WO2019216025A1

WO2019216025A1 - 信号処理装置

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Publication number: WO2019216025A1
Application number: PCT/JP2019/010997
Authority: WO
Inventors: 健谷澤; 二見　史生
Original assignee: 学校法人玉川学園
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-11-14
Also published as: US11863301B2; US20210242957A1; JPWO2019216025A1; JP6850516B2

Abstract

信号変調分解能を向上させることを目的とする。　粗位相変調素子６２Ａは、第１範囲におけるＭ１個（Ｍ１は任意の整数値）のパターンのうち何れかに信号を変調する。微位相変調素子６２Ｂ－１乃至６２Ｂ－（ｋ－１）の夫々は、第２範囲乃至第ｋ範囲（ｋは２以上の整数値）の夫々における、Ｍ２乃至Ｍｋ個（Ｍ２乃至ＭｋはＭ１を含め相互に独立した任意の整数値）の夫々のパターンのうち何れに信号を夫々変調する。粗ＤＡＣ６１Ａ、ＤＡＣ６１Ｂ－１乃至６１Ｂ－（ｋ－１）は、第２範囲乃至第ｋ範囲を、第１範囲と比較して狭くなるように制御する。

Description

信号処理装置

　本発明は、信号処理装置に関する。

　近年、情報通信においてセキュリティ対策の重要性が高まっている。インターネットを構成するネットワークシステムは、国際標準化機構に依り策定されたＯＳＩ参照モデルで記述される。ＯＳＩ参照モデルでは、レイヤ１の物理層からレイヤ７のアプリケーション層までに分離され、夫々のレイヤを結ぶインターフェースが標準化、又は、デファクトにより規格化されている。このうち最下層となるのが、有線・無線で実際に信号の送受信を行う役割を担う物理層である。
　現状、セキュリティ（多くの場合数理暗号に依る）は、レイヤ２以上で実装されており、物理層ではセキュリティ対策が施されていない。しかしながら、物理層でも盗聴の危険性がある。
　例えば、有線通信の代表である光ファイバ通信では、光ファイバに分岐を導入し、信号パワーの一部を取り出すことで大量の情報を一度に盗み出すことが原理的に可能である。そこで、本出願人は、物理層における暗号化技術として、例えば特許文献１に挙げる所定のプロトコルの開発を行っている。

特許５１７０５８６号公報

　物理層での盗聴の対策として、変調分解能を向上することが要求されているが、特許文献１に記載のプロトコルを単に適用しただけでは、このような要求に十分に応えることは困難な状況である。

　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、変調分解能を向上することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様の信号処理装置は、
　第１範囲におけるＭ１個（Ｍ１は任意の整数値）のパターンのうち何れかに信号を変調する第１変調素子と、
　第２範囲乃至第ｋ範囲（ｋは２以上の整数値）の夫々における、Ｍ２乃至Ｍｋ個（Ｍ２乃至ＭｋはＭ１を含め相互に独立した任意の整数値）の夫々のパターンのうち何れに信号を夫々変調する（ｋ－１）個の第２変調素子と、
　前記第１変調素子の第１範囲、及び前記（ｋ－１）個の第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、（ｋ－１）個の前記第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を、前記第１変調素子の前記第１範囲と比較して狭くなるように制御する。

　本発明によれば、変調分解能を向上することができる。

本発明の信号処理装置の一実施形態に係る光送信装置を含む送受信システムの構成の一例を示すブロック図である。図１の光送信装置に適用されたＹ－００光通信量子暗号の原理の概要を説明する図である。図２の位相変調におけるＮ＝４０９６のシンボル点の配置のうち、隣接する３つのシンボル点の配置が視認できるように、図２を拡大した図である。図１の光送信装置１のうち、基本的な暗号化部の詳細な構成例を示すブロック図である。図１の光送信装置１のうち、基本的な暗号化部の詳細な構成例であって、図４とは異なる例を示すブロック図である。図４の基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第１の例の詳細な構成例を示すブロック図である。図６の例の暗号化部に採用された粗位相変調と微位相変調との夫々の原理を示す図である。図４の基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第２の例の詳細な構成例を示すブロック図である。図５に示した例の暗号化部１３に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第３の例の詳細な構成例を示すブロック図である。図６に示した本発明が適用される暗号化部の第１の例の粗変調に係る構成に、ＩＱ変調器を用いた構成を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第４の例の詳細な構成例を示すブロック図である。位相変調ではなく振幅変調を適用したＹ－００光通信量子暗号の原理の概要を説明する図である。基本的な暗号化部として、位相変調ではなく振幅変調を適用した場合の詳細な構成例を示すブロック図である。図１２の振幅変調を適用した基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち発明が適用される暗号化部の第５の例の詳細な構成例を示すブロック図である。図１２の振幅変調を適用した基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち発明が適用される暗号化部の第６の例の詳細な構成例を示すブロック図である。光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調に対して採用した場合における、本発明が適用される暗号化部の第７の例の詳細な構成例を示すブロック図である。図１５の例の変形例、即ち、光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調に対して採用した場合における、本発明が適用される暗号化部の第８の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　以下、本発明の実施形態について説明する。

　図１は、本発明の信号処理装置の一実施形態に係る光送信装置を含む送受信システムの構成の一例を示すブロック図である。
　図１の例の送受信システムは、光送信装置１と、光受信装置２と、それらを接続する光通信ケーブル３とを含むように構成されている。

　光送信装置１は、送信データ提供部１１と、暗号鍵提供部１２と、暗号化部１３と、搬送波発生部１４と、暗号信号送信部１５とを含むように構成されている。

　送信データ提供部１１は、送信対象の平文のデータを生成し又は図示せぬ生成元から取得し、送信データとして暗号化部１３に提供する。
　暗号鍵提供部１２は、暗号化部１３における暗号化に用いる暗号鍵を、暗号化部１３に提供する。なお、暗号鍵は、光送信装置１と光受信装置２とで、暗号化及び復号で用いることが可能な鍵であれば足り、その提供元（生成場所や保存場所）や提供方法、及び暗号化・復号方式は特に限定されない。
　暗号化部１３は、送信データ提供部１１から提供された送信データを、暗号鍵提供部１２から提供された暗号鍵を用いて暗号化して、後述の搬送波発生部１４により発生された搬送波（光信号）に重畳して、暗号信号送信部１５に提供する。なお、暗号化部１３から出力される光信号、即ち、暗号化された送信データが搬送波に重畳されたものを、以下、「暗号信号」と呼ぶ。
　搬送波発生部１４は、光信号を搬送波として発生させ、暗号化部１３に提供する。
　暗号信号送信部１５は、暗号化部１３から提供された暗号信号を、必要に応じて増幅等したうえで、光通信ケーブル３を介して光受信装置２に送信する。

　上述のように、暗号信号（光信号）は、光送信装置１から出力されて、光通信ケーブル３で伝送されて、光受信装置２に受信される。
　光受信装置２は、受信した暗号信号を復号することで、平文のデータ（送信データ）を復元させる。このため、光受信装置２は、暗号信号受信部２１と、暗号鍵提供部２２と、復号部２３とを含むように構成されている。

　暗号信号受信部２１は、暗号信号（光信号）を受信し、電気信号に変換して、復号部２３に提供する。このようにして暗号信号受信部２１において、暗号信号（光信号）が電気信号に変換されたものを、以下「暗号データ」と呼ぶ。
　暗号鍵提供部２２は、暗号データを復号する際に用いる暗号鍵を、復号部２３に提供する。
　復号部２３は、暗号信号受信部２１から提供された暗号データを、暗号鍵提供部２２から提供された暗号鍵を用いて復号することで、平文のデータ（送信データ）を復元させる。

