(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを位相変調および強度変調して送信する光送信器において、
前記光パルスを生成する光源と、
前記光パルスから時間的に分離した２連パルスを生成する２連パルス生成手段と、
前記２連パルスを第１経路および第２経路へ分岐させる分岐手段と、
前記第１経路に設けられた第１光変調手段と、
前記第２経路に直列に設けられた第２光変調手段および第３光変調手段と、
前記第１経路を通過した２連パルスと前記第２経路を通過した２連パルスとを合波して出力２連パルスを生成する合波手段と、
を有し、前記第１光変調手段および前記第２光変調手段はそれぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行し、前記第３光変調手段は通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行することを特徴とする光送信器。
【請求項２】
前記第３光変調手段の変調位相を０°と９０°との間で切り替えることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
【請求項３】
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々は、所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
【請求項４】
前記第１光変調手段を前記変調曲線の極小点と第１動作点との間で切り替え、前記第２光変調手段を前記変調曲線の極小点と第２動作点との間で切り替え、前記第１動作点と前記第２動作点とは、前記変調曲線において前記極小点を挟んで対称に位置することを特徴とする請求項３に記載の光送信器。
【請求項５】
前記第１光変調手段は所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器であり、前記第２光変調手段は光位相変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
【請求項６】
前記第１光変調手段を前記変調曲線の極小点と極大点との間で切り替え、前記第２光変調手段の変調位相を０°と１８０°との間で切り替えることを特徴とする請求項５に記載の光送信器。
【請求項７】
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々は光位相変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
【請求項８】
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々の変調位相を０°と１８０°との間で切り替えることを特徴とする請求項７に記載の光送信器。
【請求項９】
前記合波手段からの出力２連パルスの光強度を減衰させる光減衰手段をさらに有することを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の光送信器。
【請求項１０】
請求項９に記載の光送信器を用いた量子暗号鍵配付システム。
【請求項１１】
マッハ・ツェンダ干渉計の第１経路に第１光変調手段が接続され、第２経路に直列に第２光変調手段および第３光変調手段が接続された構成を有する複合変調器の制御方法であって、
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段はそれぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行し、
前記第３光変調手段は通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行する、
ことを特徴とする複合変調器の制御方法。
【請求項１２】
前記第３光変調手段の変調位相を０°と９０°との間で切り替えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々は所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器であり、
前記第１光変調手段を前記変調曲線の極小点と第１動作点との間で切り替え、前記第２光変調手段を前記変調曲線の極小点と第２動作点との間で切り替え、前記第１動作点と前記第２動作点とは前記変調曲線において前記極小点を挟んで対称に位置する、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１光変調手段は所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器であり、前記第２光変調手段は光位相変調器であり、
前記第１光変調手段を前記変調曲線の極小点と極大点との間で切り替え、前記第２光変調手段の変調位相を０°と１８０°との間で切り替えることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々は光位相変調器であり、
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々の変調位相を０°と１８０°との間で切り替える、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１６】
マッハ・ツェンダ干渉計の第１経路に第１光変調手段が接続され、第２経路に直列に第２光変調手段および第３光変調手段が接続された構成を有する複合変調器をコンピュータに制御させるプログラムであって、
前記第１光変調手段および前記第２光変調手段に、それぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行させ、
前記第３光変調手段に、通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行させる、
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】
本発明は光パルスを位相変調および強度変調して送信する光通信システムに係り、特にその光送信器およびそれに用いられる複合変調器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えているのが実情であり、通信の秘密保持の為に高度な暗号技術の必要性が益々高くなっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ(Data Encryption Standard)やTriple ＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＡＳ(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号とに分類される。しかしながら、これらは計算の複雑性を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算能力や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配付システム（ＱＫＤ）は絶対に盗聴されない暗号鍵配付技術として注目されている。
【０００３】
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。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、この変化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。
【０００４】
光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者（以下、それぞれ「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よって“０” 、“１”あるいは“不定”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間で乱数列を共有することができる。ここで共有した乱数列には、光子受信器ノイズ、古典通信信号から洩れ込むノイズ、干渉計の精度に起因するノイズ等の外乱によって発生する誤りが含まれており、さらに盗聴者（以下、Ｅｖｅと称す）の盗聴行為によって発生する誤りも含まれていると考えるべきである。そこで、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂは、最終暗号鍵を得るために、共有乱数列中の誤りを除去する誤り訂正、Ｅｖｅの保持しうる情報量を篩い落とす秘匿増強の処理を行う。
【０００５】
