(57)【要約】【課題】送信器におけるタイミングを最適化し、正しいタイミングで安定した情報伝送を可能にする通信システム、タイミング制御方法を提供する。【解決手段】受信器２０のタイミング制御部２４０の指示により、送信器１０の位相変調器１０２を駆動するタイミングＣＬＫを１ステップずつシフトさせ、受信器２０でそのときのクロックシフト量と干渉結果をモニタしてメモリ２５０に記録する。記録したデータから最適タイミングを決定することによって、送信器１０の位相変調を駆動するクロックが正しいタイミングに設定することができる。これは光信号のチャネルとクロック信号のチャネルとを波長分割多重伝送した場合に生じる波長分散による群速度分散を補償したことに相当する。【選択図】図１
2007037091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通信チャネルを通して第１通信器と第２通信器との間で情報伝送を行う通信システムにおいて、
前記第１通信器は、
与えられた変調タイミングに従って、送信すべき原情報により搬送信号を変調し、一の通信チャネルを通して送信する変調手段と、
前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、
を含み、
前記第２通信器は、
前記一の通信チャネルを通して受信した信号を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、
を含む、
ことを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングを時間軸上でずらしながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる変調タイミングを検索することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記第２通信器は、前記検出手段に検出タイミングを供給する検出タイミング供給手段を更に含み、
前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングの制御終了後に、前記検出手段の検出結果に基づいて前記検出タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
前記タイミング制御手段は、前記検出タイミングを時間軸上でずらしながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる検出タイミングを検索することを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
【請求項５】
前記第１通信器は、前記変調手段による変調の深さを変更可能な第１制御手段を更に含み、
前記第２通信器は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記変調の深さを前記別の通信チャネルを通して調整する第２制御手段を更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項６】
前記変調手段は前記搬送信号に対して印加電圧に応じた位相差を与える位相変調器であり、前記変調タイミングは前記搬送信号が当該位相変調器を通過する時間領域であることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項７】
前記タイミング制御手段は、前記位相変調器に電圧を印加する時間領域を時間軸上でずらしながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる電圧印加時間領域を検索することを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
複数の通信チャネルを通して第１通信器と第２通信器との間で情報伝送を行う光通信システムにおいて、
前記第１通信器は、
与えられた変調タイミングで、送信すべき原情報に従った位相制御信号により光信号を位相変調し、一の通信チャネルを通して送信する位相変調手段と、
前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、
別の通信チャネルを通して前記第２通信器との間で制御信号を送受信し、前記位相変調手段および前記タイミング供給手段を制御する第１制御手段と、
を含み、
前記第２通信器は、
前記一の通信チャネルを通して受信した光信号から光学干渉により前記原情報を検出するための検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを制御する制御信号を前記別の通信チャネルを通して前記第１制御手段へ送信する第２制御手段と、
を含む、
ことを特徴とする光通信システム。
【請求項９】
前記第２制御手段は、前記位相変調手段に前記位相制御信号を印加する時間領域を時間軸上でシフトさせるための前記制御信号を前記第１制御手段へ順次送信し、その都度、前記検出手段の前記光学干渉により変化する検出結果を記録する記憶手段を有することを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。
【請求項１０】
前記第２制御手段は、前記記憶手段に記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、所望の検出結果が得られるシフト量から前記位相制御信号の印加時間領域を決定することを特徴とする請求項９に記載の光通信システム。
【請求項１１】
前記第２制御手段は、前記位相制御信号の複数の値の各々に対して、前記位相変調手段に印加する時間領域を時間軸上でシフトさせるための前記制御信号を前記第１制御手段へ順次送信し、その都度前記検出手段の前記光学干渉により変化する検出結果を前記位相制御信号の各値について記録する記憶手段を有することを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。
【請求項１２】
前記第２制御手段は、前記位相制御信号の各値について前記記憶手段に記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、前記位相制御信号の各値について所望の検出結果が得られるシフト量から前記位相制御信号の印加時間領域を決定することを特徴とする請求項１１に記載の光通信システム。
【請求項１３】
前記第２通信器は前記検出手段に検出タイミングを供給する検出タイミング供給手段を更に有し、
前記検出手段は、
前記一の通信チャネルを通して受信した光信号を光学干渉させる光学干渉系と、
前記光学干渉系からの出射光を受光する光検出器と、
を含み、
前記第２制御手段は、前記変調タイミングの制御が終了した後、前記検出タイミングにしたがって前記光検出器に対して光検出用バイアス電圧を印加し、そのときの前記光検出器の検出結果に基づいて前記検出タイミングを制御することを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。
【請求項１４】
前記第２制御手段は、前記検出タイミングの時間領域を時間軸上で順次シフトさせ、その都度、前記光検出器の検出結果を記録する記憶手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の光通信システム。
【請求項１５】
前記第２制御手段は、前記記憶手段に記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、所望の検出結果が得られるシフト量から前記検出タイミングの時間領域を決定することを特徴とする請求項１３に記載の光通信システム。
【請求項１６】
前記第２制御手段は、前記位相制御信号の複数の値の各々に対して、前記検出タイミングの時間領域を時間軸上で順次シフトさせ、その都度、前記光検出器の検出結果を前記位相制御信号の各値について記録する記憶手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の光通信システム。
【請求項１７】
前記第２制御手段は、前記位相制御信号の各値について前記記憶手段に記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、前記位相制御信号の各値について所望の検出結果が得られるシフト量から前記検出タイミングの時間領域を決定することを特徴とする請求項１６に記載の光通信システム。
【請求項１８】
前記変調タイミングの制御は、前記光信号を通常の光パワーに設定して行われ、前記光検出器には前記光検出用バイアス電圧が固定バイアスとして印加され、
前記検出タイミングの制御は、前記光信号を極めて微弱な光パワーに設定して行われ、前記光検出器には前記検出タイミングに従って前記光検出用バイアス電圧が印加される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の光通信システム。
【請求項１９】
前記極めて微弱な光パワーは１フォトン/パルス以下であることを特徴とする請求項１８に記載の光通信システム。
【請求項２０】
前記複数の通信チャネルは波長多重され、波長の異なるチャネル間の伝搬遅延差が補償されることを特徴とする請求項１または８に記載の光通信システム。
【請求項２１】
複数の通信チャネルを通して光受信器との間で情報伝送を行う光送信器において、
与えられた変調タイミングで、送信すべき原情報に従って光信号を位相変調し、一の通信チャネルを通して前記光受信器へ送信する位相変調手段と、
前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、
別の通信チャネルを通して前記受信器から受信した制御信号に従って前記変調タイミングをシフトさせる制御手段と、
を有し、前記光受信器において前記変調タイミングを制御可能にしたことを特徴とする光送信器。
【請求項２２】
複数の通信チャネルを通して光送信器との間で情報伝送を行う光受信器において、
一の通信チャネルを通して前記光受信器から受信した位相変調された光信号を光学的に干渉させる光学干渉手段と、
前記光学干渉手段からの出射光を受光する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて前記送信器の位相変調タイミングを制御する制御信号を別の通信チャネルを通して前記送信器へ送信する制御手段と、
を有し、前記送信器の位相変調タイミングを制御可能にしたことを特徴とする光受信器。
【請求項２３】
請求項２１に記載の光送信器と請求項２２に記載の光受信器とを備えた量子暗号鍵配布システム。
【請求項２４】
複数の通信チャネルを通して送信器と受信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御方法において、
前記送信器は、変調タイミングに従って、送信すべき原情報により搬送信号を変調し、変調された搬送信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信し、
前記受信器は、前記一の通信チャネルを通して受信した信号を検出し、その検出結果に基づいて前記変調タイミングを制御する制御信号を別の通信チャネルを通して前記送信器へ送信し、
前記制御信号を前記別の通信チャネルを通して受信した前記送信器は、前記制御信号に従って前記変調タイミングを変化させる、
ことを特徴とするタイミング制御方法。
【請求項２５】
前記送信器は、前記制御信号に従って前記変調タイミングを時間軸上で順次シフトさせ、その都度、前記受信器は検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる変調タイミングを検索することを特徴とする請求項２４に記載のタイミング制御方法。
【請求項２６】
前記受信器は、前記変調タイミングの制御終了後に、検出タイミングを時間軸上でずらしながら前記検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる検出タイミングを検索することを特徴とする請求項２４または２５に記載のタイミング制御方法。
【請求項２７】
前記受信器は、
前記送信器における所定の複数の変調の深さの各々に対して、前記変調タイミングを時間軸上でシフトさせるための前記制御信号を前記第１制御手段へ順次送信し、
前記複数の変調の深さの各々について前記検出結果の変化を記録する、
ことを特徴とする請求項２４に記載のタイミング制御方法。
【請求項２８】
前記受信器は、前記複数の変調の深さの各々について前記記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、前記複数の変調の深さの各々における所望の検出結果が得られるシフト量から前記変調タイミングを決定することを特徴とする請求項２７に記載のタイミング制御方法。
【請求項２９】
前記受信器は、さらに、前記別の通信チャネルを通して前記送信器の変調の深さを変化させる制御信号を前記送信器へ送信し、それによる前記検出結果の変化に基づいて前記送信器の変調の深さを調整することを特徴とする請求項２４に記載のタイミング制御方法。
【請求項３０】
前記受信器は、
前記検出結果を常時監視し、
前記検出結果が所定レベルより劣化すると、前記送信器の変調の深さを変化させる制御信号を前記送信器へ送信し、
前記変調の深さを変化させる制御信号による前記検出結果の変化に基づいて前記送信器の変調の深さを調整する、
ことを特徴とする請求項２９に記載のタイミング制御方法。
【請求項３１】
複数の通信チャネルを通して他の通信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御方法において、
ａ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｂ）前記他の通信器の変調タイミングを初期値に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｃ）前記他の通信器の変調タイミングをシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｄ）他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｅ）前記ｃ）およびｄ）を所定回数繰り返し、前記ｄ）における検出結果をその都度記録し、
ｆ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ａ）〜ｅ）を繰り返し、
ｇ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングを決定する、
ことを特徴とするタイミング制御方法。
【請求項３２】
前記ａ）における初期値と前記ｄ）における所定回数とによって前記変調タイミングのシフト範囲を限定することを特徴とする請求項３１に記載のタイミング制御方法。
【請求項３３】
ｈ）前記他の通信器の変調タイミングが決定されると、前記他の通信器の光信号を極めて微弱な光パワーに設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｉ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｊ）自己の通信器の検出タイミングを初期値に設定し、
ｋ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｌ）前記ｉ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｍ）前記ｋ）およびｌ）を所定回数繰り返し、前記ｌ）における検出結果をその都度記録し、
