JP3317352B2

JP3317352B2 - 光通信システム

Info

Publication number: JP3317352B2
Application number: JP51359491A
Authority: JP
Inventors: ラリテイ，ジヨン・ギルロイ; タプスター，ポール・リチヤード
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 2002-08-26
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: CA2090408A1; EP0545982A1; CA2090408C; GB9018973D0; DE69123354T2; WO1992004785A1; DE69123354D1; US5418905A; JPH06509448A; GB2267622A; EP0545982B1; GB9302129D0

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、光通信システムに係わり，更に特に、光ビ
ーム相互間の一致の形で信号が伝送されるシステムに係
わる。

一致光子対（coincident photon pair）に基づく光通
信システムは、例えばApplied Optics Vol.24,No 22,p
p.3877〜3882においてHongとFribergとMandelによっ
て、既に論じられている。彼らが説明している光通信シ
ステムは、入力ポンプビームの非縮退パラメトリック低
域変換（non−degenerate parametric downconversio
n）によって同時光子対（simultaneous photon pair）
を生じさせるために、非線形の結晶体を使用する。これ
らの光子対は２つの相関した光子ビームを形成し、これ
らのビームの各々が各対の一方の光子を含む。これらの
ビームは別々に伝送され、受信機で別々に検出される。
１つの相関光子対（各ビームに１つの光子）が検出され
る時に、１つの一致が記録される。入力ポンプビームの
直接変調によって、即ち、入力ポンプビームをON/OFFに
スイッチングすることによって、ディジタル信号が伝送
される。両方のビームにおけるOFF周期が、低域変換さ
れた光子対にスペクトル的に類似している光を使用して
充填（fill−in）される。しかし、この充填光は相関関
係がなく、従って、その光が受信機で検出される時に
は、有意数の一致が記録されない。この場合、受信機に
おける一致の周期は２進数「１」に相当し、（ノイズよ
り上の）非一致の周期は２進数「０」に相当する。

上記で説明されたシステムは、一致検出を使用すれば
バックグラウンドノイズに対する識別を可能にするとい
う利点を有する。従って、通信が、比較的少数の光子を
用いて実現されることも可能であり、そうでない場合に
は、信号光子が前記２つのビームの各ビーム中でノイズ
の中に失われるであろう。

更に、このシステムは、充填光の故に傍受に対して比
較的安全である。１つのビームだけしか傍受されず、且
つ、充填に使用される光がその信号光子に十分に適切に
整合している場合には、その信号が解読されることは不
可能である。しかし、低域変換された光子のスペクトル
と強度と統計的属性とを整合させることは、実際上は困
難である。従って、多くの場合には、１つのビームの属
性の詳細な解析が、信号が解読されることを可能にす
る。これに加えて、両方のビームが傍受される場合に
は、単純な一致の計数によって信号が解読される可能性
がある。従って、このシステムはあまり安全ではない。

直接変調の代わりに時間変調を使用する類似のシステ
ムも、既に論じられている。この時間変調システムは２
つのパルス状の相関光子ビームを有する。これら２つの
相関ビームの一方のビームの時間変調によって、ディジ
タル信号が伝送される。即ち、これらのパルス状ビーム
の一方のビームに可変遅延が導入される。上記の直接変
調の場合と同じく、２つのビームの一方が傍受される場
合には、信号は容易に解読されることは不可能である。
しかし、パルス間の時間遅延の統計の慎重な解析が、何
らかの変調が発見されることを可能にするであろう。使
用された遅延が、被復調ビームのパルスの間の時間間隔
に比較して短い場合には、そうした解析によって発見さ
れる変調はごく僅かであろう。両方のビームが傍受され
る場合には，直接変調の場合と同じく、単純な一致の計
数が信号を解読するであろう。従って、このシステムは
あまり安全ではない。

上記で説明された従来技術のシステムは両方とも、両
チャネル内での損失に応じたSN比の平方減少という重大
な欠点も有する。この欠点は、それらのシステムの実際
上の使用に対して非常に大きな制約をもたらし、特に、
それらのシステムの使用が可能な通信距離を制限する。

本発明の目的は、改良された光通信システムを提供す
ることである。

本発明は、第１と第２の光子ビームチャネルにおける共役エネル
ギーを有する光子の相関対の発生源を含む送信機と、（ｉ）受信された光子の間の一致を計数するように構
成された一致計数手段と、（ii）一致計数率の変化に応
答し且つ通信信号を与えるように構成された識別手段と
を含む受信機とを有する光通信システムを提供し、前記システムは、前記送信機が、（ａ）信号入力に応じた変調可能なス
ペクトル分散特性を有する、第１の光子ビームチャネル
内の送信機ろ波手段と、（ｂ）タイミング信号を送信す
るために前記送信機ろ波手段の出力に応答する手段とを
含み、前記受信機が、信号入力が存在しない時に前記送
信機ろ波手段のスペクトル分散特性に対して共役である
スペクトル分散特性を有する受信機ろ波手段を含み、前
記受信機ろ波手段が、受信光子のスペクトル特性に基づ
いて、異なった受信機チャネルに受信光子を分けるため
に使用されることによって特徴付けられる。

本発明は、タイミング信号と、第２の送信機光子ビー
ムチャネルからの光子との両方が、送信中に傍受される
場合でさえ、その信号が解読されることが不可能である
という利点を与える。従って、本発明は、従来技術の場
合に比べて、より高い通信上の安全性を与える。

更に、本発明は、例えば受信信号の強度が受信バック
グラウンド光の強度に比べて２桁小さい時のように、比
較的高レベルのバックグラウンド光の中で通信が達成さ
れることが可能であるという利点も与える。このこと
は、本発明が不利な条件の下で使用されることを可能に
する。或いは、通信の安全性を強化するために、信号を
スプリアス光の中に混合し、それによって信号ビームの
識別を一層困難にすることによって、信号ビームが隠蔽
されることも可能である。

従来技術の一致計数システムに比較した場合の本発明
の更なる利点は、信号／雑音特性の改善である。従来技
術のシステムは信号損失に応じてSN比の平方低下を被る
が、本発明は信号損失に応じてSN比の線形低下を被るだ
けである。

本発明の実施例の１つでは、その受信機ろ波手段は、
スペクトル的に共役であるフィルタ特性を有する、２つ
のフィルタチャネルを有する。従って、受信機ろ波手段
は、共役スペクトルを有する２つの光子ビームを与え
る。一致計数手段は、タイミング信号と２つの共役スペ
クトルビーム各々との間の一致を計数するために使用さ
れる。従って、２つの一致率が得られ、通信信号を得る
ために、一方の一致率が他方の一致率から減算される。
２つのフィルタチャネルの使用は、新たな情報を全く付
加しないが、SN比を増大させ、従って有利である。

そうした実施例は、ディジタル通信信号の送信のため
に使用されることも可能である。この場合には、送信機
ろ波手段が、ディジタル信号に応じて２つの共役スペク
トル分散特性の間を切り換えられる。

