JP2007286551A - 光通信装置およびそれを用いた量子暗号鍵配布システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2電極型マッハ/ツェンダー変調器11の両アームに施す電気信号RF1、RF2を多値信号とし、RF1とRF2の平均値によって光パルスの位相変調を、RF1とRF2の電圧差によって強度変調を施すことで、高速で安定した多値変調を可能とし、デコイ方式の量子暗号鍵配布システムにおける暗号鍵生成速度が向上する。
【選択図】図1
Description
1.1)構成
図1は本発明の一実施形態による光通信システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器(Alice)10と受信器(Bob)20とが光ファイバ30で接続されているものとする。
詳しくは後述するが、1つの光パルスを2つのパルスP1およびP2(ダブルパルスDP)に時間的に分割し、このようなダブルパルス列DP1、DP2、・・・を送信器10のMZ型変調器11に通す。それらのパルスのタイミングで、ドライバ12は、強度変調信号および位相変調信号に従った駆動電圧RF1およびRF2をMZ型変調器11の2電極にそれぞれ印加し、それによってMZ型変調器11はダブルパルスDPにして対して強度変調および位相変調を行う(詳しくは1.4参照)。強度変調では、強度変調信号に従って光パルスの強度が複数レベルで変化する。この複数レベルには平均光子数で数個程度の微弱光レベルが含まれる。位相変調では、位相変調信号に従って、光パルスの位相が複数位相で変化する。位相2値の場合にはたとえば0、π、位相4値の場合にはたとえば0、π/2、π、3π/2である。
上述したように、本実施形態によれば、1つのMZ型変調器11を強度変調信号および位相変調信号に従った駆動電圧で駆動する。MZ型変調器11は可変光減衰器などに比べると遙かに高速動作するとともに、位相変化量を精度良く設定できるので、光パルスの強度変調および位相変調を精度良く高速で行うことができる。しかも送信光パルスが通過する光学部品点数が少なくなるために、光学損失を小さくすることができ、送信光パルスの強度劣化を有効に抑制することができる。
MZ型変調器による強度位相変調を説明するために、強度2値、位相2値の4状態/シンボル(すなわち、1シンボルで2ビットを表す。)のAPSK−RZ信号を作成する方法を例示する。
次に、簡単の為、δV=Vπ/2としてMZ型変調器の消光動作について説明する。
次に、δV=Vπ/2±αとしてMZ型変調器の強度位相変調動作について説明する。後述するように、αの値を定めることによって強度変調の強度比を設定することができる。
図7は本発明の第1実施例による往復型量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。ここでは、送信器(Alice)40と受信器(Bob)50とが光ファイバ伝送路60を介して接続されているものとする。
図8は送信器40のPBSループの動作を説明するための模式的構成図である。上述したように、受信器50から到達したダブルパルスP1およびP2は、PBS402で直交した偏光成分に分離され、合計4つのパルス(カルテットパルス)P1−1およびP1−2と、P2−1およびP2−2とになる。光パルスP1−1およびP1−2は光パルスP1の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応し、光パルスP2−1およびP2−2は光パルスP2の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応する。
図10(a)はMZ型変調器403を駆動する駆動信号RF1およびRF2を生成するドライバ404の動作を説明するためのブロック図であり、(b)はそのレベル対応表である。また、図11は乱数入力(Rnd1, Rnd2, Rnd3, Rnd4)と出力RF1およびRF2の信号変換を概念的に示す波形図である。
本実施例による往復型量子暗号鍵配布システムでは、BB84方式と呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配布アルゴリズムを用いる。送信器40(Alice)には、4つの乱数源が設けられ、乱数Rnd1で0または1の暗号鍵データを表し、乱数Rnd2で情報をコーディングする方法を決定する。光パルスの位相を利用した量子暗号鍵配布方法では、位相0が暗号鍵“0”、位相πが暗号鍵“1”の組を表すコーディングセット(以後「+基底」と称する。)と、位相π/2が暗号鍵“0”、位相3π/2が暗号鍵“1”を表すコーディングセット(以後「×基底」と称する。)との2組の基底を乱数Rnd2で選択する。つまり1つの光パルスに対して、0、π/2、π、3π/2の4通りの変調をランダムに施す。
上述した第1実施例により次の効果を得ることができる。まず、MZ型変調器は、可変光減衰器と比較して遥かに早い周波数で駆動することができるので、使用する光部品の帯域による暗号鍵生成速度の制限は大幅に改善される。
11 2電極型Mach-Zehnder変調器
12 ドライバ
20 受信器(Bob)
21 位相変調器
30 光ファイバ伝送路
40 送信器(Alice)
50 受信器(Bob)
60 光ファイバ伝送路
401 光減衰器
402 偏波合分波器
403 2電極型Mach-Zehnder変調器
404 ドライバ
405 制御部
501 パルス光源
502 光サーキュレータ
503 光カプラ
504 位相変調器
505 偏波合分波器
506 制御部
70 送信器(Alice)
80 受信器(Bob)
90 光ファイバ伝送路
701 パルス光源
702 平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計
