(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路に対して直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の位相変調器と、
上記Ｎ個の位相変調器に印加する電圧の和が光信号にかける位相変調に対応する電圧と等しくなるように、Ｎ個の位相変調器に対してＮ個の電圧を発生させ、発生させたＮ個の電圧をＮ個の位相変調器にそれぞれ供給する制御部と
を備えたことを特徴とする位相変調装置。
【請求項２】
上記制御部は、
位相変調データを記憶する位相変調データメモリと、
位相変調データメモリに記憶された位相変調データに対応する電圧ＶをＮ等分した均等電圧（Ｖ／Ｎ）を発生させ、発生させたＮ個の均等電圧（Ｖ／Ｎ）をＮ個の位相変調器にそれぞれ供給する電圧発生部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の位相変調装置。
【請求項３】
光信号を所定量だけ位相変調する位相変調方法において、
光信号を第１の位相変調器で位相変調する第１の変調工程と、
第１の変調工程により位相変調された光信号を第２の位相変調器で更に位相変調する第２の変調工程と
を備え、
上記第１の変調工程と第２の変調工程との両方を実行することにより光信号に上記所定量の位相変調をかけることを特徴とする位相変調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光信号を高速に位相変調する位相変調装置及び方法に関するものである。例えば、位相変調方式量子暗号における高速変調装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４，図１５は、例えば、文献：内山「量子力学の基礎と量子暗号」数理科学Ｎｏ．４０２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ  １９９６に示された従来の位相変調方式量子暗号における位相変調を行う方法である。
位相変調方式暗号では、通常、図１４のような構成で位相変調器（ＰＭ）を配置する。送信装置と受信装置とで、各々１つの位相変調器（ＰＭＡ，ＰＭＢ）を配し、位相変調（０，π／２，π，３π／２）に対応する印加電圧を位相変調器にかける。
【０００３】
位相変調方式量子暗号は、光ファイバなどを使用した光学系で、２種類の同じ長さの光路を通ってきた位相の異なる光子の干渉を利用して物理的に系を構成している。通常の位相変調方式量子暗号における変調は、送信装置と受信装置との２者間で各々１つ位相変調器を配し、希望の位相変調をかけて動作させる。
位相変調方式量子暗号における従来の位相の変調の仕方を、１つの例を使って具体的に説明すると次の通りである。
【０００４】
例えば、光ファイバを使用した接合点でカプラを使用したＢ９２プロトコルの１つの実現例を図１４，図１５を用いて説明する。
レーザーからある繰り返し周波数で光子が発振され、それが光信号となり、光ファイバなどを通ってカプラ１に行く。ここから先は、量子暗号で重要な２つの光路のみ説明する。
１つ目は、カプラ１で図１４において上に行き、位相変調器ＰＭＡを通りカプラ２を通って、次に、カプラ３で位相変調器ＰＭＢを通らない路を通りカプラ４を通って検出器に行く第１の光路。
２つ目は、カプラ１で位相変調器ＰＭＡを通らない路を通りカプラ２を通って、次に、カプラ３で図１４において上に行き、位相変調器ＰＭＢを通りカプラ４を通って検出器に行く第２の光路。
第１の光路と第２の光路とは、同じ長さである。
この同じ長さの光路で、位相が、１つは位相変調器ＰＭＡでかけられた位相Φａ、もう１つは位相変調器ＰＭＢでかけられた位相Φｂとすると、その差Φａ−Φｂの値に従って光の干渉が起きる。位相変調方式量子暗号は、この干渉を利用している。このように、従来の位相を変調させる方法は、単純に位相変調器を送信装置と受信装置とに各々１つ配置し、希望の位相変調を行っていた。
例えば、０，π／２，π，３π／２の位相変調を行うためには、０Ｖ，４Ｖ，８Ｖ，１２Ｖの電圧を位相変調器に印加する。図１５に示すように、電圧を印加するためには、電圧の立ち上がり期間ＬＰと立ち下がり期間ＴＰが必ず存在する。また、１つの位相変調器で連続して異なるランダムな位相を順次変調する場合には、ブランク期間ＢＰ（ＢＰ＞０）を設けなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位相変調の方式では、変調させるために、位相変調器に電圧を異なる値で高速に印加する必要があるが、電圧の立ち上がり期間ＬＰ、立ち下がり期間ＴＰが高速化のネックとなる。例えば、パルスレーザーを使用して、光子をある繰り返し周波数で発振し、このタイミングと同期して位相変調も施す必要があるわけで、これを行うために変調量に対応した何種類かの電圧を上記タイミングに同期して印加する必要がある。量子暗号におけるビットレートは、パルスレーザーの周波数に比例するため、高速化を行うためには位相変調器に電圧を高速に切り替えて印加する必要がある。そのため、電圧の立ち上がり期間ＬＰ、立ち下がり期間ＴＰが大きいと、一般には前の値とは異なる次の電圧がかけられるまでの時間は大きくなってしまう。これを無視して（例えば、パルスレーザーの）繰り返し周波数を上げると、ブランク期間ＢＰがとれなくなり（ＢＰ≦０）、次のタイミングの電圧の立ち上がりと前のタイミングの電圧の立ち下がりとが重なり、正常に機能しなくなる。このため、高速化の障害になるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、位相変調の高速処理を目的としている。例えば、位相干渉方式量子暗号におけるビットレートの向上、即ち、高速動作化を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る位相変調装置は、光路を流れる光信号に位相変調をかけるＮ個（Ｎは２以上の整数）の位相変調器と、
