JP4748311B2 - 微弱光の光パワー測定方法および装置、それを用いた光通信システム - Google Patents

微弱光の光パワー測定方法および装置、それを用いた光通信システム Download PDF

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Description

本発明は微弱光の光パワーを測定する技術に係り、特に微弱光の光パワーを測定する方法および装置ならびに当該測定方法を用いた光通信システムに関する。
光通信の分野において、量子暗号鍵配布システムは伝送路の高秘匿性を実現するものとして近年盛んに研究されており種々の提案がなされている。
基本的なものとしては、Bennett, Brassardの論文（非特許文献１）に、２通りの基底を用いて送信器および受信器で量子暗号鍵を共有するシステムが提案されている。この提案によれば、送信器において、量子の状態を表す２通りの基底（Ｄ，Ｒ）と２値の乱数データ（０，１）との組み合わせによる計４通りの情報を用いて光子を位相変調し送信する。受信器では、送信器とは独立した基底（Ｄ，Ｒ）で光子を受信して受信データを保存する。その後、通常のチャネルを用いて送信時と受信時の基底が同じであるか否かを検証し、同じ基底の受信データだけから最終的な共有秘密データを決定する。
特に、スイスのジュネーブ大学で提案されたＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システム（非特許文献２）は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の概略的構成を図１７に示す。
図１７に示すように、Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では、量子暗号鍵を受信する受信器に設けられたレーザＬＤが光パルスＰを生成する。光パルスＰは光カプラにより２分割され、一方の光パルスＰ１は短いパス(Short Path)を、他方の光パルスＰ２は長いパス(Long Path)をそれぞれ通ってダブルパルスとして送信器へ送信される。
送信器にはファラデーミラーと位相変調器Ａが設けられ、受信した光パルスＰ１およびＰ２はファラデーミラーで反射することで偏光状態が９０度回転して受信器へ返送される。その際、位相変調器Ａは光パルスＰ２が通過するタイミングで光パルスＰ２を位相変調し、位相変調された光パルスＰ２*aが受信器へ返送される。
受信器の偏光ビームスプリッタＰＢＳは、送信器から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が９０度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスＰ１は長いパスを通り、位相変調器Ｂを通過するタイミングで位相変調され、位相変調された光パルスＰ１*bが光カプラに到達する。他方、送信器で位相変調された光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスを通って同じく光カプラに到達する。したがって、送信器側で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器側で位相変調された光パルスＰ１*bとが干渉し、その結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出される。なお、光子検出器としてはアバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photo Diode)が用いられ、ゲイテッドガイガーモード(Gated Geiger Mode：ＧＧＭ)で駆動される。
このように、受信器で発生した１つの光パルスが２分割され、それにより得られたダブルパルスＰ１およびＰ２が受信器と送信器との間でそれぞれ変調を受けながら往復し、全体として同じ光パスを通過して干渉する。したがって、光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１で観測される干渉結果は光ファイバ伝送路の遅延変動が相殺され、送信器での位相変調量と受信器での位相変調量との差に依存するものとなる。
このような構成を有するＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式では次のような同期をとる必要がある。
（１）送信器では、受信器から送られた光パルスＰ２が通過するタイミングに合わせて位相変調器Ａに位相変調量に応じた電圧を印加する必要がある。
（２）受信器では、送信器から反射されてきた光パルスＰ１が通過するタイミングに合わせて位相変調器Ｂに位相変調量に応じた電圧を印加する必要がある。
（３）さらに、受信器では、戻ってきた光パルスの入射タイミングに合わせて光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１にバイアスを印加する必要がある（ゲイテッドガイガーモードでの超高感度受信）。
このように、量子暗号鍵配布システムにおいて実際に高い干渉特性を実現して量子暗号鍵を安定して生成するためには、送信側の位相変調器Ａ、受信側の位相変調器Ｂおよび光子検出器ＡＰＤを光パルスが到達するタイミングに合わせて駆動するというタイミング制御が不可欠である。
"QUANTUM CRYPTOGRAPHY, PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING" IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, pp.175-179, Bennett, Brassard "Automated 'plug & play' quantum key distribution", Electronics Letters, Vol.34, No.22, p2116-2117, G. Ribordy
上述した量子暗号鍵配布システムのような位相変調を利用して情報を送信するシステムの場合、送信器の位相変調器Ａを駆動するタイミングが正しいかどうかは、受信器側の光子検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１で観測される干渉結果を参照しない限り判断できない。したがって、上記タイミング制御を正確に実行するためには、受信器における干渉計の干渉消光比（光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーの比）を正しく知っておく必要がある。
しかしながら、ゲイテッドガイガーモード受信の場合、光パルスの到達タイミングに合わせた所定時間間隔だけ光子検出器ＡＰＤにバイアスを印加し、ゲート電圧印加時に光子が到達すれば光子検出器ＡＰＤがブレークダウンしてゲート電圧の印加が終了するまで増倍電流が流れ続ける。したがって、光子検出器ＡＰＤにより検出できるのは、ノイズを除けば、ゲート電圧印加時に光子が到達したか否かだけであり、したがって光子検出の時間平均である干渉消光比を測定することができない。
そこで、従来では、伝送路が変わるごとに、光子検出器ＡＰＤに代えて例えば光パワーメータを用いて干渉消光比を測定し、送信器の位相変調器に電圧を印加するタイミングを決定する必要があった。すなわち、送信器の駆動タイミング決定用の光パワーメータと、量子暗号鍵生成用の光子検出器ＡＰＤとの両方を受信側に用意しておく必要があった。
本発明が解決しようとする課題は、光子検出器を用いた微弱光の光パワー測定方法および装置を提供することにある。
さらに、本発明は、上記微弱光パワー測定方法を用いて、送信器におけるタイミングを最適化し、正しいタイミングで安定した情報伝送を可能にする光通信システムを提供する。さらに、送信側の位相変調器を正しいタイミングで駆動して高速で安定した暗号鍵の配布を可能にする光通信システムを提供する。
本発明によれば、駆動タイミングに従って光子の到達の有無を検出する光子検出手段（光子検出器）を用いて光パルス列の光パワーを測定する。駆動タイミングをシフトさせることで光子カウンタ（計数手段）により計数された光子数に基づいて光パルス列の光パワーを測定する。
本発明による光通信システムにおいて、第１通信器は、与えられた変調タイミングに従って送信すべき原情報により光パルス列を変調し一の通信チャネルを通して送信する変調手段と、前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、を含み、第２通信器は、前記一の通信チャネルを通して到達した光パルス列の光子の有無を駆動タイミングに従って検出する光子検出手段と、前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、前記測定手段により測定された光パワーに基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、を含む。
以上説明したように、本発明によれば、光子検出器に印加するバイアスのタイミング（駆動タイミング）の位相をシフトし、その間に到達した光子の数を光子カウンタ（計数手段）によりカウントする。光パルスの波長が知られていれば、この光子数から光パルス列の光パワーを求めることができる。したがって、光子検出器を用いて微弱光の光パワーを測定することが可能となる。
光子検出器を用いて光パワーあるいは対応する物理量を測定することができるので、光通信システムにおける送信器のタイミングを最適化し、正しいタイミングで安定した情報伝送が可能となる。さらに、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、送信側の位相変調器を正しいタイミングで駆動できるために高速で安定した暗号鍵の配布が可能となる。
