(57)【要約】【課題】安全性の確保およびノイズ成分の抑制を共に達成可能な、光通信システムにおける光強度設定方法および光通信装置、それを用いた量子暗号鍵配布システムを提供する。【解決手段】送信器１０と受信器２０とが光伝送路３０で接続され、送信器１０が受信器２０から到達した光信号を折り返すことで情報送信を行う。受信器２０は通常光モードで光パルスを送信器１０へ送信し、送信器１０がモニタ１０１で到達した光信号の光強度ＩAinをモニタする。減衰量制御部１０２は、光強度ＩAinから固定減衰量ＡＴFIXを減算し、折り返す光信号の光強度ＩAoutを設定値ＩTARGETまで減衰させるために必要な可変減衰量ＡＴを決定する。微弱光モードにおいて、可変減衰器１０３は可変減衰量ＡＴに設定され、受信器２０の２値減衰器２００は固定減衰量ＡＴFIXに設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１通信器と第２通信器とが光伝送路で接続され、前記第１通信器が前記第２通信器から到達した光信号を前記第２通信器へ折り返すことで情報送信を行う光通信システムの光強度設定方法において、
前記第２通信器が第１光強度の光信号を前記第１通信器へ送信し、
前記第１通信器が、前記第２通信器から到達した光信号の光強度と所定の固定減衰量とから、折り返す光信号の光強度を所定の第２光強度まで減衰させるために必要な可変減衰量を決定し、
前記第１通信器が前記可変減衰量を、前記第２通信器が前記固定減衰量をそれぞれ設定することで、前記第１通信器で折り返される光信号の光強度を前記第２光強度に設定する、
ことを特徴とする光強度設定方法。
【請求項２】
前記固定減衰量は、前記第２通信器から到達した光信号のノイズ成分ができるだけ小さくなるように前記第１光強度の光信号を減衰させる固定値であることを特徴とする請求項１に記載の光強度設定方法。
【請求項３】
前記可変減衰量は、前記光伝送路中で光強度の所定範囲を超えた変動が検知可能となる範囲に設定される可変値であることを特徴とする請求項１または２に記載の光強度設定方法。
【請求項４】
前記光通信システムは、前記第１光強度の光信号を前記第２通信器から前記第１通信器へ送信する通常光モードと、前記第２光強度の光信号を前記第１通信器から前記第２通信器へ送信する微弱光モードと、を有し、
前記可変減衰量は、前記通常光モードで前記第２通信器から到達した光信号の光強度から前記固定減衰量を減算した結果に基づいて決定され、前記通常光モードから前記微弱光モードへ切り替わると、前記第１通信器および前記第２通信器において前記可変減衰量および前記固定減衰量がそれぞれ設定されることを特徴とする請求項１に記載の光強度設定方法。
【請求項５】
前記第１光強度は単一光子レベルであることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光強度設定方法。
【請求項６】
光伝送路で接続された他の光通信装置に対して光信号を送信し、その折り返し光信号を受信する光通信装置において、
所定光強度の第１光信号と前記所定光強度を所定固定減衰量だけ減衰させた第２光信号とを選択可能な光源手段と、
前記他の光通信装置からの折り返し光信号を検出する光検出手段と、
前記第１光信号を前記他の光通信装置へ送信し、前記他の光通信装置からの折り返し光信号を検出した後、前記第２光信号を前記他の光通信装置へ送信する制御手段と、
を有し、前記他の光通信装置から、前記固定減衰量だけ減衰させた光信号に対する所定微弱光強度の折り返し光信号を受信することを特徴とする光通信装置。
【請求項７】
前記光源手段は、
前記第１光信号を生成する光源と、
前記固定減衰量を与える光減衰手段と、
前記光減衰手段を通る第１経路および前記光減衰手段を通らない第２経路のいずれかを選択する光スイッチ手段と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の光通信装置。
【請求項８】
前記光源手段は、
駆動電流により出力光の光強度を制御可能なレーザ光源と、
前記第１光信号を出力する駆動電流と前記第２光信号を出力する駆動電流とを選択可能に供給する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の光通信装置。
【請求項９】
光伝送路で接続された他の光通信装置から到達した光信号を前記他の光通信装置へ折り返すことで情報送信を行う光通信装置において、
前記他の光通信装置から到達した光信号の光強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段により検出された光強度と前記他の光通信装置に設定された所定の固定減衰量とから、折り返す光信号の光強度を所定光強度まで減衰させるために必要な可変減衰量を決定する制御手段と、
前記折り返し光信号の光強度を前記可変減衰量だけ減衰させる減衰手段と、
を有することを特徴とする光通信装置。
【請求項１０】
第１通信装置と第２通信装置とが光伝送路で接続され、前記第１通信装置が前記第２通信装置から到達した光信号を前記第２通信装置へ折り返すことで情報送信を行う光通信システムにおいて、
前記第１通信装置は、
前記第２通信装置から到達した光信号の光強度を検出する第１光検出手段と、
トレーニングモードにおいて、前記第１光検出手段により検出された光強度と所定固定減衰量とから折り返す光信号の光強度を所定光強度まで減衰させるために必要な可変減衰量を決定する第１制御手段と、
通信モードにおいて前記折り返し光信号の光強度を前記可変減衰量だけ減衰させる減衰手段と、
を有し、
前記第２通信装置は、
第１光信号と、前記第１光信号を前記所定固定減衰量だけ減衰させた第２光信号と、を選択可能な光源手段と、
前記第１通信装置からの折り返し光信号を検出する第２光検出手段と、
前記トレーニングモードで前記第１光信号を前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置からの折り返し光信号を検出した後、前記通信モードで前記第２光信号を前記第１通信装置へ送信する第２制御手段と、
を有する、
ことを特徴とする光通信システム。
【請求項１１】
前記所定固定減衰量は、前記第２通信装置から到達した光信号のノイズ成分ができるだけ小さくなるように前記第１光信号を減衰させる固定値であることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
【請求項１２】
前記可変減衰量は、前記光伝送路中で光強度の所定範囲を超えた変動が検知可能となる範囲に設定される可変値であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光通信システム。
【請求項１３】
前記第１制御手段は、前記トレーニングモードで前記第２通信装置から到達した光信号の光強度から前記所定固定減衰量を減算した結果に基づいて前記可変減衰量を決定し、前記トレーニングモードから前記通信モードへ切り替わると前記可変減衰量を前記減衰手段に設定することを特徴とする請求項１０−１２のいずれか１項に記載の光通信システム。
【請求項１４】
前記所定光強度は単一光子レベルであることを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載の光通信システム。
【請求項１５】
請求項５に記載の光強度設定方法を実現する量子暗号鍵配布システム。
