(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、前記擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択する変調方式指定部と、
前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎に、当該ビットの送信データが予め定められた種類である場合には、ビット反転を行ったデータである反転データを出力し、当該ビットの送信データが予め定められた種類ではない場合には、ビット反転を行わずにデータを出力するビット反転部と、
前記選択された強度変調方式により、前記ビット反転部から出力されたデータを変調したデータである変調データを出力するレーザ変調駆動部と、
前記変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードと
を含み、
前記強度変調方式のそれぞれは、通信で使用されるコヒーレント状態の複素振幅を大きさ順に実直線上に並べた場合に、所定距離に位置する２つのコヒーレント状態の組である、
光送信装置。
【請求項２】
前記コヒーレント状態の複素振幅の大きさは実直線上に等間隔に並んでいる、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
前記所定距離は一定距離である、請求項２記載の光送信装置。
【請求項４】
前記変調方式指定部は、前記擬似乱数に基づいて符号化方法を更に選択し、前記レーザ変調駆動部は、前記選択された符号化方法により送信データを符号化し、前記符号化した送信データを前記選択された強度変調方式により変調して前記変調データを得る、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項５】
光送信装置と光受信装置を有する光送受信システムにおいて、
前記光送信装置は、
予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、前記擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択する変調方式指定部と、
前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎に、当該ビットの送信データが予め定められた種類である場合には、ビット反転を行ったデータである反転データを出力し、
当該ビットの送信データが予め定められた種類ではない場合には、ビット反転を行わずにデータを出力するビット反転部と、
前記選択された強度変調方式により、前記ビット反転部から出力されたデータを変調したデータである変調データを出力するレーザ変調駆動部と、
前記変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードと
を含み、
前記強度変調方式のそれぞれは、通信で使用されるコヒーレント状態の複素振幅を大きさ順に実直線上に並べた場合に、所定距離に位置する２つのコヒーレント状態の組であり、
前記光受信装置は、
予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、コヒーレント光の強度を測定して電気信号に変換するフォトディテクタと、前記擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式を選択して前記電気信号をディジタルデータに変換する判定回路とを
有する光送受信システム。
【請求項６】
予め定められた初期値により発生された擬似乱数に基づいて強度変調方式を変調方式指定部によって選択するステップと、
予め定められた初期値により発生擬似乱数に基づいて送信データのビット毎に、当該ビットの送信データが予め定められた種類である場合には、ビット反転を行ったデータである反転データを出力し、当該ビットの送信データが予め定められた種類ではない場合には、ビット反転を行わずにデータを出力するビット反転ステップと、
前記選択された強度変調方式により前記ビット反転ステップで出力されたデータを変調したデータである変調データをレーザ変調駆動部によって出力するステップと、
レーザダイオードによって前記変調データをコヒーレント光として出力するステップとを含み、
前記強度変調方式のそれぞれは、通信で使用されるコヒーレント状態の複素振幅を大きさ順に実直線上に並べた場合に、所定距離に位置する２つのコヒーレント状態の組である、
光送信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、他の光通信システムと親和性が高く、長距離、高速度の通信を実現する機能を有する光の強度変調を用いた安全なメッセージ伝送システムの秘匿伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
量子力学の原理を使った暗号方式としては、Ｂｅｎｎｅｔｔ及びＢｒａｓｓａｒｄによるＢＢ８４方式がよく知られている。しかしながら、ＢＢ８４方式は、単一光子を用いることを前提としており、また現行の増幅器がそのまま使えないため、短距離、低速度のシステムしか実現できない。また、プロトコルは鍵の共有に限られている（非特許文献１参照）。
【０００３】
これに対し、Ｙｕｅｎは、Ｍ−ａｒｙ  ｌｅｖｅｌ  ｃｉｐｈｅｒという新しい枠組みを提案し、送受信者の間での変復調は、同期を取りながら切り替えて通信することにより、上記のようなＢＢ８４方式の欠点が克服できることを指摘した。なお、上記の指摘に基づく暗号方式のことを以後Ｙ００方式と呼ぶことにする。
【０００４】
