立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

時間拡散暗号鍵生成と全光鍵配合を連携した
高速・広帯域光暗号化技術の研究
Research on high- speed and wideband optical encryption technology
with time- spreading encryption key generation and all- optical key combination
2191007

研究代表者

香川大学

創造工学部

講師

小玉

崇

宏

度で暗号化を実現できるといった特長がある。

[研 究 の 目 的]

当研究室では，今後の高シンボルレート化にデータセンタ周辺における光通信ネットワー対応していくため，デジタル−アナログ変換器

クでは，高秘匿な IoT データのやり取りを実(DAC) とアナログ−デジタル変換器 (ADC)現するために，セキュアな光ファイバ通信シスの通常の仕様を維持するユニフォームコンステムの構築が求められる。将来のデータセンタ

テレーションマスキング (UCM) を提案して間光通信ネットワークでは，空間多重技術が導い る。デ ジ タ ル UCM は，同 相 直 交 変 調 器入されることで，盗聴者が光ノードやリンクな(IQM) で生成される前に予め暗号鍵のバイナ

どにおいて空間的に光が漏れる箇所から信号をリデータを基に位相シフトを行い，標準的なコ直接検出しやすくなり，物理的なセキュリティンスタレーション形式を維持する単純なシンボ攻撃の対象になることが懸念される。そのよう

ル暗号化であり特長もあるが，次の 2 つの課題な背景から，エンド・ツー・エンドにおける物をもつ。(1) 各シンボルに含まれる暗号鍵ビッ

理層のデータ暗号に対する重要性について光通

ト数が少ない，(2) 暗号化できる場所が送信信分野でも認識されつつある。

ノードもしくは電気変換を伴う中継ノードに限光通信システムで既に市販化されているトラ定される。最近では，光信号処理によって 2 つンシーバ内の暗号化技術として，機密性を破るの課題を同時に解決するため，高非線形デバイために膨大な計算処理時間を要するブロック暗スにより非線形効果の 1 種である相互位相変調

号高度暗号化標準 (AES) アルゴリズムが広(XPM) を発生させて，位相を最大で π [rad]く採用されている。ただし，AES アルゴリズシフトさせるアナログ的な UCM を備えた光ムなどのビット単位の暗号化はビットレートのBPSK 信号の原理検証実験を行った。アナログ

速度で処理されるため，暗号化と復号化の回路

UCM は市販の波長変換器と同様に光中継器を処理速度は，シンボルレートとシンボルの多値対象とした光ファイバ非線形光学効果を用いた数が増大するにつれて線形的に増加する。

アプリケーションの一つとなり得る。しかし，

M 値位相偏移変調 (PSK) 信号のシンボルXPM による位相回転量の増大に伴うポンプ光単位の暗号化は，多値レベルのシンボル数に依電力の増加だけでなく，自己位相変調 (SPM)存することなくシンボルレートのみに依存するまたは誘導ブリルアン散乱 (SBS) も同時に発ため，ビット単位の暗号化に比べて遅い処理速生するため，位相シフト量とそれに伴う信号品― 1 ―立石科学技術振興財団質劣化の観点で，アナログ UCM は BPSK 方式への適用に留まっていた。
今回，アナログ UCM とデジタル UCM を組み合わせたハイブリッド UCM 方式を提案する。
この方式では，デジタル UCM 方式およびアナログ UCM 方式のように単体で用いる場合と比較して，シンボルに含まれるデータビット対する暗号鍵ビットの割合を増大できる。更に，低電力化と高秘匿化の 2 つの観点で，提案手法に対して 2 つの追加のアプローチについて検討した。1 点目は，アナログ UCM 自体の低消費電力化と非所望の非線形効果の抑圧を同時に実現

図1するため，XPM を使用した π/2 位相シフト提案方式の構成

UCM とバイナリ強度変調暗号化キーを適用しよって復号化される。デジタルデコーダでは，た。また，2 点目は，非ゼロ復帰信号に対し判デジタルエンコーダおよびアナログエンコーダ定点以外での情報をマスク化するため，暗号鍵とは逆の位相シフト規則を適用する。NRZ 信

ビットに相当する信号に対しフィルタによる帯号 を 対 象 と し た 場 合，送 信 器 側 で デ ジ タ ル

域制限を行うことで，シンボル間で鍵情報を時UCM により暗号化された信号と光中継器でア間領域で拡散する時間拡散暗号鍵を適用した。

ナログ UCM を行うタイミングは非同期でも問提案するシステムの実現可能性を確認するため

題ないが，受信時のアナログデジタル変換器でに，1 つのシンボルに 2 つのデータビットと 2サンプリングするタイミングは信号品質に影響

つ の 暗 号 化 キ ー ビ ッ ト を 含 む 4 レ ベ ル PSKを及ぼすため，受信器側でデジタル UCM とア(QPSK) 信号のハイブリッド UCM について

ナログ UCM の同期タイミングに関する情報は，初期段階での実験を行った。

予めパイロット信号などを用いて受信器側で認識しておく必要がある。今回の実験では，受信器側において送信器側と中継器側の暗号化のタ[研究の内容，成果]イミングを事前に知っていることを前提とする。
図 1 に，デジタル領域とアナログ領域のハイデジタルデコーダからの出力シンボルは 2 ビッ

