JP6943043B2 - 光子検出器のタイミング調整方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は光通信システムにおける光通信装置に係り、特に単一光子を検出可能な光子検出器のタイミング調整技術に関する。

光通信の分野において、量子暗号鍵配送(Quantum Key Distribution:ＱＫＤ)は伝送路の高秘匿性を実現するものとして近年盛んに研究開発が行われている。ＱＫＤシステムでは、通信媒体として光子が使用されるので単一光子を検出する素子を必要とし、単一光子検出器としてはアバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photo Diode：ＡＰＤ)が使用されている。ＡＰＤの駆動には、ブレークダウン電圧を越える逆バイアス電圧を印加するガイガーモード(Geiger Mode)が用いられ、さらにノイズ低減のために光子の入射タイミングでのみ電圧を印加するゲイテッドガイガーモード(Gated Geiger Mode：ＧＧＭ)が用いられる。ＧＧＭ駆動方式では、光子の入射タイミングとゲート電圧の印加タイミングとを一致させる必要があるので、ゲート印加タイミングを調整する技術が不可欠である。ゲート印加タイミング調整技術は、これまでにも種々提案されてきた。

たとえば、特許文献１には、光子検出器のゲート印加タイミングをスキャンすることで光子カウント数の最大値を探索し、そのタイミングを最適タイミングとして設定するタイミング調整方法が開示されている。また、特許文献２には、同じくゲート印加タイミングをスキャンすることで、ビット誤り率（ＢＥＲ）が最小となるタイミングを最適設定とする方法が開示されている。

特許第４６６３６５１号公報 特表２００８−５３８６７８号公報

しかしながら、上述した光子カウント値の最大値を利用する方法では、光子検出器に入射する光パルスに不要なパルスが混在する場合、不要なパルスの光子カウント値を最大値と誤認してゲート印加タイミングを設定する可能性がある。以下図面を用いて、このような誤設定の主な原因を簡単に説明する。

図１に例示するように、送信側に遅延時間ａの非対称干渉計Ａ、受信側に遅延時間ｂの非対称干渉計Ｂが設けられた光通信システムを考える。非対称干渉計は、光路差を利用し、入射パルスとそれを所定時間だけ遅延させた遅延パルスとを合成することで、所定の遅延時間だけ分離した２連パルスを生成する。

送信側の干渉計Ａは、所定周期（１ＣＬＫ）の光パルスを入力し、それを時間ａだけ遅延させたパルスと合成することで、遅延時間ａだけ分離した第一の２連パルスを出力する。受信側の干渉計Ｂは、第一の２連パルスを入力し、それを遅延時間ｂだけ遅延させた第二の２連パルスと合成することで、受信パルス列を出力する。このとき、システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用すると、遅延時間ａおよびｂはそれぞれ同一のＣＬＫ／２に設定される。したがって、受信側の干渉計Ｂでは、図１に示すように、第一の２連パルスの後続パルスが第二の２連パルスの先頭パルスと重なり、第一の２連パルス列の先頭のパルスが第二の２連パルスの後続パルスと重なる。

ＱＫＤシステムでは、送信側において第一の２連パルスの間で位相差を与えるように変調されるので、第一の２連パルスの後続パルスと第二の２連パルスの先頭パルスとの合成光がタイミング調整および情報取得に必要なパルス（以下、メインパルスという。）となり、第一の２連パルス列の先頭のパルスと第二の２連パルスの後続パルスとの合成光が不要なパルス（以下、サテライトパルスという。）となる。言い換えれば、受信パルス列の３連パルスのうち中央が必要なメインパルス、その両サイドが不要なサテライトパルスとなり、メインパルスだけを用いてタイミング調整を行うことが必要である。

ところが、上述した光子カウント値をモニタする方法では、メインパルスおよびサテライト共に２つのパルスが重なっているために、光子カウント数では有意な差がなく、両者を判別することができない。したがって、誤ってサテライトパルスに従ってタイミング調整を行う場合が５０％の確率で存在する。

一方、上述したビット誤り率（ＢＥＲ）が最小となるタイミングを最適設定とする方法では、サテライトパルスのＢＥＲがより高くなるので、メインパルスを正しく選択することができる。しかしながら、ＢＥＲを精度良く評価するには、光子カウント値をモニタする場合よりも１００倍程度のデータ点が必要となる。このために、ＢＥＲを利用する方法は、光子カウント値を利用する方法より、測定時間や計算量が増大し、最適タイミングを発見するまでにより時間がかかる、という難点がある。

そこで本発明の目的は、必要なパルスを判別することで光子検出器のタイミング調整を高速かつ高い信頼性で実行できる方法、装置、システムおよびプログラムを提供することにある。

