(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは偶数、かつ、Ｎ≧４）種類の値の変調電圧により位相変調をかけた既変調光信号と位相変調をかけていない未変調光信号との２つの光信号を含む光信号を光信号送信装置から受信して、受信した２つの光信号を含む光信号を既変調光信号と未変調光信号とに分離する分離器と、
分離器により分離された未変調光信号に対して上記Ｎ種類の値の変調電圧により位相変調をかけ、位相変調をかけた光信号を現変調光信号として出力する位相変調器と、
位相変調器により出力された現変調光信号と分離器により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合器と、
結合器から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する２つの検出器と、
上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を発生させて、位相変調器に上記Ｎ種類の値の変調電圧による位相変調をかけさせるとともに、２つの検出器から検出信号を受け取り、発生させた上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号と２つの検出器から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理装置とを備え、
上記信号処理装置は、上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を１つのグループがＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号を有するように第１のグループと第２のグループの２つのグループに分け、第１のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法と、第２のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法とを取り替える
ことを特徴とする光信号受信装置。
【請求項２】
Ｎ（Ｎは偶数、かつ、Ｎ≧４）種類の値の変調電圧により位相変調をかけた既変調光信号と位相変調をかけていない未変調光信号との２つの光信号を含む光信号を光信号送信装置から受信して、受信した２つの光信号を含む光信号を既変調光信号と未変調光信号とに分離する分離器と、
分離器により分離された未変調光信号に対して上記Ｎ種類の値の変調電圧により位相変調をかけ、位相変調をかけた光信号を現変調光信号として出力する位相変調器と、
位相変調器により出力された現変調光信号と分離器により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合器と、
結合器から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する２つの検出器と、
上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を発生させて、位相変調器に上記Ｎ種類の値の変調電圧による位相変調をかけさせるとともに、２つの検出器から検出信号を受け取り、発生させた上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号と２つの検出器から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理装置とを備え、
上記信号処理装置は、上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を１つのグループがＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号を有するように第１のグループと第２のグループの２つのグループに分け、第１のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に、所定の符号化アルゴリズムを用いて２値の信号を求めて出力信号とし、第２のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合には、上記所定の符号化アルゴリズムと同一のアルゴリズムを用いて得た２値の信号を反転させて出力信号とする
ことを特徴とする光信号受信装置。
【請求項３】
上記Ｎ種類の値の変調電圧は、０，π／２，π，−π／２の４つの種類の値であり、
上記信号処理装置は、０，π／２，π，−π／２の４種類の値の変調電圧に対応する信号のうち、０とπ／２の２種類の値の変調電圧に対応する信号を第１グループとし、πと−π／２の２種類の値の変調電圧に対応する信号を第２のグループとすることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号受信装置。
