JP7257103B2 - Optical transmission device and optical transmission method - Google Patents

Optical transmission device and optical transmission method Download PDF

Info

Publication number
JP7257103B2
JP7257103B2 JP2018035102A JP2018035102A JP7257103B2 JP 7257103 B2 JP7257103 B2 JP 7257103B2 JP 2018035102 A JP2018035102 A JP 2018035102A JP 2018035102 A JP2018035102 A JP 2018035102A JP 7257103 B2 JP7257103 B2 JP 7257103B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
signal
multilevel
attenuator
noise
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018035102A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019149779A (en
Inventor
健司 細井
真 本田
克嘉 原澤
吉文 土井
重人 圷
義明 荻野
篤 森谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Original Assignee
Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd filed Critical Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority to JP2018035102A priority Critical patent/JP7257103B2/en
Publication of JP2019149779A publication Critical patent/JP2019149779A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7257103B2 publication Critical patent/JP7257103B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Optical Communication System (AREA)

Description

本発明は、光送信装置及び光送信方法に係り、特に、多値強度変調によりデータを変調して光信号により送信する際に、暗号強度を向上させ、伝送距離を長くするのに好適な光送信装置及び光送信方法に関する。 The present invention relates to an optical transmission apparatus and an optical transmission method, and more particularly, to an optical signal suitable for improving encryption strength and increasing transmission distance when data is modulated by multi-level intensity modulation and transmitted as an optical signal. The present invention relates to a transmission device and an optical transmission method.

Yuen量子暗号は光通信量子暗号(Y-00)通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ(量子ショット雑音)を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、2値の送信データを搬送する2値の光信号を一つのセット(基底という)とし、この基底を複数M個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光M値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。 Yuen quantum cryptography, also called optical communication quantum cryptography (Y-00) communication, is a communication technology that diffuses the quantum fluctuations of light (quantum shot noise) by modulation to prevent an eavesdropper from accurately receiving the optical signal. Its application to symmetric-key quantum cryptography has been proposed. In this common key quantum cryptography, one set (referred to as a base) is a binary optical signal that carries binary transmission data, and a plurality of M bases are prepared. It is randomly determined by pseudo-random numbers according to the cryptographic key. In reality, optical M-value signals are designed so that the inter-signal distance is so small that they cannot be identified due to quantum fluctuations.

正規の送受信者の光変復調装置は、2値のM個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな2値の信号判定によってデータを読みとることができる。したがって、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Yuen-2000暗号通信プロトコル(Y-00プロトコルと略称される)によるYuen量子暗号と呼ばれる。 Since the optical modulator/demodulator of the authorized sender and receiver communicates by switching between M binary bases according to a common pseudo-random number, the authorized receiver can read data by binary signal judgment with a large inter-signal distance. can be done. Therefore, errors due to quantum fluctuations can be ignored, and accurate communication is possible between authorized senders and receivers. Ciphers based on this optical modulation method are called Yuen quantum cryptography based on the Yuen-2000 cryptographic communication protocol (abbreviated as Y-00 protocol).

このようなY-00プロトコルにおいて、暗号強度を高める方法としては、多値数を増加させ、信号パターンの解析を難解にし、解読に必要な暗号鍵の推測を困難にさせる方法が一般的である。 In such a Y-00 protocol, as a method of increasing the cryptographic strength, it is common to increase the number of multiple values to make it difficult to analyze the signal pattern and make it difficult to guess the encryption key required for decryption. .

この多値信号の生成には一般的にDAC(DigitalAnalogConvertor)が用いられる。また、その他の多値信号の生成する仕組みとして、特許文献1には、光送信装置において、光源発生部から出力される光源の信号レベルを可変にし、2以上の光信号レベルを有する光信号を生成し、光変調部で、光源からの光信号レベルが可変な信号を合成することにより、多段階の光信号レベルの光信号を生成する技術が開示されている。 A DAC (Digital Analog Converter) is generally used to generate this multilevel signal. As another mechanism for generating a multilevel signal, Patent Document 1 discloses an optical transmission device in which the signal level of a light source output from a light source generator is made variable to generate an optical signal having two or more optical signal levels. A technique is disclosed for generating an optical signal with multiple stages of optical signal levels by synthesizing signals with variable optical signal levels from light sources in an optical modulation unit.

特開2016-116119号公報JP 2016-116119 A

上記従来技術において、多値信号の生成にDACを用いる光送信装置で、多値数を増加させるにはDACの変更、すなわち、光送信装置の再設計が必要となり、装置の開発労力と開発コストの面で問題がある。また、必要な多値数と伝送速度とを両立するDACが存在しない場合もあり、容易に多値数増加が実現できない可能性がある。
また、特許文献1に記載された光送信装置では、光送信装置において、光源制御部と光源変調部の設計変更が必要となる。
In the conventional technology described above, in an optical transmission device that uses a DAC to generate a multilevel signal, it is necessary to change the DAC, that is, to redesign the optical transmission device in order to increase the number of multilevel signals. there is a problem in terms of In addition, there may be cases where there is no DAC that satisfies both the required multilevel number and transmission speed, and it may not be possible to easily realize an increase in the multilevel number.
Further, in the optical transmission device described in Patent Document 1, it is necessary to change the design of the light source control section and the light source modulation section in the optical transmission device.

