WO2020189348A1 - ネスト型光変調器を用いた光変調方法および装置 - Google Patents

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WO2020189348A1
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phase
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健一郎 吉野
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日本電気株式会社
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
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    • H04B10/5561—Digital phase modulation

Definitions

  • the present invention relates to an optical pulse modulation technique in an optical communication system, and particularly to a phase-time coding type optical pulse modulation technique.
  • phase-time coding (or YZ state) method is described in Patent Document 1.
  • a phase-time coding scheme can be applied to coherent dual light pulses.
  • the relative phase of the double light pulse is binary-modulated, and one of the double light pulses is intensity-modulated to 0, so that the double light pulse in four states is obtained. Will be generated.
  • the pre-pulse whose intensity is halved is p1
  • the post-pulse is p2
  • the following four states are generated.
  • the modulator according to Patent Document 1 employs a two-electrode intensity modulator in which a pair of phase modulators are connected in parallel. By applying ⁇ , ⁇ + 90 ° ⁇ and ⁇ -90 °, ⁇ phase modulation to this pair of phase modulators, the above four states of phase-time coding can be generated.
  • Patent Document 2 describes a nested light modulator.
  • the nested light modulator can vector-synthesize not only QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) but also arbitrary signal points by setting multiple values of signal amplitude and phase. Are listed.
  • QPSK Quadrature Phase Shift Keying
  • Patent Document 2 is limited to the general description that an arbitrary voltage is applied to a high-frequency electrode and a DC bias electrode to enable vector synthesis of an arbitrary signal point, and a phase-time is provided by a nested modulator. It does not disclose a specific method for generating the four-state optical signal required for the coding method.
  • An object of the present invention is to provide an optical modulation method and apparatus capable of stably generating an optical signal including four states required for a phase-time coding method and a state of intensity 0 by a nested modulator. It is in.
  • the Machzenda (MZ) type first modulation section and the second modulation section are connected in parallel, and a predetermined position is provided between the output light of the first modulation section and the second modulation section.
  • a nested modulator having a phase shifter that gives a phase difference of, and the phase difference given by the phase shifter and the intensity and phase modulation magnitude given by each of the first modulation section and the second modulation section.
  • the relative intensity of the second signal point is 1
  • the relative intensity of the third signal point and the relative intensity of the fourth signal point are values between 0 and 1, respectively, and the third signal point.
  • the fourth signal point have a phase difference of 90 °.
  • the Machzenda (MZ) type first modulation section and the second modulation section are connected in parallel, and between the output light of the first modulation section and the second modulation section. It is an optical modulation method using a nested modulator provided with a phase shifter that gives a predetermined phase difference, and the control means is the phase difference given by the phase shifter and the first modulation unit and the second modulation unit.
  • the output light of the nested modulator is changed between the four signal points arranged on the IQ plane, and the first of the four signal points.
  • the intensity of the signal point is 0, the relative intensity of the second signal point is 1, the relative intensity of the third signal point and the relative intensity of the fourth signal point are values between 0 and 1, respectively.
  • the third signal point and the fourth signal point have a phase difference of 90 °.
  • an optical signal including four states required for a phase-time coding method and a state of intensity 0 can be stably generated by a nested modulator.
  • FIG. 1 is a YZ ground state diagram showing an example of phase-time coding as a background technique.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a planar configuration of a nested modulator that constitutes an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a planar configuration of the MZ modulator used in the present embodiment.
  • FIG. 4 (A) is a diagram showing an example of signal point arrangement on the IQ plane of the optical pulse obtained by the nested modulator according to the present embodiment
  • FIG. 4 (B) is an existing diagram as a comparative example. It is a figure which shows the QPSK signal point arrangement.
  • FIG. 1 is a YZ ground state diagram showing an example of phase-time coding as a background technique.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a planar configuration of a nested modulator that constitutes an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of a planar configuration of a nested modulator constituting the optical modulator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in amplitude and phase and finally obtained signal point arrangements in order to explain the operation of the nested modulator shown in FIG.
  • FIG. 7 is a timing chart showing an example of an optical modulation method using the nested modulator shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an example of a planar configuration of a nested modulator constituting the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing changes in amplitude and phase and finally obtained signal point arrangements in order to explain the operation of the nested modulator shown in FIG. FIG.
  • FIG. 10 is a block diagram showing an example of a circuit configuration of the optical modulation device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a system configuration diagram showing a schematic configuration of each of a transmitter (Alice) and a receiver (Bob) using the optical modulation device according to the embodiment of the present invention illustrated in FIG.
  • a nested optical modulator in which two MZ (Mach-Zehnder) modulators are connected in parallel by two waveguides (parent arms) constituting the interferometer is used.
  • a voltage corresponding to a predetermined phase modulation is applied to the RF electrode of the two MZ modulators and the DC bias electrode of the parent arm, respectively, in a predetermined order.
  • the nested modulator 100 used in this embodiment has two MZ modulators MZ A and two MZ modulators MZ A and B on arms A and B of the parent MZ interferometer MZ C. Each MZ B has a connected nested structure. Further, in order to give a relative phase modulation difference ⁇ between the parent arms, a phase shifter 101 is provided on one of the parent arms (parent arm B in FIG. 2). The operation of the nested modulator 100 is controlled by the control unit 200. As will be described later, the RF voltage applied to the MZ modulators MZ A and MZ B and the DC voltage applied to the phase shifter 101 are controlled by the control unit 200.
  • the MZ modulator MZ (MZ A or MZ B ) is an RF (radio frequency) electrode extending in the waveguide direction between two waveguides (child arms) of the MZ interferometer.
  • the 102 is provided, and the reference GND electrodes 103 and 104 are provided on the outside of the two child arms, respectively. Therefore, according to the voltage polarity of the RF electrode, an electric field in the opposite direction is applied to the upper and lower child arms according to the magnitude of the voltage, and the refractive index changes in the opposite direction due to the electro-optical effect. This change in the refractive index causes a phase change in the opposite direction between the upper and lower child arms, which enables phase modulation of the passing pulse.
  • the input optical pulse signal P1 is output as an optical pulse signal P2 with the same intensity (on state). If the RF voltage corresponds to a phase difference of 180 °, the bifurcated optical pulse is canceled and the output light P2 is quenched (off state).
  • the RF voltage that realizes the phase difference ⁇ ° will be referred to as “ ⁇ ° RF voltage” for convenience.
  • the MZ modulator MZ has a DC bias electrode 105 between the child arms and GND electrodes 106 and 107 outside the child arms facing the DC bias electrode 105 in order to realize a desired phase difference.
  • DC bias voltage DC A or DC B
  • the modulation operating point of phase modulation can be adjusted.
  • the MZ modulators MZ A and MZ B having the configuration shown in FIG. 3 are connected in parallel by the parent arms A and B as shown in FIG. 2, and the parent arm B is provided with a phase shifter 101.
  • the phase shifter 101 that gives a relative phase modulation difference ⁇ between the parent arms may have the same configuration as the DC bias electrode and the GND electrode illustrated in FIG. That is, by controlling the voltage DC C applied to the DC bias electrode, the modulation operating point of the phase modulation of the nested modulator 100 can be adjusted so as to give a desired phase difference ⁇ .
  • the nested modulator 100 modulates the input optical pulse as described below according to the control of the control unit 200, and outputs an optical pulse in four states including an intensity of 0. These four states correspond to four signal points on the IQ plane.
  • FIG. 4A shows an example of the signal point arrangement. Hereinafter, the modulation operation of the nested modulator 100 will be described.
  • the input optical pulse IN is branched into two optical pulses P1 A and P1 B at the branch of the MZ interferometer MZ C , and the branched optical pulses P1 A and P1 B are MZ modulators. Input to MZ A and MZ B respectively.
  • the MZ modulators MZ A and MZ B perform predetermined phase modulation on the branched light pulses P1 A and P1 B by the applied RF voltages RF A and RF B , respectively, and the phase-modulated branch light pulses P2 A. And P2 B are output respectively.
  • branched light pulse P2 B is further phase modulated by the phase shifter 101 to provide a predetermined phase difference ⁇ between the parent arm, branched optical pulse P2 'B is generated.
