JP4304298B2 - 通信システム及びその同期方法 - Google Patents
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Description
1)送信器において、受信器から送られた光パルスP2をパルスに合わせて変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる;
2)受信器において、送信器から反射されてきた光パルスP1を変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる;および
3)受信器で光パルスを受信する時、光検出器に印加するバイアスを受信光パルスに合わせる(ガイガーモードでの超高感度受信)。
図1は本発明の第1実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器10と受信器20とが量子チャネル51および古典チャネル52を含む光ファイバ伝送路5により接続されている。量子チャネル51と古典チャネル52とは同一伝送路(光ファイバ伝送路5)上の別波長のチャネルである。
(構成)
次に、上記第1実施形態による通信システムをPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムに適用した一例を詳細に説明する。ただし、Plug&Playシステムの基本的な構成および動作は、図11を用いて既に説明しているので詳細は省略する。
図3は本発明の第1実施例による量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。まず、送信器10および受信器20の通信制御部(図示せず)はそれぞれ電源オンになると、トレーニングモード切替信号を発生し(ステップS1)、それによって送信側の量子ユニット100および受信側の量子ユニット200はそれぞれトレーニングモードに遷移する(トレーニングモード:ステップS2)。
図4は本発明の第2実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。第2実施例では、装置構成自体は図2に示す第1実施例と同様であるから、以下、第2実施例における送信側および受信側のモード切替動作についてのみ説明する。
図5は本発明の第3実施例による通信システムの構成を示す概略的ブロック図である。なお、図1に示す構成と同一のブロックおよび同一機能部には同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。
図6は本発明の第2実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器10と受信器20とが量子チャネル51および古典チャネル52を含む光ファイバ伝送路5により接続されている。量子チャネル51と古典チャネル52とは同一伝送路(光ファイバ伝送路5)上の別波長のチャネルである。ただし、本実施形態の古典チャネル52は複数のチャネルからなる。
次に、上記第2実施形態による通信システムをPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムに適用した一例を詳細に説明する。ただし、Plug&Playシステムの基本的な構成および動作は、図11を用いて既に説明しているので詳細は省略する。
図7は本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを示すブロック図である。本実施例では、波長λ1の量子チャネル401(図6の量子チャネル51)と、波長λ2およびλ3の同期信号用の古典チャネル402と、波長λ4およびλ5の鍵生成用の古典チャネル403(図6の古典チャネル52)とが用いられる。波長多重分離器601および602は光ファイバ伝送路400(図6の光ファイバ5)を通して接続されている。
図8は本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。まず、送信器10および受信器20の通信制御部71および72はそれぞれ電源オンになると、トレーニングモード切替信号を発生し(ステップS21)、それによって送信側の量子ユニット100および受信側の量子ユニット200はそれぞれトレーニングモードに遷移する(ステップS22)。
送信側の同期部500および受信側の同期部300のそれぞれにおいて位相差がゼロになり遅延素子502および302の遅延量が決定すると、それぞれの通信制御部71および72は鍵生成同期処理へ移行する(ステップS24)。
量子モードは量子チャネル401での光パワーが1photon/bitと非常に微弱なモードである。この量子モード時の微弱な光は、送信器側の量子チャネル401の光減衰器130の減衰量を大きくすることで光パワーを微弱にし、かつ、受信器側のレーザ駆動回路212がレーザLD211を駆動する駆動電流のパルス幅を狭くしてマーク率を下げることによって実現する。受信器側におけるShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスを区別する必要があるからである。量子暗号鍵生成はこの量子モードで行われる。
図9は本発明の第5実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。第5実施例では、装置構成自体は図7に示す第4実施例と同様であるから、以下、第5実施例における送信側および受信側のモード切替動作についてのみ説明する。
本発明の第6実施例による通信システムでは、たとえば図5に示す通信システムのように、クロック同期を同じケーブル中の別の光ファイバ5bを用いて行い、それ以外の送信器10および受信器20の内部構成は図6に示すブロック図と同様である。
2,200 受信側の量子ユニット
3,300 受信側同期部
4,500 送信側同期部
5,5a,5b,400 光ファイバ伝送路
10 送信器
20 受信器
31,41 クロック抽出器
32,42 遅延素子
33,43,303,503 位相比較器
34,305 クロック源
51,401 量子チャネル
52,402、403 古典チャネル
111,221 位相変調器
112,222 変調器駆動回路
113,223 遅延調整回路
120 ファラデーミラー
130 光減衰器
140,301,501、612、621 光電変換器(O/E)
211 レーザ
212 レーザ駆動回路
213 光減衰器
230 PBS
241,242 APD
250 光サーキュレータ
404 Short Path
405 Long Path
406 光カップラ
302,502 遅延素子
307、504 セレクタ
304,505、611、621 電光変換器(E/O)
601,602 波長多重分離器
44、506 鍵生成基準発生部
35、306 鍵生成基準検出部
61、62、610、620 鍵生成制御部
71、72 通信制御部
Claims (19)
- 相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して接続された第1通信装置および第2通信装置を有し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ第1光信号を出力し、前記第1通信装置が前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記第2通信装置へ送信する通信システムにおいて、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第2チャネルを通して前記第2光信号により基準信号を送受信する第1通信手段と、
前記第2通信装置に設けられ、前記基準信号に従った前記第1光信号を前記通常光状態で前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ出力し、前記第1通信装置で折り返えされた前記通常光状態の前記第1光信号を受信する第2通信手段と、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第1チャネルから検出された基準信号と前記第2チャネルから検出された基準信号との間の位相を比較する位相比較手段と、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記位相比較手段の比較結果に基づいて前記第1通信装置および前記第2通信装置の間の同期を確立する同期確立手段と、
前記第1通信装置に設けられ、前記折り返された第1光信号を前記微弱光状態および通常光状態のいずれかに設定する第3通信手段と、
同期確立動作時には前記第3通信手段を前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記微弱光状態の通信モードに切り替える通信制御手段と、
