JP2009021887A - 光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 光の強度が長距離光通信に適用できるほど強く、かつ受信器の構成が簡便で、さらに光ファイバの非線形光学効果に強い、安全な光通信システムを実現することが課題である。
【解決手段】 シード鍵から生成した乱数と情報信号によって多数の光の位相を用いて情報信号を送信する。このとき、位相の基準信号、いわゆるパイロットキャリア光もこの位相変調のかかった信号光とともに送信し、受信器でホモダイン受信を行い、送信器と同じシード鍵から同じ過程で生成した乱数を用いて元の情報信号を復調する。
【選択図】 図１

Description

光通信システムに関する。

近年、通信のセキュリティに関する関心が高まっている。この理由は、個人情報や企業情報がインターネットを使って通信する場合に、正規の送信者から正規の受信者までの通信システムのどこかで盗聴者がこれらの情報を盗む可能性があり、それが個人や企業に多大な損害を与えるためである。光通信において絶対に安全な通信手段は、単一光子を使った暗号鍵配布システム（非特許文献１）である。このシステムは単一光子の状態を用いて乱数を正規の送受信者間で共有しこの乱数を用いて情報を暗号化して通信する方式（いわゆる共通鍵暗号方式）で、鍵は使い捨てである。この方式は単一光子の使用とnon-cloning定理（非特許文献１）によってその絶対安全性が保証されているが、単一光子を発生させるための特殊なデバイスが必要である。また単一光子（微弱光）のため送受信者間の通信距離は100km程度、また鍵生成速度はせいぜいMbit/s程度に限られている。

レーザから発生するコヒーレント光に付随する量子揺らぎで情報を“覆い隠して”通信する方式も提案され実験されている。この通信方式は、情報を光の強度に乗せて通信する方式（非特許文献２）と、光の位相に乗せて通信する方式（非特許文献３）の２通りがある。光の強度に情報を乗せて通信する場合は、伝送路である光ファイバが示す非線形光学効果、たとえば自己位相変調効果や、波長多重伝送時の相互位相変調効果の影響を受けやすく、長距離伝送に適さない。また、光の位相に情報を乗せて通信する場合は、受信側で偏波依存性のない位相変調器を使用する必要があるが、伝送路である光ファイバから出てくる信号光の偏波状態は時間とともにランダムに変化しており、２台の位相変調器を直交させてタンデムに接続する方式など煩雑な受信器構成となる。

N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, Reviews of Modern Physics 74, 145 195 (2002). 佐々木雅英、松岡正浩 監修「量子情報通信」pp.207-209 オプトロニクス社（2006） E. Corndorf, C. Liang, G. S. Kanter, et al, Physical Review A 71, 062326 (2005)

光の強度が長距離光通信に適用できるほど強く、かつ受信器の構成が簡便で、さらに光ファイバの非線形光学効果に強い、安全な光通信システムを実現することが課題である。

正規送信者は、光源としてレーザ光を用いる。正規送信者と正規受信者は同じシード鍵と乱数発生回路を事前に保持している。正規送信者はこのシード鍵と乱数発生回路によって乱数列を生成し、この乱数列で決まるバイアスで光の位相を決定する。このバイアスは0〜π/2までの間で多数（たとえば256以上）の値をとり、信号空間で隣り合う信号点に付随する量子雑音が重なるようにこの信号点の数を設定する。さらに通信しようとする情報と上記共通鍵から生成される別の乱数列との排他的論理和に応じて上記バイアスで決まる光の位相に０またはπ/2程度の位相を加算した位相を持つ光を信号光として用いる。さらに正規送信者は位相の基準となる光（以下パイロットキャリア光と呼ぶ）を上記信号光とともに送信する。正規受信者は信号光とパイロットキャリア光を同時に受信し、識別レベルを正規送信者と共有しているシード鍵と乱数発生回路からの乱数列に基づいて選択しこの識別レベルを用いて受信した信号の”０”、 “１”を判定する。盗聴者はこのシード鍵と乱数発生回路を知らないため、また量子雑音によって信号が覆われているため、盗聴は不可能であり、従って正規送受信者間でセキュアな光通信システムが実現できる。

