JP2014052946A - 高速カオス光信号生成光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体の簡素化が可能で、高速の乱数生成要求にも対応できる乱雑性の高い乱数を生成する。
【解決手段】高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック信号光を光分波部ＳＰ−１により２系統に分波し、２系統のクロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた位相変調部Ｒ１，Ｌ１に入力することにより、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているクロック信号光に位相差を生じさせる。位相変調部Ｒ１，Ｌ１は、位相変調制御用のクロック信号光を十分な程度除去して、位相変調したクロック信号光のみを選択的に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路に関するものである。

従来、乱数を生成する方法としては、大まかに言って３つの方法が提案されている。第１の乱数生成方法は、乱数発生プログラムに基づき計算により乱数を生成するものである。第２の乱数生成方法は、電子回路に内在する物理的な雑音を基に乱数を生成するものである。

第３の乱数生成方法は、（１）カオス・レーザー（非特許文献１参照）や、（２）レーザー光をＥ／Ｏ（Electrical/Optical）変調器を用いて一定時間前の出力パワーに応じて強度変調するＯ／Ｅ（Optical/Electrical）変換遅延フィードバック電気回路を持つ光カオス信号源（特許文献１参照）や、（３）熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置（特許文献２参照）などからの出力カオス信号を基に乱数を生成するものである。

上記の第１、第２の乱数生成方法には、実用の電子デバイスの動作周波数（非特許文献２参照）に基づく生成速度限界があり、１０Ｇｂ／ｓを超える高速信号生成には十分に対応することができない状況にある。

非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成においては、格段に高速な乱数生成が可能であるとの報告があるが、カオス・レーザーシステムの複雑さのために再現性を確保することが難しく、また、光ファイバ部等を含むシステム構成で有るためにシステム全体を集積化、小型化することも難しい。

加えて、カオス・レーザーによって生成される乱数は、光共振器を用いることに起因した周期性や従来よく知られたカオス生成メカニズムに基づき生成された信号であるため、出力信号光にカオス性が認められるものの、乱雑性の上では不完全さがあり、熱雑音等と同様な「ランダムな」信号となっている訳ではない。

このため、非特許文献１の例では、まず２系統のカオス的出力光信号を用意し、この２系統のカオス的出力光信号に対して１ビットＡＤ変換を施した後にＸＯＲ論理演算処理を施す、という論理演算等の後処理で信号の乱雑性を高めることが必要とされる。このため、後処理の論理演算部を含む複雑で大きなシステムとなることが避けられない。

特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成においても、光ファイバ部や高周波電気増幅器等を含むシステム構成が必要なために、システム全体を集積化することが難しい。
特許文献２に開示された光カオス乱数発生装置においては、熱光学効果に基づく制御速度（数ｍｓ）に基づく乱数生成速度の限界があり、加えて温度制御部、デジタルデータ処理部、記憶装置等々から構成されるため、装置全体を集積化することが難しいといった課題がある。

特許第２９６０４０６号公報 特許第３３９６８８３号公報

A.Uchida，et al.，"Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers"，Nature Photonics，vol.2，p.728-732，2008 「Ｔビット／秒に入るスイッチ光技術の取り組み」，日経エレクトロニクス，No.719，p.107-113，1998.6.29

以上のように、第１、第２の乱数生成方法では、１０Ｇｂ／ｓを超える高速信号生成に対応することができないという問題点があった。
非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しく、信号の乱雑性を高めるためにシステムが複雑になるという問題点があった。

特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しいという問題点があった。
特許文献２に開示された光カオス乱数発生装置では、高速信号生成に対応することが難しく、加えてシステム全体を集積化することが難しいという問題点があった。

本発明の目的は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路において、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした超高速の光乱数生成要求にも対応することができる乱雑性の高い乱数を生成可能な高速カオス光信号生成光回路を提供することである。

本発明の高速カオス光信号生成光回路（第１の実施の形態）は、ＲＺ型クロック信号光を入力する第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１と、この第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第１の光分波手段ＳＰ−１と、この第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の第１の位相変調手段へと導く第１の光導波路とを備え、前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、この光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの第１の干渉アームと、この２つの第１の干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第１の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１とから構成され、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１は、それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第１の光干渉型合波手段と、この第１の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の光位相変調制御手段と、この第１の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第１の光強度変調手段と、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記位相変調制御用のクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第１の光強度変調手段を駆動する第１の駆動手段とから構成され、さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第１の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を備え、前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第２の実施の形態）は、さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第３の実施の形態）は、さらに、前記ＲＺ型クロック信号光を入力する第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２と、この第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第２の光分波手段ＳＰ−２−１と、前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１と接続されていない方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第３の光分波手段ＳＰ−２−２と、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２内の第２の位相変調手段へと導く第２の光導波路と、前記第３の光分波手段ＳＰ−２−２で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の第３の位相変調手段へと導く第３の光導波路とを備え、前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、さらに、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１の代わりに、前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第１の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１と、この第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１よりも後ろの前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第３の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２とを備え、前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２は、前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１と、この光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの第２の干渉アームと、この２つの第２の干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒと、前記２つの第２の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第２の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第２の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２とから構成され、前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１は、それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第１の光干渉型合波手段と、この第１の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の光位相変調制御手段と、この第１の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第１の光強度変調手段と、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第１の光強度変調手段を駆動する第１の駆動手段とから構成され、前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２は、それぞれ前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第２の光干渉型合波手段と、この第２の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第２の光位相変調制御手段と、この第２の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第２の光強度変調手段と、前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第２の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第２の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第２の光強度変調手段を駆動する第２の駆動手段とから構成され、前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２は、それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第３の光干渉型合波手段と、この第３の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第３の光位相変調制御手段と、この第３の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第３の光強度変調手段と、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第３の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第３の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第３の光強度変調手段を駆動する第３の駆動手段とから構成され、前記第１の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１は、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与し、さらに、前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第２の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２と、前記第３の光導波路に設けられ、前記第３の光分波手段ＳＰ−２−２で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第３の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２−１とを備え、前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第４の実施の形態）は、さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−１の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１と、前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−２（Ｔ−１≠Ｔ−２）の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−２との内の少なくとも一方を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第１〜第４の実施の形態）において、前記光位相変調制御手段は、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ光半導体増幅器、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ量子ドット層を含む光導波路構造、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ定電圧駆動状態の半導体ＥＡ光変調器のいずれかからなる。
また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第１〜第４の実施の形態）において、前記光強度変調手段は、半導体ＥＡ光変調器または半導体ＭＺ光変調器からなる。
また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の１構成例（第１〜第４の実施の形態）において、前記駆動手段は、前記位相変調制御用のクロック信号光のパルスを検出するパルス信号検出手段と、このパルス信号検出手段が検出したパルスに基づいて、前記位相変調制御用のクロック信号光が前記光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて前記光強度変調手段がオフになるように駆動電圧を発生する駆動電圧発生手段とから構成される。

