JP7161153B2 - マルチコアファイバモード分割多重に基づくｑｔｔｈシステム及びその伝送方法 - Google Patents
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Description
本発明は、量子情報分野に関し、特に、マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム及びその伝送方法に関する。
古典のＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ、ファイバ・トゥ・ザ・ホーム）エンドユーザーは、データの安全性の解決が急務になっており、ＱＣ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ、量子暗号）は理論的に無条件安全性が実現できるとして注目されている。ＱＣ、ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、量子鍵配送）の無条件保護プロトコルは、リモート２ユーザー間のランダムビット分布の情報理論的安全性を確保できる。近年、ＱＫＤシステムは、機器の互換性及びコストにより、普遍的な実用化のエンドツーエンド量子通信ネットワーク応用への実現には程遠い。ＱＫＤネットワーク応用のコストを削減するため、従来のＦＴＴＨネットワークを利用してＱＫＤを従来の光通信と統合することで、敷設及び運営の費用を最小限に抑えることができる。
量子と古典の融合を実現する慣用技術は、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、波長分割多重）であり、例えば２０１５年、Ｗｅｉ Ｓｕｎらによって提案された波長分割多重に基づく量子鍵分配とギガビット受動光ネットワークの統合実験である。ただし、光ファイバの非線形効果と高速伝送光信号対雑音比の要件を考えると、シングルモードファイバを用いるＷＤＭ技術は、容量の限界に近く、かつ回線上には追加の機器が必要となり、余分なクロストーク及び損失が引き起こし、最終的な安全性を損なう可能性があり、新しい多重化技術を用いて光伝送容量を増やし、スペクトル効率を向上し、増え続ける容量要件を満たすことが急務となっている。ＭＤＭ（Ｍｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、モード分割多重）とＳＤＭ（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、空間分割多重）技術は、伝送容量の問題を解決することが望まれていた。
１９８２年、ＭＤＭは、Ｓ．ＢｅｒｄａｇｕｅとＰ．Ｆａｃｑから初めて提案され、彼らは空間フィルタを利用してグレーデッドインデックスマルチモードファイバの２つの低次モードの励起を選択して伝送し、１０メートルの伝送後、２つのモード間クロストークが－２０ｄＢ未満であり、これにより短距離伝送でのモード分割多重の実現可能性を証明した。ただし、用いたマルチモードファイバには、モード分散、モード間クロストーク及び大きな損失等の一連の問題が存在している。本出願で用いるマルチコアファイバは、モード分散を効果的に低減させることができ、異種トレンチ型構造でモード間クロストーク及び非線形損失をさらに減らすことができる。ＭＤＭとは、光ファイバ内の光ファイバ内の互いに直交する各モードを独立した通信路として情報を伝送する多重化方式を意味し、本質的には光の多入力多出力過程である。ＭＤＭは、技術概念によると渦ファイバのＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ、軌道角運動量）、少数モードファイバ及びマルチコアファイバのモード分割多重に分けることができる。
ＯＡＭモードの円環状分布により、各モード間で互いに干渉しない性質を維持させるが、運ぶ光ビームが外部環境の影響を受けやすく、渦ファイバ等の特殊な光ファイバ内でのみ伝搬できる。多くの学者は、少数モードファイバでモード分割多重を実施することを提案し、例えば２０１５年Ｙｕａｎｘｉａｎｇ Ｃｈｅｎらが提案した自体の非線形検出を利用した新型ＭＤＭ－ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ：受動光ネットワーク）スキームを高速／容量アクセスネットワークに使用する。少数モードファイバは、少数モードを励起するだけでモード分散を効果的に低減し、大きなモードフィールド半径が非線形効果を効果的に抑制できるが、強いモード間分散とモード結合効果の存在が避けられない。
本出願は、モード分割多重技術を介してＱＫＤとＦＴＴＨの融合を実現し、その他のスキームと比較して、伝送容量の拡張と安全性の向上を踏まえ、異種トレンチアシスト７コアファイバを用いてモード間結合をさらに低減し、モードフィールド有効面積を増大する。
「従来技術（特許文献１）は、量子鍵配送とＰＯＮ機器コファイバー伝送のシステムを提供したが、コファイバー伝送がシングルモードファイバに基づく波長分割多重技術を使用しているため、通信容量が限界に近づく。
「従来技術（特許文献２）は、モード分割多重技術を用いてＦＴＴＨの通信容量を増やしているが、ＱＫＤ技術を使用していないため、安全性が不足している。」