  • the optical pulse OUT by parent arm A side of the branching optical pulse P2 A and Main Arm B side of the branched optical pulses P2 'and B are combined is output.
  • the output light pulse OUT has four states including an intensity of 0 (signal point S0).
  • the arrangement of the three signal points other than the signal point S0 having an intensity of 0 is not limited to FIG. 4 (A).
  • the arrangement of the four signal points depends on the magnitude of the phase modulation according to the RF voltage RF A and RF B applied to the MZ modulators MZ A and MZ B , respectively, and the bias voltage DC C applied to the phase shifter 101. It depends on the amount of phase shift.
  • the signal point arrangement in the existing QPSK is shown in FIG. 4 (B).
  • the numerical values on the I-axis and the Q-axis in FIG. 4 are arbitrary units, and are numerical values for indicating a relative positional relationship. The same applies to FIGS. 6 and 9 shown below.
  • the RF voltages RF A and RF B can turn the MZ modulators MZ A and MZ B off (quenched), respectively, and both the MZ modulators MZ A and MZ B off. By doing so, a signal point S0 having an IQ planar intensity of 0 is generated.
  • the maximum value shall be normalized as "1" and expressed as a relative numerical value between 0 and 1. Assuming that the intensity or power is proportional to the square of the amplitude, the amplitude of the optical pulse will be described with the same normalized value.
  • the nested modulator 100 is capable of generating the basis of any of the four states by the RF voltages RF A and RF B. That is, since the MZ modulator MZ A to which the 0 ° RF voltage RF A is applied does not apply phase modulation, it outputs an optical pulse P2 A having substantially the same intensity and the same phase as the input optical pulse P1 A.
  • the optical pulse P2 A when the 0 ° RF voltage RF A is applied is referred to as “A0”.
  • the MZ modulator MZ A to which the 180 ° RF voltage RF A is applied is turned off, it outputs an optical pulse P2 A whose intensity is substantially 0 and whose phase is shifted by 90 °.
  • the optical pulse P2 A when the 180 ° RF voltage RF A is applied is referred to as “A1”.
  • the MZ modulator MZ B to which the 0 ° RF voltage RF B is applied does not apply phase modulation, it outputs an optical pulse P2 B having substantially the same intensity and the same phase as the input optical pulse P1 B. Since the MZ modulator MZ B to which the 180 ° RF voltage RF B is applied is turned off, it outputs an optical pulse P2 B whose intensity is substantially 0 and whose phase is shifted by 90 °. Further, the optical pulse P2 B is given a 90 ° phase modulation by the phase shifter 101. Therefore, 0 if ° RF voltage RF B is applied, the phase shifter 101 outputs an optical pulse P2 'B which received the phase modulation of 90 °.
  • A0 + B0 Since a 0 ° RF voltage is applied to both the MZ modulators MZ A and MZ B , both are turned on. Therefore, A0 + B0 corresponds to the signal point S1 (Z (ON) basis) having an intensity of 1 and a phase of 45 °.
  • A0 + B1 A 0 ° RF voltage is applied to the MZ modulator MZ A , and a 180 ° RF voltage is applied to the MZ modulator MZ B.
  • A0 + B1 corresponds to a signal point S2 (Y basis) having an intensity of 0.5 and a phase of 0 °.
  • A1 + B0 A 180 ° RF voltage is applied to the MZ modulator MZ A , and a 0 ° RF voltage is applied to the MZ modulator MZ B. Therefore, A1 + B0 corresponds to the signal point S3 (Y basis) having an intensity of 0.5 and a phase of 90 °.
  • -A1 + B1 Since 180 ° RF voltage is applied to both MZ modulators MZ A and MZ B , both are turned off. Therefore, A1 + B1 corresponds to a signal point S4 (Z (OFF) basis) having an intensity of 0 and a phase of 135 °.
  • phase-time coding The four phases Y0, Y1, Z0, and Z1 of the phase-time coding as shown in FIG. 7 can be obtained depending on the order in which the optical modulation of the four states is executed for the coherent double pulse. ..
  • the RF voltages RF A and RF B are varied.
  • the details are as follows.
  • the signal point S2 (A0 + B1) is modulated with respect to the front pulse of the double pulse, and the signal point S3 (A1 + B0) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the rear pulse is phase-shifted by + 90 ° with respect to the front pulse, and a Y0 state is obtained.
  • -Modulation of the signal point S3 (A1 + B0) is performed on the front pulse of the double pulse
  • modulation of the signal point S2 (A0 + B1) is performed on the rear pulse.
  • the rear pulse is phase-shifted by ⁇ 90 ° with respect to the front pulse, and the Y1 state is obtained.
  • the signal point S1 (A0 + B0) is modulated with respect to the front pulse of the dual pulse, and the signal point S4 (A1 + B1) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the front pulse has an intensity of 1 and the rear pulse has an intensity of 0, and a Z0 state is obtained.
  • the signal point S4 (A1 + B1) is modulated with respect to the front pulse of the dual pulse, and the signal point S1 (A0 + B0) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the front pulse has an intensity of 0 and the rear pulse has an intensity of 1, and a Z1 state is obtained.
  • the RF voltages RF A and RF B as illustrated in 6
  • four signal point arrangements S1 to S4 can be realized on the IQ plane.
  • the Z0 / Z1 state is set to the signal point by phase modulation between the signal point S1 and the signal point S4.
  • the MZ modulators MZ A and MZ B can be in the off state of intensity 0, the MZ modulation performed by monitoring the intensity of each output light of the MZ modulators MZ A and MZ B.
  • the phase modulation operating point of the instrument can be easily controlled.
  • the nested modulator 100 can generate any of the four states by the RF voltages RF A and RF B. That is, since the MZ modulator MZ A to which the 0 ° RF voltage RF A is applied does not apply phase modulation, it outputs an optical pulse P2 A having substantially the same intensity and the same phase as the input optical pulse P1 A.
  • the optical pulse P2 A when the 0 ° RF voltage RF A is applied is referred to as “A0”.
  • the MZ modulator MZ A to which a 90 ° RF voltage RF A is applied outputs an optical pulse P2 A having an intensity of 0.5 and a phase shift of 45 °.
  • the optical pulse P2 A when the 90 ° RF voltage RF A is applied is referred to as “A1”.
  • the MZ modulator MZ B to which a ⁇ 90 ° RF voltage RF B is applied outputs an optical pulse P2 B with an intensity of 0.5 and a phase shift of ⁇ 45 °.
  • the MZ modulator MZ B to which the 0 ° RF voltage RF B is applied outputs an optical pulse P2 B having substantially the same intensity and the same phase as the input optical pulse P1 B.
  • the optical pulse P2 B is subjected to 180 ° phase modulation by the phase shifter 101. Therefore, when a ⁇ 90 ° RF voltage RF B is applied, the phase shifter 101 outputs an optical pulse P2 ′ B that has undergone a phase modulation of 135 °.
  • the optical pulse P2 B when the ⁇ 90 ° RF voltage RF B is applied is referred to as “B0”.
  • B0 0 ° if the RF voltage RF B is applied, the phase shifter 101 outputs an optical pulse P2 'B whose phases are shifted by 180 °.
  • 0 optical pulse P2 'B when ° RF voltage RF B is applied as "B1".
  • A0 / A1 on the parent arm A side and B0 / B1 on the parent arm B side combine to obtain a signal OUT in any of the following four states S1 to S4.
  • ⁇ A0 + B1 MZ modulator MZ A to 0 ° RF voltage, since 0 ° RF voltage to the MZ modulator MZ B is applied, A0 + B1 is intensity 0, the signal point of the phase 90 ° S2 (Z (OFF) basis) Corresponds to.
  • ⁇ A1 + B0 90 ° RF voltage to the MZ modulator MZ A, since -90 ° RF voltage to the MZ modulator MZ B is applied, A1 + B0 strength 0.5, the phase 90 ° of the signal point S3 (Z (ON ) Corresponds to the base).
  • A1 + B1 90 ° RF voltage to the MZ modulator MZ A, since 0 ° RF voltage to the MZ modulator MZ B is applied, A1 + B1 strength 0.25, the signal point of the phase 135 ° S4 (Y-base) Correspond.