２００２年、Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ、Ｈ．Ｐ．ＹｕｅｎらのＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学のグループによって、Ｙ００方式を具現化する通信装置が発表された（非特許文献２参照）。このＹ００方式の通信装置について図７を用いて説明する。図７において、レーザダイオード６０１は、コヒーレント状態の光を出力するものであり、外部位相変調器６０２、６０３は、送信データを変調するものであり、偏光ビームスプリッタ６０４は、受信した光を分離するものであり、フォトディテクタ６０５、６０６は、光の入力を検知するものであり、送信用擬似乱数発生部６０７、受信用擬似乱数発生部６０８は、初期鍵Ｋｓの入力により同一の鍵となるビット列の乱数を発生するものであり、光通信路６０９は、光ファイバーなどの通信経路である。
【０００５】
まず、送信側と受信側に同一の初期鍵Ｋｓが、予め配布される。この初期鍵Ｋｓを送信用擬似乱数発生部６０７及び受信用擬似乱数発生部６０８に入力すること同一の鍵となるビット列が出力される。
【０００６】
次に、外部位相変調部６０２、６０３に、同一の鍵であるビット列を入力すると、通信に用いられる変調の方法が指定される。
【０００７】
次に、外部位相変調部６０２が、送信データをレーザダイオード６０１から出力された２モードコヒーレント状態｜α＞｜０＞として表される光を用いて、変調する。
【０００８】
ここで、外部位相変調部６０２は、光をＭ通りに偏光変調し、偏光変調された光は（式１）のように表すことができる。
【０００９】
【数１】
0004451085.tif 000002
・・・・（式１）
なお、Ｍは偶数であると仮定する。このとき、“０”、“１”を表現する方法として（式２）に表されているＭ／２通りを考える。
【００１０】
【数２】
0004451085.tif 000003
・・・・（式２）
【００１１】
次に、外部位相変調部６０２によって偏向変調された光は、光通信路６０９を通って受信側に伝送される。次に、受信側の外部位相変調部６０３では、受信用擬似乱数発生部６０８の出力するビット列を用いて、受信した光を復調する。これにより外部位相変調部６０３から出力される状態は、“０”に対応する｜α＞｜０＞又は“１”に対応する｜−α＞｜０＞の２状態のうちのいずれかの状態となる。
【００１２】
次に、偏光ビームスプリッタが、復調した受信光を分離し、“０”に対応する光はフォトディテクタ６０５に出力し、“１”に対応する光はフォトディテクタ６０６に出力する。次に、フォトディテクタ６０５が光を検出した場合は、受信データは“０”と出力され、フォトディテクタ６０６が光を検出した場合は、受信データは“１”と出力される。
【００１３】
なお、初期鍵を共有していない盗聴者が情報を盗み見ようとしても、変調方式が不明であるため、高い確率で誤りが発生してしまう。また、正規の受信者の誤り確率が盗聴者の誤り確率より低い場合、盗聴者に流出する情報を“０”にすることができることが知られている。このように、予め共有している初期鍵から擬似乱数である変調方式を決定する鍵を発生させ、生成した鍵により変復調の方法を、送信側と受信側で同期して切り替えながらデータを送受信することにより、完全に安全な伝送が実現できる。
【００１４】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，“ＱｕａｎｔｕｍＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｉｎｔｏｓｓｉｎｇ”ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，ＳｙｓｔｅｍａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ（ＩＥＥＥＮｅｗＹｏｒｋ，１９８４）Ｐ１７５−１７９
【非特許文献２】
Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ、Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ、Ｐ，Ｋｕｍａｒ、Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ、Ｇ．Ｍ．Ｄ’ａｒｉａｎｏ、Ｍ．Ｇ．Ａ．Ｐａｒｉｓ、Ｐ．Ｐｅｒｉｎｏｔｔｉ、“ｓｅｃｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔａｔｅｓ”、Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＱｕａｎｔｕｍＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｊｕｌｙ，（２００１、ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２１２０１・・８）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような光送信装置及び光受信装置では、情報が載せられている光の状態が壊れやすく、光ファイバを使った長距離伝送や高速通信には向かないという課題があった。
