JP6672918B2 - 光受信装置および光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光受信装置および光受信方法に関する。

近年、盗聴行為に対して情報理論的安全性を持つ暗号通信を実現する方法として量子鍵配送（ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：ＱＫＤ）が盛んに研究され（例えば、非特許文献１参照。）、実用化に向けた開発が進められている。
ＱＫＤでは、１パルス中に光子を１つしか含まない「単一光子」（もしくは通常のレーザ光を極度に減衰させた「擬似単一光子」）を通信媒体としている。そのため、ＱＫＤは、一般的な光通信で用いられるような光検出器ではなく、単一光子を検出可能な光子検出器が用いられる。光子検出器としては、ブレークダウン電圧を超えるバイアスを印加したアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）や、数Ｋまで冷却した超伝導素子が一般的に用いられている。

ＱＫＤには様々な方式が提案されているが、２個もしくは４個の光子検出器を用いる方式が一般的である（例えば、非特許文献２参照。）。複数の光子検出器を用いる場合、ＱＫＤを用いて生成される暗号鍵の安全性を担保するためには全ての光子検出器の特性ができるだけ均一であることが望ましい。しかしながら、一般的に、ＡＰＤ素子や超伝導素子の特性には大きなばらつきがあり、さらに環境温度の変動や素子の劣化などに応じても変化する。したがって、ＱＫＤを長時間稼働させるためには、定期的にその特性をチェックし、バイアス電圧などの外部パラメータを個別に調整して特性の均一化を図る必要がある。

光子検出器の特性を示す主要なパラメータとしては、量子効率および暗計数確率が挙げられる。量子効率は、１つの光子を含むパルスを光子検出器が受光した際に、正しく検出信号を出力する確率（光子の検出確率）である。暗計数確率は、光子が存在しないにも拘わらず検出信号を出力してしまう確率であり、雑音の大きさを示す。典型的な値としては、量子効率が１０％程度、暗計数確率が１０のマイナス５乗程度である。

複数の光子検出器の特性を均一化する方法として、検出器のバイアス電圧を調整して量子効率を揃えるとともに、別途設けた光源から適当な強度の光を雑音として光子検出器に入射することで暗計数確率を揃える技術が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

図５は、特許文献１に記載された光受信装置の構成を示すブロック図である。図５に示した光受信装置は、それぞれの検出系で複数の光子検出器５０１−１，５０１−２それぞれの前段に、雑音光源５０４−１，５０４−２と、雑音光源制御部５０５と、光合波器５０３−１，５０３−２を具備している。雑音光源５０４−１，５０４−２は、光子検出器５０１−１，５０１−２それぞれが感度を有する波長の光をそれぞれ発する光源であり、例えば一般的な連続発振レーザなどである。雑音光源制御部５０５は、雑音光源５０４−１，５０４−２から出射される光の強度を制御する。光合波器５０３−１，５０３−２それぞれは、複数の光伝送路５０８−１，５０８−２と雑音光源５０４−１，５０４−２とそれぞれ接続し、両者から入射する光を合波する。光合波器５０３−１，５０３−２は、信号光５０６−１，５０６−２の損失を抑制するため、例えば、信号と雑音との比を９９：１となるような分岐比９９：１などの光合波器が望ましい。光伝送路５０８−１，５０８−２をそれぞれ伝わってきた信号光５０６−１，５０６−２それぞれは、光合波器５０３−１，５０３−２において雑音光源５０４−１，５０４−２からの光と合波される。すると、光合波器５０３−１，５０３−２で合波された光はそれぞれの光子検出器５０１−１，５０１−２にそれぞれ入力される。光子検出器５０１−１，５０１−２の出力から、検出数測定部５０７が光子検出数を算出する。量子効率と暗計数確率とを均一化する手順として、光受信装置は、まず光子検出器５０１−１，５０１−２の量子効率の均一化を行う。光受信装置は、雑音光源５０４−１，５０４−２を駆動せずに信号光５０６−１，５０６−２のみを光子検出器５０１−１，５０１−２それぞれに入力する。このとき、光子検出器５０１−１の検出数と光子検出器５０１−２の検出数とにはバラツキがある。そこで、それぞれのバイアス電圧制御部５０２を操作して光子検出器５０１−１，５０１−２それぞれに印加するバイアス電圧を調整することにより、検出数を均一にすることができる。これにより光子検出器５０１−１，５０１−２の量子効率が均一化される。しかしながら、光子検出器５０１−１，５０１−２それぞれに印加するバイアス電圧を変動させると、量子効率と暗計数確率との両方が同時に変動する。このため、光受信装置は、次に暗計数確率の均一化を行う。複数設けられた検出系それぞれにおいて、雑音光源５０４−１，５０４−２それぞれから出力された光は、信号光５０６−１，５０６−２が無い状態でも検出数測定部５０７を用いて検出される。このため、この状態で検出数測定部５０７が検出した検出数を暗計数として扱うことができる。そこで、光受信装置は、各検出系において、信号光５０６−１，５０６−２を遮断して、雑音光源５０４−１，５０４−２から出力されてきた光だけが光子検出器５０１−１，５０１−２に入力されるようにする。続いて、雑音光源制御部５０５は、光子検出器５０１−１，５０１−２の検出数が均一になるように雑音光源５０４−１，５０４−２から出力される光の強度を調整する。こうして暗計数確率の均一化が完了する。以上により、光子検出器の量子効率と暗計数確率の両方を均一化することが可能である。