図１は本発明の一実施形態による微弱光パワー測定装置の技略的構成を示すブロック図である。光子検出器１は、バイアス電圧印加時に単一光子の入射の有無を検出できる光電変換素子であり、典型的には、アバランシェ・フォトダイオードである。光子検出器１は、バイアス印加回路２からのバイアス電圧により駆動され、バイアス電圧の印加タイミングおよび印加時間はタイミング制御回路３により制御される。すなわち、光子検出器１は、光パルスを検出しようとするときのみバイアス電圧が印加されるゲイテッドガイガーモードで動作し、高感度受信を行うことができる。
タイミング制御回路３は、光パワー測定部４からのタイミングシフト制御によりクロック信号ＣＬＫの位相を時間軸上で０から２πまで２π／ｎずつ自由にシフトさせることができる。ここでは、クロック信号ＣＬＫの周期が入射する光パルスの周期とほぼ一致するが、どの位相で光パルスが到達しているのか分からないものとする。なお、一例として、１つの光パルスのパルス幅は約１ナノ秒、光子検出器１に印加されるパルス状バイアス電圧のパルス幅は１〜５ナノ秒程度、これらの周期Ｔは約１６ナノ秒である。
位相シフトさせたクロック信号のタイミングが光パルスの到達タイミングと同じになれば、光子検出器１は光パルスの光子を検出することができる。光子検出器１により光子が検出されると、光子カウント５によりカウントされる。光子カウンタ５は、光パワー測定部４の制御の下で、カウントした光子数をメモリ６に格納する。ただし、実際には、ダークノイズによるカウント値も含まれる。
光パワー測定部４は、後述するように、クロック信号ＣＬＫの位相を０から２πまで２π／ｎずつ順次シフトさせることで、それぞれのクロック位相に対応したタイミングでバイアス電圧を光子検出器１に印加し、その際のクロック位相と検出された光子数とをメモリに格納する。クロック信号ＣＬＫの位相が２πまでシフトすると、メモリ６に格納されたデータに基づいて到達光パルス列の光パワーを測定する。クロック信号ＣＬＫの周期Ｔに相当する時間間隔をタイムスロットと呼ぶと、クロック信号ＣＬＫの位相を０から２πまでシフトさせることは、バイアス電圧の印加タイミングをタイムスロットの全範囲わたって時間的に移動させることに相当する。
なお、光パワー測定部４は、プログラムメモリ７に格納されたパワー測定プログラムをコンピュータあるいはプログラム制御プロセッサ上で実行することにより実装可能である。以下、本実施形態による微弱光パワーの測定方法を詳細に説明する。
図２は本実施形態による微弱光パワーの測定方法におけるバイアス印加タイミングの位相シフトの状態を説明するための波形図であり、図３は位相シフト量に対する光子カウントの変化を模式的に示すグラフである。
図２に示すように、まず、光パワー測定部４はタイミング制御回路３のクロックＣＬＫのタイミングシフトθを０に設定し、次に、タイミング制御回路３のクロックＣＬＫのタイミングを１ステップ（２π／ｎ）だけシフトさせる。この結果、光子検出器１に印加するパルスバイアスのタイミングが２π／ｎずれる。このタイミングで一定時間（実際には複数タイムスロットに相当する時間）、パルス状のバイアス電圧を光子検出器１に印加する。このバイアス電圧が印加されているときに光子の到達あるいはダークノイズの発生があれば、光子カウンタ５により光子検出としてカウントされ、カウントされた光子数がメモリ６に格納される。
光パワー測定部４は、同様にクロックＣＬＫのタイミングを２π／ｎずつｎ回シフトさせ、その都度、光子カウンタ５でカウントされた光子数が、必要に応じてそのときの位相シフト量とともに、メモリ６に格納される。ｊ回タイミングシフトしたときのクロックのシフト量θjと光子カウント数ｃjとは、図３のようにグラフ化できる。
図３に示すカウント値の変化では、ある位相シフト量付近で１つの明確なピークが存在するが、常にピークがあるとは限らない。光子が到達していない場合にはダークカウントしか計数されないので、図３のようなピークはなくどの位相でも低いカウント値になる。光子が到達していれば、その到達タイミングの位相のみに図３のようなピークが現れる。
図３に示すように、クロックのタイミングシフト数ｎ回の光子カウントの和をＰとすると、Ｐは次式で表される。
Figure 0004748311
この光子カウント総数Ｐは、図３においてθ＝０およびθ＝２πと光子カウント数ｃjで囲まれた部分の斜線部の面積を対応する。すなわち、これは平均光パワーを示している。したがって、上述したように光子検出器１に印加するバイアスのタイミングを０から２πまでシフトして光子検出数をカウントすることにより、光子検出器を用いて微弱光の光パワーを測定することが可能となる。
次に、上記パワー測定方法を実際に量子暗号システムにおける干渉測定に適用した実施例ついて説明する。
１．第１実施例
図４は本発明の第１実施例による温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙシステムの構成を示すブロック図である。ここでは、２つの通信装置のうち量子通信の送信側を送信器１０、受信側を受信器２０と呼び、それらが光伝送路３０により光学的に接続されているシステム構成を例示する。
本実施例によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の基本的な構成および動作は、図１７で説明したとおりであるが、送信器１０においてファラデーミラーの代わりにＰＢＳループを採用した点が異なっている。
送信器１０の量子ブロック１００はＰＢＳループ１０４を有し、ＰＢＳループ１０４は、位相変調器１０２および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３から構成される。
位相変調器１０２は、同期ブロック１１０から供給されるクロック信号に従って、通過する光パルス列に対して位相変調を行う。位相変調の深さは、通信制御部１３０により与えられる位相制御信号により決定され、ここでは基底（＋／×）および乱数（０／１）の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの深さ（０、π／２、π、３π／２）となる。位相制御信号は変調の深さに対応した電圧であり、光パルスが位相変調器１０２を通過するタイミングで位相変調器１０２に印加され、当該光パルスの位相変調が行われる。
ＰＢＳループ１０４はファラデーミラーと同様の機能を有し、入射光の偏光状態が９０度回転して送出される。本実施例のＰＢＳループについては後述する。
さらに、送信器１０には、同期ブロック１１０、データ通信部１２０および通信制御部１３０が設けられている。同期ブロック１１０は、通信制御部１３０の制御の下で、受信器２０との間でクロック信号のやり取りを行い、位相変調器１０２に対してクロックＣＬＫを供給する。通信制御部１３０は、データ通信部１２０を通して受信器２０との間で制御信号のやりとりを行い、受信器２０からの制御信号に従って量子ブロック１００および同期ブロック１１０の制御を行う。
受信器２０の量子ブロック２００は、図１７に示す構成と基本的に同じである。基準となるクロック信号に従ってレーザ２０１により生成された光パルスＰは、光サーキュレータ２０２により光カプラ２０３へ導かれ、光カプラ２０３により２分割される。分割された一方の光パルスＰ１は短いパス(Short Path)２０４を通って偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０７へ送られる。分割された他方の光パルスＰ２は長いパス(Long Path)２０５に設けられた位相変調器２０６を通してＰＢＳ２０７へ送られる。これら光パルスＰ１およびＰ２はＰＢＳ２０７で合波され、ダブルパルスとして波長多重フィルタ４０および光伝送路３０を通して送信器１０へ送信される。送信器１０から戻ってきたダブルパルスは、ＰＢＳ２０７によってそれぞれ送信時とは異なるパスへ送られ、後述するように光カプラ２０３で干渉し、その干渉結果が光子検出器２０８（以下、ＡＰＤ０と記す。）あるいは２０９（以下、ＡＰＤ１と記す。）により検出される。なお、短いパス(Short Path)２０４と長いパス(Long Path)２０５は偏波保存ファイバであり、光サーキュレータ２０２と光カプラ２０３は偏波保存型である。
受信器１０には、量子ブロック２００に対して位相変調用のクロックＣＬＫ１と、光子検出器をゲイテッドガイガーモードで動作させるためクロックＣＬＫ２とを供給する同期ブロック２１０が設けられている。同期ブロック２１０は、送信器１０の同期ブロック１１０との間で同期クロックのやりとりを行う。さらに、受信器２０の通信制御部２３０は、データ通信部２２０を通して送信器１０との間で制御信号のやりとりを行い、量子ブロック２００および同期ブロック２１０を制御する。
これらに加えて、本実施例によるシステムの受信器１０には、通信制御部２３０を制御して送信器１０および受信器２０のタイミングを最適化するタイミング制御部２４０と、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１を用いて光パワーを測定するためのパワー測定部２５０とが設けられている。パワー測定部２５０は、タイミング制御部２４０、光子カウンタ２６０およびメモリ２７０を制御し、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１によりそれぞれ検出された光子の数を光子カウンタ２６０により計数し、それらカウント値を最適化タイミングの決定および光パワーを測定するための測定データとしてメモリ２７０に格納する。タイミング制御部２４０および光パワー測定部２５０は、プログラムメモリ２８０に格納されたプログラムをコンピュータあるいはプログラム制御プロセッサ上で実行することにより実現可能である。