【請求項１６】
請求項１４に記載の光通信システムを有する量子暗号鍵配布システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システムに係り、特に光強度を減衰させて通信を行うシステムにおける光強度設定方法および光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えており、通信の秘密保持の為に暗号技術の必要性が高まっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ(Data Encryption Standard)やTriple ＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＳＡ(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号に分類される。しかしこれらは「計算の複雑性」を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算量や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配布システム(ＱＫＤ)は、「絶対に盗聴されない」暗号鍵配布技術として注目されている。
【０００３】
ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、その偏光、位相等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が、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り、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の有無を検出することができる。
【０００４】
光子の位相を利用した量子暗号鍵配布方法の場合、送信器および受信器（通例に従って、適宜、「Ａｌｉｃｅ」および「Ｂｏｂ」と呼ぶ。）で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅおよびＢｏｂでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって出力０あるいは１が得られ、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をＡｌｉｃｅとＢｏｂとで照合することによって最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で同一ビット列を共有することができる。しかしながら、ここで共有した乱数列には光子受信器ノイズ、古典通信信号から洩れ込むノイズ、干渉計の精度に起因するノイズ等の外乱によって発生する誤りが含まれている上に、盗聴者（以下、適宜「Ｅｖｅ」と呼ぶ。）の盗聴行為によって発生する誤りも含まれている可能性がある。したがって、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂは、共有乱数列中の誤りを除去する誤り訂正処理およびＥｖｅの保持しうる情報量を篩い落とす秘匿増強処理を実行することで最終暗号鍵を得ている。
【０００５】
このような量子暗号鍵配布システムで最も実用化に適した構成として頻繁に用いられているのはプラグアンドプレイ（Plug & Play）方式である。以下、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２等に記載されたＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式について説明する。
【０００６】
１）Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙシステム
図１はＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムを示す概略的ブロック図である。送信器１と受信器２とが光伝送路３によって接続されているものとする。Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、量子暗号鍵を受信する受信器２に設けられたパルス光源ＬＤが光パルスＰを生成する。光パルスＰは光サーキュレータＣＩＲを通って光カプラＣＰＬにより２分割され、一方の光パルスＰ１は短いパスＳＰを通って偏光ビームスプリッタＰＢＳを通過して光伝送路３へ送出され、他方の光パルスＰ２は長いパスＬＰを通って偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射して光伝送路３へ送出される。こうして、受信器２から時間的に分割され偏光が直交した２つの光パルスＰ１、Ｐ２が送信器１へ送信される。
【０００７】
送信器１には、光減衰器ＡＴＴ、ファラデーミラーＦＭおよび位相変調器ＰＭAが設けられている。受信した光パルスＰ１およびＰ２はファラデーミラーＦＭで反射することで偏光状態が９０度回転し、光減衰器ＡＴＴで強度設定されて受信器２へ返送されるが、その際、位相変調器ＰＭAは光パルスＰ２が通過するタイミングで光パルスＰ２のみを位相変調する。
【０００８】
受信器２の偏光ビームスプリッタＰＢＳは、送信器１から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が送信時とは９０度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスＰ１は長いパスＬＰを通り、位相変調器ＰＭBを通過するタイミングで位相変調され、位相変調された光パルスＰ１*bが光カプラＣＰＬに到達する。他方、送信器１で位相変調された光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスＳＰを通って同じく光カプラＣＰＬに到達する。したがって、送信器１で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器２で位相変調された光パルスＰ１*bとが干渉し、その結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出される。なお、光子検出器としてはアバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photo Diode)が用いられる。
【０００９】
このように、Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、受信器２から送信器１へ時間的に分割され偏光が直交した２つの光パルスを送信し、送信器１で光の進行方向を反転させると同時に偏光方向を９０度回転させ、時間的に分割された２つの光子パルスの間に位相差を与えて受信器２へ送り返すという往復型構成を採用している。このような折り返し構成により、光子パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計は同一のものになるため、干渉計の光路差が光子パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれば精度の良い干渉を実現できる。
【００１０】
このＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、暗号鍵配布の媒体となる光子信号（以下、量子信号という。）は受信器２で生成され、光伝送路３を通して送信器１へと送られ、送信器１において所定の位相変調および強度設定を施されて受信器２へと送り返される。したがって送信器１において変調および強度設定を精度良く行うためには、量子信号自身からそのタイミング情報および光強度情報を得る必要がある。
【００１１】
２）タイミングおよび光強度の設定
非特許文献２には、受信器２から到達した量子信号からタイミング情報を得る方法として、送信器１に受信器２からの量子信号をモニタする光検出器を設け、そのモニタ信号からクロック情報を抽出し位相変調に用いる構成が示されている。
【００１２】
しかしながら、この構成では受信器２から送信器１へ送られる量子信号の光強度を十分に高くしないと、抽出したクロックの位相雑音が大きくなる。ところが、受信器１から出力される量子信号光強度を高く設定すると、伝送路３でのRayleigh後方散乱成分も高くなり、送信器１で折り返された正規の信号光は後方散乱ノイズ光に埋もれてしまうという問題が生じる。以下、具体的な数値を挙げて説明する。
【００１３】
まずレイリー（Rayleigh）後方散乱光強度は以下の数式で記述される。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
ここで、Ｐ：Rayleigh後方散乱光強度、Ｐin：ファイバへの入力光強度、Ｃｓ：Rayleigh後方散乱係数、α：伝送損失、Ｌ：伝送距離である。
【００１６】
一般的なシングルモードファイバＳＭＦ(Single Mode Fiber) に対するRayleigh後方散乱係数Ｃｓは、波長１５５０ｎｍで約−７０ｄＢｍである。従って、Ｌ＝４０ｋｍのＳＭＦでは、送信光強度に対して−３０．７５ｄＢの後方散乱光が観測される。
【００１７】
一方、４０ｋｍの往復分の伝送路損失（−０．２５ｄＢ／ｋｍ×４０ｋｍ×２＝−２０ｄＢ）と送信器１での光学損失（約１０ｄＢ）とを考慮すると、受信器２に戻ってくる主信号の光強度は送信光強度に対して−３０ｄＢとなる。後方散乱光は連続光、正規の光信号はパルス光であるから光子検出時には計算通りのＳＮ比とはならないものの、本例では信号光と同等の強度のノイズ光が観測される計算となる。なお、往復型のシステムにおいて、信号光の強度をノイズ光に対して大きくするには、送信器１の光学損失を可能な限り小さくすることが必要であることがわかる。
【００１８】
量子信号光強度を低くして後方散乱ノイズ光を低減し、かつ、送信器１からの出力時の量子信号光強度を単一光子レベルに設定する為には、送信器１への入力時の量子信号の光強度が単一光子レベルより送信器１の光学損失分（ここでは約１０ｄＢ）だけ高くなっている状態が理想である。この場合、繰り返し周波数６２．５ＭＨｚ、量子信号波長１５５０ｎｍとすれば、平均光子数０．１（photon/pulse）の光パルスの強度は−９１．０ｄＢｍであるから、送信器１からの出力時の量子信号をこの状態にするには送信器１への入力時の量子信号光強度はせいぜい−８０ｄＢｍ程となる。勿論、この様な微弱強度の光信号からは精度の良いクロック抽出は行えない。
【００１９】
タイミング情報を得る方法としては、送信器１と受信器２との間でクロック情報を別波長で伝送する方法が非特許文献３に記載されているが、送信器１からの出力光の強度を単一光子レベルに設定するための光強度情報を得る方法について開示していない。
【００２０】
これに対して、特許文献２には、量子信号の光強度を高く設定した状態でクロック情報と光強度情報を得る「トレーニングモード」と、得られたクロック情報と光強度情報とを用いて量子信号の光強度を単一光子レベルに減衰し暗号鍵共有を行う「通信モード」とを導入したシステムが提案されている。
【００２１】
【特許文献１】特表２０００−５１７４９９号公報
【特許文献２】特開２００５−２６０９１１号公報
【非特許文献１】"Automated 'plug & play' quantum key distribution", G. Ribordy, J. -D. Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, Erec. Lett., Vol.34, No.22, pp.2116
【非特許文献２】"An Experimental Realization of Quantum Cryptosystem", Toshio Hasegawa, Tsuyoshi Nishioka, Hirokazu Ishizuka, Jun'ichi Abe, Katsuhiro Shimizu, Mitsuru Matsui, Shigeaki Takeuchi, IEICE TRANS. FUNDAMENTALS, Vol.E85-A, No.1, pp149
【非特許文献３】"An Autocompensating Fiber-Optic Quantum Cryptography System Based on Polarization Splitting of Light", Donald S. Nethune, William P. Risk, Journal of Quant. Elec., Vol.36, No.3, pp340
【非特許文献４】"Temperature independent QKD system using alternative-shifted phase modulation method", ECOC2004, Tu4.5.3, A. Tanaka
【非特許文献５】"Balanced, gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550nm", A. Tomita, Optics letters, Vol. 27, pp.1827-1829
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述したように、後方散乱ノイズ光を抑制するためには受信器２から出力する光強度を低く設定する必要があるが、送信器１への入力時の光強度は出力時の単一光子レベルより当該送信器１の光学損失分だけ高くすることが理想的である。その際、送信器１の光学損失は可能な限り小さいことが望ましい。
【００２３】
また、送信器１で設定する光強度は厳密に設計値に沿った値であることが必須である。量子信号の光強度が設計値より高い場合は、１パルスに２個以上の光子を含む確率が高くなるので盗聴者（Ｅｖｅ）に漏洩する鍵情報が増加し、暗号鍵共有の安全性が低下する。逆に、量子信号の光強度が設計値より低い場合は、受信器２に到着する量子信号の光強度も低くなるので共有する暗号鍵の生成速度が低下する。従って、光強度は、このトレードオフを考慮して設計し、光強度設定は厳密に設計値に合致させることが必要となる。
【００２４】