　このように、本実施形態では暗号信号は、光通信ケーブル３により伝送される光信号を例として採用されている。このため、図１の例では、暗号信号の通信方式として、有線通信の代表である光ファイバ通信が採用されている。
　光ファイバ通信では、第三者が、光ファイバに分岐を導入し、信号パワーの一部を取り出すことで、大量の情報（ここでは暗号信号）を一度に盗み出すことが原理的に可能である。
　このため、暗号信号がたとえ盗み出されたとしても、その暗号信号の意味内容、即ち平文（送信データ）の内容を第三者に認識させないようにする手法が必要である。
　本出願人は、このような手法として、Ｙ－００光通信量子暗号を用いた手法を開発している。

　Ｙ－００光通信量子暗号は、「量子雑音の効果で暗号文を正しく取得できないこと」を特徴としており、本出願人により開発されたものである。
　Ｙ－００光通信量子暗号において、送信データ（平文）は、「０」又は「１」のビットデータの１以上の集合体で表される。この送信データを構成する各ビットデータは、所定のアルゴリズムにより、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の値のうち所定値に変調される。そこで、以下、この数値Ｎを「変調数Ｎ」と呼ぶ。
　Ｙ－００光通信量子暗号では、暗号側と復号側で暗号鍵により、光信号（搬送波）の位相と振幅のうち少なくとも一方が変調数Ｎの値のうち何れかに変調されることによって、送信データ（平文）に対する暗号化が行われる。ここで、変調数Ｎを極めて多値とすることで、「量子雑音の効果で暗号文を正しく取得できないこと」という特徴が実現される。
　Ｙ－００光通信量子暗号で採用される「所定のプロトコル」については、例えば特許５１７０５８６号公報を参照するとよい。そこで、ここでは簡単に、Ｙ－００光通信量子暗号の原理の概要について、位相変調を例として図２及び図３を参照しつつ説明する。

　図２は、Ｙ－００光通信量子暗号の原理の概要を説明する図である。
　図２に示すＡ変調乃至Ｃ変調には、縦軸と横軸の交点を原点とした、光信号の位相と振幅（強度）を表すＩＱ平面が描画されている。ＩＱ平面上の一点を決めると、光信号の位相と振幅が一意に決まる。位相は、ＩＱ平面の原点を始点とし、その光信号を表す点を終点とする線分と、位相０を表す線分との成す角度となる。一方、振幅は、その信光号を表す点と、ＩＱ平面の原点との間の距離となる。

　図２に示すＡ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号の理解を容易なものとすべく、通常の２値変調の原理を説明する図である。
　例えば、平文（送信データ）がそのまま光信号（搬送波）に重畳されて送信される場合、平文を構成する各ビットデータ（１又は０）の夫々に対して、図２に示すＡ変調に示す２値変調が行われるものとする。
　この場合、図２に示すＡ変調において、ビットデータが「０」の場合の位相変調後の光信号を示す点（以下、「シンボル点」と呼ぶ）の配置は、横軸上右側の０（０）とした点の配置、即ち位相が０の配置となる。一方、ビットデータが１の場合のシンボル点の配置は、横軸上左側のπ（１）とした点の配置、即ち位相がπの配置となる。

　図２に示すＢ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号を採用した場合における、変調数Ｎ＝１６の位相変調の原理を説明する図である。
　図２に示すＢ変調の例の場合、平文を構成する各ビットデータの夫々について、暗号鍵を用いて８値のうちランダムな何れかの値が生成される。そして、図２に示すＡ変調に示す通常の２値変調のシンボル点（０に対応する位相０の点、又は１に対応する位相πの点）の位相が、８値のうちランダムに生成された値に従ってＩＱ平面においてビット毎に回転されることで、位相変調が行われる。
　ビットデータの取り得る値は「０」又は「１」の２値であるので、結果として、図２に示すＢ変調の例の位相変調が行われると、シンボル点の配置は、（π／８）ずつ位相が異なる１６個（変調数Ｎ＝１６）の配置となる。

　ただし、図２に示すＢ変調の例の場合、ビットデータがとり得る「０」又は「１」の値が、変調数Ｎ＝１６の値のうち何れかの値に変調されただけである。このため、１６個のシンボル点の配置を取る光信号（暗号信号）が盗み出されてしまうと、その意味内容、即ち平文（送信データ）の内容が第三者に認識される恐れがある。即ち、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性は、変調数Ｎ＝１６程度だと十分ではない。
　そこで、実際には、図２に示すＣ変調に示すように、変調数Ｎとして極めて多値、例えば４０９６が採用され、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性が高められている。

　図２に示すＣ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号を採用した場合における、変調数Ｎ＝４０９６の位相変調の原理を説明する図である。
　図３は、図２に示すＣ変調の位相変調におけるＮ＝４０９６のシンボル点の配置のうち、隣接する３つのシンボル点の配置が視認できるように、図２に示すＣ変調を拡大した図である。
　図３に示すように、各シンボル点の夫々において、範囲ＳＮだけショット雑音（量子雑音）による揺らぎがある。
　ショット雑音は、光が量子性をもつことに起因する雑音であり、真にランダムであり、物理法則として取り除けないという特徴を有する。
　変調数Ｎとして４０９６等の極めて多値の位相変調がなされると、図３に示すように、隣接するシンボル点がショット雑音に隠れて判別できない状況になる。
　具体的には、隣接する２つのシンボル点の距離Ｄが、ショット雑音の範囲ＳＮよりも十分小さいとき（そのように小さくなるように、変調数Ｎとして極めて多値の位相変調がなされたとき）、受信側で測定された位相情報から、元のシンボル点の位置は断定困難となる。つまり、例えばある時刻の光信号の位相が、図３に示す３つのシンボル点のうち中央のシンボル点の位置に対応していたものとする。この場合、元々中央の位置のシンボル点の光信号として送信されたものであるのか、それとも、実際には隣の位置のシンボル点の光信号として送信されたものがショット雑音の影響で中央の位置として測定されたのかは、区別ができない。

　以上まとめると、Ｙ－００光通信量子暗号では、変調数Ｎが極めて多値の変調が採用されている。なお、図２及び図３の例では位相変調であるが、これに代えて又はこれと共に振幅（強度）変調でもよい。即ち、Ｙ－００プロトコルを用いた光信号の変調には、強度変調、振幅変調、位相変調、周波数変調、直交振幅変調等のあらゆる変調方式を採用できる。
　これにより、２つのシンボル点の距離Ｄを、ショットノイズの範囲ＳＮより十分に小さくすることが可能となり、「量子雑音の効果で暗号文を正しく取得できない」という特徴が可能になる。また、量子雑音は安全性を担保することになるが、実際的には、量子雑音に加えて熱雑音等の古典雑音も含めたすべての「雑音」の効果によって盗聴者が正しい暗号文を取得することを防止することになる。
　換言すると、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性は、変調数Ｎをどれだけ多値にできるのかにかかっていると言える。

　以下、図１の光送信装置１のうち暗号化部１３の詳細な構成について、Ｙ－００光通信量子暗号が適用された幾つかの具体例を用いて個別に説明していく。
　まず、本発明の理解を容易なものとすべく、基本的な暗号化部１３の２つの具体例について、図４と図５を参照して個別に説明する。なお、基本的な暗号化部１３の説明においては、説明の便宜上、変調数Ｎ＝４０９６の位相変調が行われるものとする。