国際公開２０１４／１３２６０９号公報

ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサード（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著 ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ， Ｉｎｄｉａ， ｐ． １７５， １９８４） Ｍ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｏｋｙｏ ＱＫＤ Ｎｅｔｗｏｒｋ" Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １９， １０３８７ （２０１１）

上述したような特許文献１等に記載された技術では、検出器の量子効率と暗計数確率とを均一化することができるが、光合波器の光学損失により暗号鍵の生成速度が低下してしまうという問題点がある。また、光合波器、雑音光源およびその制御回路が必要となってしまい、装置構成が複雑になってしまうという問題点がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決する光受信装置および光受信方法を提供することである。

本発明の光受信装置は、
それぞれに入力する信号光から光子を検出する複数の光子検出器と、
前記複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する検出数測定部と、
前記検出数測定部が検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部と、
前記検出数測定部が測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する加算量算出部と、
前記加算量算出部が算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する加算部とを有し、
前記検出数測定部は、前記複数の光子検出器が検出した前記雑音の数を測定する。
また、本発明の光受信方法は、
複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する処理と、
前記検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加する処理と、
前記複数の光子検出器が検出した雑音の数を測定する処理と、
前記測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する処理と、
前記算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する処理とを行う。

以上説明したように、本発明においては、光学損失が増加することなく、シンプルな装置構成で、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率とを同時に均一化することができる。

本発明の光受信装置の第１の実施の形態を示す図である。 図１に示した光受信装置における光受信方法の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の光受信装置の第２の実施の形態を示す図である。 図３に示した光受信装置における光受信方法の一例を説明するためのフローチャートである。 特許文献１に記載された光受信装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）

図１は、本発明の光受信装置の第１の実施の形態を示す図である。
本形態における光受信装置は図１に示すように、複数の光子検出器１０１−１，１０１−２と、検出数測定部１０５と、バイアス電圧制御部１０２と、加算量算出部１０６と、加算部１０７−１，１０７−２とを有している。なお、図１には、本発明の光受信装置が具備する構成要素のうち、本実施の形態に関わる主要な構成要素の一例を示す。