いずれの従来技術においても、暗号強度を高める方法としては、多値信号の数を増加させる方法では、光送信装置のみならず、光信号を受信する光受信装置の更改も必要になるため、光送受信システムとしては、大幅な変更が必要となる。 In any of the conventional techniques, as a method of increasing the encryption strength, the method of increasing the number of multilevel signals requires updating not only the optical transmitter but also the optical receiver that receives the optical signal. As a transmission/reception system, a drastic change is required.

本発明の目的は、多値信号の数を増加させることなく、かつ光送信装置の簡易なハードウェアの変更により、暗号強度を向上させることにある。
また、光送受信において、暗号強度を担保したまま、伝送距離を延ばすことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve encryption strength without increasing the number of multilevel signals and by simply modifying the hardware of an optical transmitter.
Another object of the present invention is to extend the transmission distance while maintaining encryption strength in optical transmission and reception.

本発明の光送信装置は、好ましくは、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、光信号に対して、量子雑音を付加し、光Powerを調整する雑音Power調整回路を有し、雑音Power調整回路は、光信号を減衰させる減衰器と、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光により量子雑音を付加する第一の光増幅器と、減衰器と第一の光増幅器に接続されて、光信号を増幅させる第二の光増幅器とからなるようにしたものである。 The optical transmission device of the present invention is preferably an optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation, wherein quantum noise is added to the optical signal. The noise power adjustment circuit includes an attenuator that attenuates the optical signal and a first optical amplifier that adds quantum noise by ASE (Amplified Spontaneous Emission) light. , an attenuator and a second optical amplifier connected to the first optical amplifier for amplifying the optical signal.

本発明によれば、多値信号の数を増加させることなく、かつ、光送信装置の簡易なハードウェアの変更により暗号強度を向上させることが可能となる。また、光送受信において、暗号強度を担保したまま、伝送距離を延ばすことができる。 According to the present invention, it is possible to improve the encryption strength without increasing the number of multilevel signals and by simply changing the hardware of the optical transmission device. In addition, in optical transmission and reception, the transmission distance can be extended while ensuring encryption strength.

一般的な光通信における量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the appearance of quantum noise and signals in general optical communication; Y-00プロトコルにおける量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the appearance of quantum noise and signals in the Y-00 protocol; 量子雑音量の増加する際の量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the state of quantum noise and the signal when the amount of quantum noise increases. 量子雑音量の増加する際の量子雑音が重なる様子と信号の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between a signal and how quantum noise overlaps when the amount of quantum noise increases. 実施形態1に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of an optical transmission device according to Embodiment 1; FIG. 実施形態1に係る光送信装置の構成を装置レベルまでブレークダウンした図である。1 is a diagram showing the configuration of an optical transmission device according to Embodiment 1 broken down to the device level; FIG. シミュレーション設定値を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing simulation set values; 光Amp2の正規受信者(Legitimate User)のPowerPenaltyのグラフを表す図である。FIG. 10 is a diagram showing a graph of PowerPenalty of a legitimate receiver (Legitimate User) of Optical Amp2; 光Amp2の盗聴者(Eavesdropper)のPowerPenaltyのグラフを表す図である。FIG. 11 is a graph showing the PowerPenalty of an Eavesdropper of Optical Amp2; 光送信装置と光受信装置の計算条件を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing calculation conditions of an optical transmitter and an optical receiver; 多値数ごとに、盗聴者の受信感度が、従来技術を使用した際の正規受信者の受信感度と等しくなるために必要な消光比を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing extinction ratios required for making the receiving sensitivity of an eavesdropper equal to the receiving sensitivity of a legitimate receiver when using the conventional technology, for each multilevel number; 実施形態1の光送信装置を使用した際の正規受信者の受信感度の計算結果を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing calculation results of reception sensitivity of a legitimate receiver when using the optical transmission device of Embodiment 1; 実施形態2に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing the configuration of an optical transmission device according to Embodiment 2; FIG. 実施形態3に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of an optical transmission device according to Embodiment 3; 一般的なY-00プロトコルによる光通信システムの構成図である。1 is a configuration diagram of an optical communication system based on a general Y-00 protocol; FIG.

以下、本発明に係る各実施形態を、図1ないし図15を用いて説明する。 Hereinafter, each embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 15. FIG.

〔光通信システムの構成〕
先ず、図15を用いて一般的なY-00プロトコルによる光通信システムの構成について説明する。
Y-00プロトコルによる光通信システムでは、電気信号を光信号に変換し、光送信装置100と光受信装置200の間の光ファイバーなどの伝送路を暗号化して送信するシステムである。なお、図15には示されていないが、実際のシステムには、電気信号として送信データを光送信装置100に入力するデータ送信装置と、光受信装置200が出力される送信データを入力するデータ受信装置が接続される。
[Configuration of optical communication system]
First, the configuration of an optical communication system based on the general Y-00 protocol will be described with reference to FIG.
An optical communication system based on the Y-00 protocol is a system that converts an electrical signal into an optical signal, encrypts a transmission line such as an optical fiber between an optical transmitter 100 and an optical receiver 200, and transmits the signal. Although not shown in FIG. 15, the actual system includes a data transmission device for inputting transmission data as an electrical signal to the optical transmission device 100, and a data transmission device for inputting the transmission data output from the optical reception device 200. A receiving device is connected.

光送信装置100は、図15に示されるように、Running鍵生成部104、多値信号生成部106、光源発生部108、光変調部110からなる。
共有鍵102は、光送信装置100と光受信装置200(共有鍵202)の間で共有される暗号鍵であり、多値信号の遷移パターンを決めるための元になるデジタルデータである。
The optical transmitter 100 comprises a running key generator 104, a multilevel signal generator 106, a light source generator 108, and an optical modulator 110, as shown in FIG.
The shared key 102 is an encryption key shared between the optical transmitting device 100 and the optical receiving device 200 (shared key 202), and is digital data that is the basis for determining the transition pattern of the multilevel signal.