　図４は、図１の光送信装置１のうち、基本的な暗号化部１３の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図４の例の基本的な暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　図４の例の暗号発生部３１は、送信データ提供部１１から提供される送信データを構成する各ビットデータ（０又は１）の夫々を、暗号鍵提供部１２から提供される暗号鍵を用いて、変調数Ｎ＝４０９６個の多値のうち任意の値を有するデータ（以下、「多値のデータ」と呼ぶ）に変換していくことで、当該送信データを暗号化する。
　即ち、暗号発生部３１は、送信データを構成する各ビットデータ毎に、多値のデータを生成して、デジタル信号として信号路Ｌ１を介して多値変調部３２に供給する。

　図４の例の多値変調部３２は、デジタルアナログコンバータ（以下、「ＤＡＣ」と略記する）４１と、位相変調素子４２とを備えている。

　ＤＡＣ４１は、暗号発生部３１から供給される各ビットデータの夫々に対応する多値のデータを、信号路Ｌ１を介して取得する。ＤＡＣ４１は、多値のデータ（デジタル信号）を、多値のうち何れかの値を有するアナログの電圧（以下、「多値の電圧」と呼ぶ）に変換して、信号路Ｌ２を介して位相変調素子４２に印加する。

　位相変調素子４２は、搬送波発生部１４において搬送波として発生された光信号を信号路Ｌ３を介して入力する。位相変調素子４２は、当該光信号の位相を、ＤＡＣ４１から信号路Ｌ２を介してビットデータ毎に印加される多値の電圧に応じて回転させ（位相変調し）、信号路Ｌ４を介して暗号信号送信部１５に供給する。

　図５は、図１の光送信装置１のうち、基本的な暗号化部１３の詳細な構成例であって、図４とは異なる例を示すブロック図である。
　図５の例の基本的な暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。

　図５の例の暗号発生部３１は、暗号鍵提供部１２から提供される暗号鍵を用いて、２０４８個の多値のデータを生成する。ここで、多値のデータの取り得る値が、変調数Ｎ＝４０９６の半分の２０４８となっている理由については、多値変調部３２の説明において後述する。

　図５の例の多値変調部３２は、ＤＡＣ５１と、位相変調素子５４を含むマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１とを備えている。
　ここで、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１は、マッハ・ツェンダ干渉計の原理を利用した変調器である。信号路Ｌ３は、信号路Ｌ２１と信号路Ｌ２２とに分岐される。信号路Ｌ２１には位相変調素子５２が配置されている。これにより、位相変調素子５２を介して信号路Ｌ２１を通過した光信号と、信号路Ｌ２２を通過した光信号とは相互に干渉して、信号路Ｌ２３から出力される。
　なお、図５の構成のマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１は例示に過ぎない。即ち、分岐した信号路のうち一方、又はその両方において位相変調素子を介することで、マッハ・ツェンダ干渉計がマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１として利用可能となる。

　ＤＡＣ５１は、送信データ提供部１１から供給される送信データを、ビットデータ毎に、２値の電圧（アナログ信号）に変換して、信号路Ｌ１２を介して位相変調素子５２に印加する。

　位相変調素子５２は、搬送波発生部１４において発生されて信号路Ｌ２１で伝達される光信号（搬送波）を入力する。位相変調素子５２は、当該光信号の位相を、ＤＡＣ５１から信号路Ｌ１２を介してビットデータ毎に印加される２値の電圧に応じて回転させ（位相変調し）、出力する。
　位相変調素子５２から出力された光信号は、搬送波発生部１４において発生されて信号路Ｌ２２で伝達される光信号（搬送波）と干渉して、図２に示すＡ変調に示す通常の２値位相変調信号となる。この２値変調の変調数Ｎ１＝２である。２値変調の信号は、信号路Ｌ２３を介して位相変調素子５４に供給される。

　ＤＡＣ５３は、暗号発生部３１から供給される多値（２０４８値）のデータを、信号路Ｌ１３を介して取得する。ＤＡＣ５３は、当該多値のデータを、多値（２０４８値）の電圧に変換して、信号路Ｌ１４を介して位相変調素子５４に印加する。

　位相変調素子５４は、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１から信号路Ｌ２３を介して光信号を入力する。位相変調素子５４は、当該光信号の位相を、ＤＡＣ５３から信号路Ｌ１４を介してビットデータ毎に印加される多値（２０４８値）の電圧に応じて回転させ（位相変調し）、信号路Ｌ４を介して暗号信号送信部１５に供給する。
　ここで、位相変調素子５４に供給される光信号は、上述のようにマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１において２値変調がなされている。つまり、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１におけるデータ変調の変調数Ｎ１は２である。また、位相変調素子５４における変調数Ｎ２は、２０４８である。従って、変調数Ｎ１と変調数Ｎ２の積、即ちＮ１×Ｎ２＝２×２０４８＝４０９６が、総合的な変調数Ｎとなる。

　このように、図５の例の基本的な暗号化部１３においては、ビットデータを構成する２値のデータに対する位相変調（データ位相変調）はマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１にて行われるのに対して、暗号化のための位相変調（位相の回転）は位相変調素子５４で行われる。
　換言すると、図４の例では、送信データ提供部１１から提供される送信データを構成する各ビットデータ（０又は１）の夫々を、暗号鍵提供部１２から提供される暗号鍵を用いて、変調数Ｎ＝４０９６個の多値のうち任意の値を有するデータ、即ち、多値のデータに変換する処理が、電気のデジタル領域で行われているのに対して、図５の例では、光の領域で行われている。

　ここで、位相変調素子（図４の例では位相変調素子４２であり、図５の例では位相変調素子５２，５４である）としては、本願の出願時点で実用化されている高速位相変調素子、具体的は例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）変調素子、リン化インジウム（ＩｎＰ）変調素子、シリコンｐ－ｎ接合変調素子等を採用することができる。

　ところで、上述したように、安全なＹ－００暗号を発生させるためには、変調数Ｎが重要となる。上述の図４及び図５の基本的な暗号化部１３を用いた場合、ＤＡＣ（図４の例ではＤＡＣ４１であり、図５の例ではＤＡＣ５１，５３）の出力電圧分解能で変調数Ｎに制限がかかってしまう。
　より具体的には、ＤＡＣでは、出力電圧分解能と変調帯域（速度）に強いトレードオフがあり、現状手に入るものでは１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調において１０２４値程度となっている。即ち、ＤＡＣとして、本願の出願時点で現在実用化されているものを採用した場合、上述の図４及び図５の基本的な暗号化部１３を用いると、１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調において変調数Ｎとして４０９６を実現することは困難である。逆にいえば、本願の出願時点で現在実用化されているものを採用した場合、変調数Ｎとして４０９６を達成するためには、転送速度を１０Ｇｂｉｔ／ｓから下げる必要がある。
　更に言えば、より高い安全性を担保すべく、変調数Ｎとして１００００程度が要求されている。上述の図４及び図５の基本的な暗号化部１３では、到底このような要望に応えることはできない。

　そこで、このような要望に応えるべく、本発明者らは、次のような新たな手法を想到した。
　即ち、ｋ段階（ｋは２以上の整数値）の光の変調（位相変調と振幅変調の少なくとも一方）を行うという手法、具体的には例えば、変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２×・・・Ｍｋに分解し、変調数Ｍ１の第１種の光の変調を１回行い、その後、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の第２種の光の変調を行うという手法を、本発明者らは考案した。なお、以下、第１種の変調を「粗変調」と呼び、第２種の変調を「微変調」と呼ぶ。
　そこで、以下、上述の図４又は図５の基本的な暗号化部１３に対して、この新たな手法を適用したものについて、図６以降の図面を参照して幾つかの具体例を説明していく。