703 2電極型Mach-Zehnder変調器
704 光減衰器
801 位相変調器
802 平面光回路による非対称Mach-Zehnder干渉計
Claims (33)
- 光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信するための光通信装置において、
複数の導波路の干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで前記光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調手段と、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に従って前記駆動信号を生成する駆動手段と、
を有し、前記光変調手段によって強度変調される光子パルスの強度レベルには微弱光レベルが含まれることを特徴とする光通信装置。 - 前記光子パルスの強度は前記変調情報に従ってランダムに変動することを特徴とする請求項1に記載の光通信装置。
- 前記駆動手段は、前記光子パルスの位相を変調するための第1情報と前記光子パルスの強度を変調するための第2情報とに従って前記駆動信号を生成し、前記第1情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第2情報は複数強度に対応する多値情報であることを特徴とする請求項1または2に記載の光通信装置。
- 前記駆動手段は、前記駆動信号の少なくとも1つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項1−3のいずれか1項に記載の光通信装置。
- 前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信するための折り返し手段を更に有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設けたことを特徴とする請求項1−4のいずれか1項に記載の光通信装置。
- 前記折り返し手段はファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項5に記載の光通信装置。
- 前記折り返し手段は偏波合分波器ループを有し、前記偏波合分波器ループに前記光変調手段が挿入されていることを特徴とする請求項5に記載の光通信装置。
- 前記光変調手段は2電極型マッハ・ツェンダー変調器であり、
前記駆動手段は、
2値の位相変調情報を最上位ビット(MSB)、2値の強度変調情報の反転情報を最下位ビット(LSB)として入力し第1変調信号を生成する第1デジタル/アナログ変換器と、
前記位相変調情報を最上位ビット(MSB)、前記強度変調情報を最下位ビット(LSB)として入力し第2変調信号を生成する第2デジタル/アナログ変換器と、
前記第1変調信号を増幅する第1増幅器と、
前記第2変調信号を増幅する第2増幅器と、
前記第2増幅器の出力信号に所定オフセット信号を加算する加算器と、
を有し、前記第1増幅器の出力信号を第1駆動信号とし、前記加算器の出力信号を第2駆動信号として、前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器のそれぞれの電極へ印加することを特徴とする請求項1に記載の光通信装置。 - 前記第1増幅器および前記第2増幅器は、これらの出力信号の隣接レベル間電圧差が前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Vπの半値と等しいレベルになるように、前記第1および第2変調信号をそれぞれ増幅することを特徴とする請求項8に記載の光通信装置。
- 前記所定オフセット信号は、前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Vπの半値から所定値だけ離れた値であることを特徴とする請求項8または9に記載の光通信装置。
- 平均光子数を変化させながら送信器と受信器が乱数の共有を行う量子暗号鍵配布システムにおいて、
前記送信器は、
複数の導波路を有する干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および平均光子数を同時に変化させることができる光変調手段と、
前記光子パルスの位相および平均光子数をそれぞれ変化させるための変調情報に従って前記駆動信号を生成する駆動手段と、
を有し、前記光変調手段によって変化する平均光子数には微弱光レベルの光子数が含まれることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。 - 前記変調情報は乱数であることを特徴とする請求項11に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記駆動手段は、前記光子パルスの位相を変調するための第1情報と前記光子パルスの平均光子数を変調するための第2情報とに従って前記駆動信号を生成し、前記第1情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第2情報は複数の平均光子数に対応する多値情報であることを特徴とする請求項11または12に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記駆動手段は、前記駆動信号の少なくとも1つをオフセット調整することで、前記光変調手段によって変化する平均光子数の比を設定することを特徴とする請求項11−13のいずれか1項に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記送信器は、前記受信器から前記光子パルスを受け取り、折り返して当該受信器へ送信するための折り返し手段を更に有し、前記折り返し手段の光路中に前記光変調手段を設けたことを特徴とする請求項11−14のいずれか1項に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記折り返し手段はファラデーミラーを含むことを特徴とする請求項15に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記折り返し手段は偏波合分波器ループを有し、前記偏波合分波器ループに前記光変調手段が挿入されていることを特徴とする請求項15に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 前記光変調手段は2電極型マッハ・ツェンダー変調器であることを特徴とする請求項11−17のいずれか1項に記載の量子暗号鍵配布システム。
