JP2007124484A - 微弱光の光パワー測定方法および装置、それを用いた光通信システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光子検出器1はバイアス印加タイミングに従って光子の到達の有無を検出する。各タイムスロット内の任意のタイミングで入射する光パルス列に対して、バイアス印加タイミングをタイムスロットの範囲で順次シフトさせることで光子カウンタ5により検出された光子数をカウントし、その光子数に基づいて光パルス列の光パワーを測定する。
【選択図】図1
Description
図4は本発明の第1実施例による温度無依存型Plug&Playシステムの構成を示すブロック図である。ここでは、2つの通信装置のうち量子通信の送信側を送信器10、受信側を受信器20と呼び、それらが光伝送路30により光学的に接続されているシステム構成を例示する。
以下、PBSループの動作を説明する。
図7は、本発明の第1実施例によるシステムにおける受信器20での干渉消光比の測定手順を含む送信器10のタイミング検索を示すフローチャートである。送信器10の位相変調器102を駆動するクロックCLKのタイミングが正しいことを確認するためには、受信器20において干渉消光比を測定する必要がある。ここで、干渉消光比とは、光子検出器APD0およびAPD1に出力される光パワーの比をいう。
図8(a)〜(d)は4通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図であり、図9(a)〜(d)は4通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。
まず受信器20のタイミング制御部240は位相変調器206の受信基底を“+”にセットし、さらに送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“+”、乱数“0”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通り過ぎる順で記述すると、“0−π−0−π”となる。
受信器20のタイミング制御部240は、受信器20の基底を“+”にしたまま、送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“+”、乱数“1”に対応する変調の深さに設定するように指示する。この結果、上述した表1に示すように,カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎる順で記述すると “0−π−π−0”となる。
受信器20のタイミング制御部240は位相変調器206の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“×”、乱数“0”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎる順で記述すると、“0−π−π/2−3π/2”となる。
受信器20のタイミング制御部240は、受信器20の基底を“×”にしたまま、送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“×”、乱数“1”に対応する変調深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎ順で記述すると、“0−π−3π/2−π/2”となる。
図9において、APD0およびAPD1の光パワー比、すなわち干渉消光比は点線で示されている。上述したように、乱数“0”を送信した場合は干渉消光比をP0/P1で表し、乱数“1”を送信した場合は干渉消光比をP1/P0で表す。光子検出器APD0およびAPD1に出力された有効光子カウントとそのときの送信器10のクロックシフト量φiとは、すべて受信器20のメモリ270に記憶されている。タイミング制御部240は、このデータから送信器10のクロックCLKの最適タイミングを決定する。
(2)4通りの干渉消光比の積を計算する:(Ei=Ai*Bi*Ci*Di)
(3)Eiが最大となる位相を選択する:(φi(Max[E1,E2,…EN]))
このようにして決定したシフト量φiは、図9に示す最適ラインにより示されるφsuit値であり、このシフト量のクロック信号CLKが光パルスに同期した最適のタイミングを与える。ただし、既に述べたように、最適ラインを求めることが可能であるならば、図9で示す4通りの組み合わせすべての観測データを使用する必要はない。
以上説明したように、本実施例によれば、まず受信器20からの制御により、送信器10における位相変調器102のタイミングを1ステップずつシフトさせ、1ステップシフトごとに、受信器20で光子検出器のバイアスを高くするタイミングを0から2πまで連続的に推移させながら光子検出結果をメモリ270に格納する。その光子検出結果のうち、バイアスを高くするタイミングが推移している間に検出した光子のみを有効光子カウントとして処理し、この有効光子カウントに基づいて送信器10の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器10の位相変調か正しいタイミングであることを受信器側で光子検出器APDを用いて確認することができる。こうして送信器10での安定した位相変調が可能となり、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、高速・安定な鍵生成を実現することができる。
図11は本発明の第2実施例による量子暗号システムの送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。本実施例による量子暗号システムのブロック構成は、第1実施例と同様に図4に示されるとおりであり、送受信される光パルスも第1実施例と同様に図5、図6に基づいて説明したような振る舞いをする。したがって第1実施例と重複する部分の説明は省略し、図4および図11を参照しながら、干渉消光比の測定、送信器のクロックタイミング検索および最適タイミング決定の動作について詳細に説明する。
タイミング制御部240は通信制御部230を制御して、4通りの基底および乱数の組み合わせから1つを選択し、選択された基底を受信器20の位相変調器206に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器10の通信制御部130へ指定する(ステップS501)。これにより、通信制御部130は位相変調器102に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調深さの位相を設定する。
図12(a)〜(d)は4通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。
