JP2012074982A - Communication device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、通信装置に係り、特にYuen量子暗号に代表される光強度多値変調を用いた信号の制御に関する。 The present invention relates to a communication apparatus, and more particularly to control of a signal using light intensity multilevel modulation represented by Yuen quantum cryptography.
Yuen量子暗号は光通信量子暗号通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ(量子ショット雑音)を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、2値の送信データを搬送する2値の光信号を1つのセット(基底という)とし、この基底を複数M個用意し、何れの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光M値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。 Yuen quantum cryptography, also called optical communication quantum cryptography, is a communication technology that spreads optical quantum fluctuations (quantum shot noise) by modulation, making it impossible for an eavesdropper to receive an optical signal accurately. It is proposed to apply. In this common key quantum cryptography, a binary optical signal carrying binary transmission data is set as one set (referred to as a base), a plurality of M bases are prepared, and which base is used to transmit data. Randomly determined by pseudo-random numbers according to the encryption key. Actually, the optical M-value signal is designed so that the distance between the signals is so small that it cannot be identified by the quantum fluctuation, so that an eavesdropper cannot read the data information from the received signal at all.
正規の送受信者の光変復調装置は、2値のM個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな2値の信号判定によってデータを読みとることができる。量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Yuen−2000暗号通信プロトコル(Y−00プロトコルと略称される)によるYuen量子暗号と呼ばれ、その通信の原理や送受信装置の構成については、例えば、本出願人による特許文献1及び特許文献2に開示されている。
Since the optical modulator / demodulator of the authorized transmitter / receiver switches the binary M bases in accordance with a common pseudo-random number and communicates, the authorized receiver reads data by binary signal determination with a large inter-signal distance. Can do. Errors due to quantum fluctuations can be ignored, and accurate communication is possible between authorized senders and receivers. The cipher based on this optical modulation method is called Yuen quantum cryptography based on the Yuen-2000 cryptographic communication protocol (abbreviated as Y-00 protocol). It is disclosed in
ところで、多値強度変調Y−00において、全ての多値間隔を同じにしても、信号レベルの違いによって量子雑音(ショット雑音)量に差が出てくる。このため、盗聴者は、光伝送データの符号誤り率(Bit Error Rate(以下BERという))が良い箇所を集中的に攻撃して、短時間で解読するショートカットを見つけようとするであろう。つまり、多値強度変調による伝送データの暗号解読の原因を作る可能性がある。そこで、どの信号レベルでも符号誤り率が同じになるように光パワーを補正する機構が望まれる。 By the way, in the multi-value intensity modulation Y-00, even if all the multi-value intervals are the same, the amount of quantum noise (shot noise) varies depending on the signal level. For this reason, an eavesdropper will try to find a shortcut for decoding in a short time by intensively attacking a portion where the bit error rate (hereinafter referred to as BER) of the optical transmission data is good. That is, there is a possibility that the cause of the decryption of the transmission data by the multi-value intensity modulation is made. Therefore, a mechanism for correcting the optical power so that the code error rate is the same at any signal level is desired.
本発明の目的は、多値強度変調において符号誤り率が全ての信号レベルで同じになるように制御し、正規受信者の符号誤り率が大幅に劣化するのを防止することにある。 An object of the present invention is to control the code error rate so as to be the same at all signal levels in multi-level intensity modulation, and to prevent the code error rate of a legitimate receiver from being greatly deteriorated.
本発明は、好ましくは、レーザを駆動するための信号を出力するドライブ回路と、該駆動信号により強度変調した多値信号を発するレーザを有する通信装置において、該多値信号の間隔が不均一に変化するように、該ドライブ回路からの駆動信号を所定の規則に従って変更するイコライザを有することを特徴とする通信装置として構成される。 Preferably, in the communication apparatus having a drive circuit that outputs a signal for driving a laser and a laser that emits a multi-value signal that is intensity-modulated by the drive signal, the intervals of the multi-value signals are non-uniform. The communication apparatus includes an equalizer that changes a drive signal from the drive circuit according to a predetermined rule so as to change.