  • the four states Y0, Y1, Z0, Z1 of the phase-time coding are obtained depending on the order in which the optical modulation of the above four states is executed for the coherent double pulse. Can be done. The details are as follows.
  • the signal point S1 (A0 + B0) is modulated with respect to the front pulse of the dual pulse, and the signal point S4 (A1 + B1) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the rear pulse is phase-shifted by + 90 ° with respect to the front pulse, and a Y0 state is obtained.
  • the signal point S4 (A1 + B1) is modulated with respect to the front pulse of the dual pulse, and the signal point S1 (A0 + B0) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the rear pulse is phase-shifted by ⁇ 90 ° with respect to the front pulse, and the Y1 state is obtained.
  • -Modulation of the signal point S3 (A1 + B0) is performed on the front pulse of the double pulse, and modulation of the signal point S2 (A0 + B1) is performed on the rear pulse.
  • the intensity of the front pulse is 0.5 and the intensity of the rear pulse is 0, and a Z0 state is obtained.
  • the signal point S2 (A0 + B1) is modulated with respect to the front pulse of the double pulse, and the signal point S3 (A1 + B0) is modulated with respect to the rear pulse.
  • the intensity of the front pulse is 0 and the intensity of the rear pulse is 0.5, and the Z1 state is obtained.
  • the four signal point arrangements S1 to S4 can be realized on the IQ plane.
  • the MZ modulator MZ A "A0” by setting the MZ modulator MZ B to "B1”, a branch optical pulse P2 A branch ⁇ pulse P2 'B is a phase difference 180 ° Cancel Then, the signal point S2 having an intensity of 0 in the IQ plane shown in FIG. 9 can be generated.
  • the Z0 / Z1 state is set to the signal point by phase modulation between the signal point S2 and the signal point S3.
  • the Y0 / Y1 states By realizing the Y0 / Y1 states by phase modulation between S1 and the signal store S4, it is possible to generate the signal light of the four states required for the phase-time coding method with a smaller phase shift amount than in the first embodiment. Can be done.
  • the phase modulation operating points are adjusted by the bias voltages DC A and DC B , respectively, and the bias voltage DC C also has a predetermined phase difference ⁇ . Is adjusted to maintain.
  • the optical modulation device has a control means for controlling the bias of the nested modulator 100 according to the first embodiment or the second embodiment described above.
  • the bias control in the present embodiment will be described by exemplifying the nested modulator 100 according to the first embodiment.
  • couplers 201 and 202 for intensity monitoring are provided on the output side optical waveguides of the MZ modulators MZ A and MZ B , respectively, and the parent MZ modulator MZ C is provided.
  • a coupler 203 for intensity monitoring is provided on the output side optical waveguide.
  • Light intensity monitor 204, the respective intensities I A from the optical signal for monitoring the optical pulse P2 A, P2 B and OUT obtained for each of the coupler detects the I B and I OUT, and outputs to the controller 205.
  • the controller 205 controls the bias driving circuit 206 based on the intensity I A, I B and I OUT, DC bias voltage DC A as phase modulation the expected results are obtained, controls the DC B and DC C. Further, the controller 205 controls the RF drive circuit 207 to change the RF voltages RF A and RF B so that the phase-time coding is performed by the predetermined signal points S1 to S4.
  • the controller 205 can be configured in hardware, but it can also be executed by a processor capable of executing a computer program. That is, when the CPU (Central Processing Unit) executes the program stored in the program memory 208, the above-mentioned DC bias voltages DC A , DC B, and DC C can be controlled.
  • the CPU Central Processing Unit
  • each phase modulator can be easily controlled by detecting OUT and comparing it with a predetermined threshold value.
  • bias control can also be applied to the nested modulator 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • QKD system The optical modulation apparatus according to the first to third embodiments described above can be applied to a phase-time coding type Quantum Key Distribution system.
  • phase-time coding method unidirectional QKD system will be described with reference to FIG.
  • the above embodiment is applicable not only to the unidirectional type but also to the bidirectional type QKD system.
  • a transmitter (Alice) and a receiver (Bob) are connected by an optical fiber, and various quantum cryptographic key distribution algorithms are used to quantum from Alice to Bob.
  • the key can be delivered.
  • Alice has a laser light source 301, an asymmetric interferometer 302, an intensity phase modulator 303, an attenuator 304, a random number supply unit 305, a modulation control unit 306, and other synchronization units and control units (not shown).
  • the intensity phase modulator 303 can be configured by the nested modulator 100 according to the first or second embodiment of the present invention. Further, the intensity phase modulator 303 and the modulation control unit 306 can be configured by the nested modulator 100 and the controller 205 according to the third embodiment of the present invention.
  • Bob has a phase modulator 307, an asymmetric interferometer 308, photon detection units 309 and 310, and other synchronization units and control units (not shown). Alice's asymmetric interferometer 302 and Bob's asymmetric interferometer 308 are interferometers having the same configuration.
  • the modulation control unit 306 controls the intensity phase modulator 303 according to the random numbers input from the random number supply unit 305. More specifically, for example, as illustrated in FIG. 7, the RF voltages RF A and RF B of the nested modulator 100 are varied according to random numbers for the basis and information bits to perform intensity phase modulation for coherent dual pulses. Execute. At this time, as described in the third embodiment, the output light pulse P2 A, P2 B and OUT respectively detected intensity I A of the optical signal for monitoring, bias based on the I B and I OUT driving circuit 206 It is desirable to control the DC bias voltages DC A , DC B and DC C so as to obtain the expected phase modulation result.
  • the optical pulse output from the laser light source 301 is temporally divided into a coherent double pulse (double pulse) by passing through the asymmetric interferometer 302.
  • the double pulse train is encoded in a phase-time coding manner by an intensity phase modulator 303 (nested modulator 100) according to random numbers for the basis and information bits.
  • the double pulse train thus encoded is transmitted to the Bob through the attenuator 304.
  • Bob's phase modulator 307 phase-modulates the reached double pulse according to a random number for the basis, and when this double pulse passes through the asymmetric interferometer 308, the leading pulse and the trailing pulse interfere with each other, and the double pulse interferes with each other.
  • the result is detected by the photon detectors 309 and 310. That is, information can be detected from the phase difference between the preceding pulse and the rear pulse for each double pulse.
  • MZ Machzenda
  • With a type modulator By controlling the phase difference given by the phase shifter and the intensity and phase modulation magnitude given by each of the first modulation unit and the second modulation unit, the output light of the nest type modulator is IQed.
  • a control means that changes between four signal points arranged on a plane, and The strength of the first signal point of the four signal points is 0, the relative strength of the second signal point is 1, the relative strength of the third signal point and the relative strength of the fourth signal point are 0, respectively.
  • An optical modulator characterized by this.
  • Appendix 2 The optical modulation apparatus according to Appendix 1, wherein the first signal point is obtained by setting both the first modulation unit and the second modulation unit in an off state of an output light intensity of 0.
  • Appendix 3 The phase difference given by the phase shifter is set to 90 °.
  • the second signal point is obtained by setting both the first modulation section and the second modulation section to the ON state of the relative intensity 1 of the output light.
  • the third signal point and the fourth signal point set one of the first modulation unit and the second modulation unit to an off state of output light intensity 0 and the other to an on state of relative intensity 1. Obtained at The optical modulation device according to Appendix 2, wherein the light modulation apparatus is described. (Appendix 4)
  • Each of the first modulation unit and the second modulation unit is an MZ modulator having a control electrode for controlling the intensity and the magnitude of phase modulation.
  • the control means applies a voltage having an amplitude corresponding to 180 ° phase modulation to the first control electrode of the first modulation unit and the second control electrode of the second modulation unit, respectively, and causes a phase difference to the phase shifter.
  • the optical modulation device according to any one of Supplementary note 1-3. (Appendix 5)
  • the first signal point is obtained by setting the phase difference between the output light to which the phase difference is given by the phase shifter and the output light to which the phase difference is not given to 180 °.
  • the optical modulator according to. (Appendix 6)
  • the phase difference given by the phase shifter is set to 180 °.
  • the second signal point is obtained by setting the first modulation section to 90 ° phase modulation and the second modulation section to ⁇ 90 ° phase modulation.