まず、受信器20のタイミング制御部240は位相変調器206の受信基底を“+”にセットし、さらに送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“+”、乱数“0”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102をとおりすぎる順で記述すると、“0−π−0−π”となる。
受信器20のタイミング制御部240は、受信器20の基底を“+”にしたまま、送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“+”、乱数“1”に対応する変調の深さに設定するように指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎる順で記述すると、“0−π−π−0”となる。
受信器20のタイミング制御部240は位相変調器206の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“×”、乱数“0”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎる順で記述すると、”0−π−π/2−3π/2“となる。
受信器20のタイミング制御部240は、受信器20の基底を“×”にしたまま、送信器10の通信制御部130に対して位相変調器102を基底“×”、乱数“1”に対応する変調深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表1に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器102を通りすぎ順で記述すると、“0−π−3π/2−π/2”となる。
まず、光子検出器APD0およびAPD1の光パワー比、すなわち干渉消光比を求める。そのために、送信器10のタイミングシフト量φiのときの光子検出器APD0およびAPD1に出力する光パワーを求めなければならない。送信器10のタイミングシフト量φiのとき、受信器20のバイアス印加タイミングは2π/nずつn回シフトする。j回目のシフトを行ったときの光子検出器APD0およびAPD1の光子カウント数をそれぞれc0(i, j)、c1(i, j)とすると、送信器のタイミングシフト量φiのときAPD0およびAPD1で観測された光パワーP0(i)、P1(i)はそれぞれ
上述したように、本発明の第2実施例によれば、送信器10のクロックCLKのシフト量が1ステップ(2π/N)シフトするごとに受信器20のクロックCLK2が1ステップずつ0から2πまで順次シフトするので、第1実施例と同様に光パワーを測定することができる。
上述したように、第2実施例におけるメモリ270には、クロックCLK2が1ステップシフトするごとに光子カウンタ260のカウント値と、そのときの位相シフト量とが対応づけられて格納されている。本発明の第3実施例によれば、このメモリ270の格納データを利用することで、干渉消光比の測定だけでなく、送信器および受信器におけるそれぞれの最適タイミングを決定することができる。以下、第3実施例について詳細に説明する。
図14(a)〜(d)は4通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。横軸は送信器10のタイミングシフト量φi(i=1〜N)であり、縦軸は光子検出器APD0およびAPD1の光パワー(光子カウント数)である。ここでは、光子検出器APD0の光パワーを実線で、光子検出器APD1の光パワーを破線でそれぞれ示す。
上述したように送信器10のクロックCLKの最適タイミングφsuitが決定されると(ステップS510)、続いてメモリ270に格納された測定データを用いて受信器20の最適タイミングを決定する(ステップS511)。
2 バイアス印加回路
3 タイミング制御回路
4 光パワー測定部
5 光子カウンタ
6 メモリ
7 パワー測定プログラム
10 送信器
100 量子ブロック
101 ファラデーミラー
102 位相変調器
103 PBS
104 PBSループ
105 可変光減衰器
106 レーザ
110 同期ブロック
120 データ通信部
130 通信制御部
20 受信器
200 量子ブロック
201 レーザ
202 光サーキュレータ
203 光カプラ
204 Short Path
205 Long Path
206 位相変調器
207 PBS
208,209 光子検出器(APD)
210 同期ブロック
220 データ通信部
230 通信制御部
240 タイミング制御部
250 光パワー測定部
260 光子カウンタ
270 メモリ
280 プログラムメモリ
30 光伝送路
40,50 波長多重フィルタ
Claims (23)
- 光パルス列の光パワーを測定する装置において、
駆動タイミングに従って光子の到達の有無を検出する光子検出手段と、
前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
を有することを特徴とする光パワー測定装置。 - 前記測定手段は、前記駆動タイミングを所定ステップごとに所定の位相範囲で順次シフトさせることを特徴とする請求項1に記載の光パワー測定装置。
- 前記測定手段は、シフトするそれぞれの駆動タイミングで、複数周期に相当する期間、前記計数手段により光子の数を計数することを特徴とする請求項2に記載の光パワー測定装置。
- 前記測定手段は、前記駆動タイミングを所定ステップごとに連続的にシフトさせ、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記計数手段の光子数から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項2に記載の光パワー測定装置。
- 前記測定手段は、前記駆動タイミングを所定ステップごとに順次シフトさせ、シフトするそれぞれの駆動タイミングでの前記計数手段の光子数をメモリに記録し、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記メモリに記録された光子数の系列から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項2に記載の光パワー測定装置。
- 光パルス列の光パワーを測定する装置において、
駆動タイミングに従って光子の到達の有無を検出する光子検出手段と、
前記駆動タイミングの位相をシフトさせるタイミング制御手段と、
前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