本発明によるタイミング調整装置は、送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置であって、前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、前記タイミングに設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として、前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によるタイミング調整方法は、送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整方法であって、第一制御手段が、前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定し、第二制御手段が、前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させ、第三制御手段が、前記タイミング設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、ことを特徴とする。
本発明による光通信システムは、送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、前記送信機が、所定周期のパルスを生成する光源と、遅延時間を変更可能な第一非対称干渉計と、を有し、
前記受信機が、遅延時間を変更可能な第二非対称干渉計と、光子検出手段と、前記送信機で生成された前記所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出手段で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、前記タイミングに設定された前記光子検出手段に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によるプログラムは、送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する機能と、前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる機能と、前記タイミングに設定された前記光子検出器に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを判別する機能と、前記判別された受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する機能と、を前記コンピュータで実現させることを特徴とする。

上述したように、本発明によれば、タイミング調整に必要なパルスを容易に判別することができ、光子検出器の正しいタイミング調整を高速で実行できる。

図１は、非対称干渉計を用いた光通信システムにおける受信パルス列の生成過程を示す動作説明図である。 図２は、本発明の一実施形態による光通信システムにおける要／不要パルスの判別過程を説明するための模式的光子パルス波形図である。 図３は、本発明の一実施形態による光通信装置の送信側および受信側の概略的構成例を示すブロック図である。 図４は、図３の光通信装置における光子検出器のタイミング調整方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、本発明の一実施例による光通信装置の送信側および受信側のより詳細な構成例を示すブロック図である。 図６は、図５に示す光通信装置におけるゲート印加タイミングスキャンによる光子カウント数の測定手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、図５に示す光通信装置におけるゲート印加タイミングスキャンの一例を示すタイミングチャートである。 図８は、図７のゲート印加タイミングスキャンにより得られる光子カウント数の変化を示すグラフである。 図９は、図５に示す光通信装置におけるメインパルス判別方法の第一例を示すフローチャートである。 図１０は、図９に示すメインパルス判別過程を説明するための模式的光子パルス波形図である。 図１１は、図５に示す光通信装置におけるメインパルス判別方法の第二例を示すフローチャートである。 図１２は、図１１に示すメインパルス判別過程を説明するための模式的光子パルス波形図である。 図１３は、本実施例を適用したＱＫＤシステムの一例を示す概略的構成図である。

＜実施形態の概要＞
本発明の実施形態によれば、非対称干渉計を用いた光通信システムにおいて、受信側光通信装置で光子検出器への入射パルスのタイミングを検出した後、送信側および受信側の両方の非対称干渉計に対して遅延時間を同じ量だけ変化させることで生じる光子検出カウント数の変化により、入射パルスの要／不要を判別する。たとえば、遅延変化前と同レベルの高いカウント数であれば必要なパルス（メインパルス）、遅延変化前より低いレベルのカウント数であれば不要なパルス（サテライトパルス）、と判別される。以下、メインパルスの判定方法の概略について図２を参照しながら簡単に説明する。

図２に示すように、光通信システムは図１と同様のシステム構成を有するが、送信側および受信側の非対称干渉計１０および２０は遅延時間ａおよびｂをそれぞれ変更可能であるものとする。非対称干渉計１０および２０の遅延時間が所定値ａおよびｂであれば、図１に例示したように、ａ＝ｂ＝ＣＬＫ／２の周期でメインパルスとサテライトパルスが交互に光子検出器に入射する。この場合のサテライトパルスは、すでに述べたように、第一の２連パルス列の先頭のパルスと第二の２連パルスの後続パルスとの合成光となる。

これに対して、図２に示すように、送信側および受信側の非対称干渉計１０および２０の遅延時間ａおよびｂを同じ時間δだけ変化させると、メインパルスは変化しないが、サテライトパルスは時間幅２δの２つのパルスに分離する。より詳しくは以下の通りである。

送信側の非対称干渉計１０は、所定周期（１ＣＬＫ）の光パルスを入力し、それを時間ａ＋δだけ遅延させたパルスと合成することで、遅延時間ａ＋δだけ分離した第一の２連パルスＰ１を出力する。受信側の非対称干渉計２０は、第一の２連パルスＰ１を入力し、それを遅延時間ｂ＋δだけ遅延させた第二の２連パルスＰ２と合成することで、受信パルス列Ｐ３を出力し、この受信パルス列Ｐ３が光子検出器により検出される。システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用すると、すでに述べたように、遅延時間ａおよびｂはそれぞれ同一のＣＬＫ／２に設定される。

この場合、受信側の非対称干渉計２０では、図２に示すように、第一の２連パルスＰ１の後続パルスと第二の２連パルスＰ２の先頭パルスとは重なるが、第一の２連パルスＰ１の先頭のパルスと第二の２連パルスＰ２の後続パルスとは２δの時間差で分離する。すなわち、送信側および受信側の非対称干渉計の遅延時間を同一のδだけ変化させると、メインパルスは変化しないが、サテライトパルスは時間幅２δの２つのパルスに分離する。したがって、ゲート印加タイミングをメインパルスに同期させると、２パルス分の光子を検出するが、サテライトパルスに同期させると１パルス分の光子しか検出されない。この光子カウント数の差異を検出することで、メインパルスかサテライトパルスかを判別することができる。

