおり、前記量子信号波長は１５４９．３２ｎｍである、
請求項６に記載の送信方法。
【請求項８】
古典信号および量子信号を光ファイバ上で送信する送信方法であって、
それぞれの古典信号波長において古典信号を生成する工程と、
少なくとも２つの古典信号波長の間にある量子信号波長において量子信号を生成する工程と、
前記量子信号波長を含むが前記古典信号波長を含まない波長をブロックするために前記古典信号をフィルタリングし、フィルタリングされた古典信号を形成する工程と、
光ファイバ上に前記フィルタリングされた古典信号を前記量子信号と多重化する工程と、
前記フィルタリングされた古典信号および量子信号を多重分離する工程と、
前記量子信号の検出直前に、非量子信号波長を実質的に排除するために前記量子信号をフィルタリングする工程と、
を備えている、送信方法。
【請求項９】
前記フィルタリングする工程の前に、前記古典信号をエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）で増幅する工程を含んでいる、
請求項８に記載の送信方法。
【請求項１０】
それぞれの古典信号波長を有する古典信号を生成し受信するように適合された古典光通信システムと、
量子信号波長を有する量子信号を生成し受信するようにそれぞれ適合されたＱＫＤステーションアリスおよびボブを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムと、
前記古典信号および前記量子信号の両方をネットワークの送信側からネットワークの受信側へ伝送するように適合された伝送光ファイバと、
前記量子信号波長周辺ではあるが前記古典信号波長までは広がっていない狭スペクトル帯域にわたる前記古典信号のみをフィルタリングするように配置され、前記量子信号波長は前記古典信号波長のうちの１つの１００ｎｍ内となる第１光学ブロッキングフィルタと、
前記量子信号および前記古典的信号を合成するためにネットワークの送信側に配置されている多重化エレメントと、ネットワークの受信側で前記量子信号および前記古典信号を分離するためにネットワークの受信側に配置されている多重分離エレメントと、
前記量子信号の検出直前に、非量子信号波長を実質的に排除するようためにネットワークの受信側で前記量子信号をフィルタリングするように適合された狭帯域パスフィルターと、
を備えている、光ネットワークシステム。
【請求項１１】
前記第１光学フィルタの上流側に光学的に配置され、前記古典信号を増幅するように適合されたエルビウム添加増幅器（ＥＤＦＡ）を含んでいる、
請求項１０に記載の光ネットワークシステム。
【請求項１２】
前記量子信号光学波長は、２つの前記古典信号波長の間にある、
請求項１１に記載の光ネットワークシステム。
【請求項１３】
前記量子信号波長は、前記古典信号波長のうちの１つの１０ｎｍ内にある、
請求項１１に記載の光ネットワークシステム。
【請求項１４】
長距離光ファイバネットワーク上で、古典チャネルを表す古典波長をそれぞれ有する古典信号と、量子チャネルを表す量子信号波長を有する量子信号と、を送信する送信方法であって、
前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを前記ネットワークのセクションにおいて分離する工程と、
分離した古典チャネルにおいて、前記量子信号波長を排除するが前記古典信号波長のいずれも排除しないようにし、前記量子信号波長が前記古典信号波長のうちの１つの１００ｎｍ内となるように前記古典信号をフィルタリングする工程と、
分離した量子チャネルにおいて、非量子信号波長を実質的に排除しフィルタリングされた量子信号を形成するために第１量子信号を狭帯域パスフィルタリングする工程と、中継された量子信号を形成するために前記フィルタリングされた量子信号を量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションに出力する工程と、
前記フィルタリングされた古典信号と前記中継された量子信号とを伝送するために、前記古典チャネルおよび前記量子チャネルを再合成する工程と、
を備えている、送信方法。
【請求項１５】
長距離光ファイバネットワーク上で、古典チャネルを表す古典波長をそれぞれ有する古典信号と、量子チャネルを表す量子信号波長を有する量子信号と、を送信する送信システムであって、