を有することを特徴とする通信システム。 - 前記基準信号はクロック信号であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出されたクロック信号と前記第2チャネルで検出されたクロック信号との位相を合わせるようにタイミングを調整することを特徴とする請求項1に記載の通信システム。
- 前記基準信号は、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルで検出された共有情報生成基準信号との位相を合わせるようにタイミングを調整することを特徴とする請求項1に記載の通信システム。
- 送信側の量子ユニットと受信側の量子ユニットとが、前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ送信する光パワーが1光子/ビット以下の微弱光状態および前記微弱光状態より大きい通常光状態のいずれかの状態で第1光信号を伝送する量子チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する古典チャネルとからなる伝送路で接続され、前記受信側の量子ユニットが前記量子チャネルを通して前記送信側の量子ユニットへ第1光信号を出力し、前記送信側の量子ユニットが前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信システムであって、
前記量子チャネルにおける前記第1光信号の光パワーを前記通常光状態にするトレーニングモードを前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットに指示する手段と、
前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットの間でクロック信号を前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送する手段と、
前記送信側および前記受信側の量子ユニットに設けられ、かつ、前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロック信号と前記古典チャネルのクロック信号との位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立する手段と
を有することを特徴とする通信システム。 - 前記同期を確立する手段は、前記位相比較の結果を基に前記量子チャネルと前記古典チャネルとの波長分散による伝搬遅延差を較正することを特徴とする請求項4記載の通信システム。
- 前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間における前記送信情報を用いた鍵生成時に、前記同期を確立する手段は、前記古典チャネルによる別波長の同期信号を用いてクロック同期を行うことを特徴とする請求項4に記載の通信システム。
- 前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信モード時に比べて、前記トレーニングモード時には前記第1光信号の光パルス幅を広げることを特徴とする請求項4に記載の通信システム。
- 前記クロック同期を行った後に、前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニット間での鍵生成同期を確立する鍵生成同期手段を前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項4に記載の通信システム。
- 前記鍵生成同期手段は、
鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルおよび前記古典チャネルの両方を介して送信する送信手段と、
前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記検出した位相差を補正することによって鍵生成同期を実現する鍵生成制御手段と、
を有することを特徴とする請求項8に記載の通信システム。 - 前記量子チャネルと前記古典チャネルとをそれぞれ異なる光ファイバに設定したことを特徴とする請求項4に記載の通信システム。
- 送信側の量子ユニットと受信側の量子ユニットとが、前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ送信する光パワーが1光子/ビット以下の微弱光状態および前記微弱光状態より大きい通常光状態のいずれかの状態で第1光信号を伝送する量子チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する古典チャネルとからなる伝送路で接続され、前記受信側の量子ユニットが前記量子チャネルを通して前記送信側の量子ユニットへ第1光信号を出力し、前記送信側の量子ユニットが前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する量子暗号鍵配布システムにおける前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期をとる同期方法であって、
前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けられた制御手段が、前記量子チャネルにおける前記第1光信号の光パワーを前記通常光状態にするトレーニングモードを前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットに指示し、
前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けられた通信手段が、前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットの間でクロック信号を前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送し、
前記送信側および前記受信側の量子ユニットに設けられた同期確立手段が、前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロック信号と前記古典チャネルのクロック信号との位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立する、
ことを特徴とする同期方法。 - 前記同期を確立する際に、前記位相比較の結果を基に前記量子チャネルと前記古典チャネルとの波長分散による伝搬遅延差を較正することを特徴とする請求項11に記載の同期方法。
- 前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間における前記送信情報を用いた鍵生成時に、前記同期確立手段が前記古典チャネルによる別波長の同期信号を用いてクロック同期を行うことを特徴とする請求項11に記載の同期方法。
- 前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信モード時に比べて、前記トレーニングモード時には前記第1光信号の光パルス幅を広げることを特徴とする請求項11に記載の同期方法。
- 鍵生成同期手段が、前記クロック同期を行った後に、前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間で鍵生成同期を確立することを特徴とする請求項11に記載の同期方法。
- 前記鍵生成同期手段は、
鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルと前記古典チャネルを介して送り、
前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号の位相差を検出し、
前記検出した位相差を補正することによって実現することを特徴とする請求項15に記載の同期方法。 - 前記送信側および前記受信側における電源投入時に、前記同期確立手段が前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項15に記載の同期方法。
- 前記送信側および前記受信側において障害検出時に、前記同期確立手段が前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項15に記載の同期方法。
- 前記送信側および前記受信側において、前記同期確立手段が、予め設定された所定時間毎に、前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項15に記載の同期方法。
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