  • the third signal point and the fourth signal point set one of the first modulation unit and the second modulation unit to the ON state of the output light intensity 1 and the other to 90 ° or ⁇ 90 ° phase modulation, respectively. Obtained by doing The optical modulation device according to Appendix 5, wherein the light modulation apparatus is described. (Appendix 7)
  • Each of the first modulation unit and the second modulation unit is an MZ modulator having a control electrode for controlling the intensity and the magnitude of phase modulation.
  • the control means has a voltage having an amplitude corresponding to a phase modulation of 90 ° and an amplitude responding to a phase modulation of ⁇ 90 ° to the first control electrode of the first modulation unit and the second control electrode of the second modulation unit.
  • a DC bias voltage corresponding to a phase difference of 180 ° is applied to the phase shifter.
  • the optical modulation device according to any one of Supplementary Provisions 1, 5 and 6, characterized in that. (Appendix 8)
  • the nested modulator performs intensity phase modulation on a coherent dual light pulse according to a phase-time coding scheme.
  • the control means sets the Z ground state of the phase-time coding method between the first signal point and the second signal point, and the Y ground state between the third signal point and the fourth signal point.
  • the optical modulation apparatus according to any one of Supplementary note 1-7, which is produced in 1.
  • Appendix 9 A transmitter of a quantum key distribution system having the optical modulation device according to Appendix 8.
  • Appendix 10 A nest provided with a phase shifter in which a Machzenda (MZ) type first modulation unit and a second modulation unit are connected in parallel and a predetermined phase difference is given between the output light of the first modulation unit and the second modulation unit.
  • MZ Machzenda
  • This is an optical modulation method using a type modulator.
  • the control means controls the phase difference given by the phase shifter and the intensity and the magnitude of the phase modulation given by each of the first modulation unit and the second modulation unit to control the nested modulator.
  • the output light is changed between 4 signal points arranged in the IQ plane.
  • the intensity of the first signal point of the four signal points is 0, the relative intensity of the second signal point is 1, the relative intensity of the third signal point and the relative intensity of the fourth signal point are 0 and 1, respectively.
  • the value between the third signal point and the fourth signal point has a phase difference of 90 °.
  • An optical modulation method characterized by that.
  • Appendix 11 The light according to Appendix 10, wherein the first signal point is obtained by setting both the first modulation unit and the second modulation unit to an off state of an output light intensity of 0. Modulation method.
  • the control means The phase difference given by the phase shifter is set to 90 °.
  • the second signal point is obtained by setting both the first modulation unit and the second modulation unit to the ON state of the relative intensity 1 of the output light.
  • the third signal point and the fourth signal point can be set.
  • the optical modulation method according to Appendix 11 characterized by the above.
  • Each of the first modulation unit and the second modulation unit is an MZ modulator having a control electrode for controlling the intensity and the magnitude of phase modulation.
  • the control means applies a voltage having an amplitude corresponding to 180 ° phase modulation to the first control electrode of the first modulation unit and the second control electrode of the second modulation unit, respectively, and causes a phase difference to the phase shifter.
  • Apply a DC bias voltage corresponding to 90 ° The optical modulation method according to any one of Appendix 10-13, characterized in that.
  • the first signal point is obtained by setting the phase difference between the output light to which the phase difference is given by the phase shifter and the output light to which the phase difference is not given to 180 °.
  • the optical modulation method described in 1. (Appendix 15)
  • the control means The phase difference given by the phase shifter is set to 180 °.
  • the second signal point is obtained by setting the first modulation section to 90 ° phase modulation and the second modulation section to ⁇ 90 ° phase modulation.
  • the third signal point and the fourth signal Get points By setting one of the first modulation unit and the second modulation unit to the ON state of the output light intensity 1 and the other to the phase modulation of 90 ° or ⁇ 90 °, the third signal point and the fourth signal Get points, The optical modulation method according to Appendix 14, wherein the light modulation method is described.
  • Each of the first modulation unit and the second modulation unit is an MZ modulator having a control electrode for controlling the intensity and the magnitude of phase modulation.
  • the control means has a voltage having an amplitude corresponding to a phase modulation of 90 ° and an amplitude responding to a phase modulation of ⁇ 90 ° to the first control electrode of the first modulation unit and the second control electrode of the second modulation unit.
  • a DC bias voltage corresponding to a phase difference of 180 ° is applied to the phase shifter.
  • the optical modulation method according to any one of Supplementary note 10, 14, and 15. (Appendix 17)
  • the nested modulator performs intensity phase modulation on a coherent dual light pulse according to a phase-time coding scheme.
  • the control means sets the Z ground state of the phase-time coding method between the first signal point and the second signal point, and the Y ground state between the third signal point and the fourth signal point.
  • the optical modulation method according to any one of Supplementary note 10-16, which is produced in 1.
