JP5638249B2 - 量子暗号光通信装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば量子暗号通信装置のように、強度の極めて微弱な光と、強度の強い光とを多重伝送する量子暗号光通信装置に関する。

例えば、強度の極めて微弱な信号光を送信し、盗聴困難な秘匿性の高い通信を行う量子暗号通信において、送信装置と受信装置との間で、クロックやその他の制御情報を伝達するために、通常の強度の信号光を別チャンネルとして伝送することが考えられている。以下、量子力学的な現象を利用して量子通信を行う微弱な強度の光を量子光と称し、古典力学的な通信を行う通常の強度の光を古典光と称する。

図６は、一般的な量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。
図６において、この量子暗号通信装置は、量子光送信器５１、古典光送信器５２、波長合波器５３、光ファイバ伝送路５４、波長分波器５５、量子光受信器５６および古典光受信器５７とを備えている。

量子光送信器５１および古典光送信器５２は、それぞれ互いに波長の異なる量子光および古典光を波長合波器５３に出力する。波長合波器５３は、量子光および古典光を合波し、光ファイバ伝送路５４を伝送させて波長分波器５５に出力する。波長分波器５５は、合波された光を量子光および古典光に分波し、それぞれ量子光受信器５６および古典光受信器５７に出力する。このとき、図７に示されるように、量子光と古典光とを互いに異なる波長に配置することにより、同一の光ファイバ伝送路５４内を伝送させることができる。

量子光の送信強度は、例えば、波長λ＝１．５５μｍの光を用いて、繰り返し周波数ｆ＝１００ＭＨｚで１ビットの情報を単一光子で伝送する場合、１０ｌｏｇ｛（ｈｃ／λ）×ｆ×１０^３｝＝−７８．９ｄＢｍという非常に微弱な値となる。ただし、ｃ（光速）＝３．０×１０^８ｍ／ｓであり、ｈ（プランク定数）＝６．６×１０^−３４Ｊ・ｓである。

これに対して、古典光の送信強度は、例えば−１０ｄＢｍ〜０ｄＢｍであり、この例では、量子光と比べて５０ｄＢ以上強度の強い光となる。ここで、古典光を量子光と同一の光ファイバ伝送路で伝送させる場合に、古典光から量子光へのクロストークがわずかでも発生すると、強度の微弱な量子光の伝送誤り率が大きく劣化するという問題があった。

そこで、このような問題を解決するために、波長合波器および波長分波器の透過特性を最適化することにより、古典光から量子光へのクロストークを低減するクロストーク除去方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０１４９１号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
光ファイバ伝送路で光を伝送させる場合には、互いに異なる波長間の光に、非線形光学効果によるクロストークが発生する。具体的な例としては、誘導ラマン散乱という現象が知られており、古典光のエネルギーが量子光の波長に遷移することによってクロストークとなる。

このようなクロストークによって生じる光子は、量子光と同一の波長を有している。そのため、波長の違いによって区別および除去することができない。すなわち、特許文献１に示された、波長合波器および波長分波器の透過特性の最適化によるクロストーク除去方法では、非線形光学効果によるクロストーク光の影響を回避することができないという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、非線形光学効果によるクロストークを低減することができる光通信装置を得ることを目的とする。

この発明に係る量子暗号光通信装置は、１ビットの情報を単一光子で伝送する量子光を所定の直線偏波で送信する量子送信器と、制御情報を伝達するため量子光よりも５０ｄＢ以上強度の強い古典光を所定の直線偏波で送信する古典送信器と、量子光と古典光とを、互いに直交する偏波状態である直交関係として合波する合波器と、直交関係が維持されることで非線形光学効果による古典光から量子光へのクロストークが低減されるように合波器からの出力光を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路からの出力光の偏波状態を、直交関係が維持された所定の状態に制御する偏波制御器と、直交関係が維持された所定の状態に制御されることで古典光から量子光へのクロストークが低減されるように偏波制御器からの出力光を量子光と古典光とに分波する分波器と、分波器からの量子光を受信する量子受信器と、分波器からの古典光を受信する古典受信器と、を備え、偏波制御器は、古典光の偏波状態をモニタして、古典光を所定の偏波状態に制御することにより、量子光および古典光を一括して直交関係が維持された所定の偏波状態に制御するものである。