【請求項４】
上記光信号は光子列であり、
上記検出器は、光子を検出する光検出器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号受信装置。
【請求項５】
Ｎ（Ｎは偶数、かつ、Ｎ≧４）種類の値の変調電圧により位相変調をかけた既変調光信号と位相変調をかけていない未変調光信号との２つの光信号を含む光信号を受信して、受信した２つの光信号を含む光信号を既変調光信号と未変調光信号とに分離する分離工程と、
分離工程により分離された未変調光信号に対して上記Ｎ種類の値の変調電圧により位相変調をかけ、位相変調をかけた光信号を現変調光信号として出力する位相変調工程と、
位相変調工程により出力された現変調光信号と分離工程により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合工程と、
結合工程から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する検出工程と、
上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を発生させて、位相変調工程において上記Ｎ種類の値の変調電圧による位相変調をかけさせるとともに、検出工程から検出信号を受け取り、発生させた上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号と検出工程から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理工程とを備え、
上記信号処理工程は、上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を１つのグループがＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号を有するように第１のグループと第２のグループの２つのグループに分け、第１のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法と、第２のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法とを取り替える
ことを特徴とする光信号受信方法。
【請求項６】
Ｎ（Ｎは偶数、かつ、Ｎ≧４）種類の値の変調電圧により位相変調をかけた既変調光信号と位相変調をかけていない未変調光信号との２つの光信号を含む光信号を受信して、受信した２つの光信号を含む光信号を既変調光信号と未変調光信号とに分離する分離工程と、
分離工程により分離された未変調光信号に対して上記Ｎ種類の値の変調電圧により位相変調をかけ、位相変調をかけた光信号を現変調光信号として出力する位相変調工程と、
位相変調工程により出力された現変調光信号と分離工程により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合工程と、
結合工程から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する検出工程と、
上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を発生させて、位相変調工程において上記Ｎ種類の値の変調電圧による位相変調をかけさせるとともに、検出工程から検出信号を受け取り、発生させた上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号と検出工程から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理工程とを備え、
上記信号処理工程は、上記Ｎ種類の値の変調電圧に対応する信号を１つのグループがＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号を有するように第１のグループと第２のグループの２つのグループに分け、第１のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合に、所定の符号化アルゴリズムを用いて２値の信号を求めて出力信号とし、第２のグループに属するＮ／２種類の値の変調電圧に対応する信号に基づいて位相変調がなされた場合には、上記所定の符号化アルゴリズムと同一のアルゴリズムを用いて得た２値の信号を反転させて出力信号とする
ことを特徴とする光信号受信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子効率の偏差を打ち消す光信号受信装置及び、光信号受信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、「光信号受信装置」の一例として「量子受信装置」を用いて説明する。また、「光信号送信装置」の一例として「量子送信装置」を用いて説明する。