Running鍵生成部104は、共有鍵102を元データとして、擬似乱数(ランダムパターン)の性質を有するRunning鍵を生成する。これは、暗号強度を強化するために生成されるワンタイム鍵である。
多値信号生成部106は、送信データ(デジタルデータ)をRunning鍵に従って多値信号に変換する。
The running key generation unit 104 uses the shared key 102 as original data to generate a running key having the property of a pseudo-random number (random pattern). This is a one-time key that is generated to increase cryptographic strength.
The multilevel signal generator 106 converts the transmission data (digital data) into a multilevel signal according to the running key.

一方、光源発生部108は、例えば、フォトダイオードなどから構成され、一定レベルの強度を有する光を発生する。そして、光変調部110により、光源の出力光を多値信号に従って変調し、光多値信号を生成する。光多値信号は、例えば、強度変調の場合は、光の強度の違いより表現される。
この暗号化された光多値信号は、伝送路を介して、光受信装置200に送られる。
On the other hand, the light source generator 108 is composed of, for example, a photodiode, and generates light having a certain level of intensity. Then, the optical modulation section 110 modulates the output light of the light source according to the multilevel signal to generate an optical multilevel signal. For example, in the case of intensity modulation, the optical multilevel signal is represented by differences in light intensity.
This encrypted optical multilevel signal is sent to the optical receiver 200 via the transmission path.

次に、光受信装置200は、図15に示されるように、Running鍵生成部204、閾値生成部206、O/E(Optical/Electrical)変換部208、識別器210からなる。 Next, as shown in FIG. 15, the optical receiver 200 comprises a running key generator 204, a threshold generator 206, an O/E (Optical/Electrical) converter 208, and a discriminator 210. FIG.

光受信装置200では、伝送路を介して、送られてきた光多値信号をO/E変換部208により、電気多値信号に変換する。
ここで、詳細は省くが、光送信装置100と光受信装置200の間の同期プロセスにより、共通のRunning鍵が使われて、閾値生成部206より、識別器210に入力される閾値が生成される。
In the optical receiver 200, the optical multilevel signal sent via the transmission line is converted into an electrical multilevel signal by the O/E converter 208. FIG.
Here, although details are omitted, a common running key is used by the synchronization process between the optical transmission device 100 and the optical reception device 200, and the threshold value to be input to the discriminator 210 is generated by the threshold generation unit 206. be.

識別器210では、入力されてきた閾値を用いて、O/E変換部から出力される電気多値信号を識別して、送信データを復元する。 The discriminator 210 uses the input threshold value to discriminate the electrical multilevel signal output from the O/E conversion unit and restores the transmission data.

〔量子雑音の原理〕
次に、図1ないし図4を用いてY-00プロトコルにおける暗号化と量子雑音の原理の関係について説明する。
一般的な光通信においては、図1に示されるように、強度の異なる信号0、信号1を、その間に設けた閾値thにより判定する。一般に、信号0と信号1とは雑音を含めた状態においても十分に光レベルが離れており、一定の閾値信号を用いることにより、両信号を正確に判別可能となる。ここで、図1のグラフにおいては、信号0、信号1を中心とした雑音の強度を横軸に取っている。
[Principle of quantum noise]
Next, the relationship between encryption and quantum noise in the Y-00 protocol will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
In general optical communication, as shown in FIG. 1, signals 0 and 1 with different intensities are determined by a threshold value th provided therebetween. In general, signal 0 and signal 1 are sufficiently far apart in light level even in the presence of noise, and using a constant threshold signal makes it possible to accurately discriminate between the two signals. Here, in the graph of FIG. 1, the horizontal axis represents the intensity of noise around signal 0 and signal 1. In FIG.

一方、Y-00プロトコルおける各信号と量子雑音の影響を示すと図2のようになる。Y-00プロトコルにおいては、一般的な光通信とは異なり多値変調をおこなっているため、2値以上の信号レベルを有する(図2においては、5値であり、信号0~信号4を伝送する)。このとき各信号間の光レベル差を狭くしていくと、雑音同士が重なりあい(図2の信号0~信号4によるolp0~olp3の重なり部分)、閾値が分からない盗聴者にとっては、いずれのレベルの信号であるか判別できなくなる。この重なり量がY-00プロトコルおける暗号強度を担保している。 On the other hand, FIG. 2 shows the effects of each signal and quantum noise in the Y-00 protocol. Unlike general optical communication, the Y-00 protocol uses multi-level modulation, so it has two or more signal levels (in FIG. 2, it has five levels, and signals 0 to 4 are do). At this time, if the light level difference between each signal is narrowed, noise overlaps (overlapping portion of olp0 to olp3 by signal 0 to signal 4 in FIG. 2), and for an eavesdropper who does not know the threshold, any It becomes impossible to determine whether it is a level signal or not. This amount of overlap guarantees encryption strength in the Y-00 protocol.

重なり量を増加させるには信号間のレベル差をさらに小さくするか(これが多値数を増加させるという発想)、図3に示される様に量子雑音量を増加させることにより実現可能となる(雑音強度g1→雑音強度g2)。 To increase the amount of overlap, it is possible to further reduce the level difference between signals (the idea that this increases the number of multiple values), or to increase the amount of quantum noise as shown in FIG. 3 (noise intensity g1→noise intensity g2).