好ましい例では、該イコライザは、該多値信号間で符号誤り率が均一になるように、該ドライブ回路からの出力信号を変更する。
また、好ましくは、前記イコライザは、該変調器ドライブ回路から出力されるアナログ信号を2進のデジタルに変換する2進変換器と、該デジタル信号の上位の複数ビットと下位の複数ビットにより入力信号を出力信号に変換する補正テーブルを有する。
In a preferred example, the equalizer changes the output signal from the drive circuit so that the code error rate is uniform between the multilevel signals.
Preferably, the equalizer includes a binary converter that converts an analog signal output from the modulator drive circuit into binary digital, and an input signal including a plurality of upper bits and a plurality of lower bits of the digital signal. Has a correction table for converting the signal into an output signal.
本発明によれば、多値強度変調において量子雑音量によって多値間隔を変えることで、符号誤り率BER(Bit Error Rate)を改善することができる。各信号間でのBERを等しくすることができるので、暗号解読のきっかけを防止することができ、安全性が向上する。 According to the present invention, the code error rate BER (Bit Error Rate) can be improved by changing the multilevel interval in accordance with the amount of quantum noise in the multilevel intensity modulation. Since the BER between the signals can be equalized, the trigger of decryption can be prevented and the safety is improved.
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図1は、通常の多値強度変調Y−00の多値信号、雑音、盗聴者の受信の様子を示す。Y−00の盗聴者モデルは、多値間隔(即ち信号S0〜S4の間隔)および全ての信号レベルでの量子雑音(ショット雑音)σ2 iは等しいと仮定している(式1参照)。しかし、ショット雑音は光パワーに比例するため、実際は多値間隔を同じにすると、各信号レベルでの量子雑音量は異なり、符号誤り率BERが変化する。また、閾値Ithi(図1の例では、iは1〜4)は信号レベル間に(多値数-1)個用意して識別することになる。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a state of reception of a multilevel signal of normal multilevel intensity modulation Y-00, noise, and an eavesdropper. The eavesdropper model of Y-00 assumes that the multi-value interval (that is, the interval between signals S0 to S4) and the quantum noise (shot noise) σ 2 i at all signal levels are equal (see Equation 1). However, since shot noise is proportional to optical power, if the multilevel interval is made the same, the amount of quantum noise at each signal level is different and the code error rate BER changes. Further, the threshold value Ithi (i is 1 to 4 in the example of FIG. 1) is identified by preparing (multi-value number -1) between signal levels.
ここで、式1は、量子雑音の式を示す。量子雑音σ2 iは光パワーPに比例する。 Here, Formula 1 shows the formula of quantum noise. The quantum noise σ 2 i is proportional to the optical power P.
式2は、各々の信号レベル間のBERの式を示す。
式3は、全ての信号レベルを考慮したBERを示す。各々の信号レベル間BERの平均値となる。
図2は、本発明による多値信号の間隔を不均一に変動させた信号の様子を示す。
式2より、光パワーPの低い側(S0側)はσ2 iが小さくなる。そして、多値間隔、閾値Ithiの位置を各々の信号レベルで同じとすると(即ち、(Si+1-Ithi)=(Ithi- Si))、光パワーが低い側ほど、erfcの括弧内は大きくなり、式2のerfc( )は大きくなる。即ち、光パワーが低い側ほどBERは悪くなる。そこで、本発明者らは、全てのBERiが等しくなるようにするには、光パワーが低い側ほど、多値間隔を狭くするのがよいと考えた。即ち、誤り率が変化しないように、光パワーが低い側ほど多値間隔を狭くし、光パワーが高い側ほど多値間隔を広くするように、多値間隔を調整することが有意義である。
FIG. 2 shows the state of a signal in which the interval of the multilevel signal according to the present invention is varied nonuniformly.