　図６は、上述の図４の基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第１の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　本発明の理解を容易なものとすべく、図６の例では、ｋ＝２段階の位相変調が行われるものとされている。即ち、図６の例では、変調数Ｍ１の粗変調と、変調数Ｍ２の微変調とが行われて、総合的に変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２の変調が行われるものとされている。

　図６の例の暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　図６の例の暗号発生部３１は、図４の例の暗号発生部３１と基本的に同様の機能を有している。
　ただし、図６の例の暗号発生部３１は、出力の仕方が、図４の例の暗号発生部３１と比較して次のように異なる。
　即ち、図４の例の暗号発生部３１からは、変調数Ｎに対応して、Ｎ個の多値のデータが信号路Ｌ１に出力された。
　これに対して、図６の例の暗号発生部３１からは、粗変調用の変調数Ｍ１に対応して、Ｍ１個の多値のデータ（以下、「粗用多値のデータ」と呼ぶ）が信号路Ｌ３１に出力されると共に、微変調用の変調数Ｍ２に対応して、Ｍ２個の多値のデータ（以下、「微用多値のデータ」と呼ぶ）が信号路Ｌ３３に出力される。

　図６の例の多値変調部３２は、粗ＤＡＣ６１Ａと、微ＤＡＣ６１Ｂと、粗位相変調素子６２Ａと、微位相変調素子６２Ｂとを備えている。

　粗ＤＡＣ６１Ａは、暗号発生部３１から供給される各ビットデータの夫々に対応する粗用多値のデータを、信号路Ｌ３１を介して取得する。粗ＤＡＣ６１Ａは、粗用多値のデータ（デジタル信号）を、多値の電圧（アナログ信号）に変換して、信号路Ｌ３２を介して粗位相変調素子６２Ａに印加する。なお、以下、粗ＤＡＣ６１Ａから出力される電圧を、「粗用多値の電圧」と呼ぶ。

　粗位相変調素子６２Ａは、搬送波発生部１４において発生された光信号（搬送波）を信号路Ｌ３を介して入力する。粗位相変調素子６２Ａは、当該光信号の位相を、粗ＤＡＣ６１Ａから信号路Ｌ３２を介してビットデータ毎に印加される粗用多値の電圧に応じて回転させ（位相変調し）、微位相変調素子６２Ｂに供給する。即ち、変調数Ｍ１の粗変調が行われた光信号が、微位相変調素子６２Ｂに供給される。

　微ＤＡＣ６１Ｂは、暗号発生部３１から供給される各ビットデータの夫々に対応する微用多値のデータを、信号路Ｌ３３を介して取得する。微ＤＡＣ６１Ｂは、微用多値のデータ（デジタル信号）を、多値の電圧（アナログ信号）に変換して、信号路Ｌ３４を介して微位相変調素子６２Ｂに印加する。なお、以下、微ＤＡＣ６１Ｂから出力される電圧を、「微用多値の電圧」と呼ぶ。

　微位相変調素子６２Ｂは、粗位相変調素子６２Ａから出力された光信号、即ち、変調数Ｍ１の粗変調が行われた光信号を入力する。微位相変調素子６２Ｂは、当該光信号の位相を、微ＤＡＣ６１Ｂから信号路Ｌ３４を介してビットデータ毎に印加される微用多値の電圧に応じて回転させ（位相変調し）、信号路Ｌ４を介して暗号信号送信部１５に供給する。
　即ち、変調数Ｍ１の粗変調が既に行われた光信号が、更に微位相変調素子６２Ｂにより変調数Ｍ２の微変調が行われ、結果として、変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２の変調が行われた光信号として、信号路Ｌ４を介して暗号信号送信部１５に供給される。

　図７は、図６の例の暗号化部１３に対して採用された粗位相変調と微位相変調との夫々の原理の概要を示す図である。
　なお、上述の図６の例では、変調数Ｎ＝４０９６となるように、粗変調数Ｍ１と微変調数Ｍ２とが決定される。これに対して、図７においては説明の便宜上、変調数Ｎ＝１６として、粗変調数Ｍ１＝４、変調数Ｍ２＝４が夫々行われるものとする。

　図７に示すＡ変調は、粗変調数Ｍ１＝４の粗位相変調の原理を説明する図である。
　搬送波発生部１４において発生された搬送波（光信号）は変調されておらず、基準となる位相角は例えばゼロであるものとする。
　粗位相変調素子６２Ａは、光信号の位相を、ゼロから、粗変調数Ｍ１＝４個のシンボル点（図７に示すＡ変調の実線の白丸）のうち何れか１つに対応する位相に回転させる。なお、粗変調数Ｍ１＝４個のシンボル点（図７に示すＡ変調の実線の白丸）のうち何れの点に回転されるのかについては、印加された電圧に基づくものである。
　図７に示すＡ変調の粗位相変調では、位相角０（図７に示すＡ変調では横軸）を基準とすると、Ｍ１＝４値の位相変調では、（－３π／４乃至３π／４）の範囲ＶＰ１で位相が回転される。

　図７に示すＢ変調は、微変調数Ｍ２＝４の微位相変調の原理を説明する図である。
　図７に示すＢ変調の微位相変調では、変調対象の光信号は、粗位相変調としてＭ１＝４値の位相変調が既になされている。このため、基準となる位相角は、図７に示すＡ変調に示す各シンボル点の配置位置に夫々対応する４つの位相、即ち、―３π／４、－π／４、π／４、及び３π／４のうちの何れかとなる。この基準となる位相角に対応するシンボルは、図７に示すＢ変調においては、実線の白丸として描画されている。
　微位相変調素子６２Ｂは、光信号の位相を、基準となる位相角から、微変調数Ｍ２＝４個のシンボル点（図７に示すＢ変調の点線の白丸）のうちの何れかに１つに対応する位相に回転させる。
　図７に示すＢ変調の微位相変調では、基準となる位相角は４つ（図７に示すＢ変調に示す実線の白丸）あるため、Ｍ２＝４値の微位相変調では、２つの基準となる位相角の間の範囲ＶＰ２、即ち、図７に示すＡ変調の粗位相変調の１／４の範囲ＶＰ２で位相が回転される。
　即ち、粗位相変調素子６２Ａと微位相変調素子６２Ｂとが同一特性と仮定すると、微ＤＡＣ６１Ｂの電圧の出力は、粗ＤＡＣ６１Ａの電圧の出力の１／４に設定する必要がある。
　このような粗位相変調の後に微位相変調が行われることで、結果として、Ｎ＝１６（＝Ｍ１×Ｍ２）の位相変調が可能となる。

　ここで、粗位相変調素子６２Ａと微位相変調素子６２Ｂとの特性（効率）が異なる場合にはその分を考慮する必要がある。
　例えば、微ＤＡＣ６１Ｂの出力電圧が粗ＤＡＣ６１Ａと同一であるとして、微位相変調素子６２Ｂの効率を、粗位相変調素子６２Ａの（１／４）にする（例えば素子長を１／４にする）ことでも、上述の図７に示すＡ変調で示す粗位相変調と図７に示すＢ変調で示す微位相変調とが可能になる。

　換言すると、上述の図７に示すＡ変調で示す粗位相変調と図７に示すＢ変調で示す微位相変調とにより変調数Ｎ＝１６の位相変調を実現するために重要な点は、次の通りである。
　即ち、微位相変調素子６２Ｂの範囲ＶＰ２で特定される位相回転量（ピーク・ピーク）を、粗位相変調素子６２Ａの範囲ＶＰ１で特定される位相回転量（ピーク・ピーク）の（１／４）にする点が重要である。