ｎ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｈ）〜ｍ）を繰り返し、
ｏ）前記記録された検出結果とそのときの検出タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の検出タイミングを決定する、
ことを特徴とする請求項３１に記載のタイミング制御方法。
【請求項３４】
前記ｊ）における初期値と前記ｍ）における所定回数とによって前記検出タイミングのシフト範囲を限定することを特徴とする請求項３３に記載のタイミング制御方法。
【請求項３５】
複数の通信チャネルを通して他の通信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御方法において、
ａ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｂ）前記他の通信器の変調タイミングを第１シフト量だけシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｃ）他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｄ）前記ｂ）およびｃ）を所定のシフト範囲が終了するまで繰り返し、前記ｃ）における検出結果をその都度記録し、
ｅ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ａ）〜ｄ）を繰り返し、
ｆ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングの初期値を決定し、前記他の通信器の変調タイミングを前記初期値に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｇ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｈ）前記他の通信器の変調タイミングを、第１シフト量より小さい第２シフト量だけシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｉ）前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｊ）前記ｈ）およびｉ）を所定回数繰り返し、前記ｉ）における検出結果をその都度記録し、
ｋ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｇ）〜ｊ）を繰り返し、
ｌ）前記ｊ）で記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングを決定する、
ことを特徴とするタイミング制御方法。
【請求項３６】
ｍ）前記他の通信器の変調タイミングが決定されると、前記他の通信器の光信号を極めて微弱な光パワーに設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｎ）前記複数の変調の深さの１つを指定し、
ｏ）自己の通信器の検出タイミングを初期値に設定し、
ｐ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｑ）前記ｐ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｒ）前記ｐ）およびｑ）を所定回数繰り返し、前記ｑ）における検出結果をその都度記録し、
ｓ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の第１検出タイミングを決定し、
ｔ）自己の通信器の検出タイミングの初期値として前記第１検出タイミングを設定し、
ｕ）前記ｎ）で指定された変調の深さを除く残りの複数の変調の深さの１つを順次指定し、
ｖ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｗ）前記ｖ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｘ）前記ｖ）およびｗ）を所定回数繰り返し、前記ｗ）における検出結果をその都度記録し、
ｙ）前記残りの複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｖ）〜ｘ）を繰り返し、
ｚ）前記ｘ）で記録された検出結果とそのときの検出タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の最適検出タイミングを決定する、
ことを特徴とする請求項３５に記載のタイミング制御方法。
【請求項３７】
コンピュータに、複数の通信チャネルを通して他の通信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御を実行させるためのプログラムにおいて、
ａ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｂ）前記他の通信器の変調タイミングを初期値に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｃ）前記他の通信器の変調タイミングをシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｄ）他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｅ）前記ｃ）およびｄ）を所定回数繰り返し、前記ｄ）における検出結果をその都度記録し、
ｆ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ａ）〜ｅ）を繰り返し、
ｇ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングを決定する、
ステップを有することを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項３８】
前記ａ）における初期値と前記ｄ）における所定回数とによって前記変調タイミングのシフト範囲を限定することを特徴とする請求項３７に記載のコンピュータプログラム。
【請求項３９】
ｈ）前記他の通信器の変調タイミングが決定されると、前記他の通信器の光信号を極めて微弱な光パワーに設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｉ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｊ）自己の通信器の検出タイミングを初期値に設定し、
ｋ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｌ）前記ｉ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｍ）前記ｋ）およびｌ）を所定回数繰り返し、前記ｌ）における検出結果をその都度記録し、
ｎ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｈ）〜ｍ）を繰り返し、
ｏ）前記記録された検出結果とそのときの検出タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の検出タイミングを決定する、
ことを特徴とする請求項３７に記載のコンピュータプログラム。
【請求項４０】
前記ｊ）における初期値と前記ｍ）における所定回数とによって前記検出タイミングのシフト範囲を限定することを特徴とする請求項３９に記載のコンピュータプログラム。
【請求項４１】
コンピュータに、複数の通信チャネルを通して他の通信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御を実行させるためのプログラムにおいて、
ａ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｂ）前記他の通信器の変調タイミングを第１シフト量だけシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｃ）他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｄ）前記ｂ）およびｃ）を所定のシフト範囲が終了するまで繰り返し、前記ｃ）における検出結果をその都度記録し、
ｅ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ａ）〜ｄ）を繰り返し、
ｆ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングの初期値を決定し、前記他の通信器の変調タイミングを前記初期値に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｇ）前記他の通信器における複数の変調の深さの１つを順次指定し、指定された変調の深さを前記他の通信器に設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｈ）前記他の通信器の変調タイミングを、第１シフト量より小さい第２シフト量だけシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｉ）前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｊ）前記ｈ）およびｉ）を所定回数繰り返し、前記ｉ）における検出結果をその都度記録し、
ｋ）前記複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｇ）〜ｊ）を繰り返し、
ｌ）前記ｊ）で記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングを決定する、
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項４２】
ｍ）前記他の通信器の変調タイミングが決定されると、前記他の通信器の光信号を極めて微弱な光パワーに設定するための制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、
ｎ）前記複数の変調の深さの１つを指定し、
ｏ）自己の通信器の検出タイミングを初期値に設定し、
ｐ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｑ）前記ｐ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｒ）前記ｐ）およびｑ）を所定回数繰り返し、前記ｑ）における検出結果をその都度記録し、
ｓ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の第１検出タイミングを決定し、
ｔ）自己の通信器の検出タイミングの初期値として前記第１検出タイミングを設定し、
ｕ）前記ｎ）で指定された変調の深さを除く残りの複数の変調の深さの１つを順次指定し、
ｖ）前記検出タイミングをシフトさせ、
ｗ）前記ｖ）で設定された検出タイミングに従って、前記他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、
ｘ）前記ｖ）およびｗ）を所定回数繰り返し、前記ｗ）における検出結果をその都度記録し、
ｙ）前記残りの複数の変調の深さの全てが終了するまで前記ｖ）〜ｘ）を繰り返し、
ｚ）前記ｘ）で記録された検出結果とそのときの検出タイミングのシフト量とに基づいて、前記自己の通信器の最適検出タイミングを決定する、
ことを特徴とする請求項４１に記載のコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信システムに係り、特に通信装置の動作タイミングを決定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野において、量子暗号鍵配布システムは伝送路の高秘匿性を実現するものとして近年盛んに研究されており種々の提案がなされている。
【０００３】
基本的なものとしては、Bennett, Brassardの論文（非特許文献１）に、２通りの基底を用いて送信器および受信器で量子暗号鍵を共有するシステムが提案されている。この提案によれば、送信器において、量子の状態を表す２通りの基底（Ｄ，Ｒ）と２値の乱数データ（０，１）との組み合わせによる計４通りの情報を用いて光子を位相変調し送信する。受信器では、送信器とは独立した基底（Ｄ，Ｒ）で光子を受信して受信データを保存する。その後、通常のチャネルを用いて送信時と受信時の基底が同じであるか否かを検証し、同じ基底の受信データだけから最終的な共有秘密データを決定する。
【０００４】
特に、スイスのジュネーブ大学で提案されたＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システム（非特許文献２）は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の概略的構成を図２３に示す。
【０００５】
図２３に示すように、Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、量子暗号鍵を受信する受信器に設けられたレーザＬＤが光パルスＰを生成する。光パルスＰは光カプラにより２分割され、一方の光パルスＰ１は短いパス(Short Path)を、他方の光パルスＰ２は長いパス(Long Path)をそれぞれ通ってダブルパルスとして送信器へ送信される。
【０００６】
送信器にはファラデーミラーと位相変調器Ａが設けられ、受信した光パルスＰ１およびＰ２はファラデーミラーで反射することで偏光状態が９０度回転して受信器へ返送される。その際、位相変調器Ａは光パルスＰ２が通過するタイミングで光パルスＰ２を位相変調し、位相変調された光パルスＰ２*aが受信器へ返送される。
【０００７】
受信器の偏光ビームスプリッタＰＢＳは、送信器から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が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は長いパスを通り、位相変調器Ｂ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が光カプラに到達する。他方、送信器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を通って同じく光カプラに到達する。したがって、送信器側で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器側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、ガイガーモードで駆動される。
【０００８】
このように、受信器で発生した１つの光パルスが２分割され、それにより得られたダブルパルスＰ１およびＰ２が受信器と送信器との間でそれぞれ変調を受けながら往復し、全体として同じ光パスを通過して干渉する。したがって、光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１で観測される干渉結果は光ファイバ伝送路の遅延変動が相殺され、送信器での位相変調量と受信器での位相変調量との差に依存するものとなる。
【０００９】
このような構成を有するＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では次のような同期をとる必要がある。（１）送信器では、受信器から送られた光パルスＰ２が通過するタイミングに合わせて位相変調器Ａに位相変調量に応じた電圧を印加する必要がある。