そうした実施例は、各々にマッハ・ツェンダー（Mach
Zehnder）干渉計の形の送信機ろ波手段と受信機ろ波手
段とを備えることも可能である。送信機ろ波手段は、通
信信号がそれに供給される片方の干渉計アームの中に電
気光学変調器を含んでよい。受信機ろ波手段のマッハ・
ツェンダー干渉計は、送信機内のろ波手段のマッハ・ツ
ェンダー干渉計に整合させられ、即ち、受信機ろ波手段
と送信機ろ波手段は、前記電気光学変調器の休止時に
は、等しい光路長を有する。

本発明は、光子対１つ当たり１ビットの割合で情報を
通信するために応用されることも可能である。そうした
実施例では、送信機ろ波手段の変調が、一致計数器によ
って計測される２つの一致率の概ね100％の変調を生じ
させるために使用される。この実施例は、変調可能なス
ペクトル分散特性を有する送信機ろ波手段を含むことも
可能である。送信機ろ波手段と受信機ろ波手段の各々
は、個々の入力信号に応じて、少なくとも３つの別々の
予め決められた位相差の間での変調のために使用される
ことも可能である。これらの位相差の組合せの少なくと
も１つは、測定された２つの一致率の概ね100％の変調
を与えるような組合せである。そうした実施例では、送
信機ろ波手段と受信機ろ波手段の各々は、その片方のア
ーム内に電気光学変調器を有するマッハ・ツェンダー干
渉計であってよい。

本発明は、タイミング信号と第２の光子ビームとが送
信のために単一ビームとして組み合わされるように実施
されることも可能である。タイミング信号と第２の光子
ビームとが、場合により、偏光ビームスプリッタ又は二
色性ビームスプリッタによって、受信機内で分離される
ことも可能である。

更に、本発明は、タイミング信号と第２の光子ビーム
とが自由空間を通過して受信機に伝送されるように実施
されてもよい。或いは、タイミング信号と第２の光子ビ
ームとが、光ファイバを経由して受信機に伝送されるこ
とも可能である。

本発明には、ポンプレーザと非線形結晶体と２つのア
パーチャとを含む相関光子対の発生源が備えられること
も可能である。或いは、その相関光子対の発生源はカス
ケード原子源であってもよい。

以下では、本発明の実施例が、次の添付図面を参照し
て、単なる例示として説明される。

図１は、本発明の光通信システムの略図である。

図２は、図１のシステムで使用される相関光子対の発
生源の略図である。

図３は、図１のシステムで使用される一致計数器の略
図である。

図４は、図１のシステムで使用される被変調フィルタ
（modulated filter）の略図である。

図５は、図４の被変調フィルタの余弦曲線状の伝送特
性を示すグラフである。

図６は、図１のシステムで使用される被復調フィルタ
（unmodulated filter）の略図である。

図７は、図１の通信システムの動作の相対的タイミン
グを示すグラフである。

図８は、光路差に応じた一致率の変化を示すグラフで
ある。

図９は、本発明による別の光通信システムの略図であ
る。

図１を参照して、本発明の光通信システム10が概略的
に説明される。システム10は、２つの主要部分、即ち、
送信機12と受信機14を有する。

さて、更に図２を参照して、送信機12で使用するため
の共役エネルギーを有する光子相関対の発生源16を説明
する。この発生源16は、短波長レーザ18と、非線形結晶
体20と、２つのアパーチャ32、34とから成る。この実施
例では、レーザ18は、波長λ_０＝413.4nmの100mWクリプ
トンイオンレーザであり、結晶体20はヨウ素酸リチウム
である。レーザ18は波長λ_０の光子20を放出し、この光
子22は結晶体20に入射する。結晶体20の中では、光子22
が、Physical Review Letters 25（1970）pp.84におい
てBurnhamとWeinburgによって論述され、更にPhysics R
eview A8（1973）pp.2684においてMollowによって論述
されたような、非縮退低域変換を受ける。各々の光子22
は、入力光子方向に対して角度θ_１に、波長λ_１を有す
る第１の低域変換された光子24を発生させ、且つ入力光
子方向に対して角度θ_２に、波長λ_２を有する第２の低
域変換された光子26を発生させる。

これらの低域変換された光子24、26は、１つの相関対
である。これらの光子は概ね同時に放出され、共役のエ
ネルギーを有する。即ち、これら光子24、26のエネルギ
ーの合計は光子22のエネルギーでなければならない。従
って、相関対の第１の光子24のエネルギーが知られてい
る時には、第２の光子26のエネルギーも知られ、この逆
の場合も同じである。これは、光子対24、26が発生させ
られる時に認められるエネルギーと運動量の保存の結果
である。次式の関係が当てはまり、前式中のω_０、ω_１、ω_２は各々に光子22、24、26の角
振動数である。方程式１〜３に対する数多くの解があ
り、従って、低域変換された光子24、26に関して採るこ
とが可能な角度θ_１、θ_２は数多くある。

低域変換された光子24、26は、第１と第２の混合エネ
ルギー分散ビーム28、30を形成する。２つのアパーチャ
32、34が、共役光子40の第１のビーム36と、共役光子42
の第２のビーム38を選択する。即ち、これらのアパーチ
ャは、方程式１〜３の１つの解に相当する光子40、42の
対を選択する。

アパーチャ32、34は、等しい振動数帯域幅２δωを光
子40、42に与える等しい有限の幅を有する。アパーチャ
32は、角振動数ω_１±δωを有する光子40を選択し、ア
パーチャ34は、角振動数ω_１δωを有する光子42を選
択する。この実施例では、ω_１＝ω_２＝ω₀/2という対
称解が、適切なアパーチャの位置決めのために使用され
ている。アパーチャ32、34は、5nmの帯域幅を有するλ
_１＝λ_２＝826.8nmに対応するθ_１＝θ_２＝14.5゜の角
度で、光子40、42を受け入れる。

２つのビーム36、38は低い光レベルを有する。第１の
ビーム36は鏡44とレンズ46を通過して偏光ビームスプリ
ッタ48に進む。第２のビーム38は、入力されたディジタ
ル信号52によって変調される被変調フィルタ50に進む。
被変調フィルタ50の働きは更に詳細に後述される。

被変調フィルタ50は、光子56の出力ビーム54を発生さ
せ、この出力ビーム54は、能動的に抑制された光子計数
アバランシェホトダイオード58に進む。適当なホトダイ
オードが、Applied Optics,Vol 26,pp.2383〜2389の中
でBrownとJonesとRarityとRidleyによって言及されてい
る。ホトダイオード58は、検出される各々の光子56に応
じて各々の電気パルス60を発生させる。各々の電気パル
ス60は、レーザダイオード64を制御するレーザダイオー
ド変調器62に進む。これらの素子は標準的な通信グレー
ドの素子であり、この実施例ではレーザダイオード64は
1.5μｍの出力波長を有する。

