JP2009194833A

JP2009194833A - 光多重化通信システムおよびそのクロストーク除去方法

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Publication number: JP2009194833A
Application number: JP2008036026A
Authority: JP
Inventors: Akio Tajima; 章雄田島; Akihisa Tomita; 章久富田; Akitomo Tanaka; 聡寛田中; Yoshihiro Nanbu; 芳弘南部; Wakako Maeda; 和佳子前田; Seigo Takahashi; 成五高橋; Kenichiro Yoshino; 健一郎吉野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP5125583B2

Abstract

【課題】通常強度の古典光からの自然ラマン散乱クロストークを削減し、量子信号等の微弱光との多重化伝送を実現する。
【解決手段】相対的に光パワーが小さい状態の量子チャネル送信器１１０と光パワーが大きい状態の古典チャネル送信器１２０とを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体である光ファイバ伝送路１５０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、量子チャネル送信器１１０に係るチャネルと古典チャネル送信器１２０に係るチャネルとの伝送遅延時間差が、古典チャネル送信器１２０に係るチャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるようにする変調手段１３０を、複数の通信チャネルのいずれかに備える。
【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。

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、例えば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。

光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者(以下「アリス」と「ボブ」と称する)で光学干渉計を組織し、各々の光子にアリス及びボブでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって0 or 1 or 不定の出力を得、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をアリスとボブとで照合することによって最終的にアリス−ボブ間で乱数列を共有することができる。

ここで共有した乱数列には光子受信器ノイズ、干渉計の精度、古典通信信号から洩れ込むノイズ、等の外乱によって発生する誤りに加え、盗聴者(以下Eveと称す)の盗聴行為によって発生する誤りが含まれている為、アリス及びボブは最終暗号鍵を得る為に、共有乱数列中の誤りを除去する誤り訂正、Eveの保持しうる情報量を篩い落とす秘匿増強の処理を行う。

最も実用化に適した構成として、特許文献１又はこの構成を簡略化した非特許文献1に示されているPlug & Play方式が頻繁に用いられている。

Plug & Playでは、往復型の光学干渉計を構成することによって、光子パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計を同一のものとする。この為、干渉計の光路差が光子パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれば精度の良い干渉を実現できる、というメリットを有する。しかしながら、本方式では送受信器内で光子パルスに位相変調を行う位相変調器を双方向で使用する必要がある為、暗号鍵共有速度の高速化には適さない。加えて、伝送路における後方散乱光の発生を免れない為、光子信号の信号対雑音比が劣化する、というデメリットも有する。

一方、単一方向型のＱＫＤ方式は、送受信器内に異なる非対称干渉計を有し、光子パルスを時間的に分割する干渉計と時間的に再び結合させる干渉計が遠隔地点に配置される為、複数干渉計の光路差を厳密に等しく保つ為の工夫が必要となる。

非特許文献２に記載の方法では、ボブ側の非対称干渉計の片経路にファイバストレッチャを配置し、干渉特性をモニタしながらファイバストレッチャを制御して、非対称干渉計の光路長差を調整する。

光ファイバの線膨張係数は10^-6〜10^-5/Kである為、100cmの光ファイバ（遅延量5 ns）は0.1度の温度変化で100〜1000nm程度伸縮する。一般的な光通信やＱＫＤに使用する光信号の波長は1550nmである為、数nsの遅延量を有する非対称干渉計を使用すると、遅延用光ファイバ全体を0.01度よりも細かい粒度で温度制御しない限り安定した干渉特性を得ることが出来ない。

そこで、非特許文献３では、平面光回路(ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit)技術を利用して、光経路を小さい面積に実装することで、温度制御の容易化を図っている。

上述した様に、単一方向型ＱＫＤ実現の上での課題であった、複数干渉計の相対遅延量の安定化技術が徐々に確立され始めていることを受け、単一方向型ＱＫＤは近年様々な展開を見せ始め、非特許文献４における２入力２出力の一般的なマッハツェンダー干渉計を使用する方式の他、位相変調器を使用しない方式も提唱されている。

両者とも、４つの量子状態を利用するＢＢ８４方式(非特許文献５)を具現化したものである。図２（ａ）、（ｂ）に、非特許文献４のシステム構成図を示す。

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（非特許文献５）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、非特許文献５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。

ここで、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２）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。

この特許文献２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）。

一方で、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３）に記載された信号状態制御装置がある。この特許文献３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）。

又、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６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。