　ここで、位相回転量（ピーク・ピーク）とは、次のように定義される。
　即ち、位相調整素子で回転させる位相のうち、最大の位相と最小の位相との差の絶対値が、位相回転量（ピーク・ピーク）である。
　例えば、上述の図７に示すＡ変調で示す粗位相変調における位相回転量（ピーク・ピーク）は、範囲ＶＰ１で示されるように（３π／２）となる。
　なお、この定義による位相回転量（ピーク・ピーク）に代わるものとして、最大の位相と最小の位相で特定する手法を採用してもよいが、この場合シンボル点の配置によって値が変化してしまう。従って、上述の定義による位相回転量（ピーク・ピーク）を採用した方が好適である。

　以上まとめると、図６に示す暗号化部１３を採用することで、次のような位相変調が可能になる。
　即ち、粗変調数Ｍ１×微変調数Ｍ２＝変調数Ｎの位相変調が可能になる。
　この場合、粗位相変調素子６２Ａの位相回転量（ピーク・ピーク）Ｉａは、次の式（１）で表される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
　また、微位相変調素子６２Ｂの位相回転量（ピーク・ピーク）Ｉｂは、粗位相変調素子６２Ａの位相回転量（ピーク・ピーク）Ｉａとの比として、即ち、Ｉｂ／Ｉａとして、次の式（２）で表されるように設定される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
　ここで、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性を高めるためには、粗変調数Ｍ１と微変調数Ｍ２とをできるだけ大きく取ると好適である。例えば、粗変調数Ｍ１＝６４、微変調数Ｍ２＝１０２４とするとよい。

　更に言えば、微変調素子の個数は、図７に示す１個である必要は特になく、図８に示すように複数個でもよい。
　図８は、図４の基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第２の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図７の例では、ｋ＝２段階の位相変調が行われるものとされていたのに対して、図８の例では、ｋは３以上として、ｋ段階の位相変調が行われるものとされている。即ち、図８の例では、変調数Ｍ１の粗変調と、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の微変調とが行われて、総合的に変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２×・・×Ｍｋが行われるものとされている。

　図８の例の暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　図８の例の暗号発生部３１は、図６の例の暗号発生部３１と基本的に同様の機能を有している。
　ただし、図８の例の暗号発生部３１は、出力の仕方が、図６の例の暗号発生部３１と比較して次のように異なる。
　即ち、図７の例の暗号発生部３１からは、粗用多値のデータが出力されると共に、１種類の微用多値のデータが出力された。これに対して、図８の例の暗号発生部３１からは、粗用多値のデータが出力されると共に、（ｋ－１）種類の微用多値のデータの夫々が出力される。

　即ち、図８の例の多値変調部３２は、図７の例の多値変調部３２と比較して、粗変調用の構成（粗ＤＡＣ６１Ａと粗位相変調素子６２Ａの組の構成）は同様であるが、微変調用の構成が次のように異なる。即ち、微ＤＡＣ６１Ｂ－Ｌ（Ｌは、１乃至（ｋ－１）のうちの何れかの整数値）と微位相変調素子６２Ｂ―Ｌの組が、図６の例の１種類に対して、図８では（ｋ－１）種類存在する点が異なる。
　これにより、図８の例の多値変調部３２からは、変調数Ｍ１の粗変調が行われた後、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の微変調が行われた光信号が出力されて、暗号信号送信部１５に供給される。
　つまり、図８の例ではｋ＝３段階以上として、変調数Ｍ１の粗変調と、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の微変調とが行われて、総合的な変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２×・・×Ｍｋの変調が行われる。

　図８の例のｋ＝３段階以上の場合でも、ｋ＝２段階と同様に、粗位相変調素子６２Ａの位相回転量（ピーク・ピーク）Ｉａは、上述の式（１）で表される。
　一方、ｎ番目（ここでのｎは、２乃至ｋのうち何れかの値）の微位相変調素子６２Ｂ－ｎの位相回転量（ピーク・ピーク）Ｉｎは、粗位相変調素子６２Ａの位相回転量（ピーク・ピーク）との比として、即ち、Ｉｎ／Ｉａとして、次の式（３）で表されるように設定される。ただし、Πは、総乗の記号である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）

　図９は、図５の基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第３の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図９の例の暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　送信データ提供部１１から提供される送信データは、暗号発生部３１を介さず多値変調部３２へと直接供給される。
　図９の例の暗号発生部３１は、暗号鍵提供部１２により提供される暗号鍵を用いて、粗変調用及び微変調用の夫々の多値を生成し、後述の粗ＤＡＣ７２Ａと微ＤＡＣ７２Ｂの夫々に提供する。

　図９の例の多値変調部３２は、ＤＡＣ７０と、位相変調素子７１を含むマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ２と、粗ＤＡＣ７２Ａと、粗位相変調素子７３Ａと、微ＤＡＣ７２Ｂと、微位相変調素子７３Ｂとを備えている。

　即ち、ＤＡＣ７０とマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ２とは、図５の例のＤＡＣ５１とマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１と同様の構成である。ただし、図５の例では、ＤＡＣ５１とマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ１との後段には、ＤＡＣ５３と位相変調素子５４との組が配置されているのに対して、図９の例では、粗ＤＡＣ７２Ａと粗位相変調素子７３Ａの組、及び、微ＤＡＣ７２Ｂと微位相変調素子７３Ｂの組とがその順番に配置されている。
　図９の例における、粗ＤＡＣ７２Ａと粗位相変調素子７３Ａの組と、微ＤＡＣ７２Ｂと微位相変調素子７３Ｂの組の夫々は、図６の例における、粗ＤＡＣ６１Ａと粗位相変調素子６２Ａの組と、微ＤＡＣ６１Ｂと微位相変調素子６２Ｂの組の夫々と同様のものである。

　つまり、各ビットデータに対応するマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ２におけるデータ変調の変調数Ｎ１（＝２）と、暗号化に係る粗変調の変調数Ｍ１と、微変調の変調数をＭ２との夫々の積、即ち、２×Ｍ１×Ｍ２が、総合的な位相変調数Ｎとなる。つまり、図９の例におけるＭ１×Ｍ２として、図６の例におけるＭ１×Ｍ２の（１／２）を設定すれば良い。

　図１０は、図６に示した本発明が適用される暗号化部の第１の例の粗変調に係る構成に、ＩＱ変調器を用いた構成を適用した暗号化部、即ち本発明が適用される暗号化部の第４の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図１０の例の暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　図１０の例の暗号発生部３１は、図６の例の暗号発生部３１と基本的に同様の機能と構成を有している。
　一方、図１０の例の多値変調部３２は、図６の例の多値変調部３２と比較して、粗変調数Ｍ１の粗変調に係る構成が異なっている。即ち、図６の例の多値変調部３２では、粗ＤＡＣ６１Ａと粗位相変調素子６２Ａとが設けられていた。これに対して、図１０の例の多値変調部３２では、２つの粗ＤＡＣ８０Ａａ，８０Ａｂと、２つの粗位相変調素子８１Ａａ，８１Ａｂを含むＩＱ変調器ＩＱ１が設けられている。

　ここで、ＩＱ変調器ＩＱ１とは、次のような変調器である。即ち、２つのマッハ・ツェンダ干渉計を更に干渉計構成とした変調器であって、入力した光信号を４つの信号路に分岐し、夫々の信号路を通過した光信号を干渉させ出力する。このとき、分岐した信号路のうち、少なくとも２つ以上の信号路において位相変調素子（図１０の例では２つの粗位相変調素子８１Ａａ，８１Ａｂ）を介することで、ＩＱ平面の任意の点（つまり、任意の振幅と位相）の光を発生させることが可能になる。

