JP4565256B2

JP4565256B2 - 偏光方向同期検出回路及び受信装置

Info

Publication number: JP4565256B2
Application number: JP2008188029A
Authority: JP
Inventors: 守生豊嶋
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: US8131160B2; US20100021178A1; JP2010028493A

Description

本発明は偏光方向同期検出回路及び受信装置に関し，特に衛星等の移動体通信のように量子暗号通信を行う送信側において偏光方向を変調した光信号を，受信側において偏光方向を送信側に同期して検出する偏光方向同期検出回路及び受信装置に関する。

量子暗号通信について，送信機と受信機との間の相対的位置が変化する場合でも，送信機と受信機との間で比較的強いパルス光からなる通信信号を送受信する第１の通信手段を設けると共に，該第１の通信手段がオフの期間に，比較的弱い量子暗号信号を送受信する第２の通信手段を設けた「量子暗号通信装置及び方法」の技術を本発明者等により提案されている（特願２００７−２２９６０４，平成１９年９月５日出願）。

その提案された量子暗号通信装置を構成する送信機と受信機の構成をそれぞれ図４，図５に示す。図４に示す送信機では，最初にクロック５１からのクロックによりＰＮ発生機５２から発生した予め定められたパターン（ＰＮ信号）がスイッチＳＷを通って立下りトリガパルス生成回路５８を介して通信用レーザ６６に供給され，通信用レーザ６６は比較的強いパルス光の波長λ１の通信信号を生成してビームスプリッタ６７へ出力する。ビームスプリッタ６７は波長λ１の光をそのまま反射し，変調器６５からの波長λ２の微弱な光（量子暗号信号）をそのまま透過させる。

カウンタ５６はクロック５１からのクロックをカウントし，カウント値がデータコントローラ５５に供給され，データコントローラ５５はカウント値に応じてスイッチＳＷを制御し，ＰＮ発生器５２からのＰＮ信号の後にスイッチＳＷが切替えられて，入力データレコーダ５３からのデータ（通信データ）が立下りトリガパルス生成回路５８を通って通信用レーザ６６へ供給される。立下りトリガパルス生成回路５８では入力信号の立下りを検出すると，第１と第２の遅延パルス発生器５９，６０とデータコントローラ５５を駆動し，データコントローラ５５はランダム発生器５４からのランダム信号に従って第１，第２の遅延パルス発生器５９，６０の一方（データコントローラ５５の出力に応じる）に遅延時間Ｄの後に遅延パルスを発生させ，その遅延パルスに従って第１量子用レーザ６１または第２量子用レーザ６２から通信信号に比べて弱い波長λ２の量子暗号信号が発生し，偏光ビームスプリッタ６３に入力する。第１量子用レーザ６１はその偏光がＨで偏光方向が０度とすると，第２量子用レーザ６２は偏光がＶで偏光方向が９０度とし，それぞれ２値信号の１または０に対応する。変調器６５において偏光ビームスプリッタ６３からの光出力の偏光方向をランダム発生器５４からのランダム信号を変調信号として４５度だけ偏光（変調）し，その出力はビームスプリッタ６７で通信用レーザ６６からの強いパルス光と重畳されて送信される。

図５に示す受信機では，図４に示す送信機からの光信号がビームスプリッタ７０で分配されて，λ１の波長の強いパルス信号は通信用受信機７１で電気信号に変換され，一方はクロック抽出回路７２へ供給され，他方の信号の立下り信号が遅延パルス発生器７８に供給され，遅延時間後に第１と第２の単一光子受信機７６，７７にゲート信号として出力される。また，クロック抽出回路７２から出力されたクロックとデータは通信用データレコーダ７３に入力され保持（記録）されると共に，データはクロックと共に一致検出回路７９へ供給され，ＰＮ発生器８３からのＰＮ信号（データに先立って送信された所定のデータパターン）と比較され一致が検出されると，検出出力によりクロックをカウントするカウンタ８０をリセットする。

