(57)【要約】  マルチモード光ファイバを介して伝送されたパルス光信号を受動的に暗号化及び復号化するためのシステムを提供する。本システムは、前記光信号が受動的に暗号化された、少なくとも１ビット周期長の信号の２つの光モード群の間に遅延差を生じる光ファイバを含み、前記伝送ファイバの信号受信端と光信号源の間に接続された暗号化ユニットと、前記光信号が受動的に復号化された、信号の前記２つの光モード群の間の前記遅延差を打ち消す光ファイバを有し、前記伝送ファイバの信号送出端に接続された復号化ユニットとを含む。暗号化ユニット光ファイバは、相補的な摂動のアルファ分布を有し、信号の２つの光モード群の間に遅延差を生み、かつ、復号化ユニット光ファイバは、逆に相補的な摂動のアルファ分布を有し、信号の前記２つの光モード群の間の遅延差を打ち消す。また、暗号化ユニット及び復号化ユニットは、２つの異なる光モード群に信号を分割するモードスプリッタの組合せを有することもでき、かつ、２つの光モードに平行に導く一対の光ファイバが２つのモード群に遅延差を生じるか又は打ち消す、異なる長さとすることもできる。
2010528531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモード光導波路を介して伝送されるパルス光信号を受動的に暗号化及び復号化するためのシステムであって、  
前記光信号が暗号化された、少なくとも１ビット周期長の信号の２つの光モード群の間に遅延差を生じる光ファイバを含み、前記導波路の信号受信端と光信号源の間に接続された暗号化ユニットと、
受動的に暗号化された信号を復号化する光学要素を有する前記伝送ファイバの信号送出端に接続された復号化ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記暗号化ユニット光ファイバは、信号の２つの光モード群の間の前記遅延差を生じる光学特性を有し、かつ、
前記復号化ユニットは、前記暗号化ユニット光ファイバの光学特性を補完し、前記光信号が復号化された、信号の前記２つの光モード群の間の前記遅延差を打ち消す光学特性を有する光ファイバを有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記暗号化ユニット光ファイバと前記復号化ユニット光ファイバの相補的な光学特性は、ファイバのアルファ分布の相補的な摂動を含むことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記相補的な摂動がガウス関数分布摂動であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記相補的な摂動が正弦関数分布摂動であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記相補的な摂動が多項式関数分布摂動であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項７】
前記相補的な摂動が放物線関数分布摂動又は双曲線関数分布摂動であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項８】
前記相補的な摂動が、ガウス関数分布摂動、超ガウス関数分布摂動、正弦関数分布摂動、多項式関数分布摂動、放物線関数分布摂動、双曲線関数分布摂動、矩形関数分布摂動及び三角形関数分布摂動の任意の組合せであることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項９】
前記相補的な摂動が単一又は多数のピーク関数分布摂動であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項１０】
信号を暗号化するための、直列に接続された多数の暗号化ユニットと、
暗号化された信号を復号化するための、直列に接続された多数の復号化ユニットと、
を含むことを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項１１】
