KR102662237B1 - 광 증폭기를 사용한 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치 - Google Patents

광 증폭기를 사용한 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치 Download PDF

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박창훈
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Abstract

본 발명의 목적은 디코이 신호 생성할 때 광학 소자의 편광 의존성을 줄여서 제어가 향상된 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치를 제공할 수 있다. 본 명세서에 따른 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치는, 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 증폭시키는 광 증폭기; 및 상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 패러데이 거울;을 포함할 수 있다.

Description

광 증폭기를 사용한 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치{METHOD FOR GENERATING DECOY SIGNAL USING OPTICAL AMPLIFIER AND COMMUNICATION APPARATUS PERFORMING THE SAME}
본 발명은 양자 암호 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플러그 앤 플레이(Plug & Play) 방식의 키 분배 시스템에서 디코이 신호를 생성하는 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 명세서에 기재된 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.
대규모 개인정보 유출 등의 사건을 계기로 통신 보안이 문제화되면서, 안전한 암호 시스템에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 일반적으로 이용되는 암호 시스템들은 물리적 현상을 이용하는 시스템이 아닌, 수학적인 난제를 이용할 경우 해킹의 확률이 낮다는 점을 이용하는 시스템이다. 따라서, 외부에서 암호 시스템을 해킹하여 암호화된 정보를 분석할 확률이 여전히 존재하는 문제가 있다. 반면, 양자 암호(quantum cryptography)는 양자역학의 불확실성을 바탕으로, 양자 효과를 보이는 단일 광자는 복제가 불가능하다는 점에 착안하여 개발된 암호 시스템으로서, 통신의 주체들이 동일한 비밀키(secure key)를 양자를 이용하여 안전하게 나눠 가지며, 그 키를 이용하여 정보를 암호화 또는 복호화한다. 이론적으로는, 외부에서 해킹을 시도할 경우 광자의 특성이 변화하기 때문에, 외부에서 본래의 비밀키 또는 정보를 얻을 수 없는, 해킹이 불가능한 암호 시스템을 구현할 수 있다.
구체적으로, 양자 키 분배(Quantum Key Distribution; QKD) 시스템은 두 통신 장치, 즉, 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)가 통신 매체로서 광자를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 시스템이다. 이러한 QKD 시스템에서 도청자(Eve)가 도청(예컨대, 전송 중인 광자를 태핑)을 시도하였는지 여부를 판단하기 위해 디코이 신호를 이용하며, 디코이 신호는 도 1에 도시된 바와 같이 일반 신호와 평균 광자수를 다르게 해서 일반 신호 사이사이에 삽입되는 것이다. 디코이 신호가 포함된 신호가 전송된 후 송신 장치와 수신 장치는 디코이 신호가 몇 번째에 존재하는지 공개하고, 디코이 신호들의 검출 횟수와 일반신호의 검출 횟수의 비율을 계산하여 비율 값이 변하면 전송 채널에 도청자로 인한 영향이 있는 것으로 판단될 수 있다.