上記Ｎ個の位相変調器を並列に配置して、Ｎ個の位相変調器のいずれかを選択的に光路に接続する第１と第２の光スイッチと、
上記第１と第２の光スイッチに対して切り替え信号を出力してＮ個の位相変調器のいずれかを光路に接続させる制御部と
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記制御部は、
位相変調データを記憶する位相変調データメモリと、
Ｎ個の位相変調器に対して位相変調に対応する電圧をそれぞれ発生するＮ個の電圧発生部と、
位相変調データメモリに記憶された位相変調データを順次読み込んで読み込んだ位相変調データを、上記第１と第２の光スイッチにより光路に接続される位相変調器に対して電圧を発生させる電圧発生部に順次供給する切替部と
を有することを特徴とする。
【０００９】
上記制御部は、
Ｎ個の値をとる位相変調データを記憶する位相変調データメモリと、
Ｎ個の位相変調器に対して、位相変調データのＮ個の値に対応したＮ個の一定の電圧をそれぞれ発生させて各位相変調器に対して一定の電圧を供給する電圧発生部と、
位相変調データメモリに記憶された位相変調データを読み込んで読み込んだ位相変調データの値に対応した電圧が供給されている位相変調器を選択する切り替え信号を上記第１と第２の光スイッチに対して出力する切替部と
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る位相変調装置は、光路に対して直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の位相変調器と、
上記Ｎ個の位相変調器に印加する電圧の和が光信号にかける位相変調に対応する電圧と等しくなるように、Ｎ個の位相変調器に対してＮ個の電圧を発生させ、発生させたＮ個の電圧をＮ個の位相変調器にそれぞれ供給する制御部と
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記制御部は、
位相変調データを記憶する位相変調データメモリと、
位相変調データメモリに記憶された位相変調データに対応する電圧ＶをＮ等分した均等電圧（Ｖ／Ｎ）を発生させ、発生させたＮ個の均等電圧（Ｖ／Ｎ）をＮ個の位相変調器にそれぞれ供給する電圧発生部と
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る位相変調方法は、第１と第２の光信号を順次位相変調する位相変調方法において、
第１の光信号を第１の位相変調器で位相変調する第１の変調工程と、
上記第１の変調工程の終了する前に、第２の光信号を第２の位相変調器で位相変調する第２の変調工程と
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る位相変調方法は、光信号を所定量だけ位相変調する位相変調方法において、
光信号を第１の位相変調器で位相変調する第１の変調工程と、
第１の変調工程により位相変調された光信号を第２の位相変調器で更に位相変調する第２の変調工程と
を備え、
上記第１の変調工程と第２の変調工程との両方を実行することにより光信号に上記所定量の位相変調をかけることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この実施の形態１においては、位相変調方式を使用した量子暗号方式において、複数並列に位相変調器を配置し、光スイッチで高速切り替えることを特徴とする位相変調方式量子暗号の高速変調方式を説明する。
【００１５】
図１は、位相変調方式の量子暗号における高速変調システムを示す図である。
この変調システムは、送信装置１００と伝送路２００と受信装置３００から構成されている。送信装置１００において、レーザー９１は、光信号を繰り返し周波数Ｃで発振し、光信号を連続して発生させるものである。第１のカプラ９４、第２のカプラ９５は、光信号を分離し、合流させるものである。第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３は、光信号に位相変調を施すものである。第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５は、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３を切り替えるものである。また、レーザー９１から同期出力信号９３が切替部５５に出力される。
【００１６】