最も実用化に適した構成として、非特許文献１などに示されているPlug & Play方式が頻繁に用いられている。Plug & Playでは、往復型の光学干渉計を構成することによって、光子パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計とを同一のもので構成する。この為、干渉計の光路差が光子パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれれば精度の良い干渉を実現できる、というメリットを有する。
【０００６】
しかしながら、このような往復型のＱＫＤ方式では、光子パルスに位相変調を行う位相変調器を双方向で使用する必要がある為、暗号鍵共有速度の高速化には適さない。加えて、伝送路における後方散乱光の発生を免れない為、光子信号の信号対雑音比が劣化する、というデメリットも有する。
【０００７】
一方、単一方向型のＱＫＤ方式は、送受信器内に異なる非対称干渉計を有し、光子パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計とが遠隔地点に配置される。このために、複数干渉計の光路差を厳密に等しく保つ為の工夫が必要となる。たとえば、非特許文献２には、Ｂｏｂ側の非対称干渉計の片経路にファイバストレッチャを配置し、干渉特性をモニタしながらファイバストレッチャを制御して非対称干渉計の光路長差を調整するシステムが開示されている。
【０００８】
しかしながら、光ファイバの線膨張係数は１０-6〜１０-5／Ｋであるから、１００ｃｍの光ファイバ（遅延量５ｎｓに相当）は０．１度の温度変化で１００〜１０００ｎｍ程度伸縮する。一般的な光通信やＱＫＤに使用する光信号の波長は１５５０ｎｍであるから、数ｎｓの遅延量を有する非対称干渉計を使用すると、遅延用光ファイバ全体を０．０１度よりも細かい粒度で温度制御しない限り安定した干渉特性を得ることが出来ない。そこで、非特許文献３では、平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）技術を利用して、光経路を小さい面積に実装することで温度制御の容易化を図っている。
【０００９】
上述した様に、単一方向型ＱＫＤを実現する上で課題であった、複数干渉計の相対遅延量の安定化技術が徐々に確立され始めていることを受け、単一方向型ＱＫＤは近年様々な展開を見せ始めた。たとえば非特許文献４には２入力２出力の一般的なマッハ・ツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計を使用する方式が提案され、非特許文献５には位相変調器を使用しない方式も提唱されている。両者とも、４つの量子状態を利用するＢＢ８４方式（非特許文献６参照）を具現化したものである。次に、これら非特許文献４および５に開示されたシステムについて説明する。
【００１０】
図１（ａ）は非特許文献４に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図であり、図１（ｂ）は非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。
【００１１】
図１（ａ）の方式（以下、「方式Ａ」と称す。）では４値の位相状態を使用する。まずＡｌｉｃｅ側の光源１１によって生成した光パルスは、ＰＬＣ  ＡＭＺ(asymmetric マッハ・ツェンダ)干渉計１２により２連パルスに時間分離され、これら２連パルスの位相差が位相変調器１３および１４によって０、π／２、π、３π／２の４通りに変調される。以下、位相差０とπのコーディングセットを「Ｘ基底(X basis)」、位相差π／２と３π／２のコーディングセットを「Ｙ基底(Y basis)」と呼ぶものとする。
【００１２】
Ｂｏｂでは、Ａｌｉｃｅから受信した２連パルスが位相変調器１６によって再度０若しくは−π／２の位相差変調を施され、ＰＬＣ ＡＭＺ干渉計１７によって合波された干渉結果が光子検出器ＡＰＤ1あるいはＡＰＤ2により検出される。
【００１３】
方式Ａにおいて、Ａｌｉｃｅ側で４値の位相変調を施す為には、１つの位相変調を４値駆動する方法と、２つの位相変調器を各々２値駆動する方法が挙げられる。１つの位相変調を４値駆動する方法は、位相変調器が１つで済むので送信器の省スペースと省電力が可能となるメリットを有する。反面、システムの繰り返し速度が１ＧＨｚを超える様な高速伝送系では、４値駆動信号の各レベルを精度良く設定することが困難となり、０、π／２、π、３π／２の各位相状態の精度が劣化して暗号鍵生成効率が劣化してしまうデメリットも有している。他方、２つの位相変調器を各々２値駆動する方法では、各２値信号の振幅調整を個別に調整することで４値の位相状態を精度良く生成できる。
【００１４】
図１（ｂ）の方式（以下、「方式Ｂ」と称す。）では２値の位相状態と２値の時間状態とを使用する。まずＡｌｉｃｅ側で４入力２出力のＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計を利用し、４つの入力ポート各々に光源ＬＤ１−ＬＤ４からの光パルスを入力する。光源ＬＤ１から光パルスを入力した場合、光パルスは干渉計の長経路のみを通る為、時間的に遅れた１パルスのみが伝送路に送出され、光源ＬＤ４から光パルスを入力した場合には、光パルスは干渉計の短経路のみを通る為に時間的に進んだ１パルスのみが伝送路に送出される。光源ＬＤ２およびＬＤ３から光パルスを入力した場合は、ＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計２５の両経路の位相差によって、Ｘ基底あるいはＹ基底を生成できる。Ｂｏｂ側では、２入力４出力のＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計２７を利用して各基底のデコードを行い、光子検出器ＡＰＤZ1、ＡＰＤ1、ＡＰＤ2あるいはＡＰＤZ2により検出される。
【００１５】
以下、光源ＬＤ１およびＬＤ４を使用した場合の様に、２連パルスの片側のみ光子が存在するようなコーディングセットを「Ｚ基底(Z basis)」と呼ぶこととする。なお、Ｘ基底あるいはＹ基底を選択時の２連パルスの光強度の総和は、Ｚ基底選択時と等しい必要がある為、個々のパルスの強度は半分となる。
【００１６】
すなわち、方式Ｂによれば、Ａｌｉｃｅ側は光源ＬＤ１−ＬＤ４のうちのどの光源から光パルスを発生させるかを選択し、Ｂｏｂ側は光子検出器ＡＰＤZ1、ＡＰＤ1、ＡＰＤ2あるいはＡＰＤZ2のいずれかで光子を検出することによりビットおよび基底を同時に判定することができる。
【００１７】
【非特許文献１】"Automated 'plug & play' quantum key distribution" G. Ribordy, J.-D. Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, Elec. Lett., Vol.34, No.22, pp.2116-2117
【非特許文献２】"Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre" Z. L. Yuan and A. J. Shields, Optics Express, Vol.13, pp.660-665
【非特許文献３】"Asymmetric Mach-Zehnder germano-silicate channel waveguide interferometers for quantum cryptography systems," G. Bonfrate, M. Harlow, C. Ford, G. Maxwell and P.D.  Townsend, Elec. Lett., Vol.37, No.13, pp.846-847
【非特許文献４】"One-Way Quantum Key Distribution System Based on Planar Lightwave Circuits" Yoshihiro NAMBU, Ken'ichiro YOSHINO and Akihisa TOMITA, Japanese Journal of  Applied Physics, Vol.45, pp. 5344-5348
【非特許文献５】"Quantum key distribution systems without optical switching using planar lightwave circuit," Yoshihiro Nambu, Ken'ichiro Yoshino, Akihisa Tomita, The 8th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing, P2-31
【非特許文献６】"QUANTUM CRYPTOGRAPHY: PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN  TOSSING," C. H. Bennett and G. Brassard, in Proceedings of the IEEE International  Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore (IEEE, New York,  1984), pp. 175-179