【００１０】
（２）受信器では、送信器から反射されてきた光パルスＰ１が通過するタイミングに合わせて位相変調器Ｂに位相変調量に応じた電圧を印加する必要がある。
【００１１】
（３）さらに、受信器では、戻ってきた光パルスの入射タイミングに合わせて光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１にバイアスを印加する必要がある（ガイガーモードでの超高感度受信）。
【００１２】
このように、量子暗号鍵配布システムにおいて実際に高い干渉特性を実現して量子暗号鍵を安定して生成するためには、送信側の位相変調器Ａ、受信側の位相変調器Ｂおよび光子検出器ＡＰＤを光パルスが到達するタイミングに合わせて駆動するというタイミング制御が不可欠である。
【００１３】
これが通常の光通信であれば特に問題となることはないが，量子暗号鍵配布システムではパルス当たりのフォトン数が１個以下と非常に少なく、送信器から送信したデータは伝送路の損失によって消滅し受信器へはほとんど届かない上、届くデータは確率によって決まるので光子をリタイミングできない。そこで、鍵配布を行う量子信号とは別に、クロックを供給するクロック信号を送信器と受信器の間で授受することによりタイミングを合わせる方式が採用されている。
【００１４】
ただし、クロック信号を光伝送路を通して送受信する場合であっても、光伝送路の伸縮を考慮しなければならない。例えば，距離２０ｋｍの光ファイバの環境温度が１０°Ｃ上昇すると３．２ｍの伸長が起こる。この伸長量は、システムクロックが６２．５ＭＨｚの場合、１ビットに相当する。
【００１５】
光伝送路の伸縮に起因する量子信号と同期信号とのタイミングのズレは、波長分割多重（ＷＤＭ:Wavelength Division Multiplexing）技術を用いて量子信号とクロック信号とを波長多重し同じ伝光送路上を伝搬させることで回避することができる。
【００１６】
例えば、特表平０８−５０５０１９号公報（特許文献１）には、古典チャネルを利用してビット同期その他システムの較正を行う方法が提案されている。特許文献１に記載された方法では、同一の伝送路に量子チャネルと古典チャネルとを設け、古典チャネルを利用して光パワーの微弱な量子チャネルのクロック同期を行っている（６ページ４行〜２７行、Fig. 4参照）。
【００１７】
【非特許文献１】"QUANTUM CRYPTOGRAPHY, PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING" IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, pp.175-179, Bennett, Brassard
【非特許文献２】"Automated 'plug & play' quantum key distribution", Electronics Letters, Vol.34, No.22, p2116-2117, G. Ribordy
【特許文献１】特表平０８−５０５０１９号公報（６ページ４行〜２７行、Ｆｉｇ．４参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、波長分割多重伝送で量子信号とクロック信号とを伝送すると、波長が異なるチャネル間で群速度分散（GVD: Group Velocity Dispersion）が異なるため伝播遅延差が生じ、依然として、量子信号とクロック信号の間にタイミングずれが生じてしまう。このようなチャネル間の伝播遅延差は、異なるチャネル信号間で同期をとるシステムにとって解決すべき重要な課題である。
【００１９】
また、上述した量子暗号鍵配布システムのような位相変調を利用して情報を送信するシステムの場合、送信器の位相変調器を駆動するタイミングが正しいかどうかは、受信器での検出結果を参照しない限り判断できない。したがって、たとえ伝送遅延差を補償したクロックで位相変調器を駆動する場合であっても、その補償した結果が正しいかどうかは受信器での受信結果を参照しない限り決定できない。
【００２０】
そこで本発明の目的は上記従来の課題を解決することにある。特に、送信器におけるタイミングを最適化し、正しいタイミングで安定した情報伝送を可能にする通信システム、タイミング制御方法を提供する。
【００２１】
さらに、位相変調を施される光信号とクロック信号とを波長分割多重伝送した場合の群速度分散を補償し、位相変調器を正しいタイミングで駆動して高速で安定した暗号鍵の配布を可能にする光通信システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明による通信システムは複数の通信チャネルを通して第１通信器と第２通信器との間で情報伝送を行うものであり、前記第１通信器は、与えられた変調タイミングに従って送信すべき原情報により搬送信号を変調し一の通信チャネルを通して送信する変調手段と、前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、を有し、前記第２通信器は、  前記一の通信チャネルを通して受信した信号を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、を有する。
【００２３】
前記第２通信器は、前記検出手段に検出タイミングを供給する検出タイミング供給手段を更に含み、前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングの制御終了後に、前記検出手段の検出結果に基づいて前記検出タイミングを制御することが望ましい。前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングを時間軸上でずらしながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる変調タイミングを検索する。また、前記タイミング制御手段は、前記検出タイミングを時間軸上でずらしながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる検出タイミングを検索する。
【００２４】
このように、第１通信器の変調タイミングは第２通信器から制御され、第２通信器は制御した変調タイミングによる検出結果をモニタすることで、第２通信器の変調タイミングを容易に最適化することができる。
【００２５】
前記第１通信器は、前記変調手段による変調の深さを変更可能な第１制御手段を更に含み、前記第２通信器は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記変調の深さを前記別の通信チャネルを通して制御する第２制御手段を更に含むことも可能である。たとえば、前記変調手段は前記搬送信号に対して印加電圧に応じた位相差を与える位相変調器であり、前記変調タイミングは前記搬送信号が当該位相変調器を通過する時間領域である。前記第２通信器は、前記位相変調器に印加される電圧を変化させながら前記検出手段の検出結果を監視し、所望の検出結果が得られる印加電圧、すなわち変調の深さを検索することができる。
【００２６】
本発明による光通信システムによれば、第１通信器は、与えられた変調タイミングで送信すべき原情報に従った位相制御信号により光信号を位相変調し一の通信チャネルを通して送信する位相変調手段と、前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、別の通信チャネルを通して前記第２通信器との間で制御信号を送受信し前記位相変調手段および前記タイミング供給手段を制御する第１制御手段と、を有する。第２通信器は、前記一の通信チャネルを通して受信した光信号から光学干渉により前記原情報を検出するための検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを制御する制御信号を前記別の通信チャネルを通して前記第１制御手段へ送信する第２制御手段と、を有する。
【００２７】
前記第２制御手段は、前記位相変調手段に前記位相制御信号を印加する時間領域を時間軸上でシフトさせるための前記制御信号を前記第１制御手段へ順次送信し、その都度、前記検出手段の前記光学干渉により変化する検出結果を記録する記憶手段を有する。前記記憶手段に記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、所望の検出結果が得られるシフト量から前記位相制御信号の印加時間領域を決定する。
【００２８】
望ましくは、前記第２制御手段は、前記位相制御信号の複数の値の各々に対して、前記位相変調手段に印加する時間領域を時間軸上でシフトさせるための前記制御信号を前記第１制御手段へ順次送信し、その都度前記検出手段の前記光学干渉により変化する検出結果を前記位相制御信号の各値について記録する。前記第２制御手段は、前記位相制御信号の各値について前記記録された時間軸上のシフト量とその検出結果の変化に基づいて、前記位相制御信号の各値について所望の検出結果が得られるシフト量から前記位相制御信号の印加時間領域を決定する。
【００２９】
本発明の他の側面によれば、複数の通信チャネルを通して送信器と受信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御方法において、前記送信器は、変調タイミングに従って、送信すべき原情報により搬送信号を変調し、変調された搬送信号を一の通信チャネルを通して前記受信器へ送信し、前記受信器は、前記一の通信チャネルを通して受信した信号を検出し、その検出結果に基づいて前記変調タイミングを制御する制御信号を別の通信チャネルを通して前記送信器へ送信し、前記制御信号を前記別の通信チャネルを通して受信した前記送信器は、前記制御信号に従って前記変調タイミングを変化させる、ことを特徴とする。
【００３０】
前記受信器は、前記別の通信チャネルを通して前記送信器の変調の深さを変化させる制御信号を前記送信器へ送信し、それによる前記検出結果の変化に基づいて前記送信器の変調の深さを制御することが望ましい。本発明の一実施例によれば、前記受信器は、前記検出結果を常時監視し、前記検出結果が所定レベルより劣化すると前記送信器の変調の深さを変化させる制御信号を前記送信器へ送信し、前記変調の深さを変化させる制御信号による前記検出結果の変化に基づいて前記送信器の変調の深さを調整する。
【００３１】
本発明のさらに他の側面によれば、複数の通信チャネルを通して他の通信器との間で情報伝送を行うためのタイミング制御方法において、ａ）前記他の通信器の変調タイミングを初期値に設定するための制御信号を一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、ｂ）前記他の通信器の変調タイミングをシフトさせる制御信号を前記一の通信チャネルを通して前記他の通信器へ送信し、ｃ）他の通信チャネルを通して前記他の通信器から受信した変調された信号を検出し、ｄ）前記ｂ）およびｃ）を所定回数繰り返し、前記ｃ）における検出結果をその都度記録し、ｅ）前記記録された検出結果とそのときの変調タイミングのシフト量とに基づいて、前記他の通信器の変調タイミングを決定する、ことを特徴とする。
【００３２】
本発明のさらに別の側面によれば、変調タイミングのシフト範囲を粗く検索して大きく変調タイミング範囲を特定しておき、それを初期値として細かいシフト量で検索し、最終的に変調タイミングを決定することもできる。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したとおり，本発明の通信システムによれば、第１通信器の変調タイミングは第２通信器から制御され、第２通信器は制御した変調タイミングによる検出結果をモニタすることで、第２通信器の変調タイミングを最適化することができる。本発明の一実施形態によれば、受信器からの制御により送信器における位相変調のタイミングを１ステップずつシフトさせ、１ステップシフトごとに受信器での検出結果をメモリに格納し、その格納データに基づいて送信器の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器の位相変調が正しいタイミングであることを受信器側で確認することができ、その結果、受信器における光子検出器の駆動タイミングを光子入射タイミングに正確に合わせることが可能となる。このことは、位相変調を施される光信号とクロック信号とを波長分割多重伝送した場合の群速度分散を補償したことに相当する。すなわち、安定した変調タイミングで変調器を駆動でき、意図した位相の変調を施すことが可能となる。
【００３４】
また、本発明による光通信システムによれば安定した位相変調および光子検出が可能となる。したがって、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、鍵配布を行う光信号のチャネルとクロック信号を伝送するチャネルとを波長分割伝送しても、波長分散による光信号とクロック信号のタイミング差が補償されることとなり、高速・安定な鍵配布が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態による光通信システムの構成を示すブロック図である。ここでは、２つの通信装置のうち量子通信の送信側を送信器１０、受信側を受信器２０と呼び、それらが光伝送路３０により光学的に接続されているシステム構成を例示する。
【００３６】
送信器１０に設けられた量子ブロック１００は、送信すべき原情報に従って光信号を変調する変調手段を含み、同期ブロック１１０から供給されるクロック信号ＣＬＫに従って動作する。さらに、送信器１０にはデータ通信部１２０および通信制御部１３０が設けられ、データ通信部１２０により受信器２０との間で制御信号のやりとりを行い、通信制御部１３０は受信器２０からの制御信号に従って量子ブロック１００および同期ブロック１１０を制御する。
【００３７】
受信器２０に設けられた量子ブロック２００は、送信器１０から入射した光信号を検出する検出手段を含み、同期ブロック２１０から供給されるクロック信号ＣＬＫに従って動作する。さらに、受信器２０には、送信器１０との間で制御信号のやりとりを行うデータ通信部２２０と、量子ブロック２００および同期ブロック２１０を制御する通信制御部２３０とが設けられている。
【００３８】
受信器２０には、さらに、通信制御部２３０を制御して送信器１０および受信器２０のタイミングを最適化するタイミング制御部２４０が設けられ、最適化タイミングを決定するための測定データを格納するメモリ２５０と、タイミング制御プログラムを格納するプログラムメモリ２６０とが接続されている。なお、送信器１０に設けられた同期ブロック１１０および受信器２０に設けられた同期ブロック２１０は、量子信号とは異なる波長でクロック信号を波長分割多重伝送する。同期ブロック１１０および２１０は、クロック信号を送信する光源として波長安定化レーザをそれぞれ有し、また量子ブロック１００および２００に安定したクロック信号ＣＬＫを供給する。
【００３９】
送信器１０において、同期ブロック１１０は量子ブロック１００へクロック信号ＣＬＫを供給して量子通信のための光変調タイミングを決定するが、受信器２０からの指示に従って、そのクロック信号の位相をシフトさせ光変調タイミングを時間軸上で移動させることが可能である。
【００４０】
同様に、受信器２０においても、同期ブロック２１０は量子ブロック２００へクロック信号ＣＬＫを供給して量子通信のための検出タイミング（具体的には光変調タイミングおよび光検出タイミング）を決定するが、タイミング制御部２４０の制御下でクロック信号の位相をシフトさせてこれらタイミングを時間軸上で移動させることが可能である。