なお、非対称干渉計１０および２０の一方だけ遅延時間を変化させると、メインパルスとサテライトパルスのタイミングが両方ともシフトしてしまい判別が不可能となる。したがって、本発明の実施形態および実施例では、非対称干渉計１０および２０の両方の遅延時間を同じ時間δだけ変化させる。

以下、一方向型干渉計システムを一例として、本発明の実施形態および実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

１．実施形態
１．１）構成
図３において、光通信装置である送信機１００と受信機２００とは光伝送路によって接続されているものとする。送信機１００は、発光部１０１、遅延時間を変更できる非対称干渉計１０２およびコントローラ１０３を有する。発光部１０１は、微弱光パルスを生成するレーザ光源、たとえばレーザダイオード（ＬＤ）である。微弱光パルスは、強度を１光子／パルス以下に減衰させる光減衰器を用いることで生成することもできる。非対称干渉計１０２は、図２における非対称干渉計１０に対応し、微弱光パルスを可変遅延時間だけ分離して２連パルスとして光伝送路へ送出する。コントローラ１０３は、後述するように、レーザ光源１０１および非対称干渉計１０２を制御する。

受信機２００は、非対称干渉計２０１、光子検出器２０２、ゲート印加回路２０３、コントローラ２０４、メモリ２０５、およびプログラムメモリ２０６を有する。非対称干渉計２０１は、図２における非対称干渉計２０に対応し、送信側の非対称干渉計１０２と同様に遅延時間を変更できる。光伝送路を通して到達した２連パルスは非対称干渉計２０１により合波し、受信パルス列として光子検出器２０２へ入射する。光子検出器２０２は、単一光子を検出可能な素子であり、典型的にはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）である。ゲート印加回路２０３は、コントローラ２０４により制御されたタイミングで、光子検出器２０２に対してゲート電圧を印加する。

コントローラ２０４は、光子検出器２０２により検出された光子の数をカウントし、ゲート印加回路２０３によるゲート印加タイミングを制御し、各ゲート印加タイミングでの光子カウント数をメモリ２０５に記録する。さらに、コントローラ２０４は、非対称干渉計１０２および２０１との遅延時間をそれぞれ所定時間δだけ変化させることができる。以下、非対称干渉計１０２の基準遅延時間をａ、変化後の遅延時間をａ＋δとし、非対称干渉計２０１の基準遅延時間をｂ、変化後の遅延時間をｂ＋δとする。なお、コントローラ２０４は、プロセッサあるいはＣＰＵ(Central Processing Unit)により実現可能であり、プログラムメモリ２０６に格納されたプログラムを実行することにより、後述するゲート印加タイミングの調整動作を制御する。以下、図４を参照しながら、本実施形態によるゲート印加タイミングの調整方法について説明する。

１．２）動作
図４において、コントローラ２０４は、プログラムメモリ２０６に格納されたプログラムを実行することで、次の機能を実現する。
＜光子カウント数の記録＞
コントローラ２０４は、ゲート印加回路２０３を制御して、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲Ｒでスキャンし、各タイミングで光子検出器２０２により検出される光子カウント数をメモリ２０５に記録する（動作Ｓ３０１）。
＜ピーク値およびピークタイミングの抽出＞
コントローラ２０４は、メモリ２０５に記録されたデータから光子カウント数のピーク値Ｎｐとその時のタイミングｔｐとを抽出する（動作Ｓ３０２）。
＜遅延時間の変更＞
コントローラ２０４は、送信側の非対称干渉計１０２と受信側の非対称干渉計２０１の遅延時間をそれぞれ所定時間δだけ変化させる。これにより、図２で説明したように、時間δだけシフトしたピークタイミングで、あるいは当該ピークタイミングを含む所定の範囲で、光子カウント数Ｎを測定する（動作Ｓ３０３）。
＜メインパルスの判別＞
コントローラ２０４は、遅延時間の変化前のピーク値Ｎｐと変化後の光子カウント値Ｎとを比較することで、ピーク値Ｎｐを示すタイミングｔｐのパルスがメインパルスか否かを判別する（動作Ｓ３０４）。上述したように、ゲート印加タイミングがメインパルスに同期している場合は２パルス分の光子を検出するためＮはＮｐとほぼ等しくなるが、サテライトパルスに同期していた場合には、ピークを構成していた２つのパルスが分離するためＮはＮｐよりも小さくなる。そのため、光子カウント数ＮｐとＮとを比較することでメインパルスかサテライトパルスかを判別することができる。
＜ゲート印加タイミングの設定＞
コントローラ２０４は、メインパルスのタイミングが決定したので、それに同期したゲート印加タイミングでゲート印加回路２０３を動作させ、必要な光子パルスの入射タイミングに合わせてゲート電圧を光子検出器２０２に印加する（動作Ｓ３０５）。

１．３）効果
上述したように、本発明の一実施形態によれば、送信側および受信側の両方の非対称干渉計の遅延時間を同じ量だけ変化させ、遅延変化の前後で光子カウント数の変化をモニタすることにより、光子検出器に入射する光子パルスの要／不要を判別することができる。これにより、不要なサテライトパルスではなく、メインパルスに同期したゲート印加タイミングを設定することができる。誤り率を計算してメインパルスを判定する方法とは異なり、光子カウント数のみを用いてメインパルスを判定するので、測定時間や計算量が大幅に減少しタイミング調整時間を短縮できるという効果を有する。

