JP5260171B2 - 光通信システム - Google Patents
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Description
1.キャリア光に揺らぎを伴った光を利用し、正規受信者に対してもビット誤りがある。
2.伝送時の信号が2値の場合、送信基底数は2以上にする。
3.正規の送受信者は種鍵を予め共有するとし、それにより正規の送受信者はどの基底を用いて信号を送受信したかを知るものとする。従って、正規受信者は2値判定可能である。
4.不正受信者は送信基底を知らないので、例えば基底数が2ならば4値判定できるのみである。
5.ビット誤りがあるので誤り訂正符号の復号化が必須である。
6.誤り訂正符号は2値信号に対する符号なので、復号時には2値判定した結果が必要である。
7.4値判定しかできない不正受信者も復号のために2値判定しなければならない。
8.この差の分が正規の送受信者間の安全な情報量を与える。送受信する信号を乱数とし、プライバシーアンプの手法により送受信した乱数信号のビット数から安全な情報量までビット数を減らせば、情報理論的に安全な鍵を送受信者間で新たに共有できたことになる。
9.予め正規の送受信者間で共有していた種鍵を繰り返し使用すると不正受信された信号の解読を許すことになるので、信号(乱数信号を含む)と乱数(乱数信号とは別)を交互に送受信し、送受信された乱数を新たな秘密鍵として送受信基底を刷新していく。
(実施例1)
本発明は位相変調方式、振幅変調方式のいずれでも適用可能であるが、ここでは位相変調方式の場合を示す。また簡単化のため信号は2値とし、基底数は2とする。位相変調は参照光を必要とするPhase-shift keying (PSK)でも差動型のDifferential-phase-shift keying(DPSK)でもどちらでも良い。図1は本発明の基本的部分の一例を示すブロック図である。図2は位相空間内の信号の様子を示す。各三日月形の部分が各信号状態の揺らぎを模式的に示す。信号が2値、基底数が2なので信号状態は合計4値になる。基底がq軸に選ばれた場合、q軸を基準にした位相0とπの状態が“1”,“0”の信号になり(図2(a))、p軸に基底が選ばれた場合、位相π/2と3π/2の状態が“1”, “0”の信号になる(図2(b))。
(実施例2)
実施例1では送受信者間で予め種鍵を共有しておりそれを用いて送信基底の選択をした。キャリア光に揺らぎを伴うために基底の多値化が有効であった。しかしながら、種鍵を繰り返し利用すると揺らぎの効果が縮小する。一般に同じ揺らぎの同じ信号をm回測定すれば揺らぎは1/√mに縮小されるからである。したがって、同じ種鍵を繰り返し使う回数を極力減らすことが有効である。そこで信号と乱数を交互に送り、伝送された乱数を次回の伝送時における基底選択のための秘密鍵に利用することを考える。信号と乱数を1:1の比で伝送するとすれば同じ秘密鍵を2回ずつ使うことになる。揺らぎの効果は1/√2に縮小されるが、まだ十分な大きさである。
(実施例3)
実施例1、2においてはキャリア光の揺らぎを利用して安全な情報量Cを確保できることを示した。しかしながら、安全な情報量はC = I(X;Y) - I(X;Z)のみで、伝送されたビット数すべてが安全なわけではない。したがって、伝送したい信号すべてに安全性を保証する必要がある場合には別の仕組みが必要である。その一例を示したのが図6である。実施例1,2で信号としていた情報を乱数発生器1110から出力される乱数とし、ここでは乱数信号1と呼ぶことにする。乱数信号1は送信機100から伝送路201を通して受信機300まで実施例2の手続きにより伝送され、乱数信号3として出力される。乱数信号1、3は乱数なので情報そのものに意味がある訳ではない。そこで、ビット数縮小演算器1120及び3120により論理演算を繰り返して安全な情報量Cまで情報量を減らす。例えば、乱数信号列1,3をs1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8,…としてti = s2i-1 + s2i(但し、i = 1, 2, 3, …、+は論理和を表す)と論理演算すればビット数は半分になる。この処理を繰り返せば、所望の情報量までビット数を減らすことができる。この処理は送信機側及び受信機側でまったく同じことを行うもので、所謂Privacy amplificationである(非特許文献3)。ビット数を減らされた乱数信号1121及び3121は情報理論的に安全性が保証された情報量Cになっているので、これをone-time-padの秘密鍵として実際に送りたい信号を暗号化して通常の暗号通信をすればよい。即ち、実際に送りたい信号11は、暗号鍵1121を用いて光送信機1130により伝送路202に送信され、光受信機3130において暗号鍵3121により平分に復号化され、最終的な出力信号31を得る。