なお、同期ブロック１１０および２１０で送受信されるクロック信号と、データ通信部１２０および２２０で送受信される制御信号とは、量子ブロック１００および２００で送受信される光パルスとはそれぞれ別波長の信号であり、波長多重フィルタ４０および５０によって合分波され、光伝送路３０中を波長分割多重伝送される。また、送信器１０に設けられた同期ブロック１１０と受信器２０に設けられた同期ブロック２１０とは、クロック信号を送信する光源として波長安定化レーザをそれぞれ有し、量子ブロック１００および２００にそれぞれ安定したクロック信号を供給することができる。
次に、受信器２０の量子ユニット２００から光伝送路３０に送出されたダブルパルスＰ１およびＰ２の経路およびその間の処理について更に詳細に説明する。
送信器１０において、伝送路３０から波長多重フィルタ５０を通して到来したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ１０３でさらに分離され、時計回りのダブルパルスＰ１CWおよびＰ２CWと反時計回りのダブルパルスＰ１CCWおよびＰ２CCWの４つのパルス、すなわちカルテットパルスとなって位相変調器１０２をそれぞれ反対方向で通過し、それぞれ出射したポートとは反対のＰＢＳポートへ入射する。
位相変調器１０２は、後述するように、時計回りのダブルパルスの後方のパルスＰ２CWを前方のパルスＰ１CWに対して位相変調するとともに、反時計回りのダブルパルスと時計回りのダブルパルスとの間にπの位相差を与える。このように、位相変調器１０２は、カルテットパルスの各パルスに任意の位相変調を施すようにタイミング制御される必要がある。
こうして必要に応じて位相変調されたカルテットパルスはＰＢＳ１０３で合波され再びダブルパルスに戻る。上述したように後方のパルスのみが伝送情報により位相変調されたので、出射ダブルパルスをＰ１およびＰ２*aと記す。このときＰＢＳループ入射時に対して出射時は偏波が９０°回転しているので、結果的にファラデーミラーと同等の効果が得られる。
受信器２０の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２０７は、送信器１０から受信した光パルスＰ１およびＰ２*aの偏光状態が９０度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスＰ１は長いパスを通り、位相変調器２０６を通過するタイミングで指定された基底で位相変調され、位相変調された光パルスＰ１*bが光カプラ２０３に到達し、他方、光パルスＰ２*aは送信時とは異なる短いパスを通って同じく光カプラに到達する。
こうして送信器側で位相変調された光パルスＰ２*aと受信器側で位相変調された光パルスＰ１*bとが干渉し、その結果が光子検出器ＡＰＤ０またはＡＰＤ１により検出される。光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は、同期ブロック２１０から供給されるクロック信号ＣＬＫ２に従ってゲイテッドガイガーモードで駆動され、その検出信号は通信制御部２３０および光子カウンタ２６０へ出力される。後述するように、タイミング制御部２４０は、タイミング制御シーケンスにおいて検出された光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出信号をメモリ２７０に蓄積し、最適タイミングの決定に利用する。また、光子カウンタ２６０のカウント値もそのときの位相シフト量とともにメモリ２７０に格納される。
１．１）ＰＢＳループでの位相変調
以下、ＰＢＳループの動作を説明する。
図５は、送信器のＰＢＳループの動作を説明するための模式的構成図である。上述したように、入射したダブルパルスＰ１およびＰ２は、ＰＢＳ１０３で直交した偏光成分に分離され、カルテットパルス３０１〜３０４になる。光パルス３０１および３０２は光パルスＰ１の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応し、光パルス３０３おおび３０４は光パルスＰ２の一偏光成分およびその直交偏光成分にそれぞれ対応する。
ＰＢＳ１０３の２つのループ側ポートは、定偏波光ファイバで位相変調器１０２の２つの光ポートにそれぞれ接続されているが、その光路長は異なっている。ここでは、光パルス３０１および３０３が光パルス３０２および３０４よりも時間Ｔだけ早く位相変調器１０２に入射するように、光路長が設定されているものとする。この時間差Ｔは、光パルス幅より長くダブルパルスＰ１とＰ２の間隔より短く設定される。
図６はＰＢＳループを伝播する光パルスの時間順序を示す説明図である。光パルス３０１および３０３は光パルス３０２および３０４よりも時間Ｔだけ早く位相変調器１０２に到達するので、各光パルスは、図６（Ａ）〜（Ｆ）に示すように異なった時刻ｔ１〜ｔ６で位相変調器１０２を通過する。したがって、パルス間隔に同期して位相変調器１０２に印加する電圧を変化させることにより各光パルスに異なった位相差を与えることができる。ここでは、各パルスに与える位相差を表１のように設定する。
Figure 0004748311
 表１に示すように、基底が“＋”、乱数値が“０”の場合には光パルス３０１と３０３の間に０の位相差、基底が“＋”、乱数値が“１”の場合には光パルス３０１と３０３の間にπの位相差、基底が“×”、乱数値が“０”の場合には光パルス３０１と３０３の間にπ／２の位相差、基底が“×”、乱数値が“１”の場合には光パルス３０１と３０３の間に３π／２の位相差をそれぞれ与える。さらに、光パルス３０１および３０３と光パルス３０２および３０４との間には光パルス３０１と光パルス３０３との間と同じ大きさの位相差を与え、同時に光パルス３０１と光パルス３０２との間、光パルス３０３と光パルス３０４との間にはπの位相差を与える。
このように量子暗号鍵配布システムでは、ダブルパルスまたはカルテットパルスの各パルスに任意の位相変調を施さなければならない。すなわち、電圧で位相を制御する位相変調器１０２および２０６では、各パルスが通り過ぎるタイミングで必要な変調を与えるための電圧を印加する必要があり、位相変調器を駆動するタイミングが正しくないと誤ったパルスを変調してしまう。よって、位相変調器１０２および２０６を駆動するクロックのタイミング制御を行い、そのタイミングが正しいことを確認しなければならない。
１．２）干渉消光比の測定
図７は、本発明の第１実施例によるシステムにおける受信器２０での干渉消光比の測定手順を含む送信器１０のタイミング検索を示すフローチャートである。送信器１０の位相変調器１０２を駆動するクロックＣＬＫのタイミングが正しいことを確認するためには、受信器２０において干渉消光比を測定する必要がある。ここで、干渉消光比とは、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力される光パワーの比をいう。
しかしながら、既に説明したように、光子検出器ＡＰＤは光子到達の有無を判定するのみで、光子検出の時間平均である光パワーを直接測定することはできない。そこで、本実施例によれば、光子検出器ＡＰＤを駆動するクロックＣＬＫ２のタイミングを順次シフトさせることで、その都度得られた光子検出結果から間接的に光パワーを求める。
図７において、まず、タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ４０１）。これにより、通信制御部１３０は位相変調器１０２に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調深さの位相を設定する。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトをリセットするように送信器１０の通信制御部１３０へ指示する（ステップＳ４０２）。これによって、同期ブロック１１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値０にリセットする。
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部１３０へタイミングシフトを指示し、これによって同期ブロック１１０は、所定の整数Ｎを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ４０３）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器２０へ折り返される。
受信器２０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させて光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光子検出を行う。このとき、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は光子のやってくるタイミングのみバイアス電圧を高く設定して光子を受信する必要がある。すなわち、光子のタイミングに一致したクロックで光子検出器ＡＰＤを駆動しなければならない。しかしながら、クロックの全位相２πのうち、どのタイミングに光子があるのかはこの時点ではわからない。