光子検出器１０１−１，１０１−２は、それぞれに入力する信号光から光子をそれぞれ検出する。検出数測定部１０５は、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した光子の検出数を測定する。また、検出数測定部１０５は、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した雑音の数を測定する。バイアス電圧制御部１０２は、検出数測定部１０５が検出した光子の検出数に基づいて、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれにバイアス電圧を印加する。加算量算出部１０６は、検出数測定部１０５が測定した雑音の数に基づいて、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する。加算部１０７−１，１０７−２は、加算量算出部１０６が算出した加算量のダミー検出データを光子検出器１０１−１，１０１−２が検出した検出データそれぞれに加算する。

以下に、図１に示した光受信装置における光受信方法について説明する。
図２は、図１に示した光受信装置における光受信方法の一例を説明するためのフローチャートである。

まず、光子検出器１０１−１，１０１−２は、それぞれに入力する信号光から光子をそれぞれ検出する（ステップＳ１）。すると、検出数測定部１０５は、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した光子の検出数を測定する（ステップＳ２）。続いて、バイアス電圧制御部１０２は、検出数測定部１０５が検出した光子の検出数に基づいて、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれにバイアス電圧を印加する（ステップＳ３）。その後、加算量算出部１０６は、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出し、検出数測定部１０５が測定した雑音の数に基づいて、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する（ステップＳ４）。加算部１０７−１，１０７−２は、加算量算出部１０６が算出した加算量のダミー検出データを光子検出器１０１−１，１０１−２が検出した検出データそれぞれに加算する（ステップＳ５）。

このように、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した光子の検出数に基づいて、バイアス電圧制御部１０２が光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれにバイアス電圧を印加する。また、加算部１０７−１，１０７−２が、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出し、検出数測定部１０５が測定した雑音の数に基づいて算出された加算量のダミー検出データを光子検出器１０１−１，１０１−２が検出した検出データそれぞれに加算する。そのため、光学損失が増加することなく、シンプルな装置構成で、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率とを同時に均一化する。
（第２の実施の形態）

図３は、本発明の光受信装置の第２の実施の形態を示す図である。
本形態における光受信装置は図３に示すように、複数の光子検出器１１１−１，１１１−２と、検出数測定部１１５と、バイアス電圧制御部１１２と、加算量算出部１１６と、加算部１１７−１，１１７−２とを有している。また、本形態における光受信装置は図３に示すように、複数の検出系を有する。なお、図３には、本発明の光受信装置が具備する構成要素のうち、本実施の形態に関わる主要な構成要素の一例を示す。また、以下、検出系が２系統の場合について説明する。

光子検出器１１１−１，１１１−２は、信号光１１３−１，１１３−２をそれぞれの検出系に導く光伝送路１１４−１，１１４−２それぞれから入力する信号光１１３−１，１１３−２から光子をそれぞれ検出する。
検出数測定部１１５は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した光子の検出数を測定する。また、検出数測定部１１５は、光子検出器１１１−１，１１１−２に入力する信号光を遮断した状態で、光子検出器１１１−１，１１１−２が検出した雑音の数を測定する。この雑音の数は、所定の検出レベルを超えた信号の数（例えば、パルスの数）である。このような雑音は、様々な要因で発生する。
バイアス電圧制御部１１２は、検出数測定部１１５が検出した光子の検出数に基づいて、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれにバイアス電圧を印加する。ここで、バイアス電圧制御部１１２は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した光子の検出数が互いに均一となるようにバイアス電圧を調整する。そして、バイアス電圧制御部１１２は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれに調整したバイアス電圧を印加する。
加算量算出部１１６は、検出数測定部１１５が測定した雑音の数に基づいて、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する。ここで、加算量算出部１１６は、光子検出器１１１−１，１１１−２に入力する信号光を遮断した状態で、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した雑音の数が互いに均一となるようなダミー検出データの加算量を算出する。つまり、ダミー検出データには、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した雑音の数が互いに均一となるような数の雑音に相当する信号が含まれている。
加算部１１７−１，１１７−２は、加算量算出部１１６が算出した加算量のダミー検出データを光子検出器１１１−１，１１１−２が検出した検出データそれぞれに加算する。
なお、光伝送路１１４−１，１１４−２は多くの場合、光ファイバなどの光導波路であるが、何もない空間であっても良い。