図５に、従来の量子受信装置の構成図を示す。
図５において、９００は、従来のＢＢ８４プロトコル（”ＢＢ８４プロトコル”とはＣｈａｒｌｅｓ  Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇｉｌｌｅｓ  Ｂｒａｓｓａｒｄが１９８４年に提案した量子的鍵の配布方式である）を実装する量子受信装置（光信号受信装置）である。量子受信装置９００は図示していない量子送信装置から光信号９１０を入力する。光信号９１０は、量子送信装置の位相変調器（ＰＭＡ）によって「０」，「π」，「π／２」，「−π／２」の位相変調がランダムに等しい比率で（１／４の比率で）かけられている既変調光信号９５０と、位相変調がかけられていない未変調光信号９６０とが含まれた光信号である。９０１は、光信号９１０を入力して、既変調光信号９５０と未変調光信号９６０とに分離するカプラである。９０２は未変調光信号９６０を入力して位相変調を行い、現変調光信号９７０を出力する位相変調器（ＰＭＢ）である。位相変調器９０２は、未変調光信号９６０に対して「０」，「π／２」の位相変調を行う。９０８は、位相変調器９０２に対して「０」と「π／２」の位相変調を印加する変調電圧印加器である。９０３は、既変調光信号９５０のタイミング調整用に設けられた迂回路（遅延バッファ）である。９０４は、既変調光信号９５０と現変調光信号９７０とを入力して結合し、現変調光信号９７０と既変調光信号９５０との干渉を誘起して、干渉した光信号９８０と９９０を出力するカプラ９０４である。９０５と９０６とは検出器であり、検出器９０５をＡＰＤ１（ＡＰＤはＡｖａｌａｎｃｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅの略）とし、検出器９０６をＡＰＤ２とする。ＡＰＤ１  ９０５とＡＰＤ２  ９０６とは互いに相反する検出結果を出力する検出器であり、例えば、ＡＰＤ１  ９０５は光路位相差０の光子を検出する。一方、ＡＰＤ２  ９０６は光路位相差πの光子を検出する。ＡＰＤ１  ９０５で光子を検出した場合は出力信号を「１」とし、ＡＰＤ２  ９０６で光子を検出した場合は出力信号を「０」とする。また、ＡＰＤ１  ９０５における「１」の量子効率は「η１」とし、ＡＰＤ２  ９０６における「０」の量子効率は「η２」とする。ＢＢ８４プロトコルを実装する従来の量子受信装置は、量子効率（η１とη２）が等しいことを前提にして、位相変調器９０２により２つ（Ｎ／２（Ｎは偶数））の変調をかけ、ＡＰＤ１  ９０５とＡＰＤ２  ９０６で信号を検出している。
【０００３】
図６は、位相変調した光信号をそれぞれの検出器により検出した結果を示す図である。
図６において、Ｓ１０１は、図５には図示していない量子送信装置側の位相変調器による位相変調の値を示している。量子送信装置側の位相変調器（ＰＭＡ）による位相変調は「０」，「π／２」，「π」，「−π／２」の４値（φＡ）による位相変調を行う。Ｓ１０２は、図６の位相変調器（ＰＭＢ）９０２による位相変調の値を示している。位相変調器９０２による位相変調は、「０」，「π／２」の２値（φＢ）による位相変調を行う。Ｓ１０３は、カプラ９０４による干渉結果△φを示しており、式「φＡ  −  φＢ  ＝  △φ」によって求められる。Ｓ１０４は、ＡＰＤ１  ９０５の検出結果を示しており、干渉結果△φ＝０の場合は、光路位相差０の光子が検出されたものとし、△φ＝０を検出した場合の検出結果を「１」とする。△φ＝πの場合は、光路位相差πの光子なので（光路位相差０の光子ではないので）、検出結果は「０」となる。△φ＝π／２及び△φ＝−π／２の場合の検出結果は、光路位相差０の光子か光路位相差πの光子かのいずれになるか不明であり、「１／０」のいずれかになる（１又は０のいずれか、すなわち、不定）。Ｓ１０５は、ＡＰＤ２  ９０６の検出結果を示しており、干渉結果△φ＝πの場合は、光路位相差πの光子が検出されたものとし、△φ＝πを検出した場合の検出結果を「１」とする。△φ＝０場合は、光路位相差０の光子なので（光路位相差πの光子ではないので）の検出結果は「０」となる。△φ＝π／２及び△φ＝−π／２の場合の検出結果は、光路位相差０の光子か光路位相差πの光子かのいずれになるか不明であり、「０／１」のいずれかになる（１又は０のいずれか、すなわち、不定）。Ｓ１０６は、出力信号であり、ＡＰＤ１  ９０５の検出結果が「１」の時、出力信号の値を「１」とし、ＡＰＤ２  ９０６の検出結果が「１」の時、出力信号の値を「０」とする。Ｓ１０７は、出力信号の出現比を示している。ＡＰＤ１  ９０５への光路位相差０の光子の入力比率とＡＰＤ２  ９０６への光路位相差πの光子の入力比率は等しいはずであるが、ＡＰＤ１  ９０５が光路位相差０の光子を検出する量子効率（検出効率）η１とＡＰＤ２  ９０６が光路位相差πの光子を検出する量子効率（検出効率）η２とが異なっている。したがって、ＡＰＤ１  ９０５の出力信号の値が「１」である時の比率は「η１」、ＡＰＤ１  ９０５の出力信号の値が「０」である時の比率は「η２」となってしまう。ＡＰＤ１  ９０５とＡＰＤ２  ９０６の出力信号の値が「１／０」、「０／１」の場合は、後に無視されるため、ここでは、「η１」及び「η２」の比率には含めない。Ｓ１０８は、出力信号の値「１」と「０」の全体出現比を示しており、「１：０  ＝  η１：η２」である。