そこで、タイミング制御部２４０は受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に印加されるバイアスのタイミングシフトをリセットするように通信制御部２３０へ指示する。これによって同期ブロック２１０はクロック信号ＣＬＫ２のシフト量を初期値０にリセットする（ステップＳ４０４）。
次に、タイミング制御部２４０は、同期ブロック２１０から出力されるクロック信号ＣＬＫ２のタイミングを１ステップシフトさせるように指示し、同期ブロック２１０は、所定の整数ｎを用いて、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へのバイアス印加タイミングを２π／ｎだけシフトさせる（ステップＳ４０５）。これによって、２π／ｎだけシフトしたタイミングで光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１にバイアス電圧が印加され光子の検出が行われる。各光子検出器で光子が検出されるごとに光子カウンタ２６０によりそれぞれの光子検出器の光子数がカウントされる。バイアス印加タイミングの位相を１ステップ（２π／ｎ）ずつ連続的にシフトさせながら光子数のカウントを行う動作をｎ回繰り返す（ステップＳ４０６）。
こうしてシフト量が２πに到達すると、現在指定されている乱数および基底と送信器１０の位相変調タイミングシフト量φi（ｉ＝１〜Ｎ）とに関連づけて、それまでに光子カウンタ２６０でカウントされたそれぞれの光子検出器の光子数をメモリ２７０に格納する（ステップＳ４０７）。ここで、メモリ２７０に記録された光子カウント数は図３で説明したようにｔ＝０からｔ＝２πで囲まれた領域の面積に相当する。すなわちこれは光パワーを意味する。
タイミング制御部２４０は、位相変調器１０２への電圧の印加タイミングを２π／Ｎずつシフトさせながら、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へのバイアス印加タイミングを０から２πまでシフトさせて検出光子数をカウントするというステップＳ４０３〜Ｓ４０７を、Ｎ回繰り返す（ステップＳ４０８）。位相変調器１０２へのすべての電圧印加タイミングについて光子カウント数が測定されるまで上記ステップＳ４０３〜４０７を繰り返すと（ステップＳ４０８のＹＥＳ）、次の基底および乱数値を指定して（ステップＳ４０１）、上記ステップＳ４０２〜Ｓ４０８を繰り返す。
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ４０１〜４０８を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ４０９）。ただし、後述する最適点が見出せるならば、４通りの組み合わせ全てについて実行する必要はない。必要な基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ４０９のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２７０に記録された光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１のそれぞれの光子カウント数に基づいて送信器１０の最適タイミングを決定し、受信器２０の通信制御部１３０に通知し同期ブロック１１０に設定する（ステップＳ４１０）。
１．３）送信器１０のクロックタイミング検索
図８（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図であり、図９（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。
ａ）基底＋，乱数０（０変調）
まず受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“＋”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通り過ぎる順で記述すると、“０−π−０−π”となる。
送信器１０の位相変調器１０２は同期ブロック１１０から供給されるクロックによって駆動されるので、位相変調器１０２による光パルスの位相変調タイミングはクロックを供給するタイミングによる。受信器２０からの指示により、同期ブロック１１０はクロックのタイミングを０から２πまで任意のステップでシフトさせることができる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、次のステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。
（Ｓ１）受信器２０のタイミング制御部２４０は、送信器１０の通信制御部１３０に同期ブロック１１０のクロックＣＬＫを１ステップシフトするよう指示するとともに、受信器２０の通信制御部２３０に同期ブロック２１０のクロックＣＬＫ２のシフト量を０にクリアするように指示する。
（Ｓ２）送信器１０の通信制御部１３０は同期ブロック１１０のクロックを１ステップシフトさせる。これによって、送信器１０の位相変調器１０２を駆動するタイミングが１ステップずれる。
（Ｓ３）送信器１０での１ステップシフトにより、受信器２０の光検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
（Ｓ４）受信器２０の通信制御部２３０は、同期ブロック２１０のクロックＣＬＫ２を０〜２πまで連続的にシフトさせる。これによって光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１を駆動するタイミングが０〜２πまで連続的に変化し、その間、光子が検出されるごとに光子カウンタ２６０がインクリメントされる。したがって、クロックＣＬＫ２が０〜２πまでシフトした時点で光子カウンタ２６０には光子カウントの総数が格納されている。位相シフト量と対応づけないので、処理が高速となり実装が容易であるという利点がある。
（Ｓ５）光子カウンタ２６０によりカウントされた光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１のそれぞれの光子検出結果をメモリ２７０に格納する。その際、光子カウンタ２６０は、ステップＳ４で同期ブロック２１０のクロックＣＬＫ２がシフトしている間に検出された光子のみをカウントし、有効光子カウントとしてメモリ２７０に格納する。言い換えれば、有効光子カウントとは、クロックＣＬＫ２の位相シフト開始前およびシフト終了後に光子カウンタ２６０がカウントした数を除外した実質的なカウント値をいう。
このようにしてメモリ２７０に格納された送信器１０のタイミングシフト量φiに対する有効光子カウントの変化を図９（ａ）に示す。図９（ａ）の横軸は送信器１０のクロックシフト量φi、縦軸はＡＰＤ０の有効光子カウント（実線）およびＡＰＤ１の有効光子カウント（破線）である。
これより、干渉消光比は、光子検出器ＡＰＤ１の有効光子カウントに対する光子検出器ＡＰＤ０の有効光子カウントの比（Ｐ0／Ｐ1）として求まる（点線）。Ｐ0／Ｐ1としたのは、送信器１０のクロック位相が正しいときには光子検出器ＡＰＤ０で光パルスが検出され、光子検出器ＡＰＤ１ではほとんど検出されないためである。
ｂ）基底＋，乱数１（π変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“＋”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するように指示する。この結果、上述した表１に示すように，カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎる順で記述すると “０−π−π−０”となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上述したステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、受信器２０のクロックＣＬＫ２を連続的にシフトさせながら有効光子カウントをメモリ２７０に格納する。
このようにしてメモリ２７０に格納された送信器１０のタイミングシフト量φiに対する有効光子カウントの変化を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）の横軸は送信器のクロックシフト量φi、縦軸は光子検出器ＡＰＤ０の有効光子カウント（実線）および光子検出器ＡＰＤ１の有効光子カウント（破線）を示す。
これより、干渉消光比は、光子検出器ＡＰＤ１の有効光子カウントに対する光子検出器ＡＰＤ０の有効光子カウントの比（Ｐ1／Ｐ0）で求まる（点線）。Ｐ1／Ｐ0としたのは、送信器のクロック位相が正しいときには光子検出器ＡＰＤ１で光パルスが検出され、光子検出器ＡＰＤ０ではほとんど検出されないためである。
ｃ）基底×，乱数０（π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎる順で記述すると、“０−π−π／２−３π／２”となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、受信器２０のクロックＣＬＫ２を連続的にシフトさせながら有効光子カウントをメモリ２７０に格納する。
このようにしてメモリ２５０に格納された送信器１０のタイミングシフト量φiに対する有効光子カウントの変化を図９（ｃ）に示す。図９（ｃ）の横軸は送信器のクロックシフト量φi、縦軸はＡＰＤ０の有効光子カウント（実線）およびＡＰＤ１の有効光子カウント（破線）を示す。
