JP2023014764A - 位相変調器の校正方法、バランス型光検出器の校正方法及び位相変調器の校正システム - Google Patents
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Abstract
【課題】位相変調器及びバランス型光検出器の量子鍵配送のための高精度な校正方法を提供する。【解決手段】本発明に係る位相変調器の校正方法１は、位相の校正基準とする第一の遅延干渉計１０及び校正対象の位相変調器３０が光路に設置された第二の遅延干渉計２０を準備し、第一及び第二の遅延干渉計１０、２０のそれぞれについて、入力する１つのパルスから分割されたパルス間の時間間隔によって遅延時間を測定し、遅延時間を伝送クロックの周期に同期させ、前記第一の遅延干渉計について、入力する連続波レーザ光が出力において強め合う干渉となるように位相差を調整し、第一の遅延干渉計１０を前段、第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続した校正回路１００を組んで制御信号を確定することを含む。【選択図】図６
Description
本発明は、量子鍵配送における位相変調器の校正方法、バランス型光検出器の校正方法及び位相変調器の校正システムに関する。
量子鍵配送は、遠隔地に情報理論的安全な暗号鍵（乱数列）の共有を可能とする技術である。その安全性は物理法則によって理論的に担保されている。ただし、実際の通信機器の動作が理論上の動作と大きく乖離しないことが前提となる。
量子鍵配送では、光の位相状態を用いる方式による高速化、広帯域化の研究が進められている。この方式では、光の位相状態を情報のビット値に対応させて、光信号を位相変調して送受信する。位相変調は、高速光通信に使用されている技術であるが、量子鍵配送と光通信とでは、必要とされる位相精度は大きく異なる。例えば非特許文献１には、量子鍵配送装置を構成する部品における位相精度の重要性が指摘されている。
量子鍵配送では、光の位相状態を用いる方式による高速化、広帯域化の研究が進められている。この方式では、光の位相状態を情報のビット値に対応させて、光信号を位相変調して送受信する。位相変調は、高速光通信に使用されている技術であるが、量子鍵配送と光通信とでは、必要とされる位相精度は大きく異なる。例えば非特許文献１には、量子鍵配送装置を構成する部品における位相精度の重要性が指摘されている。
"Quantum key distribution with flawed and leaky source," M. Pereira, M. Curtty, and K.Tamaki, npj Quantum Information volume 5, Article number: 62 (2019)
光通信は、デジタル処理が可能であるため、光信号の位相に１０－２０度程度の誤差があっても問題なく通信が可能である。一方、量子鍵配送は、１パルスあたりの光子数が１未満の光波の位相を数度の正確さで確定する必要がある。光検出器で測定される状態に合わせて位相の制御を行うだけでは、量子鍵配送で必要とされる絶対的な位相精度が保証されているとはいえない。そのため、量子鍵配送においては、測定された位相が絶対的な位相精度を有することを保証できる技術が求められている。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたのであり、量子鍵配送に必要な精度の量子状態制御を保証するための高精度な位相変調器の校正方法、バランス型光検出器の校正方法、及び、位相変調器の校正システムを提供することを課題とする。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたのであり、量子鍵配送に必要な精度の量子状態制御を保証するための高精度な位相変調器の校正方法、バランス型光検出器の校正方法、及び、位相変調器の校正システムを提供することを課題とする。
かかる課題を解決するために、本発明に係る位相変調器の校正方法は、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正方法であって、位相の校正基準とする第一の遅延干渉計及び校正対象の位相変調器が光路に設置された第二の遅延干渉計を準備し、前記第一及び第二の遅延干渉計のそれぞれについて、入力する１つのパルスから分割されたパルス間の時間間隔によって遅延時間を測定し、前記遅延時間を伝送クロックの周期に同期させ、前記第一の遅延干渉計について、入力する連続波レーザ光が出力において強め合う干渉となるように位相差を調整し、前記第一の遅延干渉計を前段、前記第二の遅延干渉計を後段として縦続接続した校正回路を組んで前記制御信号を確定することを含む。