前記駆動タイミングの位相を順次シフトさせながら、それぞれの駆動タイミングにおいて前記計数手段により計数された光子数をメモリに格納し、格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
を有する光パワー測定装置。 - 前記メモリには、前記駆動タイミングの位相シフト量とそれに対応する光子数とが順次格納されることを特徴とする請求項6に記載の光パワー測定装置。
- 前記光パルス列の光パワーは、前記駆動タイミングの位相シフト量に対応する光子数の所定の位相範囲における総和に対応することを特徴とする請求項7に記載の光パワー測定装置。
- 前記光子検出手段は、駆動タイミングに従ってバイアス電圧が印加され、バイアス電圧が印加されている間だけ光子入射の有無を検出できる光電変換素子であることを特徴とする請求項1−8のいずれかに記載の光パワー測定装置。
- 各光パルスは1フォトン/パルス以下の微弱光であることを特徴とする請求項1−9のいずれかに記載の光パワー測定装置。
- 複数の通信チャネルを通して第1通信器と第2通信器との間で情報伝送を行う光通信システムにおいて、
前記第1通信器は、
与えられた変調タイミングに従って、送信すべき原情報により光パルス列を変調し、一の通信チャネルを通して送信する変調手段と、
前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、
を含み、
前記第2通信器は、
前記一の通信チャネルを通して到達した光パルス列の光子の有無を駆動タイミングに従って検出する光子検出手段と、
前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された光パワーに基づいて前記第1通信器の前記変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、
を含む、
ことを特徴とする光通信システム。 - 前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングを時間軸上でずらしながら前記測定手段により測定される光パワーを監視し、所望の光パワーが得られる変調タイミングを検索することを特徴とする請求項11に記載の光通信システム。
- 複数の通信チャネルを通して光送信器との間で情報伝送を行う光受信器において、
一の通信チャネルを通して前記光送信器から到達した光パルス列の光子の有無を駆動タイミングに従って検出する光子検出手段と、
前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された光パワーに基づいて前記光送信器が行う光パルスに対する変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、
を有することを特徴とする光受信器。 - 前記光子検出手段は第1光子検出器と第2光子検出器とからなり、
前記一の通信チャネルを通して前記光送信器から到達した光パルス列の変調状態に応じて前記第1光子検出器および前記第2光子検出器のいずれか一方に光信号を出力する光変調検出手段を更に有することを特徴とする請求項13に記載の光受信器。 - 前記測定手段は前記第1光子検出器および前記第2光子検出器のそれぞれにおいて測定された光パワーの比を算出し、前記タイミング制御手段は前記光パワーの比に基づいて前記光送信器の変調タイミングを制御することを特徴とする請求項14に記載の光受信器。
- 光パルス列の光パワーを測定する方法において、
光子検出器の駆動タイミングを順次シフトさせ、
前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出し、
検出された光子の数を計数し、
計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する、
ことを特徴とする光パワー測定方法。 - 前記駆動タイミングは所定ステップごとに所定の位相範囲で順次シフトさせることを特徴とする請求項16に記載の光パワー測定方法。
- シフトするそれぞれの駆動タイミングで、複数周期に相当する期間、光子の数を計数することを特徴とする請求項17に記載の光パワー測定方法。
- 前記駆動タイミングを所定ステップごとに連続的にシフトさせ、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記光子数から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項17に記載の光パワー測定方法。
- 前記駆動タイミングを所定ステップごとに順次シフトさせ、シフトするそれぞれの駆動タイミングでの前記光子数をメモリに記録し、
前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記メモリに記録された光子数の系列から前記光パルス列の光パワーを測定する、
ことを特徴とする請求項17に記載の光パワー測定方法。 - 光パルス列の光パワーを測定する方法において、
光子検出器の駆動タイミングの位相をシフトさせ、
前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出し、
検出された光子の数を計数し、
それぞれの駆動タイミングにおいて計数された光子数をメモリに格納し、
格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する、
を有する光パワー測定方法。 - コンピュータに、光パルス列の光パワーを測定する装置を実装するプログラムにおいて、
光子検出器の駆動タイミングを順次シフトさせるステップと、
前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出するステップと、
検出された光子の数を光子カウンタにより計数するステップと、
光子カウンタの光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定するステップと、
を有することを特徴とする光パワー測定プログラム。 - コンピュータに、光パルス列の光パワーを測定する装置を実装するプログラムにおいて、
光子検出器の駆動タイミングの位相をシフトさせるステップと、
前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出するステップと、
検出された光子の数を計数するステップと、
それぞれの駆動タイミングにおいて計数された光子数をメモリに格納するステップと、
格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定するステップと、
を有することを特徴とする光パワー測定プログラム。
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