前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを分離するように適合された多重分離装置と、
分離された古典チャネルにおいて、前記量子信号波長が前記古典信号波長のうちの１つの１００ｎｍ内にあるフィルタリングされた古典信号を形成するための、光アイソレータと、前記光アイソレータに光学的に連結された光増幅器と、前記光増幅器に光学的に連結され、前記量子信号波長を中心とするが前記古典信号波長のいずれにも広がっていないブロッキング帯域幅を有している第１狭帯域光学フィルタと、
分離された量子チャネルにおいて、非量子信号波長を実質的に排除するよう適合された第２狭帯域光学フィルタと、前記第２光学フィルタに光学的に連結され、前記第２光学フィルタからフィルタリングされた第１量子信号を受信しかつ中継された量子信号を形成するように適合された量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションと、
前記古典チャネルおよび前記量子チャネルを、前記フィルタリングされた古典信号および前記中継された量子信号の両方を伝送する伝送光ファイバ上で再合成するよう適合された多重化装置と、
を備えている、送信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ネットワークおよび量子信号に関し、特に、古典信号が伝送されている光ネットワークにおいて量子信号を伝送することに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、“量子チャネル”を通して伝送される単一光子、あるいは、「キュービット」または「量子信号」と呼ばれる弱い（例えば、平均０．１光子）光学信号（パルス）を用いることにより、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間の鍵を確立することを含んでいる。その安全性が計算量的安全性に基づく古典暗号とは異なり、量子暗号の安全性は、不確定状態にある量子システムのどのような測定もその状態を変えてしまうという量子力学的原理に基づいている。その結果、量子信号を傍受あるいは測定することを試みる盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを与え、イブの存在を明らかにする。
【０００３】
量子暗号法の概略的な原理は、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ共著論文（非特許文献１）において述べられている。具体的なＱＫＤシステムは、Ｂｅｎｎｅｔｔに付与された米国特許第５，３０７，４１０号（特許文献１）（‘４１０特許）や、Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔによる論文（非特許文献２）に説明されている。ＱＫＤの動作の一般的な流れについては、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらによる書籍（非特許文献３）に説明されている。
【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  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２．３，  ｐａｇｅｓ  ２７−３３
【非特許文献４】“Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，”  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．  ５８１５  （２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的なＱＫＤシステムでは、アリスとボブとは、量子信号のみを伝送する光ファイバによって光学的に連結される。これにより、量子信号の検出が容易になる。他の光学信号からのノイズ源が外部から持ち込まれることがないからである。しかしながら、ＱＫＤを既存の光ネットワークに組み込むには、量子信号が、標準的な光学通信において用いられる「古典」（つまり非量子）光学信号と同じ光ファイバを共有することが必要となる。これは、ＱＫＤプロセスを複雑化する。古典信号の存在や、量子チャネルにおいて古典信号が発生させる比較的大量のノイズによっても、量子信号の検出が邪魔されるからである。