また、本発明に係る位相変調器の校正システムは、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正システムであって、校正回路と、前記校正回路に光を入力する光源と、前記校正回路の出力に接続される光検出器と、前記制御信号を発生させる制御信号発生器とを備え、前記校正回路は、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、位相差が強め合う干渉となるように調整されている第一の遅延干渉計を前段、遅延時間が前記伝送クロックの周期に同期され、校正対象の位相変調器が光路に設置されている第二の遅延干渉計を後段として縦続接続されている。
本発明によれば、位相変調器及びバランス型光検出器を高精度に校正して、量子鍵配送に必要な精度の量子状態制御を保証することが可能となり、高精度な校正を行うことができる位相変調器の校正システムの提供を可能にする。
［位相変調器の校正方法］
本発明に係る位相変調器の校正方法について、図面を参照しながら説明する。本発明における校正対象となる位相変調器は、図１に一例を示すように、量子鍵配送装置に使用される。位相変調器は、送信側及び受信側双方の遅延干渉計に設置されている。
位相変調器は、制御信号によって位相変調量が制御されるものであればよい。例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶の屈折率が電場によって変化する現象を利用して、電気信号によって位相変調を行うＬＮ位相変調器とすることができる。
本発明に係る位相変調器の校正方法１は、図２Ａに示すように、遅延干渉計の準備Ｓ１、遅延時間の同期Ｓ２、位相差の調整Ｓ３、制御信号の確定Ｓ４を含む。
本発明に係る位相変調器の校正方法について、図面を参照しながら説明する。本発明における校正対象となる位相変調器は、図１に一例を示すように、量子鍵配送装置に使用される。位相変調器は、送信側及び受信側双方の遅延干渉計に設置されている。
位相変調器は、制御信号によって位相変調量が制御されるものであればよい。例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶の屈折率が電場によって変化する現象を利用して、電気信号によって位相変調を行うＬＮ位相変調器とすることができる。
本発明に係る位相変調器の校正方法１は、図２Ａに示すように、遅延干渉計の準備Ｓ１、遅延時間の同期Ｓ２、位相差の調整Ｓ３、制御信号の確定Ｓ４を含む。
（遅延干渉計の準備）
遅延干渉計の準備Ｓ１は、第一の遅延干渉計１０及び第二の遅延干渉計２０を準備する手続きである。遅延干渉計は、入力される光を１対１の比率で２つに分けて、長光路を通った光と短光路を通った光とを再び重ね合わせて干渉させる装置である。
遅延干渉計は、例えばマッハツェンダ干渉計であり、光路長の調整手段を有している。遅延干渉計は、入力光の位相を短い周期で変化させた場合でも、長光路を通った光と短光路を通った光との間に生じる位相差の変動が小さいものが好ましい。このため、例えば石英を光路とする平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ、以下ＰＬＣと略記する）による非対称干渉計とし、光路長の調整のために、温度調整手段を用いることが実装方法の一例として挙げられる。
遅延干渉計の準備Ｓ１は、第一の遅延干渉計１０及び第二の遅延干渉計２０を準備する手続きである。遅延干渉計は、入力される光を１対１の比率で２つに分けて、長光路を通った光と短光路を通った光とを再び重ね合わせて干渉させる装置である。
遅延干渉計は、例えばマッハツェンダ干渉計であり、光路長の調整手段を有している。遅延干渉計は、入力光の位相を短い周期で変化させた場合でも、長光路を通った光と短光路を通った光との間に生じる位相差の変動が小さいものが好ましい。このため、例えば石英を光路とする平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ、以下ＰＬＣと略記する）による非対称干渉計とし、光路長の調整のために、温度調整手段を用いることが実装方法の一例として挙げられる。
第一の遅延干渉計１０は、図３Ａに一例を示すように、短光路１３Ａ及び長光路１３Ｂを有し、光路長の調整手段として、粗調手段１４Ａ及び微調手段１４Ｂを有している。粗調手段１４Ａは、例えばネジ等による機械的な調整である。微調手段１４Ｂは、例えば圧電素子等を用いた調整や、光路を形成する物質の温度変化による膨張及び収縮を利用した調整である。