(実施例4)
実施例3ではビット数縮小演算(Privacy amplification)を行い情報理論的に安全な情報量を確保した。しかしながら、一般の通信で常に情報理論的安全性が要求されるわけではなく、効率を上げるために安全性のレベルを下げることも考えうる。通常よく利用される計算量的安全性の暗号(ストリーム暗号、等)と揺らぎを伴うキャリア光を併用すれば、情報理論的安全性は達成できないまでも通常の計算量的安全性よりは高いレベルの安全性を実現できる。
(実施例5)
実施例4では擬似乱数を用いた暗号と揺らぎを伴うキャリア光の併用したシステムについて記述した。乱数発生器140からの出力列と信号列1の合成は信号列1を暗号化してから行った。しかしながら暗号化は、乱数発生器140からの出力乱数列と信号列1の合成後に行うことも可能である。図8にその場合のブロック図を示す。送信機内の暗号器151と合成器142の順番が図7と比べて入れ替わっている。同様に受信機内の分離器331と復号器341の順番が図7と図8とでは入れ替わっている。この順番が入れ替わっていること以外は本実施例の手続きは実施例4と同様である。本実施例では乱数を含めて暗号化されるので解読がより困難になる。
(実施例6)
実施例4及び5においては、擬似乱数を用いた暗号と揺らぎを伴うキャリア光を併用したシステムについて述べた。これらのシステムを実施例3で述べた鍵生成システムに適用することも可能である。即ち、図7及び図8の送受信機を図6の送受信機に適用することができる。この場合、ビット数縮小演算器1120及び3120では要求する安全性のレベルに応じて縮小されるビット数を決めればよい。
(実施例7)
実施例6まではレーザー光源110からの出力光を揺らぎ生成器120により揺らぎを伴う光にしてから変調器130において信号重畳がなされた。しかしながら、揺らぎの生成は信号重畳後においても可能である。従って、揺らぎ生成器120と変調器130の順番を入れ替えることが可能であり、例えば、図4の送受信系に対してそれを実現したものを図9に示す。他のシステム構成に対してもこの入れ替えは可能である。
(実施例8)
揺らぎ生成器120は様々な形態が考えられるが光ファイバのカー効果を使った方法が便利である。一例を図10に示す。レーザー光源110からの出力光は光アンプ121により増幅され、帯域フィルタ122を通過して光ファイバ123を伝播する。この際、光ファイバのカー効果を通して位相揺らぎが加わる。レーザー出力光はコヒーレント状態で比較的よく記述でき、位相空間上の揺らぎの形が円形であるが、光ファイバのカー効果を通して楕円形、またさらに進んで三日月形になる。このように揺らぎの形が楕円形や三日月形になった光をアンチスクイズド光と呼ぶ(非特許文献4および非特許文献5)。カー効果は光強度に比例して大きくなるので、パルス光にしてピーク強度を大きくするのが有効である。この場合、ファイバ伝播に伴うパルス広がりを抑えることが効果的であり、ソリトン条件を満足するようにパルス幅、光強度、ファイバの分散値を選ぶと良い(特許文献1)。また上記のソリトン条件よりもさらに光強度を増加させると高次ソリトンの条件を満たすことが可能になり(特許文献1)、パルス幅縮小効果が働きカー効果を増強することができる。またその際スペクトル幅が拡大することになり、スペクトルの拡大は位相検出において位相揺らぎと同等な効果を示すのでさらに揺らぎの効果が増強される。またカー効果と同様にラマン効果も位相揺らぎの拡大に有効である。
(実施例9)
実施例8においては光ファイバのカー効果で揺らぎを生成することを示した。揺らぎはその他熱揺らぎを始めとして様々な方法で生成することができる。一方、乱数発生器を用いて算術的に揺らぎ相当分の位相を付加することも可能である。図4のシステムに対してそれを実現した一例を図12に示す。乱数発生器115からの出力を揺らぎに見立てるために多値化し(回路116)、それと誤り訂正符号化された合成列及び種鍵141に基づく基底選択の信号を回路144において加算して変調器130への入力信号とする。この場合、キャリア光そのものの揺らぎは基本的にコヒーレント状態であるが、多くのビットを平均して見ると図2に示すような三日月形の揺らぎになる。信号列1から信号列3を得る手順は実施例2と同様である。
(実施例10)