このような観点から光強度をどのように設定すべきかが重要な課題として認識された。例えば、トレーニングモードと通信モードとを切り替える方式のシステム（特許文献２）において、上記Rayleigh散乱によるノイズ成分を抑制するための可変光減衰器ＡＴＴを受信器２に設置した場合、受信器２は必要な減衰量の情報を送信器１から受信する必要がある。光伝送路３の光学損失は、伝送路長やコネクションポイントの数によって決定される為、受信器２は予め光伝送路３の光学損失を知ることができないからである。従って、送信器１がトレーニングモードにおいて入力光強度をモニタし、その光強度情報もしくは設定すべき減衰量を受信器２へ通知する。受信器２は、送られてきた情報に基づいて、通信モードで送信器１からの量子信号光強度が単一光子レベルになる様に可変光減衰器ＡＴＴの減衰量を設定する。このような手順で光強度を設定する必要があるために、モード切り替え時のシーケンスが複雑化する。
【００２５】
このシーケンスの複雑化を避ける為には、光強度モニタ、可変光減衰器制御を送信器１の内部にまとめることが望ましいが、光強度設定の為の可変光減衰器を送信器１に設置したのでは、Rayleigh後方散乱光によるノイズ成分増加は避けることが出来ない。
【００２６】
さらに、新たなる盗聴行為が可能となるために安全性が低下するという問題がある。たとえば、トレーニングモードにおいて、Ｅｖｅは光伝送路３において量子信号の光強度を減衰させておく。すると送信器１がモニタする入力光強度はＥｖｅの施した減衰量分だけ低くなるので、通信モードで単一光子状態を作り出す為に施す減衰量を小さく設定してしまう。Ｅｖｅは送信器１と受信器２とが通信モードに移行したことを確認した後、自らの施した減衰を解除し、同量の量子信号を分岐することで盗聴を行うことが可能となる。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、安全性の確保およびノイズ成分の抑制を共に達成可能な、光通信システムにおける光強度設定方法および光通信装置、それを用いた量子暗号鍵配布システムを提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、安全性を確保しつつ設計値への正確な光強度設定が可能となる、光通信システムにおける光強度設定方法および光通信装置、それを用いた量子暗号鍵配布システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明によれば、受信側から到達した光信号を送信側で折り返すことにより情報の送信を行う往復型のシステムにおいて、送信側が送信する光信号を所定光強度に設定する為に必要な総減衰量を受信側と送信側とで割り振り、受信側の減衰量を固定し、送信側で残りの減衰量調整を行う。受信側の減衰量が固定値として分かっているので、送信側は受信側からの光信号の光強度をモニタすることで残りの減衰量を決定することができる。
【００３０】
本発明による光強度設定方法によれば、第１通信器と第２通信器とが光伝送路で接続され、前記第１通信器が前記第２通信器から到達した光信号を前記第２通信器へ折り返すことで情報送信を行う光通信システムにおいて、前記第２通信器が第１光強度の光信号を前記第１通信器へ送信し、前記第１通信器が、前記第２通信器から到達した光信号の光強度と所定の固定減衰量とから、折り返す光信号の光強度を所定の第２光強度まで減衰させるために必要な可変減衰量を決定し、前記第１通信器が前記可変減衰量を、前記第２通信器が前記固定減衰量をそれぞれ設定することで、前記第１通信器で折り返される光信号の光強度を前記第２光強度に設定する、ことを特徴とする。
【００３１】
前記固定減衰量は、前記第２通信器から到達した光信号のノイズ成分ができるだけ小さくなるように前記第１光強度の光信号を減衰させる固定値であり、前記可変減衰量は、前記光伝送路中で光強度の所定範囲を超えた変動が検知可能となる範囲に設定される可変値であることが望ましい。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、光通信システムは、前記第１光強度の光信号を前記第２通信器から前記第１通信器へ送信する通常光モード（トレーニングモード）と、前記第２光強度の光信号を前記第１通信器から前記第２通信器へ送信する微弱光モード（通信モード)と、を有し、前記可変減衰量は、前記通常光モードで前記第２通信器から到達した光信号の光強度から前記固定減衰量を減算した結果に基づいて決定され、前記通常光モードから前記微弱光モードへ切り替わると、前記第１通信器および前記第２通信器において前記可変減衰量および前記固定減衰量がそれぞれ設定される。
【００３３】
本発明の一実施例による光通信システムの送信器は、受信器から到達した光信号の光強度を検出する第１光検出手段と、トレーニングモードにおいて、前記第１光検出手段により検出された光強度と所定固定減衰量とから折り返す光信号の光強度を所定光強度まで減衰させるために必要な可変減衰量を決定する第１制御手段と、通信モードにおいて前記折り返し光信号の光強度を前記可変減衰量だけ減衰させる減衰手段と、を有する。また受信器は、第１光信号と前記第１光信号を前記所定固定減衰量だけ減衰させた第２光信号とを選択可能な光源手段と、前記送信器からの折り返し光信号を検出する第２光検出手段と、前記トレーニングモードで前記第１光信号を前記送信器へ送信し、前記送信器からの折り返し光信号を検出した後、前記通信モードで前記第２光信号を前記送信器へ送信する第２制御手段と、を有する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、送信側が送信する光信号を所定光強度に設定する為に必要な総減衰量を受信側と送信側とで割り振り、受信側の減衰量を固定し、送信側で残りの減衰量調整を行う。受信側の減衰量が固定値であるから、送信側は受信側からの光信号の光強度をモニタすることで残りの減衰量を決定することができる。したがって、送信側と受信側との間で、必要な総減衰量を得るための光強度情報のやり取りは不要となる。更に、受信側の固定減衰量をできるだけ大きく設定することで、盗聴者Ｅｖｅが偽ることができる損失量が小さくなり盗聴が困難となる。
【００３５】
本発明を往復型量子暗号鍵配布システムに適用すれば、光強度を設定する為にＡｌｉｃｅ（送信器)からＢｏｂ（受信器）に光強度を通信するシーケンスを省略できる。総減衰量のうち、Ｂｏｂにおいて固定量だけ減衰し、残りの減衰量調整をＡｌｉｃｅで行うからである。また、Ｂｏｂが総減衰量の大半を固定値で担っている為、Ｅｖｅが偽ることのできる損失量が小さくなり、トレーニングモードでＥｖｅが量子信号の光強度を制御して伝送損失を「偽る」ことによって通信モードで量子信号を分岐盗聴するという盗聴法が困難になるという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
１．本発明の基本概念
図２（Ａ）は本発明の概略を説明するためのシステム構成図であり、図２（Ｂ）は光路に対する光強度の減衰の様子を概念的に示すグラフである。ここでは、説明を簡略にするために、送信器１０と受信器２０とが光伝送路３０で接続された往復型の光通信システムを例示する。送信器１０に固有の光学損失の総量をＬＯＳＳA、受信器２０に固有の光学損失の総量をＬＯＳＳB、光伝送路３０に固有の光学損失の総量をＬＯＳＳFとし、送信器１０への入力時の光強度をＩAin、送信器１０からの出力時の光強度をＩAout、受信器２０からの出力時の光強度をＩBoutとする。
【００３７】