【０００５】
量子信号を、古典信号の形式で高速トラフィックによって占められている光ファイバ上で送信するための１つのアプローチは、量子信号を、古典信号とは実質的に異なる波長帯域で送信することである。このようなアプローチは、Ｃｈａｐｕｒａｎらによる論文（非特許文献４）に記載されており、ここではその論文を引用して援用する。従来技術の現状では、量子信号および古典信号を、少なくとも１５０ｎｍ離れた波長帯域で送信する必要があるとされている。しかしながら、両方の信号を、もっと近い波長で送信することが望ましい。例えば、ある一部の例では、両方のタイプの信号を第３の通信ウィンドウ（つまり１５００ｎｍ周辺の波長）内で送信すると都合がよい。量子信号は、この帯域の光ファイバの最大透明波長（１５５０ｎｍ）の近傍で動作することによって得られる拡張域から恩恵を受ける。古典信号も、また、減衰の低さや光学アンプ（増幅器）など、これらの波長に利用可能なように幅広い高品質な光学部品から恩恵を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、伝送光ファイバ上で、対応する古典波長を有する古典信号と、量子信号波長を有する量子信号と、を送信する方法である。この方法は、量子信号波長を含む波長をブロックするために古典信号をフィルタリングする工程を備える。古典信号のフィルタリングは、量子光学信号波長を中心とするが古典信号波長にまでは広がっていない狭帯域幅にわたって行われる。量子波長のごく近傍を囲むこの狭いフィルタリングは、古典信号に起因する量子チャネルにおける光学ノイズを低減するよう機能する。この帯域内の信号は、伝送光ファイバの入力時には存在していないが、その出力時に現われる可能性がある。このような信号は、古典信号の非線形相互作用を通じて、ファイバ内に生成される。この効果を補償するために、また、本発明の方法は、量子信号の検出直前に、検出器カウントの誤りの原因となりうるスプリアス非量子信号波長を大幅に排除するために量子信号を狭フィルタリングする工程を備える。方法の例としては、（ａ）古典光学信号波長の少なくとも１つは、量子信号波長の１０ｎｍ内にある、（ｂ）古典信号のフィルタリング帯域幅（光学フィルタ３０）は５ｎｍ以下である、（ｃ）古典信号のフィルタリング帯域幅（光学フィルタ３０）は１ｎｍ以下である、というケースが挙げられる。
【０００７】
本発明の第２の態様は、古典信号および量子信号を、伝送光ファイバ上で送信する方法である。この方法は、それぞれの古典信号波長で古典信号を生成する工程と、少なくとも２つの古典信号波長の間にある量子信号波長で量子信号を生成する工程と、を含んでいる。また、この方法は、量子信号波長を含むが古典信号波長を含まない波長をブロックするために古典信号をフィルタリングする工程であって、これにより、フィルタリングされた古典信号を形成する古典信号をフィルタリングする工程を含んでいる。また、この方法は、フィルタリングされた古典信号と量子信号とを伝送光ファイバ上に多重化する工程を含んでいる。また、この方法は、量子信号の検出直前に、スプリアス非量子信号波長を排除するために量子信号を狭帯域フィルタリングする工程を含んでいる。スプリアス非量子信号波長は、伝送光ファイバの出力時にファイバ内の古典信号の非線形相互作用の結果として現われ、検出器カウントの誤りの原因となりうる。
【０００８】