位相変調方式の場合、検出器320は平衡型ホモダイン検出器を用いることができる。図14にDPSK方式対応の平衡型ホモダイン検出器を示す。DPSK方式では隣り合うビット間の位相差に信号が重畳されているので、1ビット遅延干渉計321を用いて隣り合うビット間で信号光を干渉させた上で2個の光検出器322及び323により電気信号に変換する。差動回路324は2つの電気信号の差を取るもので、これが出力信号となる。この出力は位相空間上にある信号をある軸方向に射影したものになっている。どの軸方向への射影になるかは1ビット遅延干渉計321の2つの光路の位相差で決まる。図2(c)の場合はq軸の値により信号判定する設定になっており、1ビット遅延干渉計321は射影軸がq軸になるように設定する。PSKの場合は、1ビット遅延干渉計321が不要になるが、参照光源が必要になりその参照光と信号光の干渉信号が2つの光検出器で電気信号に変換される。
(実施例11)
実施例10までは2値で2基底の位相変調方式を例にとって示してきた。しかしながら、本発明は強度変調方式においても適用可能で、強度変調方式の場合の最も基本的な部分のブロックを示したのが図15である。図16には2値で2基底の場合の強度分布関数の様子を示す。強度変調方式では“0”, “1”の信号強度が基底に依存して変化する。2値で2基底の場合、信号状態は合計4値になる。受信機では選択した基底に依存して判定閾値を変化させる。その結果、正規受信者は揺らぎによって引き起こされる僅かなビット誤り以外は正確に受信できるが、不正受信者は基底を知らないので、図16(d)に示すように4値判定しかできない。4値の信号の確率分布には重なりがあるためにビット誤りが多くなる。
付記:
1. 乱数発生器と、誤り訂正符号化する符号器と、レーザー光源と、そのレーザー光源からの出力光に位相揺らぎまたは強度揺らぎを発生させる手段と、変調器を具備する送信機と、
伝送されてきた信号光の位相又は強度を測定又は判定する手段と誤り訂正符号の復号器を具備する受信機と、
送受信機間に設けられた伝送路とを有し、
入力信号列に前記乱数発生器からの出力乱数列を加えた合成列が、前記符号器により符号化され、前記符号はnビット(nは1以上の整数)ごとに区切られて2n値として前記変調器において前記揺らぎを伴ったレーザー光に重畳され、
前記符号重畳の際の送信基底の数はn + 1以上とし、前記送信機側と前記受信機側間であらかじめ乱数からなる種鍵を共有し、1個目の符号の送信基底は前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の送信基底は前記種鍵及び/又は前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、
受信機側では、前記送信側と同様に1個目の符号の受信基底が前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の受信基底が前記種鍵及び/または1個目以降に伝送されてきた符号を構成する前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、その決定された基底を用いて前記伝送路を通して伝送されてきた符号重畳光が受信され、前記復号器により前記合成列に復号化され、復号化された前記合成列は前記乱数列と前記信号列に分離され、前記分離された乱数列は新たに送受信者間で共有された種鍵として前記2個目以降の符号の受信基底決定に利用されるものであり、
前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、前記レーザー光源からの出力光は高次ソリトン効果によりスペクトル拡大し、それを通して位相揺らぎが生じることを特徴とする光通信システム。
2.乱数発生器と、擬似乱数発生器と、誤り訂正符号化する符号器と、レーザー光源と、そのレーザー光源からの出力光に位相揺らぎまたは強度揺らぎを発生させる手段と、変調器を具備する送信機と、
伝送されてきた信号光の位相または強度を測定又は判定する手段と、誤り訂正符号の復号器と、擬似乱数発生器を具備する受信機と、
送受信機間に設けられた伝送路とを有し、
前記送信機側と前記受信機側間であらかじめ乱数からなる種鍵を共有し、前記種鍵の一部を入力として前記送信機内擬似乱数発生器から出力擬似乱数列を出力させ、入力信号列に前記乱数発生器からの出力乱数列を加えた合成列を前記擬似乱数列により暗号化し、前記暗号化された合成列は前記符号器により符号化され、前記符号はnビット(nは1以上の整数)ごとに区切られて2n値として前記変調器において前記揺らぎを伴ったレーザー光に重畳され、前記符号重畳の際の送信基底の数はn + 1以上とし、1個目の符号の送信基底は前記種鍵の残りの一部により決定され、2個目以降の符号の送信基底は前記種鍵及び/又は前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、前記出力乱数列の一部は前記擬似乱数発生器への入力鍵の刷新に利用され、