図６のＳ１０１，Ｓ１０２はカプラ９０４の入力であり、Ｓ１０３はカプラ９０４の出力であり、Ｓ１０４はＡＰＤ１  ９０５の検出結果であり、Ｓ１０５はＡＰＤ２  ９０６の検出結果である。Ｓ１０６の出力信号はＡＰＤ１  ９０５とＡＰＤ２  ９０６の検出結果に依存している。
図６に示すように、Ｓ１０６の出力信号は、Ｓ１０１のＰＭＡのφＡが「π／２」と「−π／２」のいずれかであり、ＰＭＢのφＢが「０」ある場合に、「１」になるか「０」になるか分からない。このため、出力信号としては無効とする。Ｓ１０１のＰＭＡのφＡが「０」と「π」のいずれかであり、ＰＭＢのφＢが「０」である場合にその出力信号を有効とする。また、ＰＭＡのφＡが「０」と「π」のいずれかであり、ＰＭＢのφＢが「π／２」である場合に、「１」になるか「０」になるか分からない。このため、出力信号としては無効とする。ＰＭＡのφＡが「π／２」と「−π／２」のいずれかであり、ＰＭＢのφＢが「π／２」である場合、その出力信号を有効とする。図６から有効とする出力信号を抽出して図７に示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の量子受信装置は上記したように構成され、出力信号を生成する。ＢＢ８４プロトコルを実装する従来の量子受信装置は、量子効率（η１とη２）が等しいことを前提にして、位相変調器９０２により２値の変調をかけ、ＡＰＤ１  ９０５とＡＰＤ２  ９０６で信号を検出している。しかし、この場合、量子効率に偏りがあると出力信号の値が「０」と「１」のどちらかに偏ってしまうという問題が発生する。
【０００５】
この発明は上記した問題を解決して、以下のことを目的とする。
２つの検出器の量子効率に偏りがある場合でも、出力信号の値が「０」と「１」のどちらかに偏らない量子受信装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光信号受信装置は、光信号を受信し、既にＮ（Ｎは偶数）値の位相変調がかけられた既変調光信号と未だ位相変調がかけられていない未変調光信号との２つの光信号に分離する分離器と、分離器により分離された未変調光信号に対してＮ値の位相変調をかけ、位相変調した光信号を現変調光信号として出力する位相変調器と、位相変調器により出力された現変調光信号と分離器により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合器と、結合器から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する２つの検出器と、Ｎ値の信号を発生させて位相変調器にＮ値の位相変調をかけさせるとともに、２つの検出器から検出信号を受け取り、発生させたＮ値の信号と２つの検出器から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理装置とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係る光信号受信装置は、上記光信号は光子列であり、上記検出器は、光子を検出する光検出器であることを特徴とする。
【０００８】
また、この発明に係る光信号受信装置は、上記信号処理装置は、Ｎ値の信号をＮ／２値の信号からなる第１のグループと第２のグループに分け、第１のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法と、第２のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法とを取り替えることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係る光信号受信装置は、上記信号処理装置は、Ｎ値（Ｎ≧４）の信号をＮ／２値の信号からなる第１のグループと第２のグループに分け、第１のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合に、所定の符号化アルゴリズムを用いて２値の信号を求めて出力信号とし、第２のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合には、上記所定の符号化アルゴリズムと同一のアルゴリズムを用いて得た２値の信号を反転させて出力信号とすることを特徴とする。