前記暗号化ユニットが、前記信号源に接続された入力部と前記信号の２つの光モード群を送信するための第１及び第２出力部とを有するモードスプリッタと、前記光信号が暗号化された、少なくとも１ビット周期長の信号の前記２つの光モード群の間に前記遅延差を生じる前記第１及び第２モードスプリッタ出力部に接続された光ファイバの第１区間Ｌ１及び第２区間Ｌ２と、前記光ファイバの第１区間Ｌ１及び第２区間Ｌ２とそれぞれ接続された第１入力部及び第２入力部と出力部とを有するモード結合器とを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記光ファイバの第１区間Ｌ１及び第２区間Ｌ２が、前記信号の前記２つの光モード群の間に前記遅延差が生じるように異なることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記復号化ユニットが、前記導波路の前記送出端に接続された入力部と、前記暗号化ユニットの前記モードスプリッタと同じ前記信号の２つの光モード群を分ける第１出力部及び第２出力部とを有するモードスプリッタを含むことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記復号化ユニットが、前記復号化ユニットモードスプリッタの前記第１出力部及び第２出力部に接続された光ファイバの第３区間Ｌ３及び第４区間Ｌ４を含み、かつ、信号の前記２つの光モード群の間の前記遅延差が打ち消され、信号が復号化されるように、Ｌ３及びＬ４は異なる長さであることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記光信号が受動的に暗号化され、かつ、前記光信号が復号化されて、信号の前記２つの光モード群の間の前記遅延差を打ち消すことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、安全な光通信のために光信号の暗号化（scrambling）及び復号化（unscrambling）のためのシステムに関し、特に、マルチモードファイバ伝送におけるパルス光信号を暗号化及び復号化するための受動的なシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムからの情報窃盗を防止する様々な技術が当該技術分野において公知である。その一技術において、伝送光ファイバ構造が、回折格子タップを形成するために必要な「書き込み（writing）」放射に対するファイバコアのアクセスを遮断するか、あるいは、ファイバコアを介して導かれる伝送信号とは別の監視信号がファイバを介して導かれるのを許可するさらに別の光路を提供するように変更される。ファイバを介して導かれる監視信号の検出された減衰は、ファイバの外側コーティング又はクラッドでの欠陥を意味する。他の技術においては、第１の能動型デバイス（例えば、位相変調器など）が伝送のある地点で光信号を暗号化し、そして、後で第２の能動型デバイスによって光ネットワークにおける下流のある地点で復号化される。
【０００３】
どちらの公知技術も安全な光伝送を実施することができるが、それらに欠点がないわけではない。伝送ファイバの構造変更を要する技術は、現存する光伝送ファイバを交換しなければならないので、現存する光ネットワークに容易に適用されない。さらに、そのような変形したファイバは、さらなる製造工程を要する、及び／又は従来のファイバにはない変更された材料を要する、相対的に高価な「特殊（specialty）」ファイバである。能動型暗号化デバイスは、光ネットワーク中に相対的にかなり広い空間を必要とし、外部電源を必要とし、そして、伝送ファイバに単純なスプライスによって大抵容易には導入できない。それらはまた、例えば上記の変更されたファイバなどの受動型セキュア伝送デバイスと比較すると、相対的に不安定で故障しやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