【非特許文献７】"Proposal of 8-state Symbol (Binary ASK and QPSK) 30-Gbit/s Optical Modulation /Demodulation Scheme," Shigenori Hayase, Nobuhiko Kikuchi, Kenro Sekine, Shinya Sasaki, ECOC2003, Th.2.6.4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
まず、方式Ａおよび方式Ｂの受信器構成には、各々メリットとデメリットがある。方式Ｂは、Ｂｏｂ側に位相変調器を必要としないので、位相変調器の損失分の長距離化・高速化が可能である、というメリットがある反面、光子検出器を４つ必要とする為に消費電力が大きい、というデメリットがある。逆に方式Ａでは、光子検出器が２つで良いので消費電力面でメリットがあるものの、Ｂｏｂ側の位相変調器の損失によって長距離・高速化に不向きである、というデメリットがある。したがって、方式ＡおよびＢのメリット・デメリットを考慮して両方式に適用できる送信器が望ましいものの、方式Ａおよび方式Ｂ両方に適用可能な送信器はこれまで提案されていない。
【００１９】
さらに、図１（ｂ）に示す方式Ｂでは４つの光源ＬＤ１−ＬＤ４を必要とするが、実際問題として、４つの光源からの出力光のスペクトルを完全に一致させることはきわめて困難である。この偏差が大きい場合、盗聴者Ｅｖｅは、波長の偏差を測定することによって、伝送されている量子状態を正しく特定することができ、盗聴の痕跡を残さずに量子状態を複製することが可能となる。
【００２０】
また、図１（ｂ）の方式Ｂを図１（ａ）の方式Ａにも対応できるような送信器構成とするために、ＡｌｉｃｅのＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計１２の出力に複数の変調器を単純に配置しようとすると、４個の変調器が必要となる。以下、図面を用いて説明する。
【００２１】
図２（ａ）はＸ、Ｙ、Ｚ基底を用意する為に必要な変調をまとめて示す概念図であり、図２（ｂ）はその信号点配置図である。図２に示す様に、方式Ａの２入力２出力のＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計１２の出力は強度の等しい２連光パルスとなる。Ｚ基底変調時には、強度変調器を利用してこの内の片方を完全に消光させる。Ｘ基底若しくはＹ基底変調時には、強度変調器を利用して両パルスの強度を半分にまで消光すると同時に、位相変調器を利用して２連パルス間に位相差を与える必要がある。つまり、方式Ａの受信器に対応する為にはπ／２刻みの４値の位相変調が必要となり、方式Ｂの受信器にも対応する為には０、１／２、１の３値の強度変調が必要となる。必要な信号点をＩＱ平面にプロットしたものが図２（ｂ）である。
【００２２】
図２（ｂ）において、Ｚ基底の光パルスはその位相状態が限定されない為、図２（ｂ）における点Ａは位相が０である必要は無く、ＩＱ平面の原点から点Ａまでの距離を半径とする同強度の円上のどこの点をとっても良い。このような変調を実現するために、非特許文献７に記載の変調方法を利用することができる。非特許文献７には、位相４値、強度２値の８値ＡＰＳＫ(Amplitude Phase Shift Keying)変調を２つの位相変調器と１つの強度変調器の合計３つの光変調器を用いて構成した変調器が開示されている。
【００２３】
図３は非特許文献７に記載されたＡＳＫ−ＱＰＳＫ送信器の構成を示すブロック図およびその信号点配置図である。
【００２４】
図３に示すように、光源３１の出力側に、(0、π)変調用の位相変調器３２および(0、π/2)変調用の位相変調器３３と、(1/2、1)変調用の強度変調器３４との合計３つの変調器をカスケード接続して必要なＩＱ平面上の信号点配置を用意できる。しかしながら、図３の符号配置図と図２（ｂ）の符号配置図とを比較すると、図３には強度０の点がないので、これを追加するために強度変調器を１つ追加する必要がある。つまり、光源３１の出力側に、(0、π)変調用の位相変調器３２および(0、π/2)変調用の位相変調器３３と(1/2、1)変調用の強度変調器３４とに加えて、さらに(0、1)変調用の強度変調器をカスケード接続することが必要である。
【００２５】
このように、非特許文献７による送信機の構成を利用して図２（ｂ）に示すような信号点配置を得ようとすれば、合計４個の光変調器が必要となる。消費電力、省スペースの観点から、使用する変調器の数はできるだけ減らすことが望ましい。
【００２６】
本発明の目的は、変調器の個数を低減させて強度３値および位相４値の変調を可能にする新たな構成の光送信器およびそれに用いられる複合変調器の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明による光送信器は、光パルスを位相変調および強度変調して送信する光送信器であって、前記光パルスを生成する光源と、前記光パルスから時間的に分離した２連パルスを生成する２連パルス生成手段と、前記２連パルスを第１経路および第２経路へ分岐させる分岐手段と、前記第１経路に設けられた第１光変調手段と、前記第２経路に直列に設けられた第２光変調手段および第３光変調手段と、前記第１経路を通過した２連パルスと前記第２経路を通過した２連パルスとを合波して出力２連パルスを生成する合波手段と、  を有し、前記第１光変調手段および前記第２光変調手段はそれぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行し、前記第３光変調手段は通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行することを特徴とする。
本発明による複合変調器の制御方法は、マッハ・ツェンダ干渉計の第１経路に第１光変調手段が接続され、第２経路に直列に第２光変調手段および第３光変調手段が接続された構成を有する複合変調器の制御方法であって、前記第１光変調手段および前記第２光変調手段はそれぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行し、前記第３光変調手段は通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、３つの光変調手段を用いて強度３値および位相４値の変調が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明による光送信器に用いられる複合変調器には、入力した２連パルスを分岐する分岐部の一方の経路に第１光変調器が、他方の経路に第２光変調器および第３光変調器が直列にそれぞれ設けられ、双方の経路から出力する２連パルスを合波する合波部が他方の端に設けられている。光送信器は、合波された２連パルスを必要に応じて減衰し、たとえば単一光子レベルの２連パルスとして送出する。以下、複合変調器にマッハ・ツェンダ干渉計のメイン構成を適用した例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００３０】
図４は本発明の一適用例である光送信器の概略的な構成を示すブロック図である。光源１０１によって生成された光パルスＰ０は、２連パルス生成部１０２によって２連パルスＰ１およびＰ２に分離され、複合変調器１０３によってＸ／Ｙ／Ｚ基底変調される。複合変調器１０３は、後述するように制御部１０５からの駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって制御される。複合変調器１０３によって変調された２連パルスは、必要に応じて単一光子レベルまで光強度を減衰され、伝送路へと送出される。
【００３１】
複合変調器１０３は光分岐部１３１と光合波部１３５との間に２つの経路を有し、第１の経路に第１光変調器１３２が、第２の経路に第２光変調器１３３および第３光変調器１３４がそれぞれ設けられている。２連パルス生成部１０２から入力した２連パルスＰ１およびＰ２は光分岐部１３１によってそれぞれ２分岐される。第１の経路の２連パルスは第１光変調器１３２を通過し、第２の経路の２連パルスは第２光変調器１３３および第３光変調器１３４を通過し、それぞれの経路を通過した２連パルスが光合波部１３５で合波されることで、後述するように、強度３値（０，１／２，１）および位相４値（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の変調を実現することができる。たとえば、第１光変調器１３２と第２光変調器１３３（あるいは第３光変調器１３４）とを強度変調器あるいは位相変調器（変調位相の振れ幅１８０°）のいずれかで動作させ、第３光変調器１３４（あるいは第２光変調器１３３）を変調位相の振れ幅９０°で切り替える。
【００３２】