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は通信途中に外界から受ける雑音の影響を受けにくく、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高い光送信装置及び光受信装置を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、本発明の光送信装置は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、前記擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択する変調方式指定部と、前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎に、当該ビットの送信データが予め定められた種類である場合には、ビット反転を行ったデータである反転データを出力し、当該ビットの送信データが予め定められた種類ではない場合には、ビット反転を行わずにデータを出力するビット反転部と、前記選択された強度変調方式により、前記ビット反転部から出力されたデータを変調したデータである変調データを出力するレーザ変調駆動部と、前記変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードとを含み、前記強度変調方式のそれぞれは、通信で使用されるコヒーレント状態の複素振幅を大きさ順に実直線上に並べた場合に、所定距離に位置する２つのコヒーレント状態の組である、ことを要旨とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、前記擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択する変調方式指定部と、前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎に、当該ビットの送信データが予め定められた種類である場合には、ビット反転を行ったデータである反転データを出力し、当該ビットの送信データが予め定められた種類ではない場合には、ビット反転を行わずにデータを出力するビット反転部と、前記選択された強度変調方式により、前記ビット反転部から出力されたデータを変調したデータである変調データを出力するレーザ変調駆動部と、前記変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードとを含み、前記強度変調方式のそれぞれは、通信で使用されるコヒーレント状態の複素振幅を大きさ順に実直線上に並べた場合に、所定距離に位置する２つのコヒーレント状態の組である光送信装置としたものであり、光の強度に情報を載せて送るため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００１９】
本発明の第２の態様は、擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力するビット反転部を更に含み、レーザ変調駆動部は、選択された強度変調方式により前記反転データを変調したデータである変調データを出力する第１の態様の光送信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２０】
本発明の第３の態様は、変調データは、１ビット毎に擬似乱数により選択された強度変調方式を用いて変調されたデータである第１の態様又は第２の態様の光送信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２１】
本発明の第４の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換するフォトディテクタと、前記擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換する判定回路とを含む光受信装置としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００２２】
本発明の第５の態様は、擬似乱数に基づいてディジタルデータのビット反転を行ったデータを出力するビット反転部を更に含む第４の態様の光受信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２３】
本発明の第６の態様は、ディジタルデータは、１ビット毎に擬似乱数により選択されたコヒーレント光の復調方式を用いて復調されたデータである第４の態様又は第５の態様の光受信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２４】
本発明の第７の態様は、第１の態様の光送信装置と、第４の態様の光受信装置とを含む光通信装置としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を送受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００２５】
本発明の第８の態様は、予め定められた送信用初期値により第１の擬似乱数を発生させる送信用擬似乱数発生部と、前記第１の擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択する変調方式指定部と、前記第１の擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力するビット反転部と、選択された強度変調方式により前記反転データを変調したデータである変調データを出力するレーザ変調駆動部と、前記変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードとを含む光送信装置と、予め定められた受信用初期値により前記第１の擬似乱数と同一の第２の擬似乱数を発生させる受信用擬似乱数発生部と、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換するフォトディテクタと、前記第２の擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換する判定回路と、前記第２の擬似乱数に基づいてディジタルデータのビット反転を行ったデータを出力するビット反転部とを含む光受信装置を有する光通信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２６】