本発明によれば、ＲＺ型クロック信号光を第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力し、第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を２系統に分波し、この２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として、第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力することにより、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に位相差を生じさせるので、位相変調制御用のクロック信号光よりも時間的に後に第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１に入力されるＲＺ型クロック信号光の出力光強度を変調することができる。その結果、本発明では、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした１０Ｇｂ／ｓを超える超高速の光乱数生成要求にも対応することができる乱雑性の高い乱数を生成可能となる。本発明では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった１０Ｇｂ／ｓを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本発明では、カオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。また、本発明では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１を第１の光干渉型合波手段と第１の光位相変調制御手段と第１の光強度変調手段と第１の駆動手段とから構成することにより、持続的に第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１における十分な光位相変調を実現することができる。

また、本発明では、第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１を設けることにより、更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

また、本発明では、第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として、第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に入力することにより、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に位相差を生じさせ、さらに、第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されるＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として、第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１よりも後ろの２つの干渉アームに１つずつ設けられた第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に入力することにより、更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。また、本発明では、第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１を第１の光干渉型合波手段と第１の光位相変調制御手段と第１の光強度変調手段と第１の駆動手段とから構成し、第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２を第２の光干渉型合波手段と第２の光位相変調制御手段と第２の光強度変調手段と第２の駆動手段とから構成し、第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２を第３の光干渉型合波手段と第３の光位相変調制御手段と第３の光強度変調手段と第３の駆動手段とから構成することにより、持続的に第１、第２、第３の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１，Ｒ２，Ｌ２，Ｒ１−２，Ｌ１−２における十分な光位相変調を実現することができる。

また、本発明では、第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−１の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１と、第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−２の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−２との内の少なくとも一方を設けることにより、更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態におけるクロック信号光の光パワー変化の模式図である。 本発明の第１の実施の形態における光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における光出力ポートから出力されるクロック光パルスの規格化光出力強度の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る位相変調部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る位相変調部に入力される被位相変調信号光および位相変調制御信号光の光パワーの時間変化を示す図である。 被位相変調信号光と位相変調制御信号光との合波信号光の光パワーの時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る位相変調部の光強度変調部の透過率の時間変化を示す図および光位相変調制御部から光強度変調部に入力される信号光の光パワーの時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る位相変調部の光強度変調部から出力される被位相変調信号光の光パワーの時間変化を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。 通常のカオスダイナミクスに従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高速カオス光信号生成回路に従う光信号の時系列の力学的履歴関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高速カオス光信号生成回路に従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態における光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る高速カオス光信号生成回路に従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態における第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調部の光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調部内の位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成回路に従う光信号の時系列の力学的履歴関係を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成回路に従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の他の構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の他の構成例を示すブロック図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の後述する光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたＲＺ（Return to Zero）型クロック信号光を２系統に分波する光分波部ＳＰ−１と、光分波部ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の後述する位相変調部Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、位相変調部Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１とから構成される。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のＲＺ型のクロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、この２つの干渉アームの端部に設けられた２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、光分波部ＳＰ−１で分波された２つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アーム内の後述する位相変調部Ｒ１，Ｌ１へ入力するための位相変調制御用の光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部Ｒ１，Ｌ１とから構成される。

図１における１００は一端が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に接続され他端が位相変調部Ｌ１の入力に接続された光導波路、１０１は一端が光導波路１００に近接して配置され他端が位相変調部Ｒ１の入力に接続された光導波路、１０２は一端が位相変調部Ｌ１の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒに接続された光導波路、１０３は一端が位相変調部Ｒ１の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され、一部が光導波路１０２と近接して配置された光導波路である。

光導波路１００，１０２がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の一方の干渉アームを構成し、光導波路１０１，１０３がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の他方の干渉アームを構成している。光導波路１００と光導波路１０１との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路１００に入力された光信号は光導波路１０１にも入力される。光導波路１０２と光導波路１０３との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。

また、１０４は一端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され他端が光分波部ＳＰ−１の入力に接続された光導波路、１０５は一端が光分波部ＳＰ−１の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の入力に接続された光導波路、１０６は一端が光分波部ＳＰ−１の第２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１に接続された光導波路、１０９は一端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｌ１に接続された光導波路である。

光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光の光パワー変化を図２に示す。このように、図示しないクロック信号光源から光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のＲＺ型の信号光である。

標準的なマッハツェンダー干渉型光強度変調部においては、干渉器を構成する２つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差が生じない状態が変調駆動が行われていない状態であり、このとき入力側の干渉アームに対して異なる側の干渉アームの光出力ポートから光信号が１００％出力される。また、２つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差がπとなる状態においては、光入力ポートと同じ側の干渉アームの光出力ポートから光信号が１００％出力される。

したがって、図１に示した高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１から位相変調部Ｒ１，Ｌ１へと入力される。

図３（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｂ）は位相変調部Ｒ１への入力信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｃ）は位相変調部Ｌ１への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図３（Ｂ）に示すように、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ０と次の時間ステップのクロック光パルスｐ１との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、図３（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力される。

位相変調部Ｒ１においては、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐ１が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ１からクロック光パルスｐ０−１が入力されると、このクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、位相変調部Ｒ１は、クロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐ１の位相を変調する（相互位相変調）。

一方、位相変調部Ｌ１においては、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐ１が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ１からクロック光パルスｐ０−２が入力されると、このクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、位相変調部Ｌ１は、クロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐ２の位相を変調する（相互位相変調）。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ１の光出力強度が変調されることとなる。

同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、クロック光パルスｐ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ１に入力される。

位相変調部Ｒ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐ２が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐ２の位相を変調する。

位相変調部Ｌ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐ２が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐ３の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ２の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｔ）（ｔ＝０，１，２，３，・・・・）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｒ１に入力され、クロック光パルスｐ（ｔ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｌ１に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｔ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・・の変調が連続して行われる。

図４はマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの光強度を規格化した規格化光出力強度を示す図であり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が１．８２６１πである場合を示している。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部Ｒ１，Ｌ１を設定することにより、例えば図４に示した場合のように光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる理由は、クロック光パルスの全光強度から、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される同じクロック光パルスの光強度を引いた残りの光強度のクロック光パルスが光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるからである。

こうして、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。

本実施の形態では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった１０Ｇｂ／ｓを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化とを実現することができる。

また、本実施の形態では、特許文献１に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本実施の形態では、熱光学効果により２つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。

また、本実施の形態では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。

次に、本実施の形態の位相変調部Ｒ１，Ｌ１についてより詳細に説明する。図５は位相変調部Ｒ１の構成例を示すブロック図である。
位相変調部Ｒ１は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の干渉アームにより伝送され光入力ポート１００４に入力されたＲＺ型クロック信号光（以下、被位相変調信号光とする）と光分波部ＳＰ−１で分波され光入力ポート１００５（図１のＰ−Ｒ１）に入力されたＲＺ型クロック信号光（以下、位相変調制御信号光とする）とを合波する光干渉型合波手段であるマルチモード干渉カプラ（ＭＭＩ）１０００と、被位相変調信号光を位相変調制御信号光の光強度に応じて位相変調する光位相変調制御部１００１と、光位相変調制御部１００１から出力された信号光を強度変調して光出力ポート１００６へ出力する光強度変調部１００２と、光強度変調部１００２を駆動する駆動部１００３とから構成される。