第一の遅延干渉計１０は、入力端子１１Ａ、１１Ｂ及び出力端子１２Ａ、１２Ｂを有している。位相変調器の校正方法１では、一方の入力端子、例えば１１Ａが使用される。出力端子も一方、例えば１２Ａが使用されるが、両方を使用してもよい。２つの出力端子１２Ａ、１２Ｂからの出力は、例えば、短光路１３Ａを通った光と長光路１３Ｂを通った光との位相差が０度であれば、出力端子１２Ａから出力され、位相差が１８０度であれば、出力端子１２Ｂから出力される。
第一の遅延干渉計１０は、位相変調器の校正方法１において、位相の校正基準となる。このため、光路長を微細に調整でき、調整後の光路長が安定しているものが好ましい。
第一の遅延干渉計１０は、位相変調器の校正方法１において、位相の校正基準となる。このため、光路長を微細に調整でき、調整後の光路長が安定しているものが好ましい。
第二の遅延干渉計２０は、図３Ｂに示すように、校正対象となる位相変調器３０が短光路２３Ａに設置されている。位相変調器３０は、制御信号入力端子３１を有し、第二の遅延干渉計２０の外部から位相変調量の制御が可能である。第二の遅延干渉計２０は、少なくとも粗調手段２４Ａを有しており、微調手段を有していてもよい。
なお、粗調手段、微調手段及び制御入力端子は、図において省略する場合がある。
なお、粗調手段、微調手段及び制御入力端子は、図において省略する場合がある。
（遅延時間の同期）
遅延時間の同期Ｓ２は、第一及び第二の遅延干渉計１０、２０の遅延時間を伝送クロックの周期に同期させる手続きである。本発明に係る量子鍵配送では、伝送クロックの周期ごとに位相状態が設定される。遅延干渉計の遅延時間と伝送クロックの周期とを同期させることで、隣り合うタイムスロット間の光の干渉を測定することができる。
遅延時間の同期Ｓ２は、第一及び第二の遅延干渉計１０、２０の遅延時間を伝送クロックの周期に同期させる手続きである。本発明に係る量子鍵配送では、伝送クロックの周期ごとに位相状態が設定される。遅延干渉計の遅延時間と伝送クロックの周期とを同期させることで、隣り合うタイムスロット間の光の干渉を測定することができる。
遅延時間の同期Ｓ２は、遅延干渉計の遅延時間を測定し、光路長を調整することによって行う。遅延時間は、遅延干渉計にパルスレーザ光を入力し、入力する１つのパルスから分割されたパルス間の時間間隔によって測定する。第一の遅延干渉計１０の遅延時間を測定する場合、例えば図４に示すように、第一の遅延干渉計１０の１つの入力端子にパルスレーザＰＬを接続し、１つの出力端子に光検出器ＰＤを接続してオシロスコープＯＳＣで波形を測定する。入力するパルスＰ０１が、２つのパルスＰ０２、Ｐ０３に分割されて出力される場合、パルスＰ０２、Ｐ０３の時間間隔Δｔを測定し、時間間隔Δｔが伝送クロックの周期に一致するように、第一の遅延干渉計１０の短光路と長光路との光路長の差を調整する。
遅延時間の同期Ｓ２では、光路長の調整は、粗調手段によって行うことができる。例えば伝送クロックの周波数が１ＧＨｚであり、予め遅延時間が１ｎｓに設定された遅延干渉計を入手できる場合、調整の幅は、０．１ｍｍから１０ｍｍ程度であると見込まれる。
第二の遅延干渉計２０についても同様の手続きを行い、遅延時間の同期Ｓ２を経た第一及び第二の干渉計１０、２０を用いて、以降の手続きを行う。
第二の遅延干渉計２０についても同様の手続きを行い、遅延時間の同期Ｓ２を経た第一及び第二の干渉計１０、２０を用いて、以降の手続きを行う。
（位相差の調整）
位相差の調整Ｓ３は、位相の校正基準とする第一の遅延干渉計１０について、入力光が出力において強め合う干渉となるように、位相差を調整する手続きである。位相差の調整Ｓ３における入力光の波長は、光ファイバ等の送信側と受信側を結ぶ光通信路で使用される信号光の波長であり、例えば１．５５μｍである。
位相差の調整Ｓ３は、位相の校正基準とする第一の遅延干渉計１０について、入力光が出力において強め合う干渉となるように、位相差を調整する手続きである。位相差の調整Ｓ３における入力光の波長は、光ファイバ等の送信側と受信側を結ぶ光通信路で使用される信号光の波長であり、例えば１．５５μｍである。
位相差の調整Ｓ３における位相差とは、短光路を通った光と長光路を通った光との出力における位相差であり、短光路と長光路との光路長差に応じて変化する。また、入力光が出力において強め合う干渉となるとき、出力における光の強度が最大となる。このため、位相差の調整Ｓ３は、遅延干渉計の出力における光の強度が最大となるように光路長を調整することによって行う。