又、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２０００−５１７４９９号公報特表平０８−５０５０１９号公報特開２００３−０３７５５９号公報 "Automated ‘plug & play’ quantum key distribution," G. Ribordy, J. -D. Gautier, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, Erec. Lett., Vol.34, No.22, pp.2116-2117 "Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre," Z. L. Yuan and A. J. Shields, Optics Express, Vol.13, pp.660-665 "Asymmetric Mach-Zehnder germano-silicate channel waveguide interferometers for quantum cryptography systems," G. Bonfrate, M. Harlow, C. Ford, G. Maxwell and P.D. Townsend, Elec. Lett., Vol.37, No.13, pp.846-847 "One-Way Quantum Key Distribution System Based on Planar Lightwave Circuits," Yoshihiro NAMBU, Ken’ichiro YOSHINO and Akihisa TOMITA, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, pp. 5344-5348 "QUANTUM CRYPTOGRAPHY: PABLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING," C. H. Bennet and G. Brassard, in Proceedings of the IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore (IEEE, New York, 1984), p. 175 "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２および３に記載されているように、例えば波長分割多重（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。

又、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６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６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。従って、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。

又、非特許文献６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。従って、非特許文献６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。

更に、非特許文献６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。又、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を目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係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、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるようにする変調手段を、前記複数の通信チャネルのいずれかに備えることを特徴とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るクロストーク除去方法は、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けるクロストーク除去方法において、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下になるようにする手順を備え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光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、微弱なチャネルと通常チャネルとの伝送遅延時間差が、通常チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるようにする変調手段を、少なくともいずれかのチャネルに備えることにより、通常チャネルからの自然ラマン散乱が小さくなるタイミングで微弱なチャネル信号が受信されるようになるので、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。

更に、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。

又、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。例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。
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態を説明するブロック図である。多重化通信システムは、量子チャネル送信器１１０、古典チャネル送信器１２０、遅延調整器１３０、光多重化部１４０、光ファイバ伝送路１５０、光分離部１６０、量子チャネル受信器１７０及び古典チャネル受信器１８０により構成されている。

量子チャネル送信器、受信器の例としては、図２(ａ)、（ｂ）に一方向型量子暗号システムを示す。

図２（ａ）は、１個の光源２０１が設けられた非対称マッハツェンダー干渉計２０１、位相変調器２０３、２０４及び光アッテネータ２０５を送信側（アリス）に有し、受信側（ボブ）は位相変調器２０６、非対称マッハツェンダー干渉計２０７及び光子検出器２０８を有する場合の一方向型量子暗号方式を示すブロック図である。

図２（ｂ）は、４個の光源２０９、２１０、２１１、２１２が設けられた４ポート非対称マッハツェンダー干渉計２１３及び光アッテネータ２１４を送信側（アリス）に有し、受信側（ボブ）は４ポート非対称マッハツェンダー干渉計２１５及び光子検出器２１６を有する場合の一方向型量子暗号方式を示すブロック図である。

ここで、図３に示すように、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の同一ファイバ芯線による同期信号を波長多重伝送した際、自然ラマン散乱による量子チャネルへのクロストークが生じる。

この自然ラマン散乱による量子チャネルへのクロストークは、古典チャネルの光パワーと、送信側の古典チャネルの透過特性と、量子チャネルの受信側の透過特性とを調整することによって抑圧し得るが、両チャネルの波長配置やタイミングを調整するより、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及び非線形光学効果によっても抑圧できる。

図１においては、量子チャネルの信号が量子チャネル受信器１７０に到達するタイミングに、自然ラマンクロストーク強度が極小となるように古典チャネルに設けた遅延調整器１３０の遅延量を制御することで、自然ラマンクロストークの影響を排除することができる。

自然ラマン散乱クロストークの時間波形は、発生場所によって時間がずれた強度の等しい方形波の足し合わせとなり振動する。すなわち、受信端と送信端で発生した自然ラマンクロストークの到達時刻の差が同期信号周期の１／２のとき三角波、同期信号周期のとき定数となるため、図４のような波形となる。

定量的には、光ファイバ伝送路１５０の距離をＬ、分散をＤとし、量子チャネルと古典チャネルの波長差をｄλとし、受信端と送信端で発生した自然ラマンクロストークの到達時刻の差をｄＴとすると、ｄＴ＝Ｄ×Ｌ×ｄλと表すことができる。

従って、ｄTが古典チャネル信号周期の１／２以下となるように、量子チャネル送信器１１０、古典チャネル送信器１２０の波長を配置することによっても量子チャネル受信器１７０への自然ラマンクロストーク強度を変調することができる。
［第２の実施の形態］
図５は本発明の第２の実施の形態を説明するブロック図である。多重化通信システムは、第一の実施の形態と同様に、量子チャネル送信器１１０、古典チャネル送信器１２０、遅延調整器１３０、光多重化部１４０、光ファイバ伝送路１５０、光分離部１６０、量子チャネル受信器１７０及び古典チャネル受信器１８０により構成されている。