図５における１００７は一端が位相変調部Ｒ１の光入力ポート１００４に接続され他端がマルチモード干渉カプラ１０００の第１の光入力ポートに接続された光導波路、１００８は一端が位相変調部Ｒ１の光入力ポート１００５に接続され他端がマルチモード干渉カプラ１０００の第２の光入力ポートに接続された光導波路、１００９は一端がマルチモード干渉カプラ１０００の光出力ポートに接続され他端が光位相変調制御部１００１の光入力ポートに接続された光導波路、１０１０は一端が光位相変調制御部１００１の光出力ポートに接続され他端が光強度変調部１００２の光入力ポートに接続された光導波路、１０１１は一端が光強度変調部１００２の光出力ポートに接続され他端が位相変調部Ｒ１の光出力ポート１００６に接続された光導波路である。

位相変調部Ｌ１の構成も位相変調部Ｒ１と同じである。位相変調部Ｒ１の場合、光入力ポート１００４は図１の光導波路１０１に接続され、光入力ポート１００５（図１のＰ−Ｒ１）は光導波路１０６に接続され、光出力ポート１００６は光導波路１０３に接続される。位相変調部Ｌ１の場合、光入力ポート１００４は図１の光導波路１００に接続され、光入力ポート１００５（図１のＰ−Ｌ１）は光導波路１０９に接続され、光出力ポート１００６は光導波路１０２に接続される。

次に、図５に示した位相変調部Ｒ１，Ｌ１の動作を説明する。マルチモード干渉カプラ１０００は、光入力ポート１００４に入力された被位相変調信号光と光入力ポート１００５に入力された位相変調制御信号光とを合波する。図６（Ａ）は被位相変調信号光の光パワーの時間変化を示す図、図６（Ｂ）は位相変調制御信号光の光パワーの時間変化を示す図、図７は被位相変調信号光と位相変調制御信号光との合波信号光の光パワーの時間変化を示す図である。

次に、光位相変調制御部１００１は、被位相変調信号光を位相変調制御信号光の光強度に応じて位相変調する。被位相変調信号光のパルスが入力される直前に、位相変調制御信号光のパルスが入力されると、この位相変調制御信号光の光強度に応じて光位相変調制御部１００１の屈折率が変化する。こうして、光位相変調制御部１００１は、位相変調制御信号光の光強度に応じて、被位相変調信号光の位相を変調する（相互位相変調）。以上のような位相変調を行う光位相変調制御部１００１としては、光導波路構造の半導体光増幅器（ＳＯＡ）がある。また、量子ドット層を含む光導波路構造を光位相変調制御部１００１として用いてもよいし、定電圧駆動状態の半導体ＥＡ（Electro-Absorption）光変調器を光位相変調制御部１００１として用いてもよい。

次に、光強度変調部１００２は、光位相変調制御部１００１から出力された信号光を強度変調して光出力ポート１００６へ出力する。図８（Ａ）は光強度変調部１００２の透過率の時間変化を示す図、図８（Ｂ）は光位相変調制御部１００１から光強度変調部１００２に入力される信号光の光パワーの時間変化を示す図である。

駆動部１００３は、光位相変調制御部１００１から光強度変調部１００２に入力される被位相変調信号光と位相変調制御信号光との合波信号光の内、被位相変調信号光が光強度変調部１００２に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ位相変調制御信号光が光強度変調部１００２に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、光強度変調部１００２を駆動する。こうして、光強度変調部１００２からは図９に示すように被位相変調信号光が出力される。

光強度変調部１００２としては、半導体ＥＡ光変調器、または半導体ＭＺ（Mach-Zehnder）光変調器がある。駆動部１００３は、光入力ポート１００５に入力される位相変調制御信号光のパルスを検出するパルス信号検出部（不図示）と、このパルス信号検出部が検出したパルスに基づいて、位相変調制御信号光が光強度変調部１００２に入力されるタイミングに合わせて光強度変調部１００２がオフ（光の透過を抑止）になるように駆動電圧を発生する駆動電圧発生部（不図示）とから構成される。光強度変調部１００２は、駆動部１００３から供給される駆動電圧により制御される。駆動部１００３は、位相変調制御信号光が光強度変調部１００２に入力されるタイミングに合わせて光強度変調部１００２がオフになるように駆動電圧を発生するので、光強度変調部１００２は、被位相変調信号光のみを選択的に出力する。

本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路において、位相変調部Ｒ１，Ｌ１から位相変調制御信号光が十分に除去されること無く被位相変調信号光と共に出力されると、位相変調制御信号光が時系列的に後の位相変調における雑音として働き、十分な位相変調を行うことが困難になるという問題がある。

そこで、本実施の形態では、位相変調部Ｒ１，Ｌ１として図５に示したような構成を用いることにより、被位相変調信号光に位相変調を加えると同時に、位相変調制御信号光を十分な程度除去して、被位相変調信号光のみを位相変調部Ｒ１，Ｌ１から選択的に出力させることができる。その結果、本実施の形態では、持続的に位相変調部Ｒ１，Ｌ１における十分な光位相変調を実現することができる。

なお、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続しているが、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続するようにしてもよい。
本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒ，Ｐ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓの内のいずれか一方から得るようにすればよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１０は本発明の第２の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第１の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路に対して、光分波部ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延部Ｄ−Ｔ−１を追加したものである。

本実施の形態では、光導波路１０５の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の光入力ポートに接続し、光導波路１０６の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の光入力ポートに接続すればよい。図１０における１０７は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の入力に接続された光導波路、１０８は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１に接続された光導波路である。位相変調部Ｒ１，Ｌ１の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１から位相変調部Ｒ１，Ｌ１へと入力される。

図１１（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図１１（Ｂ）は位相変調部Ｒ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図、図１１（Ｃ）は位相変調部Ｌ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図である。図１１（Ｂ）に示すように、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ０から時系列的にある一定の遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、図１１（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力される。

遅延ステップ時間Ｔ−１は、光遅延部Ｄ−Ｔ−１によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック信号光は、光分波部ＳＰ−１により２つに分波され光遅延部Ｄ−Ｔ−１によって遅延ステップ時間Ｔ−１に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートＰ−Ｒ１に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により更に遅延が付与された後に光入力ポートＰ−Ｌ１に入力される。

位相変調部Ｒ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐＭ２が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ１から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ２の位相を変調する。
一方、位相変調部Ｌ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐＭ２が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ１から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ２の光出力強度が変調されることとなる。

同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ１から遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ１に入力される。一方、クロック光パルスｐＭ３と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ４との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ１に入力される。

