(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信するための光通信装置において、
前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信するための折り返し手段と、
複数の導波路の干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで前記光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調手段と、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に従って前記駆動信号を生成する駆動手段と、
を有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設け、前記光変調手段が反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、前記光子パルスの強度が複数の強度レベルで変化する、ことを特徴とする光通信装置。
【請求項２】
前記光子パルスの強度は前記変調情報に従ってランダムに変動することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記光子パルスの位相を変調するための第１情報と前記光子パルスの強度を変調するための第２情報とに従って前記駆動信号を生成し、前記第１情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第２情報は複数強度に対応する多値情報であることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記駆動信号の少なくとも１つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の光通信装置。
【請求項５】
前記折り返し手段はファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光通信装置。
【請求項６】
前記折り返し手段は偏波合分波器ループを有し、前記偏波合分波器ループに前記光変調手段が挿入されていることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光通信装置。
【請求項７】
前記光変調手段は２電極型マッハ・ツェンダー変調器であり、
前記駆動手段は、
２値の位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、２値の強度変調情報の反転情報を最下位ビット（ＬＳＢ）として入力し第１変調信号を生成する第１デジタル／アナログ変換器と、
前記位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、前記強度変調情報を最下位ビット（ＬＳＢ）として入力し第２変調信号を生成する第２デジタル／アナログ変換器と、
前記第１変調信号を増幅する第１増幅器と、
前記第２変調信号を増幅する第２増幅器と、
前記第２増幅器の出力信号に所定オフセット信号を加算する加算器と、
を有し、前記第１増幅器の出力信号を第１駆動信号とし、前記加算器の出力信号を第２駆動信号として、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器のそれぞれの電極へ印加することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項８】
前記第１増幅器および前記第２増幅器は、これらの出力信号の隣接レベル間電圧差が前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπの半値と等しいレベルになるように、前記第１および第２変調信号をそれぞれ増幅することを特徴とする請求項７に記載の光通信装置。
【請求項９】
前記所定オフセット信号は、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπの半値から所定値だけ離れた値であることを特徴とする請求項７または８に記載の光通信装置。
【請求項１０】
平均光子数を変化させながら送信器と受信器が乱数の共有を行う量子暗号鍵配布システムにおいて、
前記送信器は、
前記受信器から前記光子パルスを受け取り、折り返して当該受信器へ送信するための折り返し手段と、
複数の導波路を有する干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および平均光子数を同時に変化させることができる光変調手段と、
前記光子パルスの位相および平均光子数をそれぞれ変化させるための変調情報に従って前記駆動信号を生成する駆動手段と、
を有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設け、前記光変調手段が反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、前記光子パルスの強度が複数の強度レベルで変化する、ことを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【請求項１１】
前記変調情報は乱数であることを特徴とする請求項１０に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１２】
前記駆動手段は、前記光子パルスの位相を変調するための第１情報と前記光子パルスの平均光子数を変調するための第２情報とに従って前記駆動信号を生成し、前記第１情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第２情報は複数の平均光子数に対応する多値情報であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１３】
前記駆動手段は、前記駆動信号の少なくとも１つをオフセット調整することで、前記光変調手段によって変化する平均光子数の比を設定することを特徴とする請求項１０−１２のいずれか１項に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１４】
前記折り返し手段はファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１５】
前記折り返し手段は偏波合分波器ループを有し、前記偏波合分波器ループに前記光変調手段が挿入されていることを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１６】
前記光変調手段は２電極型マッハ・ツェンダー変調器であることを特徴とする請求項１０−１５のいずれか１項に記載の量子暗号鍵配布システム。
【請求項１７】
複数の導波路の干渉計構造を有し各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調器を用いて、光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信する光通信方法において、
折り返し手段が前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信し、前記光変調器が前記折り返し光路中に設けられ、反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に基づいて、前記光変調器が光子パルスを複数の強度レベルで強度変調するように前記駆動信号を生成する、
ことを特徴とする光通信方法。
【請求項１８】
前記光子パルスの強度を前記変調情報に従ってランダムに変動させることを特徴とする請求項１７に記載の光通信方法。
【請求項１９】
前記変調情報は、前記光子パルスの位相を変調するための第１情報と前記光子パルスの強度を変調するための第２情報とからなり、前記第１情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第２情報は複数強度に対応する多値情報であることを特徴とする請求項１７または１８に記載の光通信方法。
【請求項２０】
さらに、前記駆動信号の少なくとも１つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項１７−１９のいずれか１項に記載の光通信方法。