本発明の第９の態様は、変調データは、１ビット毎に第１の擬似乱数により選択された強度変調方式を用いて変調されたデータであり、ディジタルデータは、１ビット毎に第２の擬似乱数により選択されたコヒーレント光の復調方式を用いて復調されたデータである第８の態様記載の光通信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化することができるという作用を有する。
【００２７】
本発明の第１０の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させ、前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力し、前記擬似乱数に基づいて強度変調方式を選択し、前記選択された強度変調方式により前記反転データを変調したデータである変調データを出力し、前記変調データをコヒーレント光として出力する光送信方法としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を送信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させ、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換し、前記擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換し、前記擬似乱数に基づいて前記ディジタルデータのビット反転を行ったデータである受信データを出力する光受信方法としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００２９】
本発明の第１２の態様は、第１０の態様の光送信方法と、第１１の態様の光受信方法とを含む光通信方法としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を送受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高いという作用を有する。
【００３０】
本発明の第１３の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、前記擬似乱数に基づいて符号化方法及び強度変調方式を選択する符号化変調方式指定部と、前記選択された符号化方法及び強度変調方式により送信データを符号化し、変調したデータである符号化変調データを出力する符号化レーザ駆動部と、前記符号化変調データに対応するコヒーレント光を出力するレーザダイオードとを含む光送信装置としたものであり、光の強度に情報を載せて送るため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高く、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３１】
本発明の第１４の態様は、擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力するビット反転部を更に含み、符号化レーザ駆動部は、選択された符号化方法と強度変調方式により前記反転データを符号化し、変調したデータである符号化変調データを出力する第１３の態様の光送信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３２】
本発明の第１５の態様は、符号化変調データは、１ビット毎に擬似乱数により選択された符号化方法及び強度変調方式を用いて符号化し、変調されたデータである第１３の態様又は第１４の態様の光送信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３３】
本発明の第１６の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させる擬似乱数発生部と、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換するフォトディテクタと、前記擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式と復号化方法を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換する復号判定回路とを含む光受信装置としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高く、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３４】
本発明の第１７の態様は、擬似乱数に基づいてディジタルデータのビット反転を行ったデータを出力するビット反転部を更に含む第１６の態様の光受信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３５】
本発明の第１８の態様は、ディジタルデータは、１ビット毎に擬似乱数により選択されたコヒーレント光の復調方式と復号化方法を用いて復調し、復号化されたデータである第１６の態様又は第１７の態様の光受信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３６】
本発明の第１９の態様は、第１３の態様の光送信装置と、第１６の態様の光受信装置とを含む光通信装置としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高く、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３７】