本適用例では、第２の経路にある第２光変調器１３３および第３光変調器１３４の少なくとも一方は位相変調器であり、第２の経路にある他方の光変調器と第１の経路にある第１光変調器１３２とは強度変調器および位相変調器の任意の組み合わせである。２つの経路と光分岐部１３１および光合波部１３５とはマッハ・ツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計を構成することが望ましい。
【００３３】
また強度変調器は、後述するようにマッハ・ツェンダ干渉計を用いた強度変調器であることが望ましい。位相変調器もマッハ・ツェンダ型変調器を用いることができるが、これに限定されない。ここで用いられるマッハ・ツェンダ型変調器は、通常のマッハ・ツェンダ型ＬＮ（LiNbO3）変調器であり、後述するように駆動電圧ＲＦを制御することで光パルスに対して強度変調あるいは位相変調を行うことができる。
【００３４】
複合変調器１０３は制御部１０５により駆動される。ここでは、駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって、第１光変調器１３２、第２光変調器１３３および第３光変調器１３４がそれぞれ駆動される。制御部１０５は、それぞれの光変調器が強度変調あるいは位相変調のいずれを行うかに応じて、駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCをそれぞれ生成する。
【００３５】
また、光源１０１は、たとえばレーザダイオードであり、光パルスＰ０を出力する。２連パルス生成部１０２は、たとえば平面光回路の非対称マッハ・ツェンダ（ＰＬＣ  ＡＭＺ）型、Michelson型などの干渉計である。制御部１０５は、プログラム制御プロセッサあるいはＣＰＵ上でプログラムを実行することにより実現することもできる。
【００３６】
以下の各実施例で詳述するように、上述した３つの光変調器からなる複合変調器１０３によって２連パルスは図２に示す強度３値／位相４値で変調され、図１に示す方式Ａおよび方式Ｂ両方に適用可能な光送信器を実現することができる。
【００３７】
１．第１実施例
本発明の第１実施例によれば、複合変調器は、マッハ・ツェンダ干渉計の片経路（一方のアーム）に設けられたマッハ・ツェンダ強度変調器と、他経路（他方のアーム）に設けられたマッハ・ツェンダ強度変調器および位相変調器とを有する。すなわち、図４における第１光変調器１３２および第２光変調器１３３がマッハ・ツェンダ強度変調器、第３光変調器１３４が位相変調器である。
【００３８】
１．１）構成
図５（ａ）は本発明の第１実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、図５（ｂ）はその信号点配置図である。光源１０１によって生成された光パルスＰ０は、２連パルス生成部（ここではＰＬＣ  ＡＭＺ干渉計）１０２によって２連パルスＰ１およびＰ２へ分離される。２連パルスＰ１およびＰ２は、本実施例による複合変調器２０１によって変調された後、光減衰器１０４によって単一光子レベルまで光強度を減衰されて伝送路へと送出される。
【００３９】
複合変調器２０１はマッハ・ツェンダ干渉計のメイン構成を有し、入力段のＹ分岐２３１と、マッハ・ツェンダの一方のアーム上にあるマッハ・ツェンダ強度変調器２３２と、他方のアーム上にあるマッハ・ツェンダ強度変調器２３３および位相変調器２３４と、出力段のＹ分岐２３５とを有する。ここで、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いたＸカットのＬＮ変調器であることが望ましい。複合変調器２０１により変調された２連パルスは光減衰器１０４へ出力される。また、本実施例では、Ｙ分岐２３５による合波光は２分岐され、その一方の光がＹ分岐２３５の出力光として出力されるものとする。
【００４０】
複合変調器２０１のマッハ・ツェンダ強度変調器２３２、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３および位相変調器２３４は、それぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって駆動される。以下、各変調器の駆動電気信号は信号生成回路の容易化の為に全て２値信号とする。なお、複合変調器２０１を構成するための変調器は、ＬｉＮｂＯ3の導波路を使用してＳＳＢ−ＳＣ変調器またはＦＳＫ変調器として市販されている（たとえば、２００７年１月現在のＵＲＬ："http://www.socnb.com/report/pproduct/ln10.pdf"を参照)。
【００４１】
１．２）動作
図６は本発明の第１実施例で使用する複合変調器の各位置での光強度を表す図である。複合変調器２０１の入力点での光強度をＡとすると、入力側の分波用Ｙ分岐２３１の分波後の光強度は各々Ａ／２となり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３の各経路の光強度は各々Ａ／４となる。
【００４２】
図７は本発明の第１実施例で使用されるＸカットＬＮ強度変調器の変調曲線を概念的に示すグラフである。ＸカットのＬＮ変調器は、電極に電圧を施した際、片側の経路で光信号の位相が進み、他方の経路で光信号の位相が遅れる為、変調曲線（トランスファーカーブ）の最小点（Ｂ点）を跨がない限り変調器の出力位相は変化しない。すなわち、駆動電圧が０〜＋Ｖπであれば位相は０のままで出力光強度のみが変化し、駆動電圧が−Ｖπ〜０であれば位相はπのままで出力光強度のみが変化する。変調曲線の最小点Ｂを跨ぐと、出力光の位相がπ変化する。
【００４３】
以下の説明では、簡単の為、駆動信号ＲＦAおよびＲＦBの印加電圧を０[V]とした時に出力光強度が０となる様にマッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３のバイアス調整がなされているものとする。図７の変調曲線を参照すると、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２に印加される電圧ＲＦAはＡ点とＢ点の間を切り替わり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３に印加されるＲＦBはＢ点とＣ点との間を切り替わる。従って、Ｘカットマッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３の出力光の位相は正確に０とπの２値を取ることができる。
【００４４】
なお、ＲＦAおよびＲＦBを図７のＡ点に保持し（＋Ｖπ[V]印加）、位相変調器２３４に印加されるＲＦCを０[V]とした時に複合変調器２０１の出力光強度が最大となる様に各経路の光路差が調整されているとする。さらに、各変調器の位相差πを生じる為の駆動電圧Ｖπ[V]は等しいものとする。
【００４５】
図８は本発明の第１実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。ここでは、説明を簡略にするために、パルス時間帯ｔ１〜ｔ１２は２つずつ（ｔ１ｔ２／ｔ３ｔ４／・・・）がそれぞれ２連パルスのタイミングに対応するものとする。図８（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの波形図、図８（ｄ）は出力光強度を模式的に示す図、図８（ｅ）は出力光強度の相対的な大きさの変化を示す数値、図８（ｆ）は各２連パルスの出力光位相の変化を示す数値である。ただし、図８（ｅ）の数値は図６におけるＡ＝１とした時の比率を表すものとする。
【００４６】
図８のパルス時間帯ｔ１では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦCが０[V]となるので、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２の出力光は位相０、強度１／２となり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の光出力は強度０となる。これらの光が出力側のＹ分岐２３５で合波され、その合波光が２分岐されて出力されるので、出力光は位相０、強度１／４となる。他のパルス時間帯ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ８における変調も上記パルス時間帯ｔ１と同じ変調が行われるので、それらの時点でも出力光は位相０、強度１／４となる。
【００４７】
パルス時間帯ｔ４では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが−Ｖπ[V]、ＲＦCが０[V]となるので、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２の出力光強度は０となり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の出力光は位相π、強度１／２となる。したがって、出力側のＹ分岐２３５での合波出力光は位相π、強度１／４となる。
