JP5904535B2 - 迷光対策システム及び迷光対策方法 - Google Patents

Description

本発明は，迷光対策システム及び迷光対策方法に関する。より詳しく説明すると，光子が伝搬する光ファイバに隣接する光ファイバから漏れ出して，光子が伝搬する光ファイバへと入り込む迷光の影響を軽減した迷光対策システム及び迷光対策方法に関する。

光ファイバは，通常芯部分を光遮断材料で覆う。このため，光ファイバから光が漏れだすことは，想定されていなかった。ましてや，一旦光ファイバから漏れ出した光が，別の光ファイバへ侵入することは想定されていなかった。一方，現在，光子を用いて情報通信を行う単一光子通信が行われている。単一光子通信は，例えば単一光子を用いて量子鍵を作成し，極めて秘匿性の高い暗号通信を行うことができる（特開２０１１-１８２２８３号公報）。

量子鍵配送システムを実現するため，複数の光ファイバを敷設することが試みられている。

特開２０１１-１８２２８３号公報

実際に，複数の光ファイバを敷設した場合，単一光子通信の通信精度が保たれない原因不明の現象が起きた。本発明者らは，複数の光ファイバを敷設した場合，隣接する光ファイバから放出され，ある光ファイバに迷い込む光（迷光）が，単一光子通信を行う上で大きな問題となることを見出した。

そこで，本発明は，上記の迷光の影響を適切に回避できる迷光対策システム及び迷光対策方法を提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，これまで影響が検討されていなかった迷光を検出し，検出した迷光の影響のない波長の光子を用いることで，複数の光ファイバを敷設した場合であっても，隣接する光ファイバからの迷光の影響を抑えることができるという知見に基づく。更に本発明は，波長可変狭帯域フィルタと単一光子検出器とを組み合わせた分析計を用いることで，上記の迷光を適切に分析できるという知見に基づく。

本発明の第１の側面は，光子を用いる光通信システムに関する。このシステムは，通常複数の光ファイバが敷設されている。そして，敷設される光ファイバは，光子が伝搬する第１の光ファイバ１１と，第１の光ファイバに隣接する第２の光ファイバ１２を有する。このシステムは，迷光検出装置１３と光子波長決定装置１４とを有する。迷光検出装置１３は，第２の光ファイバから漏れ出し，第１の光ファイバに侵入した迷光を検出するための装置である。光子波長決定装置１４は，迷光検出装置１３が検出した迷光に関する情報を用いて，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求めるための装置である。

このシステムは，迷光検出装置１３が迷光を測定し，光子波長決定装置１４が，迷光による影響の少ない波長を決定することができるため，そのような迷光の影響の少ない波長の光（光子）を用いた情報通信を行うことができる。

このシステムの好ましい態様は，迷光検出装置１３が，波長可変狭帯域フィルタ２１と単一光子検出器２２とを有するものである。このシステムの好ましい態様は，迷光検出装置１３は，第１の光ファイバに侵入した迷光の波長及び強度（カウント数）を測定する装置に関する。

波長可変狭帯域フィルタ２１が，例えば隣接する光ファイバにおいて通信に用いられている光波長領域を含む波長領域を掃引しつつ，単一光子検出器２２が第１の光ファイバから出力される光子を検出することで，迷光の波長とカウント数を集計した迷光スペクトルを得ることができる。このため，光子波長決定装置１４は迷光スペクトルに関する情報を用いて，単一光子を出力できる波長領域から，迷光の影響の少ない波長領域を選択することができる。

このシステムの好ましい態様は，光子波長決定装置１４が，第１の光ファイバ１１に出力できる光子の波長領域を記憶し，記憶した光子の波長領域において，迷光検出装置１３から受け取った迷光の強度が最も小さい波長領域又は所定の閾値より小さい波長領域を求めることにより，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求める装置に関する。