この発明に係る量子暗号光通信装置によれば、非線形光学効果によるクロストークを低減することができる量子暗号光通信装置を得ることができる。また、偏波状態の変動によらない安定した量子暗号光通信を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信装置の偏波制御器を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信装置の偏波制御器の機能を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態３に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。 一般的な量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。 図６に示した量子光送信器および古典光送信器からそれぞれ出力される量子光と古典光との関係を示す説明図である。

以下、この発明の光通信装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、この光通信装置が量子暗号通信装置である場合について説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。
図１において、この量子暗号通信装置は、量子光送信器１（第１送信器）、古典光送信器２（第２送信器）、偏波合波器３（ＰＢＣ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）、光ファイバ伝送路４、偏波制御器５、偏波分波器６（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、量子光受信器７（第１受信器）および古典光受信器８（第２受信器）を備えている。

以下、この量子暗号通信装置の各部位の機能について説明する。
量子光送信器１は、強度の微弱な量子光（第１の光）を所定の直線偏波（図１中の矢印Ａ参照）で出力する。古典光送信器２は、量子光よりも強度の強い古典光（第２の光）を所定の直線偏波（図１中の矢印Ｂ参照）で出力する。

偏波合波器３は、量子光送信器１からの量子光と古典光送信器２からの古典光とを、互いに直交する直線偏波（図１中の矢印Ｃ参照）として合波し、光ファイバ伝送路４に出力する。偏波合波器３は、バルク結晶型のものやファイバ融着延伸型のカプラ等を適用することができる。また、図１中の矢印Ｃは、量子光と古典光とが互いに直交する偏波状態にあることを模式的に示すものである。なお、量子光送信器１および古典光送信器２から偏波合波器３に至る経路は、光を所定の偏波状態に保つために、偏波保持ファイバを用いて安定化させることが望ましい。

光ファイバ伝送路４は、偏波合波器３で合波された量子光と古典光とを伝送して偏波制御器５に出力する。量子光と古典光とは、伝搬中に光ファイバ伝送路４の長手方向に沿って偏波状態が変化する（図１中の矢印Ｄ参照）。また、温度等の条件の変動によって、光ファイバ伝送路４での偏波状態の変化量が変動することから、光ファイバ伝送路４の伝搬後において、量子光と古典光との偏波状態は、時間に対して定まらない不安定な状態となる。

偏波制御器５は、偏波状態を制御して、量子光と古典光とを互いに直交する直線偏波に安定化制御する（図１中の矢印Ｅ参照）。なお、偏波制御器５の詳細な構成および機能については後述する。偏波分波器６は、互いに直交する２つの直線偏波を分波する機能を有し、合波された光を量子光と古典光とに分波して（図１中の矢印Ｆ、Ｇ参照）、それぞれ量子光受信器７および古典光受信器８に出力する。偏波分波器６は、偏波合波器３と同様の部品を使用可能であり、バルク結晶型のものやファイバ融着延伸型のカプラ等を適用することができる。

量子光受信器７は、偏波分波器６からの量子光を受信し、古典光受信器８は、偏波分波器６からの古典光を受信する。量子光送信器１および古典光送信器２でそれぞれ量子光および古典光に変調された情報が、量子光受信器７および古典光受信器８でそれぞれ復調されることにより、量子光を用いた量子暗号通信が実現されるとともに、古典光を用いてそれに必要なクロックやその他の制御情報を伝送することができる。

続いて、偏波制御器５の詳細な構成および機能について説明する。
図２は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信装置の偏波制御器５を示すブロック構成図である。
図２において、偏波制御器５は、光ファイバ伝送路４を伝送されて入力端２１に入力された、合波された量子光と古典光との偏波状態を制御し、量子光と古典光とを互いに直交する直線偏波に安定化制御して、出力端２２から出力する。

偏波制御器５は、偏波コントローラ２３、分岐器２４、波長フィルタ２５、偏光子２６、フォトダイオード２７および制御回路２８を有している。
偏波コントローラ２３は、入力された量子光と古典光との偏波状態を変化させる。分岐器２４は、偏波コントローラ２３からの出力光を、偏波制御器５からの出力光とモニタ光とに分岐する。波長フィルタ２５は、分岐器２４からのモニタ光に対して、特定の波長条件を満たす光だけを通過させる。