これより、干渉消光比は、ＡＰＤ１の有効光子カウントに対するＡＰＤ０の有効光子カウントの比（Ｐ0／Ｐ1）で求まる（点線）。Ｐ0／Ｐ1としたのは、送信器のクロック位相が正しいときには、ＡＰＤ０で光パルスが検出され、ＡＰＤ１ではほとんど検出されないためである。
ｄ）基底×，乱数１（３π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“×”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“１”に対応する変調深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎ順で記述すると、“０−π−３π／２−π／２”となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。これによって受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化し、受信器２０のクロックＣＬＫ２を連続的にシフトさせながら有効光子カウントをメモリ２７０に格納する。
このようにしてメモリ２７０に格納された送信器１０のタイミングシフト量φiに対する有効光子カウントの変化を図９（ｄ）に示す。図９（ｄ）の横軸は送信器のクロックシフト量φi、縦軸はＡＰＤ０の有効光子カウント（実線）およびＡＰＤ１の有効光子カウント（破線）を示す。
これより、干渉消光比は、ＡＰＤ１の有効光子カウントに対するＡＰＤ０の有効光子カウントの比（Ｐ1／Ｐ0）で求まる（点線）。Ｐ1／Ｐ0としたのは、送信器のクロック位相が正しいときには、ＡＰＤ１で光パルスが検出され、ＡＰＤ０ではほとんど検出されないためである。
１．４）送信器の最適タイミング決定
図９において、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー比、すなわち干渉消光比は点線で示されている。上述したように、乱数“０”を送信した場合は干渉消光比をＰ0／Ｐ1で表し、乱数“１”を送信した場合は干渉消光比をＰ1／Ｐ0で表す。光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力された有効光子カウントとそのときの送信器１０のクロックシフト量φiとは、すべて受信器２０のメモリ２７０に記憶されている。タイミング制御部２４０は、このデータから送信器１０のクロックＣＬＫの最適タイミングを決定する。
図１０は、メモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の有効光子カウント比とクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図である。すなわち、図９で示す４通りの組み合わせにそれぞれ対応する観測データは、図１０のようなテーブル形式で格納されている。これを用いて次の手順で最適タイミングを決定する。
（１）４通りの変調について干渉消光比を計算する：（Ai, Bi, Ci, Di）
（２）４通りの干渉消光比の積を計算する：(Ei=Ai＊Bi＊Ci＊Di)
（３）Ｅｉが最大となる位相を選択する：(φi（Max[E1,E2,…EN]）)
このようにして決定したシフト量φiは、図９に示す最適ラインにより示されるφsuit値であり、このシフト量のクロック信号ＣＬＫが光パルスに同期した最適のタイミングを与える。ただし、既に述べたように、最適ラインを求めることが可能であるならば、図９で示す４通りの組み合わせすべての観測データを使用する必要はない。
１．５）効果
以上説明したように、本実施例によれば、まず受信器２０からの制御により、送信器１０における位相変調器１０２のタイミングを１ステップずつシフトさせ、１ステップシフトごとに、受信器２０で光子検出器のバイアスを高くするタイミングを０から２πまで連続的に推移させながら光子検出結果をメモリ２７０に格納する。その光子検出結果のうち、バイアスを高くするタイミングが推移している間に検出した光子のみを有効光子カウントとして処理し、この有効光子カウントに基づいて送信器１０の位相変調の最適タイミングを決定する。したがって、送信器１０の位相変調か正しいタイミングであることを受信器側で光子検出器ＡＰＤを用いて確認することができる。こうして送信器１０での安定した位相変調が可能となり、量子暗号鍵配布システムに適用した場合、高速・安定な鍵生成を実現することができる。
２．第２実施例
図１１は本発明の第２実施例による量子暗号システムの送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。本実施例による量子暗号システムのブロック構成は、第１実施例と同様に図４に示されるとおりであり、送受信される光パルスも第１実施例と同様に図５、図６に基づいて説明したような振る舞いをする。したがって第１実施例と重複する部分の説明は省略し、図４および図１１を参照しながら、干渉消光比の測定、送信器のクロックタイミング検索および最適タイミング決定の動作について詳細に説明する。
２．１）干渉消光比の測定
タイミング制御部２４０は通信制御部２３０を制御して、４通りの基底および乱数の組み合わせから１つを選択し、選択された基底を受信器２０の位相変調器２０６に設定し、選択された基底および乱数値の組み合わせを送信器１０の通信制御部１３０へ指定する（ステップＳ５０１）。これにより、通信制御部１３０は位相変調器１０２に対して位相制御信号を出力し、選択された基底および乱数値に対応する変調深さの位相を設定する。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の位相変調器１０２に印加される電圧のタイミングシフトをリセットするように送信器１０の通信制御部１３０へ指示する（ステップＳ５０２）。これによって、同期ブロック１１０はクロック信号ＣＬＫのシフト量を初期値０にリセットする。
タイミングシフトが初期化されると、タイミング制御部２４０は通信制御部１３０へタイミングシフトを指示し、これによって同期ブロック１１０は、所定の整数Ｎを用いて、位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎだけシフトさせ、このタイミングで設定された位相変調の電圧が印加される（ステップＳ５０３）。これによって、通過するカルテットパルスの各光パルスが上述したように変調され、ダブルパルスとして受信器２０へ折り返される。
受信器２０は、受信したダブルパルスを上述したように指定された基底により位相変調器２０６で変調し、光カプラ２０３で干渉させて光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で光子検出を行う。このとき、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は光子のやってくるタイミングのみバイアス電圧を高く設定して光子を受信する必要がある。すなわち、光子のタイミングに一致したクロックで光子検出器ＡＰＤを駆動しなければならない。しかしながら、クロックの全位相２πのうち、どのタイミングに光子があるのかはこの時点ではわからない。
そこで、タイミング制御部２４０は受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に印加されるバイアスのタイミングシフトをリセットする（ステップＳ５０４）。これによって同期ブロック２１０はクロック信号ＣＬＫ２のシフト量を初期値０にリセットする。
次に、タイミング制御部２４０は、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へのバイアス印加タイミングを２π／ｎだけシフトさせ（ステップＳ５０５）、このバイアス印加時に光子検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１により検出された光子をそれぞれ光子カウンタ２６０によりカウントし、現時点で指定された乱数および基底、送信器１０の設定タイミングシフトシフト量φi（ｉ＝１〜Ｎ）およびクロック信号ＣＬＫ２の現時点のシフト量θj（ｊ＝１〜ｎ）に対応づけて、メモリ２７０に記録する（ステップＳ５０６）。
タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２への電圧の印加タイミングを固定したまま、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１へのバイアス印加タイミングを２π／ｎずつシフトさせながら、すべてのバイアス印加タイミングについて光子カウント数をメモリ２７０に記録するまで上記ステップＳ５０５〜Ｓ５０６を繰り返す（ステップＳ５０７）。
受信器２０のタイミングシフトが終了したら（ステップｓ５０７のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０は、送信器１０の位相変調器１０２への電圧印加タイミングを２π／Ｎシフトし（ステップＳ５０８、Ｓ５０３）、再びステップＳ５０５〜Ｓ５０６を繰り返す。すべての電圧印加タイミングについて光子カウント数が測定されるまで上記ステップＳ５０３〜Ｓ５０７を繰り返し、選択された基底および乱数値に対する光子検出および光子カウントを行う（ステップＳ５０８）。
タイミング制御部２４０は、以上のステップＳ５０１〜Ｓ５０８を、４通りの基底および乱数の組み合わせすべてについて実行する（ステップＳ５０９）。４通りの基底および乱数の組み合わせでの測定が終了すると（ステップＳ５０９のＹＥＳ）、タイミング制御部２４０はメモリ２７０に記録された光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント数に基づいて送信器１０の最適タイミングを決定し、受信器２０の通信制御部１３０に通知し同期ブロック１１０に設定される（ステップＳ５１０）。