本発明では、後者の量子雑音量を増加させる方法を選択して、図4に示したように、量子雑音量を増やした事で信号同士の重なり量を増やし(図4の信号0~信号4によるolp0~olp3の重なり部分)、雑音増加前よりもさらに信号の判別を困難にするものである。
量子雑音の増加する具体的な手段については、次に詳述する。
In the present invention, the latter method of increasing the amount of quantum noise is selected, and as shown in FIG. 4, the amount of overlap between signals is increased by increasing the amount of quantum noise (signal 0 to signal 4 The overlapping portion of olp0 to olp3 due to ), which makes signal discrimination even more difficult than before the noise increase.
Specific means for increasing quantum noise will be described in detail below.

〔光送信装置の構成(実施形態1)〕
次に、図5及び図6を用いて実施形態1に係る光送信装置の構成について説明する。
本実施形態の光送信装置では、量子雑音の増加を光増幅器(以下、「光Amp(Amplifier)」という)を用いることにより、実現させる。
[Configuration of Optical Transmission Device (Embodiment 1)]
Next, the configuration of the optical transmitter according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.
In the optical transmission device of this embodiment, an increase in quantum noise is realized by using an optical amplifier (hereinafter referred to as "optical amplifier").

光Ampは、入力光が無い状態で使用するとASE(Amplified Spontaneous Emission)光を出力する。ASE光とは、希土類元素などが励起光を吸収して発光される励起光と別の波長の光(自然放出光)である。このASE光は高帯域なスペクトルをもつ光ASEの主な雑音要因として知られており、光電気変換時に量子雑音が発生する。本実施形態の光送信装置は、このASE光を従来の多値光信号に付加することによって、暗号強度を高めるようとするものである。 The optical Amp outputs ASE (Amplified Spontaneous Emission) light when used without input light. The ASE light is light (spontaneous emission light) having a wavelength different from that of the excitation light emitted by rare earth elements or the like absorbing the excitation light. This ASE light is known as a main noise factor of optical ASE having a broadband spectrum, and quantum noise is generated during photoelectric conversion. The optical transmitter of this embodiment is intended to increase the encryption strength by adding this ASE light to the conventional multilevel optical signal.

本実施形態の光送信装置300は、図5に示されるように、Running鍵生成回路(図15のRunning鍵生成部104にあたる回路、図示は、省略)、多値信号生成回路301、CW(Continuous Wave:連続波)光源303、LN(Lithium Niobate:線形)変調器304、雑音Power調整回路400からなる。 As shown in FIG. 5, the optical transmission device 300 of this embodiment includes a running key generation circuit (a circuit corresponding to the running key generation unit 104 in FIG. 15; illustration is omitted), a multilevel signal generation circuit 301, a CW (Continuous Wave (continuous wave) light source 303 , LN (Lithium Niobate: linear) modulator 304 , and noise power adjustment circuit 400 .

多値信号生成回路301は、図15の多値信号生成部106にあたる回路であり、Running鍵を入力して、そのRunning鍵に従う多値信号を生成する回路である。多値信号生成回路301は、DAC302を内包している。DAC302は、N本の伝送信号をデジタルアナログ変換し、2-1bitの電気多値信号を生成する。
CW光源303は、図15の光源発生部108に該当する回路であり、伝送光を生成する。
LN変調器304は、CW光源303からの伝送光を電気多値信号に従い、光多値信号に変調する。
A multilevel signal generation circuit 301 corresponds to the multilevel signal generation unit 106 in FIG. 15, and is a circuit that receives a running key and generates a multilevel signal according to the running key. A multilevel signal generation circuit 301 includes a DAC 302 . The DAC 302 digital-to-analog converts the N transmission signals to generate a 2 N −1-bit electrical multilevel signal.
A CW light source 303 is a circuit corresponding to the light source generator 108 in FIG. 15 and generates transmission light.
The LN modulator 304 modulates the transmission light from the CW light source 303 into an optical multilevel signal according to the electrical multilevel signal.

雑音Power調整回路400は、暗号強度を向上させるための本発明の特徴部分を成す回路であり、光信号の量子雑音を増加させ、かつ、その光Powerを調整する機能を有する。
雑音Power調整回路400は、ATT(ATtenuaTor:減衰器)401、光Amp1(402)、光Amp2(403)からなる。
The noise power adjustment circuit 400 is a circuit that forms a characteristic part of the present invention for improving encryption strength, and has the function of increasing the quantum noise of the optical signal and adjusting the optical power.
The noise power adjustment circuit 400 comprises an ATT (ATtenuaTor: attenuator) 401, an optical Amp1 (402), and an optical Amp2 (403).

光Amp1(402)は、量子雑音を増加させるためのASE光を発生させる装置である。
ATT401は、LN変調器304で生成した光多値信号を減衰させる回路である。
これは、光Amp1(402)にて生成したASE光に対して、光多値信号の光Powerが大きすぎる場合、ASE光で付加する量子雑音が光多値信号に埋もれて、意味をなさない場合がある。このためASE光による雑音を無視できない光Powerまで光多値信号を減衰させる必要があるためである。
Optical Amp1 (402) is a device that generates ASE light for increasing quantum noise.
ATT 401 is a circuit that attenuates the optical multilevel signal generated by LN modulator 304 .
If the optical power of the optical multilevel signal is too large for the ASE light generated by the optical Amp1 (402), the quantum noise added by the ASE light is buried in the optical multilevel signal, making no sense. Sometimes. For this reason, it is necessary to attenuate the optical multilevel signal to an optical power at which noise due to ASE light cannot be ignored.