このシステムでは、信号空間での信号点間距離を光の強度に応じて任意に小さく設定できる。従って長距離通信に適した信号強度を保ったまま、正規送受信者間で必要なセキュリティを実現するためのSN比を設定でき、その結果安全な光通信システムを実現できる。さらに、伝送路である光ファイバ中では光の強度が一定であるため、光強度変化に起因する非線形光学効果（Kerr効果）の影響を受けにくい。また、受信は、信号光とともに送信器から送られてきたパイロットキャリア光を用いてホモダイン受信するため、受信光学系が簡単な構成で実現できる、という効果がある。

図1に本発明の第一の実施例を示す。正規の送信器100と正規の受信器200は伝送路である光ファイバ116を介して通信が行われる。通信に使用する光は、レーザ117の出力光をスイッチ115の出力信号に応じて位相変調器118で変調した光119である。情報信号入力端107から入力される情報信号120（ここでは2値ディジタル信号を仮定、情報速度は毎秒Rビット）は、送信器100の内部に保存されているシード鍵105 から乱数発生回路103で毎秒Rビットで生成される論理選択ビット106と排他的論理和回路109で合成され、この出力が”０”と”１”のとき増幅器114で振幅がそれぞれ0ボルトとVπ/2（ここでVπは、光の位相をπ変化させるのに必要な位相変調器の駆動電圧を表す）ボルトになるように設定する。一方シード鍵105と乱数発生回路103で毎秒Rビットの速度で並列に生成されるm個のレベル選択ビット列の乱数（”０”、 “１”） 104は、D/A変換回路108で2^ｍレベルの電圧信号110に変換される。ここでD/A変換回路の出力の最大振幅はVπ/2ボルトと、最小値は０ボルトと設定する。増幅器114の出力とこの電圧信号110は加算回路112で加算され、スイッチ115に入力する。このスイッチ115の他の入力は0ボルトであり、このスイッチは、送信器100にクロック入力端子101から入力されたクロック信号（毎秒Rビット）102を周波数ダブラ113で速度を２倍にした信号（つまり毎秒2Rヘルツ）で駆動される。このスイッチ115の出力信号を駆動信号として位相変調器118に印加することにより送信光119が生成される。

この送信光119は、図２に示す送信器100の構成でも生成できる。図２では、排他的論理和回路109の（ディジタル信号）出力は、周波数ダブラ113の出力信号と論理積回路122で論理積をとり増幅器114で増幅される。一方、乱数生成回路103の出力信号であるm個のレベル選択ビット列の乱数104はこれもやはり、周波数ダブラ103の出力信号と論理積回路で論理積を取り、D/A変換回路108で2^ｍレベルの電圧信号に変換される。以上が図１と図２の異なる点である。

送信器100の出力信号の光の位相は、図３の位相空間では、振幅が一定のため同心円上の点として表せる。この位相空間はx軸が光の電界のcos成分（同相（I）成分）を、ｙ軸がそのsin成分（直交(Q)成分）をあらわしている。図１あるは図２の2^ｍレベルの電圧信号110によって、図３のバイアス位相θ_Lが決まる。すでに述べたように、電圧信号110の最大値はVπ/2と設定してある。図３はm=3の場合をあらわしており、つまり、0からπ/2の位相に8個の信号点が存在する。一方、排他的論理和回路109からの出力信号を増幅した増幅器114の出力信号で決まる位相θ_bがさらにこのバイアス位相θ_Lに加算される。すでに述べたように増幅器114の出力信号は、入力が”０”の時０ボルト、入力が”１”の時Vπ/2ボルトを生成する。その結果、情報信号120は位相空間の点Ａあるいは点Ａ’の状態（位相）で送信される。点Ａか点Ａ’かは、排他的論理和回路109の出力が“0”か“１”かで決まり、情報信号120の“0”“1”には対応していない。今後この点Ａと点Ａ‘をビット対と呼ぶ。