２．２）送信器のクロックタイミング検索
図１２（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。
ａ）基底＋，乱数０（０変調）
まず、受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“＋”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２をとおりすぎる順で記述すると、“０−π−０−π”となる。
送信器１０の位相変調器１０２は同期ブロック１１０から供給されるクロックＣＬＫによって駆動されるので、位相変調器１０２による光パルスの位相変調タイミングはクロックＣＬＫを供給するタイミングによる。受信器２０からの指示により、同期ブロック１１０はクロックＣＬＫのタイミングを０から２πまで任意のステップでシフトさせることができる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、クロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、次のステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。
（Ｓ１）受信器２０のタイミング制御部２４０は、送信器１０の通信制御部１３０に対して同期ブロック１１０のクロックＣＬＫを１ステップシフトするよう指示し、受信器２０の通信制御部２３０に対して同期ブロック２１０のクロックＣＬＫ２のシフト量をクリアして０にするよう指示する。
（Ｓ２）送信器１０の通信制御部１３０は同期ブロック１１０のクロックＣＬＫを１ステップシフトし、これによって送信器１０の位相変調器１０２を駆動するタイミングが１ステップずれる。
（Ｓ３）送信器１０での１ステップシフトにより、受信器２０の光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測される光パワーがそれぞれ変化する。
（Ｓ４）受信器２０の通信制御部２３０は同期ブロック２１０のクロックＣＬＫ２を１ステップシフトさせる。１回のクロックシフト量は２π／ｎとする。
（Ｓ５）光子検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１により光子が検出されると、光子カウンタ２６０によりカウントされカウント値がメモリ２７０に格納される。そして、ステップＳ４のクロックＣＬＫ２のシフト量が２πになるまでステップＳ４〜Ｓ５がｎ回繰り返される。
従って、送信器１０のクロックＣＬＫのシフト量が１ステップ（２π／Ｎ）シフトするごとに、受信器２０のクロックＣＬＫ２が１ステップずつ０から２πまで順次シフトし、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値がそのときの位相シフト量θjと対応づけてメモリ２７０に格納される。
ｂ）基底＋、乱数１（π変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“＋”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“＋”、乱数“１”に対応する変調の深さに設定するように指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎる順で記述すると、“０−π−π−０”となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。従って、送信器１０のクロックＣＬＫのシフト量が１ステップ（２π／Ｎ）シフトするごとに、受信器２０のクロックＣＬＫ２が１ステップずつ０から２πまで順次シフトし、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値がそのときの位相シフト量θjと対応づけてメモリ２７０に格納される。
ｃ）基底×，乱数０（π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は位相変調器２０６の受信基底を“×”にセットし、さらに送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“０”に対応する変調の深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎる順で記述すると、”０−π−π／２−３π／２“となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。従って、送信器１０のクロックＣＬＫのシフト量が１ステップ（２π／Ｎ）シフトするごとに、受信器２０のクロックＣＬＫ２が１ステップずつ０から２πまで順次シフトし、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値がそのときの位相シフト量θjと対応づけてメモリ２７０に格納される。
ｄ）基底×，乱数１（３π／２変調）
受信器２０のタイミング制御部２４０は、受信器２０の基底を“×”にしたまま、送信器１０の通信制御部１３０に対して位相変調器１０２を基底“×”、乱数“１”に対応する変調深さに設定するよう指示する。この結果、上述した表１に示すように、カルテットパルスの各光パルスに与える位相変調の位相は、位相変調器１０２を通りすぎ順で記述すると、“０−π−３π／２−π／２”となる。
続いて、タイミング制御部２４０は送信器１０の同期ブロック１１０のクロックＣＬＫのシフト量をクリアして０にするように指示し、送信器１０のクロックシフト量を２π／Ｎずつシフトさせながら２πに達するまで、上記ステップＳ１〜Ｓ５をＮ回繰り返す。従って、送信器１０のクロックＣＬＫのシフト量が１ステップ（２π／Ｎ）シフトするごとに、受信器２０のクロックＣＬＫ２が１ステップずつ０から２πまで順次シフトし、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値がそのときの位相シフト量θjと対応づけてメモリ２７０に格納される。
２．３）送信器の最適タイミング決定
まず、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー比、すなわち干渉消光比を求める。そのために、送信器１０のタイミングシフト量φiのときの光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力する光パワーを求めなければならない。送信器１０のタイミングシフト量φiのとき、受信器２０のバイアス印加タイミングは２π／ｎずつｎ回シフトする。ｊ回目のシフトを行ったときの光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント数をそれぞれｃ0(i, j)、ｃ1(i, j)とすると、送信器のタイミングシフト量φiのときＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測された光パワーＰ0(i)、Ｐ1(i)はそれぞれ
Figure 0004748311
 となる。
このようにして求めた送信器１０のタイミングシフト量φiに対する光パワーの変化は図９（ａ）と同様になる。図９の横軸は送信器のクロックシフト量φi、縦軸はＡＰＤ０の光パワー（実線）およびＡＰＤ１の光パワー（破線）を示す。これより、上述したように光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー比、すなわち干渉消光比が求まる（点線）。
乱数“０”を送信した場合は干渉消光比をＰ0／Ｐ1で表し、乱数“１”を送信した場合は干渉消光比をＰ1／Ｐ0で表す。光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力された光パワーとそのときの送信器１０のクロックシフト量φiとは、すべて受信器２０のメモリ２７０に記憶されている。このデータから送信器１０のクロックＣＬＫの最適タイミングを決定する。決定の仕方は、図１０で説明したとおりである。
２．４）効果
上述したように、本発明の第２実施例によれば、送信器１０のクロックＣＬＫのシフト量が１ステップ（２π／Ｎ）シフトするごとに受信器２０のクロックＣＬＫ２が１ステップずつ０から２πまで順次シフトするので、第１実施例と同様に光パワーを測定することができる。
更に、本実施例によれば、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値がそのときの位相シフト量θjと対応づけてメモリ２７０に格納される。したがって、クロックＣＬＫ２が０から２πまでシフトする間に光子カウントがどのように変化するかを記録することができる。たとえば、図３に示す光子カウントの変化の様子を知ることができる。
３．第３実施例
上述したように、第２実施例におけるメモリ２７０には、クロックＣＬＫ２が１ステップシフトするごとに光子カウンタ２６０のカウント値と、そのときの位相シフト量とが対応づけられて格納されている。本発明の第３実施例によれば、このメモリ２７０の格納データを利用することで、干渉消光比の測定だけでなく、送信器および受信器におけるそれぞれの最適タイミングを決定することができる。以下、第３実施例について詳細に説明する。