  • (Appendix 18) A nest having a Machzenda (MZ) type first modulation section and a second modulation section connected in parallel and a phase shifter that provides a predetermined phase difference between the output light of the first modulation section and the second modulation section.
  • a program for operating a computer as a control means for controlling a type modulator. By controlling the phase difference given by the phase shifter and the intensity and phase modulation magnitude given by each of the first modulation section and the second modulation section, the output light of the nest type modulator is IQed.
  • the intensity of the first signal point of the four signal points is 0, the relative intensity of the second signal point is 1, the relative intensity of the third signal point and the relative intensity of the fourth signal point are 0 and 1, respectively.
  • the value between the third signal point and the fourth signal point has a phase difference of 90 °.
  • the present invention can be used in an optical communication system, particularly an optical modulator of a quantum key distribution system.
  • Nested modulator 101 Phase shifter 102 RF electrode 103, 104, 106, 107 Grounded (GND) electrode 105 DC bias electrode 200 Control unit 201-203 Coupler 204 Light intensity monitor 205 Controller 206 Bias drive circuit 207 RF drive circuit 208 Program Memory 301 Laser light source 302 Asymmetric interferometer 303 Intensity phase modulator 304 Attenuator 305 Random supply unit 306 Modulation control unit 307 Phase modulator (base) 308 Asymmetric Interferometer 309, 310 Photon Detector MZ A , MZ B Mach-Zehnder (MZ) Modulator MZ C Parent MZ Interferometer RF A , RF B High Frequency Voltage DC A , DC B , DC C DC Bias Voltage

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Abstract

位相－時間コーディング方式に必要な４状態であって強度０の状態を含む光信号をネスト型変調器により安定的に生成することができる光変調方法および装置を提供する。 ネスト型変調器（１００）と、位相シフタ（１０１）により与えられる位相差と第１変調部（ＭＺＡ）および第２変調部（ＭＺＢ）の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点（Ｓ１～Ｓ４）の間で変化させる制御手段（２００）と、を有し、４信号点の第１信号点（Ｓ４）の強度が０、第２信号点（Ｓ１）の相対的強度が１、第３信号点（Ｓ２）の相対的強度および第４信号点（Ｓ３）の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、第３信号点と第４信号点とが９０°の位相差を有する。

Description

ネスト型光変調器を用いた光変調方法および装置
　本発明は光通信システムにおける光パルスの変調技術に係り、特に位相－時間コーディング方式の光パルス変調技術に関する。
　位相－時間コーディング（あるいはＹＺ状態）方式の一例が特許文献１に記載されている。たとえば位相－時間コーディング方式をコヒーレントな２連光パルスに適用することができる。この場合、図１に例示するように、２連光パルスの相対位相を２値変調し、２連光パルスのいずれか一方を強度０に強度変調することで、４状態の２連光パルスが生成される。図１の例では、２連光パルスＰ１およびＰ２、それらの強度が半減した前パルスをｐ１、後パルスをｐ２とすれば、以下の４状態が生成される。すなわち、前パルスｐ１が後パルスｐ２に対して位相が９０°進んだＹ０状態；９０°遅れたＹ１状態；前パルスＰ１だけが消光したＺ０状態；および後パルスＰ２だけが消光したＺ１状態の４状態である。
　特許文献１による変調器は、一対の位相変調器を並列接続した２電極型強度変調器を採用している。この一対の位相変調器に対して｛θ，θ＋９０°｝および｛θ－９０°，θ｝の位相変調を与えることで、位相－時間コーディングの上記４状態を生成することができる。
　他方、特許文献２にはネスト型光変調器が記載されている。特許文献２によれば、ネスト型光変調器は、信号の振幅や位相を多値設定することで、ＱＰＳＫ(Quadrature Phase Shift Keying)だけでなく、任意の信号点をベクトル合成することができると記載されている。
特許第５２８６８５２号公報 国際公開第ＷＯ２０１１／００４６１５号公報
　上述したように、位相－時間コーディング方式では、光パルスに強度変調および位相変調を施した４状態の信号光を生成する必要がある。しかしながら、特許文献２は、高周波電極およびＤＣバイアス電極に任意の電圧を印加して任意の信号点のベクトル合成を可能にするという一般的な記載に止まっており、ネスト型変調器により位相－時間コーディング方式に必要な４状態の光信号を生成する具体的な方法を開示していない。
　本発明の目的は、位相－時間コーディング方式に必要な４状態であって強度０の状態を含む光信号をネスト型変調器により安定的に生成することができる光変調方法および装置を提供することにある。
　本発明の一態様による光変調装置は、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させる制御手段と、を有し、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、ことを特徴とする。
　本発明の別の態様による光変調方法は、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を用いた光変調方法であって、制御手段が、前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、ことを特徴とする。
　本発明によれば、位相－時間コーディング方式に必要な４状態であって強度０の状態を含む光信号をネスト型変調器により安定的に生成することができる。
図１は背景技術としての位相－時間コーディングの一例を示すＹＺ基底状態図である。 図２は本発明の一実施形態による光変調装置を構成するネスト型変調器の平面構成の一例を示す概略的構成図である。 図３は本実施形態で用いられるＭＺ変調器の平面構成の一例を示す概略的構成図である。 図４（Ａ）は本実施形態によるネスト型変調器により得られる光パルスのＩ－Ｑ平面上の信号点配置の一例を示す図であり、図４（Ｂ）は、比較例として、既存のＱＰＳＫ信号点配置を示す図である。 図５は本発明の第１実施例による光変調装置を構成するネスト型変調器の平面構成の一例を示す概略的構成図である。 図６は、図５に示すネスト型変調器の動作を説明するために、振幅および位相の変化と最終的に得られる信号点配置とを示す図である。 図７は、図５に示すネスト型変調器による光変調方法の一例を示すタイミングチャートである。 図８は本発明の第２実施例による光変調装置を構成するネスト型変調器の平面構成の一例を示す概略的構成図である。 図９は、図８に示すネスト型変調器の動作を説明するために、振幅および位相の変化と最終的に得られる信号点配置とを示す図である。 図１０は本発明の第３実施例による光変調装置の回路構成の一例を示すブロック図である。 図１１は図２に例示した本発明の一実施形態による光変調装置を用いた送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）のそれぞれの概略的構成を示すシステム構成図である。
＜実施形態の概要＞
　本発明の実施形態によれば、干渉計を構成する２つの導波路（親アーム）により２つのＭＺ（Mach-Zehnder）変調器が並列接続されたネスト型光変調器を用いる。２つのＭＺ変調器のＲＦ用電極および親アームのＤＣバイアス電極に対して、それぞれ所定の位相変調に相当する電圧を所定の順序で印加する。これらの位相変調を与える印加電圧とそれらの印加順序とを制御することにより、強度０を含む位相－時間コーディング方式に必要な４状態の信号光を生成することができる。１台のネスト型光変調器により位相－時間コーディングに必要な信号光を生成することができるので、小型化および低コスト化が可能となる。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態および実施例に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。
１．実施形態
１．１）構成
　図２に例示するように、本実施形態に使用されるネスト型変調器１００は、親ＭＺ干渉計ＭＺＣのアームＡおよびＢに、２つのＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢがそれぞれ接続された入れ子構造を有する。さらに、親アーム間で相対的な位相変調差φを与えるために、いずれか一方の親アーム（図２では親アームＢ）に位相シフタ１０１が設けられる。ネスト型変調器１００の動作は制御部２００により制御される。後述するように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにそれぞれ印加されるＲＦ電圧と位相シフタ１０１に印加されるＤＣ電圧とが制御部２００により制御される。
　図３に例示するように、ＭＺ変調器ＭＺ（ＭＺＡあるいはＭＺＢ）は、ＭＺ干渉計の２つの導波路（子アーム）の間に導波路方向に伸びたＲＦ（高周波：Radio Frequency）電極１０２が設けられ、２つの子アームの外側に基準となるＧＮＤ電極１０３および１０４がそれぞれ設けられた構成を有する。したがって、ＲＦ電極の電圧極性に従って、上下の子アームに対して、電圧の大きさに応じた逆方向の電界が印加され、電気光学効果により逆方向の屈折率変化が生じる。この屈折率の変化が上下の子アームでの逆方向の位相変化を生じさせ、それによって通過パルスの位相変調が可能となる。
　たとえば、位相差０に相当するＲＦ電圧であれば、入力した光パルス信号Ｐ１はそのままの強度で光パルス信号Ｐ２として出力する（オン状態）。位相差１８０°に相当するＲＦ電圧であれば、２分岐した光パルスがキャンセルされ、出力光Ｐ２は消光状態となる（オフ状態）。以下、位相差θ°を実現するＲＦ電圧を便宜的に「θ°ＲＦ電圧」と記すものとする。
　なお、ＭＺ変調器ＭＺは、所望の位相差を実現するために、子アーム間にＤＣバイアス用電極１０５を、それに対向する子アームの外側にＧＮＤ電極１０６および１０７をそれぞれ有する。電極１０５に印加されるＤＣバイアス電圧（ＤＣＡあるいはＤＣＢ）を制御することにより、位相変調の変調動作点を調整できる。
　ネスト型変調器１００は、図３に示す構成を有するＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが図２に示すように親アームＡおよびＢによって並列接続され、さらに親アームＢに位相シフタ１０１が設けられた構成を有する。なお、親アーム間で相対的な位相変調差φを与える位相シフタ１０１は、図３に例示したＤＣバイアス用電極とＧＮＤ電極と同様の構成を有しても良い。すなわち、ＤＣバイアス電極に印加される電圧ＤＣＣを制御することにより、所望の位相差φを与えるようにネスト型変調器１００の位相変調の変調動作点を調整できる。
　ネスト型変調器１００は、制御部２００の制御に従って、入力光パルスを次に述べるように変調し、強度０を含む４状態の光パルスを出力する。この４状態はＩＱ平面上で４つの信号点に対応する。図４（Ａ）はその信号点配置の一例を示す。以下、ネスト型変調器１００の変調動作について説明する。
１．２）動作