【請求項２１】
前記光子パルスはファラデーミラーにより折り返されることを特徴とする請求項１７−２０のいずれか１項に記載の光通信方法。
【請求項２２】
前記光子パルスは偏波合分波器ループにより折り返され、前記偏波合分波器ループに前記光変調器が挿入されていることを特徴とする請求項１７−２０のいずれか１項に記載の光通信方法。
【請求項２３】
前記光変調器は２電極型マッハ・ツェンダー変調器であり、
２値の位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、２値の強度変調情報の反転情報を最下位ビット（ＬＳＢ）としてアナログ信号である第１変調信号に変換し、
前記位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、前記強度変調情報を最下位ビット（ＬＳＢ）としてアナログ信号である第２変調信号に変換し、
前記第１変調信号および前記第２変調信号をそれぞれ増幅し、
前記第２変調信号の増幅信号に所定オフセット信号を加算し、
前記第１変調信号の増幅信号を第１駆動信号とし、前記加算された信号を第２駆動信号として、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器のそれぞれの電極へ印加する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の光通信方法。
【請求項２４】
前記第１変調信号および前記第２変調信号は、これらの増幅信号の隣接レベル間電圧差が前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπの半値に等しいレベルになるように、それぞれ増幅されることを特徴とする請求項２３に記載の光通信方法。
【請求項２５】
前記所定オフセット信号は、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπの半値から所定値だけ離れた値であることを特徴とする請求項２３または２４に記載の光通信方法。
【請求項２６】
平均光子数を変化させながら送信器と受信器が乱数の共有を行う量子暗号鍵配布方法において、
前記送信器は、前記受信器から前記光子パルスを受け取り、折り返して当該受信器へ送信するための折り返し手段と、複数の導波路を有する干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および平均光子数を同時に変化させることができる光変調器と、を有し、前記光変調器が前記折り返し光路中に設けられ、反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変化させるための変調情報に従って、前記光変調器が光子パルスを複数の平均光子数で変化させるように前記駆動信号を生成することを特徴とする量子暗号鍵配布方法。
【請求項２７】
前記変調情報は乱数であることを特徴とする請求項２６に記載の量子暗号鍵配布方法。
【請求項２８】
前記変調情報は、前記光子パルスの位相を変調するための第１乱数値と前記光子パルスの強度を変調するための第２乱数値とからなり、前記第１乱数値は複数位相に対応し、前記第２乱数値は複数強度に対応することを特徴とする請求項２６に記載の量子暗号鍵配布方法。
【請求項２９】
さらに、前記駆動信号の少なくとも１つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項２６−２８のいずれか１項に記載の量子暗号鍵配布方法。
【請求項３０】
複数の導波路の干渉計構造を有し各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調器を用いて、光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信する光通信装置の光通信をコンピュータで実現するためのプログラムにおいて、
前記光通信装置が前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信する折り返し手段を有し、前記光変調器が前記折り返し光路中に設けられ、反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に基づいて、前記光変調器が光子パルスを複数の強度レベルで強度変調するように前記駆動信号を生成するステップを有することを特徴とするプログラム。
【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、特に光信号の強度および位相を変調して通信を行う光通信装置およびそれを用いた量子暗号鍵配布システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットトラフィックの急激な成長が継続している現状において、伝送帯域を向上させることは最重点課題の一つである。このことは、基幹系光ネットワークにおいても例外ではなく、伝送路や中継器を増設することなく既存のインフラを利用して伝送容量を拡大する為に、様々な研究機関が１搬送波当たりの信号速度の高速化に取り組み、実際の商用伝送システムでも信号速度は高速化し続けている。
【０００３】
一般的な光通信技術では、主として２値振幅変調 (ASK : Amplitude Shift Keying) が使用されているために、１ビット当たりのタイムスロットを短くすることによって１搬送波当たりの信号速度を向上させるアプローチが主流であった。しかしながら、１搬送波当たりの信号速度が１０Ｇｂ／ｓを超えだした頃からＡＳＫのみでの高速化は困難になってきた。
【０００４】
この原因の一つとして、光伝送路特有の波長分散による波形劣化が挙げられる。波長分散とは、伝送路で生じる伝播遅延時間が信号光波長によって異なる現象のことである。信号光スペクトルは特定の波長範囲を有している為、同一信号光内の短波長成分と長波長成分とが伝送中に異なる波長分散値を蓄積し、伝送後にはこの蓄積分散によって伝播遅延差、つまり波形歪みが生じる。ＡＳＫ信号で比較した場合、信号光スペクトルは変調速度に比例する為、信号速度が速くなるのに比例して波長分散による波形歪みが大きくなる。一方、信号速度が速くなるのに比例して１タイムスロットは短くなるので、同じ波形歪み(伝播遅延差)を受けた場合でも、高速信号である程、その影響は大きくなる。このことにより、ＡＳＫでは伝送特性が信号速度の２乗に比例して劣化すると言われる。
【０００５】
このようにＡＳＫのみでの高速化が困難になってきたことで、別のアプローチとして１タイムスロットで表す状態を多値化して伝送帯域を向上させる技術が注目を集めている。たとえば非特許文献１では、光の位相を４値変調することで伝送帯域を向上させている。また非特許文献２および３では、光の強度および位相の両方を変調する方式（ＡＰＳＫ: Amplitude Phase Shift Keying）によって１シンボル（１搬送波および１タイムスロット）で多くのディジタルビット数を表現する方式が使用されている。
【０００６】
図１４は非特許文献２に記載されているＡＰＳＫ信号を生成する送信器の概略的構成を示すブロック図である。光源１４０１で発生した連続(CW : Continuous Wave)光に対し、１段目のＭＺ(マッハ・ツェンダー：Mach-Zehnder)型変調器１４０２は０、πの２値の位相変調(PSK : Phase Shift Keying)を施し、続いて２段目の位相変調器１４０３は０、π／２の２値のＰＳＫを施す。これによって０、π／２、π、３π／２の４値のＰＳＫ信号が得られる。さらに、ＭＺ型変調器１４０４は、４値のＰＳＫ信号に対して強度方向にも２値変調を施し、８値（３ビット／シンボル）のＡＰＳＫ信号を生成する。さらに、本例では各ビットをＲＺ(Return to Zero)化する為にＭＺ型変調器１４０５も使用している。
【０００７】
しかしながら、ＡＰＳＫ信号の様な多値信号は１シンボルで表す状態数が向上する反面、信号点間の距離が小さくなる。このために、ＡＳＫやＢＰＳＫ等の２値変調方式と同じ符号誤り率を得ようとすれば、大きな搬送波電力対雑音電力比(CNR : Carrier to Noise Ratio)が必要になる。
【０００８】
