JP4759308B2 - 光強度変調方式量子暗号の光受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光強度変調方式Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた暗号通信に好適な光受信装置に係り、暗号Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵によって選択される信号判定用の閾値を伝送データに同期して調整する、もしくは光信号の光強度加算処理、同減算処理により復号を行う機能を持つ光受信装置に関する。

一般に通信技術においては通信信号を暗号化処理することが行われており、この暗号化技術としては、信号系の物理現象を利用した物理暗号方式と数学的解析手法を用いたソフトウェア暗号（数理暗号）方式が知られている。

前記ソフトウェア暗号（数理暗号）方式は、符号の組合せの多さにより解読の難易度を確保する方式のため、全ての組合せによる照合を（全数検索攻撃）を行うことにより原理上は解読が可能である。これに対して物理暗号方式は、原理的に解読を不可能とすることを目的とした暗号方式である。

量子暗号方式としては、例えば、下記非特許文献１の如く、１９８４年のＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄとによる秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）があり、この文献にはｏｎｅ ｔｉｍｅ ｐａｄ法に必要な大量の鍵の配送を量子通信を応用して実現することが提案されている。

また、他の量子暗号として、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者が光信号を正確に受信できなくすることにより、無限の計算能力でも解読不能な共通鍵量子暗号が開発されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底と呼ぶ）とし、この基底をＭ個用意し、どの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決めるようにしたことにより、現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができないものである。

前記正規送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができ、結局、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正確な通信が可能となる。

上記方式に基づく暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれ、現在このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式としては、Ｐ．ＫｕｍａｒやＨ．ＹｕｅｎらのＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学が非特許文献２により光位相変調方式を発表し、玉川大学グループが非特許文献３により光強度変調方式を発表している。

次に前記非特許文献３に記載された光強度変調方式によるＹｕｅｎ量子暗号の基本原理回路について図９を用いて説明する。

この基本回路は、図中左側が送信機、右側が受信機を表し、光搬送波を出力するレーザダイオードからなる搬送波発生器５０１と、搬送波に多値強度変調を与える多値光強度変調器５０２と、暗号鍵Ｋの入力により擬似乱数を発生しＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する送信用擬似乱数発生器５０３と、１または０の送信データを発生する送信データ発生器５０５と、光ファイバー等の伝送路である通過路５０６と、該通過路５０６を通過した光信号を受信して光電変換を行うフォトダイオード５０９と、暗号鍵Ｋの入力により前記受信用疑似乱数発生器５０３と同期がとられた同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する受信用擬似乱数発生器５０４と、前記フォトダイオード５０９で受信した光信号を前記受信用擬似乱数発生器５０４からのＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従い多値信号判定用の受信閾値を制御し、１と０との判定（弁別）を行って受信データを出力する閾値制御器５０８とから構成され、搬送波発生器５０１からの搬送波出力に送信データ発生器５０５から発生した送信データをＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に従い多値光強度変調器５０２により多値光信号を発生し、通過路５０６を介して伝送された光多値信号をフォトダイオード５０９にて光電変換し、送信時と同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を基に閾値制御器５０８が受信閾値を制御して受信データを判別、出力する様に構成されている。このＹｕｅｎ量子暗号は通信システム自体が量子性の弱い従来の光通信で構成されているが、鍵を知らない盗聴者は量子ゆらぎによって情報が得られない工夫がなされていることに基づく超安全性を提供する暗号である。
Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ， Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｐ． １７５， （１９８４）． Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ， Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ， Ｐ．Ｋｕｍａｒ， Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ， "Ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ，" Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ−９０， ２２７９０１， （２００３） Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ， Ｋ．Ｋａｔｏ， Ｍ．Ｓｏｈｍａ， Ｔ．Ｕｓｕｄａ， Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔｒｅａｍ ｃｉｐｈｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ" ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ． ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｍａｇｉｎｇ ｖｏｌ−５５５１， （２００４）

