立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

光波空間変調を用いた光無線通信システムに関する研究
Development of free- space optical communication system using two- dimensional patterns
2211002

研究代表者

大阪公立大学

大学院工学研究科

助教

池田佳奈美

ウェア領域やネットワーク領域における暗号化[研 究 の 目 的]は，システムを構成するハードウェアデバイス
光無線通信システムは自由空間中を伝搬するへの依存が少なく，汎用的に利用できる利点が光によって情報伝達を行う通信システムです。

あります。一方，システムの仕様や入出力の状送信器から出射する光を搬送波として情報を載態を知ることで暗号を解析され理論的に攻撃させ，受信器で受光し情報を受け取ります。光をれる可能性があるという懸念があります。また，用いることの利点には，周波数が高いことによ

無線通信は無線であるがゆえに有線での通信とる広帯域性・高速度性などがあります。光無線

比べて第三者によって傍受される可能性が高く

通信システムの基本構成は光源と変調器を含むなります。そのため，光無線通信システムの利送信器と光検出器を含む受信器であり，電気通用拡大に伴って，ハードウェア領域を含む複数信システムと比べて大きな違いはありません。の領域において複数の暗号方式を組み合わせてまた，光ファイバを用いた有線の光通信システ

システム全体のセキュリティ性を向上させるこムと同様に，複数の波長の光を用いて並列に光とが不可欠となります。我々は，従来のソフトを送信する波長分割多重や独立した空間モードウェアによる暗号化と併用可能な，ハードウェを用いて並列にデータを送信する空間分割多重

ア内の光学系構成によって光無線通信の安全性などの技術により大容量かつ高速な通信が可能を向上する新規暗号化光無線システムの構築をです。これらの特徴を持ち合わせたうえで，有目指しています。具体的には，簡易なハード線通信では必須である伝送路設備の敷設なしにウェアでの安全性の高い光無線通信システム実設置できる光無線通信システムは，今後更なる現に向けて，光無線通信における新規ハード利用が期待されています [1]。

ウェア暗号化として送信器・受信器内に 2 次元

情報通信システムにおいて，情報の安全性の担保は重要であり，暗号化技術は必要です。従空間フィルタを搭載するハードウェアを用いた暗号化の構築を目指しています。

来，共通鍵暗号方式や公開鍵暗号方式などの暗本研究では，立石科学技術振興財団のサポー号化技術が広く用いられてきています [2]。情トを頂きながら，数値シミュレーションと実験

報通信システムはソフトウェア領域，ネットにより提案手法の可能性を検証しました。また，

ワーク領域，ハードウェア領域の 3 領域で構成展開として通信の並列化によるシステムの拡張され，従来の暗号化技術はソフトウェア領域やについての基礎的な検証結果をここに報告しまネットワーク領域においてアルゴリズムに従っす。て情報の暗号化を行う技術が大半です。ソフト― 1 ―立石科学技術振興財団

そのうちの 1 つのパターンをもとにして作成し[研究の内容，成果]たマッチトフィルタを受信器内のフィルタとし1．2 次元空間フィルタリングによる暗号化をて搭載しました。実験結果の例を図 3 に示しま導入した光無線通信システムの開発す。図 3 (a) はシステムに入力した通信信号，

図 1 に 2 次元空間変調を通信の暗号化鍵とし(b) はフィルタを搭載した専用の受信器で受て導入した光無線通信システムの構成を示しま

光した光強度，(c) は専用の受信器を使用せずす。提案システムにおいては，光波に与える 2送信器から送られてきた光全体を受光した光強次元変調パターンが送信情報そのものとして利度を示しています。ここで，図 3 (b) と (c)用されるのではなく，暗号化の鍵として利用さはそれぞれ単位面積当たりに換算し (b) の最れる点が特徴です。入力される 2 値データスト大値で正規化したものです。

リームの情報の状態に合わせて波面を空間変調することで暗号化します。送信器と受信器はそ

本実験では通信速度 2 Hz，通信距離 600 mm，ビーム径 3 mm，受信器検出径 0.3 mm としま

れぞれレンズを用いた 4f の光学系を備えており，通信信号は送信機光学系での空間変調により暗号化され，特定のパターンに対応した空間フィルタを受信器光学系内に搭載することで 2次元空間フィルタリングが実行されます。その結果，受信器内のみで振幅変調された光が検出でき，通信信号を復号することができます。すなわち，データストリームを光学系で暗号化する光無線通信システム構成です。
まず，提案システムの基礎的な実験検証を行