ところが上記非特許文献２の送信器のようにＡＰＳＫ信号を作成する際に多段の変調器を使用すれば損失が大きくなり、出力光強度つまり搬送波電力が小さくなる。ここで光増幅器を使用することによって送信光強度を高く設定することは出来るものの、送信信号生成時点で信号光対雑音光強度比(SNR : Signal to Noise Ratio)の劣化は避けることが出来ない。なお、変調器の多段接続を１つのＭＺ型変調器で実現する構成が米国特許第７，０２３，６０１号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００９】
また、光信号の強度と位相の両方を変調する技術として、量子暗号鍵配布技術(ＱＫＤ:Quantum Key Distribution)も挙げることができる。ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、そ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ものの、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る為、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者を検出することができる。
【００１０】
光子の位相を利用したＱＫＤの場合、送信器と受信器（以下、適宜、AliceとBobと称する。）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依存して０あるいは１の出力が得られ、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との間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。
【００１１】
しかしながら、ＱＫＤを現実世界で実現した場合、有用な単一光子光源が無いために一般的な通信用レーザ光源（ＬＤ）で発生させた光パルスを光減衰器によって単一光子レベルまで光強度を落とす、という方法が代替的に使用されている(弱コヒーレント状態：weak coherent state）。この為、１パルス当たりに光子を２個以上含む可能性が残り、このことが盗聴者にとって有利に働く。中でも、非特許文献４に記載のＰＮＳ(Photon Number Splitting)という盗聴法を使用すると、１パルス当たりに光子が２個以上ある場合には、盗聴者はこのビットの情報を１００％確実に盗聴することが出来る。
【００１２】
このＰＮＳ攻撃に対する防衛法が提案されている。非特許文献５に開示されているデコイ状態（Decoy state）プロトコルを採用した量子暗号鍵配布方法は、各光パルスを信号状態とデコイ状態(Decoy state）のいずれかの強度に意図的に変化させる。これによって、weak coherent光を使用しても、ビット毎に平均光子数を予め意図的に変化させるのでＰＮＳ攻撃を受けた場合に生じる受信光子数の統計量の変化をモニタすることができ、ＰＮＳ攻撃を有効に防ぐことができる。この技術を利用した量子暗号鍵配布の実験報告が非特許文献６に記載されている。
【００１３】
図１５は非特許文献６に記載された往復型ＱＫＤの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、Ａｌｉｃｅ１５１０とＢｏｂ１５２０とが光ファイバ１５３０で接続されている。多光子状態の光パルスをＢｏｂ１５２０内の光源１５２１によって作成し、Ａｌｉｃｅ１５１０へ送る。Ｂｏｂ１５２０から到達した光パルスは、Ａｌｉｃｅ１５１０のストレージ用光ファイバ１５１３の手前で光検出器（図示せず。）により検出され、検出結果が可変光減衰器１５１４へ通知される。到達した光パルスは、ストレージ用光ファイバ１５１３および位相変調器１５１２を通してファラデーミラー１５１１で反射し、反射した光パルスは位相変調器１５１２により位相変調（φＡ）が施され、ストレージ用光ファイバ１５１３を通して可変光減衰器１５１４に戻ってくる。
【００１４】
可変光減衰器１５１４は、光パルスの到達タイミングを光検出器から通知されているので、その光パルスがファラデーミラー１５１１で折り返されてくるタイミングで駆動され、光パルス毎の平均光子数を制御することができる。このように可変光減衰器１５１４により意図的にパルス毎の平均光子数を変化させ、Ｂｏｂ１５２０へ送出するので、Ｂｏｂ１５２０では受信光子数の統計量の変化をモニタすることでＰＮＳ攻撃の有無を検出することができる。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第７，０２３，６０１号公報
【非特許文献１】"10 Gb/s Optical Differential Quadrature Phase Shift Key (DQPSK) Transmission using GaAs/AlGaAs Integration", R. A. Griffin et al., OFC2002, PD-FD6
【非特許文献２】"Proposal of 8-state Symbol (Binary ASK and QPSK) 30-Gbit/s Optical Modulation / Demodulation Scheme", S. Hayase et al., ECOC2003, Th.2.6.4
【非特許文献３】"Quaternary Optical ASK-DPSK and Receivers With Direct Detection", M. Ohm et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.1, pp159
【非特許文献４】"Quantum cryptography with coherent states", B. Huttner et al., Physical Review A, Vol.51, No.3, pp1863
【非特許文献５】"Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication", Won-Young Hwang, Physical Review Letters, Vol.91, No.5, 057901, 2003
【非特許文献６】"Experimental Decoy State Quantum Key Distribution Over 15 km", Y. Zhao et al., quant-ph/0503192
【非特許文献７】"Quantum Cryptography : Public Key Distribution and Coin Tossing", IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, December 10-12, 1984, p.175, Bennett, Brassard
【非特許文献８】"One-way Quantum Key Distribution System based on Planar Lightwave Circuits", Y. Nambu et al., quant-ph/0603041
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来のDecoy state型量子暗号鍵配布技術における送信器（Ａｌｉｃｅ）では、各光パルスの位相変調と強度変調とを高速でかつ高い信頼性で行うことができなかった。
【００１７】
たとえば、非特許文献６に記載されたDecoy State型量子暗号鍵配布システムでは、往復型ＱＫＤの送信器（Ａｌｉｃｅ）側、すなわち折り返し端に可変光減衰器を配することによってパルス毎の平均光子数を設定している。しかしながら、可変光減衰器には両偏光軸の減衰量を精度良く保証しつつＧＨｚ程度の高速動作が可能なものが無い。このために動作可能な光パルスの繰り返し速度に制限が生じ、この結果、暗号鍵生成速度に制限が生じる。
【００１８】
さらに、非特許文献６に記載された往復型システムでは、往路において生じる光パルスの後方散乱光(主に波長不変のRayleigh散乱)がノイズ光として系の特性を劣化させる。この後方散乱ノイズ光と比較して信号光強度が十分高ければ、このノイズは無視できるものの、信号光は送信器(Alice)内部の光学損失を受ける為、極端な場合には信号光が後方散乱ノイズ光に埋もれてしまう。後方散乱ノイズ光による系の特性劣化を避けるためには、送信器内の光学損失を出来るだけ小さくする必要がある。この為、送信器内で使用する光部品をできるだけ少なくすることが重要となる。