本発明は、通信容量及び安全性を向上するマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨ（ＱＫＤとＦＴＴＨの融合を表す）システム及び方法を提供する。異種トレンチアシスト７コアファイバを用いてモード分割多重を実施すると、通信容量を拡大するだけではなく、物理的に隔離された構造により弱い量子信号が受ける古典的な信号による干渉は、その他のスキームよりも小さく、量子信号と古典的な信号の同時伝送時より良好な量子鍵配送性能が得られ、かつトレンチアシスト構造はモード間クロストークを効果的に低減し、光学効果の有効モードフィールド面積を増大することができる。
本発明は、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに基づくＱＫＤ技術（ＤＶ－ＱＫＤ）を用いる。ＢＢ８４プロトコルにおいて、送信者Ａｌｉｃｅは非直交基底ベクトルの下での二組の単一光子をランダムに送信し、受信者Ｂｏｂが基底ベクトルをランダムに選択して測定する。理想的には、両者が同じ基底ベクトルを使用する時、双方は安全かつ一致の鍵を得る。非対称性は、この二組の非直交基底ベクトルが選択される確率の違いに反映し、選択される確率の大きな基底が鍵の生成に使用され、選択される確率の小さい基底が安全検出に使用され、このような方法はより高い最終鍵レートを実現できる。実際のＱＫＤシステムの多光子パルス及び通信路損失によってもたらされるセキュリティ脆弱性を解決するため、本発明はＰＮＳ（Ｐｈｏｔｏｎ Ｎｕｍｂｅｒ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，光子数分割）攻撃を検出するためにのみ使用されるおとり状態を導入し、すなわち送信者は異なる強度の光源（信号状態及びおとり状態）を選択して受信者に送信する。
上記の技術的効果を奏するために講じた本発明の技術的手段は、次の通りである。
マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムであって、ＯＬＴ側（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ、光回線終端）と、ＭＤＭ－ＯＤＮ（Ｍｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ、モード分割多重－光分配ネットワーク）と、ＯＮＵ側（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ、光ネットワークユニット）と、を備え、ＯＬＴ側、ＭＤＭ－ＯＤＮ及びＯＮＵ側は、光ファイバを介して順次接続され；
ＭＤＭ－ＯＤＮは、モードマルチプレクサと、モードデマルチプレクサと、を備え、ＭＣＦ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ、マルチコアファイバ）を介して互いに接続され、ＭＣＦが異種トレンチアシスト７コアファイバであり；
ＯＬＴ側は、古典的な信号送信機と、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、離散変数－量子鍵配送）ユニットと、Ｎ＋１個のＯＬＴ側のモードコンバータと、を備え、Ｎ＋１個のモードコンバータの一端が前記古典的な信号送信機と接続し、他端がＭＤＭ－ＯＤＮのモードマルチプレクサと接続し；
ＯＮＵは、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機と、古典的な信号受信機と、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータと、２Ｎ＋１個のＰＤ及び１個のＯＮＵ側のＯＣと、を備え、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機はそれぞれＰＤ（光検出器）を介してモードデマルチプレクサと接続し、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータはデマルチプレクサと接続し、ここでＮ個のＯＮＵ側のモードコンバータがそれぞれＰＤを介して古典的な信号受信機と接続し、残りの１個のＯＮＵ側のモードコンバータが１個のＰＤ及びＯＮＵ側のＯＣ（ビームスプリッター）を介してそれぞれ各古典的な信号受信機と接続し；
古典的な信号送信機が送信したＮ＋１個の古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モードから異なり、互いに直交するモードに変換された後、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットが送信したＮ個の量子信号と共に、モードマルチプレクサに入り、ＭＣＦ伝送に適したモードに変換し、ＭＣＦを介してモードデマルチプレクサに送信して、独立したＮ＋１個の古典的な信号及びＮ個の量子信号に分解し、分解後の各古典的な信号は各々モードコンバータを介して基本モードに変換され、接続されたＰＤを介して古典的な信号受信機に送信し、量子信号が接続されたＰＤを介してＤＶ－ＱＫＤ受信機に送信される。
マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムであって、ＯＬＴ側（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ、光回線終端）と、ＭＤＭ－ＯＤＮ（Ｍｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ、モード分割多重－光分配ネットワーク）と、ＯＮＵ側（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ、光ネットワークユニット）と、を備え、ＯＬＴ側、ＭＤＭ－ＯＤＮ及びＯＮＵ側は、光ファイバを介して順次接続され；
ＭＤＭ－ＯＤＮは、モードマルチプレクサと、モードデマルチプレクサと、を備え、ＭＣＦ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ、マルチコアファイバ）を介して互いに接続され、ＭＣＦが異種トレンチアシスト７コアファイバであり；
ＯＬＴ側は、古典的な信号送信機と、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、離散変数－量子鍵配送）ユニットと、Ｎ＋１個のＯＬＴ側のモードコンバータと、を備え、Ｎ＋１個のモードコンバータの一端が前記古典的な信号送信機と接続し、他端がＭＤＭ－ＯＤＮのモードマルチプレクサと接続し；
ＯＮＵは、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機と、古典的な信号受信機と、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータと、２Ｎ＋１個のＰＤ及び１個のＯＮＵ側のＯＣと、を備え、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機はそれぞれＰＤ（光検出器）を介してモードデマルチプレクサと接続し、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータはデマルチプレクサと接続し、ここでＮ個のＯＮＵ側のモードコンバータがそれぞれＰＤを介して古典的な信号受信機と接続し、残りの１個のＯＮＵ側のモードコンバータが１個のＰＤ及びＯＮＵ側のＯＣ（ビームスプリッター）を介してそれぞれ各古典的な信号受信機と接続し；
古典的な信号送信機が送信したＮ＋１個の古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モードから異なり、互いに直交するモードに変換された後、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットが送信したＮ個の量子信号と共に、モードマルチプレクサに入り、ＭＣＦ伝送に適したモードに変換し、ＭＣＦを介してモードデマルチプレクサに送信して、独立したＮ＋１個の古典的な信号及びＮ個の量子信号に分解し、分解後の各古典的な信号は各々モードコンバータを介して基本モードに変換され、接続されたＰＤを介して古典的な信号受信機に送信し、量子信号が接続されたＰＤを介してＤＶ－ＱＫＤ受信機に送信される。
好ましくは、古典的な信号送信機は、レーザダイオードと、ビームスプリッターと、Ｎ個の強度変調器と、を備え、ここでＮ個のＯＬＴ側のモードコンバータが各々強度変調器を介してビームスプリッターと接続し、残りの１個のＯＬＴ側のモードコンバータがビームスプリッターと直接接続し；
Ｎ＋１個の古典的な信号は、１個のパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ（Ｏｎ－Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ，オンオフキーイング）信号を含む。
Ｎ＋１個の古典的な信号は、１個のパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ（Ｏｎ－Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ，オンオフキーイング）信号を含む。
より好ましくは、ＰＤは、ガイガーモードで動作するＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードを用いる。
ＭＣＦが伝送している時、量子信号は、１５５０ｎｍの波長通信路を用い、古典的な信号が上り１４９０ｎｍの波長通信路又は下り１３１０ｎｍの波長通信路を用いる。
より好ましくは、モードマルチプレクサ及びモードデマルチプレクサは、カスケードモード選択カプラーで構成される。
上記のＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに基づいて量子信号を生成するＤＶ－ＱＫＤユニットである。
さらに、ＭＣＦのコア半径は、５μｍであり、ＭＣＦのコア外側に屈折率のトレンチが設けられ、屈折率のトレンチの厚さが３μｍで、ＭＣＦのコア間隔が４２μｍである。
さらに、ＭＣＦのコア屈折率は、１．４４５７であり、ＭＣＦのコアとＭＣＦのクラッドとの間の屈折率差が０．００３であり、屈折率のトレンチとＭＣＦのクラッドとの間の屈折率差が０．００３である。
マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムの伝送方法は、次のステップを含む：