이와 같이 도청자의 유무를 판단하는데 이용되는 디코이(Decoy) 신호를 생성하기 위해선 광신호의 세기를 제어해 주어야 하나, 광신호 세기를 제어하는 소자들의 특성이 편광에 의존적이므로 플러그앤플레이 방식의 키 분배 시스템에서는 사용이 어려운 문제가 있다. 예를 들어, 광의 세기를 변화시키는 소자인 IM(Intensity modulator)는 편광 의존성으로 인하여 편광이 무작위로 들어오는 송신 장치에 설치할 경우 광의 세기를 원하는 대로 제어하기 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2016-0070032호 한국공개특허 제10-2016-0050934호
본 발명의 목적은 디코이 신호 생성할 때 광학 소자의 편광 의존성을 줄여서 제어가 향상된 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치를 제공하는데 있다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치는, 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 증폭시키는 광 증폭기; 및 상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 패러데이 거울;을 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 통신 장치는, 상기 광 증폭기와 상기 패러데이 거울 사이에 배치되어, 상기 패러데이 거울로부터 전달된 양자 신호의 위상을 변조하는 위상 변조기;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 통신 장치는, 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 미리 설정된 비율에 따라 분할하는 광 분할기; 및 상기 광 분할기에서 분할된 신호의 일부를 검출하는 광 검출기;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 통신 장치는, 상기 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 광 강도를 광 감쇄기; 및 상기 광 감쇄기로부터 전달된 양자 신호에서 상기 타통신 장치로 인해 발생된 노이즈 광을 제거하는 스토리지 라인;을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 통신 장치는, 상기 광 분할기와 상기 타통신 장치로부터 양자 신호를 송수신하는 양자 채널 사이에 배치되어 상기 양자 채널로부터 수신된 신호를 통과 시키고 상기 양자 채널로 송신할 신호를 감쇄시키는 광 아이솔레이터;를 더 포함하는 통신 장치.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 플러그앤플레이 시스템 기반 통신 장치에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법에 있어서, (a) 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 광 증폭기를 이용하여 증폭시키는 단계; (b) 패러데이 거울을 이용하여 상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 단계; 및 (c) 상기 패러데이 거울로부터 전달된 양자 신호를 광 증폭기를 이용하여 다시 증폭시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 상기 (b) 단계는, 위상 변조기를 이용하여 상기 진행방향이 되돌려진 양자 신호의 위상을 변조하는 것을 더 포함하는 단계일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 상기 (a) 단계는, 광 분할기를 이용하여 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 미리 설정된 비율에 따라 분할하고, 광 검출기를 이용하여 상기 광 분할기에서 분할된 신호의 일부를 검출하여 위상 변조 및 타이밍 정보를 획득하는 것을 더 포함하는 단계일 수 있다.
본 명세서에 따른 디코이 신호 생성 방법은, (d) 광 아이솔레이터를 이용하여 상기 (c)단계에서 증폭된 신호를 단일광자 수준으로 감쇄시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서에 따르면, 종래 2개의 PBS와 IM을 사용하여 통신 장치 및 시스템을 구성하는 것에 비해, 상대적으로 비용이 적은 광 증폭기를 사용하여 동일한 효과를 가진 통신 장치 및 시스템을 구성할 수 있어서, 종래 기술에 비해 경제성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 디코이 신호를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 종래 디코이 P&P 통신 시스템의 구성을 개략적인 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디코이 신호 생성 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다.
먼저, 종래 디코이 P&P 통신 시스템에 대해서 설명하겠다.
도 2는 종래 디코이 P&P 통신 시스템의 구성을 개략적인 도시한 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 종래 통신 시스템(1)은 수신 장치(Bob, 10) 및 송신 장치(Alice, 20)를 포함하고, 상기 수신 장치(10)와 송신 장치(20) 양자 채널(Quantum Channel: Q.C)을 통하여 연결되며, 양자 채널을 통하여 신호를 송수신할 수 있다. 상기 종래 통신 시스템(1)은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템에 해당한다.
수신 장치(10)는 광원(Laser, 11), 광 서큘레이터(Optical Circulator: C, 12), 광 분할기(Beam Splitter: BS, 13), 위상 변조기(Phase Modulation: PM, 14), 단일 광자 검출기(Single　Photon　Detector: SPD, 15 및 16) 및 편광 분할기(Polarization Beam Splitter: PBS, 17)를 포함한다.
상기 광원(11)은 임의의 편광을 갖는 광자 펄스(이하, “양자 신호”라 한다)를 생성한다. 양자 신호는 광 서큘레이터(12)를 통하여 광 분할기(13)로 전달된다. 광 분할기(13)는 양자 신호를 2개의 양자 신호로 분할하고, 분할된 2개의 양자 신호는 각각 특정 경로를 통과하여 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 가지게 된다. 구체적으로, 2개의 양자 신호 중 하나는 위상 변조기(14)가 구비된 경로를 통과하면서 위상이 변조된 후 편광 분할기(17)에 먼저 도달하고, 다른 하나는 딜레이 라인(Delay Line: D.L)이 구비된 경로를 통과하면서 편광 분할기(17)에 도달되는 시간이 지연되고 편광이 변경된다. 이와 같이 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 가지게 된 2개의 양자 신호들은 양자 채널(Q.C)을 통해 송신 장치(20)로 전송된다.