ビームスプリッタ７０で反射した波長λ２の微弱な量子暗号を表す光信号は変調器７４においてランダム発生器８４からの信号により４５度の偏光（変調）を受けた後，偏光ビームスプリッタ７５で偏光Ｈの信号が第１単一光子受信機７６へ，偏光Ｖの信号が第２単一光子受信機７７へ分離され，それぞれ遅延パルス発生器７８からのゲート信号により信号が抽出されデータコントローラ８１へ入力される。こうして，送信側で送信データが立下った無信号の時に，立下りから一定の遅延時間のタイミングで送信されてきた量子暗号信号を抽出してデータコントローラ８１に記録することができる。

図６は上記図４，図５の送信機と受信機による量子暗号通信の適用例を示し，衛星９２が時刻Ｔ１に地上局９０上に位置する時，衛星９２の送信機（図４の構成を備える）から量子鍵αを生成し，データＡに重畳した光信号を地上局９０に送信する，地上局９０は受信機（図５の構成を備える）でデータＡ及び量子鍵αを受信して保持する。この後，衛星９２が移動して時刻Ｔ２に地上局９１上に位置した時に，衛星は別の量子鍵βを生成し，データＢに重畳して地上局９１に送信すると，地上局はデータＢと量子鍵を受信して保持する。更に，衛星９２が量子鍵α，βの排他的論理和の演算をして量子鍵γを生成し，地上局９０，９１に送信し，量子鍵の共有を実現することを可能にする。また，図６の場合は同じ衛星９２が地上局９０上の位置から地上局９１上の位置に移動しているが，衛星９２が図示されない別の衛星との間で量子暗号通信を行う場合もある。

上記したように送信機からの量子暗号信号に同期して偏光変調を行い，信号（“１”，“０”）に応じて２つの角度（θ１，θ２）に偏光を行う。図４の例では第１量子用レーザ６１から０度（偏光Ｈ：θ１＝０の場合）に偏光した光か，第２量子用レーザ６２から９０度（偏光Ｖ：θ２＝９０度の場合）に偏光した光の一方を選択することで偏光変調が施されて送信される。

図７に送信側と受信側での偏光変調の角度関係を示す。図中，θ１，θ２は送信側の軸を表し，この例はθ１とθ２は直交している例（直交しなくてもよい）であり，θ１は０度（ｄｅｇ），θ２は９０度（ｄｅｇ）として，送信側で偏光変調を行った時に，移動通信の受信側が相対的に送信側に対して到来角度がΔθ（位相差Δθ）だけ変化した場合を示し，図７の水平方向は受信側の偏光基底（方向）を表す。

図８は偏光変調された信号を偏光子を通して受信した光の強度を示す。上記図７に示すように偏光変調された信号を０度に偏光した光を通過させ９０度に偏光した光を通さない偏光子を通して受信した場合の光の強度であり，Ａ．は通信データ信号の偏光変調波形であり，送信側において９０度と０度の信号が交互に発生している。このＡ．の信号を位相差Δθ＝０度で受信した場合，上記０度を通過する偏光子を通すと，Ｂ．に示すように０度に偏光した光の受信光強度が最大で，９０度に偏光した光の受信光強度は０になる。これに対し，０度＜｜Δθ｜＜４５度の場合は，０度の偏光子を通過させても，送信側の０度の信号と９０度の信号の両方の信号成分が受光されＣ．に示すような波形となる。また，位相差が４５度＜｜Δθ｜＜１３５度の場合は０度の信号が偏光子を通過しにくくなり，９０度の信号の受信光強度の方が大きくなり，Ｄ．のような波形となり送信波形Ａ．と位相が反転する。更に位相差が１３５度＜｜Δθ｜＜１８０度の場合は，信号波形はＥ．となりＣ．と同様になる。

このように衛星等の移動体（送信側または受信側）のように相対的に到来角度関係が変化する光信号の偏光角度関係が変化して角度変位成分を効率的に検出して送信側の偏光基底軸に受信側の偏光軸方向を合わせるため同期検出回路が必要となるが，上記の本願の発明者等により提案された技術には具体的な構成を開示していない。

また，直線偏光をしている光の検出において偏光方向が回転する光波を作り出し，この光波を偏光ビームスプリッタに透過させて光強度を変化させて光検出器で電気信号を変換してロックインアンプを用いて偏光方向の回転に同期した信号で同期検波を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特許第２９２０５０２号