本発明の第３の態様は、古典信号波長をそれぞれ有する古典信号を生成し受信するよう適合された古典光通信システムを有する光ネットワークシステムである。本システムは、量子信号波長を有する量子信号を生成し受信するようそれぞれが適合された２つのＱＫＤステーション（アリスおよびボブ）を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムを含んでいる。本システムは、さらに、古典信号および量子信号の両方をネットワークの送信側からネットワークの受信側へ伝送するよう適合された伝送光ファイバを含んでいる。また、本システムは、量子信号波長を囲むが古典信号波長へは広がらない狭スペクトル帯域にわたる波長を大幅に排除するために古典信号をフィルタリングするように配置されている第１光学フィルタを含んでいる。また、本システムは、多重化エレメントと、多重分離エレメントと、を含んでいる。多重化エレメントは、ネットワークの送信側で量子信号および古典信号を合成するために配置されている。多重分離エレメントは、ネットワークの受信側で量子信号および古典信号を分離するために配置されている。第２光学フィルタは、量子信号をフィルタリングするためにボブに配置されており、これにより、ボブでの検出器カウントの誤りの原因となりうる非量子信号波長を排除する。
【０００９】
本発明の第４の態様は、長距離光ファイバネットワーク上で、古典チャネルを表す古典波長をそれぞれ有する古典信号と、量子チャネルを表す量子信号波長を有する量子信号と、を送信するシステムである。本システムは、量子チャネルおよび古典チャネルを分離するよう適合された多重分離装置を含んでいる。また、本システムは、分離された古典チャネルにおいて、光アイソレータと、光アイソレータに光学的に連結された光増幅器と、光増幅器に光学的に連結された第１狭帯域パス光学フィルタと、を含んでいる。第１光学フィルタは、量子信号波長を中心とするが古典信号波長のいずれにも広がっていないブロッキング帯域幅を有し、これにより、入力された古典信号からフィルタリングされた古典信号を形成する。また、本システムは、分離された量子チャネルにおいて、量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションに光学的に連結された第２狭帯域光学フィルタを備える。第２光学フィルタは、非量子信号波長を実質的に除去する。ＱＫＤシステムは、第２光学フィルタからフィルタリングされた第１量子信号を受信し、そこから中継された量子信号を形成するよう適合されている。また、本システムは、古典チャネルおよび量子チャネルを、フィルタリングされた古典信号および中継された量子信号の両方を伝送する伝送光ファイバ上で、再合成するよう適合された多重化装置を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、光ファイバネットワーク上において、量子（光学）信号ＱＳを量子信号波長で、高速の古典（光学）信号ＣＳを古典信号波長で、伝送することを可能にするシステムおよび方法を含んでいる。量子信号波長および古典信号波長は、互いに比較的近接している。好ましい実施形態では、以下に説明するエレメント間の光学的結合が、光ファイバのセクションを用いて達成される。
【００１１】
図１は、本発明にかかる光ネットワーク１０の概略図である。ネットワーク１０は、伝送光ファイバ１２によって光学的に連結された送信側Ｔおよび受信側Ｒを有する。受信側Ｒでは、ネットワーク１０は、高密度波長分割マルチプレクサ（多重化装置）（ＤＷＤＭ）２２に光学的に連結され、次いで、エルビウム添加ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）２６に光学的に連結された多波長送信器２０を含んでいる。ＥＤＦＡ２６は、好ましくは量子信号波長を中心としたシャープな狭いブロッキング帯域幅を有する「ディープノッチ」光学フィルタ３０に光学的に連結されている。光学フィルタ３０は、次いで、光学ａｄｄ／ｄｒｏｐ（光挿抜）マルチプレクサ（ＯＡＤＭ）３６のエクスプレスポート（「リフレクト」（反射）ポート」ともいう）３４に光学的に連結され、次いで、伝送光ファイバ１２に光学的に連結されている。
【００１２】
１つの実施形態では、光学フィルタ３０は、約０．２ｎｍから約１００ｎｍの範囲、好ましくは０．２ｎｍから１０ｎｍの範囲において３ｄＢブロッキング帯域幅を有し、ブロッキング波長における最大減衰は１００ｄＢを超えている。
図２は、光学フィルタ３０の第１の実施形態に関する波長（ｎｍ）に対する減衰（ｄＢ）をプロットしたものである。図２の減衰グラフは、ブロッキング波長での最大減衰が１４０ｄＢである、約０．９ｎｍの３ｄＢブロッキング帯域幅を有する。図３は、光学フィルタ３０の第２の実施形態の関する波長（ｎｍ）に対する減衰（ｄＢ）をプロットしたものである。図２の減衰グラフは、ブロッキング波長での最大減衰が１２０ｄＢである約１．４ｎｍの３ｄＢブロッキング帯域幅を有する。