【００４８】
パルス時間帯ｔ６およびｔ７では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが−Ｖπ[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]となるので、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２の光出力強度は０となり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の光出力は位相π、強度１／２となる。マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の光出力は、さらに位相変調器２３４においてＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]に相当する位相変調を受ける為、Ｙ分岐２３５に入力する時には位相３π／２、強度１／２となる。これらの光を合波することで出力側のＹ分岐２３５の出力光は位相３π／２、強度１／４となる。
【００４９】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１２では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]となるので、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３の出力は共に強度０となり、出力側のＹ分岐２３５の出力も強度０となる。
【００５０】
最後に、パルス時間帯ｔ１０およびｔ１１では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが−Ｖπ[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]となるので、マッハ・ツェンダ強度変調器２３２の出力光は位相０、強度１／２となり、マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の出力光は位相π、強度１／２となる。マッハ・ツェンダ強度変調器２３３の出力光は、さらにＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]に相当する位相変調を受けるので、Ｙ分岐２３５に入力する時には、位相３π／２、強度１／２となる。位相０、強度１／２の光と位相３π／２、強度１／２の光とが合波することで、Ｙ分岐２３５の出力光は位相７π／４、強度１／２となる。
【００５１】
以上より、パルス時間帯ｔ１およびｔ２からなる時間帯Ｔ１は２連パルスの光強度が同じ（１／４）で出力光位相も同じであるから、Ｘ基底の“０”に対応する。パルス時間帯ｔ３およびｔ４からなる時間帯Ｔ２は２連パルスの光強度が同じ（１／４）で出力光位相が１８０°（π）異なるので、Ｘ基底の“１”に対応する。
【００５２】
パルス時間帯ｔ５およびｔ６からなる時間帯Ｔ３は２連パルスの光強度が同じ（１／４）で出力光位相が２７０°（３π／２）異なるので、Ｙ基底の“１”に対応する。パルス時間帯ｔ７およびｔ８からなる時間帯Ｔ４は２連パルスの光強度が同じ（１／４）で出力光位相が９０°（π／２）異なるので、Ｙ基底の“０”に対応する。
【００５３】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１０からなる時間帯Ｔ５とパルス時間帯ｔ１１およびｔ１２からなる時間帯Ｔ６とは、２連パルスの片方のパルスが消光され、かつ、他方の光パルス強度（１／２）がＸ、Ｙ基底選択時の２倍であるから、各々Ｚ基底の“０”および“１”に対応する。したがって、図４における強度３値（０，１／４，１／２）および位相４値（ａ＝０，ｂ＝π，ｃ＝３π／２，ｄ＝π／２）の変調が実現される。
【００５４】
このように、ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの３ポートの駆動信号によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ基底の“０”と“１”とを生成することができる。したがって、Ｘ、Ｙ、Ｚの３基底の中から任意の２基底を選択することによってＢＢ８４プロトコルを実装することができる。即ち、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の時間帯の変調をランダムに繰り返すと、方式Ａの受信器に対応する４値位相コーディングを実現できる。
【００５５】
また、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差を０若しくはπに設定すると、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。
【００５６】
さらに、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差をπ／２若しくは３π／２に設定しても、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。この場合は、ＲＦCには高速信号を施す必要が無く、＋Ｖπ／２[V]にバイアスし続けるだけで良い為、変調器ドライバで消費される消費電力をさらに低減することができる。
【００５７】
なお、本実施例では、パルス時間帯ｔ１〜ｔ３、ｔ５、ｔ８、ｔ９、ｔ１２では、ＲＦB＝０[V]であり、マッハ・ツェンダ変調器２３３の出力光強度が０となる為、ＲＦC＝０[V] 、Ｖπ／２[V]のどちらでも良い。本実施例で用意できる出力光状態をＩＱ平面にプロットすると図５（ｂ）の様になる。
【００５８】
１．３）効果
上述したように、本発明の第１実施例によれば、量子暗号方式ＡおよびＢの受信器両方に適用可能な送信器を構成できる。また、方式Ｂを利用する際に問題となった光源の波長偏差によって生じうる安全性低下を防ぐことができる。さらに、本実施例による光送信器は汎用性の高く、かつ省スペース化および省電力化を促進できるという利点もある。
【００５９】
本実施例では、光パルスの時間分離および合波を行う手段としてＰＬＣマッハ・ツェンダ干渉計を使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。Michelson型等の他の干渉計形態でも同様の送信器を構成することができる。
【００６０】
また、本実施例では、２つのマッハ・ツェンダ強度変調器２３２および２３３の駆動信号を振幅Ｖπ[V]で振る方法としたが、強度変調器の駆動電圧の振幅はＶπ[V]に限らず、変調曲線の最小点Ｂを得る為に必要な駆動電圧をＶmin[V]、振幅をＶａ[V]とすると、一方の変調器をＶmin[V]〜Ｖmin＋Ｖａ[V]、他方の変調器をＶmin[V]〜Ｖmin−Ｖａ[V]で変調すれば、同様の状態を得ることができる。
【００６１】
２．第２実施例
本発明の第２実施例によれば、複合変調器は、マッハ・ツェンダ干渉計の片経路（一方のアーム）に設けられたマッハ・ツェンダ強度変調器と、他経路（他方のアーム）に設けられた２つの位相変調器とを有する。すなわち、図４における第１光変調器１３２がマッハ・ツェンダ強度変調器、第２光変調器１３３および第３光変調器１３４が位相変調器である。
【００６２】
２．１）構成
図９（ａ）は本発明の第２実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、図９（ｂ）はその信号点配置図である。である。第２実施例は、図５に示す第１実施例とは複合変調器３０１の構成が異なるだけで、その他の回路構成は同じである。したがって、図５と同じ回路要素には同じ参照番号を付して説明は省略する。
【００６３】
複合変調器３０１はマッハ・ツェンダ干渉計のメイン構成を有し、入力段のＹ分岐３３１と、マッハ・ツェンダの一方のアーム上にあるマッハ・ツェンダ強度変調器３３２と、他方のアーム上にある位相変調器３３３および位相変調器３３４と、出力段のＹ分岐３３５とを有する。ここで、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いたＸカットのＬＮ変調器であることが望ましい。複合変調器３０１により変調された２連パルスは光減衰器１０４へ出力される。また、本実施例では、Ｙ分岐３３５による合波光は２分岐され、その一方の光がＹ分岐３３５の出力光として出力されるものとする。
【００６４】
複合変調器３０１のマッハ・ツェンダ強度変調器２３２、位相変調器３３３および位相変調器３３４は、それぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって駆動される。なおマッハ・ツェンダ強度変調器３３２は図７に示す変調曲線を有するものとする。
【００６５】
２．２）動作