【００１０】
また、この発明に係る光信号受信装置は、上記信号処理装置は、０，π／２，π，−π／２の４値の信号のうち、０とπ／２とを第１グループとし、πと−π／２とを第２のグループとすることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る光信号受信方法は、光信号を受信し、既にＮ（Ｎは偶数）値の位相変調がかけられた既変調光信号と未だ位相変調がかけられていない未変調光信号との２つの光信号に分離する分離工程と、分離工程により分離された未変調光信号に対してＮ値の位相変調をかけ、位相変調した光信号を現変調光信号として出力する位相変調工程と、位相変調工程により出力された現変調光信号と分離工程により分離された既変調光信号とを結合し、現変調光信号と既変調光信号との干渉を誘起する結合工程と、結合工程から出力される光信号の検出を行い検出信号を出力する検出工程と、Ｎ値の信号を発生させて位相変調工程においてＮ値の位相変調をかけさせるとともに、検出工程から検出信号を受け取り、発生させたＮ値の信号と検出工程から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理工程とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、この発明の光信号受信装置の一例を量子受信装置を用いて説明する。
図１に、実施の形態１の量子送信装置と量子受信装置の構成図を示す。
図１において、２は量子送信装置であり、１は量子受信装置であり、３は量子送信装置２と量子受信装置１とを接続する通信路（光ファイバケーブル）である。量子送信装置２は光信号を生成して、生成した光信号を通信路３介して量子受信装置１へ送信する。
量子送信装置２の構成を簡単に説明する。量子送信装置２を構成する２０１はレーザーであり、２０２はカプラであり、カプラ２０２は、レーザー２０１から照射された光信号を入力して、入力した光信号を２つに分離する。２０３は、位相変調器（ＰＭＡ）であり、２０８は、ＰＭＡ２０３に対して変調電圧を印加する変調電圧印加器である。ＰＭＡ２０３は、カプラ２０２により分離された光信号のどちらか一方を入力するように予め決められていて、入力した光信号に対して変調電圧印加器２０８により印加されるＮ値（Ｎは偶数）の位相変調をランダムにそれぞれ等しい比率（１／Ｎ）でかける（ここでは、「０」、「π」、「π／２」、「−π／２」の位相変調をかける）。ここでは、Ｎ値の位相変調をかけた光信号を既変調光信号と呼び、カプラ２０２により分離されてＮ値の位相変調をかけられていない方の光信号を未変調光信号と呼ぶ。２０５は、カプラであり、既変調光信号と未変調光信号を入力して結合する。２０６はアッテネータであり、カプラ２０５により結合した光信号を入力して、光信号を光子１個のレベルに減衰させて通信路３に出力する。
量子受信装置１は、通信路３より光信号を受信する。この受信する光信号は、既変調光信号と未変調光信号が含まれた光信号である。
次に、量子受信装置１の構成を説明する。１０１はカプラであり、通信路３を介して量子送信装置２から送信された光信号を入力して、既変調光信号１５０と未変調光信号１６０とに光信号を分離する（分離工程）。１０２は、位相変調器（ＰＭＢ）であり、１０８は、ＰＭＢ１０２に対して変調電圧を印加する変調電圧印加器である。ＰＭＢ１０２は、カプラ１０１により分離された未変調光信号１６０を入力する。既変調光信号１５０は、タイミング調整用に設けられた遅延ファイバである迂回路１０３を通過して、再度位相変調をかけられることはない。ＰＭＢ１０２は、未変調光信号１６０に対して変調電圧印加器１０８により印加されるＮ値（Ｎは偶数）の位相変調をランダムにそれぞれ等しい比率（１／Ｎ）でかける（位相変調工程）。ここでは、Ｎ値を「０」、「π」、「π／２」、「−π／２」の４値とする。この位相変調をかける４値は、量子送信装置２のＰＭＡ２０３により位相変調を行ったＮ値と同じである。ＰＭＢ１０２により位相変調をかけられた光信号を現変調光信号１７０と呼ぶ。１０４はカプラであり、現変調光信号１７０と迂回路１０３を通ってきた既変調光信号１５０とを入力して結合し、現変調光信号１７０と既変調光信号１５０との干渉を誘起する（結合工程）。１０５及び１０６とは、検出器であり、１０５をＡＰＤ１（ＡＰＤはＡｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅの略）とし、１０６をＡＰＤ２とする。ＡＰＤ１  １０５とＡＰＤ２  １０６は、一方が光路位相差０の光子を検出し、他方が光路位相差πの光子を検出するものである（検出工程）。ＡＰＤ１  １０５が光路位相差０の光子の光信号を検出する確率（量子効率）はη１であり、ＡＰＤ２  １０６が光路位相差πの光子の光信号を検出する確率（量子効率）はη２である。１０７は信号処理装置であり、変調電圧印加器１０８に対してＮ値を発生させる。ここでは、たとえば、「０」、「π」、「π／２」、「−π／２」にそれぞれ対応する４値  ００，０１，１０，１１をランダムにそれぞれ等しい比率（１／Ｎ）で発生させる。信号処理装置１０７は、ＰＭＢ１０２に対してＮ値の位相変調をかけさせるとともに、ＡＰＤ１  １０５及びＡＰＤ２  １０６から検出結果を入力して、検出結果に基づいて出力信号を生成する（信号処理工程）。