さて図１の送信器100ではスイッチ115によって加算回路112の出力と0ボルトが2Rヘルツで切り替えられている。また、図２の送信器100では論理積回路121と122によって、レベル選択ビット列104とビット信号111はクロック信号の周波数を２倍にした信号と論理積を取る。その結果、図１の送信器100でも図２の送信器100でもその出力光119の位相は、図６(a)の時間変化をする。つまり、１ビットの前半の位相は、バイアス位相θ_Lとビット位相θ_bの和で決まる位相（図６ではθ₁、またはθ_２またはθ_３）となり、1ビットの後半の位相は必ず0となる。この半ビットの位相0がパイロットキャリア光として情報が印加された前半の半ビットの光とともに伝送される。

ところでレーザ光にはそれに付随する量子雑音があり、図３ではそれを信号点の周りの円で表している。通信の安全性は、盗聴者から見てどの信号を通信しているかがこの量子雑音によって覆い隠された状態を作ることによって確保される。したがって、レベル選択ビットの並列数m個は極力大きな値にすると安全性強度は高まる。一般に位相空間で隣り合う信号点の位相差Δθとビット対の位相差θ_bはmによってそれぞれ次式で与えられる。

次に図１の受信器200について説明する。送信器100から送信された光信号119は伝送路である光ファイバ116を伝わり受信器200に到達する。受信器200では0.5ビット遅延復調回路224を通過しバランス型O/E回路223でホモダイン検波される。0.5ビット遅延復調回路224の構成例を図４に示す。入射した光は1：2の光カプラ300で２分岐され、一方は光遅延回路302で他方の分岐された光に対して0.5ビット遅延がかかり、1:1の光カプラ301で再度合成される。なお、この0.5ビット復調回路224は300、301、302の個別部品を光ファイバで接続する構成以外に、これらの部品を同一の基板上、例えばSiやSiO2基板上に集積化した集積光回路で作成しても良い。0.5ビット復調回路224の1:1光カプラ301に入射する２つの光の位相を図６の(b)に示す。

図５にバランス型O/E回路223の構成例を示す。２つのpinフォトダイオード400と401がシリーズに接続されており、その中点からトランスインピーダンス増幅回路402に信号が導かれる構成となっている。このトランスインピーダンス増幅回路402の出力信号はpinフォトダイオード400 と402に入射する２つの光の位相差のcosに比例する。このバランス型O/E回路223の出力の例を図６の(c)に示す。

さて、受信器200にも送信器100と同一のシード鍵205と乱数発生回路203が搭載されており、バランス型O/E回路223の出力からタイミング抽出回路221で作られたクロック信号202によって、乱数発生回路203からレベル選択ビット列204 と論理選択ビット206が生成される。つまり103と203、104と204、105と205、ならびに106と206は同じである。D/A変換回路208の出力は識別回路220の識別レベルを決定し、この識別レベルを基準にバランス型O/E回路223の出力の“０”,“１”が判定される（図３のビット対ＡかＡ‘の判定）。この判定された信号は排他的論理和回路209で論理選択ビット206と排他的論理和を取ることにより元の情報信号が復元されて情報信号出力207となる。