【００１９】
しかしながら、図１５に示すように、非特許文献６に記載された往復型システムでは、受信器(Bob)で生成された光パルスが送信器(Alice)で折り返されて受信器(Bob)へ戻って来るという光伝送路を往復する構成となるが、折り返し端である送信器(Alice)内で、上述したように可変光減衰器、ストレージ用光ファイバおよび位相変調器などの光学部品を往復２回通過する。このために送信器内の光学損失が大きくなっていた。
【００２０】
さらに、位相変調器とは別に可変光減衰器を設けた場合、１つの光パルスが両デバイスを往復するタイミングを違えることが必要となる。このことによって、タイミング設計が困難になるとともに、量子暗号鍵配布システムの駆動速度にも制限が生じる。
【００２１】
そこで、本発明の目的は、光パルスに対して高速で安定した強度位相変調を行うことができる光通信装置および量子暗号鍵配布システムを提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、暗号鍵生成速度を向上させる光通信装置および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】
【００２３】
本発明による光通信装置は、前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信するための折り返し手段と、複数の導波路の干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで前記光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調手段と、前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に従って前記駆動信号を生成する駆動手段と、を有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設け、前記光変調手段が反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、前記光子パルスの強度が複数の強度レベルで変化する、ことを特徴とする。
【００２４】
前記光子パルスの強度は前記変調情報に従ってランダムに変動することが望ましい。また、本発明の一実施形態において、前記駆動手段は、前記光子パルスの位相を変調するための第１情報と前記光子パルスの強度を変調するための第２情報とに従って前記駆動信号を生成し、前記第１情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第２情報は複数強度に対応する多値情報である。前記駆動手段は、前記駆動信号の少なくとも１つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することができる。
【００２５】
本発明の一実施例によれば、前記折り返し手段はファラデーミラーあるいは偏波合分波器ループを含む。
【００２６】
折り返し手段が偏波合分波器ループを含む場合、そのループ内に前記光変調手段が設けられる。偏波合分波器と光変調手段を通して光パルスが折り返されるので光学損失を低減させることができる。
【００２７】
特に望ましい実施例として、前記光変調手段は２電極型マッハ・ツェンダー変調器である。また、具体例として、前記駆動手段は、２値の位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、２値の強度変調情報の反転情報を最下位ビット（ＬＳＢ）として入力し第１変調信号を生成する第１デジタル／アナログ変換器と、前記位相変調情報を最上位ビット（ＭＳＢ）、前記強度変調情報を最下位ビット（ＬＳＢ）として入力し第２変調信号を生成する第２デジタル／アナログ変換器と、前記第１変調信号を増幅する第１増幅器と、前記第２変調信号を増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器の出力信号に所定オフセット信号を加算する加算器と、を有する。この場合、前記第１増幅器の出力信号を第１駆動信号とし、前記加算器の出力信号を第２駆動信号として、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器のそれぞれの電極へ印加する。前記第１増幅器および前記第２増幅器は、これらの出力信号の隣接レベル間電圧差が前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπと等しいレベルになるように、前記第１および第２変調信号をそれぞれ増幅することが望ましい。特に、前記所定オフセット信号は、前記２電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Ｖπの半値から所定値だけ離れた値にすることで、光パルスの強度比を設定することができる。
【００２８】
本発明の他の側面によれば、複数の導波路の干渉計構造を有し各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調器を用いて、光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信する光通信方法であって、折り返し手段が前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信し、前記光変調器が前記折り返し光路中に設けられ、反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に基づいて、前記光変調器が光子パルスを複数の強度レベルで強度変調するように前記駆動信号を生成することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の更に他の側面によれば、平均光子数を変化させながら送信器と受信器が乱数の共有を行う量子暗号鍵配布システムにおける送信器は、前記受信器から前記光子パルスを受け取り、折り返して当該受信器へ送信するための折り返し手段と、複数の導波路を有する干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および平均光子数を同時に変化させることができる光変調手段と、前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変化させるための変調情報に従って、前記光変調器が光子パルスを複数の平均光子数で変化させるように前記駆動信号を生成する駆動手段と、を有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設け、前記光変調手段が反対方向に進む光パルスに対して変調を実行し、光子パルスを複数の平均光子数で変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
上述したように、本発明によれば、１つの光変調手段を変調情報に従って駆動することで位相変調および強度変調を同時に実行することができる。したがって、送信光パルスが通過する光学部品点数が少なくなり光学損失を小さくすることができるので、送信光パルスの強度劣化を有効に抑制することができる。特に、光変調手段としてマッハ・ツェンダー変調器を用いると、可変光減衰器などに比べて遙かに高速動作するとともに、位相変化量を精度良く設定できるので、光パルスの強度変調および位相変調を精度良く高速で行うことができる。
【００３１】
特に、平均光子数を変化させるデコイ方式の量子暗号鍵配布システムに適用した場合、１つの光変調手段を用いて強度および位相変調が実現できるのでタイミング設計が大幅に簡易になり、暗号鍵生成速度を大きく向上させることができる。送信光パルスが通過する光学部品点数を少なくできるので、使用する光部品の帯域による暗号鍵生成速度の制限を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
１．実施形態
１．１）構成
図１は本発明の一実施形態による光通信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(Alice)１０と受信器(Bob)２０とが光ファイバ３０で接続されているものとする。
【００３３】