前述の図９に示した回路は、送受信回路の基本原理を示すものであるが、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号を実装するための受信機は送信信号として送られてくる多値の光信号をＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に従って切り替わる閾値を用いて弁別しなければエラーのないデータが得られず、このような強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号の送受信機の現実的に使用可能な回路構成は提案されていないと言う不具合があった。

本発明の目的は、前述の従来技術による不具合を除去することであり、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信することができる光受信装置の具体的構成を提供することである。

前記目的を達成するため本発明は、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する光受信装置において、光信号を受信するフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器出力信号の最大ピーク値を検出する最大ピーク値検出回路と、該増幅器出力信号の最小ピーク値を検出する最小ピーク値検出回路と、前記増幅器出力信号を基に同期信号を生成するＣＤＲ・フレーム同期回路と、前記最大及び最小ピーク検出回路で検出した最大及び最小ピーク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵を基に閾値を調整する閾値調整回路と、該閾値調整回路の出力を一方の入力とし、前記増幅器の出力信号を他方の入力とし、両者を比較して弁別したデータ信号を出力するコンパレータとを備えたことを第１の特徴とし、前記閾値調整回路が、前記最大ピーク検出回路が検出した最大ピーク値が供給される第１の抵抗と、前記最小ピーク検出回路が検出した最小ピーク値が供給される第２の抵抗調整器と、該第１の抵抗と第２の抵抗調整器により決定される閾値信号を前記コンパレータの一方の入力とする回路とから構成されることを第２の特徴とし、前記閾値調整回路が、前記最大ピーク検出回路が検出した最大ピーク値と前記最小ピーク検出回路が検出した最小ピーク値が供給され、該最大及び最小ピーク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵から閾値信号を出力するＤ／Ａコンバータと、該Ｄ／Ａコンバータの出力信号を前記コンパレータの一方の入力とする回路とから構成されることを第３の特徴とする。

更に本発明は、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する光受信装置において、光信号を受信するフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記増幅器出力信号を基に同期信号を生成するＣＤＲ・フレーム同期回路と、前記Ａ／Ｄコンバータの出力信号とＲｕｎｎｉｎｇ鍵により定義される正規データ埋め込み位置とを比較することにより弁別したデータ信号を出力するデコーダとを備えたことを第４の特徴とする。

更に本発明は、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する光受信装置において、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に多値光信号の光強度が同一レベルとなるように調整する光強度調整機能部と、該光強度調整機能部出力を受信、光電変換する二値光受信機を備えたことを第５の特徴とし、前記光強度調整機能部がＲｕｎｎｉｎｇ鍵を基に、多値光信号の内、光強度が高い光信号を低い光信号のレベルに合わせる光強度変調器で構成されることを第６の特徴とし、前記光強度調整機能部が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に、多値光信号の内、光強度が低い光信号を高い光信号のレベルに上げるレーザダイオード及び合波器で構成されることを第７の特徴とする。

本発明による光強度変調方式量子暗号の受信装置は、受光信号の最大及び最小ピ―ク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵から閾値を制御してデータの弁別を行うことや、受光信号をディジタル化した後にデコーダによりＲｕｎｎｉｎｇ鍵により定義される正規データ埋め込み位置と比較してデータの弁別を行うことや、多値光信号の光強度を所定の範囲に収まるように受光信号を減光又は増光し二値光受信機で受信することにより、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号を実装するための受信装置を構成することができる。

以下、本発明による光強度変調方式量子暗号の光受信装置の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態による光受信装置の構成を示す図、図２は光強度変調方式Ｙｕｅｎ量子暗号通信の多値データ基底構造を示す図、図３は本発明の第２の実施形態による光受信装置の構成を示す図、図４は本発明の第３の実施形態による光受信装置の構成を示す図、図５は本発明の第４の実施形態による光受信装置の構成を示す図、図６は第４実施形態による受信装置の光強度レベル調整内容を説明するための図、図７は本発明の第５の実施形態による光受信装置の構成を示す図、図８は第５実施形態による受信装置の光強度レベル調整内容を説明するための図である。
<第１実施形態>

