Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. ワイヤレスネットワーク技術
２.
光ネットワーク技術

宇宙光通信と衛星量子鍵 配 送 ／ 豊 嶋 守 生

宇宙光通信と衛星量子鍵配送「衛 星 から の デ ー タ 通 信 容 量 が年々増加しており、今や衛星通信でも光通信の時代に入りました。
光通信はレーザを使うため、光を用いる量子 ICT 技術とも親和性が良く、将 来、衛 星 量 子 鍵 配 送 も

豊嶋 守生（とよしま もりお）
ワイヤレスネットワーク研究所
宇宙通信システム研究室 室長

1994 年、郵 政 省通 信 総 合研 究 所（現 NICT）に入 所。
ETS-Ⅵによる光通信実験に従事し、その後 JAXA 出向、ウィーン工科大学在外研究を経て、OICETS との光通信実験を実施。博士（工学）。

期待されます。」

衛星通信におけるデータ伝送速度の増加
年々高速化する地上通信回線は、やがて近い将来には光ファイバにより全てがつながるネットワークが実現されると考えられています。こうした「光」を使った情報通信技術は、宇宙通信ネットワークにも拡大応用され、宇宙と地上における通信が「光」で結ばれる光ネットワーク時代の到来が想定されます。電波も光波も同じ電磁波ですが、光は数百テラ Hz という搬送波周波数のために、アンテナや機器の小型・軽量化が可能で、周波数資源の有効活用ができ法的規制も緩やかです。2015 年には、観 測衛星等からのデータ伝送速度が約 20Gbps 以上になると試算されており（図 1）、このような高速・大容量通信は光通信でなければ実現できません。近年に

064

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

衛星－地上間光リンクの確立
NICT では、1994 年に技 術試
験衛星Ⅵ型「きく 6 号」
（ETS-Ⅵ）を用いて、世界で初めて地上－静止Ⅰ−２
ワイヤレスネットワーク技術衛星間の光通信実験に成功しました。その後、欧州宇宙機関（ESA）
では、静止衛星 ARTEMIS と地球観測衛星 SPOT4 との間で、2001
年から光通信回線をデータ中継のⅠ−３
ネットワークセキュリティ技術ために 1 日 2 回定常的に利用しています。宇宙航空研究開発機構

図1 衛星のデータ伝送速度の動向（JAXA）の開発した光衛星間通信「きらり」）は、2005 年
実験衛星（OICETS＊、以下8 月に軌道高度 610km の太陽同期軌道へ投入され、2005 年 12 月に ARTEMIS との間で双方器の開発に携わった後 NICT に戻り、2006 年～
2009 年、東京都小金井市にある NICT 宇宙光通信地上局（以下、NICT 光地上局、図 2）の上空において、世界初の地上－低軌道衛星間の光通ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

NICT光地上局の望遠鏡Ⅱ

図2

ました。当時、筆者も JAXA に出向し光通信機

Ⅰ−４
新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

向光衛星間通信実験が国際協力として実施され信実験を実施しました（図 3）。この実験により、低軌道衛星－地上局間光回線への大気ゆらぎの影響を初めて実測できたことは、学術的意義だ
けでなく、都市部に散在するビル間の光通信、航空機等の飛翔体との光通信、地上における光無Ⅲ 未来線技術等へ広範に応用されることが期待されています。

基盤技術

ICT

空間量子鍵配送への応用
世界初の低軌道衛星 - 地上局間の光通信実験

情報通信技術では、情報漏えいや不正アクセ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図3スなどを防止する情報セキュリティ技術の要請おける目覚ましい光学技術の発達に伴い、レーが高まっており、盗聴技術が高度化する中で暗ザを用いた宇宙通信が実現可能な時代に突入し号技術は益々重要になってきています。量子暗ました。

号システムは、量子信号の伝送媒体として光子を用いているため、光通信とは非常に親和性が௶ၡฆఒɈ

჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

065

Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. ワイヤレスネットワーク技術
２.
光ネットワーク技術