システムノイズテストステップＳ１：ＯＬＴ側がレーザーパルストレインを発射する場合において、システムノイズをテストし、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高いかどうかを判断し、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高い場合、ステップＳ２及びＳ２’に進み、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも低い場合、プロンプトメッセージを生成し；
量子状態準備ステップＳ２：ＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに従って量子状態を準備し、量子信号を生成し；
ＯＯＫ変調ステップＳ２’：古典的な信号送信機は、ビームスプリッターを介して古典的な信号をＮ＋１個に分け、うちの１つをパイロット信号とし、他のＮ個が強度変調器を介してＮ個のＯＯＫ信号に変調され、この時古典的な信号はパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ信号を含み；
モード変換ステップＳ２’．１：ステップＳ２’で得られた各古典的な信号は、モードコンバータによってモード変換を実施し；
モード多重伝送ステップＳ３：ステップＳ２及びＳ２’．１で得られた各信号は、モードマルチプレクサを経由してＭＣＦに入り、多重伝送後モードデマルチプレクサに到達してマルチパス信号に分解し；
モード変換ステップＳ４：各古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モード信号に変換され；
自己ホモダイン検出ステップＳ５：各ＯＯＫ信号について自己ホモダイン検出を実施し；
符号誤り率検出ステップＳ６：ＯＮＵ側は、ＤＶ－ＱＫＤフィルタリングコードの一部をランダムに選択して符号誤り率を検出し、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値と等しいか又は大きい場合、ステップＳ２及びＳ２’に戻り、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値よりも小さい場合、安全な通信を確立する。
システムノイズテストステップＳ１：ＯＬＴ側がレーザーパルストレインを発射する場合において、システムノイズをテストし、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高いかどうかを判断し、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高い場合、ステップＳ２及びＳ２’に進み、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも低い場合、プロンプトメッセージを生成し；
量子状態準備ステップＳ２：ＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに従って量子状態を準備し、量子信号を生成し；
ＯＯＫ変調ステップＳ２’：古典的な信号送信機は、ビームスプリッターを介して古典的な信号をＮ＋１個に分け、うちの１つをパイロット信号とし、他のＮ個が強度変調器を介してＮ個のＯＯＫ信号に変調され、この時古典的な信号はパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ信号を含み；
モード変換ステップＳ２’．１：ステップＳ２’で得られた各古典的な信号は、モードコンバータによってモード変換を実施し；
モード多重伝送ステップＳ３：ステップＳ２及びＳ２’．１で得られた各信号は、モードマルチプレクサを経由してＭＣＦに入り、多重伝送後モードデマルチプレクサに到達してマルチパス信号に分解し；
モード変換ステップＳ４：各古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モード信号に変換され；
自己ホモダイン検出ステップＳ５：各ＯＯＫ信号について自己ホモダイン検出を実施し；
符号誤り率検出ステップＳ６：ＯＮＵ側は、ＤＶ－ＱＫＤフィルタリングコードの一部をランダムに選択して符号誤り率を検出し、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値と等しいか又は大きい場合、ステップＳ２及びＳ２’に戻り、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値よりも小さい場合、安全な通信を確立する。
好ましくは、ＳＮ比のプリセット値は、２０ｄＢであり、おとり状態の理論計算値が１１％である。
従来技術と比較して、本発明の技術的技術の有利な効果を有する。
１）モード分割多重技術を用いてＱＴＴＨ技術を実現し、以前に提案されたシングルモードファイバＷＤＭ／ＴＤＭ等に基づく多重化技術は、伝送容量限界が近づき、かつ回線上に追加の機器が必要になり、余分な損失及びクロストークがもたらされて最終安全性を損なう可能性がある。本発明のモード分割多重は、互いに直交するモードを用いて多重化し、光通信の伝送容量及び最終的な安全性を向上させることができる。
１）モード分割多重技術を用いてＱＴＴＨ技術を実現し、以前に提案されたシングルモードファイバＷＤＭ／ＴＤＭ等に基づく多重化技術は、伝送容量限界が近づき、かつ回線上に追加の機器が必要になり、余分な損失及びクロストークがもたらされて最終安全性を損なう可能性がある。本発明のモード分割多重は、互いに直交するモードを用いて多重化し、光通信の伝送容量及び最終的な安全性を向上させることができる。