２．実施例
以下、本発明の一実施例として、上述した実施形態による一方向型干渉計システムのより詳細な構成例を説明する。

２．１）構成
図５において、本実施例によるシステムは、図３に示すシステムと基本的の同様の構成を有するので、同様の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明を簡略化し、主に異なる構成について説明する。

本実施例で用いられる非対称干渉計１０２および２０１は、いずれも遅延時間が可変の干渉計であり、本発明では遅延時間の可変メカニズムを問わない。たとえば、図５の非対称干渉計１０２および２０１に例示するように、プリズムＰを矢印方向に機械的に移動させることで遅延時間を変更することができる。この他に、入射パルスを２分岐し、一方の光路を光学的に接続可能に分断して、分断された光路間の距離を機械的に変化させる方法や、長さの異なる２つの伝送路を光スイッチで切り替えることで光路長を変化させる方法などを採用することができる。本実施例で採用される非対称干渉計１０２および２０１は、一例として、基準となる遅延時間をａ、ｂとし、プリズムＰを所定距離移動させることで遅延時間ａ＋δ、ｂ＋δだけ分離した２連パルスをそれぞれ生成することができるものとする。

受信機２００のコントローラ２０４は、上述したようにプログラムメモリ２０６に格納されたプログラムを実行することで、ゲート印加タイミング制御部２１０、光子カウント値ピーク抽出部２１１、光子カウンタ２１２、およびメインパルス判定部２１３と、全体的動作を制御する制御部２１４と、を含む機能を実現する。光子カウンタ２１２は、光子検出器２０２により検出された光子数を計数する。ＡＰＤの場合、光子カウンタ２１２は、ＡＰＤにゲート電圧を印加する毎になだれ降伏の発生の有無を検出し、なだれ降伏発生回数をカウントする。

ゲート印加タイミング制御部２１０は、ゲート印加回路２０３を制御してゲート印加タイミングを所定ステップでシフトさせ、各ゲート印加タイミングでの光子カウント数をメモリ２０５に記録する。光子カウント値ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に格納された光子カウント値からピーク値とその時のゲート印加タイミングとを抽出する。メインパルス判定部２１３は、制御部２１４による非対称干渉計１０２および２０１の遅延時間変更により得られる光子カウント数の変化に基づいて、メインパルスか否かを判別する。以下、図４〜図１２を参照しながら、本実施例によるゲート印加タイミングの調整方法について詳細に説明する。

２．２）スキャンによる光子カウント数の記録
まず、図６〜図８を参照しながら、スキャンにおける各ゲート印加タイミングでの光子カウント数の記録動作について説明する。

図６において、制御部２１４は、本実施例によるタイミング調整方法で使用する変数ｔ、Ｎ、δ等を初期化した後（動作Ｓ４０１）、ゲート印加タイミングｔをゲート印加タイミング制御部２１０に設定する（動作Ｓ４０２）。これにより、ゲート印加タイミング制御部２１０は、図７の位相θ_０＝０に示すように、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２に周期ＣＬＫ＝Ｔの繰り返しゲート電圧を所定期間Ｔｇだけ印加する。たとえば、周期ＣＬＫ＝Ｔ＝８００ｐｓ（ピコ秒）、測定時間Ｔｇ＝１秒に設定する。制御部２１４は、所定期間Ｔｇでの光子カウント数Ｎを光子カウンタ２１２から入力し、ゲート印加タイミングｔと当該カウント数Ｎとを関係づけてメモリ２０５に記録する（動作Ｓ４０３）。

ゲート印加タイミングｔが周期ＣＬＫ＝Ｔに到達していなければ（動作Ｓ４０４のＮＯ）、制御部２１４は、ゲート印加タイミングｔを所定時間ｄだけ増加させる（動作Ｓ４０５）。言い換えれば、ゲート印加タイミングｔの位相を１ステップｄ＝２π／ｎだけシフトさせ、ゲート印加タイミング制御部２１０に設定し（動作Ｓ４０２）、以下、動作Ｓ４０２〜Ｓ４０５をｔ＞Ｔを満たすまで繰り返す。したがって、Ｔはスキャン範囲であり、シフトステップｄはＴ／ｎとなる。ゲート印加タイミング制御部２１０は、図７の位相θ_０＝０〜２πに示すように、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２に周期ＣＬＫの繰り返しゲート電圧をステップｄずつ位相シフトさせながら印加し、各ゲート印加タイミングｔの光子カウント数Ｎをメモリ２０５に記録する。一例として、スキャン範囲Ｔ＝８００ｐｓであれば、たとえばステップｄ＝２５ｐｓであり、このときのｎ＝３２である。