位相変調部Ｒ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００，１０１を介してクロック光パルスｐＭ３が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。
位相変調部Ｌ１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路１００を介してクロック光パルスｐＭ３が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ４の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ３の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ）（Ｎｓは１以上の整数）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｒ１に入力され、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｌ１に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスｐＭ２，ｐＭ３，ｐＭ４，・・・・の変調が連続して行われる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスがこのパルスよりも時間軸上で後ろに位置するクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部Ｒ１，Ｌ１を設定することにより、例えば図４に示した場合のように光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。

上記の光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、即ちＴ−１＝０の場合、時間ステップｉのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップｉ−１のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。

しかしながら、光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓまたはＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、一般的にカオス的な振る舞いをする力学系に従っている系は長期的には予測不能で乱雑な振る舞いをするが、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度には、例えば図１２のリターンマップで示されるような明確な関係性・相関があり、ある時間ステップの光強度から次の時間ステップの光強度を予測することが容易となってしまうため、即ち、短期的にみて乱雑な振る舞いとなっていないためである。図１２の例では、時間ステップｉでの規格化光出力強度と次の時間ステップｉ＋１での規格化光出力強度との間に相関性があることが示されている。

このような事情から、非特許文献１に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法においては、２つのカオスレーザーから２つのカオス的出力光信号を得た後に、この２つの独立したカオス的出力光信号に対して論理的な演算処理を施すことにより、短期的にみても乱雑性の高い乱数列を得るようにしている。

これに対して、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路においては、出力クロック信号光が時系列で短期的にみて乱雑でないという問題を、複数のカオス光源を用意することなく、かつ付加的な論理演算処理を施すことなく実現している。即ち、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間（クロック光パルスの周期）以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けることにより問題を解決する。ここで、遅延ステップ時間Ｔ−１は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間である。

遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けた場合、出力クロック信号光のパルス列は、ｐ（ｉ），ｐ（ｉ＋１），ｐ（ｉ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、ｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋２Ｎｓ），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋３Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したＮｓ個のカオス状態のパルス列が図１３のように組み合わされたものとなる。なお、Ｎｓは、遅延ステップ時間Ｔ−１中のクロック光パルスの数であり、１以上の整数値である。

このようなパルスの組み合わせにより、現実世界では僅かな揺らぎによる初期値の差が物理的に避けがたいがために上記Ｎｓ個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることとなり、加えてＮｓ個のカオス状態のパルス列と別のＮｓ個のカオス状態のパルス列との間の関係性も予測不能となる。したがって、本実施の形態では、Ｔ−１＝０の場合に時系列上で隣接する任意の時間ステップｉのパルスの光強度と時間ステップｉ＋１のパルスの光強度との間に見られた明確な関係性・規則性を、図１４に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。以上のように、本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

なお、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続しているが、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から得るようにすればよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１５は本発明の第３の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１，ＭＺ−２と、第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する光分波部ＳＰ−１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される光信号を２系統に分波する光分波部ＳＰ−２−１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒから出力される光信号を２系統に分波する光分波部ＳＰ−２−２と、光分波部ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の後述する位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１と、光分波部ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２内の後述する位相変調部Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部Ｒ２，Ｌ２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、位相変調部Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２と、光分波部ＳＰ−２−２で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の後述する位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１とから構成される。

本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のＲＺ型のクロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、この２つの干渉アームの端部に設けられた２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、光分波部ＳＰ−１で分波された２つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アーム内の後述する位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１へ入力するための位相変調制御用の光入力ポートＰ−Ｒ１−１，Ｐ−Ｌ１−１と、光分波部ＳＰ−２−２で分波された２つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アーム内の後述する位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２へ入力するための位相変調制御用の光入力ポートＰ−Ｒ１−２，Ｐ−Ｌ１−２と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、光入力ポートＰ−Ｒ１−１，Ｐ−Ｌ１−１から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１と、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１よりも後ろの２つの干渉アームに１つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、光入力ポートＰ−Ｒ１−２，Ｐ−Ｌ１−２から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２とから構成される。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のＲＺ型のクロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１と、この光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの干渉アームと、この２つの干渉アームの端部に設けられた２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒと、光分波部ＳＰ−２−１で分波された２つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の２つの干渉アーム内の後述する位相変調部Ｒ２，Ｌ２へ入力するための位相変調制御用の光入力ポートＰ−Ｒ２，Ｐ−Ｌ２と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、光入力ポートＰ−Ｒ２，Ｐ−Ｌ２から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部Ｒ２，Ｌ２とから構成される。

図１５における２００は一端が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に接続され他端が位相変調部Ｌ１−１の入力に接続された光導波路、２０１は一端が光導波路２００に近接して配置され他端が位相変調部Ｒ１−１の入力に接続された光導波路、２０２は一端が位相変調部Ｌ１−１の出力に接続され他端が位相変調部Ｌ１−２の入力に接続された光導波路、２０３は一端が位相変調部Ｒ１−１の出力に接続され他端が位相変調部Ｒ１−２の入力に接続された光導波路、２０４は一端が位相変調部Ｌ１−２の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒに接続された光導波路、２０５は一端が位相変調部Ｒ１−２の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され、一部が光導波路２０４と近接して配置された光導波路である。

光導波路２００，２０２，２０４がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の一方の干渉アームを構成し、光導波路２０１，２０３，２０５がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の他方の干渉アームを構成している。光導波路２００と光導波路２０１との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路２００に入力された光信号は光導波路２０１にも入力される。光導波路２０４と光導波路２０５との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。

また、２０６は一端が光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に接続され他端が位相変調部Ｌ２の入力に接続された光導波路、２０７は一端が光導波路２０６に近接して配置され他端が位相変調部Ｒ２の入力に接続された光導波路、２０８は一端が位相変調部Ｌ２の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒに接続された光導波路、２０９は一端が位相変調部Ｒ２の出力に接続され他端が光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓに接続され、一部が光導波路２０８と近接して配置された光導波路である。

光導波路２０６，２０８がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の一方の干渉アームを構成し、光導波路２０７，２０９がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の他方の干渉アームを構成している。光導波路２０６と光導波路２０７との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路２０６に入力された光信号は光導波路２０７にも入力される。光導波路２０８と光導波路２０９との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。

また、２１０は一端が光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓに接続され他端が光分波部ＳＰ−１の入力に接続された光導波路、２１１は一端が光分波部ＳＰ−１の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の入力に接続された光導波路、２１２は一端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｌ１−１に接続された光導波路、２１３は一端が光分波部ＳＰ−１の第２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１−１に接続された光導波路である。

また、２１６は一端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｌ２に接続された光導波路、２１９は一端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１−２に接続された光導波路、２２１は一端が光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓに接続され他端が光分波部ＳＰ−２−１の入力に接続された光導波路、２２２は一端が光分波部ＳＰ−２−１の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２の入力に接続された光導波路、２２３は一端が光分波部ＳＰ−２−１の第２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ２に接続された光導波路、２２４は一端が光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒに接続され他端が光分波部ＳＰ−２−２の入力に接続された光導波路、２２５は一端が光分波部ＳＰ−２−２の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の入力に接続された光導波路、２２６は一端が光分波部ＳＰ−２−２の第２の出力に接続され他端が光入力ポートＰ−Ｌ１−２に接続された光導波路である。