ブリッド処理による UCM-QPSK システムのトに変換され，元のビット列が復元される。ハ原理を示す。光送信器側では，シリアルデータ

イブリッド UCM を適用した QPSK 信号が理列が 2 ビットごとにセグメント化され，シンボ想的に正しい暗号鍵でエンコードおよびデコー

ルマッパによって 1 つのシンボルがマッピングドされる場合，ビット誤り率 (BER) 特性はされた後，デジタル UCM として動作するデジ

デジタル UCM を使用する QPSK に近くなる。

タルエンコーダによって暗号化される。光中継

一方で，ハイブリッド UCM を適用した QPSK器のアナログエンコーダでは，XPM によって信号が誤った暗号鍵でデコードした場合やデ小さな光位相シフトを発生させる。バイナリコードしなかった場合，信号に対する雑音量にデータで構成される暗号鍵ビット列は，鍵長の関係なく BER 特性は約 0.5 になる。

ビット列が周期的に現れる。

図 1 に，QPSK 方式のハイブリッド UCM の受信器側では，ハイブリッド UCM により暗動作原理を示す。送信器と中継器では，暗号鍵号化された受信シンボルがデジタルデコーダにビットが「1」の場合，位相シフト量はデジタ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

ルエンコーダの「π」，アナログエンコーダの後 に 配 置 し た。HNLF で 暗 号 化 鍵 ビ ッ ト が「π/2」である。暗号鍵ビットが「0」の場合，「1」の場合，暗号化エンコーダで各シンボルのシンボルの位相はシフトしない。受信器では，XPM に よ る 位 相 変 化 を「π/2」発 生 さ せ る。

復号鍵ビットが「1」の場合，第 1 段デジタル一方で，HNLF で暗号鍵ビットが「0」の場合，デコーダの位相シフト量は「π」，第 2 段デジ

XPM によるシンボル位相変化は発生させない。

タルデコーダの「−π/2」，シンボル位相は復

ここでは，28 個の疑似ランダムビット系列を号鍵ビットが「0」の場合，第 1 段および第 2256 ビットとして使用する。

段ともに送信器側と同様にシンボルの位相シフトはない。

送信器では，シリアルバイナリデータが 2ビット単位で分割され，シンボルマッパーでシ

図 2 に，ハ イ ブ リ ッ ド UCM を 用 い た 10ンボルの 1 つにマッピングする。各シンボルのGSymbol/s M-PSK システムの実験系を示す。

位相はデジタルエンコーダによって位相シフト

純粋なデジタル UCM とハイブリッド UCM のされ，IQM によって変調される。単一の波長特性を比較する実験を行った。原理確認実験と可変レーザーダイオード (LD) は，1 nm の帯して，任意波形発生器 (AWG) とデジタルス域幅で 1550 nm の中心波長で連続波 (CW) をトレージオシロスコープ (DSO) でデジタル生成する。CW 光は IQM に入力された後，デエンコーダとデジタルデコーダをエミュレート

ジタル UCM で QPSK 信号に変調される。

した。AWG と DSO のサンプリングレートは

図 3 に，受信電力の関数としての受信信号のそれぞれ 10 GSa/s と 20 GSa/s となる。光中継

実験的な BER を示す。ここでは，QPSK 信号器では，暗号鍵のシリアルなバイナリデータ列の場合のパフォーマンスをデジタル UCM およが強度変調器 (IM) によって変調される。LD

びハイブリッド UCM と比較した。図 3 に示すは，1545 nm の 中 心 波 長 で CW を 生 成 す る。

ように，受信電力が −33 dBm の場合のデジタ

図 2 に示すように，CW 光は IM に入力された

ル UCM とハイブリッド UCM のコンスタレー

後，オンオフキーイング (OOK) 信号に変調ションは，正確に 4 ポイントに収束しているたされる。OOK 信号によって生成される SPM

め，アナログ暗号化強度に問題がないことを確と SBS の量を監視するため，光サーキュレー

認 で き る。デ ジ タ ル UCM と ハ イ ブ リ ッ ドタ，光カプラ，および光スペクトラムアナライ

UCM の誤り訂正限界である BER=3.4×10 −3

ザ (OSA) を高非線形ファイバ (HNLF) の前

時点の電力ペナルティは，SBS のような非所望非線形光学効果の影響により 3.5 dB で発生し た。デ ジ タ ル UCM お よ び ハ イ ブ リ ッ ド
UCM 信号が間違った復号鍵でデコードされた
場合またはデコードされなかった場合，雑音量

図2

実験系

図3― 3 ―BER 特性立石科学技術振興財団に関係なく BER 特性は 0.5 となる。

な変調信号に対する適用について検討していきたいと考える。

[今後の研究の方向，課題][成果の発表，論文等]

今回は，QPSK 信号に対して弱拡散暗号鍵の適用について検討したが，今後は更に高多値度― 4 ―国際会議投稿予定