JP4784202B2 - 多重化通信システムおよびそのクロストーク除去方法 - Google Patents
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Description
前記分離手段は、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち第1透過特性に従って前記第1チャネルを含む光信号を分離する第1分離手段と、前記第1分離手段により分離された光信号から第2透過特性に従って前記第1チャネルの光信号を分離する第2分離手段と、を有し、前記第1透過特性は前記第2チャネルに対するアイソレーションを満たし、前記第2透過特性は前記透過バンド幅を満たすように構成することもできる。
1.1)システム構成
図1(A)は本発明の第1実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、(B)は本実施形態における送信器側波長合分波器の古典チャネルの透過特性を示す図、(C)は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図である。
本実施形態において、量子チャネル51の波長、すなわちレーザ209の出力光の波長λQを1550nmとし、古典チャネル52の波長、すなわちE/O11のレーザ出力光の波長λAを1530nmとする。これらのレーザは温度制御され、それぞれの波長λQおよびλAは共に安定である。
図2は送信側の波長合分波器3に入射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図であり、図3は送信側の波長合分波器3から出射する古典チャネルの信号のパワースペクトルを示す図である。図2および図3において、横軸は波長(nm)、縦軸はパワーレベル(dBm)を示す。
光ファイバ中の伝搬特性として非線形光学効果があるが、ここでは特に古典チャネルにおける自然ラマン散乱およびパラメトリック増幅が問題となる。波長合分波器3を透過後、図3に示されるようなスペクトルであった古典チャネルの光信号は、光ファイバ伝送路5を伝搬するに従って非線形光学効果によるクロストーク光が生じる。
さらに、上述した自然放出光によるクロストーク光と非線形光学効果によるクロストーク光とを十分抑圧するためには、入力する古典チャネルのパワー、即ち送信側のE/O11のレーザ出力パワーも制御する必要がある。
以上説明したように、本実施形態によれば、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルと量子チャネルとの波長合分波器の透過特性(アイソレーションおよび透過バンド幅)を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
2.1)システム構成
図6(A)は本発明の第2実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、(B)は本実施形態における受信器側波長合分波器の量子チャネルの透過特性を示す図、(C)は本実施形態における受信器側の光検出器の前に設けられたバンドパスフィルタ(BPF)の透過特性を示す図である。なお、図6(A)において、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、BPF210および211を加えた以外は図1(A)に示す第1実施形態と同じ構成を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
波長合分波器3から出力された波長多重信号は光ファイバ伝送路5を伝搬し、図6(B)の特性を有する受信側の波長合分波器4に入射する。
以上説明したように、本実施形態によれば、古典チャネルの光パワーを制御し、古典チャネルと量子チャネルとの波長合分波器の透過特性(アイソレーションおよび透過バンド幅)および光検出器に対応して配置されたバンドパスフィルタの透過バンド特性を設計することによって、古典チャネルのクロストーク光を抑圧し、古典チャネルが量子チャネルに影響を及ぼさない量子暗号鍵配布システムを実現することができる。
図7は本発明の第3実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。ただし、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器1のO/E12および受信器2のE/O22が光ファイバ伝送路5の古典チャネル53を通して接続されていること以外は図1(A)に示す第1実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
図8は本発明の第4実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。ただし、本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器1にE/O13およびO/E14を、受信器2にO/E23およびE/O24を加え、送信器1のE/O13と受信器2のO/E23とは古典チャネル54を介して光学的に接続され、受信器2のE/O24と送信器1のO/E14とは古典チャネル55を介して光学的に接続されている。それ以外は図7に示す第3実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
図9は本発明の第5実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。本実施形態では、図8に示す第4実施形態における古典チャネル54および55が一般の通信で用いられる光信号のチャネル60に置き換えられている。それ以外は図7に示す第3実施形態と同じ構成および動作を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