図７を用いて第２の実施例について述べる。レーザ117の出力光は位相変調回路500に導かれる。この光は位相変調が印加される偏波方向(たとえば垂直偏波)に対して45度の角度で入射するようにレーザ117と位相変調回路500は偏波保持ファイバなどで接続する。位相変調回路500は加算回路112の出力信号に応じて位相変調を光に印加する。なお、送信器100内部構成は加算回路112の出力を得るまでは実施例１の図１の送信器100と同じである。位相変調回路500の具体的構成例を図８に示す。レーザ117からの光は位相変調回路500内の偏光ビームスプリッタ511で水平偏波と垂直偏波に分離され、片側の偏波生成分の光（図では垂直偏波の光）は位相変調器513で加算回路112の出力信号に応じた位相変調がかけられる。他方の偏波成分の光（図では水平偏波の光）は位相シフタ512を通ることによりその光路長が他方の偏波成分の（つまり位相変調のかけられる偏波成分の）光の光路長と等しくなるように位相シフタを設定する。両方の偏波成分の光は最後に偏光ビームスプリッタ514で合成されて送信光119となる。これらの部品511 ,512, 513, 514を接続する光ファイバは偏波保持ファイバが望ましい。また、これらの部品511,512,513,514は同一材質の基板上、例えばLiNbO3などの強誘電体材料の基板上に集積化された集積光回路で実現しても良い。なお、位相変調回路500の別の実現方法としては、通常の位相変調器の変調がかかる偏波方向に対して45度の偏波方向でレーザ117の出力光を入射させるだけでも実現できる。この送信光119の位相の時間変化の例を図10(a)に示す。この図でわかるように垂直偏波はビットごとに異なる位相を取るが、水平偏波は一定の位相（図では0）を取り、この水平偏波成分の光がパイロットキャリア光として信号光（垂直偏波の光）とともに送信される。

さて、送信器100の出力光119は伝送路である光ファイバ116を伝播して受信器200に到達する。受信器では偏波合成回路501により送信されてきた光信号の互いに直交する偏波成分の一方を回転させて他方の成分と同じ偏波に変換して合波し、この光をバランスO/E回路223 でホモダイン検波する。このバランス型O/E回路223の出力信号に対する信号処理は第一の実施例と同じである。

偏波合成回路501の構成例を図９に示す。伝送路である光ファイバ116からの光は、偏波コントローラ520でその偏波が偏光ビームスプリッタ521に対して45度となるように制御される。偏光ビームスプリッタ521によって垂直偏波と水平偏波に分離された２つの光のうちの一方（図９では水平偏波成分）は、λ/2板523で他方の偏波方向（図では垂直偏波）に偏波方向を回転させられる。偏波ビームスプリッタ521の出力のうちの他方の偏波成分（図では垂直偏波成分）は位相シフタ522でその光路長が他方の偏波成分（λ/2板を通過する成分）の光路長と同じになるように位相シフタがバイアスで調整されている。両方の光はその後2:2の光カプラ524で合成されて、バランス型O/E回路223へ導かれる。この偏波合成回路501を通過すると、図10の(a)で示された光の水平偏波成分は垂直偏波に変換されて、元の垂直偏波成分（位相変調のかかっていた光）と同じ偏光状態になる。この結果、バランス型O/E回路では、図１０（a）の水平偏波成分が基準信号となりホモダイン受信ができる。なお、上記偏波合成回路501は521,522,523,524などの個別光部品を光ファイバで接続しても実現できるが、これらを集積光回路として実現することも可能である。

伝送路である光ファイバ116では偏波方向が時間とともに変化するため、偏波合成回路501の入射端では偏波コントローラ520で偏光方向が常に偏光ビームスプリッタ521に対して45度になるように制御信号で偏波コントローラを制御する必要がある。これは例えば偏光ビームスプリッタの出力光のパワをモニタすることで実現できる。

伝送路に偏波分散があり、水平偏波と垂直偏波で伝送速度にわずかな差がある場合は、例えば受信信号のアイ開口が最大となるように位相シフタ522のバイアスを制御することにより実現できる。

本発明は、安全な光通信システムを実現する上で必要な光パワと安全性強度を保っており、産業的観点から見て利用可能性は高い。また、本明細書は光ファイバ通信システムを想定して記述しているが、本特許をそのままの形で空間光通信に利用もできることは明確である。