光子検出器２０２への光子入射タイミングとゲート印加タイミングとが一致すれば、光子を最も効率的に検出できるので、図７では位相θｉ、θｊの時に光子を最も効率的に検出できる。したがって、メモリ２０５に記録された光子カウント数は、図８に示すように、位相θｉ、θｊに対応するゲート印加タイミングｔｐ（１）、ｔｐ（２）でそれぞれピーク値Ｎｐ（１）、Ｎｐ（２）を示す。既に述べたように、これらのピーク値Ｎｐがメインパルスあるいはサテライトパルスのいずれによる値であるかを判別することはできない。メインパルスか否かの判別は、上述したように、送信側および受信側の両方の非対称干渉計の遅延時間を同じ量δだけ変化させた時の光子カウント数の変化の有無を調べることにより可能となる。以下、本実施例によるメインパルス判別方法の具体例を説明する。

２．３）メインパルス判別方法（Ｉ）
メインパルス判別方法の第一例によれば、１つのゲート印加タイミングでの光子カウント数が非対称干渉計の遅延時間の変化前後で変化するか否かをチェックすることによりメインパルスか否かを判別することが可能である。以下、図９および図１０を参照しながら、当該第一例について詳細に説明する。

図９において、上述したゲート印加タイミングスキャンによる光子カウント数の測定および保存（動作Ｓ４０１〜Ｓ４０４）が完了すると、光子カウント値ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に格納された光子カウント数の測定データ（図８参照）から、１つのカウントピーク値Ｎｐと、その時のゲート印加タイミングｔｐとを取得する（動作Ｓ５０１）。たとえば、図８のカウントピーク値Ｎｐ（１）およびタイミングｔｐ（１）が取得される。

続いて、制御部２１４は、送信側の非対称干渉計１０２と受信側の非対称干渉計２０１の遅延時間をそれぞれ所定時間δだけ変化させる（動作Ｓ５０２）。これに伴い、ゲート印加タイミング制御部２１０は、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２のゲート電圧の印加タイミングをｔｐ＋δに設定し、制御部２１４は、新たに設定されたゲート印加タイミングｔｐ＋δで光子カウント数Ｎを測定する（動作Ｓ５０３）。

メインパルス判定部２１３には、平均的な光子カウントピーク値より小さい値であってメインパルス判定用のしきい値Ｎ_ＴＨが予め設定されている。メインパルス判定部２１３は、測定された光子カウント数Ｎと判定用しきい値Ｎ_ＴＨとを比較することで、対象となる受信パルスがメインパルスか否かを判定する（動作Ｓ５０４；図１０参照）。光子カウント数Ｎが判定用しきい値Ｎ_ＴＨより大きい場合、当該ゲート印加タイミングｔｐの受信パルスがメインパルスであると判定できる（動作Ｓ５０５）。

他方、光子カウント数Ｎが判定用しきい値Ｎ_ＴＨより小さい場合には、当該受信パルスがサテライトパルスであると判定できる。この場合、制御部２１４は、メモリ２０５から隣接するピーク値Ｎｐのゲート印加タイミングｔｐを取得し（動作Ｓ５０６）、Ｎ＞Ｎ_ＴＨを満たすまで、あるいは所定の上限回数まで、上記動作Ｓ５０３〜Ｓ５０４を繰り返すように制御する。図８の場合、カウントピーク値Ｎｐ（１）の隣のピーク値Ｎｐ（２）が抽出され、そのゲート印加タイミングｔｐ（２）を新たなタイミングとして光子カウント数が測定される。図２を用いて述べたように、システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用する場合、ピーク値Ｎｐ（１）を示す受信パルスがサテライトパルスであれば、その隣のピーク値Ｎｐ（２）を示す受信パルスはメインパルスとなると推定できる。

図１０において、図８に示す測定データがメモリ２０５に保存されている場合、非対称干渉計１０２および２０１の遅延時間が基準値に設定された状態（δ＝０）では、ゲート印加タイミングｔｐ（１）、ｔｐ（２）で光子カウントピーク値Ｎｐ（１）、Ｎｐ（２）がそれぞれ保存されている。ピーク値Ｎｐ（１）がメインパルスによる値であれば、非対称干渉計の遅延時間をδだけ変化させた状態（δ＞０）でも、測定された光子カウント数Ｎは変化前のＮｐ（１）とほぼ同じレベルであり、判定用のしきい値Ｎ_ＴＨより大きくなる。これに対して、ピーク値Ｎｐ（２）がサテライトパルスによる値であれば、非対称干渉計の遅延時間をδだけ変化させた状態（δ＞０）では、測定された光子カウント数Ｎが変化前のＮｐ（２）より大幅に減少し、判定用のしきい値Ｎ_ＴＨより小さくなる。このように干渉計の遅延時間の変化前後で測定した光子カウント数を比較することで、メインパルスか否かを判別することができる。

なお、図２を用いて説明したように、２連パルスを用いた場合、システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用すると、送信側および受信側の非対称干渉計の遅延時間ａおよびｂはそれぞれ同一のＣＬＫ／２に設定される。したがって、図２に例示したように、メインパルスとサテライトパルスは時間軸上で交互に現れる。したがって、図９に示す動作Ｓ５０３〜Ｓ５０４は最大２回繰り返すだけである。また、初回でピーク値Ｎｐ（１）を示す受信パルスがサテライトパルスと判定された場合、２回目の判定を行うことなく、その隣のピーク値Ｎｐ（２）を示す受信パルスをメインパルスと判定することも可能である。