本発明の第２０の態様は、予め定められた送信用初期値により第１の擬似乱数を発生させる送信用擬似乱数発生部と、前記第１の擬似乱数に基づいて強度変調方式及び符号化方法を選択する符号化変調方式指定部と、前記第１の擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力するビット反転部と、選択された符号化方法と、強度変調方式により前記反転データを符号化し、変調したデータである符号化変調データを出力する符号化レーザ変調駆動部と、前記符号化変調データをコヒーレント光として出力するレーザダイオードとを含む光送信装置と、予め定められた受信用初期値により前記第１の擬似乱数と同一の第２の擬似乱数を発生させる受信用擬似乱数発生部と、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換するフォトディテクタと、前記第２の擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式及び復号化方法を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換する復号判定回路と、前記第２の擬似乱数に基づいてディジタルデータのビット反転を行ったデータを出力するビット反転部とを含む光受信装置を有する光通信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３８】
本発明の第２１の態様は、符号化変調データは、１ビット毎に第１の擬似乱数により選択された符号化方法及び強度変調方式を用いて変調されたデータであり、ディジタルデータは、１ビット毎に第２の擬似乱数により選択されたコヒーレント光の復調方式及び復号化方法を用いて復調し、復号されたデータである第２０の態様記載の光通信装置としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００３９】
本発明の第２２の態様に記載の発明は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させ、前記擬似乱数に基づいて送信データのビット毎にビット反転を行ったデータである反転データを出力し、前記擬似乱数に基づいて符号化方法及び強度変調方式を選択し、前記選択された符号化方法及び強度変調方式により前記反転データを符号化し、変調したデータである符号化変調データを出力し、前記符号化変調データをコヒーレント光として出力する光送信方法としたものであり、通信時の秘匿性を強化し、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００４０】
本発明の第２３の態様は、予め定められた初期値により擬似乱数を発生させ、コヒーレント光の強度を測定し、電気信号に変換し、前記擬似乱数に基づいて前記コヒーレント光の復調方式及び復号化方法を選択し、前記電気信号をディジタルデータに変換し、前記擬似乱数に基づいて前記ディジタルデータのビット反転を行ったデータである受信データを出力する光受信方法としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高く、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００４１】
本発明の第２４の態様は、第２２の態様の光送信方法と、第２３の態様の光受信方法とを含む光通信方法としたものであり、光の強度に情報を載せた信号を受信するため、通信途中に外界から受ける雑音の影響も受け難くなるため、長距離、高速通信が可能になり、従来の光通信のシステムとの親和性も高く、更に、送信データを符号化することで、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができるという作用を有する。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、第１の実施の形態による光送信装置及び光受信装置を示すブロック図である。図１において、光通信路１０１は、光ファイバなどの通信経路であり、レーザ変調駆動部１０２は、指定された変調方式に応じて光の強度を算出し、レーザダイオード１０３を駆動するものであり、レーザダイオード１０３は、光は強度の違うコヒーレント光を出力するものであり、フォトディテクタ１０４は、直接検波するため、受信した光の強度を電流に変えて出力するものであり、判定回路１０５は、フォトディテクタ１０４から出力された電流を復調するものである。
【００４４】
また、送信用擬似乱数発生部１０６及び受信用類似乱数発生部１０７は、共通の初期鍵Ｋｓを入力することにより、同一のビット列を出力するものであり、変調方式指定部１０８は、予め定められたＭ種類の変調方式の中から、擬似乱数発生部１０６が出力したビット列に対応する変調方式を選択するものであり、送信用ビット反転部１０９は、送信用擬似乱数発生部１０６が出力した１ビットのデータが“１”の場合のみ送信データをビット反転するものであり、受信用ビット反転部１１０は、受信用擬似乱数発生部１０７が出力した１ビットのデータが・・“１”の場合のみ送信データをビット反転するものである。
【００４５】
なお、光送信装置は、送信用擬似乱数発生部１０６、変調方式指定部１０８、送信用ビット反転部１０９、レーザ変調駆動部１０２、レーザダイオード１０３を含む構成であり、光受信装置は、フォトディテクタ１０４、判定回路１０５、受信用擬似乱数発生部１０７、受信用ビット反転部１１０を含む構成である。
【００４６】
以下、上記実施の形態に係る光送信装置について、図２を用いて説明する。まず、予め送信側と受信側で初期鍵を共有し、Ｍ（Ｍは自然数）通りの強度変復調方式を予め定めておく。次に、Ｓ２０１にて、送信用擬似乱数発生部１０６は、入力された初期鍵Ｋｓに基づいて、変調方式を選択するためのビット列を出力する。なお、擬似乱数は、例えば、岡本龍明、山本博資「現代暗号」（産業図書、出版１９９７年第、ｐ４５−ｐ６３）に記載されている機構に基づくものを用いればよい。
