JP2006101491A - 多重化通信システムおよびそのクロストーク除去方法 - Google Patents

多重化通信システムおよびそのクロストーク除去方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
光パワーの大きいチャネルが微弱なチャネルに影響を及ぼすことなく、かつ、効率的な情報通信を可能にする光多重化通信システムおよびクロストーク除去方法を提供する。
【解決手段】
量子チャネル５１と古典チャネル５２とを光伝送路５に多重化し量子チャネルを通して送信器１から受信器２へ情報を伝送するシステムにおいて、古典チャネルが量子チャネルに対して影響を及ぼさないように、送信側の波長合分波器３の古典チャネルの透過特性と、受信側の波長合分波器４の量子チャネルの透過特性と、古典チャネルの光源の光パワーと、を設定する。これにより、古典チャネルのクロストーク光、すなわち自然放出光によるクロストーク光と非線形光学効果によるクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない通信が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の光信号を多重化して伝送する光多重化通信システムに係り、特に光パワーの大きな通常チャネルによる光パワーの微弱なチャネルへの影響を抑制するシステムおよび方法に関する。本発明は、たとえば量子通信と通常の光通信とを含むシステムに適用可能であり、特に量子暗号鍵配布システムで使用される量子チャネルと古典チャネルとを多重化するシステムに適用できる。
量子暗号の分野では、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づき、送信器と受信器との間での盗聴を高い確率で検出できることが知られている。このことは、逆に言えば、送信器および受信器の間で盗聴されることなく秘密のビット列（暗号鍵）を共有することが可能であることを示している。秘密情報を共有する手順としては、たとえば４つの量子状態を用いたＢＢ８４（Bernnett Brassard 84）プロトコル等が知られており、これを絶対安全性が証明されているバーナム（Ｖｅｒｎａｍ）暗号の鍵として用いることで高度な安全性を達成できる。
このような量子暗号鍵配布システムがいくつか提案されている。特にスイスのジュネーブ大学で提案されたＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式（非特許文献１〜３参照）は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の概略的構成を図１５に示す。
このＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、まず、量子暗号鍵の受信側装置（以下、慣例に従って「ボブ」という。）のレーザＬＤで光パルスＰを発生させ、それを２分割し、一方の光パルスＰ１は短いパスを通して、他方の光パルスＰ２は長いパスを通して、それぞれ相前後して送信側装置（以下、「アリス」という。）へ送信される。アリスは光パルスＰ１およびＰ２を順次受信すると、光パルスＰ１をファラデーミラーで反射させ偏光状態を９０度回転させてボブへ返送し、光パルスＰ２をファラデーミラーで同様に反射させると共に位相変調して位相変調された光パルスＰ２*aをボブへ返送する。ボブでは、アリスから受信した光パルスＰ１を送信時とは異なる長いパスを通すと共に位相変調し、位相変調された光パルスＰ１*bを得る。他方、アリスで位相変調された光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスを通した後、ボブで位相変調された光パルスＰ１*bと干渉させ、その結果を光子検出器（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で検出する。２分割された光パルスＰ１およびＰ２は、全体として同じ光パスを通過して干渉するので、光子検出器で観測される干渉結果は光ファイバ伝送路の遅延変動が相殺され、アリスの位相変調とボブの位相変調との差に依存する。
このような構成を有するＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では次のような同期をとる必要がある。１）アリスにおいて、ボブから送られた光パルスＰ２をパルスに合わせて変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる；２）ボブにおいて、アリスから反射されてきた光パルスＰ１を変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる；３）ボブで光パルスを受信する時、光検出器に印可するバイアスを受信光パルスに合わせる（ガイガーモードでの超高感度受信）。
さらに、周知のように、量子暗号鍵配布システムでは、ＢＢ８４プロトコルのように、鍵データを共有するためにビット単位での同期を確立する必要がある。
しかしながら、量子暗号鍵配布システムでは、従来の光通信と大きく異なり、光パワーレベルが高々単一光子レベルと微少であるため、量子チャネルを利用して従来の古典チャネルのようなクロック抽出を行うことが不可能である。量子チャネルとは、送信器から受信器へ送信する光パワーが１ｐｈｏｔｏｎ／ｂｉｔ以下の微弱な状態の通信チャネルをいい、古典チャネルとは通常の光パワー領域での通信チャネルをいう。
つまり、量子チャネルを利用して光パワーレベルが微少な光で通信している時には、光検出器であるＡＰＤの量子効率が小さくなるため、例えば送信側がマーク率１／２のデータを送っても、受信側のマーク率が１／２よりもはるかに小さくなり、データの欠損が生じ、正しい周期のクロックを抽出することができない。このような量子チャネルにおける同期をとるためには、通常、古典チャネルが利用されている。
例えば、特表平０８−５０５０１９号公報（特許文献１）には、古典チャネルを利用してビット同期やフレーム同期、その他システムの較正を行う方法が提案されている。特許文献１に記載された方法では、同一の伝送路に量子チャネルと古典チャネルとを設け、古典チャネルを利用して光パワーの微弱な量子チャネルのクロック同期を行っている（６ページ４行〜２７行、Fig. 4参照）。
また、同一の伝送路に量子チャネルと古典チャネルとを設けた例として、特開２００３−３７５５９号公報（特許文献２）に記載された信号状態制御装置がある。この従来例では、量子チャネルと古典チャネルとを同一の伝送路に多重し、古典チャネルの検査光をモニタすることで量子チャネルの信号光の偏波状態をリアルタイムで制御する（明細書段落０００５〜００１２、図２、図３参照）。
また、同一の伝送路に多重された量子チャネルと古典チャネルとの間の影響を考慮した技術も提案されている。非特許文献４には、1300nm帯の量子鍵配布（ＱＫＤ）信号と1500nm帯の古典的な波長多重（ＤＷＤＭ）信号とを１つの共有光ファイバを通して伝送する際に、アリス側にＤＷＤＭ信号のパワーレベルを調整するアッテネータを設け、このＤＷＤＭ信号とＱＫＤ信号とを１０／９０カプラで合波する構成が開示されている。また、アッテネータおよびカプラをバンドマルチプレクサで置き換えることで、ＤＷＤＭ信号から発生しＱＫＤ信号に影響する1300nm帯のノイズパワーを有効に抑制する構成も記載されている（１０４１ページ第３段落およびＦｉｇ．２（ａ）参照）。
特表平０８−５０５０１９号公報（６ページ４行〜２７行、Ｆｉｇ．４参照） 特開２００３−３７５５９号公報（明細書段落０００５〜００１２、図２、図３参照） Ａｕｔｏｍａｔｅｄ‘ｐｌｕｇ ＆ ｐｌａｙ’ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（Ｇ．Ｒｉｂｏｒｄｙ，Ｊ．Ｄ．Ｇａｕｔｉｅｒ，Ｏ．Ｇｕｉｎｎａｒｄ ａｎｄ Ｈ．Ｚｂｉｎｄｅｎ，ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ２９ｔｈ，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９８，Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．２２，ｐｐ．２１１６−２１１７） "Ｐｌｕｇ ＆ Ｐｌａｙ" ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ（Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｔ．Ｈｅｒｚｏｇ，Ｂ．Ｈｕｔｔｎｅｒ，Ｗ．Ｔｉｔｔｅｌ，Ｈ．Ｚｂｉｎｄｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｇｉｓｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０（７），１７ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９７，ｐｐ．