図10は本発明の第6実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。本実施形態では、図1(A)に示す第1実施形態の送信器1におけるファラデーミラー103の代わりに、PBSループ104を用いた以外は図1(A)に示す第1実施形態と同じ構成を有しているので、同じ参照番号を付して詳細な説明は省略する。
7.1)システム構成
図11(A)は本発明の第7実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図、(B)はその送信器側に設けられた強度変調器のパワー制御動作を示す波形図である。図11(A)において、送信器1には量子ユニット10および強度変調器15が設けられ、受信器2には量子ユニット20、光スイッチ25およびO/E21が設けられている。光伝送路5と受信器2との間には、後述するバンドパスフィルタ6が設けられている。なお、量子ユニット10および20は、図1に示す第1実施形態のそれらと同様の構成を有し同様に動作する。
まず、レーザ209は通常の光パワーレベルを有する光パルスPを出力し、光パルスPは光サーキュレータ206によって光カプラ205へ出力され、光カプラ205で2分岐される。2分岐された光パルスP1およびP2はそれぞれShort Pass203およびLong Pass204を通り、光スイッチ25、バンドパスフィルタ6および光伝送路5を通して送信器1に送られる。
図12は本発明による量子暗号鍵配布システムを適用したネットワーク構成の一例を示すブロック図である。送信器TXおよび受信器RXは、それぞれ本発明の第1〜第7実施形態における送信器1および受信器2と同様である。
上述したように、第1〜第7実施形態において、古典チャネルの光源(E/O11、22、13、24)の出力パワーは、波長合分波器3および4の透過特性で量子チャネルに影響を与えず、かつ必要な伝送距離を伝播するレベルでなければならない(図5参照)。したがって、このような古典チャネルのそれぞれ対応する受光器(O/E21、12、14,23)は高感度であることが望ましい。受光器が高感度であれば、送信側の光源の出力パワーを低く設定することができ、クロストーク光の発生を有効に回避できるからである。高感度受光器は、たとえばフォトダイオードの前段に光増幅器を配置すること、あるいは、受光器としてアバランシェ・フォト・ダイオード(APD)を用いることで実現することができる。
10 量子ユニット
102 位相変調器
103 ファラデーミラー
11、13 E/O
12、14 O/E
2 受信器
20 量子ユニット
201 PBS
202 位相変調器
203 Short Path
204 Long Path
205 光カプラ
206 光サーキュレータ
207、208 APD
209 レーザ
21、23 O/E
21−a EDFA光プリアンプ
21−b PIN−PD
22、24 E/O
3、4 波長合分波器
5 光ファイバ伝送路
51 量子チャネル
52〜55 古典チャネル
56 一般の通信チャネル
6 バンドパスフィルタ
Claims (25)
- 第1チャネルと、前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化する多重化手段と、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち少なくとも前記第1チャネルを分離する分離手段と、を有し、
前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記多重化手段における前記第2チャネルの透過特性と、前記分離手段における前記第1チャネルの透過特性と、前記第2チャネルの光パワーと、を設定し、
前記多重化手段における前記第2チャネルの透過特性が前記多重化手段に入射する前記第2チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように設定されることを特徴とする光多重化通信システム。 - 前記分離手段における前記第1チャネルの透過特性は、前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第2チャネルの光信号の雑音成分を抑制し、
前記第2チャネルの光パワーは、前記第1チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載の光多重化通信システム。 - 前記多重化手段における前記第2チャネルの透過特性は前記第1チャネルに対するアイソレーションからなり、前記アイソレーションは前記第2チャネルの光源の自然放出光によるクロストーク光が抑圧されて前記第1チャネルの信号光の光パワーよりも小さくなるように設定され、
前記分離手段における前記第1チャネルの透過特性は前記第2チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第1チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、かつ、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第1チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光多重化通信システム。 - 前記分離手段は、
前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルのうち第1透過特性に従って前記第1チャネルを含む光信号を分離する第1分離手段と、