明らかに、必要とされるのは、現存するファイバを交換すること必要とせず、現存する光伝送システムに容易に導入できる安全な光伝送を提供する受動型デバイスである。理想的には、そのようなデバイスは、少しの空間だけを占め、最小の信号減衰のみを提供するはずであり、そして、情報泥棒が暗号化された信号から伝送された情報を抽出することは不可能ではないにしても困難となるように、事実上無限に異なる「鍵（keys）」を利用して光信号を暗号化することができるはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般的に言えば、本発明は、従来技術と関連する上記欠点を解消し、マルチモード光ファイバを介して伝送されたパルス光信号を受動的に暗号化及び復号化するためのシステムである。この目的を達成するため、本システムは、前記光信号が受動的に暗号化された、少なくとも１ビット周期長の２つの光モード群の間に遅延差を生じる光ファイバを含む伝送ファイバの信号送出端に接続された暗号化ユニットと、前記光信号が受動的に復号化された、前記２つの光モード群の間の前記遅延差を打ち消す光ファイバを有する前記伝送ファイバの信号受信端に接続された復号化ユニットとを含む。
【０００６】
暗号化ユニット光ファイバは２つの光モード群の間に遅延差を生じる光学特性を有し、復号化ユニット光ファイバは２つの光モード群の間の遅延差を打ち消す相補的な光学特性を有する。モード遅延特性は、例えば、ファイバのアルファ分布に組み込まれる関数ｆ（ｒ）によって記述される正の摂動（変動）であってもよい。関数ｆ（ｒ）は、ガウス関数摂動、正弦関数摂動、多項式関数摂動、放物線関数、双曲線関数、超ガウス関数、矩形関数、又は三角形関数であってもよい。摂動はまた、上記摂動の組合せ、又は他の単一ピークあるいは多数のピークの摂動であってもよい。モード同期特性を有する復号化ユニット光ファイバは、相補的な負の摂動関数−ｆ（ｒ）を有する。
【０００７】
また、暗号化及び復号化ユニットは、２つの異なる光モード群に信号を分割するモードスプリッタと、平行に２つの光モード群に導く一対の光ファイバであって、２つのモード群に遅延差を生じ又は打ち消すための異なる長さである光ファイバとの組合せを有してもよい。例えば、暗号化ユニットは、その入力端でモードスプリッタに接続された２つの異なる区間Ｌ１及びＬ２と、その出力端でモード結合器とを含んでもよい。光ファイバの２つの異なる区間Ｌ１とＬ２は、平行に信号内に２つの光モード群を導く。これらの光ファイバの異なる区間Ｌ１とＬ２は、２つの光モード群の間に遅延差を生じさせ、伝送ファイバの信号受信端に接続されたモード結合器によって暗号化された信号に再結合させる。復号化ユニットはまた、入力端でモードスプリッタに、そして、出力端でモード結合器にそれぞれ同様に接続された、２つの異なる区間Ｌ３とＬ４の光ファイバを含む。復号化ユニットのモードスプリッタは暗号化ユニットのモードスプリッタと同じ２つの光モード群に信号を分割し、そして、区間Ｌ３及びＬ４が信号の２つの遅延部分を再同期するように選択される。復号器が単純にＬ１＝Ｌ３及びＬ２＝Ｌ４の状態にすることによって容易に構成できるように、同じ形式のファイバがＬ１−Ｌ４を形成するのに使用されるのが好ましい。
【０００８】
本発明の実施形態では、パルス光信号を受動的にかつ確実に暗号化及び復号化する、シンプルで安価な方法を有利に提供する。さらに、第１の実施形態のファイバのアルファ分布に組み入れられ得る多くの摂動関数、ファイバの多くの異なる長さ、又は、第２の実施形態で用いられる多くの異なるスプリッタ及び結合器によって、本システムに使用できる暗号鍵（encryption keys）の数が非常に多い。さらに、原則として、第１の実施形態の概念は、暗号器ペアの相互特性を利用する連結した実施を可能にさせる。例えば、固有の暗号化ユニットＡ，Ｂ，Ｃとし、適合する復号化ユニットをＡ’，Ｂ’，Ｃ’とし、伝送ファイバを←→として特定した場合、暗号化ユニット及び復号化ユニットは順に、ＡＢ⇔Ｂ’Ａ’，ＢＡ←→Ａ’Ｂ’，Ａ←→Ａ’←→Ｂ←→Ｂ’、より難解なＣＢＡ←→Ｂ’←→Ａ’Ｃ’も、そして類似の実施も実施され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の暗号化及び復号化システムのブロック図であり、暗号化ユニットと復号化ユニットはそれぞれ、アルファ分布に組み入れられる相補的な摂動を有する光ファイバの単一区間を含む。
