(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、
共通鍵を元にして疑似乱数の性質を有するＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、２値の送信データを搬送する２値の光信号を一つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決めて、光Ｍ値信号の多値信号を生成する多値信号生成部と、
あるレベルの強度の光信号を発する光源発生部と
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、電流を変化させること、電圧を変化させること、または、異なった光強度を有するレーザーダイオードを切り換えることにより、前記光源発生部が発生する光源の光信号レベルを複数の段階に制御する光源制御部と、
前記光源発生部から生成されるあるレベルの光信号を、前記多値信号生成部から入力される多値信号に従って複数の信号レベルを有する光信号に変調する光信号変調部と、を備えることを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、
第一の共通鍵を元にしてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、
第二の共通鍵を元にしてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第二のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、
前記第一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成される第一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、送信データから多値信号を生成する多値信号生成部と、
あるレベルの強度の光信号を発する光源発生部と
前記第二のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成される第二のＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、電流を変化させること、電圧を変化させること、または、異なった光強度を有するレーザーダイオードを切り換えることにより、前記光源発生部が発生する光源の光信号レベルを複数の段階に制御する光源制御部と、
前記光源発生部から生成されるあるレベルの光信号を、前記多値信号生成部から入力される多値信号に従って複数の信号レベルを有する光信号に変調する光信号変調部と、を備えることを特徴とする光送信装置。
【請求項３】
前記光信号変調部は、光信号レベルの加算により光変調の多値信号を生成する
ことを特徴とする請求項１はたは２に記載の光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置に係り、特に、多値強度変調によりデータを光信号に変調する際に、低コストで、容易に多値信号を生成するのに好適な光送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙｕｅｎ量子暗号は光通信量子暗号（Ｙ−００）通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を一つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。
【０００３】
正規の送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができる。量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信の原理、および送受信装置の構成については、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３０３９２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１４６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、Ｙ−００プロトコルに従う光送受信装置では、伝送データの伝送光レベルを暗号鍵に従ってランダム変更(多値変調)し、かつ各光レベルの間隔を量子揺らぎが重なり合うレベルまで狭めることにより、通信をおこなっている。
【０００６】
このように、Ｙ−００プロトコルに従う光送受信装置において、多値数は、暗号強度を保つために重要な要素の一つとなる。
【０００７】
しかしながら、従来の装置では目的とする多値数2^n-1の信号を生成するにあたり、異なる信号レベルを有したｎビットの信号を加算する、ｎビットの分解能を有したＤＡＣ（Digital Analog Converter）を用いるなどの手法を用いていた。このような従来の手法では、回路構成の変更が必須となり、容易に多値数を増加させることができないという問題点があった。
【０００８】
以下、図５および図６を用いて従来技術に係る信号により表現する多値数を増加させる手法について説明する。図５は、加算器を用いて多値数を増加させる手法を説明するための模式図である。図６は、ＤＡＣを用いて多値数を増加させる手法を説明するための模式図である。
【０００９】
今、図５（ａ）に示されるように、信号１〜信号９があり、それらの信号を加算器により適宜、加算器を用いて加算して多値信号を生成しているとする。ここで、多値信号として、各々の電圧で値が表現されている。この場合に、図５（ｂ）に示されるように、信号１０を追加する場合には、信号源の追加と、加算器の構成の再検討が必要となる。また、基板の再設計が必要となるため工数および費用もかかってしまうという問題点があった。
【００１０】
次に、図６（ａ）に示されるように、信号１〜信号９があり、それらの信号をＤＡＣにより、デジタル信号からアナログ信号に変換して、多値信号を生成しているとする。この場合にも、図６（ｂ）に示されるように、信号１０を追加する場合には、信号源の追加と、ＤＡＣの種類および周辺回路（クロック構成等）の変更が必要となる。また、既存のＤＡＣを用いる手法であることから、多値数の上限はＤＡＣの性能に依存するため、容易な多値数変更は困難であった。
【００１１】