送信器１０には、基本的に２電極型のＭＺ（Mach-Zehnder）変調器（以下、単に「ＭＺ型変調器」という。）１１およびそのドライバ１２が設けられている。ここで使用されるＭＺ型変調器１１は通常の２電極ＭＺ型ＬＮ（LiNbO3）変調器であり、後述するように駆動電圧ＲＦ１およびＲＦ２を制御することで光パルスに対して強度変調および位相変調（φA）の両方あるいは一方を行うことができる。
【００３４】
ドライバ１２は、制御部（図示せず。）から強度変調信号および位相変調信号を入力し、駆動電圧ＲＦ１およびＲＦ２を生成する。また、ドライバ１２はオフセット信号δＶによりオフセット調整可能である。本実施形態では、オフセット信号δＶを用いて強度変調の比を設定する。
【００３５】
受信器(Bob)２０には、送信器１０から到達した光パルスに対して位相変調（φB）を行う位相変調器２１が設けられ、送信器１０での位相変調の深さφAとの差φA−φBの値によって情報（１／０）を検出することができる。
【００３６】
１．２）動作
詳しくは後述するが、１つの光パルスを２つのパルスＰ１およびＰ２（ダブルパルスＤＰ）に時間的に分割し、このようなダブルパルス列ＤＰ１、ＤＰ２、・・・を送信器１０のＭＺ型変調器１１に通す。それらのパルスのタイミングで、ドライバ１２は、強度変調信号および位相変調信号に従った駆動電圧ＲＦ１およびＲＦ２をＭＺ型変調器１１の２電極にそれぞれ印加し、それによってＭＺ型変調器１１はダブルパルスＤＰにして対して強度変調および位相変調を行う（詳しくは１．４参照）。強度変調では、強度変調信号に従って光パルスの強度が複数レベルで変化する。この複数レベルには平均光子数で数個程度の微弱光レベルが含まれる。位相変調では、位相変調信号に従って、光パルスの位相が複数位相で変化する。位相２値の場合にはたとえば０、π、位相４値の場合にはたとえば０、π／２、π、３π／２である。
【００３７】
図１に示す例において、ＭＺ型変調器１１により強度位相変調されたダブルパルスＤＰ１は高い強度で、その先行パルスＰ１が位相変調（φA）され、続くダブルパルスＤＰ２は低い強度で、その先行パルスＰ１が位相変調（φA）されている。このようなダブルパルス列が光ファイバ３０を通して受信器２０へ到達すると、受信器２０の位相変調器２１は、位相変調信号に従って、たとえば後方のパルスＰ２を位相変調（φB）する。こうして、ダブルパルス毎に先行パルスＰ１と後方パルスＰ２との間の位相差から情報を検出することができ、さらに、ダブルパルス毎のランダムな強度変化からＰＮＳ攻撃を受けた場合に生じる受信光子数の統計量の変化をモニタすることができ、ＰＮＳ攻撃を有効に防ぐことができる。
【００３８】
１．３）効果
上述したように、本実施形態によれば、１つのＭＺ型変調器１１を強度変調信号および位相変調信号に従った駆動電圧で駆動する。ＭＺ型変調器１１は可変光減衰器などに比べると遙かに高速動作するとともに、位相変化量を精度良く設定できるので、光パルスの強度変調および位相変調を精度良く高速で行うことができる。しかも送信光パルスが通過する光学部品点数が少なくなるために、光学損失を小さくすることができ、送信光パルスの強度劣化を有効に抑制することができる。
【００３９】
特に、平均光子数を変化させるデコイ方式の量子暗号鍵配布システムに適用した場合、１つのＭＺ型変調器を用いて強度および位相変調が実現できるのでタイミング設計が大幅に簡易になり、暗号鍵生成速度を大きく向上させることができる。
【００４０】
１．４）ＭＺ型変調器
ＭＺ型変調器による強度位相変調を説明するために、強度２値、位相２値の４状態／シンボル（すなわち、１シンボルで２ビットを表す。）のＡＰＳＫ−ＲＺ信号を作成する方法を例示する。
【００４１】
図２はＭＺ型変調器を用いた強度位相変調器を示すブロック図である。レーザ光源１０１より出力したＣＷ光は、まず、２電極ＭＺ型変調器１０２によってＲＺ変調される。ＭＺ型変調器１０２はクロック源１０４から供給されるクロックで駆動される。ここで生成されたＲＺ信号はさらに２電極ＭＺ型変調器１０３によってＡＰＳＫ変調を受ける。ＭＺ型変調器１０３はＡＰＳＫ変調の駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２により駆動される。ＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ１０５は、強度変調信号および位相変調信号から駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２を生成する。
【００４２】
図３（ａ）はＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ内部の信号処理系を示すブロック図、（ｂ）はその信号処理系の信号レベルを示す表である。ドライバ１０５に入力した強度変調信号および位相変調信号は、各々２分岐され、２ビットのＤ／Ａ（Digital-to-Analog）コンバータ１１１および１１２によって２本の４値信号を生成する。この際、位相変調信号をＤ／Ａコンバータ１１１および１１２のＭＳＢに、強度変調信号をＬＳＢにそれぞれ入力するが、ＲＦ１側のＤ／Ａコンバータ１１１に関しては強度変調信号の反転信号をＬＳＢに入力する。Ｄ／Ａコンバータ１１１および１１２からそれぞれ出力されるＲＦ信号は増幅器１１３および１１４で増幅される。増幅器１１３および１１４は、４値信号の隣接レベル差がＭＺ型変調器のＶπの半値と等しくなるレベルまでそれぞれＲＦ信号を増幅する。なお、Ｖπは、ＭＺ型変調器がπの位相変調を施す為の電圧である。さらにＲＦ２側の出力は、加算機器１１５によって−δＶだけ信号レベルにＤＣオフセットを施す。
【００４３】
このような回路構成を有するドライバ１０５によって、図３（ｂ）に示す表の様なレベルの多値強度信号を得る事ができる。たとえば、強度変調信号が１、位相変調信号が０の場合、ＲＦ１側のＤ／Ａコンバータ１１１にはＭＳＢ＝ＬＳＢ＝０であるからの出力は０（Ｖ）、ＲＦ２側のＤ／Ａコンバータ１１２にはＭＳＢ＝０、ＬＳＢ＝１であるからの出力は１（Ｖ）となる。したがってＲＦ１側の増幅器１１３の出力は０（Ｖ）、ＲＦ２側の増幅器１１４の出力はＶπ（Ｖ）となる。ＲＦ２側の出力は、加算機器１１５によって−δＶだけ信号レベルにＤＣオフセットを施すので、ＲＦ１側の最終的な出力は０（Ｖ）、ＲＦ２側の最終的な出力は、Ｖπ−δＶ（Ｖ）となる。その他の場合も同様に最終的なＲＦ１およびＲＦ２が得られる。
【００４４】
（消光動作）
次に、簡単の為、δＶ＝Ｖπ／２としてＭＺ型変調器の消光動作について説明する。
【００４５】
図４（ａ）はＭＺ型変調器の一般的な使用法を示す模式図、（ｂ）は消光しない場合の波形を示す説明図、（ｃ）は消光する場合の波形を示す説明図である。
【００４６】
図４（ａ）において、ＭＡ型変調器１０３には、図左側からＲＺ変調された光信号が入力するものとする。ここでは、６ビット分（変調器１０３を通過する時間をＴ１〜Ｔ６）の光パルスが入力する。変調器１０３には、２本のＲＦ信号ＲＦ１およびＲＦ２が入力して変調を行う。ＭＺ型変調器１０３では、ＲＦ１とＲＦ２とを逆相にすることによって、入力光を消光する為に必要な駆動電圧Ｖπを半分の駆動電圧Ｖπ／２にすることが出来る。
【００４７】
図４（ｂ）および（ｃ）に、マッハ・ツェンダー干渉計による消光のメカニズムを示す。マッハ・ツェンダー干渉計では、入力光を２分岐し、これら２つの導波路（アーム）を通る光の位相をシフトさせ、それらの間の相対位相シフト量によって合波した際の振幅が決定する。消光しないビットに対しては、両アームで施す位相シフトの相対量を２Ｎπ（Ｎは整数）とする。一方、消光させるビットに対しては、片側アームの光位相を＋π／２＋２Ｎπ、他方アームの光位相を−π／２＋２Ｍπ（Ｍは整数）とすることによって両アームを通過した光の相対位相をπ＋２（Ｎ＋Ｍ）πとする。こうして、位相差が（π＋２πの整数倍）である２つの波は合波した際に打ち消しあう為、マッハ・ツェンダー干渉計出力は消光される。
【００４８】
図４（ａ）に示す例では、Ｔ２およびＴ５の時間帯には消光せずにその他の時間帯Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６に消光する様にＲＦ１およびＲＦ２の相対バイアスを調整している。したがって、出力光はＴ２およびＴ５の時間帯のみ入力光が透過する。
【００４９】
（強度位相変調動作）
次に、δＶ＝Ｖπ／２±αとしてＭＺ型変調器の強度位相変調動作について説明する。後述するように、αの値を定めることによって強度変調の強度比を設定することができる。