図2構築した光無線通信基礎実験系

いました。構築した光無線通信システムを図 2に示します。本実験では送信器入力面および受信器フィルタとして位相変調型の空間光変調器(SLM) を搭載し，入射波面の空間変調を行いました。入力された通信信号の時間変化に合わせて，送信器に搭載した SLM に描画されるパターンが切り替えられます。受信器出力面において中央の光強度を光強度検出器で検出し観測しました。
基礎実験では 2 次元パターンを 2 つ用意し，

図1(a) 入力信号(b) 送信機のフィルタ変調と対応した専用のフィルタを搭載した専用の受信器で受光した強度(c) 専用の受信器を使用せず受光した強度図 3 基礎実験結果

光空間変調を通信の暗号化鍵として導入した光無線通信システムの概要― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

した。設計通りの空間パターンを送信器に用い，具体的には，受信器の出力面での右下のピー送信器と対応したフィルタを受信器に搭載する

クを第 0 ビット，左下のピークを第 1 ビット，ことで受信器で検出される光強度を用いて信号中央上のピークを第 2 ビットとして，3 ビットを送受信できることができました。つまり，数通信が可能であるかを検討するシミュレーショ

値シミュレーションと実験により提案手法を示ンを行いました。複数箇所にピークが出力されしました。また，提案手法は最初に用意する 2るパターンなどを加えると計 8 パターンとなりつの空間パターンの類似度が受信される光信号ます。それぞれの入力パターンに適切な 3 ビッ

品質に影響します。そこで，使用する空間パトの入力信号を割り当てました。シミュレー

ターンの選定によって受信信号の品質を向上さ

ション結果より，受信器の出力面のピーク積分せることが可能であることもシミュレーション

強度に対して適切なしきい値を設定することで，によって明らかにしました。

3 ビットの通信が可能であることが確認できま

次に，送信器と受信器の間の距離による信号した。

品質の変化についてシミュレーションによって検証をしました。これは，図 2 に示した光学系

3．まとめは通信距離を 600 mm としてシステムを設計し以上のように，2 次元空間フィルタリングにたものですが，光無線通信システムの実際の利よる暗号化を導入した光無線通信システムの基用を考えると，設計通りの通信距離で利用する礎実験系を構築しました。そして，光空間通信とは限らないためです。シミュレーションの結の暗号化と多重化を全光で行うシステムを構築

果，光検出強度 60% を閾値とすると，設計距することを目指し検討を進めました。具体的に離に対して ± 5 % の誤差で信号の受信が可能

は，マ ッ チ ト フ ィ ル タ リ ン グ や Gerchberg-であることが確認できました。

Saxton アルゴリズムを用いて生成した位相分
布と組み合わせることによる光空間通信の可能

2．通信の並列化によるシステムの拡張の基礎性についてシミュレーションと基礎的な実験で確認しました。

評価
ここまでの実験では受信器に搭載するフィルタにマッチトフィルタを用いており，2 値の信[今後の研究の方向，課題]号の送受信にとどまっていました。いかにして通信容量を拡大するかは大きな課題です。前述

本研究によって，2 次元空間フィルタリングのシステムをそのまま並列にすることによる大による暗号化を導入した光無線通信システムの容量化は可能ですが，システムが大型化してし基礎実験系を構築しました。2 次元空間フィルまいます。そこで，光空間通信の暗号化と多重タリングを導入した光無線通信に関する基礎実化を全光で，システムを大型化することなく実験が可能となり，また，提案フレームワークで現するシステムを構築することを目指し，受信の基本的な情報通信が確認できました。本研究器に搭載するフィルタの改良について検討しまによってフィルタの改良による並列化実現の指した。

針が得られたため，暗号化と並列化を同時に行

受信器のフーリエ面にマッチトフィルタを搭えるシステムにむけて，システムの発展性・将載するのではなく，Gerchberg-Saxton アルゴ

来性が向上することが期待できます。今後は，リズム [3] を用いて受信器に搭載する位相分実利用に耐えうるシステムとなりえるよう，通布を計算し，受信器に導入することで信号を多信距離の長距離化などに関する検討を進めます。

値化することを検証しました。

本助成金により，研究を進めることができま― 3 ―立石科学技術振興財団

した。ここに感謝を申し上げ，今後のさらなる会，G8-14，Online，2021 年 12 月．

研究につなげたいです。
[参考文献][ 1 ] V. Chan, J. Lightwave Technol. 24, 4750 (2006).

[成果の発表，論文等][ 1 ] “光空間フィルタリングによる暗号化を導入した
光無線通信 ―― 計算機合成ホログラムを用いた多値化の検討 ――”，白瀬大剛，池田佳奈美，小山長規，山田 誠，令和 3 年度電気関係学会関西連合大― 4 ―[2]W. Diffie, et al., IEEE Trans. Inf. Theory 22, 644(1976).
[3]

R. W. Gerchberg, et al., Optik. 35, 237 (1972).