　図２に戻って、入力した光パルスＩＮはＭＺ干渉計ＭＺＣの分岐部で光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに２分岐し、分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１ＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢへそれぞれ入力する。ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、印加されるＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによりそれぞれ分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに対して所定の位相変調を実行し、位相変調された分岐光パルスＰ２ＡおよびＰ２Ｂをそれぞれ出力する。このうち分岐光パルスＰ２Ｂは、親アーム間に所定の位相差φを与える位相シフタ１０１によってさらに位相変調され、分岐光パルスＰ２’Ｂが生成される。こうして、親アームＡ側の分岐光パルスＰ２Ａと親アームＢ側の分岐光パルスＰ２’Ｂとが合波することで光パルスＯＵＴが出力される。
　図４（Ａ）に例示するように、出力光パルスＯＵＴは強度０（信号点Ｓ０）を含む４状態を有する。強度０の信号点Ｓ０以外の３信号点の配置は図４（Ａ）に限定されない。４信号点の配置形態は、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにそれぞれ印加されるＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢに応じた位相変調の大きさと、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣに応じた位相シフト量と、に依存する。比較のために、既存のＱＰＳＫでの信号点配置を図４（Ｂ）に示す。なお、図４におけるＩ軸およびＱ軸上の数値は任意単位であり、相対的な位置関係を示すための数値である。以下に示す図６、図９においても同様である。
　図４（Ａ）に示す強度０の信号点Ｓ０の生成方法としては以下の２つがある。
　１）ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共にオフ状態（消光状態）となるようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定する（第１実施例）。
　２）分岐光パルスＰ２Ａと分岐岐光パルスＰ２’Ｂとが位相差１８０°となってキャンセルされるようにＲＦ電圧ＲＦＡ、ＲＦＢおよびバイアス電圧ＤＣＣを設定する（第２実施例）。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
２．第１実施例
２．１）構成
　図５に例示するように、本発明の第１実施例による光変調装置は、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣが親アーム間に位相差φ＝９０°を与える。さらに、上述したように、ＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢをそれぞれオフ状態（消光状態）にすることができ、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢを共にオフ状態にすることでＩＱ平面状の強度０の信号点Ｓ０を生成する。このようなオフ状態が実現されるように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢによって位相変調動作点が予め調整され、バイアス電圧ＤＣＣも同様に、位相差φ＝９０°を維持するように調整されているものとする。なお、図５に例示する光導波路構成および制御部は、基本的に図２と同様であるから、同一の構成要素には同一の参照符号を用いて詳細な説明は省略する。
２．２）動作
　以下、光パルスの強度あるいはパワーに関しては、最大値を「１」として正規化し、０と１の間の相対的数値により表すものとする。強度あるいはパワーが振幅の２乗に比例するものとすれば、光パルスの振幅についても同様に正規化した値で説明する。
　図６に例示するように、ネスト型変調器１００はＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによって４状態のいずれかの基底を生成可能である。すなわち、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ａとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ａを出力する。なお、以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ０」という。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、オフ状態となるので、強度が実質的に０および位相が９０°シフトした光パルスＰ２Ａを出力する。以下、１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ１」という。
　同様に、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加されたＭＺ変調器ＭＺＢは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ｂとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ｂを出力する。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加されたＭＺ変調器ＭＺＢは、オフ状態となるので、強度が実質的に０、位相が９０°シフトした光パルスＰ２Ｂを出力する。さらに、光パルスＰ２Bは位相シフタ１０１により９０°の位相変調を与えられる。したがって、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、位相シフタ１０１は９０°の位相変調を受けた光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２’Ｂを「Ｂ０」という。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、ＭＺ変調器ＭＺＢがオフ状態となるので、位相シフタ１０１は強度が実質的に０および位相が１８０°シフトした光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２’Ｂを「Ｂ１」という。
　こうして、親アームＡ側のＡ０／Ａ１と親アームＢ側のＢ０／Ｂ１とが合波することで、以下の４状態Ｓ１～Ｓ４のいずれかの光信号ＯＵＴを得ることができる。
・　Ａ０＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に０°ＲＦ電圧が印加されているので、いずれもオン状態となる。したがって、Ａ０＋Ｂ０は強度１、位相４５°の信号点Ｓ１（Ｚ（ＯＮ）基底）に対応する。
・　Ａ０＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡに０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに１８０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ０＋Ｂ１は強度０．５、位相０°の信号点Ｓ２（Ｙ基底）に対応する。
・　Ａ１＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡに１８０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ１＋Ｂ０は強度０．５、位相９０°の信号点Ｓ３（Ｙ基底）に対応する。
・　Ａ１＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に１８０°ＲＦ電圧が印加されているので、共にオフ状態となる。したがって、Ａ１＋Ｂ１は強度０、位相１３５°の信号点Ｓ４（Ｚ（ＯＦＦ）基底）に対応する。
＜位相－時間コーディング＞
　コヒーレントな２連パルスに対して上記４状態の光変調をどのような順序で実行するかによって、図７に示すような位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１を得ることができる。
　図７に例示するように、ＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを変化させる。詳しくは、以下の通りである。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して＋９０°だけ位相シフトしＹ０状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して－９０°だけ位相シフトしＹ１状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、前パルスが強度１、後パルスは強度０となり、Ｚ０状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、前パルスが強度０、後パルスは強度１となり、Ｚ１状態が得られる。
２．３）効果
　以上述べたように、本発明の第１実施例によれば、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣが親アーム間に位相差φ＝９０°を与え、さらに、図６に例示するようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定することでＩＱ平面上に４信号点配置Ｓ１～Ｓ４を実現できる。特に、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢを共にオフ状態にすることで、図６に示すＩＱ平面における強度０の信号点Ｓ４を生成することができる。
　また、図７に例示するように、強度０の信号点Ｓ４を含む４つの信号点Ｓ１～Ｓ４のうち、信号点Ｓ１と信号点Ｓ４との間の位相変調によりＺ０／Ｚ１状態を、信号点Ｓ２と信号点Ｓ３との間の位相変調によりＹ０／Ｙ１状態をそれぞれ実現することで、位相－時間コーディング方式に必要な４状態の信号光を生成することができる。
　さらに、本実施例によれば、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが強度０のオフ状態となり得るので、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢの各出力光の強度をモニタすることにより行われるＭＺ変調器の位相変調動作点の制御が容易になるという利点がある。
３．第２実施例
３．１）構成
　図８に例示するように、本発明の第２実施例による光変調装置は、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣが親アーム間に位相差φ＝１８０°を与える。さらに、ＩＱ平面上の強度０の信号点Ｓ０（オフ状態）は、上述したように、分岐光パルスＰ２Ａと分岐岐光パルスＰ２’Ｂとが位相差１８０°となってキャンセルされるようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定することで生成される。なお、このようなオフ状態が実現されるように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢによって位相変調動作点が予め調整され、バイアス電圧ＤＣＣも同様に、位相差φ＝１８０°を維持するように調整されているものとする。なお、図８に例示する光導波路構成および制御部２００は、基本的に図２と同様であるから、同一の構成要素には同一の参照符号を用いて詳細な説明は省略する。
３．２）動作
　図９に例示するように、ネスト型変調器１００はＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによって４状態のいずれかの状態を生成可能である。すなわち、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ａとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ａを出力する。以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ０」という。９０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、強度が０．５および位相が４５°シフトした光パルスＰ２Ａを出力する。以下、９０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ１」という。
　同様に、－９０°ＲＦ電圧ＲＦBが印加されたＭＺ変調器ＭＺBは、強度が０．５および位相が－４５°シフトした光パルスＰ２Ｂを出力する。０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加されたＭＺ変調器ＭＺＢは、入力光パルスＰ１Ｂとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ｂを出力する。さらに、光パルスＰ２Ｂは位相シフタ１０１により１８０°の位相変調を与えられる。したがって、－９０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、位相シフタ１０１は１３５°の位相変調を受けた光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、－９０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２Ｂを「Ｂ０」という。０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、位相シフタ１０１は位相が１８０°シフトした光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２’Ｂを「Ｂ１」という。