制御部５１は、位相変調を制御するものである。制御部５１は、位相変調データメモリ５３と切替部５５と第１の電圧発生部５７と第２の電圧発生部５９を有している。位相変調データメモリ５３は、位相変調データ３１を入力し、記憶しておく。切替部５５は、レーザー９１から同期出力信号９３が出力された場合に、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５を交互に切り替え、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３を交代で使用するように切り替えるものである。また、切替部５５は、位相変調データメモリ５３に記憶された位相変調データ３１の値に基づいて、第１の位相変調器７１及び第２の位相変調器７３に対して位相変調のための電圧を発生するよう第１の電圧発生部５７と第２の電圧発生部５９に指示する。第１の電圧発生部５７は、第１の位相変調器７１に対して位相電圧を発生させる。また、第２の電圧発生部５９は、第２の位相変調器７３に対して位相変調電圧を発生させる。
【００１７】
伝送路２００は、光ファイバ等の伝送路である。
受信装置３００は、送信装置１００と同じ構成を有している。受信装置３００が送信装置１００と異なる点は、送信装置１００のようにレーザー９１を有しておらず、検出器９８を有している点である。検出器９８は、光の干渉を検出するものである。
【００１８】
図２は、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３及び第１の位相変調器８１と第２の位相変調器８３の動作を示す図である。
図２の（ａ）は、第１の光信号に対して加えられた電圧を示し、図２の（ｂ）は、第２の光信号に対して加えられた電圧を示している。
図２に示すように、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３の動作時間は、期間ＯＰだけ重なっている。即ち、第１の光信号を第１の位相変調器７１で位相変調する第１の変調工程の終了する前に、第２の光信号を第２の位相変調器７３で位相変調する第２の変調工程が開始されている。このように、第１の変調工程と第２の変調工程がオーバーラップした期間ＯＰを持つことができるのは、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３が並列に接続されているからである。
【００１９】
図３は、制御部５１の切替部５５の動作を示すフローチャート図である。
切替部５５は、まず、Ｓ１１において、位相変調データメモリ５３から位相変調データ３１を順次取得する。次に、Ｓ１２において、位相変調データ３１がない場合には、位相変調処理を終了する。次に、Ｓ１３において、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３とのいずれの位相変調器を次の光信号の位相変調のために用いるかを決定する。この場合には、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３を交互に用いる。そして、Ｓ１４において、第１の位相変調器７１を用いる場合には、第２の電圧発生部５９に対して位相変調データ３１を送信しておく。第２の位相変調器７３を用いる場合には、第１の電圧発生部５７に対して位相変調データ３１を送信しておく。次に、Ｓ１５において、レーザー９１からの同期出力信号９３を待つ。レーザー９１からの同期出力信号９３がきた場合には、切替部５５は、Ｓ１６において、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５に対して第１の位相変調器７１への又は第２の位相変調器７３への切り替えを行う。そして、Ｓ１７において、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５により接続された位相変調器に対して位相変調用の電圧を与える電圧発生部に対して、位相変調データ３１に基づいた電圧を発生するよう起動信号を送る。この結果、第１の電圧発生部５７又は第２の電圧発生部５９は、位相変調データ３１に基づいた電圧を第１の位相変調器７１又は第２の位相変調器７３に出力する。
図２においては、時刻Ｔ１において、第１の電圧発生部５７の起動が行われ、また、時刻Ｔ２において、第２の電圧発生部５９の起動が行われたことを示している。
【００２０】
以上のように、２個の位相変調器を並列に接続して切り替えて用いることにより、最大で２倍の速さで位相変調を行うことができる。また、Ｎ個の位相変調器を並列に接続して切り替えて用いる場合には、最大でＮ倍の速さで位相変調を行うことができる。
【００２１】
実施の形態２．
図４は、送信装置１００（又は受信装置３００）の他の例を示す図である。
図４においては、第１の位相変調器７１、第２の位相変調器７３、第３の位相変調器７５、第４の位相変調器７７の４つの位相変調器を並列に接続し、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５で切り替える場合を示している。電圧発生部５８は、０，π／２，π，３π／２という４つの量の位相変調を行うために、０Ｖ，４Ｖ，８Ｖ，１２Ｖを常時発生させている。０Ｖは、第１の位相変調器７１に供給される。４Ｖは、第２の位相変調器７３に供給される。８Ｖは、第３の位相変調器７５に供給される。１２Ｖは、第４の位相変調器７７に供給される。