この態様のシステムは，例えばコンピュータを用いることで，自動的に迷光の影響の少ない光子の波長を決定し，そのような光子を出力することができる。

このシステムの好ましい態様は，光子波長決定装置１４により求められた波長を有する光子を用いて量子鍵を生成し，第１の光ファイバ１１へ出力する量子鍵配送装置３１を更に有するものである。

この態様のシステムは，迷光の影響の少ない光子の波長の量子鍵を生成できるため，極めて正確な量子鍵通信システムとして機能する。

本発明の第２の側面は，光子が伝搬する第１の光ファイバ１１を含む複数の光ファイバが敷設された光ファイバシステムにおいて，第１の光ファイバ１１へ出力される光子の波長を決定する方法に関する。そして，この方法は，第１の光ファイバに侵入した迷光を検出する迷光検出工程と，迷光検出工程において検出された迷光に関する情報を用いて，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求める光子波長決定工程と，を含む。

本発明は，迷光の波長及び強度を適切に把握し，迷光の影響の少ない波長の光又は光子を選択することで，迷光の影響を適切に回避できる迷光対策システム及び迷光対策方法を提供することができる。

図１は，本発明の単一光子通信システムを説明するための概念図である。 図２は，本発明の単一光子通信のフローチャートである。 図３は，実施例における迷光スペクトルを示すグラフである。

以下，図面に基づいて本発明を説明する。本発明は，以下の説明に限定されるものではなく，当業者に自明な範囲で適宜修正したものも含まれる。

図１は，本発明の単一光子通信システムを説明するための概念図である。このシステムは，通常複数の光ファイバが敷設されている。そして，図１に示されるように，敷設される光ファイバは，光源１０から放出された光子が伝搬する第１の光ファイバ１１と，第１の光ファイバに隣接する第２の光ファイバ１２を有する。このシステムは，迷光検出装置１３と光子波長決定装置１４とを有する。単一光子通信システムは，単一光子を用いて情報通信を行うためのシステムである。そして，このシステムの光子を伝搬するための伝送路の例は，光ファイバである。単一光子通信システムの例は，量子鍵配信システムである。単一光子を用いた量子鍵配信システムは，例えば，特開２０１１-１８２２８３号公報，特開２０１１-１０９３０２号公報，特開２０１１-６６４９７号公報，特許４６２５９０７号公報，及び特許４７２４０３５号公報に開示されるように，既に知られている。本明細書は，上記の文献の全体を引用することにより取り込むものである。第１の光ファイバに隣接する第２の光ファイバ１２は，例えば，第１の光ファイバに第２の光ファイバ１２が接触している状態であってもよいし，第１の光ファイバのコアと第２の光ファイバ１２のコアとが１ｃｍ以上１ｍ以下の距離にある場合や１ｃｍ以上１０ｃｍ以下の距離にある場合があげられる。光ファイバは，光子又は光が伝搬するコア部分と，コア部分を取り囲む部位とを有する。光ファイバ中のコアは通常１つであるが，１つの光ファイバに複数のコアを含むものであってもよい。その場合，それぞれのコアが光ファイバとして機能する。このため，本発明は１つの光ファイバ内に２以上のコアが含まれており，あるコアに由来する光子が別のコアに迷い込む場合をも含む。つまり，いわゆるマルチコアファイバについてはそれぞれのコアが本発明の光ファイバとして機能することとなる。マルチコアファイバは，コア間の距離が近く空間を隔てないため，本発明のシステムを特に有効に利用できる。

このシステムは，迷光検出装置１３が迷光を測定し，光子波長決定装置１４が，迷光による影響の少ない波長を決定することができるため，そのような迷光の影響の少ない波長の光（光子）を用いた情報通信を行うことができる。