【００４１】
本発明によれば、送信器１０の光変調タイミングおよび受信器２０検出タイミングは、後述するように、受信器２０のタイミング制御部２４０の指令に従って最適化することが可能である。タイミング制御部２４０は、プログラムメモリ２６０に格納されたタイミング制御プログラムを実行するプログラム制御プロセッサにより実現可能である。
【００４２】
１．第１実施例
図２は本発明の第１実施例による温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙシステムの構成を示すブロック図である。なお、図１に示すブロックと同様のブロックには同一の参照番号が付されている。本実施例によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の基本的な構成および動作は、図２３で説明したとおりであるが、送信器においてファラデーミラーの代わりにＰＢＳループを採用した点が異なっている。
【００４３】
送信器１０の量子ブロック１００はＰＢＳループ１０４と可変光減衰器１０５とを有し、ＰＢＳループ１０４は、位相変調器１０２および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３から構成される。
【００４４】
位相変調器１０２は、同期ブロック１１０から供給されるクロック信号に従って、通過する光パルス列に対して位相変調を行う。位相変調の深さは、通信制御部１３０により与えられる位相制御信号により決定され、ここでは基底（＋／×）および乱数（０／１）の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの深さ（０、π／２、π、３π／２）となる。位相制御信号は変調の深さに対応した電圧であり、光パルスが位相変調器１０２を通過するタイミングで位相変調器１０２に印加され、当該光パルスの位相変調が行われる。
【００４５】
ＰＢＳループ１０４はファラデーミラーと同様の機能を有し、入射光の偏光状態が９０度回転して送出される。本実施例のＰＢＳループについては後述する。
【００４６】
受信器２０の量子ブロック２００は、図２３に示す構成と基本的に同じである。同期ブロック２１０から供給されるクロック信号に従ってレーザ２０１により生成された光パルスＰは、光サーキュレータ２０２により光カプラ２０３へ導かれ、光カプラ２０３により２分割される。分割された一方の光パルスＰ１は短いパス(Short Path)２０４を通って偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０７へ送られる。分割された他方の光パルスＰ２は長いパス(Long Path)２０５に設けられた位相変調器２０６を通してＰＢＳ２０７へ送られる。これら光パルスＰ１およびＰ２はＰＢＳ２０７で合波され、ダブルパルスとして波長多重フィルタ４０および光伝送路３０を通して送信器へ送信される。なお、短いパス(Short Path)２０４と長いパス(Long Path)２０５は偏波保存ファイバであり、光サーキュレータ２０２と光カプラ２０３は偏波保存型である。また、同期ブロック１１０および２１０で送受信されるクロック信号は量子ブロック１００および２００で送受信される光パルスとは別波長の信号であり、波長多重フィルタ４０および５０によって合分波され、光伝送路３０中を波長分割多重伝送される。
【００４７】
送信器１０において、伝送路３０から波長多重フィルタ５０および可変光減衰器１０５を通して到来したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ１０３でさらに分離され、時計回りのダブルパルスＰ１CWおよびＰ２CWと反時計回りのダブルパルスＰ１CCWおよびＰ２CCWの４つのパルス、すなわちカルテットパルスとなって位相変調器１０２をそれぞれ反対方向で通過し、それぞれ出射したポートとは反対のＰＢＳポートへ入射する。
【００４８】
位相変調器１０２は、後述するように、時計回りのダブルパルスの後方のパルスＰ２CWを前方のパルスＰ１CWに対して位相変調するとともに、反時計回りのダブルパルスと時計回りのダブルパルスとの間にπの位相差を与える。このように、位相変調器１０２は、カルテットパルスの各パルスに任意の位相変調を施すようにタイミング制御される必要がある。
【００４９】
こうして必要に応じて位相変調されたカルテットパルスはＰＢＳ１０３で合波され再びダブルパルスに戻る。上述したように後方のパルスのみが伝送情報により位相変調されたので、出射ダブルパルスをＰ１およびＰ２*aと記す。このときＰＢＳループ入射時に対して出射時は偏波が９０°回転しているので、結果的にファラデーミラーと同等の効果が得られる。
【００５０】
受信器の偏光ビームスプリッタＰＢＳは、送信器から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が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は長いパスを通り、位相変調器２０６を通過するタイミングで指定された基底で位相変調され、位相変調された光パルスＰ１*bが光カプラ２０３に到達し、他方、光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスを通って同じく光カプラに到達する。
【００５１】
こうして送信器側で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器側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。光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は、同期ブロック２１０から供給されるクロック信号に従ってガイガーモードで駆動され、その検出信号は通信制御部２３０へ出力される。後述するように、タイミング制御部２４０は、タイミング制御シーケンスにおいて検出された光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出信号をメモリ２５０に蓄積し、最適タイミングの決定に利用する。
【００５２】
１．１）ＰＢＳループでの位相変調
以下、ＰＢＳループの動作を説明する。
【００５３】
図３は、送信器の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、入射したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ１０３で直交した偏光成分に分離され、カルテットパルス３０１〜３０４になる。光パルス３０１および３０２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３０３おおび３０４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。
【００５４】
ＰＢＳ１０３の２つのループ側ポートは、定偏波光ファイバで位相変調器１０２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３０１および３０３が光パルス３０２および３０４よりも時間Ｔだけ早く位相変調器１０２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。
【００５５】
図４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３０１および３０３は光パルス３０２および３０４よりも時間Ｔだけ早く位相変調器１０２に到達するので、各光パルスは、図４（Ａ）〜（Ｆ）に示すように異なった時刻ｔ１〜ｔ６で位相変調器１０２を通過する。したがって、パルス間隔に同期して位相変調器１０２に印加する電圧を変化させることにより各光パルスに異なった位相差を与えることができる。ここでは、各パルスに与える位相差を表１のように設定する。
【００５６】
【表１】
2007037091.tif 000003
表１に示すように、基底が“＋”、乱数値が“０”の場合には光パルス３０１と３０３の間に０の位相差、基底が“＋”、乱数値が“１”の場合には光パルス３０１と３０３の間にπの位相差、基底が“×”、乱数値が“０”の場合には光パルス３０１と３０３の間にπ／２の位相差、基底が“×”、乱数値が“１”の場合には光パルス３０１と３０３の間に３π／２の位相差をそれぞれ与える。さらに、光パルス３０１および３０３と光パルス３０２および３０４との間には光パルス３０１と光パルス３０３との間と同じ大きさの位相差を与え、同時に光パルス３０１と光パルス３０２との間、光パルス３０３と光パルス３０４との間にはπの位相差を与える。
【００５７】
このように量子暗号鍵配布システムでは，ダブルパルスまたはカルテットパルスの各パルスに任意の位相変調を施さなければならない。すなわち，電圧で位相を制御する位相変調器１０２および２０６では、各パルスが通り過ぎるタイミングで必要な変調を与えるための電圧を印加する必要があり、位相変調器を駆動するタイミングが正しくないと誤ったパルスを変調してしまう。よって、位相変調器１０２および２０６を駆動するクロックのタイミング制御を行い、そのタイミングが正しいことを確認しなければならない。以下、本実施例におけるタイミング制御手順について詳細に説明する。
【００５８】
１．２）タイミング制御手順
図５は本発明の一実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。本実施例によるタイミング制御は、まず送信器１０について行われ、その後で受信器２０について実行される。送信器１０のタイミング制御はすべて受信器２０のタイミング制御部２４０の指示により行われる。
【００５９】
図５において、まず、タイミング制御部２４０は、受信器２０をトレーニングモードに設定し、これによって光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１はガイガーモードではなく固定バイアスで動作し平均光パワーの測定を行う。続いて、タイミング制御部２４０は、通信制御部２３０を制御してデータ通信部２２０から送信器１０へトレーニングモードへのモード変更信号を送信する。これによって、送信器１０の通信制御部１３０は可変光減衰器１０５の損失量を減少させ、出力される光パワーを通常の通信レベルまで大きくする（ステップＳ４０１）。したがって、通常の光パワーのダブルパルスが受信器２０から送信器１０へ送信され、送信器１０から上述したように受信器２０へ折り返されることになる。
【００６０】
トレーニングモードに設定されると、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ４０２）。これにより、通信制御部１３０は位相変調器１０２に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調の深さの位相を設定する。
【００６１】
続いて、タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトをリセットするように送信器１０の通信制御部１３０へ指示する（ステップＳ４０３）。これによって、同期ブロック１１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値０にリセットする。
【００６２】
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部１３０へタイミングシフトを指示し、これによって同期ブロック１１０は、所定の整数Ｎを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ４０４）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器１０へ折り返される。
【００６３】
受信器１０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させてＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光パワーを測定し、それらの測定値をメモリ２５０に記録する（ステップＳ４０５）。詳しくは後述する。
【００６４】
タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、すべての電圧印加タイミングについて測定されるまで上記ステップＳ４０４〜Ｓ４０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する受光パワーの測定値を記録する（ステップＳ４０６）。
【００６５】
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ４０２〜Ｓ４０６を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ４０７）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ４０７のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果に基づいて、送信器の最適タイミングを決定し受信器２０の通信制御部１３０に通知され、同期ブロック１１０に設定される（ステップＳ４０８）。なお最適タイミングの決定方法については後述する。
【００６６】
こうして送信器１０の最適タイミングが決定された後、受信器２０のタイミング検索が開始される。送信器１０のタイミング調整を先に行うのは、送信器の変調タイミングが最適でないと、干渉が起こらず光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に光子が出力しないので受信器の検出タイミング検索もできないからである。
【００６７】
受信器のタイミング検索では、まず、タイミング制御部２４０は、受信器２０を量子モードに設定し光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１をガイガーモードで動作させ、さらに通信制御部２３０を制御してデータ通信部２２０から送信器１０へ量子モードへのモード変更信号を送信する。これによって、送信器１０の通信制御部１３０は可変光減衰器１０５の損失量を増大させ、出力される光パワーをパルス当たり１個以下のレベルまで低下させる（ステップＳ５０１）。したがって、通常の光パワーのダブルパルスが受信器２０から送信器１０へ送信され、送信器１０からは上述したように変調された微弱パワーの光パルスが受信器２０へ折り返されることになる。
【００６８】
量子モードに設定されると、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ５０２）。これにより、通信制御部１３０は位相変調器１０２に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調の深さの位相を設定する。上述した送信器タイミング検索処理により位相変調器１０２の駆動タイミングは最適化されている。
【００６９】
続いて、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を介して同期ブロック２１０を制御し、光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１に印加される電圧のタイミングシフトをリセットする（ステップＳ５０３）。すなわち、同期ブロック２１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値０にリセットする。