上記特許文献１の技術によれば，微弱光を偏光を回転させることで検出するものであり，受信側で偏光が回転しているために，偏光基底軸を固定して用いる量子暗号信号に用いることができない。

本発明は送信側で光の偏光方向を２つの角度で偏光変調した光を相対的に到来角度が変化しても角度変位成分を効率的に検出することができ，微弱な光でも高精度に偏光軸方向を送信側の選択した偏光基底軸に合わせることができる偏光方向同期検出回路及び偏光方向同期を検出する受信装置を提供することを目的とする。

本発明は，信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する偏光方向同期検出回路は，受信した通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号を制御信号として入力し，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号を入力するスイッチを設け，スイッチは，光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方を制御信号により選択的に切替え，スイッチの出力をローパスフィルタを介して出力することにより，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度と等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号が出力されるようにしたものである。

また，好ましくは，光検出器の信号をスイッチへ入力する前に同期信号の周波数を通過するバンドパスフィルタを通過させるよう偏光方向同期検出回路を構成することができる。

さらに，スイッチの出力後に包絡線検波器とローパスフィルタを設けるよう偏光方向同期検出回路を構成することができる。

また，本発明の信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する受信装置を構成することができ，受信装置は受信光の偏光方向を制御信号により制御する偏光制御部を備えた偏光手段を備え，偏光手段から出力された光信号の通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号と，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号とを入力する偏光方向同期検出回路を設け，偏光方向同期検出回路の出力を偏光制御部に供給して受信光の偏光制御を行い，偏光方向同期検出回路は，光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方の信号を同期信号を含む変調信号により選択的に切替えるスイッチと，スイッチの出力が入力されるローパスフィルタまたは包絡線検波器とローパスフィルタとで構成し，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度と等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号を出力するようにしたものである。

更に，受信装置を構成する偏光方向同期検出回路として，スイッチの出力が入力される包絡線検波器を配置して振幅を検出するよう構成することができる。また，受信装置を構成する偏光方向同期検出回路において，スイッチの出力が入力される包絡線検波器の後段にローパスフィルタを設けるよう構成することができる。

本発明により，受信側で送信側の姿勢角度情報を知る必要がなく，空間伝送のような背景光がある状況下でも高精度に偏光角度の測定が可能であり，偏光変調した参照光により偏光を用いた量子暗号用微弱光の偏光軸方向を送信側の選択した偏光基底軸に合わせることが可能となる。これにより，受信側で偏光基底を同定し，量子暗号に供することができる。

図１は偏光方向同期検出回路の実施例の構成であり，図２は実施例の構成による各部の信号波形を示す図である。図１において，１は偏光方向同期検出回路，１０は２つの入力端子＋，−へ入力する信号の一方を選択するよう入力（変調信号）ａにより切替え制御されるスイッチ（ＳＷ），１１は反転器，１２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。

図２のＡ．は送信側の偏光変調であり，上記図８のＡと同じであり，この偏光変調信号の受信信号は図１の入力ｂとしてスイッチ１０の切替信号として供給される。受信側での受信信号を４５°だけ偏光させる偏光子を通過させた光信号の交流成分は，偏光の相対角度差（Δθ）によって振幅と位相が異なり，図２のＢ．の(1) は偏光角度（Δθ）が４５°＜｜Δθ｜＜１３５°の場合であり変調波形と同じ位相の信号波形となり，(2) のΔθ＝４５度の場合は振幅は０となり，(3) の０°≦｜Δθ｜＜４５°の場合は，変調波形の逆相の信号波形となる。

図１の偏光方向同期検出回路１の入力端子ａから変調信号（データパターンから受信信号回路で抽出した信号）が供給されるとスイッチ１０の制御端子ｃｏｎに入力され，偏光子を通った光信号を光検出器で検出した電気信号（図２のＢ．）が入力端子ｂに入力され，スイッチ１０の＋端子に直接入力され，反転器１１を通った信号がスイッチ１０の−端子に入力される。