第一の実施例を示す構成図。 第一の実施例の送信器の別の構成図。 位相空間上の位相点配置図。 0.5ビット遅延復調回路の構成例。 バランス型O/E回路の構成例。 位相変調時の光の位相を示す説明図。 第二の実施例を示す構成図。 第二の実施例の位相変調器の構成例。 偏波合成回路も構成例。 第二の実施例の光の位相を示す説明図。

符号の説明

100：送信器、101：クロック信号入力端、102、202：クロック信号、103、203：乱数発生回路、104、204：レベル選択ビット列、105、205：シード鍵、106、206：論理選択ビット、107：情報信号入力端、108、208：D/A変換回路、109、209：排他的論理和回路、110：バイアス電圧、111：ビット信号、112：加算回路、113：周波数ダブラ、114：増幅回路、115：スイッチ、116；光ファイバ、117：レーザ、118：位相変調器、119；送信光、120：情報信号、121、122：論理積回路、200：受信器、201：クロック号出力端、207：情報信号出力端、220：識別回路、221：クロック抽出回路、222：識別レベル信号、223：バランス型O/E回路、224：0.5ビット遅延復調回路、300：1:2光カプラ、301：2:2光カプラ、302：0.5ビット光遅延回路、400,401：pinフォトダイオード、402：トランスインピーダンス増幅回路、500：位相変調回路、501；偏波合成回路、511、514、521：偏光ビームスプリッタ、512、522：位相シフタ、513：位相変調器、520：偏波コントローラ、523：λ/2板、524:2:2光カプラ。

Claims (3)

1. 送信器と受信器を備えた光通信システムであって、
   上記送信器は、
   あらかじめ送受信者の間で共有したシード鍵と乱数発生回路から生成される（m＋1）個の独立な乱数列を用い、該乱数列のうちの１個の乱数列と情報信号との排他的論理和を取ることによって該情報信号を暗号化し、残りのm個の乱数列をA/D変換して得られる2^ｍ個の電圧レベルと該暗号化された該情報信号を加算する処理部と、
   該加算値に応じてレーザ光の位相を位相変調器で変調し信号光として送信する送信部を備え、
   上記受信器は、
   上記複数の位相状態を取る上記送信器から送信されてきた光を受信する受信部と、
   該受信した光を電圧振幅に変換する変換部と、
   該乱数発生器からのm個の乱数列をA/D変換して得られる2^ｍ個の電圧レベルのいずれかを識別レベルとして用い、該電圧振幅を入力としてディジタル信号が“0”か“１”かの判定を行う識別器と、
   該識別器の出力と該（m＋1）個の乱数列のうちの残りの１系列との排他的論理和を取って該情報信号を得る処理部とを備え、
   上記送信器では、該位相変調された信号光とともに、位相の基準となるパイロットキャリア光を送信し、上記受信器では該信号光を該パイロットキャリア光を局発光としてホモダイン検波することを特徴とする光通信システム。
2. 請求項１記載の光通信システムにおいて、
   上記送信器は、情報信号の1ビットに対応する時間のうち０．５ビット分の時間は基準位相を持つパイロットキャリア光を送信し、残りの０．５ビット分の時間は情報に対応した位相を持つ該信号光を送信し、
   上記受信器は０．５ビットの遅延検波回路によって、該パイロットキャリア光と該信号光のホモダインを行うことを特徴とする光通信システム。
3. 請求項１記載の光通信システムにおいて、
   上記送信器は、直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分の光を情報に対応した位相をもつ上記信号光とし、他方の偏波成分を持つ光を基準位相をもつ上記パイロットキャリア光として送信し、
   上記受信器は、一方の偏波成分を持つ光の偏波を他方の偏波成分に変換することによって、該パイロットキャリア光と該信号光のホモダイン検波を行うことを特徴とする光通信システム。

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