位相差の調整Ｓ３は、例えば図５に示すように、第一の遅延干渉計１０の１つの入力端子に連続波レーザＣＷを接続し、１つの出力端子にパワーメータＭ１を接続し、最大の値を示す光路長に調整する。
位相差の調整Ｓ３は、例えば図５に示すように、第一の遅延干渉計１０の１つの入力端子に連続波レーザＣＷを接続し、１つの出力端子にパワーメータＭ１を接続し、最大の値を示す光路長に調整する。
また、パワーメータＭ１の出力の最大値をＶｍａｘ、最小値をＶｍｉｎとするとき、（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／（Ｖｍａｘ＋Ｖｍｉｎ）で与えられる干渉明瞭度は、十分な干渉が生じているかどうかの指標となる。干渉明瞭度を用いれば、例えば一定の干渉明瞭度が確保できていない場合、校正システムの点検を行うといった対応が可能となる。
最大値Ｖｍａｘの付近で、さらに消光比を測定することができる。消光比が最大となるように調整することによって、より正確に光路長を調整することができる。消光比は、１０・ｌоｇ（Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎ）で与えられる。
最大値Ｖｍａｘの付近で、さらに消光比を測定することができる。消光比が最大となるように調整することによって、より正確に光路長を調整することができる。消光比は、１０・ｌоｇ（Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎ）で与えられる。
位相差の調整Ｓ３では、光路長の調整は、微調手段によって行う。例えば信号光の波長が１．５５μｍの場合、遅延干渉計の光路の屈折率を１．５とすれば、３６０度の位相差に相当する光路長は約１μｍである。このため、位相を４度以下の精度で制御するには１０ｎｍ程度の調整が必要となり、例えば圧電素子や温度によって調整することができる。温度による調整は、特に微細な調整ができるため好ましい。
位相差の調整Ｓ３を経た第一の遅延干渉計１０を位相校正の基準として、以降の手続きを行う。
位相差の調整Ｓ３を経た第一の遅延干渉計１０を位相校正の基準として、以降の手続きを行う。
（制御信号の確定）
制御信号の確定Ｓ４は、校正対象の位相変調器について、位相変調量に対応する制御信号の値を確定する手続きである。位相変調量と制御信号との対応関係は、正確には位相変調器の個体によって異なる。一つ一つの位相変調器について、位相変調量に対応する制御信号の値を確定することで、位相変調器の校正を行うことができる。位相変調量は、光を干渉させることによって観測することができる。
制御信号の確定Ｓ４は、図６に示すように、位相差の調整Ｓ３を経た第一の遅延干渉計１０を前段、遅延時間の同期Ｓ２を経た第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続した校正回路１００を組んで行う。位相変調器３０は、第二の遅延干渉計２０の短光路に設置されている。校正回路１００は、第二の遅延干渉計２０がＰＬＣ等であり、偏波依存性が問題となる場合には、第二の遅延干渉計２０の入力端子の手前に偏光フィルタ５０を有するのが好ましい。
制御信号の確定Ｓ４は、校正対象の位相変調器について、位相変調量に対応する制御信号の値を確定する手続きである。位相変調量と制御信号との対応関係は、正確には位相変調器の個体によって異なる。一つ一つの位相変調器について、位相変調量に対応する制御信号の値を確定することで、位相変調器の校正を行うことができる。位相変調量は、光を干渉させることによって観測することができる。
制御信号の確定Ｓ４は、図６に示すように、位相差の調整Ｓ３を経た第一の遅延干渉計１０を前段、遅延時間の同期Ｓ２を経た第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続した校正回路１００を組んで行う。位相変調器３０は、第二の遅延干渉計２０の短光路に設置されている。校正回路１００は、第二の遅延干渉計２０がＰＬＣ等であり、偏波依存性が問題となる場合には、第二の遅延干渉計２０の入力端子の手前に偏光フィルタ５０を有するのが好ましい。
制御信号の確定Ｓ４では、校正回路１００の前段１０の入力端子にパルスレーザＰＬを接続し、後段２０の出力端子に光検出器ＰＤを接続してオシロスコープＯＳＣで波形を測定する。位相変調器３０には、制御信号発生器４０が接続されている。制御信号発生器４０は、位相変調器３０を制御するための電圧信号等を発生する装置である。