偏光子２６は、波長フィルタ２５からの出力光に対して、特定の直線偏波の光だけを通過させる。フォトダイオード２７は、偏光子２６からの出力光を受光して、受光強度に応じた電気信号を出力する。制御回路２８は、フォトダイオード２７からの電気信号が最大となるように偏波コントローラ２３を制御して、偏波制御器５からの出力偏波を所定の直線偏波に制御する。

ここで、波長フィルタ２５は、古典光は通過させるが、量子光は遮断するような波長特性を有するフィルタであり、これによって、古典光の偏波状態を正確にモニタすることができる。なお、量子光の強度は極めて微弱であり、古典光への影響がほとんどないことから、波長フィルタ２５は省略することもできる。また、図２の偏波制御器５では、波長フィルタ２５が分岐器２４と偏光子２６との間に設けられているが、これに限定されず、偏光子２６との順番を変更して、偏光子２６とフォトダイオード２７との間に波長フィルタ２５を設けてもよい。

次に、量子光および古典光の偏波状態について説明する。
まず、偏波状態について説明するために、伝搬方向と直交する平面を考え、図３に示されるように、２つの直交する直線軸ｘ、ｙを仮定する。直線軸ｘ、ｙは、偏波コントローラ２３が与える遅延量に沿った軸とする。

例えば、量子光が偏波コントローラ２３のｘ軸に沿った直線偏波または楕円偏波である場合には、それぞれ図３中ａ、ｂに示されるような偏波となる。また、古典光が量子光と直交する直線偏波または楕円偏波である場合には、それぞれ図３中ｃ、ｄに示されるような偏波となる。量子光と古典光との偏波状態は、２つの偏波成分の位相差によって決定される。

偏波コントローラ２３は、ｘ、ｙ成分間に遅延量を与え、偏波成分の位相差を変化させることによって、偏波状態を変化させる。例えば、波長λ＝１．５５μｍ帯の光の場合、偏波コントローラ２３が（ｃ／λ）^−１＝０．００５ｐｓの遅延量を与えることにより、３６０°の位相差となって偏波状態が一巡する。すなわち、偏波コントローラ２３が遅延量と軸とを変化させることにより、任意の偏波状態を得ることができる。

ここで、量子光と古典光との波長が互いに異なる場合には、その偏波状態の変化量もわずかに異なる。例えば、量子光と古典光との波長の差がΔλ＝１ｎｍである場合、その周波数の差は、Δν＝（ｃ／λ^２）×Δλ＝０．１２ＴＨｚとなる。このとき、偏波状態が一巡する遅延量を３６０°と表現すると、０．００５ｐｓの遅延量によって、量子光および古典光の偏波状態の変化量は、３６０°×（０．１２ＴＨｚ）×０．００５ｐｓ＝０．２°という小さな値となる。

したがって、偏波コントローラ２３で任意の偏波状態を生成する場合において、量子光および古典光の偏波状態の変化量はほぼ同じであり、０．２°程度の違いしか生じないことから、量子光と古典光との直交関係は、ほぼ完全に維持されることが分かる。

すなわち、制御回路２８が、モニタ光に含まれる古典光の偏光子２６出力（フォトダイオード２７からの電気信号）が最大となるように偏波コントローラ２３を制御することにより、偏波制御器５の出力端２２から所定の直線偏波の古典光が出力される。なお、上述したように、波長フィルタ２５を省略してもよいが、その場合であっても、強度の極めて微弱な量子光の存在は、制御に影響しない。

続いて、この実施の形態１に係る量子暗号通信装置によって、非線形光学効果によるクロストークが低減される原理について説明する。
上述した誘導ラマン散乱のような、光ファイバ伝送路４内で、互いに異なる波長間の光に発生する非線形光学効果によるクロストークは、偏波状態が一致した光の間で強く発生する現象であり、量子光と古典光とが互いに直交する偏波状態においては、発生しないことが知られている。したがって、量子光と古典光とを互いに直交させた偏波状態で光ファイバ伝送路４に入力させることにより、非線形光学効果によるクロストークを大幅に低減することができる。

なお、光ファイバ伝送路４の伝搬中に、光ファイバ自体が有する偏波モード分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）によって、量子光と古典光との偏波成分間に遅延が発生し、偏波状態が変動および回転する。しかしながら、量子光と古典光との波長の差が小さい場合には、量子光および古典光の偏波状態の変化量に大きな差が生じることはなく、量子光と古典光との直交関係は、相当な伝送距離で維持される。このことは、上述した偏波制御器５において、量子光および古典光の偏波状態の変化量がほぼ同じであり、量子光と古典光との直交関係が維持されることと同様である。