２）異種トレンチアシストマルチコアファイバを用いてモード分割多重を実現し、マルチコアファイバは物理的に隔離された構造により強い古典的な信号及び弱い量子信号が同時伝送される時に極めて優れたＳＮ比及びコア間の隔離を有させ、システムのより高い安定性及び堅牢性を確保し、同じ光ファイバを厳密かつ独立した通信路として伝送できるようになる。異種トレンチアシスト構造を用いると、弱い量子信号に対する強い古典的な信号の干渉を効果的に低減し、光ファイバの有効モードフィールド面積を増大し、異なるモード間のクロストークを減らすことができ；
自己ホモダイン検出技術を利用してレーザ位相雑音を効果的に抑制でき、偏光補償及びパイロット位相補正の多入力多出力ＤＳＰ（デジタル信号処理）を必要なしで、独立したＯＯＫ信号を直接検出できる。
自己ホモダイン検出技術を利用してレーザ位相雑音を効果的に抑制でき、偏光補償及びパイロット位相補正の多入力多出力ＤＳＰ（デジタル信号処理）を必要なしで、独立したＯＯＫ信号を直接検出できる。
３）ＭＣＦの２つのコアを利用して相互不偏基底を生成し、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルを用いて量子信号を生成する。この方法は、ＰＮＳ攻撃に効果的に抵抗できるだけでなく、鍵生成レート、安全性を向上させ、伝送距離を増加することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例中の技術的手段を詳細に説明するが、説明する実施例は本発明の一部の実施例であり、全ての実施例でないことは言うまでもない。本発明中の実施例に基づいて、当業者により創造性の活動をしない前提で得られた全ての他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に属する。
（実施例１）
マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムであって、図１に示すように、ＯＬＴ側と、ＭＤＭ－ＯＤＮと、ＯＮＵ側と、を備え、ＯＬＴ側、ＭＤＭ－ＯＤＮ及びＯＮＵ側は、光ファイバを介して順次接続される。
マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムであって、図１に示すように、ＯＬＴ側と、ＭＤＭ－ＯＤＮと、ＯＮＵ側と、を備え、ＯＬＴ側、ＭＤＭ－ＯＤＮ及びＯＮＵ側は、光ファイバを介して順次接続される。
ＭＤＭ－ＯＤＮは、モードマルチプレクサと、モードデマルチプレクサと、を備え、モードマルチプレクサ及びモードデマルチプレクサがカスケードモード選択カプラーで構成され、ＭＣＦを介して互いに接続され、ＭＣＦが低クロストーク及び大きなモードフィールド面積という利点を有する異種トレンチアシスト７コアファイバである。なお、カスケードモード選択カプラーは、位相整合原理に基づいており、基本モードと高次モードが位相整合に達した時、エバネッセント場結合が発生し、異なるポートで異なるモードのモード分離機能を実現できるため、モードのマルチプレクサ及びデマルチプレクサに効果的に充てることができ、かつ製造しやすく、ファイバとの互換性が高く、モードクロストークが低い等の利点を有する。
ＯＬＴ側は、古典的な信号送信機と、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットと、Ｎ＋１個のＯＬＴ側のモードコンバータと、を備え、Ｎ＋１個のモードコンバータの一端が前記古典的な信号送信機と接続し、他端がＭＤＭ－ＯＤＮのモードマルチプレクサと接続し；
ＯＮＵは、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機と、古典的な信号受信機と、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータと、２Ｎ＋１個のＰＤ及び１個のＯＮＵ側のＯＣと、を備え、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機はそれぞれＰＤを介してモードデマルチプレクサと接続し、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータはデマルチプレクサと接続し、ここでＮ個のＯＮＵ側のモードコンバータがそれぞれＰＤを介して古典的な信号受信機と接続し、残りの１個のＯＮＵ側のモードコンバータが１個のＰＤ及びＯＮＵ側のＯＣを介してそれぞれ各古典的な信号受信機と接続し；
古典的な信号送信機が送信したＮ＋１個の古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モードから異なり、互いに直交するモードに変換された後、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットが送信したＮ個の量子信号と共に、モードマルチプレクサに入り、ＭＣＦ伝送に適したモードに変換し、ＭＣＦを介してモードデマルチプレクサに送信して、独立したＮ＋１個の古典的な信号及びＮ個の量子信号に分解し、分解後の各古典的な信号は各々モードコンバータを介して基本モードに変換され、接続されたＰＤを介して古典的な信号受信機に送信し、量子信号が接続されたＰＤを介してＤＶ－ＱＫＤ受信機に送信される。