【００５０】
図５（ａ）はＭＺ型変調器の強度変調動作を説明するための波形図、（ｂ）はＭＺ型変調器の位相変調動作を説明するための波形図、図６はＭＺ型変調器の強度＋位相変調動作を説明するための波形図である。ただし、説明を簡略にするために、図５および図６では、ＲＦ２の波形はオフセットδＶ＝Ｖπ／２、すなわちαを施す前を示しており、出力光の波形は、ＲＦ１およびＲＦ２の振幅およびオフセットδＶを変化させたときの変調後の光信号状態を例示する。なお、ＭＺ型変調器のＶπ＝５（Ｖ）とし、両アームに施す電圧差を０（Ｖ）とした時に最大強度の光が透過し、両アームに０（Ｖ）の電圧を印加した時の出力光位相を０とする。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、ＲＦ１およびＲＦ２が逆相でそれぞれが０と＋Ｖπ／２および０と−Ｖπ／２で変化する場合、図４で説明した原理から電位差がＶπ＝５（Ｖ）のときに出力光は強度が低下する（αにより消光しない）。また、図５（ｂ）に示すように、両アームに同じ量の位相シフトを施した場合には、強度は低下せずに出力光の位相のみが変化することが分かる。すなわち、両アームに電圧Ｖπ、すなわちここでは５．０（Ｖ）、の電圧を印加することで出力位相がπだけシフトする。
【００５２】
したがって、図６に示すように、両アームに施す電圧値を調整することによって位相変調と強度変調を同時に施すことが可能となる。すなわち、時刻Ｔ１のビットは図５（ａ）および（ｂ）で説明したとおりの出力となり、時刻Ｔ２のビットは図５（ｂ）で、時刻Ｔ３のビットは図５（ａ）でそれぞれ説明した通りの出力となる。
【００５３】
ここで時刻Ｔ４のビットに関して考える。この場合、ＲＦ１の印加電圧は７．５Ｖ（３π／２）で、ＲＦ２の印加電圧は２．５Ｖ（＋π／２）であるから、両アームの位相差はπとなり、出力光の強度が低下するが、この消光しきらない残留光の出力位相はπになる。これは両アームでの変調電圧が＋５．０Ｖ（π）を中心に±２．５Ｖ（π／２）ずつ印加されているとみなすことができるからである。
【００５４】
以上を一般化すると、両アームに施す変調信号の電圧平均値が変調位相を、相対電圧差が変調強度を表すことが分かる。
【００５５】
上述したように、ＭＺ型変調器１０３を多値信号で駆動し、両信号の電圧差｜ＲＦ１−ＲＦ２｜およびオフセット量δＶを適宜設定することによって、光強度変調と位相変調とを同時に施すことができる。図３に示すＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバの動作と対応させると、（強度変調信号，位相変調信号）＝（０，０）の場合には図６の時刻Ｔ３のビットと同じ出力が得られ、＝（１，０）の場合にはＴ１のビットと、＝（０，１）の場合はＴ４と、＝（１，１）の場合にはＴ２のビットと、それぞれ同じ出力が得られる。
【００５６】
以上の説明ではδＶ＝Ｖπ／２±α、α≠０とし、４状態／シンボルのＡＰＳＫを実現する為に強度２値のうちの低いレベルの光強度を完全にゼロにしていない。これは低い強度の光レベルの場合にも位相信号を読み取る必要があるからである。すなわち、強度変調信号が０の場合に完全に消光し切らないように、加算器(減算器)１１５に印加するＤＣ電圧δＶをＶπ／２からαだけずらして印加する。これにより強度２値、位相２値の４状態／シンボルのＡＰＳＫ−ＲＺ信号を生成することができる。ただし、加算器１１５に印加するＤＣ電圧がＶπ／２から大きくずれると、強度変調信号が１の場合の光強度が小さくなってしまう。
【００５７】
このようにαを適当な値に設定することで、強度変調の強度比を所望値に設定することができる。たとえばＭＺ型変調器の透過曲線が正弦波の二乗の函数曲線になる事を踏まえると、α＝Ｖπ／６、すなわちδＶ＝Ｖπ／３（＝Ｖπ／２−Ｖπ／６）とすることで、１：３の強度比の強度２値を設定できる。したがって、たとえばデコイ型ＱＫＤにおいては、これら強度の異なる出力パルスを信号状態パルスおよびデコイ状態パルスとして用いることができる。
【００５８】
上述したように、本実施形態で使用する変調器１０２および１０３は２つである。変調器の数が少ないことは、コストの差はもちろんのこと、その光学的損失によっても伝送系のパフォーマンスに違いが生じる。一般的なＬＮ変調器の挿入損失カタログ値は約５ｄＢであるから、たとえば非特許文献２に記載されたように４個の変調器を使用する方式に比べると、損失差は約１０ｄＢとなる。この事によって、無中継伝送系で損失リミットによって伝送可能距離が決定する場合、一般的な伝送路であるＳＭＦ(Single Mode Fiber)の損失−０．２ｄＢ／ｋｍから、伝送可能距離が５０ｋｍも異なってくることが計算できる。
【００５９】
一方、光増幅器を使用して送信光強度を高くしても、光増幅器によって生じる雑音によって光ＳＮＲが劣化し、やはり伝送可能距離は減少する。
【００６０】
なお、以上の説明では、各ビットをＲＺ化した後で４値ＡＰＳＫ符号化する方式に関して記載したが、ＮＲＺ(Non-Return-to Zero) 信号や更なる多値符号化にも適用可能である。また、電気多値信号ＲＦ１、ＲＦ２を生成するためにＤ／Ａコンバータを使用したが、代替手段としてアナログ演算器等を使用して電気多値信号を生成してもよい。また、最終段で印加するＤＣバイアスδＶはＶπ／３である必要は無く、所望の光強度設定値に応じて設定することができる。
【実施例１】
【００６１】
１）システム構成
図７は本発明の第１実施例による往復型量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。ここでは、送信器（Alice）４０と受信器（Bob）５０とが光ファイバ伝送路６０を介して接続されているものとする。
【００６２】
まず、受信器５０内のレーザ光源５０１より出力された光パルスは、サーキュレータ５０２によって光カプラ５０３へと送られ、光カプラ５０３によって２分岐される。一方の光パルスは偏波合分波器５０５へ直接送られ透過して伝送路６０へ送出され、他方は位相変調器５０４を通過して偏波合分波器５０５へ送られて反射し伝送路６０へ送出される。この２つの経路(Short PathおよびLong Path)に差を与えることで、偏波合分波器５０５に到達する光パルスの時間をずらすことができる。したがって、偏波合分波器５０５が送られてきた２つの光パルスを合波して伝送路６０へと送り出すとき、２つのパルスは時間的に分割されて多重され、ダブルパルスとして伝送路６０を通して送信器４０へ送出される。
【００６３】
伝送路６０を通過したダブルパルスは送信器４０に入力する。送信器４０には、光減衰器４０１、偏波合分波器４０２、ＭＺ型変調器４０３、ドライバ４０４および制御部４０５が設けられている。ただし、光減衰器４０１は必要に応じて設ければよく無くても良い。また、偏波合分波器４０２およびＭＺ型変調器４０３は、後述するように、偏波合分波器（ＰＢＳ）ループを構成しており、光パルスに対してファラデーミラーの反射特性と等価な特性を示す。
【００６４】
ドライバ４０４は、制御部４０５から供給される４つの乱数Ｒｎｄ１〜Ｒｎｄ４を用いて駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２を生成し、ＭＺ型変調器４０３へ印加する。また、制御部４０５はオフセット信号δＶをドライバ４０４へ出力する。
【００６５】
受信器５０から到達したダブルパルスは、偏波合分波器４０２で偏波状態によって分離され、ＰＢＳループを周回する間にＭＺ型変調器４０３において位相変調および強度変調を施され、再度偏波合分波器４０２で結合されて、復路のダブルパルスとして伝送路６０を通して受信器５０へ送出される。ＰＢＳループを周回することで、それぞれの光パルスは偏光を９０°回転し、その状態で伝送路６０へ送出される。したがって、伝送路６０を通過して受信器５０に到達した時点でダブルパルスは往路とは偏波状態が９０°回転されている為、偏波合分波器５０５で往路とは異なった経路に各々のパルスを送り出す。結果的に、送り出し時に光カプラ５０３で分岐された２つの光パルスは、どちらも受信器５０から出て送信器４０で折り返され、そして再び受信器５０に戻るという同じ長さの経路を通過し、再び光カプラ５０３で合波され干渉が生じる。干渉後の単一光子状態の光パルスは平衡型ゲートモード光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１を用いて検出される。