本発明の第１実施形態による光受信装置は、ピーク値検出と抵抗値調整回路による閾値制御を用いた受信機構成であり、図１に示す如く、光信号を受信するフォトダイオード１０１と、該フォトダイオード１０１により光電変換された受信信号を増幅する増幅器１０２と、該増幅器１０２出力を入力とし、その最大ピーク値を検出する最大ピーク値検出回路１０３と、同様に最小ピーク値を検出する最小ピーク値検出回路１０４と、該検出回路１０３及び１０４で検出した最大最小ピーク値の差を両抵抗値比により案分する固定抵抗Ｒ１及び抵抗調整回路１０６と、前記増幅器１０２出力を入力として同期信号を生成するCDR（ClockData Recovery）機能をもつＣＤＲ・フレーム同期回路１０５と、該ＣＤＲ・フレーム同期回路１０５の同期信号に同期してＲｕｎｎｉｎｇ鍵を抵抗調整回路１０６に供給するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０７と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従い抵抗値制御を行う前記抵抗調整回路１０６と、該固定抵抗Ｒ１及び抵抗調整回路１０６により制御された閾値信号を一方の入力とし、前記増幅器１０２出力(O/E変換、増幅後の多値信号)を他方の入力とし、両者を比較してデータ信号を弁別して出力するコンパレータ１０８とを備える。

光強度変調方式Ｙｕｅｎ量子暗号通信で用いられる伝送信号は、図２左端に示す如く、送信側にて光強度が多値化された信号の多値数を２Ｍとすると、Ｍ通りのデータ基底組み合わせを持ち、光受信装置ではＲｕｎｎｉｎｇ鍵に応じてＭ通りのデータ識別閾値を制御することによって、データの弁別を行う

この光受信回路は、受信した光信号をフォトダイオード１０１により光電変換し、この光電変換した信号を増幅器１０２により増幅した後に分岐し、一方の分岐信号を最大及び最小ピーク値検出回路１０３及び１０４により最大及び最小ピーク値を検出し、暗号鍵から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従い閾値制御用抵抗Ｒ２を調整することで多値信号判別用の閾値を生成し、その閾値信号をコンパレータ１０８の一方に入力して増幅器１０２からの入力信号（多値信号）を弁別し、データの再生を行う。

本実施形態による光受信回路は、弁別にコンパレータ１０８を使用し、コンパレータ１０８以降のデータ取り扱いは通常の二値伝送と同様にすることができる。また閾値制御用抵抗回路の抵抗値Ｒ２の設定は、例えばＲ２＝Ｒ１の時に閾値制御範囲１〜Ｍの中心点２／Ｍとなり、同様にＲ１：Ｒ２＝１：３とした場合、閾値制御範囲１〜Ｍの１になり、Ｒ１：Ｒ２＝１：１／３とした場合にＭ番目の閾値設定となる。
<第２実施形態>

本発明の第２実施形態による光受信装置は、図３に示す如く、前記実施形態と同様なフォトダイオード１０１／増幅器１０２／最大ピーク値検出回路１０３／最小ピーク値検出回路１０４／ＣＤＲ・フレーム同期回路１０５／コンパレータ１０８に加え、前記検出回路１０３及び１０４で検出した最大最小ピーク値と該ＣＤＲ・フレーム同期回路１０５からの同期信号に同期したＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０７出力に従い、Ｄ／Ａコンバータ３０１のＤ／Ａ変換出力値を制御し、コンパレータ１０８にて多値信号を判別するための閾値を生成する。その閾値によりコンパレータ１０８の他方の入力に入力された多値信号の判別を行い、二値データ化する。
<第３実施形態>