図２（Ａ）において、送信器１０にはモニタ１０１、減衰量制御部１０２および可変光減衰器１０３が設けられている。モニタ１０１は入力時の光強度ＩAinをモニタし、そのモニタされた光強度に基づいて減衰量制御部１０２は、後述するように、可変光減衰器１０３の減衰量を０−ＡＴAの間で制御する。受信器２０には、０と固定減衰量ＡＴFIXのいずれかに減衰量を設定できる２値光減衰器２００が設けられている。２値光減衰器２００は、パルス光源からの光パルス（光強度ＩLD）を減衰させずに通過させるか、あるいは固定減衰量ＡＴFIXだけ減衰させて通過させるかのいずれかの状態に設定される。送信器１０の減衰量制御部１０２は、受信器２０の減衰量が固定値ＡＴFIXであることを予め知っている。
【００３８】
伝送光を減衰させない通常光モードでは、可変光減衰器１０３および２値光減衰器２００のいずれも減衰量０に設定され、光強度の意図的な減衰は行わない。他方、送信器１０からの出力時の光強度ＩAoutを目標値ＩTARGETに設定する微弱光モードでは、２値光減衰器２００の減衰量を固定減衰量ＡＴFIXに設定し、減衰量制御部１０２は可変光減衰器１０３の減衰量をＩAout＝ＩTARGETとなるように０−ＡＴAの間の値に設定する。減衰量制御部１０２は受信器２０での減衰量が固定減衰量ＡＴFIXであることを予め知っているので、可変光減衰器１０３の減衰量を０−ＡＴAの間の比較的狭い範囲で調整するだけで出力光強度ＩAoutを目標値ＩTARGETに精度良く高速設定することができる。
【００３９】
１．１）減衰量制御
図２（Ｂ）に示すグラフを用いてより具体的に説明する。ただし、図２（Ｂ）のグラフはあくまでも本発明の動作を概念的に示したものであり、縦軸の光強度の比率は実際の強度比を反映したものではなく、横軸の光路も実際の距離の比率を直接反映してはいない。たとえば、送信器１０の入力から出力までの光路長は、光伝送路３の光路長に比べて実際ははるかに短いが、ここでは図面を見やすくするために比率を変更して示している。
【００４０】
まず、図２（Ｂ）において実線で示す通常光モードでは、２値光減衰器２００が減衰量０に設定されるので、パルス光源から出力した光強度ＩLDの光パルスは受信器２０において固有損失ＬＯＳＳBだけ減衰して光伝送路３０へ送出される。送出された光強度ＩBoutの光パルスは、光伝送路３０において固有損失ＬＯＳＳFだけ更に減衰し、光強度ＩAinで送信器１０に入射する。通常光モードでは２値光減衰器２００も減衰量０に設定されているので、光強度ＩAinの光パルスは、送信器１０において固有損失ＬＯＳＳAだけ減衰し、光強度ＩAoutで光伝送路３０へ折り返される。
【００４１】
この通常光モードにおいて、減衰量制御部１０２は入力光強度ＩAinを測定し、微弱光モードにおいて出力光強度ＩAoutが目標値ＩTARGETとなるように可変光減衰器１０３の減衰量を決定する。すなわち、受信器２０の固定減衰量ＡＴFIXが分かっているので、減衰量制御部１０２は、送信器１０の固有損失ＬＯＳＳAを考慮して、
ＡＴFIX＋ＡＴ＝（ＩAin−ＬＯＳＳA）−ＩTARGET
を満たす減衰量ＡＴを可変光減衰器１０３の微弱光モードでの減衰量として決定すればよい。この決定には他の情報を必要としないので、送信器１０と受信器２０との間で光強度情報をやり取りする必要は無い。こうして、微弱光モードに切り替わったときに、送信器１０からは目標光強度ＩTARGETに等しい光強度ＩAoutで光パルスを光伝送路３０へ折り返すことができる。
【００４２】
１．２）固定減衰量ＡＴFIXと可変減衰量ＡＴとの比率
通常光モードの入力光強度ＩAinから微弱光モードの出力光強度ＩAout＝ＩTARGETまでの必要総減衰量の大半を固定減衰量ＡＴFIXによる減衰に、残りを可変減衰量ＡＴによる減衰にそれぞれ割り当てることが望ましい。必要総減衰量の大半を受信器２０側の固定減衰量ＡＴFIXによる減衰に割り当てるのは後方散乱ノイズ光をできるだけ抑制すると共に、Ｅｖｅが盗聴する情報量をできるだけ低減させるためである。
【００４３】
他方、必要総減衰量の残りを送信器１０側の可変減衰量ＡＴによる減衰に割り当てるのは以下の理由による。第１に、最後の調整を送信器１０側で完結させることで、送信器１０と受信器２０との間で光強度情報をやり取りする必要がなくなるからである。第２に、盗聴者Ｅｖｅの存在を事前に検知することが可能となるからである。すなわち、盗聴者Ｅｖｅが通常光モード時に量子信号の光強度を減衰させた場合、減衰量制御部１０２は、通常より小さい入力光強度ＩAin’によって、次式により減衰量ＡＴを決定することとなる。
ＡＴ＝（ＩAin’−ＬＯＳＳA）−ＩTARGET−ＡＴFIX
ＬＯＳＳA、ＩTARGETおよびＡＴFIXが全て秘密の固定値とすれば、入力光強度ＩAin’が許容範囲を逸脱している場合には、減衰量ＡＴが設定不可能になり、盗聴者Ｅｖｅの存在を事前に検知することが可能となる。
【００４４】
このように後方散乱ノイズ光の抑制および安全性の向上という目的に従って固定減衰量ＡＴFIXと可変減衰量ＡＴとの比率を一定値に決定することができる。
【００４５】
さらに具体的な決定方法としては、光伝送路３の伝送損失ＬＯＳＳFの設計範囲を決定し、その上限値にて量子暗号鍵配布を行うと仮定した場合に、図２（Ｂ）の通常光モードにおける実線の光伝送路３の区間の直線を送信器出力点まで延長し、そのときの仮想の光強度ＩAout*が目標値ＩTARGETとなるように受信器２０の固定減衰量ＡＴFIXを決定することもできる。
【００４６】
１．３）２値光減衰器
２値光減衰器２００の構成例は後述する実施例において説明するが、固定減衰器をセレクタにより選択する構成でもよいし、可変光減衰器を２つの固定値の間で切り替えて使用することもできる。安定性および高速応答性を優先するならば固定減衰器をセレクタで選択する構成とし、構造の複雑化を回避したいならば可変光減衰器を採用すればよい。
【００４７】
以下、本発明の実施例による光強度設定装置を適用した量子暗号鍵配布システムについて具体的に説明する。
【実施例１】
【００４８】
２．第１実施例
図３は本発明の第１実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。ただし、図３では本発明に関連する構成のみを図示しており、位相変調の制御系やクロックや動作モードの同期系などの構成は省略している。本実施例では、トレーニングモードと通信モードとの間で量子信号の光強度を切り替える。具体的には、トレーニングモードでは通常の光強度レベルの量子信号が送信され、通信モードでは単一光子レベルの量子信号が送信される。
【００４９】
２．１）システム構成
図３に示すように、本実施例によるシステムは送信器１０と受信器２０とが光伝送路３０によって接続されている。量子暗号鍵配布システムでは、送信器１０がＡｌｉｃｅ、受信器２０がＢｏｂにそれぞれ対応する。光伝送路３０は、一般的には光ファイバ伝送路である。
【００５０】
送信器１０には、ファラデーミラー１１１、位相変調器１１２、可変光減衰器１１３および光カプラ１１４からなる光学系と、光検出器１１５および制御回路１１６からなる電気系とが設けられている。制御回路１１６は、上述したように、トレーニングモード時に光検出器１１５によりモニタされた入力光強度に基づいて、通信モード時の可変光減衰器１１３の減衰量を決定する。ファラデーミラー１１１、位相変調器１１２および可変光減衰器１１３の構成および機能は、図１の背景技術で説明したとおりである。
【００５１】
受信器２０には、偏光ビームスプリッタ２０１、位相変調器２０２、光カプラ２０３、光サーキュレータ２０４、光子検出器２０５および２０６が設けられ、これらの構成および機能は、図１の背景技術で説明したとおりである。受信器２０の光源装置は、光スイッチ２０７、固定減衰器２０８、光スイッチ２０９およびパルス光源２１０からなる。