【図２Ａ】暗号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径（normalized-radius）０．３（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図２Ｂ】復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．３（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図３Ａ】暗号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．５（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図３Ｂ】復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．５（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図４Ａ】暗号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．７（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図４Ｂ】復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．７（ｒ／ａ）で集中する単一ピークのガウス関数に従う。
【図５】正規化された半径０．３，０．５及び０．７（ｒ／ａ）で集中する上記の単一ピークのガウス関数に従うファイバアルファ分布の摂動に関連するモード遅延を示す。
【図６Ａ】暗号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．３及び０．４（ｒ／ａ）で集中するダブルピークのガウス関数に従う。
【図６Ｂ】復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．３及び０．４（ｒ／ａ）で集中するダブルピークのガウス関数に従う。
【図７】負及び正の摂動に対して、正規化された半径０．３及び０．４（ｒ／ａ）で集中する上記のダブルピークのガウス関数に従うファイバアルファ分布の摂動に関連するモード遅延を示す。
【図８Ａ】暗号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．４，０．５及び０．６（ｒ／ａ）で集中するトリプルピークのガウス関数に従う。
【図８Ｂ】復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は正規化された半径０．４，０．５及び０．６（ｒ／ａ）で集中するトリプルピークのガウス関数に従う。
【図９】暗号化ユニット及び復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は相補的な正弦関数に従う。
【図１０】暗号化ユニット及び復号化ユニットに用いられる光ファイバのアルファ分布を示し、分布に組み入れられる摂動は相補的な多項式関数に従う。
【図１１Ａ】本システムの第２実施形態のブロック図であり、異なる光モード群の遅延差は、モードスプリッタと、異なる速度で２つの光モード群に導く光ファイバの２つの異なる区間との組合せによって得られる。
【図１１Ｂ】本システムの第２実施形態のブロック図であり、異なる光モード群の遅延差は、モードスプリッタと、異なる速度で２つの光モード群に導く光ファイバの２つの異なる区間との組合せによって得られる。
【図１２】本実施形態の様々な位置におけるアイダイアグラム測定結果と同様に、本発明の第１実施形態の概念の説明のための実験装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、本発明の暗号化及び復号化システム１は、光信号伝送ネットワークの部分であるマルチモード光ファイバ３の部分で形成された伝送ファイバを含む。伝送ファイバ３は、信号源７から光信号パルスを受信する受信端５と、出力ファイバ１０に信号パルスを中継するための送出端９とを有する。暗号化ユニット１１は、信号源７と伝送ファイバ３の受信端５の間に接続されている。暗号化ユニット１１は、１メートル長と５００メートル長の間、より典型的には１０メートル長と５０メートル長の間の、暗号化マルチモードファイバ１２の部分を含む。ファイバ１２は、信号源７と受信端５の間に、光ファイバスプライス１３ａ，１３ｂを経由して又はファイバコネクタを用いて接続される。同様に、復号化マルチモードファイバ１６を含む復号化ユニット１４は、伝送ファイバ３の送出端９と光ファイバスプライス１８ａ，１８ｂを介して出力ファイバ１０の間に接続される。復号化マルチモードファイバ１６の長さは、後述する理由で、暗号化ファイバ１２の長さと同じ又は実質的に同じである。