以下の説明では、簡単の為、駆動信号ＲＦAの印加電圧を０[V]とした時に出力光強度が０となる様にマッハ・ツェンダ強度変調器３３２のバイアス調整がなされているものとする。図７の変調曲線を参照すると、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２に印加される電圧ＲＦAはＡ点とＢ点の間を切り替わる。
【００６６】
なお、ＲＦAを図７のＡ点に保持し（＋Ｖπ[V]印加）、位相変調器３３３および３３４にそれぞれ印加されるＲＦBおよびＲＦCを０[V]とした時に、位相変調器３３４の出力光の位相を０とし、複合変調器３０１の出力光強度が最大となる様に各経路の光路差が調整されているとする。さらに、各変調器の位相差πを生じる為の駆動電圧Ｖπ[V]は等しいものとする。
【００６７】
図１０は本発明の第２実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。ここでは、説明を簡略にするために、パルス時間帯ｔ１〜ｔ１２は２つずつ（ｔ１ｔ２／ｔ３ｔ４／・・・）が２連パルスのタイミングに対応するものとする。図１０（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの波形図、図１０（ｄ）は出力光強度を模式的に示す図、図１０（ｅ）は出力光強度の相対的な大きさの変化を示す数値、図１０（ｆ）は各２連パルスの出力光位相の変化を示す数値である。ただし、図１０（ｅ）の数値は図９における複合変調器３０１に入力する時の光パルス強度を１とした時の比率を表すものとする。
【００６８】
図１０のパルス時間帯ｔ１では、ＲＦA＝ＲＦB＝ＲＦC＝０[V]に設定されているので、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光強度は０となり、位相変調器３３４の出力光は位相０、強度１／２となる。これらの光を出力側のＹ分岐３３５で合波すると、その出力光は位相０、強度１／４となる。パルス時間帯ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ７においても、パルス時間帯ｔ１と同じ変調を施している為、位相０、強度１／４の出力光が得られる。
【００６９】
次に、パルス時間帯ｔ４では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦCが０[V]であるから、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光強度は０となり、位相変調器３３４の出力光は位相π、強度１／２となる。したがって、これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐３３５の出力光は位相π、強度１／４となる。
【００７０】
パルス時間帯ｔ６では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]であるから、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光強度は０となり、位相変調器３３４の出力光は位相３π／２、強度１／２となる。したがって、これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐３３５の出力光は位相３π／２、強度１／４となる。
【００７１】
パルス時間帯ｔ８では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]であるから、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光強度は０となり、位相変調器３３４の出力光は位相π／２、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐３３５の出力光は位相π／２、強度１／４となる。
【００７２】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１２では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦCが０[V]であるから、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光は位相０、強度１／２となり、位相変調器３３４の出力光は位相π、強度１／２となる。したがって、これらの光を合波すると、相殺し合って出力側のＹ分岐３３５の出力光は強度０となる。
【００７３】
最後に、パルス時間帯ｔ１０およびｔ１１では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦCが＋Ｖπ／２[V]であるから、マッハ・ツェンダ強度変調器３３２の出力光は、位相０、強度１／２となり、位相変調器３３４の出力光は位相３π／２、強度１／２となる。位相０、強度１／２の光と位相３π／２、強度１／２の光とを合波すると、Ｙ分岐３３５の出力光は位相７π／４、強度１／２となる。
【００７４】
以上より、パルス時間帯ｔ１およびｔ２からなる時間帯Ｔ１は２連パルスの光強度が同じで出力光位相も同じであるから、Ｘ基底の“０”に対応する。パルス時間帯ｔ３およびｔ４からなる時間帯Ｔ２は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が１８０°（π）異なるので、Ｘ基底の“１”に対応する。
【００７５】
パルス時間帯ｔ５およびｔ６からなる時間帯Ｔ３は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が２７０°（３π／２）異なるので、Ｙ基底の“１”に対応する。パルス時間帯ｔ７およびｔ８からなる時間帯Ｔ４は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が９０°（π／２）異なるので、Ｙ基底の“０”に対応する。
【００７６】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１０からなる時間帯Ｔ５とパルス時間帯ｔ１１およびｔ１２からなる時間帯Ｔ６とは、２連パルスの片方のパルスが消光され、かつ、他方の光パルス強度がＸ、Ｙ基底選択時の２倍であるから、各々Ｚ基底の“０”および“１”に対応する。したがって、図４における強度３値（０，１／４，１／２）および位相４値（ａ＝０，ｂ＝π，ｃ＝３π／２，ｄ＝π／２）の変調が実現される。
【００７７】
このように、ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの３ポートの駆動信号によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ基底の“０”と“１”とを生成することができる。したがって、Ｘ、Ｙ、Ｚの３基底の中から任意の２基底を選択することによってＢＢ８４プロトコルを実装することができる。即ち、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の時間帯の変調をランダムに繰り返すと、方式Ａの受信器に対応する４値位相コーディングを実現できる。この場合は、ＲＦAには高速信号を施す必要が無く、０[V]のバイアスをかけ続けるだけで良い為、変調器ドライバで消費される電力を低減することができる。
【００７８】
また、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差を０若しくはπに設定すると、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。
【００７９】
さらに、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差をπ／２若しくは３π／２に設定しても、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。本実施例で用意できる出力光状態をＩＱ平面にプロットすると図９の様になる。
【００８０】
２．３）効果
本発明の第２実施例においても第１実施例と同等の効果を得ることが出来る。すなわち、第２実施例によっても量子暗号方式ＡおよびＢの受信器両方に適用可能な送信器を構成できる。また、方式Ｂを利用する際に問題となった光源の波長偏差によって生じうる安全性低下を防ぐことができる。さらに、本実施例による光送信器は汎用性の高く、かつ省スペース化および省電力化を促進できるという利点もある。
【００８１】
第２実施例では、光パルスの時間分離および合波を行う手段としてＰＬＣマッハ・ツェンダ干渉計を使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。Michelson型等の他の干渉計形態でも同様の送信器を構成することができる。
【００８２】
また、第２実施例では、第１のマッハ・ツェンダ強度変調器２３２の駆動信号を振幅Ｖπ[V]で振る方法としたが、強度変調器の駆動電圧の振幅はＶπ[V]に限らず、変調曲線の最小点Ｂを得る為に必要な駆動電圧をＶmin[V]、振幅をＶａ[V]とすると、一方の変調器をＶmin[V]〜Ｖmin＋Ｖａ[V]、他方の変調器をＶmin[V]〜Ｖmin−Ｖａ[V]で変調すれば、同様の状態を得ることができる。