【００４７】
次に、Ｓ２０２にて、変調方式指定部１０８は、予め定められたＭ種類の変調方式の中から、送信用擬似乱数発生部１０６から出力されたビット列に対応する変調方式を選択する。次に、Ｓ２０３にて、送信用ビット反転指定部１０９は、送信用擬似乱数発生部１０６から出力された１ビットのデータが“１”である場合は、送信データをビット反転させる。ここで、変調方式の選択及びビット反転の有無の指定は、送信データのビットごとに行われる。従って、送信データ１ビットごとに、送信用擬似乱数発生部１０６は、Ｃ（ｌｏｇＭ）＋１ビットの擬似乱数を発生させ、そのうちのＣ（ｌｏｇＭ）ビットを変調方式指定部１０８に出力し、残り１ビットを送信用ビット反転指定部１０９に出力する。
【００４８】
ここで、対数関数の指数は２であり、例えば、４種類の変調方式を記述するためにはＣ（４）＝２ビットが必要であるが、５〜８種類の変調方式の時はＣ（・・５）＝２＋１＝３ビットが必要となる。
【００４９】
次に、Ｓ２０４にて、レーザ変調駆動部１０２は、ビット反転指定部１０９から出力された送信データを変調方式指定部１０８から指定された変調方式を用いて送信する光の強度を算出し、レーザダイオード１０３を駆動する。次に、Ｓ２０５にて、レーザダイオード１０３は、レーザ変調駆動部１０２の算出した光強度により、送信データを光通信路１０１に出力する。なお、本実施の形態では、強度変調方式を用いたが、外部変調方式により任意の強度のコヒーレント光を出力する構成としても、同様の結果を得ることができる。
【００５０】
以下に、図３を用いて変調方法を説明する。本実施の形態では、レーザダイオード１０３から出力される光は強度の違うコヒーレント光であるとしている。コヒーレント光は、レーザダイオード１０３から出力される光の理想近似であり、ヒルベルト空間の加算無限個の直交基底（数状態）｜ｎ＞を用いて、（式３）のように記述することができる。
【００５１】
【数３】
0004451085.tif 000004
・・・・（式３）
ここで、αは、複索振幅と呼ばれ、一般には複素数で表されるが、本実施の形態では、強度変調を考えているので、実数であると仮定してもよい。
【００５２】
また、図３は、通信で使われるＭ個のコヒーレント状態（式４）を複素振幅の大きさ順に実直線上に並べたものである。なお、以下の説明を簡単にするために、Ｍは偶数個であると仮定することにする。
【００５３】
【数４】
0004451085.tif 000005
・・・・（式４）
【００５４】
これらのコヒーレント状態は実直線上に等間隔に並んでいるものとする。いま変調方法ｉ（ｉ＝１、‥・・、Ｍ）では、“０”、“１”のビット情報を送るため、｜α1＞から｜αM/2＞は“０”に対応し、｜αM/2+1＞から｜αM＞は“１”に対応し、第１の変調方式は、｜α1＞により“０”を示し、｜αM/2+1＞により“１”を示し、第２の変調方式は、｜α2＞により“０”を示し、αM/2+2＞により“１”を示すものである。
【００５５】
なお、光送信装置は、送信用ビット反転部１０９を省略して構成することも可能である。なお、本実施の形態では、変調方式を、１ビット毎に変更しているが、任意のビット毎に変調方式を変更することも可能である。
【００５６】
次に、光受信装置について、図４を用いて説明する。まず、Ｓ４０１にて、レーザダイオード１０３から出力された光は、光ファイバ１０８をとおり、フォトディテクタ１０４で受信される。次に、Ｓ４０２にて、フォトディテクタ１０４は、受信した光の強度を電流に変えて出力する。次に、Ｓ４０３にて、判定回路１０５は、フォトディテクタ１０４から出力される電流を復調し、受信データを出力する。
【００５７】
ここで、判定回路１０５は、受信用擬似乱数発生部１０７から生成される擬似乱数のビット列により、送信装置の変調方式指定部１０８で行われた変調方式を求め、求めた変調方式に対応する閾値によって閾値処理を行う直接検波方式により復調する。次に、Ｓ４０４にて、受信用ビット反転部１１０は、送信用ビット反転部１０９と同様に、受信用擬似乱数発生部１０７から出力されるビットが“１”である場合は、判定回路１０５の出力データのビットを反転させ、受信データとして出力する。
【００５８】
なお、光受信装置は、受信用ビット反転部１１０を省略して構成することも可能である。ただし、この場合は信号の割り当ては、ｉが偶数の場合は、｜αi＞により“０”を示し、｜αM/2+i＞により“１”を表すことにし、ｉが奇数の場合は、｜αi＞により“１”を示し、｜αM/2+i＞により“０”を表すことにすればよい。なお、本実施の形態では、復調方式を、１ビット毎に変更しているが、任意のビット毎に復調方式を変更することも可能である。
【００５９】
次に、本発明の安全性について、正規の受信者と盗聴者の誤り率を使って検証してみることにする。なお、これ以降、レーザ変調駆動部１０２によりレーザ変調される信号を（式５）に記述する。
【００６０】
【数５】
0004451085.tif 000006
・・・・（式５）
【００６１】
ここで、Ｘiはビット反転しない場合の信号であり、Ｙiはビット反転する場合の信号である。変調数がＭ個の場合は、（式６）のように記述することができる。
【００６２】
【数６】
0004451085.tif 000007
・・・・（式６）
【００６３】
まず、ビット反転による２つの変調方式（Ｘi、Ｙi）を考えるとき、盗聴者が、“０”であるとして観測する状態ρ０と、“１”であるとして観測する状
態ρ1とは（式７）のように全く一致する。
【００６４】
【数７】
0004451085.tif 000008