本発明の第３実施形態による光受信装置は、図４に示す如く、光信号を受信するフォトダイオード１０１と、該フォトダイオード１０１により光電変換された受信信号を増幅する増幅器１０２と、該増幅器１０２出力のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄコンバータ４０１と、該Ａ／Ｄコンバータ４０１によりディジタル化された多値信号の復号化を行うデコーダ４０２と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０７と、前記増幅器１０２出力を入力として同期信号を生成して前記Ａ／Ｄコンバータ４０１及び該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０７に供給するＣＤＲ・フレーム同期回路１０５とを備え、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵によりデコーダ４０２の復号化を制御し、信号を再生するように動作する。

即ち本実施形態による光受信回路は、第１〜第２実施形態が受信した多値信号をアナログ状態で適切な閾値を決め、コンパレータにより二値化したのに対し、受信信号を最初にディジタル化し、このディジタル化信号の出力値を後段のデコーダ４０２によりＲｕｎｎｉｎｇ鍵により定義される正規データ埋め込み位置と比較することにより、データの弁別を行うものである。
<第４実施形態>

本発明の第４実施形態による光受信装置は、図５に示す如く、伝送路６０１を介して光信号を受信し、光強度の変調を行う光強度変調器６０４と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に光強度変調器６０４のバイアス値を調整して所定の光強度調整量に調整するためのバイアス調整回路６０３と、光強度を調整された光強度変調器６０４の光信号出力を受信且つ光電変換を行う二値光受信機６０５とから構成される。

この様に構成される光受信装置は、図６に示す如く、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に応じてバイアス値が調整される光強度変調器６０４が、多値で入力された光強度そのものを所定の強度レベルになるように光吸収量等を調整することで光強度を調整する。例えばデータＡの光強度をデータＢの光強度と一致する様に光強度調整することによって送信側の多値信号を二値化してから二値光受信機６０５により光電変換を行って出力する様に動作する。即ち本実施形態による受信回路は、前述の実施形態のように多値光信号を光電変換した後に二値化処理するものとは異なり、伝送された光信号そのものの光強度一定になるように調整するものである。尚、本実施形態による光強度の調整は、強度が高い光信号を強度が低い光信号のレベルに合わせるように低減させるものである。
<第５実施形態>

本発明の第５実施形態による光受信装置は、図７に示す如く、光を発する光強度可変光源であるレーザダイオード８０４と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器８０２出力を基に前記レーザダイオード（ＬＤ）８０４から出力する光強度を調整するＬＤドライバ８０３と、伝送路８０１を介して伝送された光多値信号とレーザダイオード（ＬＤ）８０４の光出力とを合成する合波器８０５と、該合波器８０５から出力される光信号を受信し光電変換を行う二値光受信機８０６とから構成される。

この様に構成される受信装置は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に応じて発光する光強度が調整されるレーザダイオード（ＬＤ）８０４が、受光した光強度そのものを所定の強度レベルになるように合波する、例えば図８に示す如く、データＡの光強度とデータＢの光強度とを図中右端に示す光強度になるように、レーザダイオード８０４の光出力を調整し、合波することによって送信側の多値信号を二値化してから二値光受信機８０６により光電変換を行って出力する様に動作する。即ち本実施形態による受信回路は、前述の実施形態のように強度が高い光信号を強度が低い光信号のレベルに合わせるように低減するものではなく、所定の光強度になるように低い光信号に光の加算を行い一定の光強度レベルに変換するものである。

以上述べた如く前述の各実施形態による光受信装置によれば、受光信号の最大及び最小ピ―ク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵から閾値を制御してデータの弁別を行うことや、受光信号をディジタル化した後にデコーダによりＲｕｎｎｉｎｇ鍵により定義される正規データ埋め込み位置と比較してデータの弁別を行うことや、多値化した受光信号の光強度を所定の範囲に収まるように受光信号を減光又は増光することにより、光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号を実装するための受信装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態による光受信装置の構成を示す図。 光強度変調方式Ｙｕｅｎ量子暗号通信でのデータ基底構造を示す図。 本発明の第２の実施形態による光受信装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施形態による光受信装置の構成を示す図。 本発明の第４の実施形態による光受信装置の構成を示す図。 該第４実施形態による光強度レベル調整内容を説明する図。 本発明の第５の実施形態による光受信装置の構成を示す図。 該第５実施形態による光強度レベル調整内容を説明する図。 光強度変調方式Ｙｕｅｎ量子暗号送受信機の基本構成を示す図。