【００７０】
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を介して同期ブロック２１０を制御し、所定の整数Ｎを用いてクロック信号ＣＬＫを２π／Ｎだけシフトさせ、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へ逆バイアス電圧を印加する（ステップＳ５０４）。これによって、送信器から到来した微弱パワーのパルスＰ１が位相変調器２０６によって位相変調され、その結果であるパルスＰ１*bと到来パルスＰ２*aとの干渉結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出され、この光子検出結果がメモリ２５０に記録される（ステップＳ５０５）。詳しくは後述する。
【００７１】
タイミング制御部２４０は光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、すべての電圧印加タイミングが終了するまで上記ステップＳ５０４〜Ｓ５０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する光子検出結果を記録する（ステップＳ５０６）。
【００７２】
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ５０２〜Ｓ５０６を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ５０７）。ただし、後述する最適点が見出せるならば、４通りの組み合わせ全てについて実行する必要はない。必要な基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ５０７のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子検出結果に基づいて、受信器の最適タイミングを決定する（ステップＳ５０８）。最適タイミングの決定方法については後述する。
【００７３】
以下、本実施例における送信器１０のクロックタイミング検索については図６〜図１２を参照し、受信器２０のクロックタイミング検索については図１３および図１４を参照しながら更に詳細に説明する。
【００７４】
１．３）送信器のクロックタイミング検索
図６（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図であり、図７（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される平均パワーの変化を模式的に示すグラフであり、図８〜図１１は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器でのタイミングシフトと受信器での測定結果との関係を模式的に示す図である。
【００７５】
ａ）基底＋，乱数０（０変調）
まず受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“＋”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通り過ぎる順で記述すると、“０−π−０−π”となる。
【００７６】
送信器１０の位相変調器１０２は同期ブロック１１０から供給されるクロックによって駆動されるので、位相変調器１０２による光パルスの位相変調タイミングはクロックを供給するタイミングによる。受信器２０からの指示により、同期ブロック１１０はクロックのタイミングを０から２πまで任意のステップでシフトさせることができる。
【００７７】
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、次のステップＳ１〜Ｓ４をＮ回繰り返す。
【００７８】
（Ｓ１）受信器２０のタイミング制御部２４０は送信器１０の通信制御部１３０に同期ブロック１１０のクロックＣＬＫを１ステップシフトするよう指示する。
【００７９】
（Ｓ２）送信器１０の通信制御部１３０は同期ブロック１１０のクロックを１ステップシフトさせる。これによって、送信器１０の位相変調器１０２を駆動するタイミングが１ステップずれる。
【００８０】
（Ｓ３）送信器１０での１ステップシフトにより、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
【００８１】
（Ｓ４）ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の観測値をメモリ２５０に格納する。なお、後述するように、乱数“０”を送信した場合はＡＰＤ０に光が出力されるべきなので、干渉消光比はＡＰＤ１の観測値に対するＡＰＤ０の観測値の比（ＡＰＤ０／ＡＰＤ１）で表す。
【００８２】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図７（ａ）に示す。図７の横軸はクロックシフト量φ、縦軸は光パワーＰであり、ＡＰＤ０の観測光パワー（実線）およびＡＰＤ１の観測光パワー（破線）を模式的に示す。
【００８３】
図７（ａ）に示すように、クロック位相が正しいときには、ＡＰＤ０で光パルスが検出され、ＡＰＤ１ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなるが、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻って今度はＡＰＤ１で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ０の検出出力が変動する。
【００８４】
図８は、基底“＋”、乱数“０”の場合のクロックシフト量φに対するＡＰＤ０の検出出力の周期的変化を説明するための模式図である。クロック位相が正しいとき（ズレ０）には、上述した“０−π−０−π”の順序で各光パルスに対して正しい位相変調が施され、ＡＰＤ０に光が出力されるが、クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなり、クロック位相がπ／２だけずれると（ズレπ／２）、再び干渉が取れるようになって今度はＡＰＤ１に光が出力されるようになる。このようにして図７（ａ）に示すような周期的に変化するＡＰＤ観測値が得られる。
【００８５】
ｂ）基底＋，乱数１（π変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“＋”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通り過ぎる順で記述すると、“０−π−π−０”となる。
【００８６】
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ４をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、それらの観測値をメモリ２５０に格納する。なお、後述するように、乱数“１”を送信した場合はＡＰＤ１に光が出力されるべきなので、干渉消光比をＡＰＤ１／ＡＰＤ０で表す。
【００８７】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）に示すように、クロック位相が正しいときには、ＡＰＤ１で光パルスが検出され、ＡＰＤ０ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉が取れなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなり、更にクロック位相がずれると再び正しい干渉に戻ってＡＰＤ１で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ１の検出出力が変動する。
【００８８】
図９は、基底“＋”、乱数“１”の場合のクロックシフト量φに対するＡＰＤ１の検出出力の周期的変化を説明するための模式図である。クロック位相が正しいとき（ズレ０）には、上述した“０−π−π−０”の順序で各光パルスに対して正しい位相変調が施されるが、クロック位相がπ／２だけ外れると（ズレπ／２）、干渉が取れなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなり、更にクロック位相がπだけ外れると（ズレπ）、再び干渉が戻ってＡＰＤ１から出力される。このようにして図７（ｂ）に示すような周期的に変化するＡＰＤ観測値が得られる。
【００８９】
ｃ）基底×，乱数０（π／２変調）
まず受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通り過ぎる順で記述すると、“０−π−π／２−３π／２”となる。
【００９０】
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ４をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、それらの観測値をメモリ２５０に格納する。なお、干渉消光比はＡＰＤ０／ＡＰＤ１で表す。
【００９１】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図７（ｃ）に示す。図７（ｃ）に示すように、クロック位相が正しいときには、ＡＰＤ０で光パルスが検出され、ＡＰＤ１ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなり、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻ってくるが、今度はＡＰＤ１で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出出力が変動する。
【００９２】
図１０は、基底“×”、乱数“０”の場合のクロックシフト量φに対するＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出出力の周期的変化を説明するための模式図である。クロック位相が正しいとき（ズレ０）には、上述した“０−π−π／２−３π／２”の順序で各光パルスに対して正しい位相変調が施されるが、クロック位相がπ／２だけ外れると（ズレπ／２）、干渉がとれなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなる。更にクロック位相がπだけ外れると（ズレπ）、再び干渉が戻ってくるが、今度はＡＰＤ１で検出されるようになる。このようにして図７（ｃ）に示すような周期的に変化するＡＰＤ観測値が得られる。
【００９３】
ｄ）基底×，乱数１（３π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“×”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通り過ぎる順で記述すると、“０−π−３π／２−π／２”となる。
【００９４】
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ４をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、それらの観測値をメモリ２５０に格納する。なお、干渉消光比はＡＰＤ１／ＡＰＤ０で表す。
【００９５】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図７（ｄ）に示す。図７（ｄ）に示すように、クロック位相が正しいときには、ＡＰＤ１で光パルスが検出され、ＡＰＤ０ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなり、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻ってくるが、今度はＡＰＤ０で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出出力が変動する。
【００９６】
図１１は、基底“×”、乱数“１”の場合のクロックシフト量φに対するＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出出力の周期的変化を説明するための模式図である。クロック位相が正しいとき（ズレ０）には、上述した“０−π−３π／２−π／２”の順序で各光パルスに対して正しい位相変調が施されるが、クロック位相がπ／２だけ外れると（ズレπ／２）、干渉がとれなくなってＡＰＤ０およびＡＰＤ１のパワーが等しくなる。更にクロック位相がπだけ外れると（ズレπ）、再び干渉が戻ってくるが、今度はＡＰＤ０で検出されるようになる。このようにして図７（ｄ）に示すような周期的に変化するＡＰＤ観測値が得られる。
【００９７】
１．４）送信器の最適タイミング決定
図７において、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー比、すなわち干渉消光比を点線で示す。上述したように、乱数“０”を送信した場合は干渉消光比をＡＰＤ０／ＡＰＤ１で表し、乱数“１”を送信した場合は干渉消光比をＡＰＤ１／ＡＰＤ０で表す。なお、ここで示す干渉消光比は、クロックシフト量φに対する極大点および極小点の変動を模式的にプロットしたものであり、縦軸の値が実際の値を表すものではない。ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力された光パワーを測定した値とそのときの送信器１０のクロックシフト量φとは、すべて受信器２０のメモリ２５０に記憶されている。このデータから送信器１０のクロックの最適タイミングを決定する。
【００９８】
図１２は、メモリ２５０に格納されているＡＰＤ０およびＡＰＤ１の観測光パワーデータとクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図である。すなわち、図７で示す４通りの組み合わせにそれぞれ対応する観測データは、図１２のようなテーブル形式で格納されている。これを用いて次の手順で最適タイミングを決定する。
【００９９】
（１）４通りの変調について干渉消光比を計算する：（Ai, Bi, Ci, Di）
（２）４通りの干渉消光比の積を計算する：(Ei=Ai＊Bi＊Ci＊Di)
（３）Ｅｉが最大となる位相を選択する：(φ（Max[E1,E2,…EN]）) 
このようにして決定したシフト量φは、図７に示す最適ラインにより示されるφ値であり、このシフト量のクロック信号ＣＬＫが光パルスに同期した最適のタイミングを与える。ただし、既に述べたように、最適ラインを求めることが可能であるならば、図７で示す４通りの組み合わせ全ての観測データを使用する必要はない。
【０１００】
１．５）受信器の最適タイミング検索
次に受信器のクロックの最適タイミング検索について図１３および図１４を参照しながら説明する。量子暗号鍵配布システムでは，鍵配布を行う信号の光パワーがパルス当たり１フォトン以下と非常に小さいので、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）で高感度受信を行うためにガイガーモード受信を行う必要がある。ガイガーモードでは、光子を検出するタイミングのみバイアス電圧を高くするが、高いバイアス電圧を印加すると光子信号ではなくノイズを出力する可能性が高くなるので、バイアスの印加タイミングをできるだけ光子到来のタイミングに合致させることが望ましい。バイアス電圧を高くするタイミングを正しく設定することで光子を検出でき、暗号鍵の共有が可能となる。
【０１０１】