　こうして、親アームＡ側のＡ０／Ａ１と親アームＢ側のＢ０／Ｂ１とが合波することで、以下の４状態Ｓ１～Ｓ４のいずれかの信号ＯＵＴを得ることができる。
・　Ａ０＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡに０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに－９０°ＲＦ電圧が印加されているので、Ａ０＋Ｂ０は強度０．２５、位相４５°の信号点Ｓ１（Ｙ基底）に対応する。
・　Ａ０＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡに０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに０°ＲＦ電圧が印加されているので、Ａ０＋Ｂ１は強度０、位相９０°の信号点Ｓ２（Ｚ（ＯＦＦ）基底）に対応する。
・　Ａ１＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡに９０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに－９０°ＲＦ電圧が印加されているので、Ａ１＋Ｂ０は強度０．５、位相９０°の信号点Ｓ３（Ｚ（ＯＮ）基底）に対応する。
・　Ａ１＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡに９０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに０°ＲＦ電圧が印加されているので、Ａ１＋Ｂ１は強度０．２５、位相１３５°の信号点Ｓ４（Ｙ基底）に対応する。
＜位相－時間コーディング＞
　コヒーレントな２連パルスに対して上記４状態の光変調をどのような順序で実行するかによって、第１実施例と同様に、位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１を得ることができる。詳しくは、以下の通りである。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して＋９０°だけ位相シフトしＹ０状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して－９０°だけ位相シフトしＹ１状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、前パルスが強度０．５、後パルスは強度０となり、Ｚ０状態が得られる。
・　２連パルスの前パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、前パルスが強度０、後パルスは強度０．５となり、Ｚ１状態が得られる。
３．３）効果
　以上述べたように、本発明の第２実施例によれば、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣが親アーム間に位相差φ＝１８０°を与え、さらに、図９に例示するようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定することでＩＱ平面上に４信号点配置Ｓ１～Ｓ４を実現できる。特に、ＭＺ変調器ＭＺＡを「Ａ０」、ＭＺ変調器ＭＺＢを「Ｂ１」に設定することで、分岐光パルスＰ２Ａと分岐岐光パルスＰ２’Ｂとが位相差１８０°となってキャンセルされ、図９に示すＩＱ平面における強度０の信号点Ｓ２を生成することができる。
　また、図９に例示するように、強度０の信号点Ｓ２を含む４つの信号点Ｓ１～Ｓ４のうち、信号点Ｓ２と信号点Ｓ３との間の位相変調によりＺ０／Ｚ１状態を、信号点Ｓ１と信号店Ｓ４との間の位相変調によりＹ０／Ｙ１状態をそれぞれ実現することで、第１実施例より少ない位相シフト量で位相－時間コーディング方式に必要な４状態の信号光を生成することができる。
４．第３実施例
　上述したように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢによって位相変調動作点が調整され、バイアス電圧ＤＣＣも同様に、所定の位相差φを維持するように調整される。
　本発明の第３実施例による光変調装置は、上述した第１実施例あるいは第２実施例によるネスト型変調器１００のバイアス制御を行う制御手段を有する。以下、第１実施例によるネスト型変調器１００を例示して、本実施形態におけるバイアス制御について説明する。
　図１０に例示するように、ネスト型変調器１００において、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢの出力側光導波路には強度モニタ用のカプラ２０１および２０２がそれぞれ設けられ、親ＭＺ変調器ＭＺＣの出力側光導波路には強度モニタ用のカプラ２０３が設けられている。光強度モニタ２０４は、それぞれのカプラで得られた光パルスＰ２Ａ、Ｐ２ＢおよびＯＵＴのモニタ用の光信号からそれぞれの強度ＩＡ、ＩＢおよびＩＯＵＴを検出し、コントローラ２０５へ出力する。
　コントローラ２０５は、強度ＩＡ、ＩＢおよびＩＯＵＴに基づいてバイアス駆動回路２０６を制御し、期待通りの位相変調結果が得られるようにＤＣバイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢおよびＤＣＣを制御する。さらに、コントローラ２０５は、所定の信号点Ｓ１～Ｓ４により位相－時間コーディングが実行されるように、ＲＦ駆動回路２０７を制御し、ＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを変化させる。
　コントローラ２０５は、ハードウエアで構成することもできるが、コンピュータプログラムを実行可能なプロセッサにより実行することもできる。すなわち、ＣＰＵ(Central Processing Unit)がプログラムメモリ２０８に格納されたプログラムを実行することにより、上述したＤＣバイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢおよびＤＣＣの制御が可能となる。
　すでに述べたように、本発明の第１実施例では、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共にオフ状態になることで強度０の状態になるので、その状態で強度ＩＡ、ＩＢおよびＩＯＵＴを検出し、所定しきい値と比較することで各位相変調器の動作点を容易に制御することができる。このようなバイアス制御は、本発明の第２実施例によるネスト型変調器１００にも適用可能である。
５．ＱＫＤシステム
　上述した第１～第３実施例による光変調装置は、位相－時間コーディング方式の量子暗号鍵配送（Quantum Key Distribution）システムに適用可能である。
　以下、一例として、位相－時間コーディング方式の単一方向型ＱＫＤシステムについて図１１を参照しながら説明する。なお、上記実施例は単一方向型だけでなく、双方向型のＱＫＤシステムであっても同様に適用可能である。
　図１１に例示するように、単一方向型ＱＫＤシステムは、送信機（Ａｌｉｃｅ）と受信機（Ｂｏｂ）とが光ファイバで接続され、種々の量子暗号鍵配送アルゴリズムを用いてＡｌｉｃｅからＢｏｂへ量子鍵を配送することができる。
　Ａｌｉｃｅは、レーザ光源３０１、非対称干渉計３０２、強度位相変調器３０３、減衰器３０４、乱数供給部３０５、変調制御部３０６、その他同期部や制御部（図示せず）等を有する。強度位相変調器３０３は、本発明の第１あるいは第２実施例によるネスト型変調器１００により構成することができる。また、強度位相変調器３０３および変調制御部３０６は、本発明の第３実施例によるネスト型変調器１００およびコントローラ２０５により構成することができる。Ｂｏｂは、位相変調器３０７、非対称干渉計３０８、光子検出部３０９および３１０、その他同期部や制御部（図示せず）等を有する。Ａｌｉｃｅの非対称干渉計３０２とＢｏｂの非対称干渉計３０８とは同一構成の干渉計である。
　変調制御部３０６は乱数供給部３０５から入力した乱数に従って強度位相変調器３０３を制御する。より詳しくは、たとえば図７に例示したように、ネスト型変調器１００のＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを基底および情報ビット用の乱数に従って変化させ、コヒーレントな２連パルスに対して強度位相変調を実行する。その際、第３実施例で述べたように、出力光パルスＰ２Ａ、Ｐ２ＢおよびＯＵＴのモニタ用の光信号からそれぞれ検出された強度ＩＡ、ＩＢおよびＩＯＵＴに基づいてバイアス駆動回路２０６を制御し、期待通りの位相変調結果が得られるようにＤＣバイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢおよびＤＣＣを制御することが望ましい。
　レーザ光源３０１から出力された光パルスは、非対称干渉計３０２を通ることでコヒーレントな２連パルス（ダブルパルス）に時間的に分割する。ダブルパルス列は、基底および情報ビット用の乱数に従った強度位相変調器３０３（ネスト型変調器１００）により位相－時間コーディング方式で符号化される。このように符号化されたダブルパルス列が減衰器３０４を通してＢｏｂへ送信される。
　Ｂｏｂの位相変調器３０７は、到達したダブルパルスに対して、基底用の乱数に従って位相変調し、このダブルパルスが非対称干渉計３０８を通ることで、先行パルスと後行パルスとが干渉し、その結果が光子検出部３０９および３１０により検出される。すなわち、ダブルパルス毎に先行パルスと後方パルスとの間の位相差から情報を検出することができる。
６．付記
　上述した実施形態および実施例の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させる制御手段と、
　を有し、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
　ことを特徴とする光変調装置。
（付記２）
　前記第１信号点は、前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の強度０のオフ状態に設定することで得られることを特徴とする付記１に記載の光変調装置。
（付記３）
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差が９０°に設定され、
　前記第２信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の相対的強度１のオン状態に設定することで得られ、
　前記第３信号点および前記第４信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度０のオフ状態、他方を相対的強度１のオン状態にそれぞれ設定することで得られる、
　ことを特徴とする付記２に記載の光変調装置。
（付記４）
　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに１８０°の位相変調に相当する振幅の電圧をそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差９０°に相当するＤＣバイアス電圧を印加する、
　ことを特徴とする付記１－３のいずれか１項に記載の光変調装置。
（付記５）
　前記第１信号点は、前記位相シフタにより前記位相差が与えられた出力光と当該位相差が与えられない出力光との位相差を１８０°とすることで得られることを特徴とする付記１に記載の光変調装置。
（付記６）
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差が１８０°に設定され、
　前記第２信号点が、前記第１変調部を９０°の位相変調、前記第２変調部を－９０°の位相変調に設定することで得られ、
　前記第３信号点および前記第４信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度１のオン状態、他方を９０°あるいは－９０°の位相変調にそれぞれ設定することで得られる、
　ことを特徴とする付記５に記載の光変調装置。
（付記７）
　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに９０°の位相変調に応答する振幅の電圧と－９０°の位相変調に応答する振幅の電圧とをそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差１８０°に応答するＤＣバイアス電圧を印加する、
　ことを特徴とする付記１、５、６のいずれか１項に記載の光変調装置。
（付記８）
　前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
　前記制御手段が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記第１信号点と前記第２信号点との間で、Ｙ基底状態を前記第３信号点と前記第４信号点との間で生成することを特徴とする付記１－７のいずれか１項に記載の光変調装置。
（付記９）
　付記８に記載の光変調装置を有する、量子鍵配送システムの送信機。
（付記１０）
　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を用いた光変調方法であって、