７９３−７９５） "ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ Ｆａｒａｄａｙ ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ"（Ｈ．Ｚｂｉｎｄｅｎ，Ｊ．Ｄ．Ｇａｕｔｉｅｒ，Ｎ．Ｇｉｓｉｎ，Ｂ．Ｈｕｔｔｎｅｒ，Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ ａｎｄ Ｗ．Ｔｉｔｔｅｌ，ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ２７ｔｈ，Ｍａｒｃｈ １９９７，Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．７，ｐｐ．５８６−５８８） "Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ： Ａ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ"(Ｍ．Ｓ．Ｇｏｏｄｍａｎ，Ｐ．Ｔｏｌｉｖｅｒ，Ｒ．Ｊ．Ｒｕｎｓｅｒ，Ｔ．Ｅ．Ｃｈａｐｕｒａｎ，Ｊ．Ｊａｃｋｅｌ，Ｒ．Ｊ．Ｈｕｇｈｅｓ，Ｃ．Ｇ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｋ．ＭｃＣａｂｅ，Ｊ．Ｅ．Ｎｏｒｄｈｏｌｔ，Ｋ．Ｔｙａｇｉ，Ｐ．Ｈｉｓｋｅｔｔ，Ｓ．ＭｃＮｏｗｎ，Ｎ．Ｎｗｅｋｅ，Ｊ．Ｔ．Ｂｌａｋｅ，Ｌ．Ｍｅｒｃｅｒ ａｎｄ Ｈ．Ｄａｒｄｙ，ＬＥＯＳ２００３，Ｖｏｌ．ＱＥ−１４，ｐｐ．１０４０−１０４１)
しかしながら、特許文献１および２に記載されているように、たとえば波長分割多重(WDM)により量子チャネルと古典チャネルとが同一伝送路を伝送する構成では、実際にはチャネル間のクロストークが存在する。クロストークとしては、レーザ光源(Laser Diode)の自然放出光や非線形光学効果(ラマン散乱やパラメトリック増幅)に起因するものがある。
通常の光通信システムであれば、各チャネルの信号光パワーはほぼ等しいため、クロストーク光がメイン信号光パワーを上回ることはない。しかし、量子暗号鍵配布システムでは、量子チャネルの光パワーが非常に微弱であるため、隣接する古典チャネルからのクロストーク光が量子チャネルの信号パワーを上回ってしまい、量子チャネルでは雑音光となり量子チャネルの信号のＳＮ比が劣化する。
また、通常の光通信システムであればWDM伝送での波長多重(MUX)時にはクロストークに注意を払わなくてよいが、量子暗号鍵配布システムでは古典チャネルのクロストーク光が量子チャネルの信号パワーを上回らないよう、MUXの時点での注意が必要となる。
例えば、上記非特許文献４には、量子チャネルと古典チャネルを1300nm帯と1500nm帯で使用しチャネル間隔を広くすることによってクロストークの影響を小さくする手法、および、アリス側にアッテネータおよび１０／９０カプラあるいはバンドマルチプレクサを設けることで、古典チャネルから量子チャネルへの自然放出光に起因するノイズパワーを抑制する手法が提案されている。
しかしながら、非特許文献４の手法では、アリス側の古典チャネルにＥＤＦＡが設けられており、ＤＷＤＭの各レーザだけでなくＥＤＦＡによる自然放出光が発生している。したがって、量子チャネルと古典チャネルとを広いチャネル間隔にしない限りクロストークを有効に除去することはできない。
また、非特許文献４の手法では、ボブ側で単にフィルタリングを行うだけであって、光信号が伝送路を伝搬する際に生じる非線形光学効果による影響について全く考慮されていない。したがって、この従来の構成では非線形光学効果による影響を避けることができない。
さらに、非特許文献４の手法では、ＱＫＤ信号に1300nm帯を使用するため、伝送損失が大きくなり伝送距離が制限されてしまう。また、量子チャネルのみで1300nm帯あるいは1500nm帯を占有してしまうため、周波数利用効率が低く、波長資源を有効に活用できない。
そこで、本発明の目的は、光パワーが小さく微弱な通信チャネルと光パワーが大きい通常の通信チャネルとが光伝送媒体に多重化されるときのクロストークを有効に除去することができ、かつ、効率的な情報通信を可能にする光多重化通信システムおよびクロストーク除去方法を提供することにある。
本発明者らは、通常の通信チャネルの光パワーと、送信側の通常の通信チャネルの透過特性と、微弱な通信チャネルの受信側の透過特性とを調整することにより、通常の通信チャネルのクロストーク光、すなわち自然放出光によるクロストーク光および非線形光学効果によるクロストーク光を抑圧できることを見出した。
本発明による光多重化通信システムは、相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化する多重化手段と、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち少なくとも前記第１チャネルを分離する分離手段と、を有し、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性と、前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、前記第２チャネルの光パワーと、を設定することを特徴とする。
前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性は前記多重化手段に入射する前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性は前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、前記第２チャネルの光パワーは前記第１チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される。好ましくは、前記第２チャネルの光パワーは、前記第１チャネルの雑音成分が最も小さくなる範囲における最大値に設定される。
前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性は前記第１チャネルに対するアイソレーションからなり、前記アイソレーションは前記第２チャネルの光源の自然放出光によるクロストーク光が抑圧されて前記第１チャネルの信号光の光パワーよりも小さくなるように設定され、前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第１チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、かつ、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第１チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定されることが望ましい。さらに望ましくは、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第１チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で最も狭い幅に設定される
前記分離手段は、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち第１透過特性に従って前記第１チャネルを含む光信号を分離する第１分離手段と、前記第１分離手段により分離された光信号から第２透過特性に従って前記第１チャネルの光信号を分離する第２分離手段と、を有し、前記第１透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションを満たし、前記第２透過特性は前記透過バンド幅を満たすように構成することもできる。
本発明の他の側面によれば、相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、前記光伝送媒体の両端に、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化し、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルを分離する多重分離手段を設け、少なくとも１つの第２チャネルは前記第１チャネルの情報伝送方向とは反対方向に光信号を伝送し、前記少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記第１チャネルの受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性と、送信側にある前記多重分離手段の前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性と、前記少なくとも１つの第２チャネルの光源の光パワーと、を設定することを特徴とする。