図１３（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図であり、図１４（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で検出されるパワーの変化を示すグラフである。受信器２０のクロックの最適タイミングはローカルに判定できるので、送信器１０のタイミング制御の場合よりも制御信号のやりとりが少ない。送信器１０には、上述したように基底と乱数の組み合わせにより４通りの変調あるので、送信器１０の変調ごとに受信器２０のクロックの最適タイミングを検索する。
【０１０２】
受信器のタイミング検索では、まず、タイミング制御部２４０は、受信器２０を量子モードに設定し、送信器１０へ量子モードへのモード変更信号を送信する。これによって、通常の光パワーのダブルパルスが受信器２０から送信器１０へ送信され、送信器１０からは上述したように変調された微弱パワーの光パルスが受信器２０へ折り返される。
【０１０３】
量子モードに設定されると、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、自己の量子ブロック２００の受信基底を“＋”にセットし、更に送信器１０の量子ブロック１００の基底を“＋”、乱数を“０”にセットするよう指示する。ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は同期ブロック２１０から供給されるクロック信号ＣＬＫによってガイガーモード駆動されるので，ＡＰＤ０およびＡＰＤ１のバイアス電圧を高くするタイミングはクロック信号ＣＬＫを供給するタイミングによって決まる。同期ブロック２１０はクロックのタイミングを任意のステップで０から２πまでシフトさせることができる。クロックのタイミングシフトはすべて受信器２０内でローカルに行われる。
【０１０４】
まず、受信器２０のタイミング制御部２４０は同期ブロック２１０にクロックステップを０にするよう指示し、続いてクロック信号ＣＬＫを１ステップシフトするように指示することで、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へ逆バイアス電圧を印加する。これによって、送信器１０から到来した微弱パワーのパルスＰ１が位相変調器２０６によって位相変調され、その結果であるパルスＰ１*bと到来パルスＰ２*aとの干渉結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出され、光子検出結果としてメモリ２５０に格納される。
【０１０５】
タイミング制御部２４０は、光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１への電圧印加タイミングを１ステップずつシフトさせながら、すべてのクロックシフトが２πになるまで繰り返し、設定された基底“＋”、乱数“０”に対する光子検出結果を記録する。
【０１０６】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図１４（ａ）に示す。図１４の横軸はクロックシフト量φ、縦軸はＡＰＤ０の観測光パワー（実線）およびＡＰＤ１の観測光パワー（破線）を模式的に示す。図１４（ａ）に示すように、クロック位相が正しいときには、送信器１０から送った乱数の値０によってＡＰＤ０で光子が検出され、クロック位相がずれると光子は検出されなくなる。
【０１０７】
以下同様にして、図１３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、送信器１０の基底と乱数の組み合わせを、基底＋と乱数１、基底×と乱数０、基底×と乱数１に順次変更し、図１４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、それぞれ受信器２０のクロックタイミングをシフトさせてＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子検出結果をメモリ２５０に格納する。
【０１０８】
１．６）受信器の最適タイミング決定
図１４（ａ）〜（ｄ）には、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の出力パワー比、すなわち光子検出比が点線で示されている。ここでは、乱数“０”を送信した場合はＡＰＤ０に光が出力されるべきなので、ＡＰＤ１の観測値に対するＡＰＤ０の観測値の比（ＡＰＤ０／ＡＰＤ１）を光子検出として表す。また，乱数“１”を送信した場合はＡＰＤ１に光が出力されるべきなので、ＡＰＤ０の観測値に対するＡＰＤ１の観測値の比（ＡＰＤ１／ＡＰＤ０）を光子検出として表す。なお、ここで示す干渉消光比は、クロックシフト量φに対する極大点および極小点の変動を模式的にプロットしたものであり、縦軸の値が実際の値を表すものではない。
【０１０９】
ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の出力パワーとそのときの受信器２０のクロックシフト量φはすべてメモリ２５０に記憶されている。このデータから受信器２０のクロックの最適タイミングを決定するが、決定手法は上記１．５）で説明した送信器１０の場合と同様であるから説明は省略する。
【０１１０】
こうして決定したシフト量のクロック信号ＣＬＫは光パルスの入射タイミングによく同期している。また、同じ受信器２０内であるので、このようにして決定したシフト量のクロックＣＬＫは受信器の位相変調器２０６にも使用される。
【０１１１】
１．７）効果
以上説明したように，本実施例によれば、まず受信器２０からの制御により、送信器１０における位相変調のタイミングを１ステップずつシフトさせ、１ステップシフトごとに受信器２０での検出結果をメモリ２５０に格納し、その格納データに基づいて送信器１０の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器１０の位相変調が正しいタイミングであることを受信器側で確認することができ、その結果、受信器２０における光子検出器の駆動タイミングを光子入射タイミングに正確に合わせることが可能となる。こうして安定した位相変調および光子検出が可能となり、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、高速・安定な鍵生成を実現することができる。
【０１１２】
２．第２実施例
図１５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構成を示すブロック図である。本実施例による量子暗号鍵配布システムは、第１実施例と同じくＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ構成を採用しているが、送信器１０の量子ブロック１００にＰＢＳループではなくファラデーミラーが用いられている点が異なっている。なお、図２に示すブロックと同一機能を有するブロックには同一の参照番号を付して詳細は省略する。
【０１１３】
送信器１０の量子ブロック１００はファラデーミラー１０１、位相変調器１０２および可変光減衰器１０５が直列に接続されて構成されている。伝送路３０からやってきたダブルパルスはファラデーミラー１０１で反射して偏波がπ／２回転し、位相変調器１０２で後方のパルスのみ変調が施される。すなわち位相変調器１０２は、往復するダブルパルスのうち復路方向のダブルパルスの後方パルスが通過するタイミングに合わせて、基底と乱数の組み合わせから０、π、π／２、３π／２の４通りの変調を行う。
【０１１４】
したがって、本実施例におけるシステムは、第１実施例に比べて、送信器１０の位相変調１０２に供給されるクロックＣＬＫの位相が異なり、その結果、光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１で検出される干渉結果が異なるのみであり、位相変調器１０２を駆動するクロックの最適タイミングと光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１を駆動するクロックの最適タイミングを決定する手法は第１実施例の図５で説明した手順と同様である。そこで第１実施例で用いた図５および図６を適宜参照しながら、本実施例の動作を簡単に説明する。
【０１１５】
２．１）タイミング制御手順
本実施例によるタイミング制御においても、第１実施例と同様に、まず送信器１０について行われ、その後で受信器２０について実行される。送信器１０のタイミング制御はすべて受信器２０のタイミング制御部２４０の指示により行われる。
【０１１６】
図５を参照して、まず、タイミング制御部２４０は、受信器２０をトレーニングモードに設定し、これによって光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１はガイガーモードではなく固定バイアスで動作し平均光パワーの測定を行う。続いて、タイミング制御部２４０は、通信制御部２３０を制御して送信器１０へトレーニングモードへのモード変更信号を送信する。これによって、送信器１０の通信制御部１３０は可変光減衰器１０５の損失量を減少させ、出力される光パワーを通常の通信レベルまで大きくする（ステップＳ４０１）。したがって、通常の光パワーのダブルパルスが受信器２０から送信器１０へ送信され、送信器１０のファラデーミラー１０１で折り返され、上述したように位相変調されてから受信器２０へ送り返される。
【０１１７】
トレーニングモードに設定されると、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ４０２）。これにより、通信制御部１３０は位相変調器１０２に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調の深さの位相を設定する。
【０１１８】
続いて、タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトをリセットするように送信器１０の通信制御部１３０へ指示する（ステップＳ４０３）。これによって、同期ブロック１１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値０にリセットする。
【０１１９】
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部１３０へタイミングシフトを指示し、これによって同期ブロック１１０は、所定の整数Ｎを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ４０４）。これによって、受信器２０から到来したダブルパルスは往路では位相変調器１０２をそのまま通過し、ファラデーミラー１０１で反射した復路ではダブルパルスの後方パルスのみが位相変調器１０２で変調され、受信器１０へ送り返される。
【０１２０】
受信器１０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させてＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光パワーを測定し、それらの測定値をメモリ２５０に記録する（ステップＳ４０５）。
【０１２１】
タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、すべての電圧印加タイミングについて測定されるまで上記ステップＳ４０４〜Ｓ４０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する受光パワーの測定値を記録する（ステップＳ４０６）。
【０１２２】
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ４０２〜Ｓ４０６を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ４０７）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ４０７のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果に基づいて、送信器の最適タイミングを決定する（ステップＳ４０８）。最適タイミングの決定方法については後述する。
【０１２３】
こうして送信器１０の最適タイミングが決定された後、受信器２０のタイミング検索が開始される。受信器２０のタイミング検索は第１実施例と同様であるから、以下、送信器１０のタイミング検索について説明する。
【０１２４】
２．２）送信器のクロックタイミング検索
図１６（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される平均パワーの変化を示すグラフである。ただし、ファラデーミラー１０１と位相変調器１０２との間の光路差は無視した。
【０１２５】
ａ）基底＋，乱数０（０変調）
まず受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“＋”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この場合、往路で通過するダブルパルスの後方パルスＰ２に与える位相変調の深さは０である。したがって、同期ブロック１１０のクロックのシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまでＮ回繰り返しても、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーは変化しない。それらの観測値をメモリ２５０に格納する。なお、乱数“０”を送信した場合はＡＰＤ０に光が出力されるべきなので、干渉消光比はＡＰＤ０／ＡＰＤ１で表す。
【０１２６】
このようにしてメモリ２５０に格納されたタイミングシフト量φに対する観測値の変化を図１６（ａ）に示す。図１６の横軸はクロックシフト量φ、縦軸はＡＰＤ０の観測光パワー（実線）およびＡＰＤ１の観測光パワー（破線）を模式的に示す。
【０１２７】
ｂ）基底＋，乱数１（π変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“＋”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この場合、往路で通過するダブルパルスの後方パルスＰ２に与える位相変調の深さはπである。同期ブロック１１０のクロックのシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまでＮ回繰り返すと、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
【０１２８】
乱数“１”を送信した場合はＡＰＤ１に光が出力されるべきなので、図１６（ｂ）に示すように、クロック位相が正しいときにはＡＰＤ１で光パルスが検出され、ＡＰＤ０ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなるが、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻って今度はＡＰＤ０で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ１およびＡＰＤ０の検出出力が変動する。
【０１２９】
ｃ）基底×，乱数０（π／２変調）
まず受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この場合、往路で通過するダブルパルスの後方パルスＰ２に与える位相変調の深さはπ／２である。同期ブロック１１０のクロックのシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまでＮ回繰り返すと、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