・・・・（式７）
【００６５】
このため、盗聴者は、“０”と“１”を区別することができないため、送信データ情報に直接アクセスすることはできない。ただし、盗聴者はデータ伝送に使われた量子状態の情報を知ろうとすることはできる。また、この結果を使って盗聴を行う可能性もある。このような場合、盗聴者は、ビット反転された変調数Ｍ個に対応する２Ｍ個の状態を識別することになり、隣り合う信号を区別する必要がある。この時の誤り確率は（式８）によって与えられることが知られている。これは、Ｍ．Ａ．Ｎｉｅｌｓｅｎ、Ｉ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ、“Ｑｕａｎｔｕｍ ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｎｄＱｕａｎｔｕｍＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ”，ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ２０００，ｐｐ．９０−９３の記載を参照することで、算出することができる。
【００６６】
【数８】
0004451085.tif 000009
・・・・（式８）
【００６７】
ただし、（式８）の最小化問題を直接解くことは困難であるため、本実施の形態では、その上界と下界を評価することにする。まず、下界は隣り合う信号｛｜αi＞、｜αi+1＞｝に対する最小誤り確率（式９）によって与えられる。
【００６８】
【数９】
0004451085.tif 000010
・・・・（式９）
【００６９】
上界は、Ｓｑｕａｒｅｒｏｏｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔを２Ｍ個の純粋状態に適用することによって得られる。これは、Ｋ．Ｋａｔｏ，Ｍ．Ｏｓａｋｉ，Ｍ．Ｓａｓａｋｉ，Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，“Ｑｕａｎｔｕｍｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄｍｕｔｕａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒＱＡＭａｎｄＰＳＫｓｉｇｎａｌｓ”、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．２，ｐｐ．２４８−２５４，１９９９を参照することで、算出することができる。図５は、この場合の誤り確率と変調方式数２Ｍの関係を表したグラフである。なお、グラフ中の記号αmaxは、信号エネルギーの最大値で、αMに相当している。このグラフより、最大信号エネルギーαmaxとビット反転を含めた変調方式数２Ｍ個を調整することにより、盗聴者の誤り確率を１に近くすることができる。
【００７０】
これは、コヒーレント状態の発光強度の幅を固定した場合に、変調方式数２Ｍ個を増加すると、隣り合う信号の間隔が狭まり、盗聴者は、隣り合う信号を区別することが困難になるために、盗聴者の誤り確率は１に近づくことになる。
これに対して、正規の受信者の誤り確率は（式１０）によって与えられる。
【００７１】
【数１０】
0004451085.tif 000011
・・・・（式１０）
【００７２】
これは、ビット反転を含めた変調方式数２Ｍにはよらずに決まる値であり、０に近い値にとることができる。これはまた、正規の受信者は、ビット反転の有無が既知であるため、｛αi＞、｜αM/2+i＞｝を区別することができればよい。これは、コヒーレント状態の発光強度の幅を固定した場合に、変調方式数２Ｍ個を増加することにより、隣り合う信号の間隔が狭まったとしても、｛αi＞、｜αM/2+i＞｝の間隔は一定であるため、正規の受信者の誤り確率は、ビット反転を含めた変調方式数２Ｍに依存することなく、０に近い値を取ることができる。
【００７３】
すなわち、かかる構成によれば、コヒーレント光の強度変調により送信データを変調し、直接検波により受信データを復調し、更に、１ビット毎に変調方式を変更及び反転を行うことにより、既存の光通信システムとの親和性が高い、量子検出理論に基づいて秘匿性が保証された光送信装置及び光受信装置を提供することが可能である。
【００７４】
また、本実施の形態の光送信装置及び光受信装置では、光の強度により情報を送受信しており、光の位相により情報を送受信する従来の光送信装置及び光受信装置より、伝送中の雑音に強いため、長距離、高速通信を実現することが可能になる。
【００７５】
（実施の形態２）
図６は、第２の実施の形態による光送信装置及び光受信装置の構成を示す図であり、第１の実施の形態による光送信装置及び光受信装置に、誤り訂正符号化機能を付加したものである。
【００７６】
符号化変調方式指定部７０１は、擬似乱数により符号化方法及び変調方式を指定するものであり、符号化レーザ変調駆動部７０２は、擬似乱数により指定された符号化方法を用いて送信データを符号化し、擬似乱数により指定された変調方式により符号化した送信データを変調するものであり、復号判定回路７０３は、光送信装置と同一の擬似乱数により指定された復調方式により受信データを復調し、同一の擬似乱数により指定された復号化方法により復調された受信データを復号化するものである。
【００７７】
なお、図６におけるほかの構成要素の動作は、第１の実施の形態と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００７８】
まず、光送信装置について説明する。符号化変調方式指定部７０１は、送信データ“０”、“１”に対して（式１１）のように複数の強度の光を対応付ける符号化方法を指定する。
【００７９】
【数１１】