【００８３】
なお、位相変調器３３３は等しい強度で位相を０とπとの間で切り替える動作を行えばよいから、図５の第１実施例におけるマッハ・ツェンダ変調器２３３を、図７の変調曲線からわかるように、−Ｖπ〜＋Ｖπの間で振る構成でも同等の変調を行うことができる。
【００８４】
３．第３実施例
本発明の第３実施例によれば、複合変調器は、マッハ・ツェンダ干渉計の片経路（一方のアーム）に設けられた１つの位相変調器と、他経路（他方のアーム）に設けられた２つの位相変調器とを有する。すなわち、図４における第１光変調器１３２、第２光変調器１３３および第３光変調器１３４がすべて位相変調器である。
【００８５】
３．１）構成
図１１（ａ）は本発明の第３実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、図１１（ｂ）はその信号点配置図である。である。第３実施例は、図５に示す第１実施例とは複合変調器４０１の構成が異なるだけで、その他の回路構成は同じである。したがって、図５と同じ回路要素には同じ参照番号を付して説明は省略する。
【００８６】
複合変調器４０１はマッハ・ツェンダ干渉計のメイン構成を有し、入力段のＹ分岐４３１と、マッハ・ツェンダの一方のアーム上の位相変調器４３２と、他方のアーム上の位相変調器４３３および位相変調器４３４と、出力段のＹ分岐４３５とを有する。複合変調器３０１により変調された２連パルスは光減衰器１０４へ出力される。複合変調器４０１の位相変調器４３２、４３３および４３４は、それぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって駆動される。また、本実施例では、Ｙ分岐４３５による合波光は２分岐され、その一方の光がＹ分岐４３５の出力光として出力されるものとする。
【００８７】
３．２）動作
以下の説明では、簡単の為、駆動信号ＲＦAの印加電圧を０[V]とした時に位相変調器４３２の出力光の位相が０、駆動信号ＲＦBの印加電圧を０[V]とした時に位相変調器４３３の出力光の位相が０、ＲＦA＝ＲＦB＝ＲＦC＝０[V]に設定された時に複合変調器３０１の出力光強度が最大となる様に各経路の光路差が調整されているとする。さらに、各変調器の位相差πを生じる為の駆動電圧Ｖπ[V]は等しいものとする。
【００８８】
図１２は本発明の第３実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。ここでは、説明を簡略にするために、パルス時間帯ｔ１〜ｔ１２は２つずつ（ｔ１ｔ２／ｔ３ｔ４／・・・）２連パルスのタイミングに対応するものとする。図１２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの波形図、図１２（ｄ）は出力光強度を模式的に示す図、図１２（ｅ）は出力光強度の相対的な大きさの変化を示す数値、図１２（ｆ）は各２連パルスの出力光位相の変化を示す数値である。ただし、図１２（ｅ）の数値は、図１１における複合変調器４０１に入力する時の光パルス強度を１とした時の比率を表すものとする。
【００８９】
図１２のパルス時間帯ｔ１では、ＲＦA＝ＲＦB＝０[V]、ＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]に設定されているので、位相変調器４３２の出力光は位相０、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相π／２、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は、位相π／４、強度１／２となる。パルス時間帯ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ７においても、パルス時間帯ｔ１と同じ変調を施している為、位相π／４、強度１／２の出力光が得られる。
【００９０】
次に、パルス時間帯ｔ４では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]であるから、位相変調器４３２の出力光は位相π、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相３π／２、強度１／２となる。したがって、これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は位相５π／４、強度１／２となる。
【００９１】
パルス時間帯ｔ６では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが＋Ｖπ[V]、ＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]であるから、位相変調器４３２の出力光は位相０、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相３π／２、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は位相７π／４、強度１／２となる。
【００９２】
パルス時間帯ｔ８では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦC＝＋Ｖπ／２[V]であるから、位相変調器４３２の出力光は位相π、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相π／２、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は位相３π／４、強度１／２となる。
【００９３】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１２では、ＲＦAが＋Ｖπ[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦC＝０[V]であるから、位相変調器４３２の出力光は位相π、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相０、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は強度０となる。
【００９４】
最後に、パルス時間帯ｔ１０およびｔ１１では、ＲＦAが０[V]、ＲＦBが０[V]、ＲＦC＝０[V]であるから、位相変調器４３２の出力光は位相０、強度１／２となり、位相変調器４３４の出力光は位相０、強度１／２となる。これらの光を合波すると、出力側のＹ分岐４３５の出力光は位相０、強度１となる。
【００９５】
以上より、パルス時間帯ｔ１およびｔ２からなる時間帯Ｔ１は２連パルスの光強度が同じで出力光位相も同じであるから、Ｘ基底の“０”に対応する。パルス時間帯ｔ３およびｔ４からなる時間帯Ｔ２は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が１８０°（π）異なるので、Ｘ基底の“１”に対応する。
【００９６】
パルス時間帯ｔ５およびｔ６からなる時間帯Ｔ３は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が２７０°（３π／２）異なるので、Ｙ基底の“１”に対応する。パルス時間帯ｔ７およびｔ８からなる時間帯Ｔ４は２連パルスの光強度が同じで出力光位相が９０°（π／２）異なるので、Ｙ基底の“０”に対応する。
【００９７】
パルス時間帯ｔ９およびｔ１０からなる時間帯Ｔ５とパルス時間帯ｔ１１およびｔ１２からなる時間帯Ｔ６とは、２連パルスの片方のパルスが消光され、かつ、他方の光パルス強度がＸ、Ｙ基底選択時の２倍であるから、各々Ｚ基底の“０”および“１”に対応する。したがって、図４における強度３値（０，１／２，１）および位相４値（ａ＝π／４，ｂ＝５π／４，ｃ＝７π／４，ｄ＝３π／４）の変調が実現される。
【００９８】
このように、ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCの３ポートの駆動信号によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ基底の“０”と“１”とを生成することができる。したがって、Ｘ、Ｙ、Ｚの３基底の中から任意の２基底を選択することによってＢＢ８４プロトコルを実装することができる。即ち、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の時間帯の変調をランダムに繰り返すと、方式Ａの受信器に対応する４値位相コーディングを実現できる。この場合は、ＲＦcには高速信号を施す必要が無く、＋Ｖπ／２[V]のバイアスをかけ続けるだけで良い。
【００９９】
また、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差を０若しくはπに設定すると、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。