【０１３０】
乱数“０”を送信した場合はＡＰＤ０１に光が出力されるべきなので、図１６（ｃ）に示すように、クロック位相が正しいときにはＡＰＤ０で光パルスが検出され、ＡＰＤ１ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなるが、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻って今度はＡＰＤ１で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ１およびＡＰＤ０の検出出力が変動する。
【０１３１】
ｄ）基底×，乱数１（３π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“×”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この場合、往路で通過するダブルパルスの後方パルスＰ２に与える位相変調の深さは３π／２である。同期ブロック１１０のクロックのシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまでＮ回繰り返すと、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
【０１３２】
乱数“１”を送信した場合はＡＰＤ１に光が出力されるべきなので、図１６（ｄ）に示すように、クロック位相が正しいときにはＡＰＤ１で光パルスが検出され、ＡＰＤ０ではほとんど検出されない。クロック位相がずれるにしたがって干渉がとれなくなるが、更にクロック位相がずれると再び干渉が戻って今度はＡＰＤ０で検出されるようになる。このようにクロックシフト量φの変化にしたがって周期的にＡＰＤ１およびＡＰＤ０の検出出力が変動する。
【０１３３】
２．３）効果
以上説明したように，本実施例によれば、まず受信器２０からの制御により、送信器１０における位相変調のタイミングを１ステップずつシフトさせ、１ステップシフトごとに受信器２０での検出結果をメモリ２５０に格納し、その格納データに基づいて送信器１０の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器１０の位相変調が正しいタイミングであることを受信器側で確認することができ、その結果、受信器２０における光子検出器の駆動タイミングを光子入射タイミングに正確に合わせることが可能となる。こうして安定した位相変調および光子検出が可能となり、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、高速・安定な鍵生成を実現することができる。
【０１３４】
３．他のタイミング制御手順
上述した第１実施例では、図５に示すように、タイミングシフト量を初期化した後、一定シフト量２π／Ｎで順次位相変調タイミングをシフトさせ、そのときの受光パワーの変化を記録することで、最適タイミングの検索を行っている。しかしながら、本発明はこのタイミング制御手順に限定されるものではなく、他のタイミング制御手順を採用することもできる。
【０１３５】
３．１）第３実施例
図１７は本発明の第３実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。ただし、図５のステップと同じ機能のステップには同一参照符号を付して説明は省略する。
【０１３６】
本実施例によるタイミング制御は、基本的なフローとしては図５に示す第１実施例のタイミング制御手順と同様であるが、検索開始の初期値を０ではなく、経験的に定められた位置（２π／Ｎ）＊ｉ（ｉは整数）に設定する。すなわち、使用される位相変調器や電気回路の特性や伝送距離などを考慮すれば、ある程度のシフト量を予想することが可能であるから、その近傍のある程度余裕を持った検索範囲を整数ｉおよびｊで規定し、その範囲でタイミング検索を実行する。
【０１３７】
詳しくは、図１７において、タイミング制御部２４０は整数ｉおよびｊを予め格納しておき、乱数および基底が指定されると（ステップＳ４０２）、送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトを所定位置（２π／Ｎ）＊ｉにリセットするように送信器１０の通信制御部１３０へ指示する（ステップＳ４０３ａ）。これによって、同期ブロック１１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値（２π／Ｎ）＊ｉにリセットする。
【０１３８】
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部１３０へタイミングシフトを指示し、これによって同期ブロック１１０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを初期値から２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ４０４）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器１０へ折り返される。
【０１３９】
受信器１０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させてＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光パワーを測定し、それらの測定値をメモリ２５０に記録する（ステップＳ４０５）。
【０１４０】
こうして、タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、予め定められた数ｊの回数だけ上記ステップＳ４０４〜Ｓ４０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する受光パワーの測定値を記録する（ステップＳ４０６ａ）。以下同様に、ステップＳ４０２〜Ｓ４０６を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行し（ステップＳ４０７）、送信器の最適タイミングを決定する（ステップＳ４０８）。このように経験的の知識を利用することで迅速に検索することができる。
【０１４１】
受信器のタイミング検索においても、同様に、予め経験的に定められる検索範囲を整数ｉおよびｊで定めておき、タイミングを初期値（２π／Ｎ）＊ｉにリセットし（ステップＳ５０３ａ）、ｊ回だけステップＳ５０４〜Ｓ５０５を繰り返す。
【０１４２】
３．２）第４実施例
図１８は本発明の第４実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。  本実施例による送信器タイミング検索は、まず粗検索（ステップＳ６０２〜Ｓ６０８）によって最適タイミングが存在する範囲をある程度特定し、続いてその範囲を密に検索（ステップＳ６０９〜Ｓ６１４）することで最適タイミングの位置を高速かつ正確に特定することができる。
【０１４３】
また、本実施例による受信器タイミング検索は、１組の乱数および基底を指定して光子検出結果を記録し、それに基づいて最適タイミングが存在する範囲をある程度特定し（ステップＳ７０２〜Ｓ７０７）、続いてその範囲を他の乱数および基底の組を指定しながら検索（ステップＳ７０８〜Ｓ７０３）することで最適タイミングの位置を高速かつ正確に特定することができる。以下詳述する。
【０１４４】
Ａ）送信器タイミング検索
図１８において、まず、タイミング制御部２４０は整数Ｍ、Ｎ（ただし、Ｍ＜Ｎ）およびｊ（ただし、ｊ＜Ｎ）を予め格納している。送信器タイミング検索が開始されると、タイミング制御部２４０は受信器２０をトレーニングモードに設定し、さらに送信器１０へトレーニングモードへのモード変更信号を送信する（ステップＳ６０１）。トレーニングモードに設定されると、タイミング制御部２４０は４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０へ通知する（ステップＳ６０２）。
【０１４５】
続いて、タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトをリセットするように送信器１０へ指示し（ステップＳ６０３）、続いて送信器１０へタイミングシフトを指示する。これによって送信器１０の同期ブロック１１０は、所定の整数Ｍを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｍだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ６０４）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器１０へ折り返される。
【０１４６】
受信器１０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させてＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光パワーを測定し、それらの測定値をメモリ２５０に記録する（ステップＳ６０５）。
【０１４７】
タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｍずつシフトさせながら、Ｍ個の電圧印加タイミングすべてについて測定されるまで上記ステップＳ６０４〜Ｓ６０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する受光パワーの測定値を記録する（ステップＳ６０６）。ＭはＮよりも小さい数値であるから、シフトステップ２π／Ｍは通常よりも大きなステップとなり粗検索が可能となる。
【０１４８】
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ６０２〜Ｓ６０６を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ６０７）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ６０７のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果に基づいて、送信器の最適タイミングが存在する最適タイミング位置（２π／Ｍ）＊ｉを次の密検索の初期値に決定する。最適タイミングの決定方法は第１実施例で説明したとおりである。
【０１４９】
続いて、タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトを上記決定された最適タイミング（２π／Ｍ）＊ｉに設定するように送信器１０へ指示し（ステップＳ６０８）、さらに４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択して受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０へ通知する（ステップＳ６０９）。続いて送信器１０へタイミングシフトを指示することで、送信器１０の同期ブロック１１０は、所定の整数Ｎを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ６１０）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器１０へ折り返される。
【０１５０】
受信器１０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させてＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光パワーを測定し、それらの測定値をメモリ２５０に記録する（ステップＳ６１１）。
【０１５１】
タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、ｊ個の電圧印加タイミングすべてについて測定されるまで上記ステップＳ６１０〜Ｓ６１１を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する受光パワーの測定値を記録する（ステップＳ６１２）。ＮはＭよりも大きい値であるから、シフトステップ２π／Ｎはより細かいステップとなり密検索が可能となる。
【０１５２】
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ６０９２〜Ｓ６１２を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ６１３）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ６１３のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果に基づいて、送信器の最適タイミングを決定する（ステップＳ６１４）。
【０１５３】
Ｂ）受信器タイミング検索
受信器のタイミング検索では、まず、タイミング制御部２４０は、受信器２０を量子モードに設定し光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１をガイガーモードで動作させ、さらに送信器１０へ量子モードへのモード変更信号を送信する。これによって、送信器１０の通信制御部１３０は可変光減衰器１０５の損失量を増大させ、出力される光パワーをパルス当たり１個以下のレベルまで低下させる（ステップＳ７０１）。
【０１５４】
量子モードに設定されると、タイミング制御部２４０は４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ７０２）。
【０１５５】
続いて、タイミング制御部２４０は同期ブロック２１０を制御し、光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１に印加される電圧のタイミングシフトを０にリセットする（ステップＳ７０３）。タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は同期ブロック２１０を制御し、所定の整数Ｎを用いてクロック信号ＣＬＫを２π／Ｎだけシフトさせ、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へ逆バイアス電圧を印加する（ステップＳ７０４）。これによって、送信器から到来した微弱パワーのパルスの干渉結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出され、この光子検出結果がメモリ２５０に記録される（ステップＳ７０５）。
【０１５６】
タイミング制御部２４０は光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、すべての電圧印加タイミングが終了するまで上記ステップＳ７０４〜Ｓ７０５を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する光子検出結果を記録する（ステップＳ７０６）。タイミングシフトが終了すると（ステップＳ７０６のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子検出結果に基づいて、当該乱数および基底の組み合わせにおける受信器の最適タイミング（２π／Ｎ）＊ｉを決定し、それを次の検索における初期値に設定する（ステップＳ７０７）。最適タイミングの決定方法については既に説明したとおりである。
【０１５７】