図６に一例を示すように、入力するパルスＰ１１は、前段１０で２つのパルスＰ１２、Ｐ１３に分割され、後段２０で２つのパルスＰ１２、Ｐ１３のそれぞれが２つのパルスに分割される。前段１０及び後段２０の遅延時間は、どちらもΔｔであるため、時間間隔Δｔの３つのパルスＰ１４、Ｐ１５、Ｐ１６が後段２０から出力される。中央パルスＰ１５は、先頭のパルスＰ１４及び後尾のパルスＰ１６の中央に位置している。中央パルスＰ１５の強さは、位相変調器３０の位相変調量に対応している。
図６に一例を示すように、入力するパルスＰ１１は、前段１０で２つのパルスＰ１２、Ｐ１３に分割され、後段２０で２つのパルスＰ１２、Ｐ１３のそれぞれが２つのパルスに分割される。前段１０及び後段２０の遅延時間は、どちらもΔｔであるため、時間間隔Δｔの３つのパルスＰ１４、Ｐ１５、Ｐ１６が後段２０から出力される。中央パルスＰ１５は、先頭のパルスＰ１４及び後尾のパルスＰ１６の中央に位置している。中央パルスＰ１５の強さは、位相変調器３０の位相変調量に対応している。
量子鍵配送では、位相変調量が０度及び１８０度となる制御信号の値が必要となる。このため、制御信号発生器４０によって制御信号を調整しながら、中央パルスＰ１５を測定する。中央パルスＰ１５の強さは、位相変調量が０度のとき強め合う干渉によって最大となり、１８０度のときは弱め合う干渉によって最小となる。このため、中央パルスＰ１５の強さが最大となる制御信号を０度制御信号、最小となる制御信号を１８０度制御信号と定めることができる。
制御信号の確定Ｓ４を経て、０度及び１８０度の位相変調量に対応する制御信号の値が確定され、位相変調器の校正を終了する。
制御信号の確定Ｓ４を経て、０度及び１８０度の位相変調量に対応する制御信号の値が確定され、位相変調器の校正を終了する。
［バランス型光検出器の校正方法］
次に、本発明に係るバランス型光検出器の校正方法について説明する。本発明における校正対象となるバランス型光検出器は、一対の入力端子を有している。バランス型光検出器６０は、例えば図１に示すように、量子鍵配送装置の受信側の遅延干渉計に接続され、２つの入力端子間の光の強度の差を電気信号に変換して出力する装置である。出力された電気信号は、例えば信号処理装置のＡＤコンバータに入力される。
本発明に係るバランス型光検出器の校正方法２は、図２Ｂに示すように、遅延干渉計の準備Ｓ１、遅延時間の同期Ｓ２、位相差の調整Ｓ３、制御信号の確定Ｓ４、光検出器の調整Ｓ５を含む。遅延干渉計の準備Ｓ１から制御信号の確定Ｓ４までの手続きは、すでに説明した位相変調器の校正方法１と共通するため、説明を省略する。
次に、本発明に係るバランス型光検出器の校正方法について説明する。本発明における校正対象となるバランス型光検出器は、一対の入力端子を有している。バランス型光検出器６０は、例えば図１に示すように、量子鍵配送装置の受信側の遅延干渉計に接続され、２つの入力端子間の光の強度の差を電気信号に変換して出力する装置である。出力された電気信号は、例えば信号処理装置のＡＤコンバータに入力される。
本発明に係るバランス型光検出器の校正方法２は、図２Ｂに示すように、遅延干渉計の準備Ｓ１、遅延時間の同期Ｓ２、位相差の調整Ｓ３、制御信号の確定Ｓ４、光検出器の調整Ｓ５を含む。遅延干渉計の準備Ｓ１から制御信号の確定Ｓ４までの手続きは、すでに説明した位相変調器の校正方法１と共通するため、説明を省略する。
（光検出器の調整）
光検出器の調整Ｓ５は、バランス型光検出器が、偏りなく動作するように調整する手続きである。バランス型光検出器は、一対の入力光の強さの差を電気信号として出力することができる。このため、例えば、同じ強さの光に対して生成される電気信号の強さが、入力端子間で偏らないように調整する。光検出器の調整Ｓ５は、校正された位相変調器３０によって位相変調された光信号に基づいて行われる。
バランス型光検出器６０は、例えば図７に示すように、一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂ、光減衰器６１Ａ、６１Ｂ及びアンプ６５を有している。一対の入力光は、光減衰器６１Ａ、６１Ｂを介して一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂに照射される。一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂの光電流は、電流を電圧に変換するアンプ６５に入力され、光電流の差に対応する電圧が出力端子６６から出力される。
光検出器の調整Ｓ５は、バランス型光検出器が、偏りなく動作するように調整する手続きである。バランス型光検出器は、一対の入力光の強さの差を電気信号として出力することができる。このため、例えば、同じ強さの光に対して生成される電気信号の強さが、入力端子間で偏らないように調整する。光検出器の調整Ｓ５は、校正された位相変調器３０によって位相変調された光信号に基づいて行われる。