【００５２】
制御回路２１１は光スイッチ２０７および２０９をセレクタとして動作させる。トレーニングモード時には、光スイッチ２０７および２０９は固定減衰器２０８を選択せずにパルス光源２１０からの光パルスを過剰減衰無しに光サーキュレータ２０４へ転送し（経路Ｔ）、通信モード時には固定減衰器２０８を選択し、パルス光源２１０からの光パルスを固定減衰量だけ減衰させて光サーキュレータ２０４へ転送する（経路Ｃ）。
【００５３】
こうして光サーキュレータ２０４に到達した光パルスは、既に述べたように、光カプラ２０３で２分岐され、それぞれ長いパスＬＰと短いパスＳＰとを通過することで時間的に分離され、偏光ビームスプリッタ２０１で合波された後、送信器１０へと送り出される。送信器１０に到着した光パルスは光カプラ１１４によって分岐され、一方は光検出器１１５で受光される。制御回路１１６はトレーニングモード時に光検出器１１５でモニタされた光強度を元に量子信号を単一光子レベルにする為に必要な減衰量を計算し、通信モード時に可変光減衰器１１３に計算結果の減衰量を施す。分岐されたもう一方の光パルスは可変光減衰器１１３、位相変調器１１２を経てファラデーミラー１１１で偏波方向を９０度回転させて反射され、元の経路を戻る。こうして送信器１０から折り返された光パルスは上述したように光カプラ２０３で干渉し光検出器２０５あるいは２０６で検出される。
【００５４】
２．２）動作
制御部２１１はトレーニングモードで光パルスを送信し、その折り返し光パルスを検出すると、通信モードに移行し、固定減衰器２０８を通して減衰させた光パルスを送信する。これによって、送信器１０は折り返し光パルスを位相変調すると共に、可変減衰器１１３によって単一光子レベルまで光強度を減衰させることができ、この単一光子レベルの折り返し光パルスを受信器２０へ送信する。
【００５５】
トレーニングモードでは、量子信号の光強度を高い状態に設定し、送信器１０においてクロック抽出や送信器１０の入力光強度モニタを可能にする。すなわち、制御回路２１１は光スイッチ２０７および２０９を制御して過剰減衰の無い経路Ｔを選択する。ここで、パルス光源２１０の出力光強度を−１０ｄＢｍとし、経路Ｔを通る場合の受信器２０内の損失、つまり光スイッチ２０９ → 光スイッチ２０７ → 光サーキュレータ２０４ → 光カプラ２０３ →偏光ビームスプリッタ２０１の合計損失を５ｄＢとすると、受信器２０の出力光強度は−１５ｄＢｍとなる。光伝送路３０の距離が４０ｋｍ、損失が１０ｄＢ（伝送路損失を０．２５ｄＢ／ｋｍで計算）であるとすると、送信器１０の入力光強度は−２５ｄＢｍとなる。
【００５６】
光検出器１１５で受光される光強度は光カプラ１１４の損失（３ｄＢ）があるので−２８ｄＢｍとなる。一般的な光検出器（フォトダイオード）の受光感度は０．９５Ａ／Ｗ程度であるので、−２８ｄＢｍの入力光からは１．５μＡの光電流を得ることができ、この電流を１００ｋΩの抵抗に流すことで１５０ｍＶの電圧信号を得ることができる。この電圧信号はオペアンプによる増幅を行うことで十分モニタ可能な大きさである。
【００５７】
可変光減衰器１１３の設定減衰量を０ｄＢとした場合、送信器１０内の損失、つまり光カプラ１１４ → 可変光減衰器１１３ → 位相変調器１１２ → ファラデーミラー１１１ → 位相変調器１１２ → 可変光減衰器１１３ → 光カプラ１１４の合計損失を１０ｄＢとすると、送信器１０の出力光強度は−３５ｄＢｍとなる。繰り返し周波数６２．５ＭＨｚ、量子信号波長１５５０ｎｍ、平均光子数０．１photon/pulseの光パルスの強度は−９１．０ｄＢｍであるから、通信モード時にはトレーニングモード時と比較して、全体で５６ｄＢ程度の減衰を施す必要がある。
【００５８】
本実施例では、受信器２０の固定減衰器２０８で５０ｄＢ、送信器１０の可変光減衰器１１３で６ｄＢ、それぞれ減衰させる構成とした。この総減衰量の割り振り方の根拠を次に示す。
【００５９】
２．３）減衰量の割振
実システムの設計において、全ての設計項目には設計範囲とマージンが必要となる。本実施例では、伝送距離を０〜５０ｋｍ、伝送路損失を０．２〜０．３ｄＢ／ｋｍと設定して減衰量設計を行った。
【００６０】
トレーニングモードにおける受信器２０の出力光強度（−１５ｄＢｍ）と、通信モードにおける送信器１０の出力光強度（−９１ｄＢｍ）とは定まった値であるから、
(1)伝送損失、
(2)送信器１０内の損失（可変光減衰器１１３の減衰量を含む）および
(3)受信器２０側の固定減衰器２０８の減衰量
の和が常に固定値、つまり−１５ｄＢｍ−（−９１ｄＢｍ）＝７６ｄＢであればよい。伝送損失(1)は距離および伝送路損失によって０ｄＢ〜１５ｄＢの範囲で変化し、減衰量(3)は固定値であるから、可変光減衰器１１３の可変幅は１５ｄＢ以上あれば、(1)と(2)の減衰量の和を常に固定値に設定することができる。
【００６１】
後方散乱光の抑制、トレーニングモードでのＥｖｅの操作余地の削減の為には、(3)の減衰量は大きいほど望ましい。したがって、(1)と(2)の減衰量の和を１５ｄＢ＋１０ｄＢ（可変光減衰器１１３を除く送信器１０内の損失）＋１ｄＢ（マージン分）の２６ｄＢ、(3)の減衰量を残りの５０ｄＢとした。
【００６２】
伝送距離５０ｋｍで伝送路損失が０．３ｄＢ／ｋｍである場合、伝送損失は１５ｄＢとなる為、可変光減衰器１１３の減衰量を１ｄＢとし、伝送距離０ｋｍの場合は可変光減衰器１１３の減衰量を１６ｄＢとすることで、伝送損失によらず通信モードでの送信器１０の出力光強度を−９１ｄＢに設定することができる。実際、量子信号は可変光減衰器１１３を往復２度通過するから、設定減衰量はそれぞれの半分の値で良い。受信器２０に到着する量子信号の光強度は更に伝送路損失１０ｄＢ分だけ低下しているので−１０１ｄＢｍとなる。
【００６３】
２．４）効果
（第１の効果)
従来のシステム、すなわち送信器側でトレーニングモード時の光強度をモニタし、通信モードに受信器側で光強度を減衰させるような往復型システムでは、送信器が受信器へモニタした光強度の情報を通知するという余計な通信が必要であった。これは、伝送損失は送信器でしかモニタできないことに加え、往復型システムではRayleigh後方散乱により量子信号の信号対雑音比が劣化するので、受信器の出力光強度を可能な限り小さくする必要があったためである。
【００６４】
これに対して、本発明の第１実施例では、通信モードで量子信号の光強度を単一光子レベルにまで下げる為に必要な減衰量は、その大半を受信器２０において固定量だけ減衰させ、残りの減衰量調整を送信器１０で行う。これにより送信器１０と受信器２０との間で光強度情報を連絡するための通信を行わずに単一光子レベルの光強度設定を行うことが出来る。
【００６５】
（第２の効果)
さらに、トレーニングモードにおいて、Ｅｖｅが量子信号の光強度を制御して伝送損失を「偽る」ことにより、通信モードでの量子信号を分岐盗聴する、という盗聴法が困難になる効果も有する。次にこの理由を説明する。
【００６６】
図４（Ａ）は盗聴者が存在する場合の本実施例の動作を説明するためのシステムブロック図であり、図４（Ｂ）は盗聴者が存在する場合の従来の動作を比較例として説明するためのシステムブロック図である。ここでは、伝送路上に盗聴者Ｅｖｅ４０が存在し、分岐比可変光カプラ４０１と光検出器４０２とを用いて伝送路情報を偽る盗聴を行うものとする。また、トレーニングモードでの受信器２０の出力光強度および伝送路３０の損失は、前例と同じく、それぞれ−１５ｄＢｍおよび１０ｄＢであるとする。