前記第1分離手段により分離された光信号から第2透過特性に従って前記第1チャネルの光信号を分離する第2分離手段と、
を有し、前記第1透過特性は前記第2チャネルに対するアイソレーションを満たし、前記第2透過特性は前記透過バンド幅を満たすことを特徴とする請求項3に記載の光多重化通信システム。 - 前記第2チャネルの光パワーは、前記多重化手段における前記第2チャネルの透過特性と、前記分離手段における前記第1チャネルの透過特性と、伝送距離と、に依存して決定されることを特徴とする請求項1に記載の光多重化通信システム。
- 前記第1チャネルにおける光パワーは、1フォトン/ビット以下であることを特徴とする請求項1に記載の光多重化通信システム。
- 第1チャネルと、前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
前記光伝送媒体の両端に、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化し、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルを分離する多重分離手段を設け、
少なくとも1つの第2チャネルは前記第1チャネルの情報伝送方向とは反対方向に光信号を伝送し、
前記少なくとも1つの第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記第1チャネルの受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも1つの第2チャネルの透過波長の反射減衰量と、送信側にある前記多重分離手段の前記少なくとも1つの第2チャネルの透過波長の反射減衰量と、前記少なくとも1つの第2チャネルの光源の光パワーと、を設定し、
前記第1チャネルの受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも1つの第2チャネルの透過波長の反射減衰量が当該多重分離手段に入射する前記第2チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように設定されることを特徴とする光多重化通信システム。 - 前記第1チャネルの情報伝送方向と同じ方向に光信号を伝送する少なくとも1つの第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第2チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第1チャネルの透過特性と、当該第2チャネルの光源のパワーと、を設定することを特徴とする請求項7に記載の光多重化通信システム。
- 前記第2チャネルの光源の光パワーは、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第2チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第1チャネルの透過特性と、伝送距離と、に依存して決定されることを特徴とする請求項7または8に記載の光多重化通信システム。
- 前記第1チャネルにおける光パワーは、1フォトン/ビット以下であることを特徴とする請求項7に記載の光多重化通信システム。
- 第1チャネルと、前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数のチャネルを時分割多重して光伝送媒体を通して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
前記第1チャネルおよび第2チャネルの光パワーをそれぞれ設定して前記光伝送媒体へ順次出力する強度制御手段と、
前記光伝送媒体を伝送されてきた光信号をフィルタリングする所定透過特性のフィルタ手段と、
を有し、前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記フィルタ手段の前記所定透過特性と、前記強度制御手段による前記第2チャネルの光パワーと、を設定し、
前記フィルタ手段の前記所定透過特性が前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第2チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように設定されることを特徴とする光多重化通信システム。 - 前記第2チャネルの光パワーは、前記第1チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
ことを特徴とする請求項11に記載の光多重化通信システム。 - 前記フィルタ手段の前記所定透過特性は前記第2チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第1チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、かつ、前記透過バンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第1チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
ことを特徴とする請求項11または12に記載の光多重化通信システム。 - 前記第2チャネルの光パワーは、前記フィルタ手段の前記所定透過特性と伝送距離とに依存して決定されることを特徴とする請求項11に記載の光多重化通信システム。
- 前記第1チャネルにおける光パワーは、1フォトン/ビット以下であることを特徴とする請求項11に記載の光多重化通信システム。
- 第1チャネルと前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおけるクロストーク除去方法において、