２．４）メインパルス判別方法（II）
メインパルス判別方法の第二例によれば、異なるタイミングでの２つの光子カウントピーク値の大小関係が非対称干渉計の遅延時間を変化させた後でどのように変化するかをチェックすることにより、いずれのタイミングがメインパルスを示すかを判定できる。以下、図１１および図１２を参照しながら、当該第二例について詳細に説明する。

図１１において、上述したゲート印加タイミングスキャンによる光子カウント数の測定および保存（動作Ｓ４０１〜Ｓ４０４）が完了すると、光子カウント値ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に格納された光子カウント数の測定データ（図８参照）から、２カ所のカウントピーク値Ｎｐ（１）、Ｎｐ（２）と、その時のゲート印加タイミングｔｐ（１）、ｔｐ（２）とを取得する（動作Ｓ６０１；図１２のδ＝０で示すグラフを参照）。

続いて、制御部２１４は、送信側の非対称干渉計１０２と受信側の非対称干渉計２０１の遅延時間をそれぞれ所定時間δだけ変化させる（動作Ｓ６０２）。これに伴い、ゲート印加タイミング制御部２１０は、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２のゲート電圧の印加タイミングをｔｐ（１）＋δおよびｔｐ（２）＋δの両方を含む限定範囲あるいはそれぞれを含む２つの限定範囲でスキャンし、制御部２１４は、限定範囲における各ゲート印加タイミングでの光子カウント数Ｎをメモリ２０５に記録する（動作Ｓ６０３；図１２のδ＞０で示すグラフを参照）。限定範囲内でのゲート印加タイミングは、ｔｐ（１）＋δとｔｐ（２）＋δとを少なくとも含むものであればよく、タイミングステップは図６におけるステップｄより大きく設定することができる。また、ゲート印加タイミングｔｐ（１）＋δとｔｐ（２）＋δのピンポイントでの光子カウント数を測定してもよい。

続いて、光子カウント値ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に格納された限定範囲の各タイミングでの光子カウント数の測定データ（図１２のδ＞０のグラフを参照）から、２つのカウントピーク値Ｎｒｐ（１）、Ｎｒｐ（２）を抽出する（動作Ｓ６０４）。

メインパルス判定部２１３は、２つのカウントピーク値Ｎｒｐ（１）、Ｎｒｐ（２）を比較することで、いずれの受信パルスがメインパルスであるかを判定する（動作Ｓ６０５〜Ｓ６０８；図１２のδ＞０で示すグラフを参照）。より詳しくは、Ｎｒｐ（１）＞Ｎｒｐ（２）であれば（動作Ｓ６０５のＹＥＳ）、Ｎｒｐ（１）に対応するゲート印加タイミングｔｐ（１）での受信パルスをメインパルスと判定する（動作Ｓ６０６）。Ｎｒｐ（１）＜Ｎｒｐ（２）であれば（動作Ｓ６０５のＮＯ、Ｓ６０７のＹＥＳ）、Ｎｒｐ（２）に対応するゲート印加タイミングｔｐ（２）での受信パルスをメインパルスと判定する（動作Ｓ６０８）。

図２を用いて説明したように、２連パルスを用いた場合、システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用すると、送信側および受信側の非対称干渉計の遅延時間ａおよびｂはそれぞれ同一のＣＬＫ／２に設定される。したがって、図２に例示したように、メインパルスとサテライトパルスとは時間軸上で交互に現れる。したがって、図１１における動作Ｓ６０１で抽出されるカウントピーク値Ｎｐ（１）、Ｎｐ（２）が図８における隣接する２つのピーク値であれば、図１２のδ＞０で示すグラフで示すように、一回の限定範囲スキャンによってメインパルスを判別することができる。

２．５）効果
以上述べたように、本発明の一実施例によれば、１つの光子カウントピーク値あるいは２つの光子カウントピーク値に注目し、送信側および受信側の両方の非対称干渉計の遅延時間を同じ量だけ変化させた時の光子カウント数の変化を検出することによって、受信パルス列から必要なメインパルスを判別する。１つの光子カウントピーク値に基づいてメインパルス判別を行う場合は、１回の判別によりメインパルスを判別可能となり、計算量の軽減、タイミング調整時間の短縮が可能となる。また、２つの光子カウントピーク値に基づいてメインパルス判別を行う場合は、隣接するピーク値を利用することで１回の限定されたスキャンを実行するだけでメインパルスを判別可能となり、同様に、計算量の軽減、タイミング調整時間の短縮が可能となる。