図２のＢ．に示す入力信号に対して，制御端子ｃｏｎからの変調信号に対してスイッチ１０は，制御端子ｃｏｎの信号が＋レベルの場合はスイッチ１０の＋端子を選択するよう切替えられ，−レベルの場合はスイッチ１０の−端子を選択するよう切替えられる。これにより，制御端子ｃｏｎからの変調信号を用いた同期検出の回路により光検出信号ｂを反転させることで，図２のＢ．の(1) ，(3) に示す波形から図２のＣ．の(1),(3) に示すような＋側及び−側での反転波形の信号をスイッチ１０の出力端子ｃから得ることができる。スイッチ１０の出力信号をローパスフィルタ１２を通すことにより平滑化して図２のＤ．の(1),(2),(3) に示すように，Δθ＝（θ２−θ１）／２を境にレベルが反転する。図２の例では，θ２＝９０°，θ１＝０°，Δθ＝４５°であり，４５°を境に＋レベルから−レベルに反転する。

図１の光検出器からの電気信号の入力端子ｂには，その前段にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を設けることにより，フェージングによる揺らぎが発生するのを防止することができる。その場合，バンドパスフィルタが通過させる周波数は図２のＡ．に示す変調周波数とする。

また，図１ではスイッチ１０の出力をローパスフィルタ１２を設けて振幅を検出しているが，スイッチ１０の出力を包絡線検波器に入力して振幅を検出するようにしてもよい。さらに，包絡線検波器の後にローパスフィルタを設ける構成にすることができ，これにより振幅検出の精度と応答速度を上げることができる。

図３は本発明による偏光方向同期検出回路の適用例を示す。図中，２は送信装置，２０はレーザ，２１は通信信号変調器，２２は量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号により通信信号の偏光変調を行う偏光変調器である。３は送信装置から送信された偏光変調信号を受信する受信装置，３０は偏光方向を制御可能な偏光変調器，３０ａは偏光変調器３０による偏光機能を制御する偏光制御部，３１は光信号を分配するビームスプリッタ，３２はビームスプリッタを通過した光を一定角度（例えば４５°）だけ偏光する偏光子，３３はビームスプリッタ３１で反射した同期信号を含む光信号を入力してデータを復調する計測機器，３４は偏光子３２で偏光した信号を検出して電気信号を発生する光検出器（ＰＤ）である。また，図３の中に設けられた１は上記図１に示す構成を備えた偏光方向同期検出回路であり，偏光方向同期検出回路１の入力端子，出力端子を表すａ，ｂ，ｄの各符号は上記図１に示す回路に付した同一の各符号と同じである。

なお，図３の偏光変調器３０としては，偏光方向を機械的に回転させて制御する半波長板や，ファラデー素子Ｅ／Ｏ（電気／光）変調器等により実現することができる。

送信装置２の通信信号変調器２１は同期用のレーザ２０からの光信号をデータ信号に応じて変調し，偏光変調器２２では偏光変調信号（同期信号を含む）の入力に応じて通信信号変調器２１の出力を９０°または０°の直交（または非直交でもよい）の偏光変調をし，出力光が空間に送信される。

受信装置３では受信された光信号が偏光変調器３０に入力されると，その時の回転制御部３０ａによる回転角度に対応した偏光（偏光基底）を施し，ビームスプリッタ３１で反射した同期信号（クロック成分）を含むデータ信号が計測機器３３で復調され，偏光方向同期検出回路１の入力端子ａに偏光変調信号（図２のＡ．）として供給される。

ビームスプリッタ３１を通過した同期用通信信号は偏光子３２により量子暗号通信の偏光方向に合った偏光が検出され，光検出器（ＰＤ）３４に入力すると光検出に応じた電気信号が出力される。光検出器３４からの出力は偏光方向同期検出回路１の入力端子ｂに供給される。偏光方向同期検出回路１において入力信号ａ，ｂに対して図２のＡ．〜Ｃ．に示すような動作を行うことで，偏光角度に応じた＋，０，−の信号出力を発生すると，その信号出力が図３の偏光変調器３０の偏光制御部３０ａに入力され，偏光を制御する。この偏光制御により，偏光角度（Δθ）が量子暗号信号の偏光方向に合うように制御される。