レーザダイオード64は、各々の電気パルス60に対して
各々の光パルス66を発生させる。従って、変調された低
光レベルの出力ビーム54は巨視的光ビーム（macroscopi
c light beam）68に変換され、この光ビーム68の中では
各々のレーザ出力パルス66は各々の光子56に相当する。
ビーム68はタイミング信号を構成する。ビーム68はレン
ズ70を通って偏光ビームスプリッタ48に進む。

偏光ビームスプリッタ48は、巨視的光ビーム68と第１
の低光レベルビーム36とを複合ビーム72の形に組み合わ
せる。複合ビーム72は、切れ目74によって示されるよう
に自由空間を介して遠隔の受信機14に伝送される。

複合ビーム72は、コリメートレンズ76を通って受信機
14の中に入る。これに続いて、ビーム72は二色性ビーム
スプリッタ78に進み、二色性ビームスプリッタ78はビー
ム72を受信された巨視的光ビーム80と受信された低光レ
ベルビーム82とに分離する。受信された巨視的光ビーム
80は波長1.5μｍの光パルス84から成り、受信された低
光レベルビーム82は波長826nmの光子86から成る。巨視
的光ビーム80は通信グレード検出器88に進み、検出器88
は各々の光パルス84に対して電気パルス90を発生させ
る。電気パルス90は、より詳細に後述されるマルチチャ
ネル一致計数器92に進む。

受信された低光レベルビーム82は、送信機内の被変調
フィルタ50に対して整合させられた被復調フィルタ94に
進む。この被復調フィルタ94は、後でより詳細に説明さ
れる。各々に参照番号100と102とによって示される光子
の第１と第２の低光レベル出力ビーム96、98を発生させ
る。ビーム96、98は各々に、２つの能動的に抑制された
光子計数アバランシェホトダイオード104、106に進む。
ホトダイオード104は、検出された各々の光子100に対し
て各々の電気パルス108を発生させる。同様に、ホトダ
イオード106は、検出された各々の光子102に対して各々
の電気パルス110を発生させる。電気パルス108、110は
一致計数器92に進む。

さて図３を参照して、一致計数器92が概略的に説明さ
れる。計数器92は、第１と第２の一致ゲート120、122
と、ディジタル減算回路124とを含む。パルス90、108が
第１の一致ゲート120の中に入り、各々の一致が計数さ
れる毎にパルス126が一致ゲート120から出力される。パ
ルス90とパルス108の間の一致率が高い周期は、ディジ
タル信号52における２進数「０」レベルである。パルス
90、110が第２の一致ゲート122の中に入り、各々の一致
が計数される毎にパルス128が一致ゲート122から出力さ
れる。パルス90とパルス110の間の一致率が高い周期
は、ディジタル信号における２進数「１」レベルであ
る。パルス126、128はディジタル減算回路124に進む。
回路124はパルス126、128の各々の率を測定し、パルス1
28の率からパルス126の率を減算する。識別レベルはゼ
ロに設定され、従って、減算された一致率が正である時
には、２値数「１」が生成され、減算された一致率が負
である時には、２値数「０」が生成される。これは、復
号されたディジタル出力信号112を生成する。

さて図４を参照して、送信機12で使用されるような被
変調フィルタ50が概略的に説明され、図４の図１と共通
の部分には同一の参照番号が付されている。被変調フィ
ルタ50は、不等の光路長を有するマッハ・シェンダー
（MZ）干渉計である。このMZ干渉計50は入力ビームスプ
リッタ150と出力ビームスプリッタ152を有する。MZ干渉
計50を通過する第１の光路154は、ビームスプリッタ15
0、152の間の直接の長さL₁の光路である。第２のMZ干渉
計光路156は、２つの鏡158、160を経由して出力ビーム
スプリッタ152に延び、その長さはL₂である。第２の光
路156は第１の光路よりも長さ（L₂−L₁）＝Ｐだけ長
く、このＰは光路差である。第２の光路156は、変調器
ドライバ164によって起動される電気光学位相変調器162
を含む。入力ディジタル信号52は、変調器ドライバ164
によって、変調器162のための制御信号に変換される。

電気光学変調器162が、第２の光路156の光路長L₂を変
えるために使用される。ディジタル信号52は２進数
「０」レベル52aと２進数「１」レベル52bとを各々に有
する。ディジタル信号52が０である時には、第２の光路
長はL₂のままである。ディジタル信号52が１である時に
は、第２の光路長はL₂＋δｘに増大させられる。従っ
て、光路差はＰ＋δｘになる。

光子42は被変調フィルタに38において入る。光子42
は、光路154をとる部分42aと光路156をとる部分42bとに
分けられる。出力ビームスプリッタ152において、部分4
2aと部分42Bの各々が、部分的に反射され、部分的に透
過される。その結果として、被変調の低光レベルビーム
54は、部分42aの透過成分と部分42bの反射成分との合計
となる。第２の被変調低光レベルビーム168も、部分42a
の部分反射と部分42bの部分透過とによって形成され
る。しかし、第２のビーム168はこの実施例では使用さ
れない。MZ干渉計50は余弦曲線フィルタとして働き、そ
の第１の出力強度関数I₁（ω）と第２の出力強度関数I₂
（ω）は次式によって与えられ、 I₁（ω）＝I₃₈（ω）［１＋cos（ωP/c）］/2 （４） I₂（ω）＝I₃₈（ω）［１−cos（ωP/c）］/2 （５）前式中でI₃₈（ω）は、角振動数ωに応じたビーム38の
強度であり、Ｐは上記で定義された光路差であり、ｃは
光の速度である。光路差Ｐは、レーザ18のコヒーレンス
長よりも小さく、且つビーム38、36のコヒーレンス長よ
りも大きい。

さて図５では、被変調フィルタ50の伝送特性が、第１
の出力強度関数と第２の出力強度関数の形でグラフとし
て示される。第１の出力強度関数I₁（ω）と第２の出力
強度関数I₂（ω）とは、帯域幅２δωに亙って等しい合
計強度を伝送するが、共役スペクトル形態を示す。言い
換えれば、これらの関数は中心振動数ω_１に関して互い
の鏡像である。ディジタル信号52が２進数「０」であ
り、且つ光路差がＰである時には、ビーム54は、図5a）
に示されるI₁（ω）によって与えられる第１の出力強度
関数を有する。ビーム168は、図5b）に示される共役の
スペクトル出力強度関数I₂（ω）を有する。実際には、
出力強度関数I₂（ω）と出力強度関数I₂（ω）は、振動
数帯域幅２δωに亙って、図５に示される縞よりも多く
の縞を有し、典型的には約100つの縞を有する。