光Amp2(403)は、ATT401において、減衰させた光多値信号を増幅させ、伝送距離を確保するための回路である。 The optical Amp2 (403) is a circuit for amplifying the attenuated optical multilevel signal in the ATT401 and securing the transmission distance.

図5に示した光送信装置300を、より回路レベルにブレークダウンすると、図6に示されるようになる。
図5のATT401が、図6のVOA(Variable Optical Attenuator:可変光減衰器)501に、図5のAmp1(402)が、図6のSOA(Silicon Optical Amplifier:半導体光アンプ)502に、図5の光Amp2(403)が、図6のSOA503に該当する。また、図5のATT401、Amp1(402)と、光Amp2(403)の伝送路に、光導波(又は、OMUX(Optical MUltipleXer:光多重装置))510が介在する。
Breaking down the optical transmission device 300 shown in FIG. 5 further to the circuit level, it becomes as shown in FIG.
ATT 401 in FIG. 5 corresponds to VOA (Variable Optical Attenuator) 501 in FIG. 6, Amp 1 (402) in FIG. 5 corresponds to SOA (Silicon Optical Amplifier) 502 in FIG. of light Amp2 (403) corresponds to the SOA 503 in FIG. Also, an optical waveguide (or an OMUX (Optical MUltipleXer: optical multiplexer)) 510 is interposed in the transmission path of the ATT 401, Amp1 (402), and the optical Amp2 (403) in FIG.

この装置構成においては、LN変調器304からの出力光に対して、VOA501を用いて光Powerを減衰させ、SOA502を用いて発生させたASEノイズを付加する。このとき、両信号を付加するには光導波(又は、OMUX)510を用いる。最後に、通常の伝送光Powerまで増幅する用途として、別途SOA503を用いる。 In this device configuration, the VOA 501 is used to attenuate the optical power of the output light from the LN modulator 304, and the SOA 502 is used to add ASE noise generated. At this time, an optical waveguide (or OMUX) 510 is used to add both signals. Finally, the SOA 503 is separately used for amplifying to normal transmission light power.

また、VOA501、SOA502、光導波(又は、OMUX)510、SOA503を、一つの導波デバイスとして、実装することも可能である。このときには、装置が小規模になる、低コストで実現できるというメリットがある。 It is also possible to mount the VOA 501, SOA 502, optical waveguide (or OMUX) 510, and SOA 503 as one waveguide device. In this case, there are merits that the apparatus can be small-sized and can be realized at low cost.

〔暗号強度の向上〕
次に、図7ないし図9を用いて実施形態1に係る光通信装置における暗号強度の向上の効果について説明する。
以下では、図7に示される設定で、光送信装置と光受信装置の設定をおこない、暗号強度の向上についてシミュレーションをおこなった。なお、図中EDFA(Erbium Doped optical Fiber Amplifier)とは、特に希土類元素Er:エルビウムをドープ(添加)した光ファイバを利用する増幅器である。またシミュレーションでは本発明の効果をわかりやすくするために多値数を4値に減らして行っている。
[Improved encryption strength]
Next, the effect of improving the encryption strength in the optical communication device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG.
In the following, the optical transmission device and the optical reception device are set with the settings shown in FIG. 7, and a simulation is performed for improvement of encryption strength. In the figure, EDFA (Erbium Doped Optical Fiber Amplifier) is an amplifier using an optical fiber doped with a rare earth element Er: Erbium. Also, in the simulation, the number of multiple values is reduced to four values in order to make it easier to understand the effect of the present invention.

ここで、従来技術で設計したY-00装置と本発明にて設計したY-00装置との受信感度差(Power Penalty)(dB単位)をシミュレーションした結果を比較して説明する。
図8は、Bit Error Rateが1E-12における正規受信者(Legitimate User)にとっての光Amp2の4dBのゲインのPowerPenaltyを示したものである。
ここで、横軸は光Amp1のゲイン(G1)、縦軸は従来技術との受信感度差を示している。このグラフによれば、光Amp1のゲイン(G1)を上げることにより、Power Penaltyが増加していることがわかる。ゲインを上げることは、ノイズが増えることにつながるため正規受信者の受信感度にも影響を及ぼす。
Here, the results of simulating the reception sensitivity difference (Power Penalty) (in units of dB) between the Y-00 device designed according to the prior art and the Y-00 device designed according to the present invention will be compared and explained.
FIG. 8 shows the PowerPenalty of 4 dB gain of optical Amp2 for a Legitimate User at a Bit Error Rate of 1E-12.
Here, the horizontal axis indicates the gain (G1) of the optical Amp1, and the vertical axis indicates the reception sensitivity difference from the prior art. According to this graph, it can be seen that the power penalty increases by increasing the gain (G1) of the light Amp1. Increasing the gain also affects the reception sensitivity of legitimate receivers because it leads to an increase in noise.