【００１３】
上記した図１の説明の中で、「既変調光信号」、「未変調光信号」、「現変調光信号」について述べたが、ここで改めてこれら「既変調光信号」、「未変調光信号」、「現変調光信号」について詳細に説明を行う。
量子送信装置２側では、レーザー２０１からでた光信号は、カプラ２０２で２つに分離される。一方は、位相変調器２０３がある短経路を、もう一方は迂回路２０４がある長経路を通る。分離された２つの光信号は、カプラ２０５で再び合流するが、それぞれの光路に応じた通過時間だけタイミング的にずれて通信路３に導かれる。
通信路３を通って量子受信装置１に達した２つの光信号は、カプラ１０１でそれぞれ２つに分離される。一方は、位相変調器１０２がある短経路を、もう一方は迂回路１０３がある長経路を通る。合計４つに分離された光信号は、カプラ１０４で合流され、光検出器であるＡＰＤ１  １０５，ＡＰＤ２  １０６に時間的にずれて至ることになる。ここで、量子送信装置２と量子受信装置１の両方で短経路を選択した「短短光信号」と、量子送信装置２と量子受信装置１の両方で長経路を選択した「長長光信号」とは時間的に速すぎて、もしくは遅すぎて光検出器であるＡＰＤ１  １０５，ＡＰＤ２  １０６に至るので分離することができ、この発明には用いない。量子送信装置２と量子受信装置１とのいずれか一方でのみ短経路を選択した「短長光信号」と「長短光信号」が同時にカプラ１０４に到着し、干渉を引き起こすことになる。この発明では、この干渉を誘起する２つの光信号にのみ着目して、「既変調光信号」、「未変調光信号」、「現変調光信号」の用語を用いる。
「既変調光信号」とは、「短長光信号」で、量子送信装置２の位相変調器２０３で位相変調を受けた後の光信号である。「未変調光信号」とは、「長短光信号」で、量子受信装置１の位相変調器１０２で位相変調を受ける前の光信号である。「現変調光信号」とは、「長短光信号」で、量子受信装置１の位相変調器１０２で位相変調を受けた後の光信号である。
【００１４】
図２は、図１より量子受信装置１を取り出して図示したものである。従来例の図５と図２との違いは、図２に示した本発明の量子受信装置１の信号処理装置１０７が４値（「０」、「π」、「π／２」、「−π／２」の４値）の位相変調を行うようにＰＭＢ１０２を制御して、ＰＭＢ１０２が４値の位相変調を行うことである。
図３は、実施の形態１のＡＰＤ１とＡＰＤ２の検出結果と信号処理装置により生成される出力信号の値を示す図である。
図３において、Ｓ２０１は量子送信装置２から受信した既変調光信号１５０であり、迂回路１０３を通ってカプラ１０４に入力される値である。Ｓ２０２はＰＭＢ１０２によって位相変調をかけられた現変調光信号１７０の位相変調の値φＡ、φＢであり、カプラ１０４に入力される値である。Ｓ２０１とＳ２０２とは、カプラ１０４に入力される全ての信号の組み合わせを表している。Ｓ２０３はＳ２０１とＳ２０２との光信号の組み合わせにおけるカプラ１０４の干渉の誘起を「φＡ−φＢ＝Δφ」により表している。例えば、「φＡ＝π／２」、「φＢ＝π」の時「Δφ＝π／２」となる。Ｓ２０４はＡＰＤ１  １０５による光信号の検出結果を表し、Ｓ２０５はＡＰＤ２  １０６による光信号の検出結果を表している。上記したように、ＡＰＤ１  １０５は、光路位相差０の光子を検出し、ＡＰＤ２  １０６は、光路位相差πの光子を検出する。このため、ＡＰＤ１  １０５とＡＰＤ２  １０６とが正しく動作している場合には、検出結果は相反する結果になる。ＡＰＤ１  １０５は光路位相差０の光子を検出すると「１」を検出結果として出力する。ＡＰＤ２  １０６は光路位相差πの光子を検出すると「１」を検出結果として出力する。ＡＰＤ１  １０５とＡＰＤ２  １０６とが正しく動作している場合は、ＡＰＤ１  １０５の検出結果が「１」であると、ＡＰＤ２１０６の検出結果は「０」である。また、干渉結果Δφが「π／２」或いは「−π／２」である場合は、ＡＰＤ１  １０５とＡＰＤ２  １０６の検出結果は「１／０」或いは「０／１」となり不定である。Ｓ２０６は信号処理装置１０７がＳ２０４とＳ２０５の検出結果を入力して、予め決められた条件に従い入力した検出結果に基づいて出力信号を生成する。