前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化し、
前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第1チャネルの光を所定の透過特性で透過させ、
前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で前記第2チャネルの光パワーを設定し、
前記多重化ステップにおいて、前記第2チャネルの光信号の雑音成分が抑制されるように前記第2チャネルの透過特性が設定されることを特徴とするクロストーク除去方法。 - 前記透過ステップにおける所定の透過特性は、前記光伝送媒体を伝播することで生じた前記第2チャネルの光信号の雑音成分を抑制するように設定され、
前記光パワー設定ステップにおける前記第2チャネルの光パワーは、前記第1チャネルの雑音成分が所定の許容範囲内に収まる範囲における所定値以上に設定される、
ことを特徴とする請求項16に記載のクロストーク除去方法。 - 前記多重化ステップにおける前記第2チャネルの透過特性は前記第1チャネルに対するアイソレーションからなり、前記アイソレーションは前記第2チャネルの光源の自然放出光によるクロストーク光が抑圧されて前記第1チャネルの信号光の光パワーよりも小さくなるように設定され、
前記透過ステップにおける前記所定の透過特性は前記第2チャネルに対するアイソレーションおよび透過バンド幅からなり、前記アイソレーションは前記光伝送媒体を伝播することで非線形光学効果により生じたクロストーク光のパワーが前記第1チャネルの信号の光パワーより小さくなるように設定され、前記所定のバンド幅は前記クロストーク光のパワーが前記第1チャネルのスペクトルに影響を及ぼさない範囲で所定値以下の幅に設定される、
ことを特徴とする請求項16または17に記載のクロストーク除去方法。 - 前記多重化ステップにおいて、前記複数の通信チャネルは前記光伝送媒体に波長分割多重されることを特徴とする請求項16に記載のクロストーク除去方法。
- 前記多重化ステップにおいて、前記複数の通信チャネルは前記光伝送媒体に時分割多重され、前記第1チャネルおよび第2チャネルの光パワーをそれぞれ設定して前記光伝送媒体へ順次出力することを特徴とする請求項16に記載のクロストーク除去方法。
- 第1チャネルと前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送し、前記光伝送媒体の両端に、前記複数の通信チャネルを前記光伝送媒体に多重化し、前記光伝送媒体を伝送されてきた前記複数の通信チャネルを分離する多重分離手段を有し、少なくとも1つの第2チャネルは前記第1チャネルの情報伝送方向とは反対方向に光信号を伝送する光多重化通信システムにおけるクロストーク除去方法において、
前記第1チャネルの送信側において、前記少なくとも1つの第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段の前記少なくとも1つの第2チャネルの透過波長の反射減衰量を設定し、
前記第1チャネルの受信側において、前記少なくとも1つの第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記受信側にある前記多重分離手段における前記少なくとも1つの第2チャネルの透過波長の反射減衰量を設定し、
前記受信側において、前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で前記少なくとも1つの第2チャネルの光源の光パワーを設定する、
ことを特徴とするクロストーク除去方法。 - 前記第1チャネルの情報伝送方向と同じ方向に光信号を伝送する少なくとも1つの第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記送信側にある前記多重分離手段における当該第2チャネルの透過特性と、前記受信側にある前記多重分離手段における前記第1チャネルの透過特性と、当該第2チャネルの光源のパワーと、を設定することを特徴とする請求項21に記載のクロストーク除去方法。
- 光パワーが1フォトン/ビット以下である第1チャネルと前記第1チャネルの光パワーより大きな光パワーを有し前記第1チャネルに対して影響を及ぼしうる第2チャネルとを含む複数の通信チャネルを光伝送媒体に多重化して情報を伝送する光多重化通信システムにおいて、
前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように前記複数の通信チャネルを多重化する多重化手段と、
前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさないように、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光のうち前記第1チャネルの光を所定の透過特性で透過させるフィルタ手段と、
を有し、前記第2チャネルの光パワーは、前記光伝送媒体を伝送されてきた伝送光において前記第2チャネルが前記第1チャネルに対して影響を及ぼさない範囲で設定されることを特徴とする光多重化通信システム。 - 前記多重化手段は波長合波器であり、前記フィルタ手段は波長分波器であることを特徴とする請求項23に記載の光多重化通信システム。
- 前記多重化手段は、前記第1チャネルと前記第2チャネルとを時分割多重するためにそれらの光パワーをそれぞれ設定する強度変調器であることを特徴とする請求項23に記載の光多重化通信システム。
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