バランス型光検出器６０は、例えば図７に示すように、一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂ、光減衰器６１Ａ、６１Ｂ及びアンプ６５を有している。一対の入力光は、光減衰器６１Ａ、６１Ｂを介して一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂに照射される。一対のフォトダイオード６２Ａ、６２Ｂの光電流は、電流を電圧に変換するアンプ６５に入力され、光電流の差に対応する電圧が出力端子６６から出力される。
光検出器の調整Ｓ５は、校正回路１００の前段１０の入力端子に連続波レーザＣＷを接続し、後段２０の出力端子にバランス型光検出器６０を接続して行う。入力する連続波レーザ光の波長は、位相差の調整Ｓ３における連続波レーザ光の波長と同じである。バランス型光検出器６０の出力は、例えばオシロスコープによって電圧波形として測定することができる。位相変調器３０には、制御信号発生器４０が接続されている。
制御信号発生器４０は、位相変調器の校正方法１で定めた０度制御信号及び１８０度制御信号を交互に繰り返すように設定する。繰り返す周波数は、例えば伝送クロックの周波数である。後段２０の２つの出力は、０度制御信号のとき一方が強め合い、他方は弱め合う。反対に、１８０度制御信号のとき、一方が弱め合い、他方は強め合う。このように、後段２０の２つの出力からは、同じ強度の範囲で変化する逆相の光が出力される。
制御信号発生器４０は、位相変調器の校正方法１で定めた０度制御信号及び１８０度制御信号を交互に繰り返すように設定する。繰り返す周波数は、例えば伝送クロックの周波数である。後段２０の２つの出力は、０度制御信号のとき一方が強め合い、他方は弱め合う。反対に、１８０度制御信号のとき、一方が弱め合い、他方は強め合う。このように、後段２０の２つの出力からは、同じ強度の範囲で変化する逆相の光が出力される。
この出力光に対して、バランス型光検出器６０が、偏りなく動作するように調整する。バランス型光検出器６０が偏りなく動作するとき、出力電圧の振幅が最大となる。このため、出力電圧の振幅が最大となるように、一対の入力端子のそれぞれについて、バランス型光検出器６０の利得を調整する。さらに消光比を測定し、後段２０の出力における消光比が最大になるように、バランス型光検出器６０の利得を調整するのが好ましい。利得の調整は、例えば、光減衰器６１Ａ、６１Ｂの減衰量やアンプ６５の内部の抵抗素子等によって行うことができる。
位相変調器３０やバランス型光検出器６０は、量子鍵配送装置において使用され、校正された状態から変化を生じる場合がある。このため、例えば日数等の間隔を定めて、位相変調器の校正方法１及びバランス型光検出器の校正方法２による校正を定期的に行うのが好ましい。
位相変調器３０やバランス型光検出器６０は、量子鍵配送装置において使用され、校正された状態から変化を生じる場合がある。このため、例えば日数等の間隔を定めて、位相変調器の校正方法１及びバランス型光検出器の校正方法２による校正を定期的に行うのが好ましい。
［位相変調器の校正システム］
次に、本発明に係る位相変調器の校正システムについて説明する。位相変調器の校正システム３は、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器を校正対象とする。位相変調器は、例えばＬＮ位相変調器である。
位相変調器の校正システム３は、図８に示すように、校正回路１００と、光源７０と、光検出器８０と、制御信号発生器４０とを備えている。校正回路１００は、第一の遅延干渉計１０を前段、第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続されている。そして、第一の遅延干渉計１０は、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、位相差が強め合う干渉となるように調整されている。第二の遅延干渉計２０は、遅延時間が前記伝送クロックの周期に同期され、校正対象の位相変調器３０が光路に設置されている。校正回路１００は、後段２０の偏波依存性が問題となる場合には、後段２０の手前に偏光フィルタ５０を有するのが好ましい。
次に、本発明に係る位相変調器の校正システムについて説明する。位相変調器の校正システム３は、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器を校正対象とする。位相変調器は、例えばＬＮ位相変調器である。