　粗ＤＡＣ８０Ａａ，８０Ａｂの夫々から出力される多値の電圧は、２（＝Ｎ１）＋Ｍ１個の電圧となる。ここで、２（＝Ｎ１）とは、ＩＱ変調器ＩＱ１におけるデータ変調のための変調数である。Ｍ１は、粗位相変調素子８１Ａａ，８１Ａｂの夫々における粗変調数である。

　なお、図１０の例の微ＤＡＣ８０Ｂと微位相変調素子８１Ｂの組は、図６の例の微ＤＡＣ６１Ｂと微位相変調素子６２Ｂの組と基本的に同様の機能と構成を有している。即ち、微変調に係る構成は、図１０の例と図６の例は同一である。
　換言すると、粗変調に係る構成としてＩＱ変調器ＩＱ１を採用した場合における、微変調に係る図１０の例の構成は例示に過ぎず、図示はしないが例えば図８の例の構成、つまり、ｋ＝３以上として（ｋ－１）回の微変調が行われる構成と同様の構成を採用することもできる。

　ここまで、本発明の実施形態として、光信号に対する多値の位相変調を行った例を挙げた。しかしながら、これらは例示に過ぎず、本発明は、多数個のパターンのうち何れかに信号を変調する処理に対して広く適用可能である。
　換言すると、上述の例では、このような処理の例示として、多値の位相（多数個のパターンの一例）のうち、何れかの位相に回転させるという方式が採用されていた。
　更に、図１１に示すような光信号の多値の振幅（強度）変調、即ち、多値の強度（多数個のパターンの別の例）のうち何れかの強度に変調するという方式を採用してもよい。

　図１１は、位相変調ではなく振幅変調を適用した場合における、Ｙ－００光通信量子暗号の原理の概要を説明する図である。
　図１１に示すＡ変調乃至Ｃ変調には、縦軸と横軸の交点を原点とした、光信号の位相と振幅（強度）を表すＩＱ平面が描画されている。

　図１１に示すＡ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号の理解を容易なものとすべく、通常の２値変調の原理を説明する図である。
　例えば、平文（送信データ）がそのまま光信号（搬送波）に重畳されて送信される場合、平文を構成する各ビットデータ（１又は０）の夫々に対して、図１１に示すＡ変調に示す２値変調が採用される。
　具体的には例えば、図１１に示すＡ変調において、ビットデータが「０」の場合の振幅変調後のシンボル点の配置は、縦軸上の原点０とした点の配置、即ち強度（振幅）が最小（距離０）の配置となる。一方、ビットデータが「１」の場合のシンボル点の配置は、縦軸上の１とした点の配置、即ち強度が最大（距離１）の配置となる。

　図１１に示すＢ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号を採用した場合における、４値の振幅変調の原理を説明する図である。
　図１１に示すＢ変調の例の場合、平文を構成する各ビットデータ（１又は０）の夫々に対して、暗号鍵を用いて４値のうちランダムな値が生成される。そして、図１１に示すＡ変調に示す通常の２値変調のシンボル点（０に対応する強度最小の点、又は１に対応する強度最大の点）の距離が、これら４値の中からランダムに生成された値に従ってビット毎に、距離が０，１／３，２／３，１（４値）のうちの何れかに伸縮されることで、振幅変調が行われる。

　ただし、図１１に示すＢ変調の例の場合、上述の図２に示すＢ変調の例と同様に、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性という観点では十分ではない。
　そこで、実際には、図１１に示すＣ変調に示すように、変調数Ｎとして極めて多値、例えば４０９６が採用され、Ｙ－００光通信量子暗号の安全性が高められている。
　即ち、図１１に示すＣ変調は、Ｙ－００光通信量子暗号を採用した場合における、変調数Ｎ＝４０９６の振幅変調の原理を説明する図である。

　図１２は、基本的な暗号化部１３として、位相変調ではなく振幅変調を適用した場合の詳細な構成例を示すブロック図である。

　振幅変調は、例えば位相変調素子を干渉計の構成（代表例はマッハ・ツェンダ干渉計）にすることで実現できる。図１２の例では、マッハ・ツェンダ変調器を用いた構成例が採用されている。

　図１２の例の暗号化部１３は、暗号発生部３１と、多値変調部３２とを備える。
　図１２の例の暗号発生部３１は、図６の例の暗号発生部３１と基本的に同様の機能を有している。
　図１２の例の多値変調部３２は、ＤＡＣ９０と、位相変調素子９１を有するマッハ・ツェンダ変調器ＭＺ３とを備えている。
　上述の新たな手法、即ち、変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２×・・・Ｍｋとして、変調数Ｍ１の粗変調を１回行い、その後、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の微変調を行うという手法を、図１２の例に適用することで、図１３以降に示す暗号化部１３が具現化される。即ち、図１３以降に示す暗号化部１３は、本発明が適用される暗号化部１３の上述の例とは異なる各種例である。

　図１３は、図１２の振幅変調を適用した基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち発明が適用される暗号化部の第５の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図１３の例では、図１２の例のＤＡＣ９０と位相変調素子９１の代わりに、粗ＤＡＣ１００Ａ及び微ＤＡＣ１００Ｂ、並びに粗位相変調素子１０１Ａ及び微位相変調素子１０１Ｂを採用したものである。
　ここで、粗位相変調素子１０１Ａ及び微位相変調素子１０１Ｂは、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ３における２つの経路のうち１つにおいて、直列的に接続される。

　ここで、振幅変調における、変調振幅（ピーク・ピーク）は、以下のように定義することができる。
　即ち、振幅変調に係る光学系（例えば、マッハ・ツェンダ干渉計構成とそれに組み込まれた位相変調素子）において変調された振幅のうち、最大の振幅と最小の振幅の差の絶対値が、変調振幅（ピーク・ピーク）である。ただし、振幅の２乗に相当する強度を観測する自乗検波方式の受信を採用した場合は、最大の強度と最小の強度の差の絶対値が、変調振幅（ピーク・ピーク）となる。

　以下、図１３の例の粗変調及び微変調における変調の量を、変調振幅（ピーク・ピーク）を用いて説明する。
　粗変調数Ｍ１の粗変調に係る変調振幅（ピーク・ピーク）Ｉａは、搬送波の出力に応じた量となるため制限はない。
　微変調数Ｍ２の微変調に係る変調振幅（ピーク・ピーク）Ｉｂは、粗変調に係る変調振幅（ピーク・ピーク）Ｉａとの比として、即ちＩｂ／Ｉａとして、次の式（４）で表されるようにするのが好適である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）

　更に、振幅変調に、上述の新たな手法、即ち、変調数Ｎ＝Ｍ１×Ｍ２×・・・Ｍｋとして、変調数Ｍ１の粗変調を１回行い、その後、変調数Ｍ２乃至Ｍｋの夫々の（ｋ－１）回の微変調を行うという場合、ｎ番目（ｎは２乃至ｋのうち何れかの値）の前記第２変調素子の第ｎ範囲を表す変調振幅（ピーク・ピーク）Ｉｎは、変調数Ｍ１の粗変調に係る変調振幅（ピーク・ピーク）Ｉａとの比、即ちＩｎ／Ｉａとして、次の式（５）で表されるようにするのが好適である。ただし、Πは、総乗の記号である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）