さらに、本発明は時分割多重システムに適用することもできる。すなわち、相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数のチャネルを時分割多重して光伝送媒体を通して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、前記第１チャネルおよび第２チャネルの光パワーをそれぞれ設定して前記光伝送媒体へ順次出力する強度制御手段と、前記光伝送媒体を伝送されてきた光信号をフィルタリングする所定透過特性のフィルタ手段と、を有し、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記フィルタ手段の前記所定透過特性と、前記強度制御手段による前記第２チャネルの光パワーと、を設定することを特徴とする。
以上をまとめて、本発明による光多重化通信システムは、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化する多重化手段と、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第１チャネルの光を所定の透過特性で透過させるフィルタ手段と、を有し、前記第２チャネルの光パワーは、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で設定されることを特徴とする。
また、本発明によるクロストーク除去方法は、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化し、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第１チャネルの光を所定の透過特性で透過させ、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で前記第２チャネルの光パワーを設定する、ことを特徴とする。
本発明によれば、光パワーが微弱なチャネルと通常レベルのパワーの通常チャネルとが同じ光伝送路を通して伝送される場合でも、通常チャネルが微弱なチャネルに影響を及ぼすことがないために、微弱なチャネルを通して情報を確実に伝送することができる。
さらに、通常チャネルが微弱なチャネルに影響を及ぼすことがないために、クロストーク防止のために微弱なチャネルと通常チャネルとのチャネル間隔を広くする必要がなく、周波数資源を有効に活用できる。
また、通常チャネルは、上述した条件を満たす限り、微弱なチャネルの通信と関連した情報通信を行うこともできるが、微弱なチャネルの通信と関係のない一般的な光通信を行うことも可能である。たとえば量子暗号鍵配布システムに適用すると、量子チャネルを通して暗号鍵の生成に必要なビット情報を伝送するために、本発明による手法を用いて初めて効率的な暗号鍵生成および配布が可能となる。
以下、本発明による光多重化通信システムの一例として量子暗号鍵配布システムを取りあげ詳細に説明する。以下、光パワーの微弱な通信チャネルを量子チャネル、通常の光パワーで光通信を行うための通信チャネルを古典チャネルと呼ぶ。
１．第１実施形態
１．１）システム構成
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は本実施形態における送信器側波長合分波器の古典チャネルの透過特性を示す図、（Ｃ）は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図である。
図１（Ａ）において、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器１、受信器２、送信器側の波長合分波器３、および、受信機側の波長合分波器４を有し、送信器側の波長合分波器３と受信機側の波長合分波器４とが１本の光ファイバ伝送路５によって光学的に接続されている。送信器１は送信側の量子ユニット１０と電気−光変換器（Ｅ／Ｏ）１１とを有し、受信器２は受信側の量子ユニット２０と光−電気変換器（Ｏ／Ｅ）２１とを有する。
光ファイバ伝送路５には量子チャネル５１および古典チャネル５２が多重化されている。ここで、量子チャネルは、送信器１から受信器２へ送信する光パワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態の通信チャネルであり、古典チャネルは通常の（従来の）光通信で使用される光パワー領域での通信チャネルである。量子チャネル５１および古典チャネル５２は、同一伝送路（光ファイバ伝送路５）上の別波長λQ、λAにそれぞれ設定されており、ここではλQ＝１５５０ｎｍ、λA＝１５３０ｎｍである。
送信側の量子ユニット１０と受信側の量子ユニット２０とは光ファイバ伝送路５の量子チャネル５１を介して暗号鍵を生成する。また、光ファイバ伝送路５の古典チャネル５２を通して、たとえば同期確立や鍵生成に用いるＢＢ８４プロトコルに従った情報のやり取りを行うことができる。
送信側の量子ユニット１０は、位相変調器１０２およびファラデーミラー（ＦＭ）１０３を有する。位相変調器１０２は、暗号鍵の元データとなるランダムデータビットと変調時の基底＋／×（基底情報）となるランダムデータビットとに従った位相変調を行う。
受信側の量子ユニット２０は、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）２０１、位相変調器２０２、短いパス（Short Path）２０３、長いパス（Long Path）２０４および光カプラ２０５からなる干渉計と、光サーキュレータ２０６と、光検出器であるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）２０７、２０８と、パルス光源であるレーザ（ＬＤ：Laser Diode）２０９と、から構成されている。なお、Short Path２０３とLong Path２０４とは偏波保存ファイバからなり、光カプラ２０５および光サーキュレータ２０６は偏波保存型である。
送信器側の波長合分波器３は図１（Ｂ）に示す古典チャネルの透過特性を有する。本実施形態では、古典チャネル（波長λA）の量子チャネル（波長λQ）に対するアイソレーションａが５０ｄＢ以上に設計されている。このアイソレーションａは、後述するように、送信側Ｅ／Ｏ１１の出力光の自然放出光が抑圧され、量子チャネルの信号光よりも十分小さくなるように設定される。
受信側の波長合分波器４は図１（Ｃ）に示す量子チャネルの透過特性を有する。本実施形態では、量子チャネルの古典チャネルに対するアイソレーションｂが８０ｄB以上、透過バンド幅ｃが１ｎｍに設計されている。波長合分波器４のアイソレーションｂは、古典チャネルの光信号が光ファイバ伝送路５を伝搬することによって生じる非線形光学効果によるクロストーク光のパワーが量子チャネルの信号に対して十分抑圧されるように設定される。波長合分波器４の透過バンド幅ｃは、クロストーク光のパワーが量子チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅、好ましくは最も狭い幅、に設定され、ここでは量子チャネル信号の光源であるレーザ２０９のスペクトルに依存する。
なお、波長合分波器３および４には、アイソレーションが大きくとれて透過特性や反射減衰特性を容易に設定できる薄膜フィルタを用いた波長多重分離器が望ましい。
１．２）動作
本実施形態において、量子チャネル５１の波長、すなわちレーザ２０９の出力光の波長λQを１５５０ｎｍとし、古典チャネル５２の波長、すなわちＥ／Ｏ１１のレーザ出力光の波長λAを１５３０ｎｍとする。これらのレーザは温度制御され、それぞれの波長λQおよびλAは共に安定である。
レーザ２０９から出力された光パルスＰは、光サーキュレータ２０６によって光カプラ２０５へ出力され、光カプラ２０５で２分岐される。２分岐された光パルスＰ１およびＰ２はそれぞれShort Pass２０３およびLong Pass２０４を通り、波長合分波器４を介し量子チャネル５１を通って送信器１に送られる。
送信器１では、受信した光パルスが波長合分波器３で分波された後、ファラデーミラー１０３で偏光状態が９０°回転して折り返される。折り返された光パルスＰ１はそのまま波長合分波器３へ透過するが、光パルスＰ２は位相変調器１０２で変調され、光パルスＰ２*aとして図１（Ｂ）の特性を有する波長合分波器３へ出力し、古典チャネルの光信号と合波される。こうして波長合分波器３から出力された波長多重信号は、光ファイバ伝送路５を伝搬し、図１（Ｃ）の特性を有する受信側の波長合分波器４に入射する。
波長合分波器４は量子チャネルと古典チャネルとを波長分離し、量子チャネルの光パルスＰ１およびＰ２*aを量子ユニット２０へ、古典チャネルの光信号をＯ／Ｅ２１へそれぞれ出力する。
波長合分波器４を透過した量子チャネルの光パルスＰ１は、ＰＢＳ２０１によってLong path２０４へ出力され、位相変調器２０２によって変調されて光パルスＰ１*bとして光カプラ２０５へ出力される。一方、波長合分波器４を透過した量子チャネルの光パルスＰ２*aは、ＰＢＳ２０１によってShort path２０３へ出力され、そのまま光カプラ２０５へ出力される。こうして、光パルスＰ１*bと光パルスＰ２*aとは、送信側位相変調器１０２と受信側位相変調器２０２の位相差によって干渉し、光子検出器APD２０７またはAPD２０８のいずれかで検出される。
（Ａ）自然放出光によるクロストークの抑制