光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１，Ｐ−ＭＺ−２−１に入力されるクロック信号光の光パワー変化は図２に示したとおりである。図示しないクロック信号光源から光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１，Ｐ−ＭＺ−２−１に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のＲＺ型の信号光である。

位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１，Ｒ１−２，Ｌ１−２，Ｒ２，Ｌ２としては、第１の実施の形態の図５で説明した構成を用いることができる。位相変調部Ｒ１−１の場合、図５の光入力ポート１００４は光導波路２０１に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｒ１−１）は光導波路２１３に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０３に接続される。位相変調部Ｌ１−１の場合、光入力ポート１００４は光導波路２００に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｌ１−１）は光導波路２１２に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０２に接続される。

位相変調部Ｒ１−２の場合、光入力ポート１００４は光導波路２０３に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｒ１−２）は光導波路２１９に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０５に接続される。位相変調部Ｌ１−２の場合、光入力ポート１００４は光導波路２０２に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｌ１−２）は光導波路２２６に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０４に接続される。

また、位相変調部Ｒ２の場合、光入力ポート１００４は光導波路２０７に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｒ２）は光導波路２２３に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０９に接続される。位相変調部Ｌ２の場合、光入力ポート１００４は光導波路２０６に接続され、光入力ポート１００５（図１５のＰ−Ｌ２）は光導波路２１６に接続され、光出力ポート１００６は光導波路２０８に接続される。

次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ１−１，Ｐ−Ｌ１−１から位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１へと入力される。

図１６（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図１６（Ｂ）は位相変調部Ｒ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図、図１６（Ｃ）は位相変調部Ｌ１−１への入力信号光の入力タイミングを示す図である。図１６（Ｂ）に示すように、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ０と次の時間ステップのクロック光パルスｐ１との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１−１に入力される。一方、図１６（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１−１に入力される。

位相変調部Ｒ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００，２０１を介してクロック光パルスｐ１が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ１−１から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐ１の位相を変調する。

一方、位相変調部Ｌ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００を介してクロック光パルスｐ１が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ１−１から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐ１の位相を変調する。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１−１に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１−１に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ１の光出力強度が変調されることとなる。

同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ１−１に入力される。一方、クロック光パルスｐ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ１−１に入力される。

位相変調部Ｒ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００，２０１を介してクロック光パルスｐ２が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ１−１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐ２の位相を変調する。

位相変調部Ｌ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００を介してクロック光パルスｐ２が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ１−１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐ２の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ２の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｔ）（ｔ＝０，１，２，３，・・・・）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｒ１−１に入力され、クロック光パルスｐ（ｔ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｌ１−１に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｔ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・・の変調が連続して行われる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１を設定することにより、例えば図４に示した場合のように光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。

但し、このように光出力強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、前記の図１２で説明したとおりである。

そこで、本実施の形態においては、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の出力クロック信号光パルス列が時系列で短期的に見ると乱雑でないという問題を、付加的な論理演算処理を施すことなく解決している。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１とは別にマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２を設け、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが位相変調部Ｒ２，Ｌ２において次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように設定し、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光と同期のとれたクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１にも入力させる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と同様に、クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−２−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ２，Ｐ−Ｌ２から位相変調部Ｒ２，Ｌ２へと入力される。

そして、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたクロック光パルスｐ０と次の時間ステップのクロック光パルスｐ１との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ２に入力される。一方、クロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ２に入力される。

位相変調部Ｒ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６，２０７を介してクロック光パルスｐ１が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ２から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐ１の位相を変調する。位相変調部Ｌ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６を介してクロック光パルスｐ１が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ２から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐ１の位相を変調する。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ２に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ２に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ１の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｔ）（ｔ＝０，１，２，３，・・・・）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−２−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｒ２に入力され、クロック光パルスｐ（ｔ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−２−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｔ）が位相変調部Ｌ２に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｔ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と同様に、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２においても、クロック光パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・・の変調が連続して行われる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列とクロック・タイミングが合い、且つ光出力強度が時系列でカオス状態となる。加えて、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列に生じているカオス状態は、カオス力学的な観点で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光のパルス列には全く影響を受けていない。

このため、カオスの特徴の１つであるバタフライ効果により、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、ある時間ステップｉでのパルスの光出力強度を、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、時間ステップｉの直前の時間ステップｉ−１でのパルスの光出力強度に基づいて予測することができない状態、即ち光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光と光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光とが互いに乱雑な状態となっている。

次に、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒから出力され光分波部ＳＰ−２−２によって分波された２つの出力クロック信号光に対して光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１により伝搬遅延差を付与し、伝搬遅延差を付与した２つの出力クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光入力ポートＰ−Ｒ１−２，Ｐ−Ｌ１−２から位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２へと入力する。

位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２は、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１とは独立に設けられ、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１から光導波路２０３，２０２を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように設定されている。このため、位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２により、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなる。

こうして、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態を、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態に対して畳み込むことにより、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と光分波部ＳＰ−１と光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１とからなる光回路部を単独で駆動させた場合に見られた、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度の関係性を、図１７に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。以上のように、本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

また、本実施の形態では、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１，Ｒ１−２，Ｌ１−２，Ｒ２，Ｌ２として図５に示したような構成を用いることにより、被位相変調信号光に位相変調を加えると同時に、位相変調制御信号光を十分な程度除去して、被位相変調信号光のみを位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１，Ｒ１−２，Ｌ１−２，Ｒ２，Ｌ２から選択的に出力させることができる。その結果、本実施の形態では、持続的に位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１，Ｒ１−２，Ｌ１−２，Ｒ２，Ｌ２における十分な光位相変調を実現することができる。

なお、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続しているが、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続するようにしてもよい。また、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒと光分波部ＳＰ−２−１の入力とを接続し、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−２−２の入力とを接続するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の出力を光入力ポートＰ−Ｒ１−２と接続しているが、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の出力を光入力ポートＰ−Ｌ１−２と接続し、光分波部ＳＰ−２−２の出力のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１による光伝搬遅延が付与されていない方の出力を光入力ポートＰ−Ｒ１−２と接続するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、同一のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光をあらかじめ分波して光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１，Ｐ−ＭＺ−２−１に入力するようにしてもよいし、第１のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力すると共に第１のクロック信号光源と同期している第２のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から得るようにすればよい。このとき、１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、出力信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１８は本発明の第４の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第３の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路に対して、光分波部ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−１の遅延を付与する光遅延部Ｄ−Ｔ−１と、光分波部ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−２（Ｔ−１≠Ｔ−２）の遅延を付与する光遅延部Ｄ−Ｔ−２とを追加したものである。

本実施の形態では、光導波路２１１の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の光入力ポートに接続し、光導波路２１３の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の光入力ポートに接続し、光導波路２２２の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−２の第１の光入力ポートに接続し、光導波路２２３の他端を光遅延部Ｄ−Ｔ−２の第２の光入力ポートに接続すればよい。図１８における２２７は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第１の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１の入力に接続された光導波路、２２８は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−１の第２の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ１−１に接続された光導波路、２２９は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−２の第１の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２の入力に接続された光導波路、２３０は一端が光遅延部Ｄ−Ｔ−２の第２の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートＰ−Ｒ２に接続された光導波路である。