図１３は本発明の第３実施例による量子暗号システムの送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。本実施例による量子暗号システムのブロック構成は、第１実施例と同様に図４に示されるとおりであり、送受信される光パルスも第１実施例と同様に図５、図６に基づいて説明したような振る舞いをする。
また、本実施例における送信器タイミング検索動作は、図１１で説明したステップＳ５０１〜Ｓ５０９と同様であるから、同一の参照符号を付して説明は省略し、送信器の最適タイミング決定（ステップＳ５１０）および受信器の最適タイミング決定（ステップＳ５１１）について説明する。なお、送信器１０のタイミング制御はすべて受信器２０のタイミング制御部２４０の指示により行われる。
３．１）送信器の最適タイミング決定
図１４（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。横軸は送信器１０のタイミングシフト量φi（ｉ＝１〜Ｎ）であり、縦軸は光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー（光子カウント数）である。ここでは、光子検出器ＡＰＤ０の光パワーを実線で、光子検出器ＡＰＤ１の光パワーを破線でそれぞれ示す。
上述したように、送信器１０のタイミングシフト量ｉのとき、受信器２０のバイアス印加タイミングは２π／ｎずつｎ回シフトする（ステップＳ５０５〜Ｓ５０７）。ｊ回目のシフトを行ったときの光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント数をそれぞれｃ0(i, j)、ｃ1(i, j)とすると、送信器１０のタイミングシフト量ｉのときＡＰＤ０およびＡＰＤ１で観測された光パワーＰ0(i)、Ｐ1(i)はそれぞれ上記式（１）および（２）で表すことができる。
このようにして求めた送信器１０のタイミングシフト量φiに対する光パワーの変化は、図１４（ａ）に示すようになる（図９（ａ）と同様）。これより、上述したように光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光パワー比、すなわち干渉消光比が求まる（点線）。図１４（ｂ）〜（ｄ）も図９（ｂ）〜（ｄ）で説明したとおりである。
また、光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１に出力された光パワーとそのときの送信器１０のクロックシフト量φiとは、すべて受信器２０のメモリ２７０に記憶されている。この位相シフト量とそのときの光パワー（光子カウント数）のデータ（図１６（Ａ）参照）から送信器１０のクロックＣＬＫの最適タイミングを決定することができ、決定の仕方は、図１０で説明したとおりである。
３．２）受信器の最適タイミング決定
上述したように送信器１０のクロックＣＬＫの最適タイミングφsuitが決定されると（ステップＳ５１０）、続いてメモリ２７０に格納された測定データを用いて受信器２０の最適タイミングを決定する（ステップＳ５１１）。
図１５（ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で検出される光子カウントの変化を示すグラフである。基底＋と乱数０の組み合わせにおいて、メモリ２７０に格納された受信器２０のタイミングシフト量θj（ｊ＝１〜ｎ）に対する観測値の変化を図１５（ａ）に示す。図１５の横軸は受信器２０のタイミングシフト量θj、縦軸はＡＰＤ０の光子検出結果（実線）およびＡＰＤ１の光子検出結果（破線）を示す。
図１５（ａ）に示すように、クロック位相が正しいときには、送信器１０から送った乱数の値０によってＡＰＤ０で光子が検出され、クロック位相がずれると光子は検出されていない。以下同様に、基底＋と乱数１、基底×と乱数０、基底×と乱数１の場合におけるタイミングシフト量θjに対する観測値の変化を図１５（ｂ）〜（ｄ）に示す。
図１５（ａ）〜（ｄ）には、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント比、すなわち光子検出比が点線で示されている。送信器１０のクロックＣＬＫのタイミングφ＝φsuitである場合、乱数“０”を送信した場合はＡＰＤ０に光が出力されるべきなので、ＡＰＤ１の観測値に対するＡＰＤ０の観測値の比ｃ0(isuit, j)／ｃ1(isuit, j)を光子検出として表す。また，乱数“１”を送信した場合はＡＰＤ１に光が出力されるべきなので、ＡＰＤ０の観測値に対するＡＰＤ１の観測値の比ｃ1(isuit, j)／ｃ0(isuit, j)を光子検出として表す。
図１６（Ａ）はメモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント比と送信側のクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図であり、（Ｂ）はメモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント比と受信側のクロックシフト量θjとのデータテーブルを模式的に示す図である。図１６（Ｂ）に示すように、ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の出力パワーとそのときの受信器２０のクロックシフト量θjはすべてメモリ２７０に記憶されているから、このデータから受信器２０のクロックの最適タイミングを決定することができる。決定手法は図１０で説明した送信器１０の場合と同様であるから説明は省略する。
本発明は微弱光通信の光パワー測定を行う光パワー測定器一般に適用可能である。また、上述したＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の双方向方式だけでなく、一方向の量子暗号方式にも適用可能であり、量子暗号鍵配布に限定されるものではなく量子暗号通信におけるすべての方式で適用可能である。
本発明の一実施形態による微弱光パワー測定装置の技略的構成を示すブロック図である。 本実施形態による微弱光パワーの測定方法におけるバイアス印加タイミングの位相シフトの状態を説明するための波形図である。 位相シフト量に対する光子カウントと変化を模式的に示すグラフである。 本発明の第１実施例による温度無依存型Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙシステムの構成を示すブロック図である。 送信器のＰＢＳループの動作を説明するための模式的構成図である。 ＰＢＳループを伝播する光パルスの時間順序を示す説明図である。 本発明の第１実施例によるシステムにおける受信器２０での干渉消光比の測定手順を含む送信器１０のタイミング検索を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。 （ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。 メモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の有効光子カウントとクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図である。 本発明の第２実施例による量子暗号システムの送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて送信器のタイミング制御シーケンスを示すハンドシェイク図である。 本発明の第３実施例による量子暗号システムの送信器のタイミング制御手順を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で測定される有効光子カウントと干渉消光比の変化を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は４通りの基底および乱数の組み合わせのそれぞれについて受信器で検出される光子カウントの変化を示すグラフである。 （Ａ）はメモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント比と送信側のクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図であり、（Ｂ）はメモリ２７０に格納されている光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１の光子カウント比と受信側のクロックシフト量とのデータテーブルを模式的に示す図である。 Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の概略的構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 光子検出器
２ バイアス印加回路
３ タイミング制御回路
４ 光パワー測定部
５ 光子カウンタ
６ メモリ
７ パワー測定プログラム
10 送信器
100 量子ブロック
101 ファラデーミラー
102 位相変調器
103 PBS
104 PBSループ
105 可変光減衰器
106 レーザ
110 同期ブロック
120 データ通信部
130 通信制御部
20 受信器
200 量子ブロック
201 レーザ
202 光サーキュレータ
203 光カプラ
204 Short Path
205 Long Path
206 位相変調器
207 PBS
208，209 光子検出器（ＡＰＤ）
210 同期ブロック
220 データ通信部
230 通信制御部
240 タイミング制御部
250 光パワー測定部
260 光子カウンタ
270 メモリ
280 プログラムメモリ
30 光伝送路
40，50 波長多重フィルタ

Claims (23)