ＯＮＵは、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機と、古典的な信号受信機と、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータと、２Ｎ＋１個のＰＤ及び１個のＯＮＵ側のＯＣと、を備え、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機はそれぞれＰＤを介してモードデマルチプレクサと接続し、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータはデマルチプレクサと接続し、ここでＮ個のＯＮＵ側のモードコンバータがそれぞれＰＤを介して古典的な信号受信機と接続し、残りの１個のＯＮＵ側のモードコンバータが１個のＰＤ及びＯＮＵ側のＯＣを介してそれぞれ各古典的な信号受信機と接続し；
古典的な信号送信機が送信したＮ＋１個の古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モードから異なり、互いに直交するモードに変換された後、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットが送信したＮ個の量子信号と共に、モードマルチプレクサに入り、ＭＣＦ伝送に適したモードに変換し、ＭＣＦを介してモードデマルチプレクサに送信して、独立したＮ＋１個の古典的な信号及びＮ個の量子信号に分解し、分解後の各古典的な信号は各々モードコンバータを介して基本モードに変換され、接続されたＰＤを介して古典的な信号受信機に送信し、量子信号が接続されたＰＤを介してＤＶ－ＱＫＤ受信機に送信される。
ここで、ＰＤは、ガイガーモードで動作するＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードを用いる。
具体的に、古典的な信号送信機は、レーザダイオードと、ビームスプリッターと、Ｎ個の強度変調器と、を備え、ここでＮ個のＯＬＴ側のモードコンバータが各々強度変調器を介してビームスプリッターと接続し、残りの１個のＯＬＴ側のモードコンバータがビームスプリッターと直接接続し、Ｎ＋１個の古典的な信号は１個のパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ信号を含む。古典的な信号送信機を介してパイロット信号を生成する利点は、受信側でコヒーレント検波を使用してスペクトル効率及びネットワークカバレッジを高めるだけではなく、ＯＮＵでの狭帯域の局部発振（ＬＯ）の使用等にもたらされる関連コストを削減し、ＯＯＫ信号が自動検出によって独立して受信することができるよう反映する。
上記のすべての式を加算して次の式を得た。
これから電力結合係数がマルチコアファイバのクロストークに非常に大きな影響を与えることが分かる。電力結合モード理論でマルチコアファイバ内の異なるランダム誤差下でのクロストークを計算し、コア間の直径の差が大きくなると、クロストークが減少することを見出し、これにより異種マルチコアファイバがモード間クロストークを効果的に抑制することを証明している。非トレンチ構造と比較して、トレンチ構造を採用すると、クロストークがまた全体的に２０～３０ｄＢ程度を低減し、トレンチ内径を大きくし、トレンチ外径を小さくしトレンチとクラッドの屈折率差を減らしてモードフィールド面積を増大し、非線形損傷をさらに軽減する。これにより、異種トレンチ構造の７コアファイバは、それぞれのコアで光波を伝搬させ、コア間の結合を大幅に低減できるため、モード分割多重に使用されることを証明している。
より具体的には、図４に示すように、ＭＣＦの異種トレンチアシスト７コアファイバでは、コア１及びコア３がＤＶ－ＱＫＤ信号を伝送し、コア２がパイロットを伝送し、コア４及びコア５が上り信号を伝送し、コア６及びコア７が下り信号を伝送する。
好ましくは、ＭＣＦが伝送している時、量子信号は１５５０ｎｍの波長通信路を用い、古典的な信号が上り１４９０ｎｍの波長通信路又は下り１３１０ｎｍの波長通信路を用いて、ラマン散乱ノイズの影響を低減する。
システムノイズテストステップＳ１：ＯＬＴ側、ＭＤＭ－ＯＤＮ及びＯＮＵ側の機器が正常に作動できるかどうかを検査し、初期条件を設定し、ＯＬＴ側がレーザーパルストレインを発射する場合において、システムノイズをテストし、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高いかどうかを判断し、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高い場合、ステップＳ２及びＳ２’に進み、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも低い場合、プロンプトメッセージを生成する。ここで、テストシステムのＳＮ比は、次の式を用いる。
量子状態準備ステップＳ２’：ＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに従って量子状態を準備し、量子信号を生成し、具体的なステップは次のステップＳ２’．１～ステップＳ２’．２を含み、
モード多重伝送ステップＳ３：ステップＳ２．１及びＳ２’．１で得られた各信号は、モードマルチプレクサを経由してＭＣＦに入り、多重伝送後モードデマルチプレクサに到達してマルチパス信号に分解し；