次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路において、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２が存在せず、クロック信号光が光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ１−１，Ｐ−Ｌ１−１から位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１へと入力される。

前記の図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）を参照すると、図１１（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示し、図１１（Ｂ）は位相変調部Ｒ１−１への入力信号光の入力タイミングを示し、図１１（Ｃ）は位相変調部Ｌ１−１への入力信号光の入力タイミングを示している。

図１１（Ｂ）に示したように、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ０から時系列的にある一定の遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１−１に入力される。一方、図１１（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１−１に入力される。

遅延ステップ時間Ｔ−１は、光遅延部Ｄ−Ｔ−１によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック信号光は、光分波部ＳＰ−１により２つに分波され光遅延部Ｄ−Ｔ−１によって遅延ステップ時間Ｔ−１に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートＰ−Ｒ１−１に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１により更に遅延が付与された後に光入力ポートＰ−Ｌ１−１に入力される。

位相変調部Ｒ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００，２０１を介してクロック光パルスｐＭ２が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ１−１から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ２の位相を変調する。
一方、位相変調部Ｌ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００を介してクロック光パルスｐＭ２が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ１−１から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ１−１に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ１−１に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ２の光出力強度が変調されることとなる。

同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたクロック光パルスｐ１から遅延ステップ時間Ｔ−１後のクロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ１−１に入力される。一方、クロック光パルスｐＭ３と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ４との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ１−１に入力される。

位相変調部Ｒ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００，２０１を介してクロック光パルスｐＭ３が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ１−１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。
位相変調部Ｌ１−１は、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１から光導波路２００を介してクロック光パルスｐＭ３が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ１−１から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ４の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ３の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ）（Ｎｓは１以上の整数）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｒ１−１に入力され、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｌ１−１に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスｐＭ２，ｐＭ３，ｐＭ４，・・・・の変調が連続して行われる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１を設定することにより、例えば図４に示した場合のように光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。

上記の光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、即ちＴ−１＝０の場合、時間ステップｉのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップｉ−１のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。

しかしながら、光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けない場合、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓまたはＰ−ＭＺ−１−ｂａｒから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、前記の図１２で説明したとおりである。

そこで、本実施の形態においては、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の出力クロック信号光パルス列が時系列で短期的に見ると乱雑でないという問題を、付加的な論理演算処理を施すことなく解決している。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１とは別にマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２を設け、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック光パルスが位相変調部Ｒ２，Ｌ２において次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように設定し、光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されるクロック信号光と同期のとれたクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１にも入力させる。さらに、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間（クロック光パルスの周期）以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けると共に、遅延ステップ時間Ｔ−２が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−２を設ける。ここで、遅延ステップ時間Ｔ−１，Ｔ−２は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間であり、Ｔ−１≠Ｔ−２である。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と同様に、クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から入力される場合、最初のクロック光パルスｐ０は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１と異なる側の干渉アームの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから１００％出力され、光分波部ＳＰ−２−１によりクロック光パルスｐ０−１，ｐ０−２の２つに分波され、光遅延部Ｄ−Ｔ−２により所定の遅延が付与され、さらに光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートＰ−Ｒ２，Ｐ−Ｌ２から位相変調部Ｒ２，Ｌ２へと入力される。

図１９（Ａ）は光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図１９（Ｂ）は位相変調部Ｒ２への入力信号光の入力タイミングを示す図、図１９（Ｃ）は位相変調部Ｌ２への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図１９（Ｂ）に示すように、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたクロック光パルスｐ０から時系列的にある一定の遅延ステップ時間Ｔ−２後のクロック光パルスｐＭ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ２に入力される。一方、図１９（Ｃ）に示すように、クロック光パルスｐＭ３と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ４との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ２に入力される。

遅延ステップ時間Ｔ−２は、光遅延部Ｄ−Ｔ−２によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されたクロック信号光は光分波部ＳＰ−２−１により２つに分波され、引き続き光遅延部Ｄ−Ｔ−２によって遅延ステップ時間Ｔ−２に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートＰ−Ｒ２に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２により更に遅延が付与された後に光入力ポートＰ−Ｌ２に入力される。

位相変調部Ｒ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６，２０７を介してクロック光パルスｐＭ３が入力される直前に、光入力ポートＰ−Ｒ２から入力されるクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ３の位相を変調する。
一方、位相変調部Ｌ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６を介してクロック光パルスｐＭ３が入力された直後に、光入力ポートＰ−Ｌ２から入力されるクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ４の位相を変調する。

結果として、クロック光パルスｐ０−１が位相変調部Ｒ２に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が位相変調部Ｌ２に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の２つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ３の光出力強度が変調されることとなる。

同様に、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたクロック光パルスｐ１から遅延ステップ時間Ｔ−２後のクロック光パルスｐＭ３と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ４との間のタイミングで、光分波部ＳＰ−２−１によって分波されたクロック光パルスｐ１−１，ｐ１−２のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスｐ１−１が位相変調部Ｒ２に入力される。一方、クロック光パルスｐＭ４と次の時間ステップのクロック光パルスｐＭ５との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスｐ１−２が位相変調部Ｌ２に入力される。

位相変調部Ｒ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６，２０７を介してクロック光パルスｐＭ４が入力される直前に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−１が光入力ポートＰ−Ｒ２から入力されると、このクロック光パルスｐ１−１の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ４の位相を変調する。
位相変調部Ｌ２は、光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１から光導波路２０６を介してクロック光パルスｐＭ４が入力された直後に、クロック光パルスｐ１の分波光であるクロック光パルスｐ１−２が光入力ポートＰ−Ｌ２から入力されると、このクロック光パルスｐ１−２の光強度に応じて、クロック光パルスｐＭ５の位相を変調する。結果として、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐＭ４の光出力強度が変調されることとなる。

以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｑｓ）（Ｑｓは１以上の整数）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｑｓ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−２−１によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｒ２に入力され、クロック光パルスｐ（ｉ＋Ｑｓ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｑｓ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力され光分波部ＳＰ−２−１によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｉ）が位相変調部Ｌ２に入力される。その結果、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力されるクロック光パルスｐ（ｉ＋Ｑｓ＋１）の光出力強度が変調される。こうして、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と同様に、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２においても、クロック光パルスｐＭ３，ｐＭ４，ｐＭ５，・・・・の変調が連続して行われる。

マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列とクロック・タイミングが合い、且つ光出力強度が時系列でカオス状態となる。加えて、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列に生じているカオス状態は、カオス力学的な観点で、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光のパルス列には全く影響を受けていない。

このため、カオスの特徴の１つであるバタフライ効果により、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、ある時間ステップｉでのパルスの光出力強度を、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、時間ステップｉの直前の時間ステップｉ−１でのパルスの光出力強度に基づいて予測することができない状態、即ち光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光と光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光とが互いに乱雑な状態となっている。