- 複数の導波路の干渉計構造を有し各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調器を用いて、光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信する光通信方法において、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に基づいて前記駆動信号を生成し、
前記駆動信号は、前記光変調器によって強度変調される光子パルスの強度レベルに微弱光レベルが含まれるように生成されることを特徴とする光通信方法。 - 前記光子パルスの強度を前記変調情報に従ってランダムに変動させることを特徴とする請求項19に記載の光通信方法。
- 前記変調情報は、前記光子パルスの位相を変調するための第1情報と前記光子パルスの強度を変調するための第2情報とからなり、前記第1情報は複数位相に対応する多値情報であり、前記第2情報は複数強度に対応する多値情報であることを特徴とする請求項19または20に記載の光通信方法。
- さらに、前記駆動信号の少なくとも1つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項19−21のいずれか1項に記載の光通信方法。
- 前記光子パルスを前記他の光通信装置から受け取り、折り返して当該他の光通信装置へ送信する際に、折り返し光路中に前記光変調器を設けたことを特徴とする請求項19−22のいずれか1項に記載の光通信方法。
- 前記光子パルスはファラデーミラーにより折り返されることを特徴とする請求項23に記載の光通信方法。
- 前記光子パルスは偏波合分波器ループにより折り返され、前記偏波合分波器ループに前記光変調器が挿入されていることを特徴とする請求項23に記載の光通信方法。
- 前記光変調器は2電極型マッハ・ツェンダー変調器であり、
2値の位相変調情報を最上位ビット(MSB)、2値の強度変調情報の反転情報を最下位ビット(LSB)としてアナログ信号である第1変調信号に変換し、
前記位相変調情報を最上位ビット(MSB)、前記強度変調情報を最下位ビット(LSB)としてアナログ信号である第2変調信号に変換し、
前記第1変調信号および前記第2変調信号をそれぞれ増幅し、
前記第2変調信号の増幅信号に所定オフセット信号を加算し、
前記第1変調信号の増幅信号を第1駆動信号とし、前記加算された信号を第2駆動信号として、前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器のそれぞれの電極へ印加する、
ことを特徴とする請求項19に記載の光通信方法。 - 前記第1変調信号および前記第2変調信号は、これらの増幅信号の隣接レベル間電圧差が前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Vπの半値に等しいレベルになるように、それぞれ増幅されることを特徴とする請求項26に記載の光通信方法。
- 前記所定オフセット信号は、前記2電極型マッハ・ツェンダー変調器の駆動電圧Vπの半値から所定値だけ離れた値であることを特徴とする請求項26または27に記載の光通信方法。
- 平均光子数を変化させながら送信器と受信器が乱数の共有を行う量子暗号鍵配布方法において、
前記送信器は、複数の導波路を有する干渉計構造を有し、各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および平均光子数を同時に変化させることができる光変調器を有し、
前記光子パルスの位相および平均光子数をそれぞれ変化させるための変調情報に従って前記駆動信号を生成し、
前記駆動信号は、前記光変調器によって変化する平均光子数に微弱光レベルの光子数が含まれるように生成されることを特徴とする量子暗号鍵配布方法。 - 前記変調情報は乱数であることを特徴とする請求項29に記載の量子暗号鍵配布方法。
- 前記変調情報は、前記光子パルスの位相を変調するための第1乱数値と前記光子パルスの強度を変調するための第2乱数値とからなり、前記第1乱数値は複数位相に対応し、前記第2乱数値は複数強度に対応することを特徴とする請求項29に記載の量子暗号鍵配布方法。
- さらに、前記駆動信号の少なくとも1つをオフセット調整することで前記強度変調の強度比を設定することを特徴とする請求項29−31のいずれか1項に記載の量子暗号鍵配布方法。
- 複数の導波路の干渉計構造を有し各導波路に対応する電極に駆動信号を印加することで光子パルスの位相および強度を同時に変調可能な光変調器を用いて、光子パルスの位相と強度の両方を変調して他の光通信装置へ送信する光通信をコンピュータで実現するためのプログラムにおいて、
前記光子パルスの位相および強度をそれぞれ変調するための変調情報に基づいて前記駆動信号を、前記光変調器によって強度変調される光子パルスの強度レベルに微弱光レベルが含まれるように生成するステップを有することを特徴とするプログラム。
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