続いて、タイミング制御部２４０は、上記決定された最適タイミング（２π／Ｎ）＊ｉを初期値として、さらに残りの３通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択して受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０へ通知する（ステップＳ７０８）。
【０１５８】
続いて、タイミング制御部２４０は同期ブロック２１０を制御し、所定の整数Ｎを用いてクロック信号ＣＬＫを２π／Ｎだけシフトさせ、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へ逆バイアス電圧を印加する（ステップＳ７０９）。これによって、送信器から到来した微弱パワーのパルスの干渉結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出され、この光子検出結果がメモリ２５０に記録される（ステップＳ７１０）。
【０１５９】
タイミング制御部２４０は光子検出器ＡＰＤ０、ＡＰＤ１への電圧印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、ｊ回すべての電圧印加タイミングが終了するまで上記ステップＳ７０９〜Ｓ７１０を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する光子検出結果を記録する（ステップＳ７１１）。タイミングシフトが終了すると（ステップＳ７１１のＹＥＳ）、ステップＳ７０８〜Ｓ７１１を、残りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ７１２）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ７１２のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２５０に記録されたＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果に基づいて、受信器の最適タイミングを決定する（ステップＳ７１３）。最適タイミングの決定方法については既に説明したとおりである。
【０１６０】
［第２実施形態］
本発明は、量子鍵配布システムに適用されるだけではなく、次に説明するように送信側の変調タイミングを確認することが必要な光通信システム一般に適用可能である。以下、送信器が位相変調した光パルスを受信器で受信する一方向システムを適用例として説明する。
【０１６１】
図１９は本発明の第２実施形態による光通信システムの構成を示すブロック図である。送信器には、量子ブロックの代わりに、レーザ光源１０６および位相変調器１０２を含む位相変調ブロック１５０が設けられている。レーザ光源１０６はパルス駆動されて光パルスを出力し、位相変調器１０２により位相変調されて光ファイバ伝送路３０へ送出される。また、送信器には、第１実施形態と同様の機能を有する同期ブロック１１０、データ通信部１２０および通信制御部１３０が設けられている。
【０１６２】
受信器には、量子ブロックの代わり光検出ブロック２８０が設けられ、さらに第１実施形態と同様の機能を有するデータ通信部２２０、メモリ２５０および通信制御部２７０が設けられている。本実施形態における通信制御部２７０は、上述したタイミング制御と同様の時間方向制御機能に加えて、後述するように送信器側のタイミング信号の電圧制御機能を有する。通信制御部２７０はデータ通信部２２０および１２０を通して送信器の通信制御部１３０と通信可能である。
【０１６３】
光検出ブロック２８０では、光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に接続された光カプラ２０３と光伝送路３０に接続された光カプラ２０７との間に短いパス（Short Path）２０４および長いパス（Long Path）２０５を並列に設け、その光路差を１ビット分に調整している。
【０１６４】
位相変調ブロック１５０と光検出ブロック２８０との間で伝送される光信号は光パワーが通常のレベルの信号であるから、受信器側の光検出ブロック２８０では、Gated Geiger Mode受信を行う必要がなく光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は固定バイアスで動作する。
【０１６５】
具体的には、レーザ光源１０６は、たとえばＲＺ(Return to Zero）信号によりパルス駆動され、その出力光パルス列は位相変調器１０２で０またはπの位相変調を施される。伝送路３０を伝搬した後、光パルスは受信器の光カプラ２０７で２分岐され、短いパス（Short Path）２０４を通った光パルス列と長いパス（Long Path）２０５を通って１ビット遅延した光パルス列とが光カプラ２０３で干渉する。その結果、位相差が０であればＡＰＤ０で受信され、位相差がπであればＡＰＤ１で受信される。すなわち、送信器で“０−０”または“π−π”を送信したときには受信器はＡＰＤ０で受信し、送信器で“０−π”または“π−０”を送信したときには受信器はＡＰＤ１で受信する。
【０１６６】
しかしながら，第１実施形態と同様に、位相変調器１０２の変調タイミングは送信器自信では判断できないため、受信器側で確認する必要がある。
【０１６７】
４．第５実施例
４．１）タイミング信号の時間方向制御
図２０は本発明の第５実施例による送信器のタイミング制御手順を示すハンドシェイク図であり、図２１は本発明の第５実施例による送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。送信器の制御はすべて受信器からの指示により行われる。送信器の位相変調器１０２は同期ブロック１１０から供給されるクロックによって駆動されるので、位相変調器１０２を駆動するタイミングはクロックを供給するタイミングによる。同期ブロック１１０は、受信側の通信制御部２７０の指示により、クロックのタイミングを任意のステップで０から２πまでシフトさせることができる。
【０１６８】
まず、受信器の通信制御部２７０は、データ“００”を指定して送信器へ通知し（ステップＳ８０１）、データ通信部２２０および１２０を介して送信器の同期ブロック１１０のクロックシフト量をクリアして０にするように指示する（ステップＳ８０２）。続いて、送信器の同期ブロック１１０のクロックシフト量が２πになるまで次のステップが繰り返される。
【０１６９】
まず、受信器の通信制御部２７０は送信器の通信制御部１３０に送信器同期ブロック１１０のクロックを１ステップ（２π／Ｎ）シフトするよう指示し、送信器の通信制御部１３０は同期ブロック１１０のクロックを１ステップシフトさせる（ステップＳ８０３）。送信器の位相変調器１０２を駆動するタイミングが１ステップずれることで、結果として受信器の光検出ブロック２８０の光カプラ２０３で干渉してＡＰＤ０またはＡＰＤ１が受光する光パワーに反映され、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の受信パワー測定結果をメモリ２５０に格納する（ステップＳ８０４）。
【０１７０】
こうして全てのタイミングシフトが終了すると（ステップＳ８０５のＹＥＳ）、以下同様にして、残りの３通りの送信データの組み合わせ“１１”、“０１”および“１０”についても、それぞれＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力されるパワーを測定してメモリに格納する（ステップＳ８０６）。
【０１７１】
４通り全ての送信データの組み合わせについて測定が終了すると（ステップＳ８０６のＹＥＳ）、メモリ２５０に格納された測定結果から、送信データ“０−０”および“π−π”のときはＡＰＤ０に出力し、送信データ“０−π”または“π−０”のときはＡＰＤ１に出力するシフト量を最適タイミングとして決定する（ステップＳ８０７）。
【０１７２】
４．２）タイミング信号の電圧制御
しかしながら、実際はクロックの時間方向の制御だけでは十分ではない。位相変調器１０２で位相“０”や“π”といった変調を与えたとしても、実際に位相が“０”または“π”であるとは限らない。なぜなら位相変調器１０２の位相は電圧によって制御されており、送信器の環境温度の変化によって与える電圧と変調位相の関係が変動するからである。よって、受信器の通信制御部２７０はＡＰＤ０およびＡＰＤ１から得られる干渉消光比を常に監視し、干渉消光比が劣化したときは位相変調器１０２の電圧値を微調整する必要がある。
【０１７３】
図２２は本発明の第５実施例による送信器の位相変調器に対する電圧制御手順を示すフローチャートである。通信制御部２７０はＡＰＤ０およびＡＰＤ１により測定される受光パワーを常時入力し（ステップＳ９０１）、それらの干渉消光比Ｅを計算する（ステップＳ９０２）。
【０１７４】
干渉消光比Ｅが所定のしきい値ＥTHより劣化した場合には（ステップＳ９０３のＹＥＳ）、通信制御部２７０はデータ通信部２２０および１２０を介して送信器の通信制御部１３０に送信器の位相変調器１０２の電圧を１ステップ(例えば100mV)だけ変化（上昇あるいは下降）させるよう指示する（ステップＳ９０４）。位相変調器１０２の電圧が１ステップ変化することで、光パルスの位相が変化するので、結果として受信器で干渉してＡＰＤ０およびＡＰＤ１が受光する光パワーに反映される。このＡＰＤ０およびＡＰＤ１の測定結果をメモリ２５０に格納する（ステップＳ９０５）。
【０１７５】
上記ステップＳ９０４〜Ｓ９０５を予め設定した電圧値を中心に例えば±１Ｖの範囲で繰り返す。こうしてメモリ２５０に格納された測定結果を用いて、電圧を変化させて干渉消光比Ｅが最大となる電圧値を最適電圧として設定する。
【０１７６】
このように位相変調器１０２に印加される電圧を最適化することで、上記時間方向の最適化制御を効果的に実行することができる。なお、送信器側のタイミング信号の時間方向制御機能および電圧制御機能を有する通信制御部２７０は、本実施形態だけでなく、上記第１実施形態による受信器の通信制御部２３０およびタイミング制御部２４０に代えて設けてもよい。
【０１７７】
４．３）効果
以上説明したように、本実施例によれば、まず受信器２０からの制御により、送信器１０における位相変調のタイミングを１ステップずつシフトさせ、１ステップシフトごとに受信器２０での検出結果をメモリ２５０に格納し、その格納データに基づいて送信器１０の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器１０の位相変調が正しいタイミングであることを受信器側で確認することができる。さらに、本実施例によれば、受信器において干渉消光比を常にモニタし、劣化した場合に位相変調器を駆動する電圧を微調することによって正しい位相の変調を行うことができる。このように制御することで、安定した信頼性の高い位相変調が可能な光通信システムを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
なお、本発明は、上述したＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の双方向方式だけでなく、一方向の量子暗号鍵配布方式にも適用可能であり、量子暗号通信におけるすべての方式で適用可能である。さらに、量子暗号鍵配布に限定されるものではなく光信号のパワーが通常のレベルで行う一般的な光通信の位相変調システムでも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】本発明の第１実施形態による光通信システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例による温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙシステムの構成を示すブロック図である。
【図３】送信器の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４】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５】本発明の一実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される平均パワーの変化を模式的に示すグラフである。
【図８】基底および乱数の組み合わせが（＋、０）の場合の送信器でのタイミングシフトと受信器での測定結果との関係を模式的に示す図である。
【図９】基底および乱数の組み合わせが（＋、１）の場合の送信器でのタイミングシフトと受信器での測定結果との関係を模式的に示す図である。
【図１０】基底および乱数の組み合わせが（×、０）の場合の送信器でのタイミングシフトと受信器での測定結果との関係を模式的に示す図である。
【図１１】基底および乱数の組み合わせが（×、１）の場合の送信器でのタイミングシフトと受信器での測定結果との関係を模式的に示す図である。
【図１２】メモリ２５０に格納されているＡＰＤ０およびＡＰＤ１の観測光パワーデータとクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で検出されるパワーの変化を模式的に示すグラフである。
【図１５】本発明の第２実施例による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１６】（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される平均パワーの変化を模式的に示すグラフである。
【図１７】本発明の第３実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第４実施例によるタイミング制御手順を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第２実施形態による光通信システムの構成を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第５実施例による送信器のタイミング制御手順を示すハンドシェイク図である。
【図２１】本発明の第５実施例による送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の第５実施例による送信器の位相変調器に対する電圧制御手順を示すフローチャートである。
【図２３】Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の概略的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１８０】
10  送信器
100  量子ブロック
101  ファラデーミラー
102  位相変調器
103  PBS
104  PBSループ
105  可変光減衰器
106  レーザ
110  同期ブロック
120  データ通信部
130  通信制御部
20  受信器
200  量子ブロック
201  レーザ
202  光サーキュレータ
203  光カプラ
204  Short Path
205  Long Path
206  位相変調器
207  PBS
208，209  光検出器（ＡＰＤ）
210  同期ブロック
220  データ通信部
230  通信制御部
240  タイミング制御部
250  メモリ
260  プログラムメモリ
30  光伝送路
40，50  波長多重フィルタ
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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