【００１１】
システム１の本実施形態において、暗号化及び復号化マルチモードファイバ１２，１６は、ファイバのアルファ屈折率分布に意図的に加えられた摂動をもって設計されている。そして、それは、暗号化ファイバ１２の場合、２つの光モード群の間に遅延差を生じ、復号化ファイバの場合、光モードを再同期するために当該遅延差を打ち消す。本概念を理解するために、順番にいくつか定義される。
【００１２】
光ファイバの屈折率分布は、ファイバを形成するガラスの屈折率と導波路ファイバの半径の間の関係である。相対屈折率は、次のように定義される。
【数１】
2010528531.tif 000003
【００１３】
ｎｉはコア中心の屈折率であり、ｎｃはクラッド領域の平均屈折率である。全反射によって光を導くために、光ファイバに関して、コア領域の屈折率ｎｉは囲むクラッドの屈折率ｎｃよりも大きくなる必要があるので、Δは正の値を有しなければならない。
【００１４】
暗号化マルチモードファイバ１２は、２次アルファ分布（second order alpha profile）と、関数ｆ（ｒ）による正の摂動とを有するように設計されている。ファイバ１２の正の摂動分布Δｐは次のように記述できる。
【数２】
2010528531.tif 000004
【００１５】
光信号を元に戻すために、伝送マルチモードファイバ３の他方側の復号化ファイバ１６は、２次アルファ分布と、負の摂動（−ｆ（ｒ））とを有するように設計されている。復号化ファイバ１６の負の摂動分布Δｎは次のように記述できる。
【数３】
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【００１６】
ファイバ１２及び１６のコアとクラッドの間の小さな屈折率差Δｎ０＝（ｎｉ−ｎｃ）を仮定し、さらにｎｃ＋Δｎ０Δｏｐｔ（ｒ）≫Δｎ０ｆ（ｒ）と仮定すると、ファイバ１２及び１６によって生じる正規化されたモード遅延Ｔ（ｒｔ）はおおよそ次のように記述できる。
【数４】
2010528531.tif 000006
【００１７】
等式（４）から、分布Δｐを有する暗号化ファイバ１２によって提供されたモード遅延は、分布Δｎを有する復号化ファイバ１６を用いることによって完全に相殺されることがはっきり分かる。様々な関数がファイバ摂動関数として用いられ得ることから、理論的に、本アプローチの鍵の数は無限である。
【００１８】
図２Ａ及び図２Ｂ，図３Ａ及び図３Ｂ，図４Ａ及び図４Ｂは、暗号化ファイバ１２と復号化ファイバ１６の屈折率分布である。ここで、縦軸はファイバコアとファイバクラッドの間の正規化された相対屈折率を表わし、横軸はファイバの半径とコアの半径の間の割合を表わしている。これらの分布全てにおいて、最大相対屈折率差はファイバのコアの中心で生じ、最終的に、ファイバの半径がファイバコアの半径と等しくなる場所で差がゼロになる。これらの分布と従来の光ファイバの分布の間の主要な差異は、横軸（正規化された半径）に沿って、０．３，０．５そして０．７で生じる意図的に加えられた摂動である。摂動は次のように表現できる単一ピークガウス関数からなる。
【数５】
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【００１９】
摂動振幅Ａ（０．１＜Ａ≦１）と、摂動位置ｒ０（０＜ｒ０≦ａ）と、摂動パルス幅ｔ０（０＜ｔ０≦１）とを変えることによって、異なる鍵を有する暗号化（又は復号化）ファイバを得ることができる。図２Ａ及び図２Ｂに示された第１の分布デザインにおいて、パラメータは、ｒ０＝０．３，Ａ＝０．２，ｔ０＝０．０５であり、その２つの差異は図２Ｂが図２Ａに示された関数の負である点である。図３Ａ及び図３Ｂに示された第２の分布デザインにおいて、パラメータは、ｒ０＝０．５，Ａ＝０．２，ｔ０＝０．０５である。図４Ａ及び図４Ｂに示された第３の分布デザインにおいて、パラメータは、ｒ０＝０．７，Ａ＝０．２，ｔ０＝０．０５である。図３Ｂ及び図４Ｂはもちろん、図３Ａ及び図４Ａに示された関数の負である。
【００２０】