ここでは、信号処理装置１０７は、Ｓ２０２の「φＢ」の値が「π」または「―π／２」である時は、Ｓ２０５のＡＰＤ２  １０６の検出結果と同じ値を出力する。そして、Ｓ２０２の「φＢ」の値が「０」または「π／２」である時は、Ｓ２０４のＡＰＤ１  １０５の検出結果と同じ値を出力する。つまり、信号処理装置１０７は、ＰＭＢ１０２による位相変調φＢが「０」と「π／２」である場合（第１のグループ）と、「π」と「−π／２」である場合（第２のグループ）とで出力信号の値を逆転している。Ｓ２０７は信号処理装置１０７の生成した出力信号の出現比率を示しており、ＡＰＤ１  １０５が光路位相差０の光子を検出する確率（量子効率）は「η１」であり、ＡＰＤ２  １０６の光路位相差πの光子を検出する確率（量子効率）は「η２」である（η１≠η２）。Ｓ２０８は出力信号の部分出現比率を示しており、Ｓ２０２の「φＢ」の値が「０」または「π／２」である時の出力信号が１である場合の確率と出力信号が０である場合の確率は、「１：０＝η１：η２」である。Ｓ２０２の「φＢ」の値が「π」または「−π／２」である時の出力信号が１である場合の確率と出力信号が０である場合の確率は、「１：０＝η２：η１」である。このため、Ｓ２０９の出力信号の全体出現比率は「１：０＝η１＋η２：η２＋η１＝１：１」である。
図３の「Ａ（第１のグループ）」で示すＳ２０２の「φＢ」の値が「０」または「π／２」である時のＳ２０３からＳ２０８の内容は、従来の図６のＳ１０３からＳ１０８の内容と同じである。これは、位相変調する値が従来の位相変調器９０２と同じであるためである。図３の「Ｂ（第２のグループ）」で示すＳ２０１からＳ２０９の値は、従来の図６には記載されていない内容である。これは、位相変調する値（「π」，「−π／２」）が従来の位相変調器９０２による位相変調には存在していない値であるためである。
図４は、図３のＳ２０２とＳ２０４とＳ２０５とＳ２０６とを抽出して図示したものである。Ｓ２０６の出力信号の「１」と「０」の出現比率は「η１＋η２：η２＋η１＝１：１」となる。このため、従来例のようにη１とη２との違いにより出力信号０と１とのどちらかの出現比率に偏りがあっても、量子受信装置１は、出力信号の「１」と「０」を等しい出現比率で出力できる。
【００１５】
従来例では、光信号送信装置のかけた４（Ｎ）値の（位相）変調に対し、光信号受信装置では２（Ｎ／２）値の変調をかけて、２つの光子検出器（ＡＰＤ１  ９０５、ＡＰＤ２  ９０６）の検出信号に対して、ＡＰＤ１  ９０５で検出した場合は「１」、ＡＰＤ２  ９０６で検出した場合は「０」を割り当てて符号化して、信号出力を行っていた。このため、量子効率に偏りがある場合に、直接、出力信号の偏りとして反映してしまうという問題点があった。
一方、本発明の実施の形態２の光信号受信装置では、送信装置のＮ（４）値変調に対し、受信装置でもＮ（４）値変調をかけ、２つの光子検出器（ＡＰＤ１  １０５、ＡＰＤ２  １０６）の検出信号を出力信号に変換する符号化の方法を従来と変える（本発明では、「０」及び「π／２」の位相変調と、「π」及び「−π／２」の位相変調とで符号化の方法を逆転させる）ことで、光子検出器の偏りをうち消した出力信号が得られる光信号受信装置、及び、光信号受信方法を説明した。
上記に説明した光信号受信装置の一例では、出力信号の出現比が「１」、「０」ともに２つの光子検出器（ＡＰＤ１  １０５、ＡＰＤ２  １０６）の量子効率の平均となって等しいため、出力信号に偏りが無くなる。
【００１６】
上記実施の形態１で説明した光信号受信装置は、光信号を受信し、受信した光信号を第１の光路と第２の光路の２つに分離する分離器（カプラ１０１）と、２つに分離した光信号を結合し干渉を誘起する結合器（カプラ１０４）と、分離された第１の光路においてタイミング調整用に設けられた遅延ファイバ（迂回路１０３）と、第２の光路において量子送信装置がＮ値に位相変調かけたことに対応し、Ｎ値に位相変調をかける位相変調器（ＰＭＢ１０２）と、干渉を誘起する結合器の出力ポートにあって光子の検出を行う２つの光子検出器（ＡＰＤ１  １０５、ＡＰＤ２  １０６）と、位相変調器にＮ値の変調をかけるためにＮ値の変調電圧を印加できる変調電圧印加器（変調電圧印加器１０８）と、変調電圧印加器にＮ値の信号を送り、この送った信号と２つの光子検出器から受取った検出信号から出力信号を構成する信号処理装置（信号処理装置１０７）とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、上記実施の形態１で説明した光信号受信方法は、入射した光信号を第１の光路と第１の光路の２つに分離する分離工程と、第１の光路（迂回路）を流れ遅延を受ける遅延工程と、第２の光路を流れる光信号に対してＮ値の位相変調をかける位相変調工程と、遅延を受けた第１の光路の光信号と位相変調を受けた第２の光路の光信号を合流し干渉を誘起する合流干渉（結合）工程と、干渉したのち光信号を検出する検出工程と，位相変調工程でかけたＮ値の変調に応じて、検出工程で光信号から電気信号に変換された検出信号をディジタル信号に符号化する信号処理工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、光信号受信方法では、Ｎ値の変調は２個ずつＮ／２個のペアになっており、２つの光子検出器から生じる検出信号に対して、Ｎ値変調が互いにペアとなっている場合（「０」と「１」のペア）に、信号処理工程は、ディジタル信号としてビット反転操作を行い符号化を行うことを特徴とする。