また、温度等の条件の変動によって、光ファイバ伝送路４で生じる量子光および古典光の偏波状態の変化量が変動した場合であっても、上述したように、偏波制御器５において、量子光と古典光との偏波直交関係が維持されることから、古典光の出力偏波を所定の直線偏波に制御することにより、量子光も所定の直線偏波で出力端２２から出力される。そのため、偏波制御器５の出力端２２では、量子光と古典光とが互いに直交する所定の直線偏波として得られる。したがって、偏波分波器６で量子光と古典光とを安定した強度に分離および出力することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、偏波合波器は、第１送信器からの第１の光と、第２送信器からの第２の光とを、互いに直交する偏波として合成し、光ファイバ伝送路に出力する。また、偏波制御器は、光ファイバ伝送路からの出力光のうち、第２の光の偏波状態をモニタして、第２の光を所定の偏波状態に制御することにより、第１の光および第２の光を一括して所定の偏波状態に制御する。
また、偏波制御器は、入力された第１の光および第２の光の異なる偏波成分に対して遅延量を与えることにより、第１の光および第２の光の偏波状態を一括して変化させる偏波コントローラを、分岐器で分岐されたモニタ光が所定の条件を満たすように制御する制御回路を有している。
そのため、非線形光学効果によるクロストークを低減することができる光通信装置を得ることができる。また、偏波状態の変動によらない安定した光通信を実現することができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。
図４において、この量子暗号通信装置は、図１に示した偏波合波器３および偏波分波器６に代えて、それぞれ波長合波器９および波長分波器１０を備えている。

波長合波器９は、偏波軸を保持したまま、互いに異なる波長の光を合波する。波長合波器９は、例えば定偏波光ファイバと偏波軸を調整して固定された波長合波フィルタとを組み合わせたものや、定偏波光ファイバの融着延伸型の光カプラ等を適用することができる。ここで、波長合波器９では、互いに異なる波長の量子光と古典光とが、互いに直交する偏波状態で合波される。

波長分波器１０は、偏波軸を保持したまま、互いに異なる波長の光を分波する。波長分波器１０は、波長合波器９と同様の部品を使用可能である。
なお、その他の構成は、図１と同様であり、量子光と古典光とを互いに直交させた偏波状態で光ファイバ伝送路４に入力させることにより、非線形光学効果によるクロストークを大幅に低減することができる。
以上のように、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る量子暗号通信装置を示すブロック構成図である。
図５において、この量子暗号通信装置は、図１に示した量子暗号通信装置に加えて、線路切替器１１を備えている。また、線路切替器１１以降の光ファイバ伝送路４、偏波制御器５、偏波分波器６、量子光受信器７および古典光受信器８は、２つの経路に分かれており、それぞれ符号の後にＡおよびＢを付して区別する。なお、その他の構成は、図１と同様なので、説明を省略する。

線路切替器１１は、量子光および古典光の伝搬経路を選択して切り替える。線路切替器１１は、例えば機械式または磁気光学式の光スイッチの他に、波長選択スイッチ等を適用することができる。線路切替器１１で光ファイバ伝送路４Ａまたは４Ｂの経路を選択切り替えすることにより、量子光受信器７Ａおよび古典光受信器８Ａと量子光受信器７Ｂおよび古典光受信器８Ｂとを切り替えて量子光および古典光を伝送することができる。

また、経路の切り替え時には、偏波制御器５Ａおよび５Ｂがそれぞれ量子光および古典光を所定の偏波状態に制御することにより、量子光受信器７Ａおよび古典光受信器８Ａ、または量子光受信器７Ｂおよび古典光受信器８Ｂが偏波状態の変化の影響を受けることなく、安定した強度の光を受信することができる。また、量子光と古典光とを互いに直交させた偏波状態で光ファイバ伝送路４Ａまたは４Ｂに入力させることにより、非線形光学効果によるクロストークを大幅に低減することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、合波器と光ファイバ伝送路との間に、第１の光および第２の光の伝搬経路を切り替える線路切替器が設けられている。
そのため、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、出力先を切り替えて第１の光および第２の光を伝送することができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、直交する偏波の例として、２つの直線偏波を挙げて、量子光と古典光との偏波の状態を説明している。しかしながら、これに限定されず、互いに直交する偏波であれば、例えば左円偏波と右円偏波とについても、上記実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、１つのチャンネルの古典光と１つのチャンネルの量子光との合計２チャンネルを多重伝送する場合を例に挙げて説明している。しかしながら、これに限定されず、波長の異なる複数チャンネルの古典光や、波長の異なる複数チャンネルの量子光を多重伝送する場合についても、量子光と古典光との偏波を直交させることにより、上記実施の形態１〜３と同様の効果が得ることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、量子暗号通信の例を挙げて説明しているが、大きく強度の異なる複数の光を多重伝送する光通信装置であれば、量子暗号通信に限らず上記実施の形態１〜３と同様の効果が得ることができる。