３．ＱＫＤシステムへの適用例
以下、上述した本実施例を適用したＱＫＤシステムについて図１３を参照しながら説明する。

図１３において、ＱＫＤシステムのアリス（Ａｌｉｃｅ）１００およびボブ（Ｂｏｂ）２００は、図５の送信機１００および受信器２００にそれぞれ対応し、同様の構成を有する。ただし、図１３では、説明に必要な構成のみを図示する。以下、図５と同一のブロックについては同一の参照番号を付して説明を省略し、図５と異なる構成について説明する。

Ａｌｉｃｅ１００は、光子パルスの生成を行うレーザダイオード（ＬＤ）１０１と、光子パルスを可変の遅延時間Δｔだけ分離して２連パルスを出力する非対称光学干渉計１０２と、２連パルス間に所定の位相差を加える位相変調器Ｍｏｄ（ａ）と、２系統の乱数源ＲＮＤ１およびＲＮＤ２と、これらの乱数を足し合わせて位相変調器Ｍｏｄ（ａ）へ乱数を供給するデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）と、を有する。

Ｂｏｂ２００は、Ａｌｉｃｅ１００から光伝送路を通して送られた２連パルスに再度位相差を与える位相変調器Ｍｏｄ（ｂ）と、２連パルスを合波する遅延時間可変の非対称光学干渉計２０１と、非対称光学干渉計２０１の２つの出力ポートport1およびport2にそれぞれ光学的に接続された２つのゲートモード光子検出器２０２（１）、２０２（２）と、位相変調器Ｍｏｄ（ｂ）へ乱数を供給する乱数源ＲＮＤ３と、を有する。なお、非対称光学干渉計として２入力２出力非対称マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計を用いることができる。

Ａｌｉｃｅ１００では、パルス光源(ＬＤ)１０１によって発生した周期ＣＬＫの光パルス列１００１を、可変遅延量Δtの２連パルス列１００２へと変換し、位相変調器Ｍｏｄ（ａ）によって各々のパルス対の間にφAの位相差を与える様に変調を施すことで送信２連パルス列１００３を得る。送信２連パルス列１００３が光伝送路を通してＢｏｂ側へ送信される。ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配送アルゴリズムでは、φAは０、π／２、π、３π／２の４値を採り、各パルス対に対してこの４値をランダムに割り当てる。この為、Ａｌｉｃｅ内には２系統の乱数源ＲＮＤ１およびＲＮＤ２と、これらの乱数を足し合わせるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）が設けられている。

Ｂｏｂ２００では、Ａｌｉｃｅ１００から送られてきた微弱光パルス列に対し、位相変調器Ｍｏｄ（ｂ）によって再びパルス対の間にφBの位相差を与える様に変調を施すことでＢｏｂ側の２連パルス列１００４を生成し、そのパルス対を可変遅延量Δtの非対称干渉計２０１を用いて干渉させる。その干渉結果がポートport1あるいはport2にそれぞれパルス列１００５あるいは１００６として現れ、それぞれ光子検出器ＰＤにより電気信号に変換される。

上述したように、本実施例を適用したＱＫＤシステムでは、すでに述べたように、非対称干渉計１０２および２０１の両方の遅延時間を同じ量δだけ変化させた状態で測定された光子カウント数の変化を検出する。これにより受信パルス列から必要なメインパルスを迅速且つ高い信頼性で判別することが可能となる。したがって、受信パルス列１００５および１００６の３連パルスのうち中央のメインパルスだけを用いて正確なタイミング調整を行うことができ、ＱＫＤシステムの調整に要する計算量を軽減し、動作を高速化できる。

４．付記
上述した実施形態の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置であって、
前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、
前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、
前記タイミングに設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として、前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、
を備えたタイミング調整装置。
（付記２）
前記第三制御手段が、１つの受信パルスに対応するタイミングでの前記光子カウント数が所定値より大きいか否かを判定し、前記所定値より大きい受信パルスを判別することを特徴とする付記１に記載のタイミング調整装置。
（付記３）
前記第三制御手段が、２つの受信パルスにそれぞれ対応するタイミングでの前記光子カウント数を比較し、光子カウント数が大きい方の受信パルスを判別することを特徴とする付記１に記載のタイミング調整装置。
（付記４）
前記第一制御手段が、ゲート印加タイミングを前記所定周期の範囲でスキャンすることで各タイミングでの光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を抽出することで前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、ことを特徴とする付記１−３のいずれか１項に記載のタイミング調整装置。
（付記５）
送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整方法であって、
前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定し、
前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させ、
前記タイミング設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、
ことを特徴とするタイミング調整方法。
（付記６）
前記基準となる受信パルスは、１つの受信パルスに対応するタイミングでの前記光子カウント数が所定値より大きい受信パルスであることを特徴とする付記５に記載のタイミング調整方法。
（付記７）
前記基準となる受信パルスは、２つの受信パルスにそれぞれ対応するタイミングでの前記光子カウント数が大きい方の受信パルスであることを特徴とする付記５に記載のタイミング調整方法。
（付記８）
ゲート印加タイミングを前記所定周期の範囲でスキャンすることで各タイミングでの光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を抽出することで、前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、ことを特徴とする付記５−７のいずれか１項に記載のタイミング調整方法。
（付記９）
送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、
前記送信機が、
所定周期のパルスを生成する光源と、
遅延時間を変更可能な第一非対称干渉計と、
を有し、
前記受信機が、
遅延時間を変更可能な第二非対称干渉計と、
光子検出手段と、
前記送信機で生成された前記所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出手段で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、
前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、
前記タイミングに設定された前記光子検出手段に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、
を備えたことを特徴とする光通信システム。
（付記１０）
送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第一機能と、
前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二機能と、
前記タイミングに設定された前記光子検出器に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを判別する第三機能と、
前記判別された受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第四機能と、
を前記コンピュータで実現させるためのプログラム。
（付記１１）
前記第三機能が、１つの受信パルスに対応するタイミングでの前記光子カウント数が所定値より大きいか否かを判定し、前記所定値より大きい受信パルスを判別することを特徴とする付記１０に記載のプログラム。
（付記１２）
前記第三機能が、２つの受信パルスにそれぞれ対応するタイミングでの前記光子カウント数を比較し、光子カウント数が大きい方の受信パルスを判別することを特徴とする付記１０に記載のプログラム。
（付記１３）
前記一機能が、ゲート印加タイミングを前記所定周期の範囲でスキャンすることで各タイミングでの光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を抽出することで前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、ことを特徴とする付記１０−１２のいずれか１項に記載のプログラム。
（付記１４）
付記１−３のいずれか１項に記載のタイミング調整装置を備えた光通信装置。
（付記１５）
付記１−３のいずれか１項に記載のタイミング調整装置を備えた、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの受信機。