【００２２】
図５は、図４に示した第１の位相変調器７１、第２の位相変調器７３、第３の位相変調器７５、第４の位相変調器７７の動作説明図である。
第１の位相変調器７１は、常に０Ｖの位相変調を行う。第２の位相変調器７３は、常に４Ｖの位相変調を行う。第３の位相変調器７５は、常に８Ｖの位相変調を行う。第４の位相変調器７７は、常に１２Ｖの位相変調を行う。切替部５５は、位相変調データメモリ５３に記憶された位相変調データ３１の４つの値（０，π／２，π，３π／２）に基づいて第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５の切り替えを行う。例えば、図５に示すように、位相変調データ３１が３π／２である場合には、切替部５５は、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５をＳ４に切り替える。こうして、第１の光信号は、１２Ｖの電圧で位相変調される。次に、位相変調データ３１がπであるときは、切替部５５は、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５をＳ３に切り替える。このようにして、第２の光信号は、８Ｖで位相変調される。
【００２３】
図６は、図４に示す制御部５１の切替部５５の動作フローチャート図である。
まず、Ｓ２１において、切替部５５は、位相変調データメモリ５３に記憶された位相変調データ３１を順次取得する。次に、Ｓ２２において、位相変調データ３１がない場合には、位相変調処理を終了する。位相変調データ３１が存在する場合には、Ｓ２３において、レーザー９１からの同期出力信号９３を待つ。レーザー９１からの同期出力信号９３がきた場合には、Ｓ２４において、位相変調データ３１の値により第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５の切り替えを指示する。
【００２４】
この実施の形態においては、４つの位相変調器の各々が常にある１つの位相変調（０又はπ／２又はπ又は３π／２）を行うようにし、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５により位相変調器を選択しているため、電圧の立ち上がり立ち下がり期間を全く考慮することなく、高速な位相変調を行うことができる。
この実施の形態において、第１の光スイッチ３３と第２の光スイッチ３５のスイッチング時間がレーザー９１から発生する光子の繰り返し周波数Ｃよりも早い周波数Ｓで切り替えることができればよく、非常に高速な位相変調を行うことができる。
【００２５】
実施の形態３．
この実施の形態施３において、位相変調方式を使用した量子暗号方式において、複数直列に位相変調器を配置し、変調したい位相を分割して変調することを特徴とする位相変調方式量子暗号の高速変調方式を説明する。
【００２６】
この実施の形態においては、送信装置１００（又は受信装置３００）の他の例について説明する。
この実施の形態においては、位相変調器を直列に接続した場合を図７を用いて説明する。
図７において、第１の位相変調器７１と第２の位相変調器７３と第３の位相変調器７５と第４の位相変調器７７は、直列に接続されている。電圧発生部５６は、これら４つの位相変調器に対して等しい電圧を発生させて同時に供給する。
【００２７】
図８は、４つの位相変調器の印加電圧を示す図である。
図９は、πの位相変調を行う場合の電圧Ｖ（Ｖ＝８Ｖ）を示す図である。
８Ｖの電圧を発生させるために、立ち上がり期間がＬＰ、立ち下がり期間がＴＰだけ必要であるとする。位相変調を行う場合、８Ｖの電圧を一度に印加してもπの位相変調を行うことができるし、２Ｖの印加電圧を４回印加してもπの位相変調を行うことができる。２Ｖの電圧を発生させるための立ち上がり期間をＷとし、立ち下がり期間をＵとすると、立ち上がり期間と立ち下がり期間とは、電圧の大きさに比例しているため、Ｗ＝ＬＰ／４及びＵ＝ＴＰ／４となる。そこで、この実施の形態においては、本来位相変調を行うために必要な電圧を分割して与えることにより、本来与えるべき電圧発生させるために必要な立ち上がり期間及び立ち下がり期間を短縮しようとしたものである。例えば、図７のように、４つの位相変調器で、本来印加すべき電圧を加える場合には、１／４の電圧を４つの位相変調器でそれぞれ印加すればよくなる。従って、立ち上がり期間及び立ち下がり期間は、１／４で済む。
図８においては、２Ｖの電圧を４つの位相変調器に同時に与えている。その理由は、第１の位相変調器７１から第４の位相変調器７７までの配置距離が小さいため、第１の位相変調器７１から第４の位相変調器７７を通過する光信号の通過時間をほぼ０と捉えることができるからである。もし、第１の位相変調器７１から第４の位相変調器７７への通過時間が無視できないほど長い場合には、各位相変調器に与える印加電圧のタイミングを少しずつずらせばよい。
【００２８】
図１０は、制御部５１の電圧発生部５６の動作をフローチャート図である。
