JP2013243475A - 量子暗号装置の偏波補償システム - Google Patents

Abstract

【課題】波長が複数存在する場合においても、すべての波長に対して同時に偏波無依存状態を実現することのできる量子暗号装置の偏波補償システムを得る。
【解決手段】光源を有する量子暗号装置における光信号の偏波を補償する量子暗号装置の偏波補償システムであって、量子暗号装置の内部に設けられた干渉計（量子暗号装置内の受信側ＰＬＣ）を備える。干渉計は、干渉計の内部の光路長差を、光信号の波長に依存した値に設定するための波長依存導波路４０を含む。
【選択図】図５

Description

この発明は、量子暗号装置における光信号の偏波を補償する量子暗号装置の偏波補償システムに関するものである。

一般に、通信信号において量子暗号を行うと、通信を行う２者間で秘密鍵を共有することができる。しかし、送受信装置や伝送路中で光信号にノイズが加わって、偏光状態がランダムに変化すると、光学系の干渉明瞭度が劣化し、結果として装置性能（秘密鍵の生成速度や通信距離）が低下するという問題が生じる。

そこで、従来から干渉明瞭度の劣化を防ぐために、光信号の偏波補償を行う技術が要求されている。従来の量子暗号装置の偏波補償システムの一例としては、受信側干渉計として、偏波保持ファイバを用いた非対称マッハ・ツエンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計（以下、「ＡＭＺＩ」と略称する）を適用した技術が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

上記非特許文献１に記載の従来システムにおいては、ＡＭＺＩのＬｏｎｇ−ａｒｍと、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍとのファイバ長差が、ビート長の整数倍となるように、適切に調整する（たとえば、ファイバ温度を調整してファイバ長を変化させる）ことにより、任意の変化を受けた偏波の光が入射しても、受動的にこれを補償（偏波無依存状態を利用）することを可能にしている。

ただし、上記システムにおいて、偏波無依存状態を実現可能な光は、Ｌｏｎｇ−ａｒｍとＳｈｏｒｔ−ａｒｍとのファイバ長差が所定値となっているときに、光源の波長λ０と、複屈折率Ｂ（偏波保持ファイバの低速軸複屈折率ｎｘと高速軸複屈折率ｎｙとの差）とを用いて表される、以下の式（１）を満たす波長λ０（ビート長Ｌｂ）の光のみである。

しかしながら、パルスとして光信号を送信すると、光信号のスペクトルには、原理的に波長軸上の広がりが存在し、一般にすべての波長の光が式（１）を満たすことはない。この場合、Ｌｏｎｇ−ａｒｍとＳｈｏｒｔ−ａｒｍとのファイバ長差をどのように設定しても、送信されるすべての波長が同時に偏波無依存状態となることはない。

Ｔ．Ｈｏｎｊｏ，Ｋ．Ｉｎｏｕｅ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，２９，２３（２００４）

従来の量子暗号装置の偏波補償システムは、式（１）を満たす波長の光のみを偏波無依存状態とすることができるものの、すべての波長の光が式（１）を満たすことはないので、ファイバ長差をどのように設定しても、送信されるすべての波長の光信号を同時に偏波無依存状態とすることができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、波長が複数存在する場合においても、すべての波長に対して同時に偏波無依存状態を実現した量子暗号装置の偏波補償システムを得ることを目的とする。

この発明に係る量子暗号装置の偏波補償システムは、光源を有する量子暗号装置における光信号の偏波を補償する量子暗号装置の偏波補償システムであって、量子暗号装置の内部に設けられた干渉計を備え、干渉計は、干渉計の内部の光路長差を、光信号の波長に依存した値に設定するための波長依存機構を含むものである。

