(57)【要約】【課題】光受信装置のアナログ的な制御要素を出来るだけ減らして装置の構成を簡単化し、信頼性の向上を図る。【解決手段】光受信装置は、受信した光信号を光電変換する光電変換器と、光電変換器の出力信号の振幅を一定にするように利得を制御する増幅器と、増幅器で増幅された暗号多値信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、送信側と共有した共通鍵を用いてRunning鍵を生成するRunning鍵生成部と、Ａ／Ｄコンバータより出力される暗号多値信号のレベルと、Running鍵生成部で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルをディジタル信号の状態で比較する比較器と、比較器による比較結果に応じて、復号信号の極性の反転、非反転を制御する極性復号部を有する。【選択図】図２
2012044509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度変調方式による光信号を受信する光受信装置であって、
受信した光信号を光電変換する光電変換器と、
該光電変換器の出力信号の振幅を一定にするように利得を制御する増幅器と、
該増幅器で制御された暗号多値信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、
送信側と共有した共通鍵を用いてRunning鍵を生成するRunning鍵生成部と、
該Ａ／Ｄコンバータより出力される暗号多値信号のレベルと、該Running鍵生成部で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルをディジタル信号の状態で比較する比較器と、
該比較器による比較結果に応じて、復号信号の極性の反転、非反転を制御する極性復号部と
を有することを特徴とする光受信装置。
【請求項２】
送信側で多値変調レベル数をｍビット（ｍは複数）に設定している場合、前記Ａ／Ｄコンバータは、ｎビット（ｎ<ｍ、ｎは複数）から成るディジタル値に変換することを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
【請求項３】
前記Running鍵生成部と、前記比較器と、前記極性復号部は、デコーダにより構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光受信装置。
【請求項４】
前記増幅器で増幅された暗号多値信号の周波数成分を抜き出し、暗号多値信号に同期したクロックを生成して、前記Ａ／Ｄコンバータのサンプリングクロックとして使用するクロックリカバリを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項記載の光受信装置。
【請求項５】
光強度変調方式による光信号の受信処理方法であって、受信した光信号を光電変換するステップと、該光電変換された信号の利得を制御して暗号多値信号を得るステップと、利得制御された該暗号多値信号をＡ／Ｄコンバータでディジタル値としての暗号多値信号に変換するステップと、送信側と共有した共通鍵を用いてRunning鍵を生成するステップと、該Ａ／Ｄコンバータより出力される暗号多値信号のレベルと該Running鍵生成部で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルをディジタル信号の状態で比較するステップと、該比較結果に応じて、復号信号の極性の反転、非反転を制御するステップを有することを特徴とする光信号の受信処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光受信装置及び方法に係り、特にＹｕｅｎ量子暗号に代表される光強度多値変調を用いた信号の多値信号の受信装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙｕｅｎ量子暗号は光通信量子暗号（Ｙ−００）通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、何れの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。
【０００３】
正規の送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができる。量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信の原理、及び受信装置の構成については、例えば、特許文献１や非特許文献１に開示されている。
【０００４】
非特許文献１に記載されたＹ−００受信装置の復号化回路の構成を図１に示す。受信される光信号は、ＰＤ（Photo Diode）で光電変換された後、電気信号としての受信信号は、ＡＧＣAmpを介してＤＥＣAmpに入力する。ＤＥＣAmpでは多値信号に含まれる基底信号を2値識別するためにThreshold Controlで生成される閾値信号（多値）も同時に入力される。Threshold Controlから出力される閾値信号は、Ｄｅｃｏｄｅｒ、ＭＵＸ（パラ/シリ）から出力される１０ビットの信号に基づいて生成、制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０３９２７公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「Yuen 2000プロトコルによる物理暗号のためのRandomizationの実装回路の考察」（電子情報通信学会論文誌 C Vol.J91-C No.8 pp.399-408, 2008）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１に示されるＹ−００受信装置の復号化回路において、Threshold Controlから出力される閾値信号は、受信した暗号多値信号に対してビット同期していることが必要であるが、暗号信号のビットレートが上がるほど位相マージンが減少する。このため、厳格な位相制御（即ち高精度なアナログ制御）が必要である。また、Threshold Controlからの閾値信号の振幅に関しても、ＤＥＣAmpの入力部での受信信号に対して整合が取れている必要があり、かつ微調整が必要である。