0004451085.tif 000012
・・・・（式１１）
【００８０】
これに対し、第１の実施の形態では、変調方式指定部１０８は“０”、“１”に対して、一つの光の強度を対応付けていた。第２の実施の形態では、（００１、１１０）、（０１０、１０１）、（１００、０１１）という３組の誤り訂正符号を使い分けて１ビットのデータを送っていると見ることができる。即ち、（式１１）のＸi,1には（００１、１１０）が対応し、Ｘi,2には（０１０、１０１）が対応し、Ｘi,3には（１００、０１１）が対応する。
【００８１】
まず、符号化変調方式指定部７０１は、送信用乱数発生部１０６から出力される乱数列によって、（式１１）に記載されている３Ｍ通りの符号化方法及び変調方式のうちの一つを指定する。
【００８２】
次に、符号化レーザ変調駆動部７０２は、符号化変調方式指定部７０１からの指定に従った符号化方法及び変調方式Ｘi,j（ｉ＝１、・・・、Ｍ，ｊ＝１、２
、３）に基づき、送信用ビット反転部１０９から出力されたビットデータに応じてレーザダイオード１０３を駆動することで、送信データの符号化と変調を行う。
【００８３】
例えば、符号化変調方式指定部７０１により、符号化方法及び変調方式Ｘi,1
が指定され、ビットデータ“０”が送信用ビット反転部１０９から出力されたとき、符号化レーザ変調駆動部７０２は、レーザダイオード１０３を駆動して、｜α(i)＞｜α(i)＞｜α(M+i)＞という３つの光の状態を、順次、時系列で発生させる。
【００８４】
次に、光受信装置について説明する。まず、復号判定回路７０３は、フォトディテクタ１０４により受信された受信データを、受信用擬似乱数発生部１０７から出力される擬似乱数により、送信側の符号化方法及び変調方式に対応した復号化方法及び復調方式を求め、受信データの復調及び復号を実行する。
【００８５】
例えば、符号化及び変調方式Ｘi,1によってビットデータが送られてきた場合
、復号判定回路７０３では、受信した３つの状態が、｜α(i)＞であるか、｜α(M+i)＞であるかを判定し、その結果によりビットデータが、“０”であるか“１”であるかを判定する。この時、宮川、岩垂、今井「符号理論」電子情報通信学会、昭和４８年、ｐ．１９に記載されている通り、誤り訂正の原理を用いれば、３つの状態のうちの一つを誤って判定したとしても、最終的なビットデータの判定は間違わない。
【００８６】
なお、本実施例は、（００１、１１０）、（０１０、１０１）、（１００、０１１）という符号長３の３組の符号化方法に基づいているが、これ以外の符号化方法を用いてもよい。符号長ＮのＬ組の任意の符号化方法を用いて同様の装置が実現できる（Ｎは２以上の自然数、Ｌは１以上の自然数）。
【００８７】
また、使用する符号化方法を送信ビット毎に、擬似乱数により切り替えることにより、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができる。
【００８８】
すなわち、第２の実施の形態による構成によれば、誤り訂正の原理を用いて、コヒーレント光の強度変調により送信データを符号化及び変調を行い、直接検波により受信データを復調及び復号化し、更に、１ビット毎に変調方式を変更及び反転を行うことにより、既存の光通信システムとの親和性が高い、量子検出理論に基づいて秘匿性が保証された光送信装置及び光受信装置を提供することが可能である。
【００８９】
更に、使用する誤り訂正符号を伝送ビット毎に擬似乱数にしたがって切り替えることにより、盗聴の危険性を増やすことなく、信頼性の高い通信を実現することができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コヒーレント光の強度変調により送信データを変調し、直後検波により受信データを復調し、更に、１ビット毎に変調方式を変更及び反転を行うことにより、本構成により、従来の光通信システムとの親和性が高く、長距離、高速通信が可能な光送信装置及び光受信装置を提供することができる。更に、本発明の光送信装置及び光受信装置は量子検出理論に基づいて、秘匿性が保証されており、安全性保証の理論を構築することも容易である。
【００９１】
更に、誤り訂正の原理を用いることにより、雑音のある通信路でも伝送誤りが生じにくく且つ秘匿性が保証された通信が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態による光送信装置及び光受信装置の構成を示すブロック図
【図２】  本発明の第１の実施の形態による光送信方法を示すフローチャート
【図３】  本発明の第１の実施の形態による変調方式を示す図
【図４】  本発明の第１の実施の形態による光受信方法を示すフローチャート
【図５】  本発明の第１の実施の形態による誤り率と変調方式数の関係を示す図
【図６】  本発明の第２の実施の形態による光送信装置及び光受信装置の構成を示す図
【図７】  従来の光送信装置及び光受信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０１光通信路
１０２レーザ変調駆動部
１０３レーザダイオード
１０４フォトディテクタ
１０５判定回路
１０６送信用擬似乱数発生部
１０７受信用擬似乱数発生部
１０８変調方式指定部
１０９送信用ビット反転部
１１０受信用ビット反転部
７０１  符号化変調方式指定部
７０２  符号化レーザ変調駆動部
７０３  復号判定回路
【図１】
0004451085.tif 000013
【図２】
0004451085.tif 000014
【図３】
0004451085.tif 000015
【図４】
0004451085.tif 000016
【図５】
0004451085.tif 000017
【図６】
0004451085.tif 000018
【図７】
0004451085.tif 000019