電圧発生部５６は、Ｓ３１において、位相変調データメモリ５３から位相変調データ３１を取得する。次に、Ｓ３２において、位相変調データ３１がない場合には、位相変調処理を終了する。次に、Ｓ３３において、同期出力信号９３の入力を待つ。そして、Ｓ３５において、電圧発生部５６は、位相変調データ３１が示す本来の電圧Ｖの１／４の電圧（Ｖ／４）を発生させて４つの位相変調器へ同時に出力する。
【００２９】
前述した例においては、８Ｖを１／４にする場合を示したが、印加電圧が４Ｖのときには、４つの位相変調器にそれぞれ１Ｖを印加し、印加電圧が１２Ｖのときには、４つの位相変調器にそれぞれ３Ｖを印加すればよい。
【００３０】
この実施の形態によれば、Ｎ個の位相変調器を直列に接続することにより、立ち上がり期間及び立ち下がり期間をそれぞれ１／Ｎに短縮することができる。
【００３１】
この実施の形態においては、光信号を第１の位相変調器７１で位相変調する第１の変調工程と、この第１の変調工程により位相変調された光信号に対して第２の位相変調器７３で更に位相変調する第２の変調工程とを備え、更に、第３の変調工程、第４の変調工程を備え、これらの第１から第４の変調工程を全てシリアルに実行することにより、所望の所定量の位相変調を行うものである。このように、位相変調器を複数直列に配置し、変調した位相を分割して印加することにより、電圧の立ち上がり期間、立ち下がり期間が小さくなり、高速動作が可能になる。
【００３２】
図１１から図１３は、送信装置１００と受信装置３００の位相変調器の接続例である。
図１１は、位相変調器をＮ個直列に接続した場合を示している。
図１２は、位相変調器を直列に接続し、一部並列にした場合を示している。
図１３は、位相変調器を並列にし、かつ、直列に接続した場合を示している。
また、図示していないが、その他の組み合わせも可能である。
【００３３】
前述した位相変調装置は、位相変調方式量子暗号における高速変調装置に用いることができる。また、量子暗号に限らず、光信号を位相変調する場合に用いることができる。また、送信装置と受信装置の一方にのみ前述した構成を用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明の好適な実施の形態によれば、位相変調方式を使用した量子暗号で、ビットレートの値を向上させる、即ち、高速動作化を図ろうとする場合に、位相変調させるために印加する電圧の立ち上がり期間、立ち下がり期間などに影響を受けず、又は大幅に影響を少なくでき、高速化できるという効果がある。
【００３５】
また、この発明の好適な実施の形態によれば、位相変調器を並列に切り替え接続するようにしたので、位相変調動作中の位相変調器の電圧が０Ｖに立ち下がるまで待つことなく、他の位相変調器の位相変調動作を開始することができ、高速な位相変調が可能となる。
【００３６】
また、この発明の好適な実施の形態によれば、位相変調器に常に一定の電圧を印加しておき、スイッチにより光信号を切り替えて供給するようにしたので、立ち上がり期間、立ち下がり期間を０にした高速な位相変調を行うことができる。
【００３７】
また、この発明の好適な実施の形態によれば、位相変調器を直列に配置し、分割して電圧を印加するようにしたので、立ち上がり期間及び立ち下がり期間を小さくすることができ、高速な位相変調を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１の位相変調装置を示す図。
【図２】  実施の形態１の位相変調器の動作説明図。
【図３】  実施の形態１の切替部の動作フローチャート図。
【図４】  実施の形態２の位相変調装置を示す図。
【図５】  実施の形態２の位相変調器の動作説明図。
【図６】  実施の形態２の切替部の動作フローチャート図。
【図７】  実施の形態３の位相変調装置を示す図。
【図８】  実施の形態３の位相変調器の動作説明図。
【図９】  印加電圧の波形図。
【図１０】  実施の形態３の電圧発生部の動作フローチャート図。
【図１１】  位相変調器の他の配置構成図。
【図１２】  位相変調器の他の配置構成図。
【図１３】  位相変調器の他の配置構成図。
【図１４】  従来の位相変調器の配置図。
【図１５】  従来の位相変調器の動作説明図。
【符号の説明】
３１，４１  位相変調データ、３３，４３  第１の光スイッチ、３５，４５  第２の光スイッチ、５１，６１  制御部、５３，６３  位相変調データメモリ、５５，６５  切替部、５６，５８，６６，６８  電圧発生部、５７，６７  第１の電圧発生部、５９，６９  第２の電圧発生部、７１，８１  第１の位相変調器、７３，８３  第２の位相変調器、７５，８５  第３の位相変調器、７７，８７第４の位相変調器、７ｎ，８ｎ  第ｎの位相変調器、９１  レーザー、９３  同期出力信号、９４  第１のカプラ、９５  第２のカプラ、９６  第３のカプラ、９７  第４のカプラ、９８  検出器、１００  送信装置、２００  伝送路、３００  受信装置。
【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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