송신 장치(20)는 광 분할기(Beam Splitter: BS, 21), 광 검출기(Photon　Detector: PD, 22), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA, 23), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 편광 분할기(Polarization Beam Splitter: PBS, 24 및 26), 광 세기 조절기(Intensity modulator: IM, 25), 위상 변조기(Phase Modulation: PM, 27) 및 패러데이 거울(Faraday　Mirror: FM, 28)을 포함한다.
송신 장치(20)는 수신 장치(10)로부터 양자 신호를 수신하고, 수신된 양자 신호는 광 분할기(21)로 전달된다. 광 분할기(21)는 양자 신호를 9:1 비율로 분할하고, 분할된 신호 중 대부분은 광 감쇄기(23)로 전달되고, 분할된 신호 중 일부가 광 검출기(22)로 입력된다. 광 검출기(22)는 수신된 양자 신호로부터 양자 신호의 위상을 변조 및 단일광자 수준의 양자 신호 생성을 위한 타이밍 정보를 획득한다. 한편, 광 감쇄기(23)는 양자 신호의 광 강도를 낮추고, 스토리지 라인(Storage Line: SL)은 수신 장치(10)로부터 수신한 양자 신호로 인해 발생된 노이즈(noise) 광을 제거한다.
양자 신호는 첫번째 편광 분할기(24)를 통하여 양자 신호의 편광 성분에 따라 양자 신호가 통과할 경로가 분할된다. 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만이 광 세기 조절기(25)를 통해 광세기가 원하는 수준으로 조절되고, 두번째 편광 분할기(26)에 도달한다. 광 세기 조절기를 통과한 양자 신호와 통과하지 않은 양자 신호 모두 패러데이 거울(28)을 통해 반사됨으로써, 양자 신호들의 진행 방향이 반전되고 편광이 90도 회전되며, 위상 변조기(27)를 이용하여 양자 신호들 중 하나의 위상이 변조될 수 있다. 그 다음, 양자 신호는 두번째 편광 분할기(26)를 통하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만이 광 세기 조절기(25)가 구비된 경로를 통과하면서 광세기가 원하는 수준으로 조절되고, 첫번째 편광 분할기(24)에 도달한다. 두가지 경로로 나누어졌던 양자 신호는 첫번째 편광 분할기(24)에서 병합되고, 양자 채널을 통하여 수신 장치(10)에 전송된다.
이때, 병합된 양자 신호는 두 경로 중 하나의 경로에만 구비된 광 세기 조절기(25)에 의하여 광 세기가 원하는 수준으로 조절 되었으므로 디코이 신호에 해당하게 된다. 이후, P&P QKD를 위한 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에게 자명한 사항인 바 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 2에 도시된 종래 기술에 따른 통신 시스템(1)는 각각의 소자들이 이상적인 동작을 하는 것이 전제된 것이다. 그러나 실제 장치를 구성하면, 광 세기 조절기(25)는 편광에 의존적이어서 임의의 편광을 가지는 양자 신호를 전달받을 경우 광 세기가 원하는 대로 조절되기 어려워, 양자 신호의 광 세기를 원하는 대로 조절하는데 문제가 발생하였다. 따라서, 광 세기 조절기(25)의 편광 의존성을 제거하기 위한 송신 장치(20)에 두 개의 편광 분할기(24 및 26)을 추가로 설치하는 조치가 필요했다. 또한, 도 2에 도시하지 않았지만, 광 세기 조절기(25)는 설치된 장소의 환경(예: 온도) 및 입력 광 파워에 따라 출력이 일정하지 않는 현상 이른바, 위상 드리프트(phase drift)현상이 발생하여, 이를 방지하기 위한 별도의 장치가 필요했다. 이러한 단점들이 디코디 P&P QKD 시스템의 신뢰도를 하락시키고, 장치의 비용을 증가시키는 문제점이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 통신 시스템(1)은 통신 시스템은 수신 장치(Bob)인 제1 통신 장치(10) 및 송신 장치(Alice)인 제2 통신 장치(120)를 포함할 수 있다. 상기 제1 통신 장치(10)와 제2 통신 장치(200)는 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)을 통하여 연결될 수 있며, 상기 양자 채널(Q.C)을 통하여 신호를 송수신할 수 있다. 이하에서 언급되는 통신 시스템(100)은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템에 해당한다.