受信機側では、前記送信側と同様に1個目の符号の受信基底が前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の受信基底が前記種鍵及び/または1個目以降に伝送されてきた符号を構成する前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、その決定された基底を用いて前記伝送路を通して伝送されてきた符号重畳光が受信され、前記復号器により前記暗号化された合成列に復号化され、前記送信側と同様にして前記種鍵の一部を用いて前記受信機内擬似乱数発生器から出力される擬似乱数列により前記暗号化された合成列の暗号が解かれ、暗号化が解かれた前記合成列は前記乱数列と前記信号列に分離され、前記分離された乱数列は新たに送受信者間で共有された種鍵として前記2個目以降の符号の送受信基底決定及び擬似乱数発生器の入力鍵刷新に利用されるものであり、
前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、前記レーザー光源からの出力光は高次ソリトン効果によりスペクトル拡大し、それを通して位相揺らぎが生じることを特徴とする光通信システム。
201…光伝送路、202…光伝送路、
300…受信機、310…変調器、320…検出器、321…1ビット遅延干渉計、322…光検出器、323…光検出器、324…差動出力回路、330…復号器、331…分離器、332…乱数、333…種鍵、340…擬似乱数発生器、341…復号器、
1000…送信装置、1110…乱数発生器、1120…ビット数縮小演算器、1121…暗号鍵、1130…光送信機、
3000…受信装置、3120…ビット数縮小演算器、3121…暗号鍵、3130…光受信機
Claims (20)
- 送信機と受信機と送受信機間に設けられた伝送路とを有し、前記送信器は、乱数発生器と、誤り訂正符号化する符号器と、レーザー光源と、そのレーザー光源からの出力光に位相揺らぎまたは強度揺らぎを発生させる手段と、変調器とを具備し、前記受信機は、伝送されてきた信号光の位相又は強度を測定又は判定する手段と誤り訂正符号の復号器とを具備し、
入力信号列に前記乱数発生器からの出力乱数列を加えた合成列が、前記符号器により符号化され、前記符号はnビット(nは1以上の整数)ごとに区切られて2n値として前記変調器において前記揺らぎを伴ったレーザー光に重畳され、
前記符号重畳の際の送信基底の数はn + 1以上とし、前記送信機側と前記受信機側間であらかじめ乱数からなる種鍵を共有し、1個目の符号の送信基底は前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の送信基底は前記種鍵及び前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、
受信機側では、1個目の符号の受信基底が前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の受信基底が前記種鍵及び1個目以降に伝送されてきた符号を構成する前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、その決定された基底を用いて前記伝送路を通して伝送されてきた符号重畳光が受信され、前記復号器により前記合成列に復号化され、復号化された前記合成列は前記乱数列と前記信号列に分離され、前記分離された乱数列は新たに送受信者間で共有された種鍵として前記2個目以降の符号の受信基底決定に利用されることを特徴とする光通信システム。 - 前記乱数列と前記入力信号列から形成された前記合成列は並び替えが行われてから前記誤り訂正符号化されることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記合成列が形成される前に入力信号列が暗号化されていることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記誤り訂正符号化する前に前記合成列が暗号化されていることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記誤り訂正符号はあるビット誤り率(BER)を境に低BER側は誤り訂正可能であるが高BER側は誤り訂正不可に設定させたものとし、受信機側のBERが前記低BER側になるように誤り訂正符号が設定されていることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記入力信号が乱数信号であり、