光子42は、ω_１〉〉δωの場合に振動数帯ω_１±δω
を有し、光路156の長さにおける変化δｘは、δｘ＝π
／ω_１であるように調整される。従って、ディジタル信
号52が２進数「１」であり、且つ光路差がＰ＋δｘであ
る時には、ビーム54は出力強度関数I₂（ω）を有し、ビ
ーム168が出力強度関数I₁（ω）を有する。従って、光
路長の変化δｘは、ビーム54とビーム168の間での出力
強度関数I₁（ω）とI₂（ω）との交換を引き起こす。従
って、ビーム54は、被変調フィルタ50の伝送特性の２つ
の二者択一状態の間のスイッチングによってディジタル
信号52を搬送する。信号52がゼロである時には、ビーム
54はI₁（ω）で表される振動数スペクトルを有し、一
方、信号52が１である時には、ビーム54はI₂（ω）で表
される振動数スペクトルを有する。Ｐδω/c≫１である
ならば、強度関数I₁（ω）、I₂（ω）の交換は、ビーム
54の平均強度を変化させない。条件Ｐδω/c≫１は、Ｐ
がビーム36、38のコヒーレンス長より大きい時に満たさ
れる。

さて図６を参照して、受信機14で使用される被復調フ
ィルタ94が概略的に説明される。被変調フィルタ50と共
通の部分は、星印が付与された同一の参照番号で示され
ている。被復調フィルタ94は、通信信号変調が存在しな
い時に、即ち、被変調フィルタの休止中に、被変調フィ
ルタ50と整合させられる。従って、第１の光路154^＊が
長さL₁であり、第２の光路156^＊が長さL₂であり、光路
差が（L₂−L₁）＝Ｐによって与えられる。被復調フィル
タ94が被変調フィルタ50と整合させられるが故に、その
フィルタ関数も方程式４、５によって与えられる。従っ
て、光子40の対の帯域幅ω_１δωの各々に亙って、ビ
ーム98が強度関数I₁（ω）を有し、ビーム96が強度関数
I₂（ω）を有する。被復調フィルタ94は基準フィルタと
して働く。

光子毎のエネルギー整合が、各々の相関光子対40、42
の間で必要とされる。即ち、光子42が、帯域幅ω_１δ
ω内において、ω_ａで与えられる特定の角振動数を有す
る場合には、その相関光子40は、帯域幅ω_１δω内に
おいて、ω_ｂで与えられる共役の角振動数を持たなけれ
ばならない（但し、ω_ａ＋ω_ｂ＝ω_０）。従って、ビー
ム54が強度スペクトルI₂（ω）を有する時に、振動数ω
_ａを有する光子42が被変調フィルタ50を通過するなら
ば、振動数ω_ｂを有する受信された相関対光子86が被復
調フィルタ94を通過して、共役強度スペクトルI₂（ω）
を有するビーム96になる。同様に、ビーム54が強度スペ
クトルI₂（ω）を有する時に、光子42が被変調フィルタ
50を通過するならば、受信された相関対光子86が被復調
フィルタ94を通過して、共役強度スペクトルI₁（ω）を
有するビーム98になる。一般的に、通信信号52が存在し
ない時に、ビーム96又はビーム98のどちらか一方（両方
ではない）を生じさせる被復調フィルタ94の伝送特性
が、ビーム54を生じさせる被変調フィルタ50の伝送特性
と共役であるならば、被復調フィルタ94の伝送特性が被
変調フィルタ50の伝送特性と共役である。

送信機によってろ波された光子56の各々が、（素子58
〜88によって）一致計数器92に進む電気パルス90を生じ
させる。ビーム96中の受信ろ波光子100の各々は、一致
計数器92に進む電気パルス108に結果する。電気パルス9
0と電気パルス108との間に高い一致率がある場合には、
これは、送信機によってろ波された光子56がI₁（ω）の
スペクトル形態を有するということ、従って、ディジタ
ル信号52が２進数「０」であることを示す。

同様に、送信機ろ波光子56が、スペクトル形態I
₂（ω）を有する時には、受信された相関対光子86が共
役強度スペクトルI₁（ω）を有し、従って、被復調フィ
ルタ94を通過してビーム98になるだろう。光子56は電気
パルス90に結果し、ビーム98中の光子102は電気パルス1
10に結果する。パルス90、110は一致計数器94に進む。
パルス90、110の間に高い一致率がある時には、このこ
とは、送信機ろ波光子56がスペクトル形態I₂（ω）を有
し、従って、ディジタル信号52が２進数「１」であるこ
とを示す。

さて、図７を参照して、システム10のためのタイミン
グ図が説明される。一連のグラフ200〜216では、振幅が
時間に対してプロットされている。送信されるべき２進
数ディジタル信号52が、第１のグラフ200に示されてい
る。グラフ202〜210と、グラフ214〜216は、垂直線とし
て各々の電気パルスを示す。第２、第３、第４のグラフ
202〜206は、各々に一致計数器92に入力される光検出パ
ルス90、110、108のタイミングを示す。第５のグラフ20
8は、パルス90とパルス110との間の一致の発生時に一致
計数器92内で生成される電気パルスを示す。これらの一
致の最初の６つは、グラフ204からグラフ208に延びる点
線209のような点線で示される。同様に、６番目のグラ
フ210は、パルス90とパルス108との間の一致の発生時に
一致計数器92内で生成される電気パルスを示す。これら
の一致の最初の４つは、グラフ202からグラフ206を通っ
てグラフ210に延びる点線211のような点線で示される。
電気パルス90と電気パルス110との間の一致率が高い周
期は、２進数「１」であるディジタル信号52に相当す
る。同様に、電気パルス90と電気パルス108との間の一
致率が高い周期は、２進数「０」であるディジタル信号
52に相当する。従って、出力復号ディジタル信号112
は、これらの一致率の一方をその他方から減算すること
によって得られる。出力復号ディジタル信号112がグラ
フ212に示される。

被復調フィルタ94が、被変調フィルタ50の光路差
（Ｐ）とは異なる光路差Ｐ′によって特徴付けられる場
合には、フィルタ特性が変化させられる。差（Ｐ−
Ｐ′）が、低域変換された光子40、42のコヒーレンス長
よりも短い場合、即ち、｜（Ｐ−Ｐ′）δω｜≪２πの
場合には、その帯域幅に亙って変化は小さく、信号52の
損失は無視できる。差（Ｐ−Ｐ′）がそのコヒーレンス
長よりも長い場合、即ち、｜（Ｐ−Ｐ′）δω｜≫２π
の場合には、フィルタ50とフィルタ94は光帯域幅２δω
全体に亙って何度も位相の一致と不一致を繰り返し、信
号52が失われる。この状況が図６の第８のグラフ214と
第９のグラフ216に示され、これらのグラフでは、垂直
線が、パルス90とパルス110との間の一致の発生時と、
パルス90とパルス108との間の一致の発生時の各々にお
いて、一致計数器92内で生じさせられる電気パルスを表
す。当然のことながら、計数される一致にはパターンは
ない。相関光子ビーム36、38のコヒーレンス長は小さ
く、典型的には100μｍ未満である。従って、フィルタ5
0の光路長Ｐとフィルタ94の光路差Ｐ′を整合させるこ
とが重要である。