図５は、それぞれｒ０＝０．３，０．５，０．７である、図２Ａ及び図２Ｂ，図３Ａ及び図３Ｂ，図４Ａ及び図４Ｂにおいて示した３つの正の摂動分布（Δｐ）に対する正規化されたモード遅延である。図５が示すように、正規化されたモード遅延は、摂動位置ｒ０のシフトにより変化している。モード遅延の最大位置及び最小位置は摂動位置により移動することから、異なる摂動位置を有するファイバは、異なる次元モードで、最大の正のモード遅延及び負のモード遅延を有する。この関係は、摂動位置を変えることによって異なる鍵を得ることができることを示している。表１は、最大モード遅延と、単一ピークガウス関数分布摂動の１０個のファイバデザインに対して得られた鍵の数を与える。
【表１】
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【００２１】
表１では、鍵の数が０．２ｎｓのモード遅延空間を考慮することによって計算され、暗号化又は復号化ファイバの最大長が３０ｍである。各ファイバデザインに対して、２つの鍵が得られるということが分かる。本発明の鍵の数の全ての計算において、ファイバのパラメータΔｎ０＝（ｎｉ−ｎｃ）＝０．０２が用いられた。
【００２２】
図６Ａ及び図６Ｂは、マルチモード暗号化ファイバ１２及びマルチモード復号化ファイバ１６の屈折率分布である。分布摂動は、正規化された半径の軸に沿って０．３及び０．４それぞれで生じる中心を有する正と負のダブルピークガウス関数である。ダブルピークガウス関数は次のように表わされる。
【数６】
2010528531.tif 000009
【００２３】
摂動振幅Ａ及びＡ１（０．１＜Ａ，Ａ１≦１）と、摂動位置ｒ０（０＜ｒ０≦ａ）及びｒ０１（ｒ０１≠ｒ０，０＜ｒ０１≦ａ）と、摂動パルス幅ｔ０及びｔ０１（０＜ｔ０，ｔ０１≦１）とを変えることによって、異なる鍵を有する暗号化ファイバ１２及び復号化ファイバ１６を得ることができる。表２は、以下のように、１メートル当りの最大モード遅延と、ダブルピークガウス関数分布摂動の１０個のファイバデザインに対して得られた鍵の数を与える。
【表２】
2010528531.tif 000010
【００２４】
表２の全てのファイバデザインに対して、パラメータは、Ａ＝Ａ１，ｔ０＝ｔ０１であり、ｒ０１はそれぞれ０．２，０．０５そして０．１である。鍵の数が０．２ｎｓのモード遅延空間を考慮することによって計算され、暗号化又は復号化ファイバの最大長が３０ｍである。各ファイバデザインに対して、３つの鍵が得られるということが分かる。
【００２５】
図７は、負の摂動分布（実線）と正の摂動分布（破線）とに関して、対応する正規化されたモード遅延を示したグラフである。正規化された半径の軸に沿って正の摂動分布Δｐを有する暗号化ファイバ１２によって提供されるモード遅延が、相補的で負の摂動分布Δｎを有する復号化ファイバ１６を用いることによって完全に打ち消されることを明確に示している。
【００２６】
図８Ａ及び図８Ｂは、マルチモード暗号化ファイバ１２及びマルチモード復号化ファイバ１６の屈折率分布である。分布摂動は、正規化された半径の軸に沿って０．４，０．５及び０．６それぞれで生じる中心を有する正と負のトリプルピークガウス関数である。トリプルピークガウス関数は次のように表わされる。
【数７】
2010528531.tif 000011
【００２７】
摂動振幅Ａ，Ａ１及びＡ２（０．１＜Ａ，Ａ１，Ａ２≦１）と、摂動位置ｒ０（０＜ｒ０≦ａ）、ｒ０１（ｒ０１≠ｒ０，０＜ｒ０１≦ａ）及びｒ０２（ｒ０２≠ｒ０１≠ｒ０，０＜ｒ０２≦ａ）と、摂動パルス幅ｔ０，ｔ０１及びｔ０２（０＜ｔ０，ｔ０１０，ｔ０２≦１）とを変えることによって、異なる鍵を有する暗号化ファイバ１２及び復号化ファイバ１６を得ることができる。表３は、以下のように、最大モード遅延と、トリプルピークガウス関数の１０個のファイバデザインに対して得られた鍵の数を与える。
【表３】
2010528531.tif 000012
【００２８】
全てのファイバデザインに対して、パラメータは、Ａ＝Ａ１＝Ａ２，ｔ０＝ｔ０１＝ｔ０２であり、ｒ０１＝ｒ０２はそれぞれ０．２，０．０５そして０．１である。表３において、鍵の数が０．２ｎｓのモード遅延空間を考慮することによって計算され、暗号化又は復号化ファイバの最大長が３０ｍである。
【００２９】