From
図3は、本発明の一実施例による多値信号の間隔を不均一に変動させる原理を示す。
一例として、レーザの補償前の入出力特性(実線Aで示す)は、入力信号の多値間隔が均一の場合は、出力信号の間隔も均一となる。一方、本発明によれば、二点鎖線Bで示すように、線形の入力特性を非線形に変換することで、出力信号の多値間隔を不均一にすることが可能となる。なお、ここで非線形に変換することを非線形補償ということにする。
FIG. 3 illustrates the principle of unevenly varying the multi-level signal interval according to an embodiment of the present invention.
As an example, the input / output characteristics before laser compensation (indicated by the solid line A) are such that when the multilevel interval of the input signal is uniform, the interval of the output signal is also uniform. On the other hand, according to the present invention, as indicated by a two-dot chain line B, it is possible to make the multi-value interval of the output signal non-uniform by converting the linear input characteristic nonlinearly. Here, the conversion to nonlinear is referred to as nonlinear compensation.
図4は、非線形補償の有無の一例を示す。
式4は、図4の非線形補償なしの特性を表す。
FIG. 4 shows an example of the presence or absence of nonlinear compensation.
式5は、図4の非線形補償ありの特性を表す。
図4において、非線型補償無しの場合はIth=20mA、C=0.15mW/mAとしている。非線形補償有りの場合は、a0=-11.9、a1=1.90、a2=-0.133、a3=5.07e‐3、a4=‐1.05e‐4, a5=1.16e‐6、a6=‐5.22e‐9となる。 In FIG. 4, when there is no non-linear compensation, Ith = 20 mA and C = 0.15 mW / mA. With non-linear compensation, a0 = -11.9, a1 = 1.90, a2 = -0.133, a3 = 5.07e-3, a4 = -1.05e-4, a5 = 1.16e-6, a6 = -5.22e-9 It becomes.
図5は、閾値電流と光パワーとの関係を示す。
Ithは閾値電流、Signal numberが低い側から多値電流振幅をIiとし、Signal numberはnまでとしている。
FIG. 5 shows the relationship between threshold current and optical power.
Ith is the threshold current, and the multi-value current amplitude is Ii from the low signal number side, and the signal number is up to n.
図6は、Signal numberと電流振幅Iiの関係を示す。
横軸にSignal numberをとり、縦軸に電流振幅Iiをとったものである。Signal numberは32までとしている。また、全ての電流振幅は一定に設定している。
FIG. 6 shows the relationship between the signal number and the current amplitude Ii.
The horizontal axis is the signal number, and the vertical axis is the current amplitude Ii. Signal number is up to 32. All current amplitudes are set constant.
図7は、図6の条件における、Signal number電流とBERの関係を示す。Signal numberが低いほどBERが良くなっており、Signal numberに対するBERは一定ではないことがわかる。 FIG. 7 shows the relationship between the signal number current and the BER under the conditions of FIG. It can be seen that the lower the signal number, the better the BER, and the BER relative to the signal number is not constant.
図8は、Signal numberと電流振幅Iiの関係を示す。
横軸にSignal numberをとり、縦軸に電流振幅Iiをとったものであり、signal numberは32までとしている。また、Signal numberに対して電流振幅Iiが変化するようにしたものである。
FIG. 8 shows the relationship between the signal number and the current amplitude Ii.
The horizontal axis is the signal number, the vertical axis is the current amplitude Ii, and the signal number is up to 32. In addition, the current amplitude Ii changes with respect to the signal number.
図9は、図8の条件におけるBERを示す。Signal numberが変化してもBERを一定に出来ることがわかる。 FIG. 9 shows the BER under the conditions of FIG. It can be seen that the BER can be kept constant even if the signal number changes.