このシステムは、特定の帯域幅の信号をサポートする
ことも可能であり、この帯域幅は、送信中の損失がある
場合に実際的に得られる一致率C₀によって決定される。
利得が使用可能であるが故に、巨視的パルス光路におけ
る信号損失を無視できるようになる。従って、巨視的パ
ルス光路における信号損失がゼロであると仮定すると、
次式が得られることが可能であり、 C₀＝η_Ｔη_Ｒη_trr （６）前式中でη_Ｔとη_Ｒは、送信機光子計数検出器58及び受
信機光子計数検出器104、106の各々における収集と検出
の量子効率（quantum efficiency）であり、η_trは低光
レベルビーム36、82による集中送信効率（lumped trans
mission efficiency）であり、ｒは結晶体20における初
期対光子率（initial pair photonrate）である。信号
を最大にするために、パルス90とパルス108との間の一
致率と、逆相であるパルス90とパルス110との間の一致
率との両方が測定され、減算される。変調器162が位相
差πを生じさせるように構成されている時には、２進数
「１」ビットと２進数「０」ビットとの間の差一致率変
調（difference coincidence rate modulation）C₀/2が
確保される。例えば、ビット１つ当たり10の差一致が必
要とされ、η_Ｔ＝η_Ｒ＝10％であり、η_tr＝10％であ
り、且つ１秒当たり10,000ビットの最大ボーレートであ
る場合には、ｒ＝２×10⁸s^-1の相関対光子率が必要とさ
れる。バックグラウンド光と検出器暗計数（detector d
ark count）を無視すれば、偶然一致率Ｂが次式で与え
られ、Ｂ＝η_Ｔη_Ｒη_trr²t （７）前式中でｔは、第１のパルスの開始と、その一致が記録
されるであろう第２のパルスの開始との間の最大遅延と
して定義される、一致ゲート幅である。無視できる偶然
一致率Ｂを得るためには、即ち、Ｂ＜C₀であるために
は、rt＜１であることが必要であり、上記の例では、ｔ
＜5nsであることが必要である。

低光レベルビーム36と巨視的ビーム68が送信のために
組み合わされることがないシステム10の別の実施例（図
示されていない）が構成されることも可能である。この
実施例では、偏光ビームスプリッタ48と二色性ビームス
プリッタ78とが省略され、第２の集束レンズが受信機14
への入力に必要とされる。巨視的ビーム68が第１の集束
レンズ76を経由して受信機14の中に入る。低光レベルビ
ーム36が第２の集束レンズを経由して受信機14の中に入
り、被復調フィルタ94に進む。このシステムはシステム
10と同一の仕方で動作する。

更に別の実施例（図示されていない）は、被変調フィ
ルタ50からの第２の出力ビーム168の使用を含む。この
第２の出力ビーム168は、第１の出力ビーム54と同様の
仕方で取り扱われ、第２の巨視的ビームとして伝送さ
れ、その結果として、パルス90に類似しているがパルス
90とは逆相である第２の組のパルスを与える。第２の組
のパルスは一致計数器92に入り、これらの第２の組のパ
ルスとパルス108、110との間の一致が計数される。第２
の組のパルスとパルス108との間の高い一致率は、２進
数「１」であるディジタル信号52に相当する。同様に、
第２の組のパルスとパルス110との間の高い一致率は、
２進数「０」であるディジタル信号52に相当する。第２
の出力ビーム68の使用は、それが搬送する情報が第１の
出力ビーム54によって搬送される情報と共役であるが故
に、追加の情報を全くもたらさない。しかし、第２の出
力ビーム68の使用は、そのシステムのSN比を増大させ、
従って、より長い通信距離に亙って、又は、より劣悪な
条件下で、そのシステムを使用することを可能にする。

通信システム10の更に別の実施例（図示されていな
い）が、振動数に対して高感度であるように構成される
ことも可能である。即ち、フィルタ50、94が、光路差Ｐ
の交替によって、異なった整合特性に周期的にスイッチ
ングされることも可能である。従って、各々の相関光子
対の処理のために、フィルタ50、94が整合させられ、ス
イッチングが１つの光子対とその次の光子対との間で生
じる。この処置は、フィルタ50、94の光伝送特性に対し
て同一の変調を与えることに相当し、この変調は、一致
計数方法で検出される信号を無影響のままに保つ。適正
な動作の規準とは、受信機14が光子86を受け取る際に、
被復調フィルタが、相関光子対42がろ波された時に上記
で定義された条件で被変調フィルタ50に整合させられな
ければならないということである。従って、被復調フィ
ルタ94の伝送特性が相関光子対の各々に関して被変調フ
ィルタ50の伝送特性に整合したままである限りは、被復
調フィルタ94の伝送特性は変化することが可能である。

周波数に対する高感度性は、フィルタ50を通過する第
１の光路154とフィルタ94を通過する第１の光路154^＊と
の中に各々に電気光学変調器を挿入することによって与
えられることも可能である。これらの変調器が同じよう
に作動させられ且つ同じタイプであるならば、フィルタ
50とフィルタ94とにおいて有効光路長の同一の変化が生
じる。従って、フィルタ50とフィルタ94は、異なった整
合特性に変化させられるであろう。そうした変化は、信
号52の中に挿入されたコードに応答して又は予め決めら
れた間隔で生じるように設定されることも可能である。

上述の実施例は、別の構成要素を有する。次の代案が
一例として示される。レーザ28と非線形結晶体20とがカ
スケード原子源によって置き換えられてもよい。適切な
カルシウムカスケード原子源が、Physical Review Lett
ers,Vol.28,pp.939においてFreedmanとClauserによって
論述されている。このカスケード原子源は、波長λ_１＝
551.3nmを有する光子と波長λ_２＝422.7nmを有する光子
との光子対を生じさせる。フィルタ50とフィルタ94との
中の互いに整合されたMZ干渉計は、同調可能なモノクロ
メータ、又は、狭い通過帯域を有する回転可能な干渉フ
ィルタによって置き換えられることが可能である。送信
機12と受信機14との間の、光ビーム72又は36と光ビーム
68又は36、巨視的ビーム68と第２の巨視的ビームの伝送
は、適切な結合レンズを有する光ファイバに沿って行わ
れてもよい。

更に別の実現可能な代案は、使用される光の波長と、
その結果としての光ビームの取扱いとにある。システム
10は、それらのビーム36、68を二色性ビームスプリッタ
78によって受信機14内で分離するのに十分なだけ波長が
互いに相違している低光レベルビーム36と巨視的ビーム
68とを有する。システム10は、ビーム36、68が同一の波
長を有し、且つビーム36、68が偏光ビームスプリッタに
よって受信機内で分離されるように、構成されることも
可能である。説明の例では、これは、波長830nmのレー
ザダイオードでレーザダイオード64を置き換えることに
よって実現可能である。ビーム36、68の波長も、アパー
チャ32、34の位置を変化させることによって変えられる
ことが可能であり、従って、光子エネルギーが選択され
ることが可能である。