図９は、マルチモード暗号化ファイバ１２（破線）及びマルチモード復号化ファイバ１６（実線）の屈折率分布である。分布摂動はそれぞれ、正の正弦関数、負の正弦関数である。正弦関数は次のように表わせられる。
【数８】
2010528531.tif 000013
【００３０】
摂動振幅Ａ（０．１＜Ａ≦１）と、周波数パラメータｍとを変えることによって、異なる鍵を有する暗号化ファイバ１２及び復号化ファイバ１６を得ることができる。表４は、以下のように、最大モード遅延と、正弦関数分布摂動の９個のファイバデザインに対して得られた鍵の数を与える。
【表４】
2010528531.tif 000014
【００３１】
表４の全てのファイバデザインに対して、パラメータは、Ａは０．２である。鍵の数が０．２ｎｓのモード遅延空間を考慮することによって計算され、暗号化又は復号化ファイバの最大長が３０ｍである。
【００３２】
図１０は、マルチモード暗号化ファイバ１２（上部の線）及びマルチモード復号化ファイバ１６（下部の線）の屈折率分布である。分布摂動は正の多項式関数と負の多項式関数である。多項式関数は次のように表わせられる。
【数９】
2010528531.tif 000015
【００３３】
摂動振幅Ａ（０．１＜Ａ≦１）と、パラメータｎとを変えることによって、異なる鍵を有する暗号化ファイバ１２及び復号化ファイバ１６を得ることができる。表５は、以下のように、最大モード遅延と、多項式関数分布摂動の６個のファイバデザインに対して得られた鍵の数を与える。
【表５】
2010528531.tif 000016
【００３４】
表５の全てのファイバデザインに対して、パラメータは、Ａは０．２である。鍵の数が０．２ｎｓのモード遅延空間を考慮することによって計算され、暗号化又は復号化ファイバの最大長が３０ｍである。
【００３５】
図１１Ａ及び図１１Ｂは本発明のシステムの第２実施形態２０の２つの変形を示している。特に図１１Ａに参照すると、システム１に類似するシステム２０は、光パルス信号源７に接続された受信端５及び出力線１０に接続された送出端９を有するマルチモード光伝送ファイバとを含む。暗号化ユニット１１は、光パルス信号源７とマルチモード光伝送ファイバの受信端５の間に接続され、かつ、復号化ユニット１４はファイバ３の送出端９と出力ファイバ１０の間に接続される。しかしながら、システム１とは異なり、暗号化ユニット１１は、高次及び低次の２つの光モード群に光信号を分割するためのモードスプリッタ２２と、モードスプリッタの２つの出力部に接続された光ファイバの２つの異なる区間２３ａ，２３ｂと、並列配置の光ファイバの２つの異なる区間２３ａ，２３ｂに同様に接続された２つの入力部を有するモード結合器２４とを含む。本実施形態において、光ファイバ区間２３ａは低次モードに対応し、ファイバ区間２３ｂは高次モードに対応する。モードスプリッタ２２の特徴は、干渉効果が重要ではないように２つのモード群に十分なモードがあるということである。暗号化ユニット１１と同様に、復号化ユニット１４は、暗号化ユニット１１のモードスプリッタ２２と同様に高次及び低次の２つの光モード群に光信号を分割するためのモードスプリッタ２６と、モードスプリッタ２６の出力部に接続された光ファイバの２つの異なる区間２７ａ，２７ｂと、並列配置の光ファイバの２つの異なる区間２７ａ，２７ｂに接続されたモード結合器２８とを含む。本実施形態において、ファイバ区間３０ａに沿って低次のモードが伝わり、一方ファイバ区間３０ｂに沿って低次のモードが伝わる。暗号化ユニット１１において、光ファイバ２３ｂは区間ΔＬによって光ファイバ２３ａより長く、一方、復号化ユニット１４において、光ファイバ２７ａは同じ区間ΔＬによって光ファイバ２７ｂより長い。さらに、光ファイバ２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂの全てが、同じモード遅延特性を有している。
【００３６】