  1. 光パルス列の光パワーを測定する装置において、
    駆動タイミングに従って光子の到達の有無を検出する光子検出手段と、
    前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
    前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
    を有することを特徴とする光パワー測定装置。
  2. 前記測定手段は、前記駆動タイミングを所定シフト量ずつ所定の位相範囲で順次シフトさせることを特徴とする請求項１に記載の光パワー測定装置。
  3. 前記測定手段は、シフトするそれぞれの駆動タイミングの位相で、複数周期に相当する期間、前記計数手段により光子の数を計数することを特徴とする請求項２に記載の光パワー測定装置。
  4. 前記測定手段は、前記駆動タイミングを連続的にシフトさせ、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記計数手段の光子数から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項２に記載の光パワー測定装置。
  5. 前記測定手段は、前記駆動タイミングを前記所定シフト量ずつ順次シフトさせ、シフトするそれぞれの駆動タイミングでの前記計数手段の光子数をメモリに記録し、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記メモリに記録された光子数の系列から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項２に記載の光パワー測定装置。
  6. 光パルス列の光パワーを測定する装置において、
    駆動タイミングに従って光子の到達の有無を検出する光子検出手段と、
    前記駆動タイミングの位相をシフトさせるタイミング制御手段と、
    前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
    前記駆動タイミングの位相を順次シフトさせながら、それぞれの駆動タイミングにおいて前記計数手段により計数された光子数をメモリに格納し、格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
    を有する光パワー測定装置。
  7. 前記メモリには、前記駆動タイミングの位相シフト量とそれに対応する光子数とが順次格納されることを特徴とする請求項６に記載の光パワー測定装置。
  8. 前記光パルス列の光パワーは、前記駆動タイミングの位相シフト量に対応する光子数の所定の位相範囲における総和に対応することを特徴とする請求項７に記載の光パワー測定装置。
  9. 前記光子検出手段は、駆動タイミングに従ってバイアス電圧が印加され、バイアス電圧が印加されている間だけ光子入射の有無を検出できる光電変換素子であることを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の光パワー測定装置。
  10. 各光パルスは１フォトン／パルス以下の微弱光であることを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載の光パワー測定装置。
  11. 複数の通信チャネルを通して第１通信器と第２通信器との間で情報伝送を行う光通信システムにおいて、
    前記第１通信器は、
    与えられた変調タイミングに従って、送信すべき原情報により光パルス列を変調し、一の通信チャネルを通して送信する変調手段と、
    前記変調タイミングを変更可能なタイミング供給手段と、
    を含み、
    前記第２通信器は、
    前記一の通信チャネルを通して到達した光パルス列の光子の有無を駆動タイミングに従って検出する光子検出手段と、
    前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
    前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
    前記測定手段により測定された光パワーに基づいて前記第１通信器の前記変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、
    を含む、
    ことを特徴とする光通信システム。
  12. 前記タイミング制御手段は、前記変調タイミングを時間軸上でずらしながら前記測定手段により測定される光パワーを監視し、所望の光パワーが得られる変調タイミングを検索することを特徴とする請求項１１に記載の光通信システム。
  13. 複数の通信チャネルを通して光送信器との間で情報伝送を行う光受信器において、
    一の通信チャネルを通して前記光送信器から到達した光パルス列の光子の有無を駆動タイミングに従って検出する光子検出手段と、
    前記光子検出手段により検出された光子の数を計数する計数手段と、
    前記駆動タイミングをシフトさせることで前記計数手段により計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する測定手段と、
    前記測定手段により測定された光パワーに基づいて前記光送信器が行う光パルスに対する変調タイミングを別の通信チャネルを通して制御するタイミング制御手段と、
    を有することを特徴とする光受信器。
  14. 前記光子検出手段は第１光子検出器と第２光子検出器とからなり、
    前記一の通信チャネルを通して前記光送信器から到達した光パルス列の変調状態に応じて前記第１光子検出器および前記第２光子検出器のいずれか一方に光信号を出力する光変調検出手段を更に有することを特徴とする請求項１３に記載の光受信器。
  15. 前記測定手段は前記第１光子検出器および前記第２光子検出器のそれぞれにおいて測定された光パワーの比を算出し、前記タイミング制御手段は前記光パワーの比に基づいて前記光送信器の変調タイミングを制御することを特徴とする請求項１４に記載の光受信器。
  16. 光パルス列の光パワーを測定する方法において、
    光子検出器の駆動タイミングを順次シフトさせ、
    前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出し、
    検出された光子の数を計数し、
    計数された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する、
    ことを特徴とする光パワー測定方法。
  17. 前記駆動タイミングは所定シフト量ずつ所定の位相範囲で順次シフトさせることを特徴とする請求項１６に記載の光パワー測定方法。
  18. シフトするそれぞれの駆動タイミングの位相で、複数周期に相当する期間、光子の数を計数することを特徴とする請求項１７に記載の光パワー測定方法。
  19. 前記駆動タイミングを連続的にシフトさせ、前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記光子数から前記光パルス列の光パワーを測定することを特徴とする請求項１７に記載の光パワー測定方法。
  20. 前記駆動タイミングを前記所定シフト量ずつ順次シフトさせ、シフトするそれぞれの駆動タイミングでの前記光子数をメモリに記録し、
    前記所定の位相範囲のシフトが終了したときに、前記メモリに記録された光子数の系列から前記光パルス列の光パワーを測定する、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の光パワー測定方法。
  21. 光パルス列の光パワーを測定する方法において、
    光子検出器の駆動タイミングの位相をシフトさせ、
    前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出し、
    検出された光子の数を計数し、
    それぞれの駆動タイミングにおいて計数された光子数をメモリに格納し、
    格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定する、
    を有する光パワー測定方法。
  22. コンピュータに、光パルス列の光パワーを測定する装置を実装するプログラムにおいて、
    光子検出器の駆動タイミングを順次シフトさせるステップと、
    前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出するステップと、
    検出された光子の数を光子カウンタにより計数するステップと、
    光子カウンタの光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定するステップと、
    を有することを特徴とする光パワー測定プログラム。
  23. コンピュータに、光パルス列の光パワーを測定する装置を実装するプログラムにおいて、
    光子検出器の駆動タイミングの位相をシフトさせるステップと、
    前記駆動タイミングに従って前記光子検出器を駆動することで光子の到達の有無を検出するステップと、
    検出された光子の数を計数するステップと、
    それぞれの駆動タイミングにおいて計数された光子数をメモリに格納するステップと、
    格納された光子数に基づいて前記光パルス列の光パワーを測定するステップと、
    を有することを特徴とする光パワー測定プログラム。
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