これまでに説明されてきた本発明の実施例は、ディジ
タル信号を取り扱うことが可能であった。本発明の実施
例は、アナログ信号を取り扱うことが可能であるように
構成されることも可能である。

さて、図８では、光路差に応じたパルス90とパルス10
8との間の一致率の変化が曲線220によってグラフに示さ
れている。この変化は正弦曲線状である。システム10で
は、ディジタル信号52を送信する場合に、グラフの点22
2と点224との間で、変調器162によって光路差が変化さ
せられる。点224は被変調フィルタ50の被復調光路差Ｐ
を表し、従って、ディジタル信号52が２進数「０」であ
る時の光路差である。点222は被変調フィルタ50の被変
調光路差Ｐ＋δωを表し、従って、ディジタル信号52が
２進数「１」である時の光路差である。従って、信号レ
ベルが変わるにつれて、一致率が最大値と最小値の間で
切り替わる。

アナログ信号の伝送のためには、点226と点228とによ
って範囲が限定される周期のような1/4周期内で働くよ
うに、そのシステムが設計される。その光路差は、その
示された範囲内で、アナログ信号レベルの変化に応じて
変化するだろう。1/4周期（226〜228）の中央の点230
は、このシステムでは被復調光路差Ｐであり、その結果
として、２つの一致ゲート120、122における等しく且つ
一定不変の一致率が得られる。変調器162に加えられる
アナログ信号は、前記範囲内で光路差を連続的に変化さ
せ、従って、ゲート120、122において一致率を変調す
る。この実施例では、ディジタル回路124が、復号され
たアナログ信号を生成する適切なアナログ減算回路によ
って置き換えられる。

本発明の上記の実施例の各々は、１ビットの情報を搬
送するために複数の光子対を使用する。しかし、これら
の実施例は、１ビットが単一の光子対によって搬送され
るように機能させられることも可能である。例えば、シ
ステム10は、単一の光子対40、42によって搬送される各
々のビットによって機能させられることも可能である。
従って、パルス90とパルス108との間の単一の一致が２
進数「０」を表し、パルス90とパルス110との間の単一
の一致が２進数「１」を表す。当然のことながら、送信
中の何らかの損失はビットの損失に結果する。しかし、
そうした損失は、殆どの場合、低光レベルチャネル内の
光子40の損失である。そうした状況で、関連付けられた
タイミングパルス84が依然として受信されるだろうが、
そのタイミングパルス84は、一致する光子100又は102を
含まない。従って、その送信の受信者は、損失ビットに
気づくであろうし、そのタイミングを有するビットの損
失を送信者に連絡することが可能である。その損失ビッ
トの内容が送られないが故に、この連絡は従来の手段に
よって行われるであろう。その後で、そうした損失ビッ
トが再送信されることが可能である。この代わりに、同
一のビットが再び失われるだろうとは考え難いが故に、
その送信全体が再び繰り返されてもよく、その後で、メ
ッセージ全体が２つ以上の受信された送信内容から組み
立てられることも可能である。システム10に適切な回路
構成部分を追加することによって、この処理全体が自動
化されることも可能である。

しかし、当初の送信の目的が暗号解読キーを配送する
ことである場合には、再送信は不必要である。即ち、そ
の送信の受信者が、どのビットが受信されたかをその送
信者に通報し終われば、送信者と受信者の両方が、彼ら
の両方が知っているのはどのビットかを認識している。
当初の送信は、暗号解読キーを形成するに足りる受信の
成功を可能にするのに十分な過剰ビットを含まなければ
ならない。この場合には、暗号解読キーは、送信に成功
したビットだけに基づく。受信されなかったビットは、
そのビットの送信者によって単に放棄される。

厳密に言えば、ビット１つ当たり１つの光子対を用い
て通信が行われるためには、次の規準が満たされるべき
である。送信機フィルタ50の変調は、受信機フィルタ94
から出力される光子の100％の変調を生じさせるような
変調であるべきである。即ち、その変調は、図８におけ
る点222と点224によって示されるような最大一致率と最
小一致率との間でのスイッチングに相当しなければなら
ない。最小一致率がゼロであるためには、検出器58、8
8、104、106と一致計数器262との時間分解能は、MZ干渉
計50、94の光路差に相当する距離を光子が進むのに要す
る時間よりも短くなければならない。しかし、実際に
は、そのシステムの不完全性が変調の100％の可視性を
妨げるであろうし、従って、エラーが生じるであろう。
反復送信は、エラーを補償するためにエラー訂正コード
が使用されることが可能であるレベルまで、エラーを減
少させる。

上記の規準の故に、ろ波手段の全てが、ビット１つ当
たり１つの光子対を用いる通信システムでの使用に適し
ているというわけではない。適切なフィルタの一例は、
マッハ・ツェンダー干渉計である。

さて図９を参照して、本発明の更に別の光通信システ
ム250が概略的に説明される。システム250はビット１つ
当たり１つの光子対を使用し、暗号解読キーの送信に適
しているが、送信前に知られているデータの送信には適
していない。このシステムは、盗聴者を発見することが
可能な方法も含む。システム10と共通の部品は、プライ
ム記号が上書きされた同一の参照番号で示される。シス
テム250の部分の大部分は、システム10と共通である
が、しかし、次で説明される幾つかの相違点がある。

送信機の被変調フィルタ50′は、２つの出力54′、16
8′を有する。出力54′は検出器58′に進み、この検出
器58′は各々の入射光子56′を検出し、対応する電気パ
ルス256を出力する。電気パルス60′、256の両方が、レ
ーザダイオード64′を制御するレーザダイオード変調器
62′に入力される。レーザダイオード64′は、各々のパ
ルス60′と各々のパルス256とに対応する光パルス66′
を出力する。従って、各々の光出力56′各々の光子254
に対して、光パルス66′が発生させられる。

受信機14′は、被復調フィルタの代わりに被変調フィ
ルタ258を有する。被変調フィルタ258は被変調フィルタ
50に類似している。被変調フィルタ258は入力ディジタ
ル信号260によって変調される。受信機14′は、一致計
数器92とは幾分か異なった仕方で働くマルチチャネル一
致計数器262も含む。

光通信システム250は次のように動作する。多くの点
でシステム250はシステム10と同様の仕方で動作し、こ
うした側面については再び説明されることはない。シス
テム10の動作と異なるシステム250の動作の側面が次で
説明される。

送信機に入力されるディジタル信号52′は、３つの電
圧レベルの間でランダムに変化している。これらの電圧
レベルが、３つの異なった送信機フィルタ位相差（一括
してφ_ｔと呼ばれる）を生じさせ、これらは次の通りで
ある。