以上の様に、従来手法により多値数の増加をおこなう場合、工数、費用面でのデメリットが足かせとなる。特に、大幅な仕様変更の場合、回路構成、ＤＡＣに使われているＩＣの種類の根本的な改良が必要となる場合もあり、実現不可能となる場合もあるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的は、多値強度変調によりデータを光信号に変調する際に、低コストで、容易に多値信号を生成することのできる光送信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光送信装置の構成は、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、共通鍵を元にしてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、送信データから多値信号を生成する多値信号生成部と、光源発生部と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵に基づき、光源発生部が発生する光源の光信号レベルを制御する光源制御部と、光源発生部から入力される光信号を、多値信号生成部から入力される多値信号を表す異なった光信号レベルを有する光信号に変調する光信号変調部とを備えるようにしたものである。
【００１４】
また、光源制御部は、電流を変化させること、電圧を変化させること、または、異なった光強度を有するレーザーダイオードを切り換えることにより、光源発生部を制御するようにする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、多値強度変調によりデータを光信号に変調する際に、低コストで、容易に多値信号を生成することのできる光送信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一の実施形態に係る光送信装置を含むＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。
【図２】第一の実施形態に係る光送信装置の信号処理を従来技術と対比して説明した模式図である。
【図３】第一の実施形態に係る光送信装置の他の信号処理を説明した模式図である。
【図４】第二の実施形態に係る光送信装置を含むＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。
【図５】加算器を用いて多値数を増加させる手法を説明するための模式図である。
【図６】ＤＡＣを用いて多値数を増加させる手法を説明するための模式図である。
【図７】従来技術に係るＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る各実施形態を、図１ないし図７を用いて説明する。
【００１８】
〔従来技術〕
先ず、図７を用いて従来技術に係るＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成について説明する。従来技術に係るＹ−００プロトコルによる光通信システムでは、電気信号を光信号に変換し、光送信装置１００と光受信装置２００の間の光ファイバーなどの伝送路を暗号化して送信するシステムである。なお、図７には示されていないが、実際のシステムには、電気信号として送信データを光送信装置１００に入力する送信装置と、光受信装置２００が出力される送信データを入力する受信装置が接続される。
【００１９】
光送信装置１００は、図７に示されるように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４、多値信号生成部１０６、光源発生部１０８、光変調部１１０からなる。共有鍵１０２は、光送信装置１００と光受信装置２００（共有鍵２０２）の間で共有される暗号鍵であり、多値信号の遷移パターンを決めるための元になるデジタルデータである。
【００２０】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４は、共有鍵１０２を元データとして、擬似乱数（ランダムパターン）の性質を有するＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する。これは、暗号強度を強化するために生成されるワンタイム鍵である。多値信号生成部１０６は、送信データ（デジタルデータ）をＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って多値信号に変換する。
【００２１】
一方、光源発生部１０８は、例えば、レーザーダイオードなどから構成され、一定レベルの強度を有する光を発生する。そして、光変調部１１０により、光源の出力光を多値信号に従って変調し、光多値信号を生成する。光多値信号は、例えば、強度変調の場合は、光の強度の違いより表現される。この暗号化された光多値信号は、伝送路を介して、光受信装置２００に送られる。
【００２２】
次に、光受信装置２００は、図７に示されるように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４、閾値生成部２０６、Ｏ／Ｅ（Optical/Electrical）変換部２０８、識別器２１０からなる。光受信装置２００では、伝送路を介して、送られてきた光多値信号をＯ／Ｅ変換部２０８により、電気多値信号に変換する。
【００２３】
ここで、詳細は省くが、光送信装置１００と光受信装置２００の間の同期プロセスにより、共通のＲｕｎｎｉｎｇ鍵が使われて、閾値生成部２０６より、識別器２１０に入力される閾値が生成される。
【００２４】
識別器２１０では、入力されてきた閾値を用いて、Ｏ／Ｅ変換部から出力される電気多値信号を識別して、送信データを復元する。なお、光変調に強度変調を用いた場合のデータ識別については、特許文献２の図２とその説明が参考になる。
【００２５】
〔実施形態１〕
次に、図１を用いて第一の実施形態に係る光通信システムの光送信装置について説明する。
図１は、光送信装置を含むＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。光送信装置１００ａには、従来技術に係る光送信装置１００に備わっていたＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４、多値信号生成部１０６ａ、光源発生部１０８ａ、光変調部１１０に加えて、光源制御部１２０がある。
【００２６】
本実施形態に係る光送信装置１００ａでは、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４から出力されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵が光源制御部１２０に入力され、光源制御部１２０は、入力されてきたＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に従って、光源発生部１０８ａの光信号レベル（光強度）を制御する。これにより、従来技術では、一定であった光信号レベルを可変にし、光変調部１１０ａでは、光源発生部１０８ａと多値信号生成部１０６ａからの信号の合成によって、光変調をおこなう。