【００６６】
２）ＰＢＳループでの位相変調
図８は送信器４０のＰＢＳループの動作を説明するための模式的構成図である。上述したように、受信器５０から到達したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ４０２で直交した偏光成分に分離され、合計４つのパルス（カルテットパルス）Ｐ１−１およびＰ１−２と、Ｐ２−１およびＰ２−２とになる。光パルスＰ１−１およびＰ１−２は光パルスＰ１の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応し、光パルスＰ２−１およびＰ２−２は光パルスＰ２の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応する。
【００６７】
ＰＢＳ４０２の２つのループ側ポートは、定偏波光ファイバでＭＺ型変調器４０３の２つの光ポートにそれぞれ接続されているが、その光路長は異なっている。ここでは、光パルスＰ１−１およびＰ２−１が光パルスＰ１−２およびＰ２−２よりも時間Ｔだけ早くＭＺ型変調器４０３に入射するように、光路長が設定されているものとする。この時間差Ｔは、光パルス幅より長くダブルパルスＰ１とＰ２の間隔より短く設定される。
【００６８】
図９はＰＢＳループを伝播する光パルスの時間順序を示す説明図である。光パルスＰ１−１およびＰ２−１は光パルスＰ１−２およびＰ２−２よりも時間Ｔだけ早くＭＺ型変調器４０３に到達するので、各光パルスは、図９（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように異なった時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ６でＭＺ型変調器４０３を通過する。したがって、パルス間隔に同期してＭＺ型変調器４０３に印加する駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２を変化させることにより各光パルスに異なった強度差および／または位相差を与えることができる。
【００６９】
３）ＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ
図１０（ａ）はＭＺ型変調器４０３を駆動する駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２を生成するドライバ４０４の動作を説明するためのブロック図であり、（ｂ）はそのレベル対応表である。また、図１１は乱数入力(Rnd1, Rnd2, Rnd3, Rnd4)と出力ＲＦ１およびＲＦ２の信号変換を概念的に示す波形図である。
【００７０】
ドライバ４０４はデータ変換／クロック逓倍/増幅の機能を有し、４本のｆ0ｂ／ｓの乱数入力(Rnd1, Rnd2, Rnd3, Rnd4)とｆ0ＨｚのクロックＣＬＫとから２本の４ｆ0ｂ／ｓのＲＦ１およびＲＦ２を生成する。ここでは、図１０（ｂ）に示すように、２つの出力信号ＲＦ１およびＲＦ２は各々６値の強度信号であり、出力信号の周波数が入力信号周波数の４倍になっている。したがって、１ビットの入力に対して各々１／４の時間領域（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）で４ビットが出力され、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４のそれぞれが図９（Ｂ）〜（Ｅ）に対応する。ここで、６値強度信号の隣接レベル間電圧差はＶπ／２とする。
【００７１】
４）動作
本実施例による往復型量子暗号鍵配布システムでは、ＢＢ８４方式と呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配布アルゴリズムを用いる。送信器４０（Alice）には、４つの乱数源が設けられ、乱数Ｒｎｄ１で０または１の暗号鍵データを表し、乱数Ｒｎｄ２で情報をコーディングする方法を決定する。光パルスの位相を利用した量子暗号鍵配布方法では、位相０が暗号鍵“０”、位相πが暗号鍵“１”の組を表すコーディングセット（以後「＋基底」と称する。）と、位相π／２が暗号鍵“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセット（以後「×基底」と称する。）との２組の基底を乱数Ｒｎｄ２で選択する。つまり１つの光パルスに対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに施す。
【００７２】
さらに、乱数Ｒｎｄ３およびＲｎｄ４は、Decoy方式の強度変調用の乱数として使用する。図１０（ｂ）の動作レベル対応表を参照すると、乱数Ｒｎｄ４が１である場合、ＲＦ１およびＲＦ２は共に、乱数Ｒｎｄ３の値に拠らずに、乱数Ｒｎｄ１およびＲｎｄ２の値よってのみ決定されていることが分かる。すなわち、(Rnd1, Rnd2) = (0, 0)の場合は(1,3,1,3)、(Rnd1, Rnd2) = (1,0)の場合は(1,3,3,1)、(Rnd1, Rnd2) = (0,1)の場合は(1,3,2,4)、(Rnd1, Rnd2) = (1,1)の場合は(1,3,4,2)といった順で多値信号となっている。なお、Ｒｎｄ４が１である場合はＲＦ１およびＲＦ２が同信号となるので、ＭＺ型変調器４０３を通過する光パルスは位相変調のみを受けることになる。
【００７３】
一方、Ｒｎｄ４が０かつＲｎｄ３が０である場合は、Ｒｎｄ４が１である場合と比較して、ＲＦ１の信号レベルが＋１ずつ、ＲＦ２の信号レベルが−１ずつシフトしている。出力信号の隣接レベル間電圧差がＶπ／２であることを念頭におくと、図６で説明した様に、ＭＺ型変調器４０３を通過する光パルスは位相変調を受けると共に、光強度がオフセット信号δＶのαに対応する低い強度まで強度変調も受ける。
【００７４】
最後に、Ｒｎｄ４が０かつＲｎｄ３が１である場合は、Ｒｎｄ４が１の場合と比較して、ＲＦ１の信号レベルが＋１シフトし、ＲＦ２の信号レベルは変化が無い。この場合は図６で説明したケースには当てはまらないものの、ＲＦ１とＲＦ２の相対電圧差はＶπ／２となり、光強度は半分に低下する。
【００７５】
こうして、ＲＦ１およびＲＦ２の電圧およびその相対電圧差に基づいて、図１１（ｄ）に示すように強度３値、位相４値の光多値変調出力を得ることができる。このように多値変調されたダブルパルスが伝送路６０を通して受信器５０（Bob）へと送出される。
【００７６】
一方、受信器５０（Bob）では基底に対応する乱数源であるＲｎｄ５を有し、制御部５０６は乱数Ｒｎｄ５で位相変調器５０４を駆動し、送信器４０（Alice）より送られてきた光パルスに対してデコードを行う。乱数Ｒｎｄ５の値が“０”である場合には、光パルスに対して位相０（＋基底）の変調を行い、“１”である時には位相π／２（×基底）の変調を行う。
【００７７】
こうして光カプラ５０３での干渉により光検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１で得られたデータを乱数Ｒｎｄ６とする。もし送信器４０（Alice）と受信器５０（Bob）の両者が施した変調の基底が同一（すなわちＲｎｄ２＝Ｒｎｄ５）であるならば、送信器４０の暗号鍵データとしての乱数Ｒｎｄ１の値を受信器５０（Bob）は正しく検出できたことになる。すなわち、Ｒｎｄ１＝Ｒｎｄ６である。逆に、送信側と受信側の基底が異なる（すなわちＲｎｄ２≠Ｒｎｄ５）である場合には、乱数Ｒｎｄ１の値に依らず、受信器５０（Bob）は乱数Ｒｎｄ６として０／１の値をランダムに得ることになる。乱数Ｒｎｄ１、Ｒｎｄ２およびＲｎｄ５はいずれも１ビット毎に変化する乱数であるから、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となる。しかしながら、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除することで、送信器４０（Alice）と受信器５０（Bob）は乱数Ｒｎｄ１に対応する０／１ビット列を共有することができる（非特許文献７参照）。
【００７８】
以上に示した様に、ＭＺ型変調器を図１０および図１１に示した様な多値変調信号ＲＦ１およびＲＦ２で駆動することにより、位相変調に加えて、ここでは３値の光強度変調も施すことが出来る。