【００１３】
１つの実施形態では、光学フィルタ３０は、多くの異なるブロッキングフィルタを組み合わせて形成される。１つの実施形態では、ＡＣ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  ＣＡ）製の５つの光学ｄｒｏｐフィルタが、図２および図３の減衰量特性をそれぞれ有する２つの異なる光学フィルタ３０を構成するために用いられた。図２の実施形態は、同じ中心波長の５つの多段１００ＧＨｚフィルタから構成されたものである。図３の実施形態は、同じ中心波長を有する２つの２００ＧＨｚフィルタおよび３つの１００ＧＨｚフィルタの列から構成されたものである。なお、同様なフィルタを、ブロッキング帯域幅を１３１０ｎｍの光ファイバ分散最小波長あるいはその近傍とするように、同じ方法で構成することもできることを記載しておく。
【００１４】
再び図１を参照して、送信器Ｔは、また、伝送光ファイバ１２にＯＡＤＭ３６のａｄｄ（挿入）ポート３５を介して光学的に連結されたＱＫＤ送信器アリスを含んでいる。１つの実施形態では、ＯＡＤＭ３６は、マルチチャネルａｄｄ／ｄｒｏｐ（挿抜）機能を有し、これにより、ＱＫＤ送信器アリスとＱＫＤ受信器ボブ（以下に説明）との間で同期信号ＳＣを送信することを可能にする。同期信号ＳＣは、通常、量子信号（チャネル）波長とは異なる波長を有する同期チャネル上で伝送される。あるいは、同期信号は、ＤＷＤＭ２２を通じて追加される。
【００１５】
引き続き図１を参照して、ネットワーク１０の受信側Ｒは、ＯＡＤＭ３６と同様の伝送光ファイバ１２に光学的に連結されたＯＡＤＭ５０を含んでいる。ＯＡＤＭ５０のエクスプレス（リフレクト）ポート５２は、アイソレータ５４に光学的に連結されている。アイソレータ５４は、ＥＤＦＡプリアンプ５６に光学的に連結され、次いで、ＥＤＦＡプリアンプ５６は、ＤＷＤＭ６０に光学的に連結されている。マルチチャネル受信器７０は、ＤＷＤＭ６０に光学的に連結されている。他の例示的な構成は、ＥＤＦＡ５６あるいはＥＤＦＡ２６のみを備え、両方は含んでいない。ＥＤＦＡ５６がない場合、アイソレータ５４は必要ではない。
【００１６】
受信側Ｒは、また、ＯＡＤＭ５０のｄｒｏｐ（ｐａｓｓ（通過））ポート５３に光学的に連結された光学フィルタ７６と、光学フィルタに光学的に連結されたＱＫＤ受信器ボブとを備えている。１つの実施形態では、光学フィルタ７６は、量子信号波長を中心とした２ＧＨｚ帯域パスを有する。この帯域パスは、標準的なテレコムフィルタよりも、約５０倍以上狭い。ＯＡＤＭ５０がＯＡＤＭ３６と同様であるように、１つの実施形態では、ＯＡＤＭ５０も、また、マルチチャネルａｄｄ／ｄｒｏｐ機能を有し、これにより、アリスとボブとの間で同期信号ＳＣの送信を可能にする。あるいは、これらの同期信号は、ＤＷＤＭ６０を通じて取得される。
【００１７】
（動作の方法）
光ネットワーク１０は、以下のように動作する。送信側Ｔにおいて、多波長送信器２０が、異なる波長の古典信号ＣＳ１，ＣＳ２，・・・，ＣＳＮを生成する。１つの実施形態では、波長１５５２．５２ｎｍ（「Ｃ３１」波長）および波長１５４６．１２ｎｍ（「Ｃ３９」波長）を有する２つの古典信号ＣＳ１，ＣＳ２が、それぞれ生成される。
【００１８】
古典信号ＣＳ１，ＣＳ２，・・・，ＣＳＮは、ＤＷＤＭ２２によって多重化される。以降、図１では、簡略化のため、それらを１つの古典信号ＣＳとして示されている。これらの信号は、ＥＤＦＡ２６によって増幅される。また、ＥＤＦＡ２６は、大量の増幅された自然放出（ＡＳＥ）ノイズを量子信号帯域において発生する。ＤＷＤＭ２２およびアンプＡＳＥを介したクロストークの組合せは、量子チャネルを、量子信号の出力より何桁も高い出力を有する光学ノイズで害する可能性がある。ノイズが量子チャネルの帯域内にあるので、受信側のフィルタリングのレベルでは、量子信号をバックグラウンドノイズから分離することができない。したがって、量子信号および古典信号が合成される前に、量子帯域内のバックグラウンドノイズを、量子信号自体の出力レベルよりも低い概ね３０ｄＢまで低減しなければならない。
【００１９】