상기 제1 통신 장치(10)는 앞서 도 2를 참조하여 설명한 수신 장치(10)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 그러나 본 명세서에 따른 통신 시스템(100)의 수신 장치가 반드시 상기 예시에 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 도시된 예시는 설명의 간소화 및 이해의 편의성을 위해 종래 통신 시스템(1)과 동일한 예시를 활용하는 것을 이해해야 한다. 따라서, 상기 제1 통신 장치(10)에서 양자 신호가 생성되어서, 본 명세서에 따른 제2 통신 장치(120)에 도달하는 과정에 대한 반복 설명은 생략한다.
상기 제2 통신 장치(120)는 광 분할기(Beam Splitter: BS, 121), 광 검출기(Photon　Detector: PD, 122), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA, 123), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 광 증폭기(Optical Amplifier: OA, 124), 위상 변조기(Phase Modulation: PM, 125) 및 패러데이 거울(Faraday　Mirror: FM, 126)을 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 제2 통신 장치(120)는 제1 통신 장치(10)로부터 양자 신호를 수신하고, 수신된 양자 신호는 광 분할기(121)로 전달된다. 본 명세서의 일 실시예에 따른 광 분할기(121)는 양자 신호를 미리 설정된 비율에 따라 분할할 수 있다. 일 예로, 상기 분할 비율은 9:1일 수 있다. 분할된 신호 중 대부분은 광 감쇄기(123)가 설치된 광 경로로 전달되고, 분할된 신호 중 일부가 광 검출기(122)로 입력된다. 상기 광 검출기(122)는 수신된 양자 신호들로부터 양자 신호의 위상을 변조하기 위한 타이밍 정보를 획득한다. 한편, 광 감쇄기(123)는 양자 신호의 광 강도를 낮추고, 스토리지 라인(Storage Line: SL)은 제1 통신 장치(10)로부터 수신한 양자 신호로 인해 발생된 노이즈(noise) 광을 제거할 수 있다.
양자 신호는 상기 광 증폭기(124)에 전달된다. 상기 광 증폭기(124)는 양자 신호의 광세기를 증폭시킬 수 있다. 다만 입력 편광에 따라 증폭 이득이 다를 수 있다. 이는 후술할 패러데이 거울 효과를 이용하여 원래 편광신호와 비교할 때 직교하는 신호를 만들어 주고, 이 신호를 한번 더 증폭함으로써, 두 번의 증폭 동작으로 무작위 편광이 입력되어도 최종 증폭 이득을 계획된 값으로 정확하게 제어할 수 있다. 이때 계획된 증폭 크기를 다르게 하면 양자신호와 디코이 신호를 구분하여 만들 수 있기 때문에 디코이 프로토콜을 구현 할 수 있다. 일례로 10배 증폭한 신호, 2배 증폭한 신호, 1배 증폭한 신호, 증폭하지 않은 신호 등 신호크기를 다양하게 조절 할 수 있다.
광 증폭기는 동작 방식에 따라 광섬유 광증폭기와 반도체 광증폭기로 나눌 수 있다. 광섬유 광 증폭기(Optical Fiber Amplifier)는 도핑된 광섬유를 이득매질로 삼아 광 신호를 직접 증폭하는 방식이고, 반도체 광증폭기 (Semiconductor Optical Amplifier: SOA)는 광공진 소자 구현 등에 의해 광 신호를 증폭하는 방식이다. 광섬유 광 증폭기에는 DFA(Doped Fiber Amplifier) 방식, EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier), EDWA (Erbium Doped Waveguide Amplifier), TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier), PDFFA (Praseodymium-Doped Fluoride Fiber Amplifier), 라만 광증폭기(Raman Fiber Amplifier) 등이 있다. 반도체 증폭기에는 FPA(Fabry-Perot Amplifier), TWA(Traveling Wave Amplifier) 등이 있다. 본 명세서의 도면에는 반도체 광증폭기(SOA)를 예시로 도시하였으지만, 본 명세서에 따른 상기 광 증폭기(124)가 반드시 반도체 광증폭기(SOA)에 제한되는 것은 아니다.