φ_t1＝0,φ_t2＝π/4,φ_t3＝π/2 各々の光子42′は、その各々の時点で能動的である位
相差φ_t1、φ_t2又はφ_t3に従ってろ波され、場合に応じ
て光子56′としてビーム54′の形か、又は、光子254と
してビーム168′の形で現れる。光子56′、254は上記の
通りに検出され、光パルス66′がタイミング信号として
発生させられる。即ち、各々の光パルス66′が光子56′
又は光子254のタイミングを表す。これは受信機14′に
進み、受信機14′内では、電気パルス90′が光子56′又
は光子254のタイミングを表す。

送信機は、後の使用のために、光子56′、254全ての
記録をそのタイミングと共に保存しなければならない。

受信機ディジタル入力信号260も、３つの電圧レベル
の間でランダムに変化する。これらの３つの電圧レベル
が、３つの異なった送信機フィルタ位相差（一括的にφ
_ｒと呼ばれる）を生じさせ、これらの位相差は次の通り
である。

φ_r1＝−π/4,φ_r2＝0,φ_r3＝π/4 各々の光子86′は、その各々の時点で能動的である位
相差φr₁、φr₂又はφr₃に従ってろ波され、場合に応じ
て光子100′としてビーム96′の形で、又は、光子102′
としてビーム98′の形で現れる。光子100′と光子102′
が検出され、対応する電気パルス108′、110′の各々が
発生される。

電気パルス90′、108′、110′は一致計数器262に進
む。パルス90′とパルス108′の間の一致と、パルス9
0′とパルス110′の間の一致とが記録される。

パルス90′は光子56′と光子254の両方を表す。従っ
て、パルス90′とパルス108′の間の一致は、光子56′
と光子100′の間の一致と光子254と光子100′の間の一
致とを表す。同様に、パルス90′とパルス110′の間の
一致は、光子56′と光子102′の間の一致と光子254と光
子102′の間の一致とを表す。理想的な装置では、即
ち、非効率的な検出器等に起因する損失を伴わない装置
では、いずれかの２つの光子の間の一致の蓋然性は次式
で与えられる。

Ｐ（56′−100′）＝Ｐ（254−102′）＝1/4（１＋cos（φ_ｔ＋φ_ｒ））、（8a）Ｐ（56′−102′）＝Ｐ（254−100′）＝1/4（１−cos（φ_ｔ＋φ_ｒ））、（8b）上式中でφ_ｔは値φ_t1、φ_t2又はφ_t3をとることが可能
であり、φ_ｒは値φ_r1、φ_r2又はφ_r3をとることが可能
である。

相関計数Ｅはこれらの蓋然性から次のように定式化さ
れることが可能であり、Ｅ（φ_t,φ_ｒ）Ｐ（56′−100′）＋（254−102′）−Ｐ（56′−102′） −Ｐ（254−100′）＝cos（φ_ｔ＋φ_ｒ）、（９）前式中でφ_ｔとφ_ｒが上記の通りの値をとることが可能
である。相関計数Ｅ＝−１である時に、送信者と受信者
が情報を共有することが可能である。

説明を分かり易くするために、ビットを送信する人間
が「送信者」と呼ばれ、受信する人間が「受信者」と呼
ぶ。

記録された一致を翻訳するために、送信者と受信者は
更に情報を交換しなければならない。これは、通常の通
信チャネルによって行われることが可能である。最初
に、送信者と受信者は、個々の位相差がその間に能動的
であった持続時間について互いに知らせ合わなければな
らない。これは、入力ディジタル信号52′、260の各々
を交換することによって行われることが可能である。こ
れに加えて、受信者は、観測された一致のタイミング
（どの光子が一致しているかという情報は含まない）を
送信者に知らせなければならない。

従って、送信者と受信者の各々は、ａ）一致計数器26
2で観測された一致のタイミングと、ｂ）各々の一致の
時点で能動的である両方の位相差φ_ｔ、φ_ｒと、ｃ）適
切な光子が、送信者のフィルタ50′又は受信者のフィル
タ258の何方のチャネルから生じたかを知っている。送
信者と受信者の各々は、相手方の一致光子が相手方のフ
ィルタ258又はフィルタ50′の何方のチャネルから生じ
たかを知らない。

値φ_ｔとφ_ｒの組合せは可能な限り９つあり、これら
の組合せが次の表１に示されている。

従って、φ_ｔ＋φ_ｒ＝０であり、従ってＥ＝−１であ
る時には、上記の表１では２つの組合せ（２、４）があ
る。従って、これらの組合せが能動的である持続時間中
は、情報が送信者と受信者とによって共有される。これ
らの持続時間中の一致は全て、送信前に設定された規定
に従って、２進数「０」又は２進数「１」のどちらかを
表す。例えば、光子56′が一致に含まれているならば、
その一致は２進数「０」を表し、一方、光子254を含む
一致は２進数「１」を表す。同様に、しかし受信者の視
点から見て、光子100′が一致に含まれるならば、その
一致は２進数「０」を表し、一致が光子102′を含むな
らば、その一致は２進数「１」を表す。

従って、ランダムビット112′が送信者と受信者の両
者に知られるように、一連のランダムビット112′がも
たらされ、これらのランダムビット112′は暗号解読キ
ーとして使用されることが可能である。

システム250は、盗聴者が発見されることが可能なよ
うに作られ、この側面が次に説明される。既に説明され
たように、位相差の組合せがφ_ｔ＋φ_ｒ＝０であるよう
な組合せである時には、情報が送信者と受信者によって
共有されることが可能である。位相差の組合せがφ_ｔ＋
φ_ｒ≠０であるような組合せである時には、フィルタ5
0′とフィルタ258は十分には相関付けられず、２進数ビ
ットの形の情報が送信者と受信者によって共有されるこ
とが不可能である。しかし、盗聴者を発見するために、
φ_ｔ＋φ_ｒ≠０の時に記録される一致が、統計学的に解
析されることが可能である。これは、Bellの不等式を使
用して行われる。盗聴者によって傍受されない場合に対
光子がそうであるように、対光子の波動関数Ｓが機械的
にからみ合っている量子である時には、次式によって表
される関数Ｓは値を有する。

Ｓ（φ_t,φ_ｒ）＝Ｅ（φ_t1,φ_r1）＋Ｅ（φ_t1,φ_r3）＋Ｅ（φ_t3,φ_r1）＋Ｅ（φ_t3,φ_r3）（10）しかし、光子が傍受され、測定され、そのファクシミリ
が再送信される場合には、量子の機械的からみ合いが破
られる。この場合には、関数Ｓの値が常に２未満である
ことが、J S Bell（Physics（NY）１,195,（1965））に
よって証明されている。従って、通信の終了時に関数Ｓ
が計算される場合に、その通信が盗聴者によって傍受さ
れたか否かが明らかにされることが可能である。