以下に、図３に示した光受信装置における光受信方法について説明する。
図４は、図３に示した光受信装置における光受信方法の一例を説明するためのフローチャートである。

本形態における光受信装置は、まず光子検出器１１１−１，１１１−２の量子効率の均一化を行う。光受信装置は、光伝送路１１４−１、１１４−２それぞれから信号光１１３−１，１１３−２それぞれを光子検出器１１１−１，１１１−２に入力する（ステップＳ１１）。すると、光子検出器１１１−１，１１１−２は、それぞれに入力する信号光１１３−１，１１３−２から光子をそれぞれ検出する（ステップＳ１２）。検出数測定部１１５は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した光子の検出数を測定する（ステップＳ１３）。この検出数が量子効率にほぼ対応する。厳密には、この検出数には暗計数も含まれているが、その寄与は小さいため無視することができる。また、このとき、光子検出器１１１−１，１１１−２における光子の検出数にはバラツキがある。
続いて、バイアス電圧制御部１１２は、検出数測定部１１５が検出した光子の検出数に基づいて、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれに印加するバイアス電圧を調整し、印加する（ステップＳ１４）。このとき、バイアス電圧制御部１１２は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれの検出数が均一となるようにバイアス電圧を調整する。光受信装置は、この光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれに印加するバイアス電圧の調整を用いることで、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれの出力を均一にすることができ、量子効率を均一化することができる。このとき、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれの固体差を要因として、一般的に光子検出器１１１−１，１１１−２における暗計数確率は互いに異なったものになる。このようにバイアス電圧を変動させると、量子効率と暗計数確率との両方が同時に変動する。このため、続いて、光受信装置は、暗計数確率の均一化の処理を行う。
光受信装置は、信号光１１３−１，１１３−２の入力を遮断する（ステップＳ１５）。光子検出器１１１−１，１１１−２に入力する信号光を遮断した状態で、検出数測定部１１５は、光子検出器１１１−１，１１１−２が検出した雑音の数をそれぞれ測定する（ステップＳ１６）。この測定された検出数（雑音の数）は光子検出器１１１−１，１１１−２が本来持つ暗計数確率に相当する。このとき、光子検出器１１１−１，１１１−２の検出数には一般的にバラツキがある。このバラツキを補正するため、光受信装置は、ダミーの検出データを加える。具体的には、光受信装置は、検出数が少ない方の光子検出器１１１−１，１１１−２の検出データにダミー検出データを加え、ダミー検出データ加算後の検出数が均一となるようにする。加算量算出部１０６は、光子検出器１１１−１，１１１−２に入力する信号光を遮断した状態で、検出数測定部１０５が測定した雑音の数に基づいて、光子検出器１０１−１，１０１−２それぞれが検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する（ステップＳ１７）。ここで、加算量算出部１１６は、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した雑音の数が互いに均一となるような加算量を算出する。すると、加算部１０７−１，１０７−２は、加算量算出部１０６が算出した加算量のダミー検出データを光子検出器１０１−１，１０１−２が検出した検出データそれぞれに加算する（ステップＳ１８）。これにより、本来の暗計数とダミー検出データとの合計が光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれで均一となるように調整することができ、実効的な暗計数確率を均一化することが可能である。なお、このダミー検出データを加算する処理は光子検出器１１１−１，１１１−２の量子効率に影響を与えない。

このように、光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれが検出した光子の検出数に基づいて、バイアス電圧制御部１０２が光子検出器１１１−１，１１１−２それぞれに、光子検出器１１１−１，１１１−２の出力が均一になるようなバイアス電圧を印加する。また、入力する信号光を遮断した状態で、加算部１１７−１，１１７−２が、検出数測定部１１５が測定した雑音の数が互いに均一となるような加算量のダミー検出データを光子検出器１１１−１，１１１−２が検出した検出データそれぞれに加算する。そのため、光学損失が増加することなく、シンプルな装置構成で、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率とを同時に均一化する。
（変形例）