図２は送信側の波長合分波器３に入射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図であり、図３は送信側の波長合分波器３から出射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図である。図２および図３において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸はパワーレベル（ｄＢｍ）を示す。
図２に示すように、本実施形態では、量子チャネルの波長λQ＝１５５０ｎｍであり、その光パワーは０．６フォトン／パルス、量子チャネルの伝送速度が６０MHzのときの平均光パワーは−８０ｄＢｍである。一方、古典チャネルの波長、すなわち送信側Ｅ／Ｏ１１の出力光の波長λＡ＝１５３０ｎｍであり、パワーの集中する１５３０ｎｍ帯と自然放出光との光レベルの差は５０ｄＢである。したがって、量子チャネルの波長域である１５５０ｎｍでの送信側Ｅ／Ｏ１１の出力レーザの自然放出光、すなわち量子チャネルにとってのクロストーク光は量子チャネルの信号光パワーよりもはるかに大きい。
しかしながら、本実施形態によれば、図１（Ｂ）で説明したように、送信側の波長合分波器３は古典チャネル（波長λA）の量子チャネル（波長λQ）に対するアイソレーションａが５０ｄＢ以上に設計されている。したがって、波長合分波器３に送信側Ｅ／Ｏ１１の出力光が入射すると、図３に示すように、レーザの自然放出光はほとんど抑圧される。このとき、量子チャネル（λQ＝１５５０ｎｍ）に対するクロストーク光のレベルは−１００ｄＢｍ以下となり、量子チャネルの信号光のレベル（−８０ｄＢｍ）よりも十分小さくなる。
このように、図１（Ｂ）に示す古典チャネル透過特性を有する波長合分波器３を用いることで、パワーの微弱な量子チャネルの信号光と量子チャネルに与えるクロストーク光の影響を極力小さくした古典チャネルの信号光とが図３に示すように波長多重され、光ファイバ伝送路５へ送出される。
（Ｂ）非線形光学効果によるクロストークの抑制
光ファイバ中の伝搬特性として非線形光学効果があるが、ここでは特に古典チャネルにおける自然ラマン散乱およびパラメトリック増幅が問題となる。波長合分波器３を透過後、図３に示されるようなスペクトルであった古典チャネルの光信号は、光ファイバ伝送路５を伝搬するに従って非線形光学効果によるクロストーク光が生じる。
図４は、古典チャネルの信号が伝送路長２０ｋｍの光ファイバを伝搬した後のパワースペクトルを示す図である。図４に示すように、量子チャネルの波長域である１５５０ｎｍでの非線形光学効果によるクロストーク光のレベルは−８０ｄＢｍを上回り、量子チャネルの信号に影響を及ぼす。
しかしながら、本実施形態によれば、図１（Ｃ）で説明したように、受信側の波長合分波器４は、量子チャネルの古典チャネルに対するアイソレーションｂが８０ｄB以上、透過バンド幅ｃが１ｎｍに設計されている。したがって、古典チャネルと量子チャネルとの波長多重信号が波長合分波器４に入射すると、アイソレーションｂによって量子チャネルよりもパワーの大きい古典チャネルの成分は抑圧され、かつ、透過バンド幅ｃによってそのバンド幅を超える古典チャネルの成分が雑音として受信側の量子ユニット２０に入射することを抑止できる。
ここで、波長合分波器４の透過特性のうち透過バンド幅が量子チャネルのスペクトルよりも十分広いと、図４に示される非線形光学効果によるクロストーク光は雑音としてAPD ２０７またはAPD２０８で検波される。このために、量子チャネルのＳＮ比は透過バンド幅が広くなるにしたがって劣化する。よって、波長合分波器４の透過バンド幅は量子チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下、好ましくは最も狭い、ことが望ましい。ここでは、波長合分波器４の透過バンド幅を１ｎｍに設定しているが、これは量子チャネルの光源であるレーザ２０９のスペクトルによる。
（Ｃ）古典チャネルのパワー制御
さらに、上述した自然放出光によるクロストーク光と非線形光学効果によるクロストーク光とを十分抑圧するためには、入力する古典チャネルのパワー、即ち送信側のＥ／Ｏ１１のレーザ出力パワーも制御する必要がある。
古典チャネルのパワーが大きくなると、伝送距離は伸びるが、図２に示されるクロストーク光のレベルも上昇する。波長合分波器３のアイソレーションａは一定なので、波長合分波器３を透過しても自然放出光によるクロストーク光が十分抑圧できないことになる。したがって、図３に示されるクロストーク光レベルも上昇し、量子チャネルに影響を及ぼす。また、光ファイバ伝送路５を伝搬中の非線形光学効果によるクロストーク光のレベルも古典チャネルのパワーに比例して大きくなる。
図５は、送信側の波長合分波器３に入力する古典チャネルのパワーに対する量子チャネルのＳＮ比の変化を示すグラフである。ここでは、図１（Ｂ）および（Ｃ）で示される透過特性を持つ波長合分波器３および４を使用し、２０ｋｍの光ファイバ伝送路５を通して伝送したときの量子チャネルのＳＮ比を測定した。
図５から明らかなように、伝送距離Ｌ＝２０ｋｍの場合、量子チャネルに影響を与えずに最大の伝送距離を得るには、すなわち量子チャネルのＳＮ比が上昇しない最大の古典チャネル入力パワーは、−１５ｄＢｍである。この最大の古典チャネル入力パワーは伝送距離Ｌによって変化する。Ｌ＝２０ｋｍのとき、古典チャネル入力パワーは−１５ｄＢｍ以下としなければならないため、光ファイバ伝送路５の損失と波長合分波器３、４の損失により、Ｏ／Ｅ２１への入力パワーは−３０ｄＢｍ以下となる。このためＯ／Ｅ２１は高感度の光受信器である必要がある。なお、比較のために、波長透過器４の量子チャネルの透過バンド幅が１３ｎｍであるときの古典チャネルの入力パワーに対する量子チャネルのＳＮ比の関係も示す。この測定結果から、透過バンド幅が必要以上に広いと、古典チャネルの入力パワーに関わらず量子チャネルのＳＮ比は劣化し、量子チャネルの通信が正常に行えないことがわかる。
１．３）効果
以上説明したように、本実施形態によれば、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルと量子チャネルとの波長合分波器の透過特性（アイソレーションおよび透過バンド幅）を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
また古典チャネルのクロストーク光を抑圧できるために、古典チャネルと量子チャネルとのチャネル間隔を広くする必要がなく、周波数資源の有効利用が可能となる。本実施形態ではλQ＝１５５０ｎｍ、λA＝１５３０ｎｍでクロストークを除去することができた。
２．第２実施形態
２．１）システム構成
図６（Ａ）は本発明の第２実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図、（Ｃ）は本実施形態における受信器側の光検出器の前に設けられたバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の透過特性を示す図である。なお、図６（Ａ）において、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、ＢＰＦ２１０および２１１を加えた以外は図１（Ａ）に示す第１実施形態と同じ構成を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
送信側の波長合分波器３は、第１実施形態と同様に図１（Ｂ）で示される古典チャネルの透過特性を有する。
受信側の波長合分波器４は、図６（Ｂ）に示す量子チャネルの透過特性を有し、本実施形態では、量子チャネルの古典チャネルに対するアイソレーションｂが８０ｄB以上、透過バンド幅ｃが１３ｎｍに設計されている。透過バンド幅ｃ＝１３ｎｍは、一般的な幅広のフィルタの値であり、量子チャネルのスペクトルよりも十分広く設計されている。波長合分波器４のアイソレーションｂは、第１実施形態と同様に、古典チャネル成分を抑圧するように設定される。
ＢＰＦ２１０および２１１は、ＡＰＤ２０７および２０８の受光面側にそれぞれ設けられ、光パルスは干渉計で干渉後、ＢＰＦ２１０および２１１を通してＡＰＤ２０７および２０８により検出される。ＢＰＦ２１０および２１１は、図６（Ｃ）に示す透過特性を有し、量子チャネルの古典チャネルに対するアイソレーションｂFが３５ｄB以上、透過バンド幅ｃFが１ｎｍに設計されている。透過バンド幅ｃFは、量子チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅、好ましくは最も狭い幅に設定され、ここでは量子チャネル信号の光源であるレーザ２０９のスペクトルに依存する。
２．２）動作
波長合分波器３から出力された波長多重信号は光ファイバ伝送路５を伝搬し、図６（Ｂ）の特性を有する受信側の波長合分波器４に入射する。
波長合分波器４は量子チャネルと古典チャネルとを波長分離し、量子チャネルの光パルスＰ１およびＰ２*aを量子ユニット２０へ、古典チャネルの光信号をＯ／Ｅ２１へそれぞれ出力する。