【００７９】
図１２は位相変調を使用する量子暗号鍵配布に強度２値の光強度変調を加えた場合の受信器側干渉計の出力結果を示すグラフである。ここでは、図７の実験系を使用し、送信器４０（Alice）側で位相２値、強度２値の変調を施した。干渉計出力の２ポートをＰｏｒｔ０（ＡＰＤ０）、Ｐｏｒｔ１（ＡＰＤ１）とする。図１２のグラフは、光パルスの繰り返し速度を６２．５Ｈｚとしたときの結果である。この図から、６４、８０、９６ｎｓの時刻で出力光強度がその他の時刻と比較して大きく削減されていることが分かる。これらがDecoyレベルで、本方式によって光パルスの位相及および強度を同時に変調できることが確認できた。
【００８０】
５）効果
上述した第１実施例により次の効果を得ることができる。まず、ＭＺ型変調器は、可変光減衰器と比較して遥かに早い周波数で駆動することができるので、使用する光部品の帯域による暗号鍵生成速度の制限は大幅に改善される。
【００８１】
また、位相変調器とは別に可変光減衰器を設けた場合には１つの光パルスが両デバイスを往復するタイミングを違えることが必要であったが、このことによってタイミング設計が複雑になり、量子暗号鍵配布システムの駆動速度にも制限があった。
【００８２】
これに対して本実施例によれば、４値位相変調に強度変調まで加えて一つのＭＺ型変調器で実現でき、タイミングを考慮するデバイスが１個になるので、タイミング設計が容易になると同時に量子暗号鍵配布システムの駆動速度も大幅に向上できる。また、使用するデバイスの個数が減る為、光学損失も小さくなり、構造も簡略化される。
【００８３】
なお、本発明はこの実施例には限定されない。図１５に示すようなファラデーミラーを使用する一般的なPlug & Play方式にも本発明は適用可能である。また、量子暗号鍵配布アルゴリズムもＢＢ８４に限らず、Ｅ９１、Ｂ９２、差動位相シフトに情報をコーディングする方法にも適用可能である。また、本実施例では、Decoy法は光強度を３値で変更する例としたが、光強度の多値数は３値に限定されるものでなく、設定する光強度も本実施例記載の値には限られない。
【実施例２】
【００８４】
本発明は往復型量子暗号鍵配布システムのみに限らず、単一方向型システムにも適用できる。
【００８５】
図１３は本発明の第２実施例による単一方向型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。本実施例は、非特許文献８に記載されたＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)を利用した単一方向型量子暗号鍵配布システムに本発明を適用したものである。送信器７０（Alice）および受信器８０（Bob）は、光ファイバ９０で接続されており、それぞれプレーナ光波回路（ＰＬＣ）技術に基づく非対称Mach-Zehnder干渉計（ＡＭＺＩ）を用いて時分割パルスの干渉計を構成している。
【００８６】
送信器７０は、パルス光源７０１、平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計７０２、強度変調および位相変調可能なＭＺ型変調器７０３、必要に応じて設けられた可変光減衰器７０４、その他同期部、ＭＺ型変調器７０３を駆動するドライバや制御部など（図示せず）を有する。受信器８０は、位相変調器８０１、平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計８０２、その他同期部、光子検出部や制御部など（図示せず。）を有する。
【００８７】
送信器７０のパルス光源７０１から出射した光パルスは、非対称Mach-Zehnder干渉計７０２により時分割された２つの光パルス（ダブルパルス）に分けられ、ＭＺ型変調器７０３によって既に述べたように強度変調および／または位相変調が施され、可変光減衰器７０４を通して受信部８０へ送出される。
【００８８】
受信器８０の位相変調器８０１は到達したダブルパルスを位相変調し、これらの相前後した先行パルスと後方パルスは非対称Mach-Zehnder干渉計８０２によって先行パルスの後ろのパルスと後行パルスの前のパルスとが干渉し、その結果が光子検出部により検出される。量子暗号鍵配布アルゴリズムはＢＢ８４、Ｅ９１、Ｂ９２などを用いることができる。差動位相シフトに情報をコーディングする方法にも適用可能である。
【００８９】
このように単一方向型量子暗号鍵配布システムにおいても、１つのＭＺ型変調器７０３を用いて強度変調および位相変調を行うことができ、簡単な構成で光学損失の少ないデコイ方式量子暗号鍵配布システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は振幅位相変調(APSK)方式を利用する光通信システム一般に適用可能である。APSK信号は多値数を問わず、またRZ／NRZの是非も問わない。さらに、光子の量子状態に情報を載せて暗号鍵配布を行う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】本発明の一実施形態による光通信システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図２】ＭＺ型変調器を用いた強度位相変調器を示すブロック図である。
【図３】（ａ）はＡＭ／ＰＭ駆動信号ドライバ内部の信号処理系を示すブロック図、（ｂ）はその信号処理系の信号レベルを示す表である。
【図４】（ａ）はＭＺ型変調器の一般的な使用法を示す模式図、（ｂ）は消光しない場合の波形を示す説明図、（ｃ）は消光する場合の波形を示す説明図である。
【図５】（ａ）はＭＺ型変調器の強度変調動作を説明するための波形図、（ｂ）はＭＺ型変調器の位相変調動作を説明するための波形図である。
【図６】ＭＺ型変調器の強度＋位相変調動作を説明するための波形図である。
【図７】本発明の第１実施例による往復型量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。
【図８】送信器４０のＰＢＳループの動作を説明するための模式的構成図である。
【図９】ＰＢＳループを伝播する光パルスの時間順序を示す説明図である
【図１０】（ａ）はＭＺ型変調器４０３を駆動する駆動信号ＲＦ１およびＲＦ２を生成するドライバ４０４の動作を説明するためのブロック図であり、（ｂ）はそのレベル対応表である。
【図１１】乱数入力(Rnd1, Rnd2, Rnd3, Rnd4)と出力ＲＦ１およびＲＦ２の信号変換を概念的に示す波形図である。
【図１２】位相変調を使用する量子暗号鍵配布に強度２値の光強度変調を加えた場合の受信器側干渉計の出力結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第２実施例による単一方向型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１４】非特許文献２に記載されているＡＰＳＫ信号を生成する送信器の概略的構成を示すブロック図である。
【図１５】非特許文献６に記載された往復型ＱＫＤの概略的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０  送信器（Ａｌｉｃｅ）
１１  ２電極型Mach-Zehnder変調器
１２  ドライバ
２０  受信器（Ｂｏｂ）
２１  位相変調器
３０  光ファイバ伝送路
４０  送信器（Ａｌｉｃｅ）
５０  受信器（Ｂｏｂ）
６０  光ファイバ伝送路
４０１  光減衰器
４０２  偏波合分波器
４０３  ２電極型Mach-Zehnder変調器
４０４  ドライバ
４０５  制御部
５０１  パルス光源
５０２  光サーキュレータ
５０３  光カプラ
５０４  位相変調器
５０５  偏波合分波器
５０６  制御部
７０  送信器（Ａｌｉｃｅ）
８０  受信器（Ｂｏｂ）
９０  光ファイバ伝送路
７０１  パルス光源
７０２  平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計
７０３  ２電極型Mach-Zehnder変調器
７０４  光減衰器
８０１  位相変調器
８０２  平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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