　図１４は、図１２の振幅変調を適用した基本的な暗号化部に対して新たな手法を適用した暗号化部、即ち発明が適用される暗号化部の第６の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図１４の例では、図１２の例のＤＡＣ９０と位相変調素子９１の代わりに、粗ＤＡＣ１００Ａ及び微ＤＡＣ１００Ｂｐ、並びに粗位相変調素子１０１Ａ及び微位相変調素子１０１Ｂｐを採用したものである。
　主な構成要素は、図１４の例と図１３の例とは同様であるが、以下の点が異なる。
　即ち、粗位相変調素子１０１Ａ及び微位相変調素子１０１Ｂは、図１３の例では、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ３における２つの経路のうち１つにおいて、直列的に接続されていたのに対して、図１４の例では、マッハ・ツェンダ変調器ＭＺ３における２つの経路の夫々に配置されることで、並列的に接続される。図１４の例では、図１３の例における微位相変調素子１０１Ｂの配置を変更したもの、即ち、粗位相変調素子１０１Ａに対し並列的に接続された微位相変調素子を、微位相変調素子１０１Ｂｐとして示した。
　マッハ・ツェンダ変調器を用いた振幅変調において、直列的に配置された位相変調素子を、並列的に配置する場合、並列的に配置した位相変調素子の片方の極性を反転（プラスマイナスの電圧が反転される）させることで、直列的な配置と同様の効果を得ることができる。このため、図１４の例では、図１３の例とは異なり、微ＤＡＣ１００Ｂｐにおける駆動信号の極性は、図１３の例における微ＤＡＣ１００Ｂの駆動信号の極性に対して反転されることになる。

　以上、本発明の実施形態として、光信号に対する変調として、多値の位相変調又は多値の振幅（強度）変調を行った例を挙げた。
　換言すると、上述の例では、多値の位相と多値の振幅（強度）のうち何れか一方のみが用いられて予め用意された多数個のパターンのうち、何れかのパターンに変調（何れかの値の位相に回転、若しくは振幅を変化）するという方式が採用されていた。
　しかしながら、多数個のパターンは、多値の位相又は多値の振幅の何れかだけで用意する必要は特にない。位相の１以上の値と振幅の１以上の値とを組み合わせることで、多数個のパターンを用意してもよい。
　つまり、本発明は、光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調に対しても採用することができる。

　図１５は、光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調に対して採用した場合における、本発明が適用される暗号化部の第７の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図１５に示すように、位相変調及び振幅変調の両変調は、ＩＱ変調器ＩＱ２を用いた構成にすることで実現できる。
　つまり、図１５の例の多値変調部３２は、粗ＤＡＣ１２０Ａａ、粗ＤＡＣ１２０Ａｂ、微ＤＡＣ１２０Ｂａ、及び微ＤＡＣ１２０Ｂｂを含むように構成される。そして、図１５の例の多値変調部３２は、粗位相変調素子１２１Ａａ、粗位相変調素子１２１Ａｂ、微位相変調素子１２１Ｂａ、及び微位相変調素子１２１Ｂｂを有するＩＱ変調器ＩＱ２を含むように構成される。

　ＩＱ変調器ＩＱ２は、第１のマッハ・ツェンダ変調器と、第２のマッハ・ツェンダ変調器とが並列的に接続されて構成される。
　粗位相変調素子１２１Ａａ及び微位相変調素子１２１Ｂａは、第１のマッハ・ツェンダ変調器における２つの経路のうち１つにおいて、直列的に接続される。
　粗位相変調素子１２１Ａｂ及び微位相変調素子１２１Ｂｂは、第２のマッハ・ツェンダ変調器における２つの経路のうち１つにおいて、直列的に接続される。

　図１６は、図１５の例の変形例、即ち、光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調に対して採用した場合における、本発明が適用される暗号化部の第８の例の詳細な構成例を示すブロック図である。

　図１６の例の多値変調部３２は、図１５の例と基本的に同様の構成要素を持ち、粗ＤＡＣ１２０Ａａ、粗ＤＡＣ１２０Ａｂ、微ＤＡＣ１２０Ｂａｐ、及び微ＤＡＣ１２０Ｂｂｐを含むように構成される。そして、図１６の例の多値変調部３２は、図１５の例と基本的に同様の構成要素を持ち、粗位相変調素子１２１Ａａ、粗位相変調素子１２１Ａｂ、微位相変調素子１２１Ｂａｐ、及び微位相変調素子１２１Ｂｂｐを有するＩＱ変調器ＩＱ２を含むように構成される。

　ただし、図１６の例では、粗位相変調素子１２１Ａａ及び微位相変調素子１２１Ｂａｐの夫々は、第１のマッハ・ツェンダ変調器における２つの経路の夫々に配置されることで、並列的に接続される。
　また、粗位相変調素子１２１Ａｂ及び微位相変調素子１２１Ｂｂｐの夫々は、第２のマッハ・ツェンダ変調器における２つの経路の夫々に配置されることで、並列的に接続される。
　図１６の例では、図１５における微位相変調素子１２１Ｂａの配置を変更したもの、即ち、粗位相変調素子１２１Ａａに対し並列的に接続された微位相変調素子を、微位相変調素子１２１Ｂａｐとして示した。同様に、図１５における微位相変調素子１２１Ｂｂの配置を変更したもの、即ち、粗位相変調素子１２１Ａｂに対し並列的に接続された微位相変調素子を、微位相変調素子１２１Ｂｂｐとして示した。

　つまり、光信号に対する変調として、位相変調と振幅（強度）変調とを組み合わせた多値の変調を採用し、ＩＱ変調器を用いる場合、粗位相変調素子の夫々と微位相変調素子の夫々とは、２つ以上の経路の何れかに配置される。このとき、粗ＤＡＣと微ＤＡＣの夫々は、必要に応じ極性の反転等を行う。

　以上、本発明が適用される光信号装置１の各種各様な実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明が適用される光信号装置１は、粗変調と微変調とを行うことで、総合的な変調数Ｎの向上が達成できるものであれば足り、その構成は上述の各種実施形態に限定されず、例えば次のようなものであってもよい。

　例えば上述の実施形態では、説明の便宜上、光送信装置１から送信されて光受信装置２で受信される光信号の伝送路は、光通信ケーブル３が採用されたが、特にこれに限定されない。
　例えば、光通信ケーブル３と光送信装置１又は光受信装置２の間に、光増幅器や光スイッチ、波長スイッチ等の光通信に係る機器が挿入されてもよい。また、光の伝送路は、光ファイバを用いたものには限らず、所謂光無線等の空間を伝搬するような通信経路を含む。即ち、光通信ケーブル３と光送信装置１又は光受信装置２の間にいかなる通信チャネルを用いてもよい。

　送信データ提供部１１は、光送信装置１に内蔵されているが、図示せぬ送信データ受信部を備え、有線又は無線等の所定の受信手段により、光送信装置の外部から受信してもよい。更には、図示せぬ記憶装置やリムーバブルなメディアを用いて送信データを提供するものであってもよい。即ち、送信データ提供部はどのような送信データ取得手段を有していてもよい。

　暗号鍵提供部１２は、暗号化部１３が暗号に係る多値のデータを生成するに足る鍵を提供すればよい。即ち、暗号鍵は、共有鍵であってもよく、秘密鍵と公開鍵等他のアルゴリズムを用いる鍵であってもよい。

　搬送波発生部１４は光送信装置１に内蔵する必要はない。即ち、光送信装置１は、光信号暗号化装置として、搬送波を入力し暗号信号を送信するものとしてよい。
　更に言えば、光信号暗号化装置は、送信データを既に搬送波に載せた光信号を入力し、暗号化に係る多値の変調を行うものであってもよい。