この発明によれば、波長が複数存在する場合においても、すべての波長に対して同時に偏波無依存状態を実現ことができる。

この発明の実施の形態１に係る量子暗号装置の偏波補償システムを示すブロック図である。 図１内の受信側ＰＬＣの他の構成例を詳細に示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による受信側ＰＬＣ内の偏波保持ファイバの内部構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による受信側ＰＬＣの内部構成を概略的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１による受信側ＰＬＣに追加される波長依存機構（波長依存導波路）を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１はこの発明に係る量子暗号装置の偏波補償システムを示すブロック図であり、偏波補償機能を含む量子暗号装置１００として全体的に示している。
また、図２は図１内の受信側装置２を変形した構成例を詳細に示すブロック図であり、偏波無依存の位相変調を行う部分と受信側ＰＬＣ２２とを示している。なお、ＰＬＣとは、光導波路からなる平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の略称である。

図１において、量子暗号装置１００は、大きく分けて、送信側装置１と、受信側装置２と、送信側装置１と受信側装置２との間に介在された伝送路３（光ファイバからなる通信チャネル）と、を備えている。

送信側装置１は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光が入射される送信側ＰＬＣ１２と、送信側ＰＬＣ１２の出力側に配置された送信側位相変調器１３（以下、「送信側ＰＭ１３」と略称する）と、送信側ＰＭ１３の出力側に配置された光アッテネータ１４と、を備えている。

受信側装置２は、伝送路３を介した光信号が入力される受信側位相変調器２１（以下、「受信側ＰＭ２１」と略称する）と、受信側ＰＭ２１の出力側に配置された受信側ＰＬＣ２２と、受信側ＰＬＣ２２の出力側に配置された光検出器２３と、を備えている。
光検出器２３は、並列配置された２つの光検出器２３ａ、２３ｂにより構成されている。

図２において、受信側装置２内の受信側ＰＭ２１は、並列配置された２つの受信側ＰＭ２１ａ、２１ｂにより構成されている。
また、受信側ＰＭ２１の入力側および出力側には、偏光ビームスプリッタ２４ａ、２４ｂ（以下、「ＰＢＳ２４ａ、２４ｂ」と略称する）が挿入されている。

図２のように、ＰＢＳ２４ａ、２４ｂと受信側ＰＭ２１ａ、２１ｂとを組み合わせることにより、伝送路３中の偏光状態に依存することなく、入力された光信号の位相変調を行うことができる。ただし、この場合は、受信側ＰＭ２１における光部品点数が増えているので、光検出器２３に到達する光パルス数が減少してしまう。

以下、図１に示したこの発明の実施の形態１における各部の動作について説明する。
まず、送信側装置１の動作について説明すると、送信側装置１内のレーザ光源１１は、パルス状の光を出射する。レーザ光源１１からの光パルスは、送信側ＰＬＣ１２に入射し、送信側ＰＬＣ１２の内部で２つのパルスに分割される。

送信側ＰＬＣ１２に入射した光パルスは、送信側ＰＬＣ１２内のＬｏｎｇ−ａｒｍおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍを伝播した後、さらに２つずつに分割され、送信側ＰＬＣ１２の出力ポート１２ａ、１２ｂの各々から、時間的に離れた２連光パルスＰ１、Ｐ２が出力される。

なお、図１においては、光パルスの強度をパルス波形の高さで示している。
また、ここでは、出力ポート１２ａから出力された２連光パルスＰ１、Ｐ２のみを図示している。出力ポート１２ｂから出力された２連光パルス（図示せず）は、以降において使用されない。

なお、送信側ＰＬＣ１２の内部温度は、ペルチエ素子などを用いることにより、一定値に保持しておく必要がある。なぜなら、一定温度に保持することは、２連光パルスＰ１、Ｐ２の間の遅延量を一定に保持することに相当するからである。もし、パルス間の遅延量が一定でない場合には、光学系の干渉明瞭度が減少することになる。

続いて、出力ポート１２ａから出力された２連光パルスＰ１、Ｐ２は、送信側ＰＭ１３に入力され、送信側ＰＭ１３は、２連光パルスＰ１、Ｐ２の間に相対的な位相差量φＡを付加する。