【００６７】
まず、図４（Ｂ）に示すように、必要な総減衰量の全てを受信器２０の光減衰器２０８ｂにより行う場合を考える。Ｅｖｅ４０は、分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を１０：９０にセットし、Ｅｖｅ４０に入力した量子信号の１０％（−１０ｄＢ）を送信器１０に送る。これによって送信器１０の入力光強度は−３５ｄＢｍ、出力光強度は−４５ｄＢｍとなる。従って、送信器１０内の制御回路１１６ａは光検出器１１５のモニタ結果に基づき『通信モードにおいて送信器１０の出力光強度を−９１ｄＢｍにする為にはさらに４６ｄＢ減衰を加える必要がある』と判断し、その光強度情報を受信器２０へ通知する。この結果、通信モード時には、受信器２０は可変減衰器２０８ｂによって光パルスの光強度を４６ｄＢ減衰させ、受信器２０の出力光強度は−６１ｄＢｍとなる。
【００６８】
Ｅｖｅ４０は、通信モードでは分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を３３：６７に変更し、Ｅｖｅ４０に入力した量子信号の３３％（−５ｄＢ）を送信器１０へ送る。従って、送信器１０の入力光強度は−７６ｄＢｍ、出力光強度は−８６ｄＢｍとなる。この出力光強度は約０．３photon/pulseに対応し、設計値の０．１photon/pulseを大きく上回っている為、暗号鍵配布の安全性は大きく劣化する。
【００６９】
具体的には、Ｅｖｅ４０は、分岐比可変光カプラ４０１の分岐比が３３：６７である為、送信器１０→受信器２０へと送られる量子信号の光強度の２倍の強度で量子信号を入手することができる。現在の技術では光子検出器の受信効率は１０から２０％であるから、受信器２０が受信できたビットをＥｖｅ４０でも運良く受信できる可能性は極めて小さくなるものの、Ｅｖｅ４０が保持しうる情報量は多くなる。したがって、送信器１０と受信器２０とで行われる秘匿増強のプロセスにおいて破棄すべき情報量が多くなることは免れない。トレーニングモードでの分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を５：９５や１：９９というように大きくすることで、Ｅｖｅ４０は通信モード時に、より高い強度の量子信号を分岐することが可能になる。
【００７０】
さらに、送信器１０の出力光強度が−８６ｄＢｍであれば、Ｅｖｅ４０の分岐比可変カプラ４０１の損失５ｄＢと光伝送路３０の損失１０ｄＢにより、受信器２０に到着する光強度は−１０１ｄＢｍとなる。この光強度は、Ｅｖｅがいない時の光強度と一致するので、光子検出器２０５、２０６における光子検出速度に変化は無く、送信器１０および受信器２０はＥｖｅ４０の分岐盗聴を検知できない。
【００７１】
これに対して、図４（Ａ）に示す本実施例によればＥｖｅ４０の存在を検知することができる。まず、トレーニングモードでの受信器２０の出力光強度を−１５ｄＢｍ、光伝送路３０の損失を１０ｄＢとし、Ｅｖｅ４０が分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を１０：９０にセットし、Ｅｖｅ４０に入力した量子信号の１０％（−１０ｄＢ）を送信器１０に送るものとする。この場合、送信器１０の入力時の量子信号の光強度は−３５ｄＢｍ、出力光強度は−４５ｄＢｍとなる。従って送信器１０内の制御回路１１６は光検出器１１５のモニタ結果に基づき、受信器２０の固定減衰量と可変光減衰器１１３の減衰量との合計減衰量を４６ｄＢに設定しようと試みる。しかし、固定減衰器２０８の減衰量だけで５０ｄＢある為、可変光減衰器１１３の設定減衰量を決定することができず、Ｅｖｅ４０の存在を検知することができる。
【００７２】
この場合、Ｅｖｅ４０は自らの存在の発覚を避ける為に分岐比可変カプラ４０１の分岐比設定を変更せざるを得ない。上記の条件でＥｖｅ４０が通信モード盗聴によって最も多くの情報を得る為には、トレーニングモードでは分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を２５：７５とする。すなわちＥｖｅ４０に入力した量子信号の２５％（−６ｄＢ）を送信器１０に送ることで送信器１０の入力光強度を−３１ｄＢｍ、出力光強度を−４１ｄＢｍとし、制御回路１１６に『固定減衰器２０８の減衰量が５０ｄＢであるので可変光減衰器１１３の設定減衰量は０ｄＢでよい』と誤認させる。そして、通信モードになると、分岐比可変光カプラ４０１の分岐比を５０：５０とする。従ってＥｖｅ４０は送信器１０→受信器２０へと送られる光強度と同等の強度の量子信号を入手することとなる。
【００７３】
このように、図４（Ｂ）に示した比較例に比べると、本実施例ではＥｖｅ４０が入手できる情報量は大幅に削減される。送信器１０および受信器２０は、設計条件（伝送距離０〜５０ｋｍ、伝送路損失０．２〜０．３ｄＢ／ｋｍ）をさらに限定して総減衰量の割り振りを変更することでＥｖｅ４０の入手できる情報量を更に低減することができる。
【実施例２】
【００７４】
３．第２実施例
図５は本発明の第２実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。ただし、図３のシステムと同一機能を有するブロックには同一参照番号を付して説明は省略する。
【００７５】
図５に示す第２実施例は、図３に示す第１実施例と受信器２０における光源装置の構成が異なっている。すなわち、第２実施例によれば、光源装置は、光カプラ２２０、固定光減衰器２２１、光スイッチ２０９およびパルス光源２１０から構成される。光カプラ２２０の分岐比は１０：９０に設定され、分岐比１０の入力ポートが固定光減衰器２２１を通して光スイッチ２０９の一方の出力ポートに接続され、分岐比９０の入力ポートが光スイッチ２０９の他方の出力ポートに直接接続されている。また光カプラ２２０の分岐比９０の出力ポートが光サーキュレータ２０４に接続されている。
【００７６】
制御回路２１１は光スイッチ２０９をセレクタとして動作させる。トレーニングモード時には、光スイッチ２０９は固定減衰器２２１を選択せずにパルス光源２１０からの光パルスの９０％を光カプラ２２０を通して光サーキュレータ２０４へ転送する。通信モード時には、光スイッチ２０９は固定減衰器２２０を選択し、パルス光源２１０からの光パルスを固定減衰器２２１に加えて光カプラ２２０により更に減衰させ、光サーキュレータ２０４へ転送する。固定減衰器２２１の減衰量および光カプラ２２０による減衰量はいずれも固定値であり、合計で第１実施例と同じ固定値に設定することができる。
【００７７】
本実施例によれば、第１実施例の構成と比べて、アクティブデバイスである光スイッチ２０７が不要となるので、システムの信頼性を向上させることができる。
【００７８】
なお、第１および第２実施例では、受信器２０においてトレーニングモードと通信モードとの間で光強度を切り替える手段として、光スイッチおよび固定減衰器を使用する構成としたが、本発明はこの実施例に限られるものではない。両モードの切り替え時に量子信号の光強度を切り替えることが出来ればどの様な構成でも良く、たとえば可変減衰器を使用して固定減衰量のオン／オフ（On/Off）を行っても良い。
【実施例３】
【００７９】
４．第３実施例