상기 광 증폭기(124)는 파장대에 따라 다양한 광 증폭기가 사용될 수 있다. 예를 들어, O Band (1260~1360nm)는 라만광증폭기, SOA, Praseodymium Doped가 사용될 수 있고, E Band (1360~1460nm)는 라만광증폭기, SOA가 사용될 수 있고, S Band (1460~1530nm)는 라만광증폭기, SOA, Thulium Doped가 사용될 수 있고, C Band (1530~1565nm)는 EDFA, 라만광증폭기, SOA가 사용될 수 있고, L Band (1565~1625nm)는 EDFA, 라만광증폭기, SOA가 사용될 수 있고, U Band (1260~1360nm)는 라만광증폭기, SOA가 사용될 수 있다.
상기 광 증폭기(124)에서 증폭된 양자 신호는 위상 변조기(125)를 지난 양자 신호는 패러데이 거울(126)을 통해 반사됨으로써, 양자 신호의 진행 방향이 반전되고 편광이 90도 회전될 수 있다. 상기 위상 변조기(124)를 이용하여 양자 신호의 위상이 변조될 수 있으며, 위상이 변조된 양자 신호는 상기 광 증폭기(124)에 전달될 수 있다. 그리고 상기 광 증폭기(124)에 전달된 양자 신호는 다시 증폭될 수 있다. 상기 광 증폭기에 다시한번 전달된 신호는 이미 상기 광 증폭기에서 한번 증폭된 신호로 편광에 따라 다른 증폭이득을 가지고 전달 된 신호다. 이 신호가 패러데이 거울을 통해 편광이 90도 회전하여 되돌아 오게 되어 다시한번 증폭되면 또다시 편광에 따라 증폭이득이 다르게 증폭이 되며 2번 증폭의 결과로 원신호 기준으로 모든 편광에 대해 같은 값으로 증폭이 된다. 일례로 수직편광의 증폭이득이 2.0이며 수평편광의 증폭이득이 2.2 인 광증폭기에 대각편광이 입력될 경우 한번만 증폭이 된 경우 수직성분 2, 수평성분 2.2 로 증폭이 되어 원신호에 비해 왜곡된 신호가 되어 나가게 된다. 그러나 패러데이 거울을 통해 반사된 신호가 다시 한번 광 증폭기에 도달하여 증폭될 경우는 패러데이 거울에서 수직성분 2가 수평성분 2로, 수평성분 2.2가 수직성분 2.2로 바뀌게 되고 광증폭기에서 수평성분 4.4, 수직성분 4.4로 원신호 기준 편광만 90도 바뀌어 증폭되는 왜곡 없는 증폭을 볼 수 있다.
2번의 증폭 과정을 거친 양자 신호는 제2 통신 장치(120)에서 출력되어 상기 양자 채널(Q.C)를 거쳐 상기 제1 통신 장치(10)에 전달될 수 있다. 이후, P&P QKD를 위한 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에게 자명한 사항인 바 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 제2 통신 장치(120)는 광 아이솔레이터를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 상기 광 아이솔레이터(127)는 상기 광 분할기(121)와 양자 채널(Q.C) 사이에 배치될 수 있다. 상기 광 아이솔레이터(127)는 상기 양자 채널(Q.C)에서 전달된 양자 신호는 감쇄 시키지 않고, 상기 광 증폭기(124)를 지나서 상기 광 분할기(121)로부터 전달된 양자 신호를 감쇄 시킬 수 있다. 상기 광 아이솔레이터(127)는 증폭된 양자 신호를 상기 제1 통신 장치(10) 즉, 수신 장치에서 수신 받을 수 있는 수준의 광 신호로 감쇄시키기 위한 구성이다. 상기 광 아이솔레이터(127)는 신호가 감쇄되어 방향으로 신호 전송시 원신호를 왜곡하지 않아야 사용이 가능하며 충분한 수준으로 감쇄효과를 보일시 광 감쇄기를 보조하여 사용이 가능하다.