モード変換ステップＳ４：各古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モード信号に変換され、量子信号に変換の必要がなく、この時古典的な信号及び量子信号がいずれも基本モードにあり、シングルモードファイバを介して伝送されることができ；
信号検出ステップＳ５：各信号は、光検出器で検出される。ここで検出器はガイガーモードで動作するＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードを使用し、アバランシェフォトダイオードの動作モードが線形モード及びガイガーモードに分けられ、線形モードで動作するアバランシェフォトダイオードは強い古典的な光信号のみに応答できるが、量子の弱い単一光子信号には応答できず、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードは２つの信号に応答でき；
自己ホモダイン検出ステップＳ６：すべての信号が受信機に各々到着して情報の伝送を完了し、局部発振器の代わりにパイロットが各ＯＯＫ信号に対して自己ホモダイン検出を実行し、ここで複雑なＤＳＰの必要がなく；
符号誤り率検出ステップＳ７：ＯＬＴ側は、フィルタリングコードの一部をランダムに選択して符号誤り率を検出し、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値と等しいか又は大きい場合、ステップＳ２及びＳ２’に戻って、新しいラウンドの通信を再開し、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値よりも小さい場合、安全な通信を確立し、ここでおとり状態の理論計算値は１１％であり、具体的にステップＳ７．１～Ｓ７．３を含み、
ステップＳ７．１：Ｂｏｂは、測定基底をランダムに選択して測定し、自分が採用した測定基底及び受信したどの周期内の量子状態を表明し；
ステップＳ７．２：Ａｌｉｃｅ及びＢｏｂ側は、フィルタリングコードとして基底ベクトル照合の正しい部分を残して、信号状態及びおとり状態のカウントレート及び符号誤り率をそれぞれ計算し、信号状態が一部のみを抽出して符号誤り率を計算し；
ステップＳ７．３：Ａｌｉｃｅ及びＢｏｂ側は、上記データに基づいて符号誤り率検出を実行し、盗聴の有無を判断し、盗聴がある場合、鍵を破棄して通信を中止し、盗聴がない場合、誤り訂正及び秘匿性増幅等を実施する。
上記実施例は、本発明の技術的手段を説明するためにのみ使用されるものであり、本発明はこれに限定されない。本発明は、前述の実施形態を参照して詳細に説明されたが、当業者が前述の実施例に記載された技術的手段を依然として修正できるか、又はこの中の技術的特徴の一部を均等範囲内で置き換えることができることに理解されたい。これらの修正又は置換は、対応する技術的手段の本質を本発明の実施例の技術的手段の精神及び範囲から逸脱するものではない。
Claims (10)
- マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムであって、ＯＬＴ側と、ＭＤＭ－ＯＤＮと、ＯＮＵ側と、を備え、前記ＯＬＴ側、前記ＭＤＭ－ＯＤＮ及び前記ＯＮＵ側は、光ファイバを介して順次接続され；
前記ＭＤＭ－ＯＤＮは、モードマルチプレクサと、モードデマルチプレクサと、を備え、ＭＣＦを介して互いに接続され、前記ＭＣＦが異種トレンチアシスト７コアファイバであり；
前記ＯＬＴ側は、古典的な信号送信機と、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットと、Ｎ＋１個のＯＬＴ側のモードコンバータと、を備え、前記Ｎ＋１個のモードコンバータの一端が前記古典的な信号送信機と接続し、他端がＭＤＭ－ＯＤＮのモードマルチプレクサと接続し；
前記ＯＮＵは、Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機と、古典的な信号受信機と、Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータと、２Ｎ＋１個のＰＤ及び１個のＯＮＵ側のＯＣと、を備え、前記Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤ受信機はそれぞれＰＤ（光検出器）を介してモードデマルチプレクサと接続し、前記Ｎ＋１個のＯＮＵ側のモードコンバータはデマルチプレクサと接続し、ここでＮ個のＯＮＵ側のモードコンバータがそれぞれＰＤを介して古典的な信号受信機と接続し、残りの１個のＯＮＵ側のモードコンバータが１個のＰＤ及びＯＮＵ側のＯＣを介してそれぞれ各古典的な信号受信機と接続し；
前記古典的な信号送信機が送信したＮ＋１個の古典的な信号は、モードコンバータを介して基本モードから異なり、互いに直交するモードに変換された後、前記Ｎ個のＤＶ－ＱＫＤユニットが送信したＮ個の量子信号と共に、モードマルチプレクサに入り、前記ＭＣＦ伝送に適したモードに変換し、前記ＭＣＦを介して前記モードデマルチプレクサに送信して、独立したＮ＋１個の古典的な信号及びＮ個の量子信号に分解し、分解後の前記各古典的な信号は各々モードコンバータを介して基本モードに変換され、接続されたＰＤを介して古典的な信号受信機に送信し、前記量子信号が接続されたＰＤを介してＤＶ－ＱＫＤ受信機に送信される、