受信器側でトレーニングモード／通信モードで量子信号の光強度を切り替えるための手段は、上記実施例のような光スイッチおよび光減衰器を用いたものに限定されるものではない。パルス光源２１０の駆動信号を制御することで光強度を第１実施例および第２実施例と同様に変化させることが可能である。
【００８０】
また、第１実施例および第２実施例では、送信器１０における折り返し手段としてファラデーミラー１１１を用いたが、特許文献４に記載されたＰＢＳループを用いて同様の折り返しを実行することもできる。そこで、本発明の第３実施例として、パルス光源の駆動制御により光強度を設定し、ＰＢＳループにより量子信号を折り返すシステムについて説明する。
【００８１】
図６は本発明の第３実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器１１と受信器２１が光伝送路３０により接続されているものとし、図３のシステムと同一機能を有する回路要素あるいはブロックには同一参照番号を付して説明は省略する。
【００８２】
本実施例における受信器２１に設けられたパルス光源２１０はレーザダイオードであり、駆動回路２３０により駆動される。駆動回路２３０がパルス光源２１０に供給する駆動電流は制御回路２３１により制御され、後述するように、トレーニングモードと通信モードとで光強度を変更することができる。こうして制御された光強度を有する光パルスがパルス光源２１０から光サーキュレータ２０４へ直接出力される。
【００８３】
更に、本実施例における送信器１１には、第１および第２実施例におけるファラデーミラー１１１および位相変調器１１２の代わりに、位相変調器１２２および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２１から構成されるＰＢＳループが設けられている。位相変調器１２２は通過する光パルスに対して位相変調を行う。ＰＢＳループはファラデーミラーと同様の機能を有し、ＰＢＳ１２１に受信器２１側から入射した光パルスは偏波状態によって分離され、ＰＢＳループを反対方向に周回する間に位相変調器１２２で位相変調され、再度ＰＢＳ１２１で結合され、偏光が９０°回転した状態で受信器２１へ折り返される（非特許文献４参照)。これ以外の構成および動作は第１実施例と同様であるから説明は省略する。
【００８４】
図７はパルス光源であるレーザダイオードへの印加電流と出力光強度との関係を示す図である。本実施例ではパルス光源２１０をパルス駆動するが、図７に示すように、レーザダイオードは印加電流が閾値電流を越えるまでレーザ発振は起こらず、閾値電流を超えた時点から印加電流に比例した強度の光が出力される。この性質を利用し、トレーニングモードでは駆動信号のバイアス値を高く設定して高い光強度の光パルスを出力させ、通信モードでは制御回路２３１の制御によって駆動回路２３０の駆動条件を変更して駆動信号のバイアス値を低く設定することで低い光強度のパルス信号を出力させることができる。その際、駆動信号の振幅も変更することによってトレーニングモードと通信モードの光パルス強度の差を大きくすることが出来る。
【００８５】
図８（Ａ）および（Ｂ）は駆動信号のバイアス値および振幅を切り替えた時の出力光パルスの変化の様子を示す図である。図８（Ａ）に示すように、トレーニングモードでは高い強度で光パルスが生成されているのに対し、図８（Ｂ）に示すように、通信モードでは光強度が抑制できていることが分かる。従って、本実施例でも第１および第２実施例と同様の効果を得ることが出来る。
【００８６】
さらに、光パルスの消光特性に関して以下の効果も得られる。すなわち、トレーニングモードでは駆動信号のバイアス値を高く設定している為、駆動信号が“０”の時間帯でもレーザダイオードの閾値電流近くの印加電流が供給されており出力光強度は完全にゼロにはならない。トレーニングモードでの量子信号の役割は送信器１１にクロック情報と光強度情報を知らせることであるから、この点は大きな問題とはならない。
【００８７】
しかしながら、通信モードでは駆動信号の“０”の時間帯で消光しきらないと、光子検出の際にノイズ光として作用し、暗号鍵生成性能を劣化させる。本実施例では、通信モードでは駆動信号のバイアス値を閾値電流よりも十分小さく設定している為、光パルスの消光特性を高く保つことができ、暗号鍵生成性能を高くすることができる。
【００８８】
上述したように、駆動回路２３０の駆動条件を変更することでパルス光源２１０の出力光強度を切り替えることができるが、第１および第２実施例で記載した光スイッチおよび固定減衰器を用いた光源装置と組み合わせて使用することも可能である。
【００８９】
なお、光カプラ２０３で干渉後の単一光子状態の光パルスは光検出器２０５あるいは２０６によって検出されるが、これら光検出器２０５および２０６として、非特許文献５に記載の平衡型ゲートモード光子検出器を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は往復型の光通信システムに適用可能であり、特に量子暗号鍵配布技術に代表される、単一光子検出によって乱数を生成する技術に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムを示す概略的ブロック図である。
【図２】（Ａ）は本発明の概略を説明するためのシステム構成図であり、（Ｂ）は光路に対する光強度の減衰の様子を概念的に示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は盗聴者が存在する場合の本実施例の動作を説明するためのシステムブロック図であり、（Ｂ）は盗聴者が存在する場合の従来の動作を比較例として説明するためのシステムブロック図である。
【図５】本発明の第２実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施例による量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図７】パルス光源であるレーザダイオードへの印加電流と出力光強度との関係を示す図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は駆動信号のバイアス値および振幅を切り替えた時の出力光パルスの変化の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０、１１  送信器（Ａｌｉｃｅ）
２０、２１  受信器（Ｂｏｂ）
１０１  モニタ
１０２  可変光減衰器
１１１  ファラデーミラー
１１２  位相変調器
１１３  可変光減衰器
１１４  光カプラ
１１５  光検出器
１１６  制御回路
１２１  偏光ビームスプリッタ
１２２  位相変調器
２００  ２値減衰器
２０１  偏光ビームスプリッタ
２０２  位相変調器
２０３  光カプラ
２０４  光サーキュレータ
２０５、２０６  光検出器
２０７  光スイッチ
２０８  固定減衰器
２０９  光スイッチ
２１０  パルス光源
２１１  制御回路
２２０  光カプラ
２２１  固定減衰器
２３０  レーザ駆動回路
２３１  制御回路
【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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