送信される光ビーム全てが傍受される時にさえ、上記
の本発明の実施例の全ては安全である。システム10を詳
細に見ると、１つの光ビーム72が伝送される。ビーム72
は、波長826.8±5nmの光子40と、波長1.5μｍの巨視的
ビーム66とから成る。各々のパルス66は一致光子40を有
するが、その逆は真ではない。一致パルス66を持たない
光子40は、その光子の帯域幅全体に亙って広げられる。
パルス66の中には２進数「０」を表すものもあり、２進
数「１」を表すものもある。これらのパルス66によって
搬送される信号52を復号するための唯一の方法は、送信
機12内のフィルタ50に整合させられたフィルタの中を光
子40を通過させることである。従って、複合ビーム72が
傍受される場合には、そのビーム72は比較的容易にその
構成要素部分に分解されるが、その解読は不可能であ
る。光子40とパルス66のタイミングとスペクトルの詳細
な解析さえ、信号52を露呈させないだろう。本発明のそ
の他の実施例においても信号52が同一の仕方で搬送され
るが故に、そうした実施例に対しても同様の論理が当て
はまる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラリテイ，ジヨン・ギルロイイギリス国、ウスターシヤー、ダブリユ・アール・14・３・ピー・エス、マルバーン、セント・アンドリユース・ロード、エレクトロニクス・デイビジヨン、デイフエンス・リサーチ・エージエンシー（番地なし) (72)発明者タプスター，ポール・リチヤードイギリス国、ウスターシヤー、ダブリユ・アール・14・３・ピー・エス、マルバーン、セント・アンドリユース・ロード、エレクトロニクス・デイビジヨン、デイフエンス・リサーチ・エージエンシー（番地なし) (56)参考文献特開昭58−82396（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2094593（ＧＢ，Ａ) Ｈｏｎｇｅｔａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔｐｈｏｔｏｎｐａｉｒｓ，ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，米国，1985年11 月15日，Ｖｏｌ．24，Ｎｏ．22，ｐ3877 −3882 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ第１と第２の光子ビームチャネル
（38、36）中を伝送され、相互に共役のエネルギーを有
する、該第１と第２の光子ビーム（42、40）の発生源を
含む送信機（12）と、（ｉ）受信された光子の間の一致を計数するように構成
された一致計数手段（92）と、（ii）一致計数率の変化に応答し且つ通信信号（112）
を与えるように構成された識別手段（124）とを含む受
信機（14）とを有する光通信システム（10）であって、前記送信機（12）は、（ａ）第１の光子ビームチャネル（38）内に配置され、
送信機信号入力（52）に応じた変調可能なスペクトル分
散特性を有し、当該特性に従って前記第１の光子ビーム
（42）を変調することにより出力を生成する送信機ろ波
手段（50）と（ｂ）前記送信機ろ波手段の前記出力に応答してタイミ
ング信号（60）を生成する手段とを含むとともに、（ｃ）前記送信機から前記受信機にタイミング信号およ
び第２の光子ビームを送信するよう構成されており、前記受信機（14）は、送信器信号入力が存在しない時の
前記送信機ろ波手段（50）のスペクトル分散特性に対し
て共役であるスペクトル分散特性を有し、且つ、受信し
た第２の光子ビーム（86）のスペクトル特性に基づい
て、異なる受信機チャネル（96、98）に受信した第２の
光子ビーム（86）を分けるよう構成された受信機ろ波手
段（94）を含み、前記一致計数手段は、タイミング信号（84）の到来と、
受信機チャネル（96、98）の少なくとも一方のチャネル
からの光子の到来との一致を計数するように構成されて
いることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】（ａ）前記受信機ろ波手段（94）が、その
一方が前記スペクトル分散特性を有し且つその他方が前
記スペクトル分散特性に対してスペクトル的に共役であ
るスペクトル分散特性を有する２つのフィルタチャネル
（154、156）を有し、前記受信機ろ波手段（94）が、共
役スペクトルを別々の２つの光子ビーム（96、98）に与
えるように構成され、（ｂ）前記一致計数手段（92）が、共役な前記２つの光
子ビーム（96、98）の到来と前記タイミング信号（90）
の到来との間の一致率の各々を計数するように構成され
ていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】前記システムが、ディジタル２進信号（5
2）を送信するように構成され、（ａ）前記ディジタル信号（52）に応じて２つの共役な
スペクトル分散特性の間で前記送信機ろ波手段（50）を
スイッチングするための手段（162、164）を含み、（ｂ）受信機識別手段（124）が、共役な前記２つの光
子ビーム（96、98）の到来と前記タイミング信号（90）
の到来との間の２つの前記一致率の変化に応答し、且つ
通信信号（112）を与えるために一方の一致率から他方
の一致率を減算するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】（ａ）前記送信機ろ波手段（50）が、一方
の干渉計アームに電気光学変調器（162）を含むマッハ
・ツェンダー干渉計であり、（ｂ）前記受信機ろ波手段（94）が、前記変調器（16
2）が休止中である時に、前記送信機ろ波手段（50）内
の対応する光路長に等しい光路長を有するマッハ・ツェ
ンダー干渉計であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載
のシステム。
【請求項５】（ａ）前記システムが、光子対（40、42）
１つ当たり１つのビットの通信を行うように構成され、（ｂ）前記送信機ろ波手段（50）と前記受信機ろ波手段
（94）とが、前記送信機ろ波手段の適切な変調が前記２
つの一致率の実質的に100％の変調を生じさせるように
使用されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】（ａ）送信機ろ波手段（50′）が２つのフ
ィルタチャネル（54′、168′）を有し、（ｂ）受信機ろ波手段（258）が受信機信号入力（260）
に応じた変調可能なスペクトル分散特性を有し、（ｃ）前記送信機ろ波手段（50′）と前記受信機ろ波手
段（258）の各々が、ランダムな送信機入力信号（5
2′）又は受信機入力信号（260）に応じた、各々に予め
決められた少なくとも３つの位相差の間における変調の
ために使用され、送信機位相差と受信機位相差との組合
せの少なくとも１つの組合せが、２つの一致率の実質的
に100％の変調を与えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】前記送信機ろ波手段（50′）と前記受信機
ろ波手段（258）の両方が、その一方の干渉計アームに
電気光学変調器を各々が含むマッハ・ツェンダー干渉計
であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】単一ビームとしての送信のために前記タイ
ミング信号と第２の送信機チャネル光子ビームとを組み
合わせるための手段（48）を含むことを特徴とする請求
項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】自由空間を介して前記送信機から前記受信
機に前記タイミング信号と第２の送信機チャネル光子ビ
ームとを送信するための手段を含むことを特徴とする請
求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】前記送信機から前記受信機に前記タイミ
ング信号と第２の送信機チャネル光子ビームとを送信す
るための１つ以上の光ファイバを含むことを特徴とする
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】前記相関光子対の発生源が、ポンプレー
ザ（18）と、非線形結晶体（20）と、適切に位置決めさ
れた２つのアパーチャ（32、34）とを含むことを特徴と
する請求項１から10のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】前記相関光子対の発生源がカスケード原
子源であることを特徴とする請求項１から９のいずれか
一項に記載のシステム。