【００１９】
また、上記説明では、Ｎ値を「０」，「π／２」，「π」，「−π／２」の４値としたが、Ｎ≧４かつＮは偶数であれば、他の値でもかまわない。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明の光信号受信装置は、光信号送信装置において既にＮ値の位相変調をかけられた既変調光信号と未だ位相変調がかけられていない未変調光信号とを受信して、Ｎ値の信号を発生させて位相変調器にＮ値の位相変調をかけさせて未変調光信号を位相変調するとともに、２つの検出器から検出信号を受け取り、発生させたＮ値の信号と２つの検出器から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理装置を備えた。このため、２つの検出器の量子効率の偏りをうち消した出力信号を得ることができる効果がある。
【００２１】
また、光信号は光子列であり、光検出器は光子を検出する。このため、光子の量子力学的性質を利用したシステムにこの発明の光信号受信装置を利用できる効果がある。
【００２２】
また、信号処理装置は、Ｎ値の信号をＮ／２値の信号からなる第１のグループと第２のグループに分け、第１のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法と、第２のグループに属するＮ／２値の信号に基づいて位相変調がなされた場合に用いる出力信号の符号化方法とを取り替える。このため、出力信号から見た量子効率がディジタル信号の「０」，「１」ともに２つの検出器の量子効率の平均となって等しくなるため、出力信号の偏りを無くすことができる効果がある。
【００２３】
また、信号処理装置は、０，π／２，π，−π／２の４値の信号のうち、０（水平）とπ／２とを第１グループとし、π（垂直）と−π／２とを第２グループとした。上記４値は、光信号受信装置が受信する光信号送信装置によって４値の位相変調をかけられた４値と同じ値である。このため、光信号送信装置側と光信号受信装置側とで同じ位相変調機能を用いることができる効果がある。
【００２４】
この発明の光信号受信方法は、既にＮ値の位相変調をかけられた既変調光信号と未だ位相変調がかけられていない未変調光信号とを受信して、Ｎ値の信号を発生させて位相変調器にＮ値の位相変調をかけさせて未変調光信号を位相変調するとともに、２つの検出器から検出信号を受け取り、発生させたＮ値の信号と２つの検出器から受け取った検出信号とから出力信号を生成して出力する信号処理工程を備えた。このため、２つの検出器の量子効率の偏りをうち消した出力信号を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１の量子送信装置と量子受信装置の構成図。
【図２】  実施の形態１の量子受信装置の構成図。
【図３】  実施の形態１の量子受信装置の各構成要素の入力値と出力値を示す図。
【図４】  実施の形態１の位相変調の値と検出結果と出力信号の値を示す図。
【図５】  従来例の量子受信装置の構成を示すブロック図。
【図６】  従来例の量子受信装置の各構成要素の入力値と出力値を示す図。
【図７】  従来例の位相変調の値と検出結果と出力信号の値を示す図。
【符号の説明】
１  量子受信装置、２  量子送信装置、３  通信路、１０１，１０４  カプラ、１０２  位相変調器（ＰＭＢ）、１０３，２０４  迂回路、１０５  ＡＰＤ１（光検出器）、１０６  ＡＰＤ２（光検出器）、１０７  信号処理装置、１０８，２０８  変調電圧印加器、１５０  既変調光信号、１６０  未変調光信号、１７０  現変調光信号、２０１  レーザー、２０２，２０５  カプラ、２０３  位相変調器（ＰＭＡ）、２０６  アッテネータ、９００  量子受信装置、９０１，９０４  カプラ、９０３  迂回路、９０５  ＡＰＤ１、９０６  ＡＰＤ２、９０８  変調電圧印加器、９１０，９８０，９９０  光信号、９５０  既変調光信号、９６０  未変調光信号、９７０  現変調光信号。
【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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