波長合分波器４を透過した量子チャネルの光パルスＰ１は、ＰＢＳ２０１によってLong path２０４へ出力され、位相変調器２０２によって変調されて光パルスＰ１*bとして光カプラ２０５へ出力される。一方、波長合分波器４を透過した量子チャネルの光パルスＰ２*aは、ＰＢＳ２０１によってShort path２０３へ出力され、そのまま光カプラ２０５へ出力される。こうして、光パルスＰ１*bと光パルスＰ２*aとは、送信側位相変調器１０２と受信側位相変調器２０２の位相差によって干渉し、ＢＰＦ２１０および２１１を通して光子検出器APD２０７またはAPD２０８のいずれかで検出される。
上述したように、本実施形態によれば、受信側の波長合分波器４は、量子チャネルの古典チャネルに対するアイソレーションｂが８０ｄB以上、透過バンド幅ｃが１３ｎｍに設計されている。したがって、古典チャネルと量子チャネルとの波長多重信号が波長合分波器４に入射すると、アイソレーションｂによって量子チャネルよりもパワーの大きい古典チャネルの成分は抑圧され、かつ、透過バンド幅ｃによってそのバンド幅を超える古典チャネルの成分が雑音として受信側の量子ユニット２０に入射することを抑止できる。
ここで、波長合分波器４の量子チャネルの透過バンド幅ｃが量子チャネルのスペクトルより狭いと、量子チャネルのスペクトル成分が変化し、完全に干渉が起こらない。したがって、波長合分波器４の量子チャネルの透過バンド幅ｃは、量子チャネルのスペクトルよりも十分広くし、量子チャネルの光が干渉計で完全に干渉した後、ＡＰＤ２０７または２０８のいずれかで検出されるのが望ましい。
逆に、波長合分波器４の量子チャネルの透過バンド幅ｃが量子チャネルのスペクトルよりもあまりに広いと、図４に示される非線形光学効果によるクロストーク光が雑音としてＡＰＤ２０７および２０８に到達してしまう。このために、量子チャネルのＳＮ比は波長合分波器４の透過バンド幅ｃが広くなるに従って劣化する。
そこで、光カプラ２０５とＡＰＤ２０７および２０８の間にＢＰＦ２１０および２１１を配置し、それらの透過バンド幅ｃF＝１ｎｍによって雑音を十分除去する。これにより、ＳＮ比のよい量子信号をＡＰＤ２０７または２０８により検出することができる。
なお、本実施形態においても、第１実施形態で説明した（Ａ）自然放出光によるクロストークの抑制および（Ｃ）古典チャネルのパワー制御は同様であるので、説明は省略する。
２．３）効果
以上説明したように、本実施形態によれば、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルと量子チャネルとの波長合分波器の透過特性（アイソレーションおよび透過バンド幅）および光検出器に対応して配置されたバンドパスフィルタの透過バンド特性を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
特に、本実施形態では、受信側の量子ユニット２０内にＢＰＦを設けて量子チャネルに影響する雑音の除去を行うことで、受信側の波長合分波器４には一般的な透過特性を有するものを使用することができる。したがって、特別な波長合分波器を設ける必要がなく、古典チャネルの増設が容易となり、コスト的にも非常に有利になる。
３．第３実施形態
図７は本発明の第３実施形態による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。ただし、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器１のＯ／Ｅ１２および受信器２のＥ／Ｏ２２が光ファイバ伝送路５の古典チャネル５３を通して接続されていること以外は図１（Ａ）に示す第１実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
古典チャネル５３の光信号の送信方向は、量子チャネル５１の量子状態の送信方向とは逆である。送信側の波長合分波器３で量子チャネル５１が合波されるとき古典チャネル５３は分波され、受信側の波長合分波器４で量子チャネル５１が分波されるとき古典チャネル５３は合波される。このために、波長合分波器４で合波される受信器側Ｅ／Ｏ２２の出力光が、ＡＰＤ２０７および２０８で検出される量子チャネルに影響を及ぼさないようにする必要がある。
本実施形態では、波長合分波器４の古典チャネル５３の反射減衰量を５０ｄＢ以上に設計している。また、光ファイバ中の伝送特性としてレイリー散乱による戻り光が考えられるが、波長合分波器４の量子チャネルの透過特性が図１（Ｃ）を満たしていれば、レイリー散乱が量子チャネルに及ぼす影響は抑圧できるので問題ない。
さらに、波長合分波器３で分波される古典チャネル５３の光に関しても、波長合分波器３の古典チャネル５３の反射減衰量を５０ｄＢ以上、波長合分波器４の量子チャネルの透過特性が図１（Ｃ）を満たしていれば問題ない。
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、古典チャネル５２の光源であるＥ／Ｏ１１および古典チャネル５３の光源であるＥ／Ｏ２２の出力パワーは、波長合分波器３および４の透過特性で量子チャネルに影響を与えず、かつ必要な伝送距離を伝播するレベルでなければならない（図５参照）。
以上説明したように、本実施形態によれば、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルと量子チャネルとの波長合分波器の透過特性（アイソレーションおよび透過バンド幅）および反対方向の古典チャネルの反射減衰量を設計することによって、方向の異なる複数の古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
また、本実施形態の量子ユニット２０に上述した第２実施形態を適用することで、受信側の波長合分波器４には一般的な透過特性を有するものを使用することができる。したがって、反射減衰量を考慮するだけで古典チャネルの増設が容易となり、コスト的にも非常に有利になる。
４．第４実施形態
図８は本発明の第４実施形態による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。ただし、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器１にＥ／Ｏ１３およびＯ／Ｅ１４を、受信器２にＯ／Ｅ２３およびＥ／Ｏ２４を加え、送信器１のＥ／Ｏ１３と受信器２のＯ／Ｅ２３とは古典チャネル５４を介して光学的に接続され、受信器２のＥ／Ｏ２４と送信器１のＯ／Ｅ１４とは古典チャネル５５を介して光学的に接続されている。それ以外は図７に示す第３実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態では、双方向の古典チャネル５２および５３がパワーの微弱な量子チャネルに代わってクロック同期を行うための同期チャネルとして使用される。また、双方向古典チャネル５４および５５が量子暗号鍵配布システムによって配布された暗号鍵を用いて暗号通信を行う暗号通信チャネルとして使用される。
古典チャネル５４の光信号は量子チャネル５１の量子状態の送信方向と同方向の信号であるため、波長合分波器３における古典チャネル５４の透過特性は、図１（Ｂ）に示される古典チャネル５２と同様の透過特性が必要である。波長合分波器４における量子チャネルの古典チャネル５４に対する透過特性は、図１（Ｃ）に示される古典チャネル５２に対する透過特性と同様の透過特性が必要である。
また、古典チャネル５５の光信号は量子チャネル５１とは逆方向の信号であるため、波長合分波器３における古典チャネル５５の透過特性は、第３実施形態で説明したように古典チャネル５３と同様の反射減衰量が必要である。波長合分波器４における古典チャネル５５の透過特性も第３実施形態で説明したように古典チャネル５３と同様の反射減衰量が必要である。
このように、本実施形態では、第３実施形態と同様に、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルおよび量子チャネルの波長合分波器の透過特性を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
また、本実施形態の量子ユニット２０に上述した第２実施形態を適用することで、受信側の波長合分波器４には一般的な透過特性を有するものを使用することができる。したがって、反射減衰量を考慮するだけで古典チャネルの増設が容易となり、コスト的にも非常に有利になる。
５．第５実施形態
図９は本発明の第５実施形態による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。本実施形態では、図８に示す第４実施形態における古典チャネル５４および５５が一般の通信で用いられる光信号のチャネル６０に置き換えられている。それ以外は図７に示す第３実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
一般の通信で用いられる光信号とは量子暗号鍵配布システムとは関係のない信号であり、量子チャネル５１と同方向あるいは逆方向の信号で、かつ複数の古典チャネルから構成される。この一般通信チャネル６０のレーザ出力は、第３実施形態と同様に制御される。
このように、本実施形態では、第３実施形態と同様に、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルおよび量子チャネルの波長合分波器の透過特性を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