迷光検出装置１３は，第２の光ファイバから漏れ出し，第１の光ファイバに侵入した迷光を検出するための装置である。迷光検出装置１３の例は，波長可変狭帯域フィルタ２１と単一光子検出器２２とを有するものである。波長可変狭帯域フィルタ２１は，透過する光の波長領域を変化させることができる光フィルタである。波長可変狭帯域フィルタ２１の光透過領域は，隣接する光ファイバにおいて伝搬する光の波長をカバーする領域であればよい。波長可変狭帯域フィルタ自体は既に知られているため，本発明においては公知の波長可変狭帯域フィルタを適宜用いることができる。一方，本発明の波長可変狭帯域フィルタ２１は，後述するコンピュータ３０に接続されており，透過する波長領域を制御できるようにされていることが好ましい。単一光子検出器２２は，例えば光子数を計測できる機器である。すると，迷光検出装置１３は，波長可変狭帯域フィルタ２１により波長を選択する。そして，単一光子検出器２２が，選択された波長における光子の数を計測する。このようにして，迷光検出装置１３は，第１の光ファイバに侵入した迷光の波長及び強度（カウント数）を測定することができる。すなわち，波長可変狭帯域フィルタ２１が，例えば隣接する光ファイバにおいて通信に用いられている光波長領域を含む波長領域を掃引しつつ，単一光子検出器２２が第１の光ファイバから出力される光子を検出することで，迷光の波長とカウント数を集計した迷光スペクトルを得ることができる。このため，光子波長決定装置１４は迷光スペクトルに関する情報を用いて，単一光子を出力できる波長領域から，迷光の影響の少ない波長領域を選択することができる。

光子波長決定装置１４は，迷光検出装置１３が検出した迷光に関する情報を用いて，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求めるための装置である。光子波長決定装置１４は，例えば，第１の光ファイバ１１に出力できる光子の波長領域を記憶し，記憶した光子の波長領域において，迷光検出装置１３から受け取った迷光の強度が最も小さい波長領域又は所定の閾値より小さい波長領域を求めることにより，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求める。光子波長決定装置１４は，例えば，迷光検出装置１３からの出力を受け取ることができるように接続されている。また光子波長決定装置１４は，例えば，迷光検出装置１３の動作を制御するコンピュータ３０と接続されている。このコンピュータは，入出力部，制御部，演算部及び記憶部を有し，入力された序法に基づいて適宜記憶部から制御プログラムを読み出し，制御部が演算部に所定の演算を行わせることができる。このため，光子波長決定装置１４は，迷光検出装置１３が検出した迷光に関する情報を受け取り，迷光のカウントが少ない波長領域を把握する。コンピュータ３０は，光子波長決定装置１４からの出力を受け取り，光源１０である単一光子発生器が出力する単一光子の波長を調整する。このように，このシステムは，コンピュータを用いることで，自動的に迷光の影響の少ない光子の波長を決定し，そのような光子を出力することができる。

このシステムの好ましい態様は，光子波長決定装置１４により求められた波長を有する光子を用いて量子鍵を生成し，第１の光ファイバ１１へ出力する量子鍵配送装置３１を更に有する。この態様のシステムは，迷光の影響の少ない光子の波長の量子鍵を生成できるため，極めて正確な量子鍵通信システムとして機能する。単一光子を用いた量子鍵配送装置は公知であるため，公知の量子鍵配送装置を用いることができる。

量子鍵配送装置３１は，量子鍵を配送するため装置である。量子鍵配送装置は，量子鍵を発生させ，所定の装置へ向けて送信できるものであればよい。量子鍵配送装置の例は，特開２０１１−１８２２８３号公報に開示されたものや，特開２００８−２０５９９３号公報，特開２００７−３１８４４５号公報，及び特開２０１２−４９５５号公報に開示されたものである。このように既に知られているため，本発明においては，公知の量子鍵配送装置を適宜用いることができる。また，量子鍵を乱数として用いて，情報を暗号化する方法も公知である。