【０００８】
また、上記従来の復号化回路において、Runnning鍵生成部の出力（通常は擬似乱数生成器で共有鍵を元にRunning鍵を生成）をデコーダから外部に出力しThreshold Controlに入力、閾値信号の生成を行っている、それらの回路で発生する遅延の補償も必要であり、暗号同期シーケンス過程で初期トレーニングを実施しなければならない。また、アナログ的に基底識別部の閾値レベルを制御し多値信号を復号化するので、高精度なアナログ制御を必要とし、そのための回路構成も複雑化し、部品数も増加してコスト高の原因となる。
【０００９】
本発明の目的は、光受信装置において、アナログ的な制御要素を出来るだけ減らして装置の構成を簡単化し、信頼性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光受信装置は、好ましくは、光強度変調方式による光信号を受信する光受信装置であって、受信した光信号を光電変換する光電変換器と、該光電変換器の出力信号の振幅を一定にするように利得を制御する増幅器と、該増幅器で制御された暗号多値信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、送信側と共有した共通鍵を用いてRunning鍵を生成するRunning鍵生成部と、該Ａ／Ｄコンバータより出力される暗号多値信号のレベルと、該Running鍵生成部で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルをディジタル信号の状態で比較する比較器と、該比較器による比較結果に応じて、復号信号の極性の反転、非反転を制御する極性復号部とを有することを特徴とする光受信装置として構成される。
【００１１】
好ましい例では、送信側で多値変調レベル数をｍビット（ｍは複数）に設定している場合、前記Ａ／Ｄコンバータは、ｎビット（ｎ<ｍ、ｎは複数）から成るディジタル値に変換する。
また、好ましくは、前記Running鍵生成部と、前記比較器と、前記極性復号部は、デコーダにより構成される。
また、好ましくは、前記増幅器で増幅された暗号多値信号の周波数成分を抜き出し、暗号多値信号に同期したクロックを生成して、前記Ａ／Ｄコンバータのサンプリングクロックとして使用するクロックリカバリを有する。
【００１２】
本発明に係る光信号の受信処理方法は、好ましくは、光強度変調方式による光信号の受信処理方法であって、受信した光信号を光電変換するステップと、該光電変換された信号の利得を制御して暗号多値信号を得るステップと、利得制御された該暗号多値信号をＡ／Ｄコンバータでディジタル値としての暗号多値信号に変換するステップと、送信側と共有した共通鍵を用いてRunning鍵を生成するステップと、該Ａ／Ｄコンバータより出力される暗号多値信号のレベルと該Running鍵生成部で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルをディジタル信号の状態で比較するステップと、該比較結果に応じて、復号信号の極性の反転、非反転を制御するステップを有することを特徴とする光信号の受信処理方法として構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光受信装置において暗号受信信号を復号化する前段階でディジタル化し、復号処理部でのディジタル信号処理で基底信号極性を識別することができる。光受信装置のアナログ制御要素を減らすことができ、光受信装置の信頼性を向上させることができる。また、送信側の多値変調のレベル数に比べて低解像度のＡ／Ｄコンバータを有効に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＹ−００受信部の復号化回路の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による光受信装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】Ｙ−００多値信号へのマッピングを示す図である。
【図４】Ｙ−００多値信号と低解像による信号の識別の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図２は、Ｙ−００通信による光受信装置の構成を示す。
光受信装置において、暗号光信号Ｅは、Ｙ−００の送信装置で暗号化された光信号であり、光強度がビット毎に変化する。光電気変換器（Ｏ/Ｅ）１２は、受信した光信号を光電変換する、例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。ＡＧＣアンプ１３は、光電変換器１２の出力信号（電気信号）の振幅を一定にするように利得を制御す増幅器である。Ａ／Ｄコンバータ１４は、ＡＧＣアンプ１３で増幅された暗号多値信号をディジタル値に変換する。クロックリカバリ１５は、ＡＧＣアンプ１３で増幅された暗号多値信号の周波数成分を抜き出し、暗号多値信号に同期したクロックを生成する。その生成したクロックはＡ／Ｄコンバータ１４のサンプリングクロックとしてされる。
【００１６】