符号の説明

１０１：フォトダイオード、１０２：増幅器、１０３：最大ピーク値検出回路、１０４：最小ピーク値検出回路、１０５：ＣＤＲ・フレーム同期回路、１０６：抵抗調整回路、１０７：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器、１０８：コンパレータ、３０１：ＤＡコンバータ、４０１：ＡＤコンバータ、４０２：デコーダ、６０１：伝送路、６０２：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器、６０３：バイアス調整回路、６０４：光強度変調器、６０５：二値光受信機、８０１：伝送路、８０２：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器、８０３：ＬＤドライバ、８０４：レーザダイオード、８０６：二値光受信機、８０５：合波器、５０１：搬送波発生器、５０２：多値光強度変調器、５０３：擬似乱数発生器、５０４：擬似乱数発生器、５０５：送信データ発生器、５０６：通過路、５０８：閾値制御器、５０９：フォトダイオード。

Claims (7)

1. 光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する受信装置であって、光信号を受信するフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器出力信号の最大ピーク値を検出する最大ピーク値検出回路と、該増幅器出力信号の最小ピーク値を検出する最小ピーク値検出回路と、前記増幅器出力信号を基に同期信号を生成するＣＤＲ・フレーム同期回路と、前記最大及び最小ピーク検出回路で検出した最大及び最小ピーク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵を基に閾値を調整する閾値調整回路と、該閾値調整回路の出力を一方の入力とし、前記増幅器の出力信号を他方の入力とし、両者を比較して弁別したデータ信号を出力するコンパレータとを備えたことを特徴とする光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
2. 前記閾値調整回路が、前記最大ピーク検出回路が検出した最大ピーク値が供給される第１の抵抗と、前記最小ピーク検出回路が検出した最小ピーク値が供給される第２の抵抗調整器と、該第１の抵抗と第２の抵抗調整器により制御される閾値信号を前記コンパレータの一方の入力とする回路とから構成されることを特徴とする請求項１記載の光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
3. 前記閾値調整回路が、前記最大ピーク検出回路が検出した最大ピーク値と前記最小ピーク検出回路が検出した最小ピーク値が供給され、該最大及び最小ピーク値とＲｕｎｎｉｎｇ鍵により閾値を決定するＤ／Ａコンバータと、該Ｄ／Ａコンバータの出力信号を前記コンパレータの一方の入力とする回路とから構成されることを特徴とする請求項１記載の光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
4. 光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する光受信装置であって、光信号を受信するフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記増幅器出力信号を基に同期信号を再生するＣＤＲ・フレーム同期回路と、前記Ａ／Ｄコンバータの出力信号と該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵により定義される正規データ埋め込み位置と比較することにより弁別したデータ信号を出力するデコーダとを備えたことを特徴とする光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
5. 光強度変調方式のＹｕｅｎ量子暗号通信による光信号を受信する光受信装置であって、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に、光多値信号の光強度が同一レベルとなるように調整する光強度調整機能と、該光強度調整機能により二値化された光信号を光電変換する二値光受信機とを備えたことを特徴とする光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
6. 前記光強度調整機能が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に光吸収量制御等を行うことで、光強度が高い光信号を低い光信号レベルに合わせる光強度変調器で構成されることを特徴とする請求項５記載の光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
7. 前記光強度調整機能が、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を基に、多値光信号の内、光強度が低い光信号を高い光信号レベルに上げる光強度可変光源及び合波器により構成されることを特徴とする請求項５記載の光強度変調方式量子暗号の光受信装置。
   

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