量子チャネルにおけるバックグラウンドノイズの必要とされる低減は、ブロッキング光学フィルタ３０によって達成される。量子信号波長周辺の狭波長領域に関する光学フィルタ３０を用いた狭帯域フィルタリングは、古典信号チャネル波長帯域内の波長、あるいは、それに近い波長、つまり、約１００ｎｍ程度内の波長、より好ましくは非常にそれに近い、つまり、約１０ｎｍ程度内の波長で、十分に「暗い」量子チャネルを提供する。そして、その増幅され、フィルタリングされた古典信号（ＣＳ’として示す）は、ＯＡＤＭ３６を介して伝送光ファイバ１２へ連結される。
【００２０】
また、送信側Ｔでは、量子信号ＱＳ（破線の光学パルスとして示す）は、アリスによって生成される。本発明は、量子信号ＱＳの動作波長が、従来技術のアプローチより古典信号波長にかなり接近することを可能にする。量子信号および古典信号の両方は、例えば、第３の通信ウィンドウ内のＣ帯域を共有することができる。１つの実施形態では、量子信号波長は、古典信号の帯域幅内にある、つまり、少なくとも２つの古典信号波長の間にある。一つの実施形態においては、古典信号ＣＳは、〜１５５２．５２ｎｍの波長および〜１５４６．１２ｎｍの波長を含み、一方、量子信号波長は〜１５４９．３２ｎｍである。このことは、量子信号からの古典信号のスペクトル分離が、たった±３．２ｎｍであることを意味する。この例においては、これにより、古典信号および量子信号の両方を、お互いからわずか数ナノメーター内の波長で、そして、光ファイバ最大透明波長１５５０ｎｍで、あるいは、それに近い波長で送信することが可能になる。
【００２１】
量子信号ＱＳは、ＯＡＤＭ３６を通じて伝送光ファイバ１２へ連結される。１つの実施形態では、ＯＡＤＭ３６は、また、いくつかの追加的なプレフィルタリングを提供することもでき、これにより、ＤＷＤＭ（古典）チャネルからのあらゆる漏れおよび／または量子信号波長におけるＥＤＦＡ２６からのＡＳＥを低減することができる。
受信側Ｒにおいて、ＯＡＤＭ５０は、送信側Ｔから到達する量子信号ＱＳおよび古典信号ＣＳ’を分離するよう機能する。古典信号ＣＳ’は、アイソレータ５４を通って増幅用のＥＤＦＡプリアンプ５６に導かれ、次いで、ＤＷＤＭ６０によって分離され、そして、マルチチャンネルの受信器７０によって検出される。アイソレータ５４は、ＥＤＦＡプリアンプ５６から後方へ伝搬するＡＳＥを抑制する。ＥＤＦＡプリアンプ５６から後方へ伝搬するＡＳＥは、レイリー・ラマン後方散乱と合成されると、ボブの単一光子検出器（図示せず）において誤ったクリックを起こす可能性がある。
【００２２】
一方、量子信号ＱＳは、ＷＤＭ５０から、狭帯域光学フィルタ７６へと導かれる。狭帯域光学フィルタ７６は、ボブにおいてカウントの誤りを引き起こすおそれのある、ＤＷＤＭ古典チャネルからの自発ストークスおよび／または反ストークスラマン散乱に起因するノイズを低減するよう機能する。量子信号の光学的帯域幅が、非常に狭い、例えば、１ＧＨｚ未満であるので、標準的な１００ＧＨｚテレコムフィルタを光学フィルタ７６に用いることは、むしろ効果がない。光学フィルタ７６の実施形態は、Ｍｉｃｒｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社（Ａｔｌａｎｔａ，ＧＡ）製などの１００ＧＨｚの自由スペクトルは領域を有する２ＧＨｚのファブリー・ペローフィルタと、ＡＣ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，ＣＡ）製などの２つの１００ＧＨｚ薄膜フィルタとの組み合わせからなる、あるいは、その組み合わせを含んでいる。これらの部材のそれぞれの減衰を、ファブリー・ペローフィルタを表す曲線Ａと薄膜フィルタを表す曲線Ｂとを用いて、図４に示す。光学フィルタ７６を構成する組み合わせアセンブリの減衰を、図５に示す。この例におけるファブリー・ペローフィルタの追加は、古典信号の量子信号帯域への非線形散乱に起因する誤ったクリックの数を、概ね５０分の１に低減する。そして、ＱＳ’として示す、フィルタリングされた量子信号ＱＳは、ボブによって受信され検出される。
【００２３】
（長距離ネットワークの例）