本発明は非対称干渉計からなる一方向型ＱＫＤシステムに適用可能である。

１０、２０ 遅延可変非対称干渉計
１００ 送信機、Ａｌｉｃｅ
１０１ レーザ光源
１０２ 遅延可変非対称干渉計
１０２ コントローラ
２００ 受信機、Ｂｏｂ
２０１ 遅延可変非対称干渉計
２０２ 光子検出器
２０３ ゲート印加回路
２０４ コントローラ
２０５ メモリ
２０６ プログラムメモリ
２１０ ゲート印加タイミング制御部
２１１ 光子カウント値ピーク抽出部
２１２ 光子カウンタ
２１３ メインパルス判定部
２１４ 制御部

Claims (10)

1. 送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置であって、
   前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、
   前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、
   前記タイミングに設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として、前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、
   を備えたタイミング調整装置。
2. 前記第三制御手段が、１つの受信パルスに対応するタイミングでの前記光子カウント数が所定値より大きいか否かを判定し、前記所定値より大きい受信パルスを判別することを特徴とする請求項１に記載のタイミング調整装置。
3. 前記第三制御手段が、２つの受信パルスにそれぞれ対応するタイミングでの前記光子カウント数を比較し、光子カウント数が大きい方の受信パルスを判別することを特徴とする請求項１に記載のタイミング調整装置。
4. 送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整方法であって、
   第一制御手段が、前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定し、
   第二制御手段が、前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させ、
   第三制御手段が、前記タイミング設定された前記光子検出器で検出される受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する、
   ことを特徴とするタイミング調整方法。
5. 送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、
   前記送信機が、
   所定周期のパルスを生成する光源と、
   遅延時間を変更可能な第一非対称干渉計と、
   を有し、
   前記受信機が、
   遅延時間を変更可能な第二非対称干渉計と、
   光子検出手段と、
   前記送信機で生成された前記所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出手段で検出するタイミングを設定する第一制御手段と、
   前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二制御手段と、
   前記タイミングに設定された前記光子検出手段に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第三制御手段と、
   を備えたことを特徴とする光通信システム。
6. 送信機の第一非対称干渉計と受信機の第二非対称干渉計とからなる干渉計システムにおける前記受信機の光子検出器に対するゲート印加タイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
   前記送信機で生成された所定周期のパルスが所定の遅延時間を有する前記第一および第二非対称干渉計を通過することで生成された複数の受信パルスを前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第一機能と、
   前記第一及び第二非対称干渉計の前記所定の遅延時間を所定時間だけ変化させる第二機能と、
   前記タイミングに設定された前記光子検出器に入射する受信パルスのうち、前記遅延時間の変化による光子カウント数の変化が小さい受信パルスを判別する第三機能と、
   前記判別された受信パルスを基準として前記光子検出器で検出するタイミングを設定する第四機能と、
   を前記コンピュータで実現させるためのプログラム。
7. 前記第三機能が、１つの受信パルスに対応するタイミングでの前記光子カウント数が所定値より大きいか否かを判定し、前記所定値より大きい受信パルスを判別することを特徴とする請求項６に記載のプログラム。
8. 前記第三機能が、２つの受信パルスにそれぞれ対応するタイミングでの前記光子カウント数を比較し、光子カウント数が大きい方の受信パルスを判別することを特徴とする請求項６に記載のプログラム。
9. 請求項１−３のいずれか１項に記載のタイミング調整装置を備えた光通信装置。
10. 請求項１−３のいずれか１項に記載のタイミング調整装置を備えた、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの受信機。

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