図10は、一実施例による通信装置の構成を示す。
通信装置は、レーザを駆動する電気信号を出力するレーザドライブ回路101と、多値間隔を不均一に変換する、換言すればレーザの入力特性と非線形に変換するための機能を有するイコライザ102と、レーザの出力(光信号の強度)を制御するレーザ103を備えて構成される。従来の通信装置が、レーザドライブ回路と強度変調用のレーザで構成されるのに対して、本実施例の通信装置は、レーザドライブ回路101とレーザ103の間にイコライザ102を挿入して、線形の入力特性Ifを、非線形のI' fに変換して、レーザの出力特性を変動させる。
従来の通信装置では、イコライザを有していないので、レーザの入力特性は線形のままであるが、本実施例によれば、イコライザ102による非線形変換機能により、レーザの出力特性を変動させることができる。
FIG. 10 shows a configuration of a communication apparatus according to an embodiment.
The communication apparatus includes a
Since the conventional communication apparatus does not have an equalizer, the input characteristics of the laser remain linear, but according to the present embodiment, the output characteristics of the laser can be changed by the nonlinear conversion function by the
図11はイコライザ102の構成例を示す。
この例では、イコライザ102は、アナログ入力Ifをデジタル2進(8ビット)に変換する2進変換器202と、上位4ビットと下位4ビットにより入力Ifを出力I' fに変換する補正テーブル203により構成される。
この補正テーブルの例を図12に示す。補正テーブルでは、アナログ入力を2進変換した下位4ビットと上位4ビットで一致した場所に格納されている値を出力I' fする。
FIG. 11 shows a configuration example of the
In this example, the
An example of this correction table is shown in FIG. In the correction table, the value stored in the place where the lower 4 bits obtained by binary conversion of the analog input and the upper 4 bits coincide is output I ′ f .
図13は、他の実施例によるイコライザ102の構成例を示す。
この例は、ハードウェア回路を用いて、レーザの入出力特性を非線形にする多項式近似式をイコライザで実現するものである。
イコライザ102は、式5を実現するものであり、レーザ駆動電流を変換する。即ち、入力Ifは、複数(n−1)の乗算器132で計数d1〜dn(133)と乗算され、その乗算結果を複数n個の加算器134で加算することで、出力I' fが得られる。
例えば、上位4ビットが”8”、下位4ビットが”7”の場合、I' f=48.1mAの電流を直接変調用レーザに印加することとなる。
FIG. 13 shows a configuration example of the
In this example, using a hardware circuit, a polynomial approximation formula that makes the input / output characteristics of a laser nonlinear is realized by an equalizer.
The
For example, when the upper 4 bits are “8” and the lower 4 bits are “7”, a current of I ′ f = 48.1 mA is directly applied to the modulation laser.
以上のように、本実施例によれば、多値強度変調において量子雑音量によって多値間隔を不均一に変えることができ、これによりBERを改善することができる。各信号間でのBERを等しくすることで、暗号解読のきっかけを防止することが出来、安全性が向上する。 As described above, according to the present embodiment, the multilevel interval can be changed non-uniformly according to the amount of quantum noise in multilevel intensity modulation, thereby improving the BER. By making the BER equal between the signals, the trigger of decryption can be prevented, and the safety is improved.
101:レーザドライブ回路 102: イコライザ 103:レーザ
104:2進変換器 105:補正テーブル。
101: Laser drive circuit 102: Equalizer 103: Laser
104: Binary converter 105: Correction table.
Claims (3)
該ドライブ回路からの駆動信号を所定の規則に従って、該多値信号の間隔が不均一に変化するように変更するイコライザを有することを特徴とする通信装置。 In a communication device having a drive circuit that outputs a signal for driving a laser and a laser that emits a multi-value signal that is intensity-modulated by the drive signal,
A communication apparatus comprising: an equalizer that changes a drive signal from the drive circuit according to a predetermined rule so that an interval of the multi-level signal changes non-uniformly.
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