復号処理部１６は、ディジタル信号を解読或いは復号化処理するユニットであり、ＩＣ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いたデコーダ回路で実現できる。復号処理部１６において、共有鍵１６２は、送信装置と受信装置で共有している同一の鍵であり、例えば１２８ビット又は２５６ビットの乱数が使用される。Running鍵生成部１６３は、暗号化時及び復号化時に共通鍵１６２を用いて基底を選択するRunning鍵を生成する。Ｙ−００では、例えば擬似乱数生成器が使用され、共有鍵１６２がここでビット長拡張されて、長い乱数ビット列が生成される。比較器１６４は、受信信号（暗号多値信号）のレベルと、Running鍵生成部１６３で生成されるRunning鍵によって指定される基底レベルとを、ディジタル信号の状態で比較する。ここでは受信信号が基底レベルに対して上か下かの比較をする。極性復号化部１６５は、基本的なＹ−００の場合、基底に従い信号極性が異なるようにマッピングされており、ここで復号時の基底に従い、極性の反転、非反転を行う。その結果、復号信号Ｄが得られる。
【００１７】
Ｙ−００の送信装置は暗号強度の確保と伝送特性の確保から多値変調レベル数を、例えば１０２４値（１０ビット）や４０９６値（１２ビット）で設定するが、本発明の好ましい実施例における受信装置は、必ずしも送信側と同じビット数、例えば１２ビットのＡ／Ｄコンバータを使用する必要は無い。例えば、１０ビット或いは８ビット程度のＡ／Ｄコンバータのような、多値変調のレベル数を下回る解像度（低解像度）のＡ／Ｄコンバータでも有効に使用することができる。
【００１８】
次に、Ｙ−００暗号通信の基本原理及び低解像度Ａ／Ｄコンバータによる多値レベル信号の受信について説明する。
図３は、Ｙ−００伝送方式における多値信号への信号のマッピング手法を示す。
図３において、多値変調レベルの階調を２Ｍとしたときに、送信装置の出力レベルは光強度で１〜２Ｍまでのレベルで出力する（実際の光強度パワーは設計値に従う）。その２Ｍ通りのレベルの中で、送信したい信号の「０」と「１」の組合せ（基底）をＭ通り、左図内の左開き括弧（コ型）で示されるように設定する（マッピングする）。暗号信号の送信時は、送信信号のビット毎にこのＭ通りの基底から送信時に使用する基底をRunning鍵で選択し、送信信号の「０」か「１」に従い基底のどちらかのレベル（光強度）で光信号を発する。
正規の受信装置は送信装置と同じRunning鍵を持っているので、受信側は送信信号に適用されている基底を理解している。その場合、図示のように、ビット毎に一つの基底信号の識別を行えば良く、Ｓ／Ｎの良い受信が可能である。
【００１９】
ここで、Ａ／Ｄコンバータ１４を用いて受信信号を識別する場合を考える。図３において光レベルは２Ｍステップ有る。例えば、多値数が４０９６値の場合、Ｍ＝２０４８になる。Ａ／Ｄコンバータの実効変換解像度が４０９６値を超える場合でかつ量子雑音が無視できる条件であれば、１〜２Ｍの光レベルは全て正確に識別できることになる。しかしながら、正規の受信装置が識別すべきは、例えば図示の、レベル「１」と「Ｍ＋１」の識別、「２」と「Ｍ＋２」の識別であり、基底ペアのどちらであるかを識別すれば良い。
【００２０】
図４は、送信信号である１２ビット−４０９６値の多値信号を、１２ビット解像度のＡ／Ｄコンバータで受信する例（Ａ）と、１０ビット解像度のＡ／Ｄコンバータで受信する例（Ｂ）を示す。
（Ａ）は、送信信号の多値レベルと同じビット数の解像度である。
（Ｂ）の例は、（Ａ）に比べて、１２ビット多値信号を１０ビットで識別することで２ビット分の値の曖昧さが発生するが、元々基底信号の信号間距離が大きいＹ−００伝送では僅かに信号間距離が狭まるのみであり伝送特性への影響は小さい。更に、受信解像度を８ビット程度に減らしたとしても、暗号鍵により適切な基底識別レベルを持つ正規受信者において信号間距離は十分に有り、有効である。
【００２１】
以上説明したように、本実施例によれば、受信した暗号多値信号を光電変換、振幅を固定した後、復号化する前段階でディジタル信号に変換する。これにより、復号処理部１６内で基底識別用の閾値をディジタル信号として持つため、ディジタル信号処理によって基底信号の極性を識別することができる。また、閾値信号を生成する多値ドライバ（図１の従来のThreshold Control）やそれに伴うパラレル/シリアル処理用のＩＣが不要となる。
従来技術では、Runnning鍵生成部の出力をデコーダから外部に出力し、Threshold Controlに入力して閾値信号を生成しているため、それらの回路で発生する遅延の補償も必要であり、暗号同期シーケンス過程で初期トレーニングを必要とするが、本発明の好ましい実施例によれば、外部回路での遅延を意識する必要がないため、復号処理部としてのデコーダ回路の設計が容易になる。
【００２２】
従来のような、光受信装置のアナログ制御要素を減らすことができるので、光受信装置の信頼性を向上させ、調整工数を低減し、部品点数の低減を図ることができる。
さらに、受信した多値信号をディジタル信号化し、そのディジタル信号の処理は復号処理部で柔軟に処理可能なため、光受信装置を構成する回路規模を縮小することができ、製品の小型化が図れる。
また、好ましい例の受信装置では、送信側の多値変調のレベル数を下回る解像度のＡ／Ｄコンバータでも有効に使用できる。
【符号の説明】
【００２３】
１２：光電気変換器  １３：ＡＧＣアンプ  １４：Ａ／Ｄコンバータ  １５：クロックリカバリ  １６：復号処理部  １６２：共通鍵  １６３：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部  １６４：比較器  １６５：極性復号化部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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