【００２７】
光源制御部１２０が光源発生部１０８ａを制御して、発生する光源の光信号レベルを可変にする方法としては、レーザーダイオードに流す電流を可変にする方法、レーザーダイオードに対する変調部を設けて、加える電圧を可変にする方法、発生する光強度の違うレーザーダイオードを複数設けて、切り換える方法などが考えられる。
【００２８】
次に、図２および図３を用いて第一の実施形態に係る光送信装置の信号処理について説明する。図２は、光送信装置の信号処理を従来技術と対比して説明した模式図である。図３は、光送信装置の他の信号処理を説明した模式図である。
【００２９】
従来技術に係る光送信装置の光変調部１１０では、光源発生部１０８から出力される光源の信号レベルが一定であった。この光源の光信号レベルを、Ｐａｖｅとする。今、六段階の光信号レベルの値を生成し、各々の光信号レベルの差が、Δであり、Ｐａｖｅの光信号レベルが、ｉ＝２と、ｉ＝３の間にあるとすると、ｉ＝０，…，５の光信号レベルＬ（ｉ）は、図２（ａ）に示されるように、以下の（式１）で表される。  
〔数１〕
Ｌ（ｉ）＝Ｐａｖｅ＋（ｉ−５／２）Δ        …（式１）
【００３０】
本実施形態に係る光送信装置の光変調部１１０では、光源発生部１０８から出力される光源の信号レベルを可変にして、２以上の光信号レベルを有する光信号を生成する。それらの光源の光信号レベルを、Ｐａｖｅ１，Ｐａｖｅ２とする。このとき、光変調部１１０ａが、従来技術の光変調部１１０と同様に、六段階の光信号レベルの値を生成する場合であっても、光源からの光信号レベル可変な信号を合成することにより、図２（ｂ）に示されるように、以下の（式２）で表される１２段階の光信号レベルの光信号を生成することが可能になる。  
〔数２〕
ｉ＝０，…，５のとき:
Ｌ（ｉ）＝Ｐａｖｅ１＋（ｉ−５／２）Δ
ｉ＝６，…，１１のとき:
Ｌ（ｉ）＝Ｐａｖｅ２＋（ｉ−１７／２）Δ…（式２）
【００３１】
また、別の実現方式を説明する。ここでも、六段階の光信号レベルの値を生成し、各々の光信号レベルの差が、Δであるとする。このとき、光源発生部１０８から出力される光源の信号レベルを可変にして、二つの光信号レベルを有する光信号を生成するのは、同様であるが、光源の光信号レベルを、０，（１／２）Δとして、図３のように、以下の（式３）にしたがって、１２段階の光信号レベルの光信号を生成する。  
〔数３〕
ｉ＝０，２，…，１０（偶数）のとき:
Ｌ（ｉ）＝Ｍ（ｉ／２）
ｉ＝１，…，１１（奇数）のとき:
Ｌ（ｉ）＝Ｍ（（ｉ−１）／２）＋（１／２）Δ…（式３）  
ただし、Ｍ（ｉ）（ｉ＝０，…，５）は、元の六段階の光信号レベルの値とする。
【００３２】
このように、本実施形態では、簡単な光信号レベルの加算により、光変調の多値信号を生成することが可能になる。
【００３３】
〔実施形態２〕
次に、図４を用いて第二の実施形態に係る光通信システムの光送信装置について説明する。
【００３４】
図４は、第二の実施形態に係る光送信装置を含むＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。
【００３５】
第一の実施形態のＹ−００プロトコルによる光通信システムでは、共有鍵は、一つだけであったが、本実施形態では、各々の光送信機１００ｂ、光受信機２００ｂは、二種類の共有鍵１、共有鍵２を有している。
【００３６】
そして、光送信機１００ｂでは、共有鍵２がＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部３０４に入力され、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵が生成される。そして、そのＲｕｎｎｉｎｇ鍵にしたがって、光源制御部３０６が、光源発生部１０８ａの光信号レベル（光強度）を制御し、光信号レベルを可変にする。光変調部１１０ａでは、光源発生部１０８ａと多値信号生成部１０６ａからの信号の合成によって、光変調をおこなうことは、第一の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の光送信機１００ｂでは、共有鍵２→Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵→光源の光信号レベルの制御という専用のルートが設けられることが異なっている。
【００３７】
そして、これに呼応して、光受信機２００ｂでは、第一の実施形態の光受信機２００に、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部４０４が設けられており、これに共通鍵２を入力して、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、閾値生成部では、共通鍵１が入力されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４が生成したＲｕｎｎｉｎｇ鍵と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部４０４が生成したＲｕｎｎｉｎｇ鍵の二種類のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を参照して、識別器２１０に入力する閾値を生成する。
【符号の説明】
【００３８】
１００，１００ａ，１００ｂ…送信機、１０２，３０２…共通鍵(送信機側)、２０２，４０２…共通鍵(受信機側)、１０４，３０４…Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部(送信機側)、２０４，４０４…Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部(受信機側)、１０６，１０６ａ…多値信号生成部、１０８，１０８ａ…光源発生部、１１０，１１０ａ…光変調部、１２０…光源制御部、２０６，４０６…閾値生成部、２０８…Ｏ／Ｅ（Optical/Electrical）変換部、２１０…識別器。
【図１】
0006560862.tif 000002
【図２】
0006560862.tif 000003
【図３】
0006560862.tif 000004
【図４】
0006560862.tif 000005
【図５】
0006560862.tif 000006
【図６】
0006560862.tif 000007
【図７】
0006560862.tif 000008