次に、正規ではない受信者(盗聴者)にとってのPowerPenaltyについてシミュレーションした結果について説明する。
図9は、Bit Error Rateが1E-12における盗聴者(Eavesdropper)にとっての光Amp2の4dBのゲインのPower Penaltyを示したものである。
図9によれば、例えばG1=4dBとした場合、正規受信者はPower Penaltyが1dB以下であるのに対して、盗聴者は約3dBの受信感度差が生まれている。G1をさらに増加させ6dBに設定すると、正規受信者は約1dBであるのに対して盗聴者のPower Penaltyは、発散し10dB以上の受信感度差が生まれる。このように本実施形態により付加された光Amp1及び光Amp2の効果により、多値数を変更することなく、また、正規受信者の受信感度を大きく劣化させること無く、暗号強度を高めることができる。
Next, a simulation result of PowerPenalty for an unauthorized recipient (eavesdropper) will be described.
FIG. 9 shows the Power Penalty of 4 dB gain of optical Amp 2 for an Eavesdropper at a Bit Error Rate of 1E-12.
According to FIG. 9, for example, when G1=4 dB, the authorized receiver has a power penalty of 1 dB or less, while the eavesdropper has a reception sensitivity difference of about 3 dB. If G1 is further increased and set to 6 dB, the Power Penalty of an eavesdropper diverges and a reception sensitivity difference of 10 dB or more is produced, whereas the normal receiver is about 1 dB. As described above, the effects of the optical Amp1 and the optical Amp2 added according to the present embodiment can increase the encryption strength without changing the multilevel number and without significantly deteriorating the reception sensitivity of the authorized recipient. .

〔伝送距離の向上〕
本実施形態の光送信装置によれば、伝送距離の向上を見込むことができる。
以下、図10ないし図12を用いて伝送距離の向上の効果について説明する。
伝送距離の比較対象は、従来技術により設計したY-00装置となる。以下では、従来技術のY-00装置と同程度の安全性を保持した状態で、本発明のY-00装置を使用した際、伝送距離がどの程度伸びるか計算した結果について説明する。
[Improved transmission distance]
According to the optical transmitter of this embodiment, an improvement in transmission distance can be expected.
The effect of improving the transmission distance will be described below with reference to FIGS. 10 to 12. FIG.
The transmission distance is compared with the Y-00 device designed according to the prior art. In the following, the result of calculating how much the transmission distance is extended when using the Y-00 device of the present invention while maintaining the same level of safety as the Y-00 device of the prior art will be described.

計算手順は以下の通りである。
(1)本発明を使用した際の盗聴者の受信感度が、従来技術を使用した際の正規受信者と等しくなる消光比を計算
(2)(1)の消光比設定で、本発明を使用した際の正規受信者の受信感度を計算
(3)(2)の最小受信感度と従来技術を使用した際の正規受信者の受信感度の差分(PowerPenalty)を計算
(4)(3)のPowerPenaltyから伝送距離を計算
計算条件は、図10に示されるようになる。
The calculation procedure is as follows.
(1) Calculate the extinction ratio at which the receiving sensitivity of an eavesdropper when using the present invention is equal to that of a legitimate receiver when using conventional technology. (2) Use the present invention with the extinction ratio setting of (1). (3) Calculate the difference (PowerPenalty) between the minimum reception sensitivity of (2) and the reception sensitivity of legitimate recipients when using conventional technology (4) PowerPenalty of (3) Calculate the transmission distance from The calculation conditions are as shown in FIG.

ここで、従来技術のY-00装置を使用した際の正規受信者と盗聴者の受信感度は、以下のようになる。
正規受信者:BER=ErrorFree(1E-12) @Pin=-13.4dBm(=最小受信感度)
盗聴者 :BER=0.954 @Pin=0dBm
Here, the reception sensitivities of the authorized receiver and the eavesdropper when using the conventional Y-00 device are as follows.
Regular receiver: BER=ErrorFree(1E-12) @Pin=-13.4dBm (=minimum reception sensitivity)
Eavesdropper: BER = 0.954 @ Pin = 0dBm

次に、本発明のY-00装置を使用した際の盗聴者の受信感度が、従来技術のY-00装置を使用した際の正規受信者の受信感度(-13.4@1E-12)と等しくなるために必要な消光比を求める。このときの多値数ごとの消光比は、図11に示されるようになる。図11によれば、多値数が増加するにつれて、暗号強度が増し、必要な消光比が増加していることがわかる。 Next, the receiving sensitivity of the eavesdropper when using the Y-00 device of the present invention is equal to the receiving sensitivity of the legitimate receiver when using the Y-00 device of the prior art (-13.4@1E-12). Find the extinction ratio necessary for The extinction ratio for each multilevel number at this time is as shown in FIG. According to FIG. 11, it can be seen that the encryption strength increases and the necessary extinction ratio increases as the number of multiple values increases.

次に、図11のように、多値数及び消光比に設定して、本発明のY-00装置を使用した際の正規受信者の受信感度の計算結果を、図12を用いて説明する。
図12によれば、消光比が増加するにつれて、正規受信者の受信感度(Prmin)が向上しているのがわかる。
Next, as shown in FIG. 11, the calculation result of the receiving sensitivity of the authorized receiver when using the Y-00 apparatus of the present invention with the multi-level number and the extinction ratio set will be described with reference to FIG. .
It can be seen from FIG. 12 that the receiving sensitivity (Prmin) of the legitimate receiver improves as the extinction ratio increases.

このとき、従来技術のY-00装置を使用した正規受信者の受信感度(-13.4dB)との差分(PowerPenalty)も大きくなり、同様の受信感度を得るために必要な入力光Powerに余裕が生まれることとなり、その結果、伝送距離が長くなることにつながる。 At this time, the difference (PowerPenalty) from the receiving sensitivity (-13.4 dB) of the regular receiver using the Y-00 device of the prior art also increases, and there is no margin in the input light power required to obtain the same receiving sensitivity. As a result, the transmission distance becomes longer.