【０１００】
さらに、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の時間帯の変調をランダムに繰り返し、２入力４出力ＰＬＣ  ＡＭＺ２１３のマッハ・ツェンダ干渉計の両経路の位相差をπ／２若しくは３π／２に設定しても、方式Ｂの受信器に対応する２値位相＋２値時間コーディングを実現できる。本実施例で用意できる出力光状態をＩＱ平面にプロットすると図１４の様になる。
【０１０１】
３．３）効果
本発明の第３実施例においても第１実施例と同等の効果を得ることが出来る。すなわち、第２実施例によっても量子暗号方式ＡおよびＢの受信器両方に適用可能な送信器を構成できる。また、方式Ｂを利用する際に問題となった光源の波長偏差によって生じうる安全性低下を防ぐことができる。さらに、本実施例による光送信器は汎用性の高く、かつ省スペース化および省電力化を促進できるという利点もある。
【０１０２】
第３実施例では、光パルスの時間分離および合波を行う手段としてＰＬＣマッハ・ツェンダ干渉計を使用したが、本発明はこの実施例に限定されない。Michelson型等の他の干渉計形態でも同様の送信器を構成することができる。
【０１０３】
なお、位相変調器４３３の出力光は等しい強度で位相が０とπとの間で振れれば良い為、次に示す変形例のように位相変調器４３３をマッハ・ツェンダ強度変調器で置き換えることもできる。
【０１０４】
３．４）変形例
図１５は本発明の第３実施例の変形例による光送信器の概略的構成を示すブロック図である。この変形例は、図１２に示す第３実施例とは複合変調器の第２位相変調器が異なるだけで、その他の回路構成は同じである。したがって、図１２と同じ回路要素には同じ参照番号を付して説明は省略する。
【０１０５】
複合変調器４０２はマッハ・ツェンダ干渉計のメイン構成を有し、入力段のＹ分岐４３１と、マッハ・ツェンダの一方のアーム上の位相変調器４３２と、他方のアーム上のマッハ・ツェンダ強度変調器４３６および位相変調器４３４と、出力段のＹ分岐４３５とを有する。複合変調器３０１により変調された２連パルスは光減衰器１０４へ出力される。複合変調器４０１の位相変調器４３２、マッハ・ツェンダ強度変調器４３６および位相変調器４３４は、それぞれ駆動信号ＲＦA、ＲＦBおよびＲＦCによって駆動される。
【０１０６】
マッハ・ツェンダ強度変調器４３６は、図１２の位相変調器４３３と同様に出力光の強度が等しく位相が０とπとの間で振れれば良いので、駆動信号ＲＦBを−Ｖπ〜＋Ｖπで振ることにより同等の変調を行うことができる。
【０１０７】
４．本発明の諸側面
本発明による光送信器は、光パルスを生成する光源と、光パルスから時間的に分離した２連パルスを生成する２連パルス生成手段と、複合光変調器とを有する。複合光変調器は、２連パルスを第１経路および第２経路へ分岐させる分岐手段と、第１経路に設けられた第１光変調手段と、第２経路に直列に設けられた第２光変調手段および第３光変調手段と、第１経路を通過した２連パルスと第２経路を通過した２連パルスとを合波して出力２連パルスを生成する合波手段と、を有する。第１光変調手段および第２光変調手段はそれぞれ通過する２連パルスの間で相対的な強度変調あるいは相対的な位相変調のいずれかを実行し、第３光変調手段は通過する２連パルスの間で相対的な位相変調を実行する。これによって、たとえばＸ、Ｙ、Ｚ基底の量子状態を３つの変調器で実現することができる。
【０１０８】
本発明の第１実施例によれば、第３光変調手段の変調位相を０°と９０°との間で切り替え、第１光変調手段および第２光変調手段の各々は、所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器である。特に、第１光変調手段を変調曲線の極小点と第１動作点との間で切り替え、第２光変調手段を変調曲線の極小点と第２動作点との間で切り替え、第１動作点と第２動作点とは変調曲線において極小点を挟んで対称に位置する。
【０１０９】
本発明の第２実施例によれば、第３光変調手段の変調位相を０°と９０°との間で切り替え、第１光変調手段は所定の変調曲線を有するマッハ・ツェンダ光強度変調器であり、第２光変調手段は光位相変調器である。特に、第１光変調手段を変調曲線の極小点と極大点との間で切り替え、第２光変調手段の変調位相を０°と１８０°との間で切り替える。
【０１１０】
本発明の第３実施例によれば、第３光変調手段の変調位相を０°と９０°との間で切り替え、第１光変調手段および前記第２光変調手段の各々は、変調位相を０°と１８０°との間で切り替える光位相変調器である。
【０１１１】
本発明によれば、図１（ｂ）に示す方式Ｂを利用する際に、４つの光源の波長偏差によって生じうる安全性低下を防ぐことができる。これは、図４に示す様に、１つの光源からの光パルスを利用して、たとえばＸ、Ｙ、Ｚ基底の量子状態を生成するので光源の個体差に伴う波長偏差が生じないからである。
【０１１２】
さらに、汎用性の高い送信器を構成する際に、省スペース、省電力が実現できる。これは、図１（ａ）に示す方式Ａの送信器の構成を用いて図１（ｂ）に示す方式Ｂと同じＸ、Ｙ、Ｚ基底の量子状態を生成しようとした場合に比較して、必要な変調器を１つ省略できるからである。
【０１１３】
なお、上述した実施例では、量子暗号鍵配付技術に用いられるＢＢ８４プロトコルを例示したが、これに限定されるものではない。たとえば６−ｓｔａｔｅプロトコルにも利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は光パルス間で位相変調を行う方式の光変調器一般に適用可能であり、たとえば単一光子レベルの光信号を利用した量子暗号鍵配付技術における送信器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】（ａ）は非特許文献４に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図であり、（ｂ）は非特許文献５に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。
【図２】（ａ）はＸ、Ｙ、Ｚ基底を用意する為に必要な変調をまとめて示す概念図であり、（ｂ）はその信号点配置図である。
【図３】（ａ）は非特許文献７に記載されたＡＳＫ−ＱＰＳＫ送信器の構成を示すブロック図およびその信号点配置図であり、（ｂ）はその変調方法を利用して４値の位相変調および３値の強度変調を実現したＡＳＫ−ＱＰＳＫ送信器の構成を示すブロック図およびその信号点配置図である。
【図４】本発明の一適用例である光送信器の概略的な構成を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は本発明の第１実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）はその信号点配置図である。
【図６】本発明の第１実施例で使用する複合変調器の各位置での光強度を表す図である。
【図７】本発明の第１実施例で使用されるＸカットＬＮ強度変調器の変調曲線を概念的に示すグラフである。
【図８】本発明の第１実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。
【図９】（ａ）は本発明の第２実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）はその信号点配置図である。
【図１０】本発明の第２実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第３実施例による光送信器の概略的構成を示すブロック図であり、（ｂ）はその信号点配置図である。
【図１２】本発明の第３実施例で使用する複合変調器の駆動方法を説明するための駆動電圧と出力光強度／位相との関係を示す模式図である。
【図１３】本発明の第３実施例の変形例による光送信器の概略的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０１  光源
１０２  ２連パルス生成部（２入力２出力PLC AMZ）
１０３、２０１、３０１、４０１、４０２  複合変調器
１０４  光減衰器
１３１  分岐部
１３２  第１光変調器
１３３  第２光変調器
１３４  第３光変調器
１３５  合波部
２３１、３３１、４３１  入力側Ｙ分岐
２３２  マッハ・ツェンダ強度変調器
２３３  マッハ・ツェンダ強度変調器
２３４  位相変調器
３３２  マッハ・ツェンダ強度変調器
３３３  位相変調器
３３４  位相変調器
４３２  位相変調器
４３３  位相変調器
４３４  位相変調器
４３６  マッハ・ツェンダ強度変調器
２３５、３３５、４３５  出力側Ｙ分岐
【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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