以上説明した実施の形態においては、検出系が２つの場合について説明したが、３つ以上の場合にも同様の構成および手順で本発明を実施し、効果を得ることが可能である。

上述したように、本発明によれば、伝送路に光学デバイスを追加する必要がないため、追加の光学損失を回避することができ、暗号鍵の生成速度を向上することが可能である。また、光学デバイスやその制御回路といったハードウェアの追加が不要であり、ソフトウェアによるデータ処理で暗計数確率を均一化できるため、装置構成がシンプルになる。
なお、上述した実施形態では量子効率を調整する方法として光子検出器のバイアス電圧を用いる場合を例に挙げて説明したが、この他にも検出器を活性化するために用いるゲートパルスの振幅や時間幅、検出閾値などを用いても調整可能である。

上記の実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）それぞれに入力する信号光から光子を検出する複数の光子検出器と、
前記複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する検出数測定部と、
前記検出数測定部が検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部と、
前記検出数測定部が測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する加算量算出部と、
前記加算量算出部が算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する加算部とを有し、
前記検出数測定部は、前記複数の光子検出器が検出した前記雑音の数を測定する光受信装置。
（付記２）前記加算量算出部は、前記複数の光子検出器に入力する信号光を遮断した状態で、前記複数の光子検出器が検出して前記検出数測定部が測定した前記雑音の数に基づいて、前記ダミー検出データの加算量を算出する、付記１に記載の光受信装置。
（付記３）前記加算量算出部は、複数の光子検出器が検出した前記雑音の数が互いに均一となるような前記加算量を算出する、付記２に記載の光受信装置。
（付記４）前記バイアス電圧制御部は、複数の光子検出器が検出した光子の検出数が互いに均一となるように前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加する、付記１から３のいずれか１項に記載の光受信装置。
（付記５）複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する処理と、
前記検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加する処理と、
前記複数の光子検出器が検出した雑音の数を測定する処理と、
前記測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する処理と、
前記算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する処理とを行う光受信方法。

１０１−１，１０１−２，１１１−１，１１１−２ 光子検出器
１０２，１１２ バイアス電圧制御部
１０５，１１５ 検出数測定部
１０６，１１６ 加算量算出部
１０７−１，１０７−２，１１７−１，１１７−２ 加算部
１１３−１，１１３−２ 信号光
１１４−１，１１４−２ 光伝送路

Claims (5)

1. それぞれに入力する信号光から光子を検出する複数の光子検出器と、
   前記複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する検出数測定部と、
   前記検出数測定部が検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部と、
   前記検出数測定部が測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する加算量算出部と、
   前記加算量算出部が算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する加算部とを有し、
   前記検出数測定部は、前記複数の光子検出器が検出した前記雑音の数を測定する光受信装置。
2. 請求項１に記載の光受信装置において、
   前記加算量算出部は、前記複数の光子検出器に入力する信号光を遮断した状態で、前記複数の光子検出器が検出して前記検出数測定部が測定した前記雑音の数に基づいて、前記ダミー検出データの加算量を算出する光受信装置。
3. 請求項２に記載の光受信装置において、
   前記加算量算出部は、複数の光子検出器が検出した前記雑音の数が互いに均一となるような前記加算量を算出する光受信装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光受信装置において、
   前記バイアス電圧制御部は、複数の光子検出器が検出した光子の検出数が互いに均一となるように前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加する光受信装置。
5. 複数の光子検出器が検出した光子の検出数を測定する処理と、
   前記検出した前記光子の検出数に基づいて、前記複数の光子検出器それぞれにバイアス電圧を印加する処理と、
   前記複数の光子検出器が検出した雑音の数を測定する処理と、
   前記測定した雑音の数に基づいて、前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算するダミー検出データの加算量を算出する処理と、
   前記算出した加算量のダミー検出データを前記複数の光子検出器が検出した検出データそれぞれに加算する処理とを行う光受信方法。

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