１ 量子光送信器（第１送信器）、２ 古典光送信器（第２送信器）、３ 偏波合波器、４、４Ａ、４Ｂ 光ファイバ伝送路、５、５Ａ、５Ｂ 偏波制御器、６、６Ａ、６Ｂ 偏波分波器、７、７Ａ、７Ｂ 量子光受信器（第１受信器）、８、８Ａ、８Ｂ 古典光受信器（第２受信器）、９ 波長合波器、１０ 波長分波器、１１ 線路切替器、２３ 偏波コントローラ、２４ 分岐器、２５ 波長フィルタ、２６ 偏光子、２７ フォトダイオード、２８ 制御回路。

Claims (8)

1. １ビットの情報を単一光子で伝送する量子光を所定の直線偏波で送信する量子送信器と、
   制御情報を伝達するため前記量子光よりも５０ｄＢ以上強度の強い古典光を所定の直線偏波で送信する古典送信器と、
   前記量子光と前記古典光とを、互いに直交する偏波状態である直交関係として合波する合波器と、
   直交関係が維持されることで非線形光学効果による前記古典光から前記量子光へのクロストークが低減されるように前記合波器からの出力光を伝送する光ファイバ伝送路と、
   前記光ファイバ伝送路からの出力光の偏波状態を、直交関係が維持された所定の状態に制御する偏波制御器と、
   直交関係が維持された所定の状態に制御されることで前記古典光から前記量子光へのクロストークが低減されるように前記偏波制御器からの出力光を前記量子光と前記古典光とに分波する分波器と、
   前記分波器からの前記量子光を受信する量子受信器と、
   前記分波器からの前記古典光を受信する古典受信器と、を備え、
   前記偏波制御器は、前記古典光の偏波状態をモニタして、前記古典光を所定の偏波状態に制御することにより、前記量子光および前記古典光を一括して直交関係が維持された所定の偏波状態に制御する
   ことを特徴とする量子暗号光通信装置。
2. 前記合波器は、互いに直交する直線偏波の光を合波する偏波合波器であることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号光通信装置。
3. 前記量子光と前記古典光とは、互いに波長の異なる光であり、
   前記合波器は、前記量子光と前記古典光とが互いに直交する偏波状態を保持しながら、互いに異なる波長の光を合波する波長合波器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号光通信装置。
4. 前記分波器は、前記偏波制御器からの出力光を、互いに直交する２つの偏波成分に分波する偏波分波器であることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の量子暗号光通信装置。
5. 前記分波器は、互いに異なる波長の光を分波する波長分波器であることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の量子暗号光通信装置。
6. 前記偏波制御器は、
   入力された前記量子光および前記古典光の異なる偏波成分に対して遅延量を与えることにより、前記量子光および前記古典光の偏波状態を一括して変化させる偏波コントローラと、
   前記偏波コントローラからの出力光を、前記偏波制御器からの出力光とモニタ光とに分岐する分岐器と、
   前記分岐器からの前記モニタ光に対して、特定の偏波の光だけを通過させる偏光子と、
   前記偏光子からの出力光を受光して、受光強度に応じた電気信号を出力するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードからの電気信号が所定の条件を満たすように前記偏波コントローラを制御する制御回路と、
   を有することを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の量子暗号光通信装置。
7. 前記偏波制御器は、前記分岐器と前記偏光子との間、または前記偏光子と前記フォトダイオードとの間に、前記量子光を遮断して、前記古典光のみを通過させる波長特性を持つ波長フィルタを有することを特徴とする請求項６に記載の量子暗号光通信装置。
8. 前記合波器と前記光ファイバ伝送路との間に、前記量子光および前記古典光の伝搬経路を切り替える線路切替器を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の量子暗号光通信装置。

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