また、本実施形態の量子ユニット２０に上述した第２実施形態を適用することで、受信側の波長合分波器４には一般的な透過特性を有するものを使用することができる。したがって、反射減衰量を考慮するだけで古典チャネルの増設が容易となり、コスト的にも非常に有利になる。
６．第６実施形態
図１０は本発明の第６実施形態による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。本実施形態では、図１（Ａ）に示す第１実施形態の送信器１におけるファラデーミラー１０３の代わりに、ＰＢＳループ１０４を用いた以外は図１（Ａ）に示す第１実施形態と同じ構成を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
ＰＢＳループ１０４は、波長合分波器３で分波された量子チャネルの信号をＰＢＳ１０１および位相変調器１０２を通って再びＰＢＳ１０１に戻して波長合分波器３を通して受信器２へ返送する。
本実施形態の位相変調器１０２は、第１実施形態のファラデーミラー１０３で量子チャネルの信号光が反射する際に偏光が９０°回転する作用と同等の位相変調を与える。これ以降の動作は第１実施形態と同様である。
このように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルおよび量子チャネルの波長合分波器の透過特性を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
また、本実施形態の量子ユニット２０に上述した第２実施形態を適用することで、受信側の波長合分波器４には一般的な透過特性を有するものを使用することができる。したがって、反射減衰量を考慮するだけで古典チャネルの増設が容易となり、コスト的にも非常に有利になる。
さらに、本実施形態の古典チャネルは、上述した第３〜第５実施形態と同様に、量子チャネル５１と同方向および逆方向のどちらでもよく、古典チャネルのチャネル数は複数チャネルでもよい。
７．第７実施形態
７．１）システム構成
図１１（Ａ）は本発明の第７実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）はその送信器側に設けられた強度変調器のパワー制御動作を示す波形図である。図１１（Ａ）において、送信器１には量子ユニット１０および強度変調器１５が設けられ、受信器２には量子ユニット２０、光スイッチ２５およびＯ／Ｅ２１が設けられている。光伝送路５と受信器２との間には、後述するバンドパスフィルタ６が設けられている。なお、量子ユニット１０および２０は、図１に示す第１実施形態のそれらと同様の構成を有し同様に動作する。
送信器１に設けられた強度変調器１５は、後述するように量子ユニット１０から出力した光の強度を図１１（Ｂ）に示すように変調し、通常の光強度のタイムスロットを古典チャネル、微弱な光強度のタイムスロットを量子チャネルとする時分割多重信号を光伝送路５へ送出する。強度変調器１５の古典チャネルでの光強度は、後述するようにバンドパスフィルタ６の透過特性で量子チャネルに影響を与えず、かつ、必要な伝送距離を満たすように設定する必要がある。なお、古典チャネルおよび量子チャネルの光パワーについては第１実施形態で説明した通りである。
光伝送路５を伝送してきた時分割多重信号はバンドパスフィルタ６を通して受信器２に入力する。本実施形態のバンドパスフィルタ６は、図６（Ｃ）に示す透過特性を有する。光スイッチ２５は、バンドパスフィルタ６を通して受信した時分割多重信号を古典チャネルの期間はＯ／Ｅ２１へ切り替え、量子チャネルの期間は量子ユニット２０へ切り替える。
７．２）動作
まず、レーザ２０９は通常の光パワーレベルを有する光パルスＰを出力し、光パルスＰは光サーキュレータ２０６によって光カプラ２０５へ出力され、光カプラ２０５で２分岐される。２分岐された光パルスＰ１およびＰ２はそれぞれShort Pass２０３およびLong Pass２０４を通り、光スイッチ２５、バンドパスフィルタ６および光伝送路５を通して送信器１に送られる。
送信器１において、光伝送路５を通して受信した光パルスＰ１およびＰ２は、強度変調器１５を通過した後、ファラデーミラー１０３で偏光状態が９０°回転して折り返される。折り返された光パルスＰ１はそのまま移動変調器１０２を通過して量子ユニット１０から出力するが、光パルスＰ２は位相変調器１０２で変調され、光パルスＰ２*aとして量子ユニット１０から出力する。
こうして量子ユニット１０から順次出力された折返し光パルスＰ１と光パルスＰ２*aとは、強度変調器１５により光強度を微弱にした量子チャネルのタイムスロットで光伝送路５へ送出される。古典チャネルのタイムスロットでは通常の光パワーの光パルスとして光伝送路５へ送出される。このように強度変調器１５により量子チャネルおよび古典チャネルの光は時分割多重され光伝送路５を通して伝搬する。
光伝送路５を伝送した後、時分割多重信号は、図６（Ｃ）に示すような透過バンド幅１ｎｍのバンドパスフィルタ６を通り、光スイッチ２５で量子チャネルと古典チャネルとに分離され、量子チャネルの光は量子ユニット２０で受信され、古典チャネルの光はＥ／Ｏ２１で受信される。なお、バンドパスフィルタ６の透過バンド幅を１ｎｍに設定しているが、これは、第１実施形態と同様に、量子チャネルの光源であるレーザ２０９のスペクトルにより決定されるものである。
第１実施形態でも説明したように、光伝送路５を伝搬してきた古典チャネルの光は非線形光学効果によって図４に示されるようなスペクトルとなる。本実施形態のような時分割多重伝送であっても、古典チャネルと量子チャネルとのトランジット部分で古典チャネルの光が量子チャネルへ残留光として影響することが考えられる。たとえば、量子チャネルの伝送速度が６０ＭＨｚのとき、古典チャネルの残留光が量子チャネルへ漏れこむ可能性がある。図４のようなスペクトルの古典チャネル光が残留して量子チャネルに漏れこむと、既に述べたようにＡＰＤ２０７および２０８は広い周波数範囲でノイズを検出し、量子チャネルのＳＮ比が劣化してしまう。
しかしながら、本実施形態では、図６（Ｃ）に示すような透過特性を有するバンドパスフィルタ６を受信器２の前に挿入することによって、古典チャネルの非線形光学効果による雑音光を除去し、さらにこの効果を有効にするために強度変調器１５による古典チャネルの光強度を設定している。これにより、ＡＰＤ２０７および２０８で検出される量子チャネルのＳＮ比を改善することが可能となる。
このように、本実施形態では第１実施形態と同様に、強度変調器１５により古典チャネルの光パワーを制御し、かつ、バンドパスフィルタ６の透過特性を設計することによって、古典チャネルのノイズ光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない時分割多重方式の量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
８．ネットワーク適用例
図１２は本発明による量子暗号鍵配布システムを適用したネットワーク構成の一例を示すブロック図である。送信器ＴＸおよび受信器ＲＸは、それぞれ本発明の第１〜第７実施形態における送信器１および受信器２と同様である。
ここでは、１つの送信器７１とＮ個の受信機７２〜７５とがツリー状に接続されたネットワークが例示されている。ネットワーク接続形態はツリー型だけでなく、スター型やバス型のいずれであってもよい。なお、分岐素子７６、７７は、Passive素子である光カプラまたは光スイッチのどちらでもよい。たとえば送信器７１と任意の１つの受信器との間で第１実施形態あるいは他の実施形態と同様の量子暗号鍵配布を実行することができる。
図１３は本発明による量子暗号鍵配布システムを適用したネットワーク構成の他の例を示すブロック図である。ここでは、Ｎ個の送信器８１〜８５と１個の受信機８６とがリング状に接続されたネットワークが例示されている。送信器ＴＸおよび受信器ＲＸは、それぞれ本発明の第１〜第７実施形態における送信器１および受信器２と同様である。
９．古典チャネル受光器
上述したように、第１〜第７実施形態において、古典チャネルの光源（Ｅ／Ｏ１１、２２、１３、２４）の出力パワーは、波長合分波器３および４の透過特性で量子チャネルに影響を与えず、かつ必要な伝送距離を伝播するレベルでなければならない（図５参照）。したがって、このような古典チャネルのそれぞれ対応する受光器（Ｏ／Ｅ２１、１２、１４，２３）は高感度であることが望ましい。受光器が高感度であれば、送信側の光源の出力パワーを低く設定することができ、クロストーク光の発生を有効に回避できるからである。高感度受光器は、たとえばフォトダイオードの前段に光増幅器を配置すること、あるいは、受光器としてアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）を用いることで実現することができる。