宇宙光通信と衛星量子鍵 配 送 ／ 豊 嶋 守 生

図4

UQCC国際会議でのビル間量子鍵配布のデモンストレーションの様子

よいシステムです。現状、ファイバ中での量子鍵配送では、ファイバ中の損失などの影響によりその伝送距離は 150km 程度が限界で海を挟むような大陸間を伝送できませんが、自由空間においては、より遠方への伝送が可能で、地球を周回する衛星を用いると、地球上のどこでも量子鍵配送が可能となります。多くの場合、量子鍵配送には光の偏光が用いられますが、前述した衛星「きらり」との光通信実験において、世界で初めて衛星－地上間での偏光特性を取得し、量子鍵配送への影響を定量的に測定することができました。NICT では、空間伝送用の量子鍵配送システムの実現性を確認するためにプロトタイプモデルを開発し、2010
年 10 月に開催された UQCC 国際会議において

図5

任意の２つの地上局を用いた量子鍵配送

距離約 1.37km のビル間で量子鍵配送のデモンストレーションを行いました（図 4）。

1）衛星から量子鍵αを量子鍵配送により生成・配信し、地上局 A で量子鍵αを保存します。

地 球規模での衛星を用いた量子鍵配送2）地上局 B の上空で、衛星から量子鍵βを生成・配信し、地上局 B で量子鍵βを保存します。

066

任意の 2 つの地上局を用いた量子鍵配送 ･ 共3）衛星では量子鍵γ＝α XOR βを算出し通常有実験は、地球規模で図 5 に示す手順で実現可の通信回線で両ユーザに配信します。
（XOR能となります。

は排他的論理和で、γは盗聴されてもよい）光ネットワーク技術

Ⅰ−１4）そ れぞ れの 地 上 局で 自 分 の量 子 鍵 とγを 排 他 的 論 理 和（XOR）することで相手の量子鍵を共有できます。
任意の 2 つの地上局を用いたワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

量子鍵配信・共有実験は、例えば、ヨーロッパで量子鍵を衛星に送信し、地球の反対側の日本で受信することによりグローバルな量子鍵配送が可能となります。ファイバ通信では現状 150㎞程度しか量
図6

ネットワークセキュリティ技術

子鍵配送できないと言われていま

Ⅰ−３
開発中の超小型衛星搭載用の小型光トランスポンダすので、ファイバ通信の距離では実現できない長距離伝送が可能である衛星量子鍵配送では、地球規模で量子鍵配送が可能であるということは、将来の応用へ重要な意味を持Ⅰ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

つと考えられます。
今後の展望宇宙通信システム研究室では、小型衛星の打Ⅱユニバーサルコミュニケーション基盤技術

ち上げ機会を捉えて、軌道上から小型光トランスポンダ（Small Optical TrAnsponder: SOTA）による光通信の宇宙実証を考えています。現在、SOTA のフライトモデルを開発中で、50kg 級の小型衛星へ搭載する予定です。その搭載質量は６kg 程度で、直径約 5cm の光アンテナを備え礎実験用の非直交な偏光を持つレーザを 2 台搭ングレベルでの光子測定実験を行う予定です。
これにより、量子鍵配送に必要な基礎的なデー球観測衛星等で取得される様々な環境・災害観測データの伝送に役立つ他、高セキュリティな回線確保のため、社会の安心・安全を支える基盤として期待されています。

【光衛星間通信実験衛星「きらり（OICETS）」】

ICT「きらり」（OICETS）は、欧 州 宇 宙 機 関（ESA）の 先 端 型データ中継技術衛星「ARTEMIS」との間での実証実験を主な目的に、2005 年 8 月 24 日にカザフスタン共和国バイコヌール宇宙基
地からドニエプルロケットにより打ち上げられた技術試験衛星です。
「きらり」のような低高度地球周回衛星と地上局間の光通信においては、受信光レベルが大気による減衰やゆらぎにより大きく変動するため、高速で移動しながら地上局に正確にレーザを送信し続けるには極めて難易度の高い技術が必要となります。本稿で紹介したように、NICT と JAXA は、同衛星と光地上局との間での光通信実験に成功しました。こうした低軌道地球周回衛星と光地上局とを結ぶ光通信実験成功は世界で初めてのことで、日本の技術力の高さを証明することができました。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術タを取得する予定です。こうした光学技術は、地＊キーワード

基盤技術

載しており、地上局においてフォトンカウンティ

Ⅲ 未来ています（図 6）。SOTA には、量子鍵配送の基067