送受信されたその乱数信号からプライバシーアンプによりその乱数信号のビット数を減らし、その減らされたビット数の乱数信号を暗号鍵として暗号通信することを特徴とする請求項1記載の光通信システム。 - 前記揺らぎを発生させる手段を通して出力されたレーザー光はアンチスクイズド光であることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、カー効果により位相揺らぎを発生させることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、ラマン効果により位相揺らぎを発生させることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段は、第2の乱数発生器を具備し、前記第2の乱数発生器からの出力乱数列は多値化され、前記レーザー光源あるいは前記変調器に入力されることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記位相測定または判定をする手段は1組あるいは2組のホモダイン検出器からなることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記位相測定または判定をする手段は2個の光検出器からなる平衡型検出器を1組又は2組で構成することを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 送信機と受信機と送受信機間に設けられた伝送路とを有し、前記送信器は、乱数発生器と、誤り訂正符号化する符号器と、レーザー光源と、そのレーザー光源からの出力光に位相揺らぎまたは強度揺らぎを発生させる手段と、変調器とを具備し、前記受信機は、伝送されてきた信号光の位相又は強度を測定又は判定する手段と誤り訂正符号の復号器とを具備し、
前記送信機側と前記受信機側間であらかじめ乱数からなる種鍵を共有し、前記種鍵の一部を入力として前記送信機内擬似乱数発生器から出力擬似乱数列を出力させ、入力信号列に前記乱数発生器からの出力乱数列を加えた合成列を前記擬似乱数列により暗号化し、前記暗号化された合成列は前記符号器により符号化され、前記符号はnビット(nは1以上の整数)ごとに区切られて2n値として前記変調器において前記揺らぎを伴ったレーザー光に重畳され、前記符号重畳の際の送信基底の数はn + 1以上とし、1個目の符号の送信基底は前記種鍵の残りの一部により決定され、2個目以降の符号の送信基底は前記種鍵及び前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、前記出力乱数列の一部は前記擬似乱数発生器への入力鍵の刷新に利用され、
受信機側では、1個目の符号の受信基底が前記種鍵の値により決定され、2個目以降の符号の受信基底が前記種鍵及び1個目以降に伝送されてきた符号を構成する前記乱数発生器からの前記出力乱数列により決定され、その決定された基底を用いて前記伝送路を通して伝送されてきた符号重畳光が受信され、前記復号器により前記暗号化された合成列に復号化され、前記種鍵の一部を用いて前記受信機内擬似乱数発生器から出力される擬似乱数列により前記暗号化された合成列の暗号が解かれ、暗号化が解かれた前記合成列は前記乱数列と前記信号列に分離され、前記分離された乱数列は新たに送受信者間で共有された種鍵として前記2個目以降の符号の受信基底決定及び擬似乱数発生器の入力鍵刷新に利用されることを特徴とする光通信システム。 - 前記誤り訂正符号はあるビット誤り率(BER)を境に低BER側は誤り訂正可能であるが高BER側は誤り訂正不可に設定させたものとし、受信機側のBERが前記低BER側になるように誤り訂正符号が設定されていることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段を通して出力されたレーザー光はアンチスクイズド光であることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、カー効果により位相揺らぎを発生させることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段には光ファイバを具備し、ラマン効果により位相揺らぎを発生させることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記揺らぎを発生させる手段は、第2の乱数発生器を具備し、前記第2の乱数発生器からの出力乱数列は多値化され、前記レーザー光源あるいは前記変調器に入力されることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記位相測定または判定をする手段は1組あるいは2組のホモダイン検出器からなることを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
- 前記位相測定または判定をする手段は2個の光検出器からなる平衡型検出器を1組あるいは2組で構成することを特徴とする請求項13記載の光通信システム。
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