動作中、信号源７からの光パルスは同時に、ファイバ２３ａを経由して低次のモードで、そしてファイバ２３ｂを経由し高次のモードで平行に導かれる。区間ΔＬの差は、少なくとも１ビット周期長の２つの光モード群の間に遅延差を生じるように選択される。１秒当り約１０ギガビットと２００メガビットの間の範囲の商業的伝送速度に対して、約０．１ナノ秒と５．０ナノ秒の間の範囲の最小遅延に変わった。暗号化された信号が復号化ユニット１４に達すると、モードスプリッタ２６は、暗号化ユニット１１のスプリッタ２２と同じ高次及び低次のモードに、暗号化された信号を戻すようにモードを分割し、そして、２つのモード群の間の遅延差が光ファイバ２７ａと２７ｂの間のΔＬによって打ち消される。第２実施形態２０は、上記の第１実施形態より、ファイバの分布に組み入れられた正と負の摂動を有する特注の光ファイバを要求しない点で優れていることに留意されたい。
【００３７】
図１１Ｂに示す第２実施形態の変形において、復号化ユニット１４は単に、受信端で１つのモード（例えば、高次のモード）群を取り去り、１ビット周期内にうまく到達して出力線１０ｂに導かれる他のモード（例えば、低次のモード）群だけにした。図１１Ｂの実施形態は図１１Ａの実施形態よりも実施するのにシンプルであるが、再構成された信号が２つの光モード群を使用しないので高い損失という不利益を有する。
【００３８】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示した第２実施形態の実施の鍵は、選択的なモードを正確に選択でき、かつ再結合できることである。これは、例えばテーパ型マルチモード結合器などのエバネッセントモード結合を用いることによって達成できる。テーパ型マルチモードファイバに結合された出力量はモードにかなり依存することは周知である。そのようなテーパ型結合器に対する基礎理論すでに確立している。また、出願人は、コーニング社の製品コード１５１７のマルチモードファイバを用いてテーパ型マルチモード結合器を製造することによって、本モードの選択性を実験的に実証した。
【００３９】
図１２は、第１実施形態の概念の説明のために実験用の設定を示している。システム１において、２００メートルの暗号化ファイバ１２（「ロック（lock）」）と、２００メートルの伝送マルチファイバ線３と、２００メートルの復号化ファイバ１６（「鍵（key）」）が使用され、かつ、中心波長１３１０ｎｍのマルチモードFabry-Perotレーザダイオードが光信号源７（送信器）と受信器１０内に使用されている。レーザダイオードは、０．８ギガビット／秒のビットレートの擬似ランダム信号を使用して調整されている。アイダイアグラム３５ａ，３５ｂ，３５ｃ及び３５ｄは図１２に示した様々な位置ａ，ｂ，ｃ及びｄで測定した。暗号化ファイバ１２の出力部の位置ｂで測定された閉じられたアイダイアグラム３５ｂは、信号源７からの信号が暗号化ファイバ１２によって与えられた光モードの遅延差によって暗号化されていることを示している。信号が（１３００ｎｍにおいてバンド幅４７２．９ＭＨｚ−ｋｍを有する）２００メートルのマルチモード伝送ファイバ３を介して送信された後、位置ｃのアイダイアグラム３５ｃはまだ閉じられ、信号がまだ暗号化されていることを示している。最終的に、信号が復号化ファイバ１６を介して送信された後、信号のいくつかのモード分散が復号化ファイバによって打ち消されため、開かれたアイダイアグラムは復号化された信号が元に戻されたことを示している。本実験結果は、システムが有効であることを示している。暗号化ファイバ１２と復号化ファイバ１６の間のモード分散のアンバランスのため、いくつかの信号歪が観察された。暗号化ファイバ１２及び復号化ファイバ１６のパラメータを最適化することによって、このような歪を最小化することができる。
【００４０】
本発明の異なる変更、付加及び変形は、当業者にとって明らかである。そのようなすべての変更、付加及び変形は、特許請求の範囲及び均等なものによってのみ制限される、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４１】
１，２０    暗号化及び復号化システム
３    伝送ファイバ
５    受信端
７    信号源
９    送出端
１０  出力ファイバ
１１，１４  暗号化ユニット
１３ａ，１３ｂ，１８ａ，１８ｂ  光ファイバスプライス
２２，２６  モードスプリッタ
２４，２８  モード結合器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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