このとき付加される位相差量φＡとしては、たとえば（−π／２、０、π／２、π）のいずれかがランダムに選択される。
なお、送信側ＰＭ１３としては、その内部に偏光子を含むものを使用してもよいが、送信側ＰＭ１３の出力側に別に偏光子を設置してもよい。

最後に、光アッテネータ１４は、送信側ＰＭ１３介した２連光パルスＰ１、Ｐ２の１パルス当たりの光強度を、単一光子レベルにまで減光して送信側装置１から出力する。
こうして、送信側装置１から出力された２連光パルスは、伝送路３を介して受信側装置２へと入射される。

なお、光信号の強度は、送信側装置１から出力される際に、単一光子レベルになっていればよいので、光アッテネータ１４による減光操作は、送信側ＰＭ１３の出力側（図１）に限らず、たとえば、レーザ光源１１から光が出射された直後、または、送信側ＰＬＣ１２の出力ポート１２ａの直後に行われてもよい。

次に、受信側装置２の動作について説明する。
受信側装置２において、まず、伝送路３から出力された２連光パルスが受信側ＰＭ２１に入力されると、受信側ＰＭ２１は、送信側ＰＭ１３と同様に、２連光パルスの間に相対的な位相差量φＢを付加する。
このとき付加される位相差量φＢとしては、たとえば（−π／２、０、π／２、π）のいずれかがランダムに選択される。

なお、受信側ＰＭ２１で付加される位相差量φＢは、本来ならば（０、π／２）からランダムに選択されればよいが、後段の光検出器２３の量子効率が、光検出器２３ａと光検出器２３ｂとで、一般には異なるので、上記の４値からランダムに選択することにより、得られる鍵の値の偏り（「０」と「１」との比）を解消している。これは、公知文献（たとえば、特許第３８２１６７５号参照）から周知の技術である。

また、受信側ＰＭ２１としては、その内部に偏光子を含むもの、または含まないもののいずれを用いてもよい。なお、偏光子を含む場合の方が光学系の干渉明瞭度は高いが、伝送路３中のノイズ影響で、光信号の偏光状態がランダムに変化していることから、偏光子が内在することによって、逆に透過成分が減少するというデメリットもある。

また、受信側ＰＭ２１を図２のように構成することによって、伝送路３中の偏光状態に依存することなく、位相変調を行うことが可能となるが、光部品点数が増えるので、光検出器２３に到達する光パルス数が減少してしまう。

一方、ＰＢＳ２４ａ、２４ｂとＰＭ２１ａ、２１ｂとを組み合わせない構成（図１）からなる受信側ＰＭ２１の場合には、光部品点数が少ないので、光検出器２３に到達する光パル数は、図２の構成例に比べて多くなる。

ただし、受信側ＰＭ２１で付加する変調量（位相差量φＢ）が偏光依存性を有する場合には、送信側装置１や伝送路３でのノイズが大きいと、意図した位相変調量がかからないので、この結果、ＱＢＥＲ値（量子ビットエラー率）が増加し、秘密鍵の生成速度が低下する。

したがって、受信側ＰＭ２１内にＰＢＳ２４ａ、２４ｂおよびＰＭ２１ａ、２１ｂを組み合わせる場合（図２）と、組み合わせない場合（図１）とを比較して、どちらが秘密鍵の生成速度が高いかは、量子暗号装置１００の性能（各光部品の性能）や伝送路３の状態に依存するので、一概にどちらがよいとは言えない。

次に、受信側ＰＭ２１から出力された２連光パルスは、受信側ＰＬＣ２２の入力ポートへと入射する。
以下、送信側ＰＬＣ１２の場合と同様に、２連光パルスの各々が２つのパルスずつに分割され、Ｌｏｎｇ−ａｒｍおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍ（図４とともに後述する）を伝播した後、受信側ＰＬＣ２２の出力ポート２２ａ、２２ｂから出力される。