この第２の実施の形態では遅延調整器１３０を量子チャネル側に配備している。動作については、第一の実施の形態と同様である。
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態を説明するブロック図である。多重化通信システムは、第一の実施の形態と同様に、量子チャネル送信器１１１、古典チャネル送信器１２０、遅延調整器１３０、光多重化部１４０、光ファイバ伝送路１５０、光分離部１６０、量子チャネル受信器１７０及び古典チャネル受信器１８０により構成されている。

本実施の形態では量子チャネル送信器１１１が送信波長を可変することができる構成となっている。

波長を可変とすることでｄＴを制御することができるため、実施の形態１、２と比較して接続した光ファイバ伝送路１５０の特性に対して自由度を広げることができる。なお、本実施の形態では、遅延調整器１３０によってｄＴを調整してもよい。
［第４の実施の形態］
図７は、本発明の第４の実施の形態を説明するブロック図である。多重化通信システムは、第一の実施の形態と同様に、量子チャネル送信器１１０、古典チャネル送信器１２１、遅延調整器１３０、光多重化部１４０、光ファイバ伝送路１５０、光分離部１６０、量子チャネル受信器１７０及び古典チャネル受信器１８０により構成されている。

本実施の形態では古典チャネル送信器１２１が送信波長を可変することができる構成となっている。

波長を可変とすることでｄTを制御することができるため実施の形態１、２と比較して接続した光ファイバ伝送路１５０の特性に対して自由度を広げることができる。なお、本実施の形態では、遅延調整器１３０によってｄＴを調整してもよい。

本発明は、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り、ＢＢ８４プロトコルによる単一方向方式だけでなく、ＤＰＳ−ＱＫＤやＢ９２、双方向の量子暗号鍵配布方式にも適用可能である。

本発明の第１実施形態による多重化通信システムを示すブロック図である。一方向型量子暗号方式を示すブロック図である。自然ラマン散乱によるクロストークを説明する図である。自然ラマン散乱クロストークの時間波形を表す図である。本発明の第２実施形態による多重化通信システムを示すブロック図である。本発明の第３実施形態による多重化通信システムを示すブロック図である。本発明の第４実施形態による多重化通信システムを示すブロック図である。

符号の説明

１１０、１１１量子チャネル送信器
１２０、１２１古典チャネル送信器
１３０遅延調整器
１４０光多重化部
１５０光ファイバ伝送路
１６０光分離部
１７０量子チャネル受信器
１８０古典チャネル受信器
２０１、２０９、２１０、２１１、２１２光源
２０２、２０７非対称マッハツェンダー干渉計
２０３２０４、２０６位相変調器
２０５、２１４光アッテネータ
２０８、２１６光子検出器
２１３、２１５４ポート非対称マッハツェンダー干渉計

Claims

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１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるようにする変調手段を、前記複数の通信チャネルのいずれかに備えることを特徴とする光多重化通信システム。
前記変調手段は、遅延調整器であって、
該遅延調整器は、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように、前記第２チャネルの信号送出タイミングを制御することを特徴とする請求項１記載の光多重化通信システム。
前記変調手段は、遅延調整器であって、
該遅延調整器は、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように、前記第１チャネルの信号送出タイミングを制御することを特徴とする請求項１記載の光多重化通信システム。
前記第１チャネルは、前記変調手段として波長変換手段を備え、
前記第１チャネルは、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように前記第１チャネルの波長を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光多重化通信システム。
前記第２チャネルは、前記変調手段として波長変換手段を備え、
前記第２チャネルは、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように前記第２チャネルの波長を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光多重化通信システム。
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１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下になるようする手順を備えることを特徴とするクロストーク除去方法。
前記手順は、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように、前記第２チャネルの信号送出タイミングを遅延させることを特徴とする請求項６記載のクロストーク除去方法。
前記手順は、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように、前記第１チャネルの信号送出タイミングを遅延させることを特徴とする請求項６記載のクロストーク除去方法。
前記第１チャネルは、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように前記第１チャネルの波長を制御する手順を備えることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載のクロストーク除去方法。
前記第２チャネルは、前記第１チャネルと第２チャネルとの伝送遅延時間差が、第２チャネルの信号の繰り返し周期の１／２以下となるように前記第２チャネルの波長を制御する手順を備えることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載のクロストーク除去方法。