　暗号信号送信部１５は、必要に応じて暗号信号の強度を増幅する等の処理を行うが、光信号装置１に内蔵せず、暗号データを増幅せずに出力し、図示せぬ外部の光信号増幅装置を用いてもよい。

　回路図内の信号の夫々は、必要に応じて信号増幅器等の信号強度変換器により増幅・減衰されるものあってもよい。例えば、荒ＤＡＣ及び微ＤＡＣ等のＤＡＣから出力される電気信号は、位相変調素子の仕様に応じた信号強度に増幅するものであってもよい。

　例えば上述の実施形態では、説明の便宜上、粗位相変調を行った光信号に対し、微位相変調を行ったが、特にこれに限定されない。即ち、粗変調と微変調とはどのような順番で行われてもよい。更に言えば、粗変調と微変調とは、任意の数の経路に分岐する干渉計構成の、任意の経路で行われてもよく、変調された信号は、任意の箇所で任意の回数の干渉を行うものであってよい。

　また、本発明のこれまでの実施例では信号処理に係る信号を、光信号としたがこれに限定されるものではない。即ち、光信号に限らず電気信号等に対して各種変調を行ってデータを送信できる信号であればよい。

　以上まとめると、本発明が適用される信号処理装置は、次のようなものであれば足り、各種各様な実施形態をとることができる。
　即ち、本発明が適用される信号処理装置は、
　第１範囲（例えば図７の範囲ＶＰ１）におけるＭ１個（Ｍ１は任意の整数値）のパターン（例えば各シンボルの配置位置というパターン）のうち何れかに信号を変調する第１変調素子（例えば図８の粗位相変調素子６２Ａ）と、
　第２範囲（例えば図７の範囲ＶＰ２）乃至第ｋ範囲（ｋは１以上の整数値）の夫々における、Ｍ２乃至Ｍｋ個（Ｍ２乃至ＭｋはＭ１を含め相互に独立した任意の整数値）の夫々のパターンのうち何れかに信号を夫々変調する（ｋ－１）個の第２変調素子（例えば図８の微位相変調素子６２Ｂ－１乃至６２Ｂ－（ｋ－１））と、
　前記第１変調素子の第１範囲、及び前記（ｋ－１）個の第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を制御する制御部（例えば図８の粗ＤＡＣ６１Ａ、ＤＡＣ６１Ｂ－１乃至６１Ｂ－（ｋ－１））と、
　を備え、
　前記制御部は、（ｋ－１）個の前記第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を、前記第１変調素子の前記第１範囲と比較して狭くなるように制御する、
　信号処理装置である。
　このような信号処理装置を採用することで、変調分解能を向上することができる。

　１・・・光送信装置、２・・・光受信装置、３・・・光通信ケーブル、１１・・・送信データ提供部、１２・・・暗号鍵提供部、１３・・・暗号化部、１４・・・搬送波発生部、１５・・・暗号信号送信部、２１・・・暗号信号受信部、２２・・・暗号鍵提供部、２３・・・復号部、３１・・・暗号発生部、３２・・・多値変調部、４１・・・ＤＡＣ、４２・・・位相変調素子、Ｌ１・・・信号路、Ｌ２・・・信号路、Ｌ３・・・信号路、Ｌ４・・・信号路、ＭＺ１・・・マッハ・ツェンダ変調器、５１・・・ＤＡＣ、５２・・・位相変調素子、５３・・・ＤＡＣ、５４・・・位相変調素子、Ｌ１１・・・信号路、Ｌ１２・・・信号路、Ｌ２１・・・信号路、Ｌ２２・・・信号路、Ｌ２３・・・信号路、６１Ａ・・・粗ＤＡＣ、６１Ｂ・・・微ＤＡＣ、６２Ａ・・・粗位相変調素子、６２Ｂ・・・微位相変調素子、Ｌ３１・・・信号路、Ｌ３２・・・信号路、Ｌ３３・・・信号路、Ｌ３４・・・信号路、６１Ａ・・・粗ＤＡＣ、６１Ｂ－１・・・微ＤＡＣ、６１Ｂ－ｋ－１・・・微ＤＡＣ、６２Ａ・・・粗位相変調素子、６２Ｂ－１・・・微位相変調素子、６２Ｂ－ｋ－１・・・微位相変調素子、ＭＺ２・・・マッハ・ツェンダ変調器、７０・・・ＤＡＣ、７１・・・位相変調素子、７２Ａ・・・粗位相変調素子、７２Ｂ・・・微位相変調素子、ＩＱ１・・・ＩＱ変調器、８０Ａａ，８０Ａｂ・・・粗ＤＡＣ、８０Ｂ・・・微ＤＡＣ、８１Ａａ，８１Ａｂ・・・粗位相変調素子、８１Ｂ・・・微位相変調素子、ＭＺ３・・・マッハ・ツェンダ変調器、９０・・・ＤＡＣ、９１・・・位相変調素子、１００Ａ・・・粗ＤＡＣ、１００Ｂ・・・微ＤＡＣ、１０１Ａ・・・粗位相変調素子、１０１Ｂ・・・微位相変調素子、１０１Ｂｐ・・・微位相変調素子、ＩＱ２・・・ＩＱ変調器、１２０Ａａ，１２０Ａｂ・・・粗ＤＡＣ、１２０Ｂａ，１２０Ｂｂ・・・微ＤＡＣ、１２１Ａａ，１２１Ｂａ・・・微位相変調素子、１２１Ａｂ，１２１Ｂｂ・・・微位相変調素子、１２１Ｂａｐ・・・微位相変調素子、１２１Ｂｂｐ・・・微位相変調素子

Claims

　第１範囲におけるＭ１個（Ｍ１は任意の整数値）のパターンのうち何れかに信号を変調する第１変調素子と、
　第２範囲乃至第ｋ範囲（ｋは２以上の整数値）の夫々における、Ｍ２乃至Ｍｋ個（Ｍ２乃至ＭｋはＭ１を含め相互に独立した任意の整数値）の夫々のパターンのうち何れかに信号を夫々変調する（ｋ－１）個の第２変調素子と、
　前記第１変調素子の第１範囲、及び前記（ｋ－１）個の第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、（ｋ－１）個の前記第２変調素子の夫々の前記第２範囲乃至前記第ｋ範囲を、前記第１変調素子の前記第１範囲と比較して狭くなるように制御する、
　信号処理装置。
　前記第１変調素子及び前記第２変調素子は、信号の位相を回転させる素子であり、
　前記第１変調素子の前記第１範囲を表す位相回転量（ピーク・ピーク）は、

　で表され、
　ｎ番目（ｎは２乃至ｋのうち何れかの値）の前記第２変調素子の第ｎ範囲を表す位相回転量（ピーク・ピーク）は、前記第１変調素子の前記位相回転量（ピーク・ピーク）に対して、その比が

　である、
　請求項１に記載の信号処理装置。
　前記第１変調素子及び前記第２変調素子は、信号の位相を回転させる素子であり、振幅変調を行う干渉計構成をなし、
　ｎ番目（ｎは２乃至ｋのうち何れかの値）の前記第２変調素子の第ｎ範囲を表す変調振幅（ピーク・ピーク）は、前記第１変調素子の第１範囲を表す変調振幅（ピーク・ピーク）に対して、その比が

　である、
　請求項１に記載の信号処理装置。
　前記制御部は、前記信号を暗号信号とするための制御を行う、
　請求項１乃至３のいずれかに記載の信号処理装置。