特開２００８−２０５９９３号公報に開示された量子暗号装置は，非対称マッハツェンダー干渉計（ＡＭＺＩ）を用いた量子暗号装置である。この量子暗号装置は，偏波モードとタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）モードの最大縺れ状態を達成することができる。この量子暗号装置は，主にタイムビンパルスの自由度に情報を載せてファイバなどの伝送路を伝搬させるものである。この量子鍵配送装置の動作原理は，特開２００８−２０５９９３号公報に開示されている。このため，当業者であれば，この公報に基づいて本発明において用いられる量子鍵配送装置を得ることができる。

特開２００７−３１８４４５号公報に開示された量子鍵配送装置は，量子もつれ光子対を生成する光源と，生成された量子もつれ光子対を，その中心周波数において高周波帯と低周波帯の２つの帯域に分離するバンド分離フィルタを有するものがあげられる。この装置は，分離された高周波数帯の光を受信する第１の通信装置であって、高周波帯の光を複数の波長チャネルに分割し、各波長チャネルにおいて高周波帯の光を測定する装置を有する。さらに，この装置は分離された低周波数帯の光を受信する第２の通信装置であって、低周波帯の光を複数の波長チャネルに分割し、各波長チャネルにおいて低周波帯の光を測定する装置を有する。この量子鍵配送装置の動作原理は，特開２００７−３１８４４５号公報に開示されている。このため，当業者であれば，この公報に基づいて本発明において用いられる量子鍵配送装置を得ることができる。

特開２０１２−４９５５号公報に開示された量子鍵配送装置は，波長の異なる２種の光子対を発生させ，それぞれを非対称マッハツェンダー干渉計に入射させてタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）縺れ状態とする。そして，２種の波長を有する光子対は，それぞれ光ファイバ伝送に適した波長と，自由空間伝送及び光子検出に適した波長とする。この量子鍵配送システムは，２種の波長を有する縺れ光子対を複数組用いて，スワッピングを行うことで，長距離間における量子鍵配送（ＱＫＤ）を達成することができるというものである。この量子鍵配送装置の動作原理は，特開２０１２−４９５５号公報に開示されている。このため，当業者であれば，この公報に基づいて本発明において用いられる量子鍵配送装置を得ることができる。

本明細書における量子鍵は，量子鍵配送装置により生成される量子鍵であってもよいし，量子鍵配送装置が真正乱数発生機又は擬似乱数発生機を含み，これらの乱数発生機で生成した共通乱数などの鍵であってもよい。

本発明のシステムの好ましい態様は，上記の迷光検出を所定の頻度で行い，通信に用いられる単一光子の波長を自動的に変化させるものである。一方，単一光子通信では，迷光のほかに，第三者からの攻撃により正確な通信を行えなくなる場合がある。このため，このシステムの好ましい態様は，ビットエラーレートを測定するためのビットエラーレート測定装置２３を更に有するものである。すなわち，この態様のシステムは，ビットエラーレートを所定の頻度で測定し，ビットエラーレートが所定の閾値を越えた場合には，攻撃を受けていると判断する。そして，システムが攻撃を受けている場合には，例えば単一光子通信を中断するといった対処を行う。

本発明の第２の側面は，光子が伝搬する第１の光ファイバ１１を含む複数の光ファイバが敷設された光ファイバシステムにおいて，第１の光ファイバ１１へ出力される光子の波長を決定する方法に関する。そして，この方法は，第１の光ファイバに侵入した迷光を検出する迷光検出工程（Ｓ１０１）と，迷光検出工程において検出された迷光に関する情報を用いて，第１の光ファイバ１１において用いられる光子の波長を求める光子波長決定工程（Ｓ１０２）と，を含む。そして，この方法は，光子波長決定工程（Ｓ１０２）で決定した波長の光子を第１の光ファイバに出力する（光子出力工程（Ｓ１０３）ことで，迷光の影響が少ない波長の光子を用いて単一光子通信を行うことができる。もっとも，本発明は，迷光検出工程（Ｓ１０１）及び光子波長決定工程（Ｓ１０２）を繰り返し行って，リアルタイムに迷光の影響の少ない波長領域を把握し，迷光の影響が少ない波長の光子を第１の光ファイバへ出力するものがこのましい。さらに，先に説明したビットエラーレートの測定もリアルタイムに行って，第１の光ファイバへ出力する光子を制御するものが好ましい。