図６は、本発明が、どのように複数の光学アンプを有する長距離ファイバネットワーク上での量子信号および古典信号の共同伝搬をサポートするために用いることができるかについての実施形態を示す光ネットワークのセクション２００の概略図である。アプローチは、多段量子鍵配送システムにおけるＱＫＤ信号の光電気変換（ｏｐｔｉｃａｌ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ−ｏｐｔｉｃａｌ  （ＯＥＯ））再生あるいは量子中継器を用いることができる。
【００２４】
ネットワークセクション２００は、反対側端部で上流のノード（図示せず）に接続されている伝送ファイバ１２に、光学的に連結されたＯＡＤＭ５０を備える。同じく、ネットワークセクション２００は、反対側端部で下流のノードに接続されている伝送ファイバ１３に、光学的に連結されたＯＡＤＭ３６を備える。ＯＡＤＭ５０，３６は古典チャンネルおよび量子チャネルを分離して、再度合成するために用いられる。古典チャネルは、アイソレータ５４と、アイソレータに光学的に連結された光学アンプ２６と、光学アンプに光学的に連結された光学フィルタ３０と、を備える。量子チャネルは、ＱＫＤステーション７８に光学的に連結された光学フィルタ７６を備える。実施形態では、光ネットワークは、ネットワークに沿って多段化されたＱＫＤステーション７８を有する多くのセクション２００を備える。
【００２５】
ネットワークセクション２００の動作では、前の（上流の）ノード（図示せず）から伝送ファイバ１２を通って到達する量子信号ＱＳおよび古典信号ＣＳが、ＯＡＤＭ５０によって分離される。古典信号ＣＳがアイソレータ５４を通過し、ＥＤＦＡ２６によって増幅され、次いで、光学フィルタ３０でフィルタリングされて、これにより、フィルタリングされた古典信号ＣＳ’が形成される。一方、量子信号ＱＳが狭帯域光学フィルタ７６を通過し、これにより、フィルタリングされた量子信号ＱＳ’が形成される。フィルタリングされた量子信号ＱＳ’は、ＱＫＤステーション７８によって中継されるか、あるいは処理されて、これにより、中継された量子信号ＱＳ”が形成される。そして、中継された量子信号ＱＳ”およびフィルタリングされた古典信号ＣＳ’は、ＯＡＤＭ３６で再合成されて、伝送ファイバ１３上で次の（下流の）ノードあるいはＱＫＤステーション（図示せず）へと送信される。このプロセスは、光ネットワークを構築するそれぞれのネットワークセクション２００の間で繰り返される。
【００２６】
なお、図面に示した種々のエレメントは、単に、表示的なもので、必ずしもスケールに合わせて描かれてはいない。ある部分が誇張されていたり、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実施形態を説明することを目的としている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】近い波長で量子信号および古典信号の両方を伝送することを可能にする、本発明にかかる光ネットワークの実施形態の概略図。
【図２】図１の光ネットワークにおいて用いられる光学フィルタ（３０）の第１の例に関する波長（ｎｍ）対減衰（ｄＢ）のグラフ。
【図３】図１の光ネットワークにおいて用いられ、同じ中心波長を有する２つの２００ＧＨｚフィルタと３つの１００ＧＨｚフィルタとの列から形成された、光学フィルタ（３０）の第２の例に関する波長（ｎｍ）に対する減衰（ｄＢ）のグラフ。
【図４】光学フィルタ（７６）を形成するために用いられる２つの異なるタイプの光学フィルタに関する個々のカーブを示す周波数（ＴＨｚ）に対する減衰（ｄＢ）のグラフ。
【図５】図４のグラフにおいて示した２つのフィルタを組み合わせることにより形成された光学フィルタ（７６）に関する周波数（ＴＨｚ）に対する減衰（ｄＢ）のグラフ。
【図６】本発明が、長距離ファイバネットワーク上で、量子信号および古典信号の共同伝搬をサポートするためにどのように利用されているかについての実施形態を示す、光ネットワークのセクションの概略図。
【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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【国際調査報告】
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