次に、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒから出力され光分波部ＳＰ−２−２によって分波された２つの出力クロック信号光に対して光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１により伝搬遅延差を付与し、伝搬遅延差を付与した２つの出力クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光入力ポートＰ−Ｒ１−２，Ｐ−Ｌ１−２から位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２へと入力する。

位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２は、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１とは独立に設けられ、位相変調部Ｒ１−１，Ｌ１−１から光導波路２０３，２０２を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように設定されている。このため、位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２により、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの干渉アームで位相差が生じることとなる。

こうして、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態を、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態に対して畳み込むことにより、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。

同時に、本実施の形態では、遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間（クロック光パルスの周期）以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設け、遅延ステップ時間Ｔ−２が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−２を設ける。

遅延ステップ時間Ｔ−１が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−１を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列は、ｐ（ｉ），ｐ（ｉ＋１），ｐ（ｉ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、ｐ（ｉ＋Ｎｓ），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋２Ｎｓ），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋１），ｐ（ｉ＋２Ｎｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋３Ｎｓ−１）のＮｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したＮｓ個のカオス状態のパルス列が図２０のように組み合わされたものとなる。なお、Ｎｓは、遅延ステップ時間Ｔ−１中のクロック光パルスの数であり、１以上の整数値である。

このようなパルスの組み合わせにより、上記Ｎｓ個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間Ｔ−１の間、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。

同様に、遅延ステップ時間Ｔ−２が１ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部Ｄ−Ｔ−２を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光のパルス列は、ｐ（ｉ），ｐ（ｉ＋１），ｐ（ｉ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋Ｑｓ−１）のＱｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋Ｑｓ），ｐ（ｉ＋Ｑｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｑｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｑｓ−１）のＱｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、ｐ（ｉ＋Ｑｓ），ｐ（ｉ＋Ｑｓ＋１），ｐ（ｉ＋Ｑｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋２Ｑｓ−１）のＱｓ個のカオス状態のパルス列とｐ（ｉ＋２Ｑｓ），ｐ（ｉ＋２Ｑｓ＋１），ｐ（ｉ＋２Ｑｓ＋２），・・・・，ｐ（ｉ＋３Ｑｓ−１）のＱｓ個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したＱｓ個のカオス状態のパルス列が組み合わされたものとなる。なお、Ｑｓは、遅延ステップ時間Ｔ−２中のクロック光パルスの数であり、１以上の整数値である。

このようなパルスの組み合わせにより、上記Ｑｓ個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間Ｔ−２の間、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。

但し、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光パルス列において、時間ステップｉのクロック光パルスと時間ステップｉ＋Ｎｓ＋１のクロック光パルスとの間には、図１２に示したような明確な関係性が残ったままとなる。即ち、図１２は時間ステップｉでの光出力強度と次の時間ステップｉ＋１での光出力強度との間の関係を示すものであるが、このような関係は時間ステップｉと時間ステップｉ＋Ｎｓ＋１との間でも成り立つ。

一方、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓから出力される出力クロック信号光パルス列の場合、時間ステップｉの時点から見て時間ステップｉ＋Ｎｓ＋１の光出力強度が予測可能性のより低下した乱雑性のより高い振る舞いをするようになっている。この光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光パルス列を用いてマッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１内の位相変調部Ｒ１−２，Ｌ１−２を駆動することにより、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いに、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−２の光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓからの出力クロック信号光の光出力強度の乱雑さを畳み込むことができる。

その結果、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１と光分波部ＳＰ−１と光遅延部Ｄ−Ｔ−１と光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−１とからなる光回路部を単独で駆動させた場合に見られた、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度の関係性を、図２１に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。こうして、本実施の形態では、第３の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

なお、本実施の形態では、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続しているが、光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｂａｒと光分波部ＳＰ−１の入力とを接続するようにしてもよい。また、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｂａｒと光分波部ＳＰ−２−１の入力とを接続し、光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓと光分波部ＳＰ−２−２の入力とを接続するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の出力を光入力ポートＰ−Ｒ１−２と接続しているが、光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１の出力を光入力ポートＰ−Ｌ１−２と接続し、光分波部ＳＰ−２−２の出力のうち光伝搬遅延差付与部Ｄ−Ｄ−２−１による光伝搬遅延が付与されていない方の出力を光入力ポートＰ−Ｒ１−２と接続するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、光遅延部Ｄ−Ｔ−１と光遅延部Ｄ−Ｔ−２の両方を設ける場合について説明しているが、光遅延部Ｄ−Ｔ−１と光遅延部Ｄ−Ｔ−２のうちどちらか一方だけを設ける場合でも、超高速の光乱数生成要求に対応可能で、乱雑性の高い乱数を生成可能であるという効果を得ることができる。このときの効果の大きさは、（光遅延部Ｄ−Ｔ−１と光遅延部Ｄ−Ｔ−２の両方を設ける場合）＞（光遅延部Ｄ−Ｔ−２を無くし光遅延部Ｄ−Ｔ−１だけを設ける場合）≧（光遅延部Ｄ−Ｔ−１を無くし光遅延部Ｄ−Ｔ−２だけを設ける場合）、という大小関係となる。光遅延部Ｄ−Ｔ−２を無くし光遅延部Ｄ−Ｔ−１だけを設けた場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図２２に示し、光遅延部Ｄ−Ｔ−１を無くし光遅延部Ｄ−Ｔ−２だけを設けた場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図２３に示す。

また、本実施の形態において、同一のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光をあらかじめ分波して光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１，Ｐ−ＭＺ−２−１に入力するようにしてもよいし、第１のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力すると共に第１のクロック信号光源と同期している第２のクロック信号光源から出力されたＲＺ型のクロック信号光を光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から得るようにすればよい。このとき、１００％出力時の光強度を１として、閾値を０．５として設定し、出力信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は２値化信号の値を１とし、出力信号光の光強度が閾値以下であれば２値化信号の値を０とする２値化処理を行うと、２値の乱数列が得られる。

第１の実施の形態〜第４の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分を低損失な半導体導波路で構成し、位相変調部として上記のような構成を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。

また、第１の実施の形態〜第４の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分をＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）で構成し、位相変調部として上記のような構成を用い、全体をＰＬＣと光半導体のハイブリッドで製作してもよい。このような光回路は、文献「T.Ito，et al.，“Bit-rate and format conversion from 10-Gbit/s WDM channels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”，IEE Proc.-Optoelectron.，Vol.151，No.1，p.41-45，February 2004」や、文献「小川育生他，“ＰＬＣハイブリッド集積型半導体光増幅器モジュール”，The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers，IEICE technical report. EMD 102(283)，p.7-11，2002-08-22」に開示されている。

また、第１の実施の形態〜第４の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分にフォトニック結晶導波路を用い、位相変調部として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、全体を一体集積化して製作してもよい。このような光回路は、文献「H.Nakamura，Y.Sugimoto，K.Kanamoto，N.Ikeda，Y.Tanaka，Y.Nakamura，S.Ohkouchi，Y.Watanabe，K.Inoue，H.Ishikawa and K.Asakawa，“Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonic networks”，Optics Express，vol.12，no.26，p.6606-6614，2004」に開示されている。