このとき、送信側ＰＬＣ１２と同様に、受信側ＰＬＣ２２の内部温度も、一定値に保持される。このとき、受信側ＰＬＣ２２の内部温度は、送信側ＰＬＣ１２で生じた２連光パルスＰ１、Ｐ２の間の遅延量と同じ分の遅延量を生じさせる温度に設定される。

これより、Ｌｏｎｇ−ａｒｍを伝播したパルスのうちの前方のパルスと、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍを伝播したパルスのうちの後方のパルスとが干渉し、受信側ＰＬＣ２２の出力ポート２２ａ、２２ｂからは、それぞれ３連光パルスＰ１’、Ｐ２’、Ｐ３’が出力される。
なお、一般に、干渉による光パルスＰ２’（真ん中のパルス）は、出力ポート２２ａ、２２ｂの一方のみから出力される場合を有効とする。ここでは、出力ポート２２ａから出力された場合を示している。

このとき、３連光パルスＰ１’、Ｐ２’、Ｐ３’のうちの干渉した光パルスＰ２’（真ん中のパルス）が、出力ポート２２ａ、２２ｂのいずれから出力されるかは、送信側ＰＭ１３で付加した位相差量φＡと、受信側ＰＭ２１で付加した位相差量φＢとによって決定される。

さらに、受信側ＰＬＣ２２の内部温度を適切な一定値（後述する）に設定することにより、出力ポート２２ａ、２２ｂから出力される光強度の比が、入射する光パルスの偏光状態に依存しないようにすることができる。

最後に、受信側ＰＬＣ２２から出力された３連光パルスＰ１’、Ｐ２’、Ｐ３’のうちの干渉した光パルスＰ２’（真ん中のパルス）が光検出器２３により検出される。
このとき、光検出器２３は、干渉した光パルスＰ２’のみを検出可能なタイミングで検出動作を行う。

次に、図３〜図５を参照しながら、受信側装置２内の受信側ＰＬＣ２２について、さらに詳細に説明する。
図３は受信側ＰＬＣ２２の入出力用ファイバを示す断面図であり、入出力用ファイバとして偏波保持ファイバ３０を用いた場合を示している。

図４は受信側ＰＬＣ２２内のＬｏｎｇ−ａｒｍ３０ａおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂを示す説明図である。図４において、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａ（１点鎖線参照）は、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂ（破線参照）よりも長い伝播路となっている。

なお、図４においては、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａ内に、波長依存導波路４０（波長依存した光路長）が介在されているが、後述するように、波長依存機構は、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂに介在させてもよく、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂの両方に介在させてもよい。

図５は受信側ＰＬＣ２２内の偏波保持ファイバ３０に追加される波長依存導波路４０（波長依存機構）を示すブロック図である。
なお、図５において、波長依存導波路４０が設けられる偏波保持ファイバ３０は、図４内のＬｏｎｇ−ａｒｍ３０ａまたはＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂのいずれであってもよい。

図３において、受信側ＰＬＣ２２内の偏波保持ファイバ３０は、低屈折率材料からなるクラッド３１と、クラッド３１の中心部に引き通された高屈折率材料からなるコア３２と、コア３２の外周部のクラッド３１内に配置された応力付与部３３と、により構成されている。

受信側ＰＬＣ２２においては、入出力用ファイバとして偏波保持ファイバ３０を用い、偏波保持ファイバ３０のＬｏｎｇ−ａｒｍ３０ａとＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂとのファイバ長差がビート長の整数倍となるように適切に調整されている。
なお、偏波保持ファイバ３０のビート長とは、入射した光の偏光状態が再び同一の偏光状態に戻るまでの距離である。

図３のように構成された偏波保持ファイバ３０においては、偏波を保持するために付加されている応力付与部３３の影響で、ｆａｓｔ軸（ｙ軸）方向に偏光した光と、ｓｌｏｗ軸（ｘ軸）方向に偏光した光とで、感じる屈折率が異なる。