なお，Δθ＝（θ２−θ１）／２±π／２の場合にも符号反転（図２Ｄ．の(1) から(3) への変化またはその逆の変化）が起きるが，回転方向に対して極性が反転するので，π／２の角度が異なっていることは識別可能である。

このように，受信側の光入射部の偏光変調器を制御させる信号をフィードバック制御することで，受信側で送信側が選択した偏光基底軸に合わせることが可能であり，同期検波を用いるため，背景光雑音に強く，微弱な光でも偏光を追尾することができる。

偏光方向同期検出回路の実施例の構成を示す図である。実施例の構成による各部の信号波形を示す図である。本発明による偏光方向同期検出回路の適用例を示す図である。提案された量子暗号通信装置を構成する送信機の構成を示す図である。提案された量子暗号通信装置を構成する受信機の構成を示す図である。量子暗号通信の適用例を示す図である。送信側と受信側での偏光変調の角度関係を示す図である。偏光変調された信号を偏光子を通して受信した光の強度を示す図である。

符号の説明

１偏光方向同期検出回路
１０スイッチ（ＳＷ）
１１反転器
１２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
ａ変調信号の入力端子
ｂ光検出器の電気信号の入力端子
ｃ出力端子

Claims

信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する偏光方向同期検出回路において，
受信した通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号を制御信号として入力し，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号を入力するスイッチを設け，
前記スイッチは，前記光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方を前記制御信号により選択的に切替え，
前記スイッチの出力をローパスフィルタを介して出力することにより，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度と等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号が出力されることを特徴とする偏光方向同期検出回路。
請求項１において，
前記光検出器の出力と前記スイッチの入力との間に前記同期信号の周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする偏光方向同期検出回路。
信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する受信装置において，
受信光の偏光方向を制御信号により制御する偏光制御部を備えた偏光手段を備え，
前記偏光手段から出力された光信号の通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号と，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号とを入力する偏光方向同期検出回路を設け，
前記偏光方向同期検出回路の出力を前記偏光制御部に供給して受信光の偏光制御を行い，
前記偏光方向同期検出回路は，前記光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方の信号を前記同期信号を含む変調信号により選択的に切替えるスイッチと，前記スイッチの出力が入力されるローパスフィルタとで構成し，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度と等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号を出力することを特徴とする受信装置。
信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する偏光方向同期検出回路において，
受信した通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号を制御信号として入力し，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号を入力するスイッチを設け，
前記スイッチは，前記光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方を前記制御信号により選択的に切替え，
前記スイッチの出力が入力される包絡線検波器を設けて振幅を検出し，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度に等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号を出力することを特徴とする偏光方向同期検出回路。
請求項４において，
前記スイッチの出力が入力された包絡線検波器の後段にローパスフィルタを設けたことを特徴とする偏光方向同期検出回路。
信号に応じて２つの偏光方向に変調された光信号と同期信号を含む通信信号の光信号を受信する受信装置において，
受信光の偏光方向を制御信号により制御する偏光制御部を備えた偏光手段を備え，
前記偏光手段から出力された光信号の通信信号から抽出した同期信号を含む変調信号と，量子暗号信号の偏光方向に合わせた偏光変調信号を受信した光検出器により検出した信号とを入力する偏光方向同期検出回路を設け，
前記偏光方向同期検出回路の出力を前記偏光制御部に供給して受信光の偏光制御を行い，
前記偏光方向同期検出回路は，前記光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方の信号を前記同期信号を含む変調信号により選択的に切替えるスイッチと，前記スイッチの出力が入力される包絡線検波器とで構成し，送信側と受信側の偏光軸の相対角度差（Δθ）が予め設定された所定の偏光角度より大きいと＋レベル，所定の偏光角度と等しいと０レベル，０度から所定の偏光角度の範囲の場合は−レベルの信号を出力することを特徴とする受信装置。
請求項６において，
前記偏光方向同期検出回路は，前記光検出器の検出信号と，その検出信号の反転信号の何れか一方の信号を前記同期信号を含む変調信号により選択的に切替えるスイッチと，前記スイッチの出力が入力される包絡線検波器と，該包絡線検波器の出力が入力されるローパスフィルタとで構成することを特徴とする受信装置。