ことを特徴とする、マルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。 - 前記古典的な信号送信機は、レーザダイオードと、ビームスプリッターと、Ｎ個の強度変調器と、を備え、ここでＮ個のＯＬＴ側のモードコンバータが各々前記強度変調器を介してビームスプリッターと接続し、残りの１個のＯＬＴ側のモードコンバータがビームスプリッターと直接接続し；
前記Ｎ＋１個の古典的な信号は、１個のパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ信号を含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。 - 前記ＰＤは、ガイガーモードで動作するＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードを用いることを特徴とする、請求項２に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 前記ＭＣＦが伝送している時、前記量子信号は、１５５０ｎｍの波長通信路を用い、前記古典的な信号が上り１４９０ｎｍの波長通信路又は下り１３１０ｎｍの波長通信路を用いることを特徴とする、請求項３に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 前記モードマルチプレクサ及び前記モードデマルチプレクサは、カスケードモード選択カプラーで構成されることを特徴とする、請求項４に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 前記ＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに基づいて量子信号を生成するＤＶ－ＱＫＤユニットであることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 前記ＭＣＦのコア半径は、５μｍであり、前記ＭＣＦのコア外側に屈折率のトレンチが設けられ、前記屈折率のトレンチの厚さが３μｍで、前記ＭＣＦのコア間隔が４２μｍであることを特徴とする、請求項６に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 前記ＭＣＦのコア屈折率は、１．４４５７であり、前記ＭＣＦのコアとＭＣＦのクラッドとの間の屈折率差が０．００３であり、前記屈折率のトレンチとＭＣＦのクラッドとの間の屈折率差が０．００３であることを特徴とする、請求項７に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステム。
- 請求項１～８のいずれか一項に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムの伝送方法であって、以下のステップ：
Ｓ１：ＯＬＴ側がレーザーパルストレインを発射する場合において、システムノイズをテストし、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高いかどうかを判断し、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも高い場合、ステップＳ２及びＳ２’に進み、ＳＮ比が設定されたＳＮ比のプリセット値よりも低い場合、プロンプトメッセージを生成するシステムノイズテストステップと；
Ｓ２：ＤＶ－ＱＫＤユニットは、おとり状態非対称ＢＢ８４プロトコルに従って量子状態を準備し、量子信号を生成する量子状態準備ステップと；
Ｓ２’：古典的な信号送信機は、ビームスプリッターを介して古典的な信号をＮ＋１個に分け、うちの１つをパイロット信号とし、他のＮ個が強度変調器を介してＮ個のＯＯＫ信号に変調され、この時古典的な信号はパイロット信号及びＮ個のＯＯＫ信号を含むＯＯＫ変調ステップと；
Ｓ２’．１：ステップＳ２’で得られた各古典的な信号が、モードコンバータによってモード変換を実施するモード変換ステップと；
Ｓ３：ステップＳ２及びＳ２’．１で得られた各信号は、モードマルチプレクサを経由してＭＣＦに入り、多重伝送後モードデマルチプレクサに到達してマルチパス信号に分解するモード多重伝送ステップと；
Ｓ４：各古典的な信号が、モードコンバータを介して基本モード信号に変換されるモード変換ステップと；
Ｓ５：各ＯＯＫ信号について自己ホモダイン検出を実施する自己ホモダイン検出ステップと；
Ｓ６：ＯＮＵ側が、ＤＶ－ＱＫＤフィルタリングコードの一部をランダムに選択して符号誤り率を検出し、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値と等しいか又は大きい場合、ステップＳ２及びＳ２’に戻り、測定して得られた符号誤り率の値がおとり状態の理論計算値よりも小さい場合、安全な通信を確立する符号誤り率検出ステップと、
を含むことを特徴とするマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムの伝送方法。 - ＳＮ比のプリセット値は、２０ｄＢであり、おとり状態の理論計算値が１１％であることを特徴とする、請求項９に記載のマルチコアファイバモード分割多重に基づくＱＴＴＨシステムの伝送方法。
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