これにより、受信側ＰＬＣ２２においては、任意の偏光状態の光が伝播することにともなって、ｆａｓｔ軸方向に偏光した光と、ｓｌｏｗ軸方向に偏光した光との位相差が変化する。

上記位相差の変化量が２πに達したときの偏光状態は、入射時のものと等しい。
したがって、ビート長とは、ｆａｓｔ軸方向に偏光した光と、ｓｌｏｗ軸方向に偏光した光との位相差の変化量が２πに達するまでの距離とも言える。

ファイバ長の調整方法としては、たとえば、ファイバ温度を変化させて熱膨張または収縮を利用する方法や、ストレッチャを用いて直接ファイバ長さを調整する方法などが考えられ、任意のファイバ長調整方法を適用して、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａとＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂとのファイバ長差をビート長の整数倍に設定することができる。

上述のように、ファイバ長をビート長の整数倍となるように調整すると、どのような偏光状態の光が受信側ＰＬＣ２２の入力ポートに入力されても、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａを伝播した前方のパルスと、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂを伝播した後方のパルスとが合波される際に、偏光状態が一致して偏波無依存状態となる。

これにより、偏光モードのミスマッチによる干渉明瞭度低下を回避することができる。
ただし、前述の式（１）から明らかなように、厳密に偏波無依存状態が実現できるのは、波長λ０の光のみである。

したがって、波長依存機構を備えていない場合には、光パルスのように周波数軸上に広がりを有する光を出射するレーザ光源１１を使用すると、光パルスに含まれるすべての波長に対して、同時に偏波無依存状態にはならない。
たとえば、λ０以外の波長λ１、λ２、λ３、・・・の光においては、ｆａｓｔ軸方向に偏光した光と、ｓｌｏｗ軸方向に偏光した光と、の位相差の変化量が、２πからずれることになる。

そこで、波長λ０のみならず、すべての波長λ１、λ２、λ３、・・・の光に対して、同時に偏波無依存状態が実現できるように、受信側ＰＬＣ２２内のＬｏｎｇ−ａｒｍ３０ａおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂの少なくとも一方に対し、図５のように、波長に依存した波長依存導波路４０（波長依存機構）を付加する。

このとき、波長依存導波路４０は、受信側ＰＬＣ２２内の偏波保持ファイバ３０のように、直行する偏波モード間の結合が弱く、それぞれの偏波モードに対する屈折率に差があるものとする。

図５においては、受信側ＰＬＣ２２内の偏波保持ファイバ３０に付加される波長依存機構として、波長依存導波路４０が用いられている。
波長依存導波路４０は、サーキュレータ４１と、チャープファイバブラッググレーティング４２（ＣＦＢＧ：Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）とからなり、ＣＦＢＧ４２は、サーキュレータ４１を介して偏波保持ファイバ３０に接続されている。

図５において、偏波保持ファイバ３０に入射された波長λ１、λ２、λ３、・・・の光（実線矢印参照）は、サーキュレータ４１を介してＣＦＢＧ４２に入力され、波長λ１、λ２、λ３、・・・に応じた境界面で反射された光（破線矢印参照）となって戻り、偏波保持ファイバ３０から出射される。

ただし、波長依存導波路４０（サーキュレータ４１およびＣＦＢＧ４２）を含む、Ｌｏｎｇ−ａｒｍ３０ａは、Ｓｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂと、上記条件（各波長の光が伝播するファイバ長を、ビート長の整数倍となるように調整）と、を満たしているものとする。
図５のような構成を採用することにより、周波数軸上の広がりを有する光に対しても、各波長λ１、λ２、λ３のそれぞれの光が、以下の式（２）を満たす長さの導波路を伝播する。

なお、式（２）では、波長λ１、λ２、λ３のみに対応した導波路長さＬｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３を示しているが、他の波長λに対しても、同様に上記条件に対応した導波路長さＬが設定され得ることは言うまでもない。
この結果、干渉明瞭度および鍵生成速度の低下を防ぐ効果が期待できる。