〔光送信装置の構成(実施形態2)〕
次に、図13を用いて実施形態2に係る光送信装置の構成について説明する。
実施形態2の光送信装置300では、実施形態1の光Amp1(402)にあたる部分を、光Ampを複数設けて、図13に示されるように、光Amp11(4021)、光Amp12(4022)、光Amp13(4023)として、ATT401と光Amp2(403)をつなぐ伝送路に対して並列に接続する。
[Configuration of Optical Transmission Device (Embodiment 2)]
Next, the configuration of the optical transmission device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
In the optical transmitter 300 of the second embodiment, a plurality of optical amplifiers are provided in place of the optical amplifier 1 (402) of the first embodiment, and as shown in FIG. The optical Amp13 (4023) is connected in parallel to the transmission line connecting the ATT401 and the optical Amp2 (403).

このようにする利点は、光Ampのゲインの調整が容易になり、自由度が増すこと、また、付加する量子雑音を増やせることにある。 The advantage of doing so is that the gain of the optical Amp can be easily adjusted, the degree of freedom is increased, and the quantum noise to be added can be increased.

〔光送信装置の構成(実施形態3)〕
次に、図14を用いて実施形態3に係る光送信装置の構成について説明する。
実施形態3の光送信装置300では、実施形態1の光Amp1(402)にあたる部分を、光Ampを複数設けて、図14に示されるように、光Amp11(4021)、光Amp12(4022)、光Amp13(4023)として、ATT401と光Amp2(403)をつなぐ伝送路に対して直列に接続する。
[Configuration of Optical Transmission Device (Embodiment 3)]
Next, the configuration of the optical transmission device according to the third embodiment will be described using FIG.
In the optical transmitter 300 of the third embodiment, a plurality of optical amplifiers are provided in place of the optical amplifier 1 (402) of the first embodiment, and as shown in FIG. The optical Amp13 (4023) is connected in series to the transmission line connecting the ATT401 and the optical Amp2 (403).

このようにする利点は、実施形態2の場合と同様に、光Ampのゲインの調整が容易になり、自由度が増すこと、また、付加する量子雑音を増やせることにある。 The advantage of doing so is that, as in the case of the second embodiment, the gain of the optical Amp can be easily adjusted, the degree of freedom increases, and the quantum noise to be added can be increased.

100,300…光送信装置、200…光受信装置、102…共有鍵(送信装置側)、202…共有鍵(受信装置側)、104…Running鍵生成部(送信装置側)、204…Running鍵生成部(受信装置側)、106…多値信号生成部、108…光源発生部、110…光変調部、206…閾値生成部、208…O/E(Optical/Electrical)変換部、210…識別器、
301…多値信号生成回路、302…DAC(Digital Analog Convertor)、303…CW(Continuous Wave:連続波)光源、304…LN(Lithium Niobate:線形)変調器、400…雑音Power調整回路、401…ATT(ATtenuaTor:減衰器)、402…光Amp1、403…光Amp2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 300... Optical transmitting apparatus 200... Optical receiving apparatus 102... Shared key (transmitting apparatus side) 202... Shared key (receiving apparatus side) 104... Running key generation part (transmitting apparatus side) 204... Running key Generation unit (receiving device side) 106 Multilevel signal generation unit 108 Light source generation unit 110 Optical modulation unit 206 Threshold generation unit 208 O/E (Optical/Electrical) conversion unit 210 Identification vessel,
301... Multilevel signal generation circuit 302... DAC (Digital Analog Converter) 303... CW (Continuous Wave: continuous wave) light source 304... LN (Lithium Niobate: linear) modulator 400... Noise power adjustment circuit 401... ATT (ATtenuaTor: attenuator), 402... Optical Amp1, 403... Optical Amp2

Claims (5)

多値強度変調による光通信量子暗号を施し、暗号光信号を送信する光送信装置であって、
光多値信号を入力し、前記光多値信号に対して、量子雑音を付加し、光Powerを調整する雑音Power調整回路を有し、
前記雑音Power調整回路は、
前記光多値信号を減衰させる減衰器と、
前記減衰器で減衰させた光多値信号に量子雑音を付加するためのASE(Amplified Spontaneous Emission)光を生成する第一の光増幅器と、
前記減衰器と前記第一の光増幅器に接続されて、前記量子雑音を付加された光多値信号を増幅させて、前記暗号光信号を生成する第二の光増幅器とからなることを特徴とする光送信装置。
An optical transmission device that performs optical communication quantum cryptography by multilevel intensity modulation and transmits an encrypted optical signal,
a noise power adjustment circuit that inputs an optical multilevel signal, adds quantum noise to the optical multilevel signal, and adjusts optical power;
The noise power adjustment circuit is
an attenuator that attenuates the optical multilevel signal;
a first optical amplifier for generating ASE (Amplified Spontaneous Emission) light for adding quantum noise to the optical multilevel signal attenuated by the attenuator ;
and a second optical amplifier connected to the attenuator and the first optical amplifier for amplifying the optical multilevel signal to which the quantum noise is added to generate the encrypted optical signal. optical transmitter.
前記第一の光増幅器を複数有することを特徴とする請求項1記載の光送信装置。 2. The optical transmitter according to claim 1, comprising a plurality of said first optical amplifiers. 前記第一の光増幅器は、前記減衰器と前記第の光増幅器をつなぐ伝送路に対して、並列に接続されたことを特徴とする請求項2記載の光送信装置。 3. The optical transmitter according to claim 2, wherein said first optical amplifier is connected in parallel with a transmission line connecting said attenuator and said second optical amplifier. 前記第一の光増幅器は、前記減衰器と前記第の光増幅器をつなぐ伝送路に対して、直列に接続されたことを特徴とする請求項2記載の光送信装置。 3. The optical transmitter according to claim 2, wherein said first optical amplifier is connected in series with a transmission line connecting said attenuator and said second optical amplifier. 多値強度変調による光通信量子暗号を施し、暗号光信号を送信する光送信方法であって、
光多値信号を減衰器により、減衰させるステップと、
第一の光増幅器が、前記減衰器で減衰させた光多値信号に量子雑音を付加するためのASE(Amplified Spontaneous Emission)光を生成するステップと、
前記減衰器と前記第一の光増幅器に接続された第二の光増幅器が、前記量子雑音を付加された光多値信号を増幅させて、前記暗号光信号を生成するステップとを有することを特徴とする光送信方法。
An optical transmission method for transmitting an encrypted optical signal by applying optical communication quantum cryptography by multilevel intensity modulation,
attenuating the optical multilevel signal with an attenuator;
a first optical amplifier generating ASE (Amplified Spontaneous Emission) light for adding quantum noise to the optical multilevel signal attenuated by the attenuator ;
a second optical amplifier connected to the attenuator and the first optical amplifier amplifies the optical multilevel signal to which the quantum noise is added to generate the encrypted optical signal. An optical transmission method characterized by:
JP2018035102A 2018-02-28 2018-02-28 Optical transmission device and optical transmission method Active JP7257103B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018035102A JP7257103B2 (en) 2018-02-28 2018-02-28 Optical transmission device and optical transmission method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018035102A JP7257103B2 (en) 2018-02-28 2018-02-28 Optical transmission device and optical transmission method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019149779A JP2019149779A (en) 2019-09-05
JP7257103B2 true JP7257103B2 (en) 2023-04-13