図１４は、古典チャネルの高感度受光器（光−電気変換器Ｏ／Ｅ）の一例を示すブロック図である。各実施形態において、古典チャネルの受光器Ｏ／Ｅ２１は、ＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器)型の光プリアンプ２１−ａにより入射光信号を光増幅し、増幅された光信号をＰＩＮフォトダイオード２１−ｂにより電気信号に変換するという構成を有する。あるいは、他の例として、ＡＰＤを用いて高感度を実現することもできる。
なお、本発明は、上述したＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の双方向方式だけでなく、一方向の量子暗号鍵配布方式にも適用可能である。さらに、量子暗号鍵配布に限定されるものではなく量子通信一般、その他光パワーの異なるチャネルが多重化された通信システム一般に適用可能である。
（Ａ）は本発明の第１実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は本実施形態における送信器側波長合分波器の古典チャネルの透過特性を示す図、（Ｃ）は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図である。 送信側の波長合分波器３に入射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図である。 送信側の波長合分波器３から出射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図である。 古典チャネルの信号が伝送路長２０ｋｍの光ファイバを伝搬した後のパワースペクトルを示す図である。 送信側の波長合分波器３に入力する古典チャネルのパワーに対する量子チャネルのＳＮ比の変化を示すグラフである。 （Ａ）は本発明の第２実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図、（Ｃ）は本実施形態における受信器側の光検出器の前に設けられたバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の透過特性を示す図である。 本発明の第３実施形態による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。 本発明の第４実施形態による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。 本発明の第５実施形態による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。 本発明の第６実施形態による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。 本発明の第７実施形態による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。 本発明による量子暗号鍵配布システムを適用したネットワーク構成の一例を示すブロック図である。 本発明による量子暗号鍵配布システムを適用したネットワーク構成の他の例を示すブロック図である。 古典チャネルの高感度受光器（光−電気変換器）の一例を示すブロック図である。 従来の量子暗号鍵配布システムの概略的構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 送信器
１０ 量子ユニット
１０２ 位相変調器
１０３ ファラデーミラー
１１、１３ Ｅ／Ｏ
１２、１４ Ｏ／Ｅ
２ 受信器
２０ 量子ユニット
２０１ ＰＢＳ
２０２ 位相変調器
２０３ Short Path
２０４ Long Path
２０５ 光カプラ
２０６ 光サーキュレータ
２０７、２０８ ＡＰＤ
２０９ レーザ
２１、２３ Ｏ／Ｅ
２１−ａ ＥＤＦＡ光プリアンプ
２１−ｂ ＰＩＮ−ＰＤ
２２、２４ Ｅ／Ｏ
３、４ 波長合分波器
５ 光ファイバ伝送路
５１ 量子チャネル
５２〜５５ 古典チャネル
５６ 一般の通信チャネル
６ バンドパスフィルタ

Claims (25)

  1. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
    前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化する多重化手段と、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち少なくとも前記第１チャネルを分離する分離手段と、を有し、
    前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性と、前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、前記第２チャネルの光パワーと、を設定することを特徴とする光多重化通信システム。
  2. 前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性は、前記多重化手段に入射する前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、
    前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性は、前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、
    前記第２チャネルの光パワーは、前記第１チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光多重化通信システム。
  3. 前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性は前記第１チャネルに対するアイソレーションからなり、前記アイソレーションは前記第２チャネルの光源の自然放出光によるクロストーク光が抑圧されて前記第１チャネルの信号光の光パワーよりも小さくなるように設定され、
    前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第１チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、かつ、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第１チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の光多重化通信システム。
  4. 前記分離手段は、
    前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち第１透過特性に従って前記第１チャネルを含む光信号を分離する第１分離手段と、
    前記第１分離手段により分離された光信号から第２透過特性に従って前記第１チャネルの光信号を分離する第２分離手段と、
    を有し、前記第１透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションを満たし、前記第２透過特性は前記透過バンド幅を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光多重化通信システム。
  5. 前記第２チャネルの光パワーは、前記多重化手段における前記第２チャネルの透過特性と、前記分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、伝送距離と、に依存して決定されることを特徴とする請求項１に記載の光多重化通信システム。
  6. 前記第１チャネルにおける光パワーが小さい状態は、１フォトン／ビット以下であることを特徴とする請求項１に記載の光多重化通信システム。
  7. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
    前記光伝送媒体の両端に、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化し、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルを分離する多重分離手段を設け、
    少なくとも１つの第２チャネルは前記第１チャネルの情報伝送方向とは反対方向に光信号を伝送し、
    前記少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記第１チャネルの受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性と、送信側にある前記多重分離手段の前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性と、前記少なくとも１つの第２チャネルの光源の光パワーと、を設定することを特徴とする光多重化通信システム。
  8. 前記第１チャネルの情報伝送方向と同じ方向に光信号を伝送する少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第２チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、当該第２チャネルの光源のパワーと、を設定することを特徴とする請求項７に記載の光多重化通信システム。