独立行政法人情報通信研究機構（東京都小金井市：ＮＩＣＴ）及び大手町間の約４５ｋｍに１００往復するように光ファイバを敷設した。ＮＩＣＴへ戻る９２番目，９７番目，９８番目及び９９番目のループをそれぞれ光ファイバ１，２，３及び４とした。光ファイバ１，２，３及び４に波長可変狭帯域フィルタ及び単一光子検出器をそれぞれ接続した。そのうえで，波長可変狭帯域フィルタの透過帯域を掃引し，それぞれの波長における光子のカウント数を，単一光子検出器を用いて検出した。その結果を，図３に示す。この実施例では，１５４９ｎｍ付近に迷光の影響が少ないことがわかった。そのため，単一光子として１５４９ｎｍの波長に量子チャネルを調整した。この迷光の影響の少ない波長の単一光子を用いることで，精度の高い量子鍵配送システムを実現できた。

本発明は，情報通信の分野にて利用され得る。

１０ 光源； １１ 第１の光ファイバ； １２ 第２の光ファイバ； １３ 迷光検出装置； １４ 光子波長決定装置；
２１ 波長可変狭帯域フィルタ； ２２ 単一光子検出器； ２３ ビットエラーレート測定装置；
３０ コンピュータ； ３１ 量子鍵配送装置

Claims (4)

1. 光子が伝搬する第１の光ファイバ（１１）と，
   前記第１の光ファイバに隣接する第２の光ファイバ（１２）と，
   前記第２の光ファイバから漏れ出し，前記第１の光ファイバに侵入した迷光の波長及び強度を検出するための，迷光検出装置（１３）と，
   前記迷光検出装置（１３）が検出した迷光の波長及び強度に関する情報を用いて，前記第１の光ファイバ（１１）において用いられる光子の波長を求める光子波長決定装置（１４）と，を有し，
   前記光子波長決定装置（１４）は，
   前記第１の光ファイバ（１１）に出力できる光子の波長領域を記憶し，記憶した前記光子の波長領域において，前記迷光検出装置（１３）から受け取った迷光の強度が最も小さい波長領域又は所定の閾値より小さい波長領域を求めることにより，前記第１の光ファイバ（１１）において用いられる光子の波長を求める装置である，
   システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって，
   前記迷光検出装置（１３）は，
   波長可変狭帯域フィルタ（２１）と単一光子検出器（２２）とを有する，
   システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって，
   前記光子波長決定装置（１４）により求められた波長を有する光子を用いて量子鍵を生成し，前記第１の光ファイバ（１１）へ出力する量子鍵配送装置（３１）を更に有する，
   システム。
4. 光子が伝搬する第１の光ファイバ（１１）を含む複数の光ファイバが敷設された光ファイバシステムにおいて，前記第１の光ファイバ（１１）へ出力される光子の波長を決定する方法であって，
   前記第１の光ファイバに侵入した迷光の波長及び強度を検出する迷光検出工程と，
   前記迷光検出工程において検出された迷光の波長及び強度に関する情報を用いて，前記第１の光ファイバ（１１）において用いられる光子の波長を求める光子波長決定工程と，を含み，
   前記光子波長決定工程は，
   前記第１の光ファイバ（１１）に出力できる光子の波長領域を記憶し，記憶した前記光子の波長領域において，前記迷光検出工程で検出した迷光の強度が最も小さい波長領域又は所定の閾値より小さい波長領域を求めることにより，前記第１の光ファイバ（１１）において用いられる光子の波長を求める工程である，
   方法。

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