한편, 상기 광 아이솔레이터(Isolator)는 해킹 방지가 가능하다. 광 아이솔레이터 전까지의 신호의 세기는 PIN PD로 측정이 가능한 수준이다. 도청자(Eve)가 트로이목마 공격을 통해 해킹을 하려면, 광 아이솔레이터 전까지의 양자 신호 세기만큼 큰 신호를 전송해야만 한다. 왜냐하면 결국 광 아이솔레이터를 통과한 신호를 Eve가 받아서 측정해야 하는데, 양자 신호 세기보다 작은 도청 신호를 도청자가 보내면, 광 아이솔레이터를 통과하여 감쇄된 도청 신호는 도청자가 측정이 불가능한 수준으로 작아지게 된다. 그러므로 양자 신호 세기만큼 큰 신호를 생성하여 송신자(Alice)에게 보내야 하는데, 이렇게 큰 신호는 송신자(Alice_의 PIN PD를 이용하여 검출 가능하므로 도청자의 유무를 알 수 있다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디코이 신호 생성 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 단계 S100에서 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 광 증폭기(124)를 이용하여 증폭시킬 수 있다. 다음 단계 S110에서 패러데이 거울을 이용하여 상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경할 수 있다. 다음 단계 S120에서 상기 패러데이 거울로부터 전달된 양자 신호를 광 증폭기를 이용하여 다시 증폭시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서,
    타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 증폭시키는 광 증폭기; 및
    상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 패러데이 거울;을 포함하는 통신 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 증폭기와 상기 패러데이 거울 사이에 배치되어, 상기 패러데이 거울로부터 전달된 양자 신호의 위상을 변조하는 위상 변조기;를 더 포함하는 통신 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 미리 설정된 비율에 따라 분할하는 광 분할기; 및
    상기 광 분할기에서 분할된 신호의 일부를 검출하는 광 검출기;를 더 포함하는 통신 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 광 강도를 낮추는 광 감쇄기; 및
    상기 광 감쇄기로부터 전달된 양자 신호에서 상기 타통신 장치로 인해 발생된 노이즈 광을 제거하는 스토리지 라인;을 더 포함하는 통신 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 광 분할기와 상기 타통신 장치로부터 양자 신호를 송수신하는 양자 채널 사이에 배치되어 상기 양자 채널로부터 수신된 신호를 통과 시키고 상기 양자 채널로 송신할 신호를 감쇄시키는 광 아이솔레이터를 더 포함;하는 통신 장치.
  6. 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법에 있어서,
    (a) 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 광 증폭기를 이용하여 증폭시키는 단계;
    (b) 패러데이 거울을 이용하여 상기 광 증폭기로부터 전달된 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 단계; 및
    (c) 상기 패러데이 거울로부터 전달된 양자 신호를 광 증폭기를 이용하여 다시 증폭시키는 단계;를 포함하는 디코이 신호 생성 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 위상 변조기를 이용하여 상기 진행방향이 되돌려진 양자 신호의 위상을 변조하는 것을 더 포함하는 단계인 디코이 신호 생성 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 광 분할기를 이용하여 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호를 미리 설정된 비율에 따라 분할하고, 광 검출기를 이용하여 상기 광 분할기에서 분할된 신호의 일부를 검출하여 위상 변조를 위한 타이밍 정보를 획득하는 것을 더 포함하는 단계인 디코이 신호 생성 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    (d) 광 아이솔레이터를 이용하여 상기 (c)단계에서 증폭된 신호를 단일광자 수준으로 감쇄시키는 단계;를 더 포함하는 하는 디코이 신호 생성 방법.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160050934A (ko) 2014-10-31 2016-05-11 에스케이텔레콤 주식회사 양자 암호키 분배 시스템에서 편광 정렬 방법 및 장치
KR20160070032A (ko) 2014-12-09 2016-06-17 한국과학기술원 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160050934A (ko) 2014-10-31 2016-05-11 에스케이텔레콤 주식회사 양자 암호키 분배 시스템에서 편광 정렬 방법 및 장치
KR20160070032A (ko) 2014-12-09 2016-06-17 한국과학기술원 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Min-Ki Woo et al., "Generation of Decoy Signals Using Optical Amplifiers for a Plug-and-Play Quantum Key Distribution System" Applied Sciences 12, no. 13: 6491, (2022.06.27)* *

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