また、第１の実施の形態〜第４の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、化合物半導体基板上やシリコン平面基板上に集積型光回路として作製された平面型光回路であってもよい。シリコン平面基板上に集積型光回路として作製された平面型光回路については、文献「板橋 聖一，“シリコンフォトニクスの研究開発動向”，ＮＴＴ技術ジャーナル 2009.12，p.12-15，2009」に開示されている。

本発明は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成する技術に適用することができる。

ＭＺ−１，ＭＺ−２…マッハツェンダー干渉型光強度変調部、ＳＰ−１，ＳＰ−２−１，ＳＰ−２−２…光分波部、Ｄ−Ｔ−１，Ｄ−Ｔ−２…光遅延部、Ｄ−Ｄ−１，Ｄ−Ｄ−２，Ｄ−Ｄ−２−１…光伝搬遅延差付与部、Ｐ−ＭＺ−１−１，Ｐ−Ｒ１，Ｐ−Ｌ１，Ｐ−Ｒ１−１，Ｐ−Ｌ１−１，Ｐ−Ｒ１−２，Ｐ−Ｌ１−２，Ｐ−ＭＺ−２−１，Ｐ−Ｒ２，Ｐ−Ｌ２，１００４，１００５…光入力ポート、Ｒ１，Ｌ１，Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｌ１−１，Ｌ１−２，Ｒ２，Ｌ２…位相変調部、Ｐ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒ，Ｐ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒ，１００６…光出力ポート、１００〜１０９，２００〜２１３，２１６，２１９，２２１〜２３０，１００７〜１０１１…光導波路、１０００…マルチモード干渉カプラ、１００１…光位相変調制御部、１００２…光強度変調部、１００３…駆動部。

Claims (7)

1. ＲＺ型クロック信号光を入力する第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１と、
   この第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第１の光分波手段ＳＰ−１と、
   この第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の第１の位相変調手段へと導く第１の光導波路とを備え、
   前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、
   前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１と、
   この光入力ポートＰ−ＭＺ−１−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの第１の干渉アームと、
   この２つの第１の干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒと、
   前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第１の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１とから構成され、
   前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１は、
   それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第１の光干渉型合波手段と、
   この第１の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の光位相変調制御手段と、
   この第１の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第１の光強度変調手段と、
   前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記位相変調制御用のクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第１の光強度変調手段を駆動する第１の駆動手段とから構成され、
   さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第１の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１を備え、
   前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
2. 請求項１記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１を備えることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
3. 請求項１記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   さらに、前記ＲＺ型クロック信号光を入力する第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２と、
   この第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内のいずれか一方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第２の光分波手段ＳＰ−２−１と、
   前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒの内、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１と接続されていない方から出力されたＲＺ型クロック信号光を２系統に分波する第３の光分波手段ＳＰ−２−２と、
   前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２内の第２の位相変調手段へと導く第２の光導波路と、
   前記第３の光分波手段ＳＰ−２−２で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光を位相変調制御用のクロック信号光として前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１内の第３の位相変調手段へと導く第３の光導波路とを備え、
   前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１は、
   さらに、前記第１の位相変調手段Ｒ１，Ｌ１の代わりに、前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第１の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１と、
   この第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１よりも後ろの前記２つの第１の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第１の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第３の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２とを備え、
   前記第２のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−２は、
   前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１と、
   この光入力ポートＰ−ＭＺ−２−１に入力されたＲＺ型クロック信号光を伝送する２つの第２の干渉アームと、
   この２つの第２の干渉アームの端部に設けられた前記２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−２−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−２−ｂａｒと、
   前記２つの第２の干渉アームに１つずつ設けられ、前記第２の干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光を、前記第２の光導波路から入力されるＲＺ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２とから構成され、
   前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１は、
   それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第１の光干渉型合波手段と、
   この第１の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第１の光位相変調制御手段と、
   この第１の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第１の光強度変調手段と、
   前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第１の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第１の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第１の光強度変調手段を駆動する第１の駆動手段とから構成され、
   前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２は、
   それぞれ前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第２の光干渉型合波手段と、
   この第２の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第２の光位相変調制御手段と、
   この第２の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第２の光強度変調手段と、
   前記第２の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第２の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第２の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第２の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第２の光強度変調手段を駆動する第２の駆動手段とから構成され、
   前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２は、
   それぞれ前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光と前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光とを合波する第３の光干渉型合波手段と、
   この第３の光干渉型合波手段から出力された合波信号光を入力とし、前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光を前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて位相変調する第３の光位相変調制御手段と、
   この第３の光位相変調制御手段から出力された信号光を強度変調する第３の光強度変調手段と、
   前記第１の干渉アームにより伝送されるクロック信号光が前記第３の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光を透過させ、且つ前記第３の光導波路から入力される位相変調制御用のクロック信号光が前記第３の光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて光の透過を抑止させるように、前記第３の光強度変調手段を駆動する第３の駆動手段とから構成され、
   前記第１の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−１は、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第１の位相変調手段Ｒ１−１，Ｌ１−１に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与し、
   さらに、前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第２の位相変調手段Ｒ２，Ｌ２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第２の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２と、
   前記第３の光導波路に設けられ、前記第３の光分波手段ＳＰ−２−２で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記第３の位相変調手段Ｒ１−２，Ｌ１−２に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のＲＺ型クロック信号光に付与する第３の光伝搬遅延差付与手段Ｄ−Ｄ−２−１とを備え、
   前記第１のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ＭＺ−１の２つの光出力ポートＰ−ＭＺ−１−ｃｒｏｓｓ，Ｐ−ＭＺ−１−ｂａｒの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
4. 請求項３記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   さらに、前記第１の光導波路に設けられ、前記第１の光分波手段ＳＰ−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−１の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−１と、
   前記第２の光導波路に設けられ、前記第２の光分波手段ＳＰ−２−１で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間Ｔ−２（Ｔ−１≠Ｔ−２）の遅延を付与する光遅延手段Ｄ−Ｔ−２との内の少なくとも一方を備えることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   前記光位相変調制御手段は、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ光半導体増幅器、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ量子ドット層を含む光導波路構造、前記位相変調制御用のクロック信号光の光強度に応じて屈折率が変化する性質を持つ定電圧駆動状態の半導体ＥＡ光変調器のいずれかからなることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   前記光強度変調手段は、半導体ＥＡ光変調器または半導体ＭＺ光変調器からなることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高速カオス光信号生成光回路において、
   前記駆動手段は、
   前記位相変調制御用のクロック信号光のパルスを検出するパルス信号検出手段と、
   このパルス信号検出手段が検出したパルスに基づいて、前記位相変調制御用のクロック信号光が前記光強度変調手段に入力されるタイミングに合わせて前記光強度変調手段がオフになるように駆動電圧を発生する駆動電圧発生手段とから構成されることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。

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