  9. 前記第２チャネルの光源の光パワーは、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第２チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、伝送距離と、に依存して決定されることを特徴とする請求項７または８に記載の光多重化通信システム。
  10. 前記第１チャネルにおける光パワーが小さい状態は、１フォトン／ビット以下であることを特徴とする請求項７に記載の光多重化通信システム。
  11. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数のチャネルを時分割多重して光伝送媒体を通して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
    前記第１チャネルおよび第２チャネルの光パワーをそれぞれ設定して前記光伝送媒体へ順次出力する強度制御手段と、
    前記光伝送媒体を伝送されてきた光信号をフィルタリングする所定透過特性のフィルタ手段と、
    を有し、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記フィルタ手段の前記所定透過特性と、前記強度制御手段による前記第２チャネルの光パワーと、を設定することを特徴とする光多重化通信システム。
  12. 前記フィルタ手段の前記所定透過特性は、前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、
    前記第２チャネルの光パワーは、前記第１チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光多重化通信システム。
  13. 前記フィルタ手段の前記所定透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第１チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、かつ、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第１チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の光多重化通信システム。
  14. 前記第２チャネルの光パワーは、前記フィルタ手段の前記所定透過特性と伝送距離とに依存して決定されることを特徴とする請求項１１に記載の光多重化通信システム。
  15. 前記第１チャネルにおける光パワーが小さい状態は、１フォトン／ビット以下であることを特徴とする請求項１１に記載の光多重化通信システム。
  16. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおけるクロストーク除去方法において、
    前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化し、
    前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第１チャネルの光を所定の透過特性で透過させ、
    前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で前記第２チャネルの光パワーを設定する、
    ことを特徴とするクロストーク除去方法。
  17. 前記多重化ステップにおいて、前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように前記第２チャネルの透過特性が設定され、
    前記透過ステップにおける所定の透過特性は、前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第２チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように設定され、
    前記光パワー設定ステップにおける前記第２チャネルの光パワーは、前記第１チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のクロストーク除去方法。
  18. 前記多重化ステップにおける前記第２チャネルの透過特性は前記第１チャネルに対するアイソレーションからなり、前記アイソレーションは前記第２チャネルの光源の自然放出光によるクロストーク光が抑圧されて前記第１チャネルの信号光の光パワーよりも小さくなるように設定され、
    前記透過ステップにおける前記所定の透過特性は前記第２チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第１チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、前記所定のバンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第１チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
    ことを特徴とする請求項１６または１７に記載のクロストーク除去方法。
  19. 前記多重化ステップにおいて、前記複数の通信チャネルは前記光伝送媒体に波長分割多重されることを特徴とする請求項１６に記載のクロストーク除去方法。
  20. 前記多重化ステップにおいて、前記複数の通信チャネルは前記光伝送媒体に時分割多重され、前記第１チャネルおよび第２チャネルの光パワーをそれぞれ設定して前記光伝送媒体へ順次出力することを特徴とする請求項１６に記載のクロストーク除去方法。
  21. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送し、前記光伝送媒体の両端に、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化し、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルを分離する多重分離手段を有し、少なくとも１つの第２チャネルは前記第１チャネルの情報伝送方向とは反対方向に光信号を伝送する光多重化通信システムにおけるクロストーク除去方法において、
    前記第１チャネルの送信側において、前記少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段の前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性を設定し、
    前記第１チャネルの受信側において、前記少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも１つの第２チャネルの反射減衰特性を設定し、
    前記受信側において、前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で前記少なくとも１つの第２チャネルの光源の光パワーを設定する、
    ことを特徴とするクロストーク除去方法。
  22. 前記第１チャネルの情報伝送方向と同じ方向に光信号を伝送する少なくとも１つの第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第２チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第１チャネルの透過特性と、当該第２チャネルの光源のパワーと、を設定することを特徴とする請求項２１に記載のクロストーク除去方法。
  23. 相対的に光パワーが小さい状態の第１チャネルと光パワーが大きい状態の第２チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
    前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化する多重化手段と、
    前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第１チャネルの光を所定の透過特性で透過させるフィルタ手段と、
    を有し、前記第２チャネルの光パワーは、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第２チャネルが前記第１チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で設定されることを特徴とする光多重化通信システム。
  24. 前記多重化手段は波長合波器であり、前記フィルタ手段は波長分波器であることを特徴とする請求項２３に記載の光多重化通信システム。
  25. 前記多重化手段は、前記第１チャネルと前記第２チャネルとを時分割多重するためにそれらの光パワーをそれぞれ設定する強度変調器であることを特徴とする請求項２３に記載の光多重化通信システム。

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