　制御手段が、前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、
　前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
　ことを特徴とする光変調方法。
（付記１１）
　前記制御手段が前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の強度０のオフ状態に設定することで、前記第１信号点が得られることを特徴とする付記１０に記載の光変調方法。
（付記１２）
　前記制御手段が、
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差を９０°に設定し、
　前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の相対的強度１のオン状態に設定することで前記第２信号点が得られ、
　前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度０のオフ状態、他方を相対的強度１のオン状態にそれぞれ設定することで前記第３信号点および前記第４信号点が得られる、
　ことを特徴とする付記１１に記載の光変調方法。
（付記１３）
　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに１８０°の位相変調に相当する振幅の電圧をそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差９０°に相当するＤＣバイアス電圧を印加する、
　ことを特徴とする付記１０－１３のいずれか１項に記載の光変調方法。
（付記１４）
　前記第１信号点は、前記位相シフタにより前記位相差が与えられた出力光と当該位相差が与えられない出力光との位相差を１８０°とすることで得られることを特徴とする付記１０に記載の光変調方法。
（付記１５）
　前記制御手段が、
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差を１８０°に設定し、
　前記第１変調部を９０°の位相変調、前記第２変調部を－９０°の位相変調に設定することで前記第２信号点が得られ、
　前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度１のオン状態、他方を９０°あるいは－９０°の位相変調にそれぞれ設定することで前記第３信号点および前記第４信号点が得られる、
　ことを特徴とする付記１４に記載の光変調方法。
（付記１６）
　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに９０°の位相変調に応答する振幅の電圧と－９０°の位相変調に応答する振幅の電圧とをそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差１８０°に応答するＤＣバイアス電圧を印加する、
　ことを特徴とする付記１０、１４、１５のいずれか１項に記載の光変調方法。
（付記１７）
　前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
　前記制御手段が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記第１信号点と前記第２信号点との間で、Ｙ基底状態を前記第３信号点と前記第４信号点との間で生成することを特徴とする付記１０－１６のいずれか１項に記載の光変調方法。
（付記１８）
　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
　前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、
　前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
　ことを特徴とするプログラム。
　なお、本発明は、日本国にて２０１９年３月１８日に出願された特願２０１９－０４９８６３の特許出願に基づく優先権主張の利益を享受するものであり、当該特許出願に記載された内容は、全て本明細書に含まれるものとする。
　本発明は、光通信システム、特に量子鍵配送システムの光変調器に利用することができる。
１００　ネスト型変調器
１０１　位相シフタ
１０２　ＲＦ電極
１０３、１０４、１０６、１０７　接地（ＧＮＤ）電極
１０５　ＤＣバイアス電極
２００　制御部
２０１～２０３　カプラ
２０４　光強度モニタ
２０５　コントローラ
２０６　バイアス駆動回路
２０７　ＲＦ駆動回路
２０８　プログラムメモリ
３０１　レーザ光源
３０２　非対称干渉計
３０３　強度位相変調器
３０４　減衰器
３０５　乱数供給部
３０６　変調制御部
３０７　位相変調器（基底）
３０８　非対称干渉計
３０９、３１０　光子検出器
ＭＺＡ、ＭＺＢ　マッハツェンダ（ＭＺ）変調器
ＭＺＣ　親ＭＺ干渉計
ＲＦＡ、ＲＦＢ　高周波電圧
ＤＣＡ、ＤＣＢ、ＤＣＣ　ＤＣバイアス電圧

Claims (18)

  1. 　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
    　前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させる制御手段と、
    　を有し、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
    　ことを特徴とする光変調装置。
  2. 　前記第１信号点は、前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の強度０のオフ状態に設定することで得られることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
  3. 　前記位相シフタにより与えられる前記位相差が９０°に設定され、
    　前記第２信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の相対的強度１のオン状態に設定することで得られ、
    　前記第３信号点および前記第４信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度０のオフ状態、他方を相対的強度１のオン状態にそれぞれ設定することで得られる、
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
  4. 　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
    　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに１８０°の位相変調に相当する振幅の電圧をそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差９０°に相当するＤＣバイアス電圧を印加する、
    　ことを特徴とする請求項１－３のいずれか１項に記載の光変調装置。
  5. 　前記第１信号点は、前記位相シフタにより前記位相差が与えられた出力光と当該位相差が与えられない出力光との位相差を１８０°とすることで得られることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
  6. 　前記位相シフタにより与えられる前記位相差が１８０°に設定され、
    　前記第２信号点が、前記第１変調部を９０°の位相変調、前記第２変調部を－９０°の位相変調に設定することで得られ、
    　前記第３信号点および前記第４信号点が、前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度１のオン状態、他方を９０°あるいは－９０°の位相変調にそれぞれ設定することで得られる、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の光変調装置。
  7. 　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
    　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに９０°の位相変調に応答する振幅の電圧と－９０°の位相変調に応答する振幅の電圧とをそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差１８０°に応答するＤＣバイアス電圧を印加する、
    　ことを特徴とする請求項１、５、６のいずれか１項に記載の光変調装置。
  8. 　前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
    　前記制御手段が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記第１信号点と前記第２信号点との間で、Ｙ基底状態を前記第３信号点と前記第４信号点との間で生成することを特徴とする請求項１－７のいずれか１項に記載の光変調装置。
  9. 　請求項８に記載の光変調装置を有する、量子鍵配送システムの送信機。
  10. 　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を用いた光変調方法であって、
    　制御手段が、前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、
    　前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
    　ことを特徴とする光変調方法。
  11. 　前記制御手段が前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の強度０のオフ状態に設定することで、前記第１信号点が得られることを特徴とする請求項１０に記載の光変調方法。
  12. 　前記制御手段が、
    　前記位相シフタにより与えられる前記位相差を９０°に設定し、
    　前記第１変調部および前記第２変調部を共に出力光の相対的強度１のオン状態に設定することで前記第２信号点が得られ、
    　前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度０のオフ状態、他方を相対的強度１のオン状態にそれぞれ設定することで前記第３信号点および前記第４信号点が得られる、
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の光変調方法。
  13. 　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
    　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに１８０°の位相変調に相当する振幅の電圧をそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差９０°に相当するＤＣバイアス電圧を印加する、
    　ことを特徴とする請求項１０－１３のいずれか１項に記載の光変調方法。
  14. 　前記第１信号点は、前記位相シフタにより前記位相差が与えられた出力光と当該位相差が与えられない出力光との位相差を１８０°とすることで得られることを特徴とする請求項１０に記載の光変調方法。
  15. 　前記制御手段が、
    　前記位相シフタにより与えられる前記位相差を１８０°に設定し、
    　前記第１変調部を９０°の位相変調、前記第２変調部を－９０°の位相変調に設定することで前記第２信号点が得られ、
    　前記第１変調部および前記第２変調部の一方を出力光の強度１のオン状態、他方を９０°あるいは－９０°の位相変調にそれぞれ設定することで前記第３信号点および前記第４信号点が得られる、
    　ことを特徴とする請求項１４に記載の光変調方法。
  16. 　前記第１変調部および前記第２変調部の各々が、強度および位相変調の大きさを制御するための制御電極を有するＭＺ変調器であり、
    　前記制御手段が、前記第１変調部の第１制御電極と前記第２変調部の第２制御電極とに９０°の位相変調に応答する振幅の電圧と－９０°の位相変調に応答する振幅の電圧とをそれぞれ印加し、前記位相シフタに位相差１８０°に応答するＤＣバイアス電圧を印加する、
    　ことを特徴とする請求項１０、１４、１５のいずれか１項に記載の光変調方法。
  17. 　前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
    　前記制御手段が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記第１信号点と前記第２信号点との間で、Ｙ基底状態を前記第３信号点と前記第４信号点との間で生成することを特徴とする請求項１０－１６のいずれか１項に記載の光変調方法。
  18. 　マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
    　前記位相シフタにより与えられる前記位相差と前記第１変調部および前記第２変調部の各々により与えられる強度および位相の変調の大きさとを制御することで、前記ネスト型変調器の出力光をＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、
    　前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値であって、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有する、
    　ことを特徴とするプログラム。
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