Family

ID=67849543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018035102A Active JP7257103B2 (en) 2018-02-28 2018-02-28 Optical transmission device and optical transmission method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7257103B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007336409A (en) 2006-06-19 2007-12-27 Hitachi Ltd Secure communication system
JP2010114662A (en) 2008-11-06 2010-05-20 Hitachi Information & Communication Engineering Ltd Optical transmission device and method
US20170005789A1 (en) 2015-06-30 2017-01-05 Massachusetts Institute Of Technology Optical Cryptography for High Speed Coherent Systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007336409A (en) 2006-06-19 2007-12-27 Hitachi Ltd Secure communication system
JP2010114662A (en) 2008-11-06 2010-05-20 Hitachi Information & Communication Engineering Ltd Optical transmission device and method
US20170005789A1 (en) 2015-06-30 2017-01-05 Massachusetts Institute Of Technology Optical Cryptography for High Speed Coherent Systems

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019149779A (en) 2019-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Physical layer encryption for WDM optical communication systems using private chaotic phase scrambling
JP6602410B2 (en) Photon communication system
US12069168B2 (en) Passive continuous variable quantum key distribution scheme using a thermal source
CN108604425B (en) Random number sequence generation device, quantum cipher transmitter, and quantum cipher communication system
Rosenberg et al. Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber
JP3829602B2 (en) Encryption key distribution device
JP5377934B2 (en) Optical transmitter
Futami et al. Y-00 quantum-noise randomized stream cipher using intensity modulation signals for physical layer security of optical communications
US11362817B2 (en) Quantum cryptographic key output apparatus, quantum cryptographic key communication system, and quantum cryptographic key output method
Nakazawa et al. QAM quantum noise stream cipher transmission over 100 km with continuous variable quantum key distribution
US11101893B2 (en) Optical cryptography for high speed coherent systems
Yoshida et al. 10 Tbit/s QAM quantum noise stream cipher coherent transmission over 160 km
JP2013512610A (en) Quantum communication system and method
JPH08505019A (en) System and method for key distribution using quantum cryptography
US20050111667A1 (en) Optical pulse calibration for quantum key distribution
GB2392063A (en) Quantum cryptology which involves passing a received pulse pair through a polarization beam splitter and then two interferometers and detectors
CN114244500B (en) Quantum key negotiation method, quantum key negotiation system, quantum digital signature method and quantum digital signature system
US8472626B2 (en) System and method for the secure transmission of binary code by phase-and intensity-coding
JP7257103B2 (en) Optical transmission device and optical transmission method
JP7176070B2 (en) Optical system and method
CN114050868B (en) Quantum secure direct communication method based on transmitting or non-transmitting method
JP5062642B2 (en) ENCRYPTED OPTICAL TRANSMITTING DEVICE AND RECEIVING DEVICE, ENCRYPTED OPTICAL TRANSMITTING METHOD AND RECEIVING METHOD, AND ENCRYPTED COMMUNICATION SYSTEM
WO2020174034A1 (en) Generation of optical pulses with controlled distributions of quadrature values
Kurochkin et al. Investigating the bit rate of a quantum key over free space, depending on the conditions of transmission
JP2005130194A6 (en) Quantum cryptographic communication system and sender-side transceiver

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210114

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210915

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210928

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211015

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20220322

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220513

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20220513

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20220524

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20220531

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20220617

C211 Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C211

Effective date: 20220621

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20220906

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20221011

C13 Notice of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C13

Effective date: 20230110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230126

C23 Notice of termination of proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C23

Effective date: 20230207

C03 Trial/appeal decision taken

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C03

Effective date: 20230307

C30A Notification sent

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C3012

Effective date: 20230307

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230403

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7257103

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350