すなわち、従来システムでは、周波数広がりを有する光に対して、式（１）内の波長λ０の光のみに対して偏波無依存状態を実現していたが、この発明の実施の形態１によれば、複数の波長λ１、λ２、λ３、・・・に対応可能な波長依存導波路４０を付加することにより、全波長の光に対して同時に偏波無依存状態を実現することができ、干渉明瞭度および鍵生成速度の低下を防ぐことができる。

仮に、この発明の実施の形態１による上記構成を用いずに、同様の作用効果を実現しようとした場合には、受信側ＰＬＣ２２の前段側にフィルタを設置するとともに、波長ごとに異なる一定温度に調整された複数の受信側ＰＬＣを用意して導波する必要があり、非現実的な構成となる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図５）に係る量子暗号装置の偏波補償システムは、レーザ光源１１を有する量子暗号装置１００における光信号の偏波を補償するために、量子暗号装置１００の内部に設けられた受信側ＰＬＣ２２（干渉計）を備えており、受信側ＰＬＣ２２は、受信側ＰＬＣ２２の内部の光路長差を、光信号の波長λ１、λ２、λ３、・・・に依存した値に設定するための波長依存導波路４０（波長依存機構）を備えている。

受信側ＰＬＣ２２の光路長差は、レーザ光源１１の中心波長のビート長の整数倍に調整されている。
また、受信側ＰＬＣ２２は、２端子入力および２端子出力を有するＡＭＺＩからなり、波長依存導波路４０（波長依存機構）は、ＡＭＺＩのＬｏｎｇ−ａｒｍ３０ａおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍ３０ｂの少なくとも一方に付加されている。

さらに、波長依存導波路４０（波長依存機構）は、サーキュレータ４１およびＣＦＢＧ４２（チャープファイバブラッググレーティング）を用いている。
これにより、光パルスのように波長が複数存在する光信号の場合においても、すべての波長に対して同時に偏波無依存状態を実現することができる。

１ 送信側装置、２ 受信側装置、３ 伝送路、１１ レーザ光源、１２ 送信側ＰＬＣ、１２ａ、１２ｂ 出力ポート、１３ 送信側ＰＭ（送信側位相変調器）、１４ 光アッテネータ、２１、２１ａ、２１ｂ 受信側ＰＭ（受信側位相変調器）、２２ 受信側ＰＬＣ、２２ａ、２２ｂ 出力ポート、２３、２３ａ、２３ｂ 光検出器、２４ａ、２４ｂ 偏光ビームスプリッタ、３０ 偏波保持ファイバ、３１ クラッド、３２ コア、３３ 応力付与部、４０ 波長依存導波路、４１ サーキュレータ、４２ ＣＦＢＧ（チャープファイバブラッググレーティング）、１００ 量子暗号装置、Ｐ１、Ｐ２ ２連光パルス、Ｐ１’、Ｐ２’、Ｐ３’ ３連光パルス、Ｐ２’ 干渉した光パルス。

Claims (4)

1. 光源を有する量子暗号装置における光信号の偏波を補償する量子暗号装置の偏波補償システムであって、
   前記量子暗号装置の内部に設けられた干渉計を備え、
   前記干渉計は、前記干渉計の内部の光路長差を、前記光信号の波長に依存した値に設定するための波長依存機構を含むことを特徴とする量子暗号装置の偏波補償システム。
2. 前記干渉計の光路長差は、前記光源の中心波長のビート長の整数倍に調整されたことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号装置の偏波補償システム。
3. 前記干渉計は、ＡＭＺＩからなり、
   前記波長依存機構は、前記ＡＭＺＩのＬｏｎｇ−ａｒｍおよびＳｈｏｒｔ−ａｒｍの少なくとも一方に付加されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子暗号装置の偏波補償システム。
4. 前記波長依存機構は、サーキュレータおよびチャープファイバブラッググレーティングを用いたことを特徴とする請求項３に記載の量子暗号装置の偏波補償システム。

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