位相変調器の校正システム３は、図８に示すように、校正回路１００と、光源７０と、光検出器８０と、制御信号発生器４０とを備えている。校正回路１００は、第一の遅延干渉計１０を前段、第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続されている。そして、第一の遅延干渉計１０は、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、位相差が強め合う干渉となるように調整されている。第二の遅延干渉計２０は、遅延時間が前記伝送クロックの周期に同期され、校正対象の位相変調器３０が光路に設置されている。校正回路１００は、後段２０の偏波依存性が問題となる場合には、後段２０の手前に偏光フィルタ５０を有するのが好ましい。
第一及び第二の遅延干渉計１０、２０、位相変調器３０及び制御信号発生器４０は、すでに説明したとおりである。光源７０は、例えばパルスレーザ又は連続波レーザである。光検出器８０は、光の強度に対応した電流又は電圧を出力し、後段２０の２つの出力の両方に接続してもよく、一方にのみ接続してもよい。
本発明に係る位相変調器の校正方法１は、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正方法であって、位相の校正基準とする第一の遅延干渉計１０及び校正対象の位相変調器３０が光路に設置された第二の遅延干渉計２０を準備し（Ｓ１）、第一及び第二の遅延干渉計１０、２０のそれぞれについて、入力する１つのパルスから分割されたパルス間の時間間隔によって遅延時間を測定し、遅延時間を伝送クロックの周期に同期させ（Ｓ２）、第一の遅延干渉計１０について、入力する連続波レーザ光が出力において強め合う干渉となるように位相差を調整し（Ｓ３）、第一の遅延干渉計１０を前段、第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続した校正回路１００を組んで制御信号を確定する（Ｓ４）ことを含む。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、光路差によって生じる位相差が０度（３６０度の整数倍を含む）であるように調整された第一の遅延干渉計１０を校正の基準とする。これにより、校正された位相変調器３０による位相変調量が、絶対的位相として正しい値であることを保証することができる。また、第一の遅延干渉計１０の位相差の調整は、連続光を用いて行う。これにより、位相の校正基準となる第一の遅延干渉計１０を容易な方法で正確に調整することができる。
位相変調器の校正方法１は、本来量子鍵配送で必要とされる微弱な光ではなく、減衰させる前の強い光パルスもしくは連続光を用いて校正することができる。このため、校正の正確さを高めることができ、伝送クロックの周波数が高い場合であっても、絶対的位相について高精度に校正することができる。そして、正確に校正された位相変調器を量子鍵配送における送信側及び受信側の双方に提供することによって、量子鍵配送装置の実装安全性を高めることができる。
位相変調器の校正方法１は、本来量子鍵配送で必要とされる微弱な光ではなく、減衰させる前の強い光パルスもしくは連続光を用いて校正することができる。このため、校正の正確さを高めることができ、伝送クロックの周波数が高い場合であっても、絶対的位相について高精度に校正することができる。そして、正確に校正された位相変調器を量子鍵配送における送信側及び受信側の双方に提供することによって、量子鍵配送装置の実装安全性を高めることができる。
第一の遅延干渉計１０の位相差の調整Ｓ３は、第一の遅延干渉計１０の温度を調整することによって行うのが好ましい。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、第一の遅延干渉計１０の位相差の調整を正確に行うことができる。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、第一の遅延干渉計１０の位相差の調整を正確に行うことができる。
第一の遅延干渉計１０の位相差の調整Ｓ３は、出力における消光比を測定し、消光比が最大となるように調整するのが好ましい。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、第一の遅延干渉計１０の位相差の調整をさらに正確に行うことができる。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、第一の遅延干渉計１０の位相差の調整をさらに正確に行うことができる。
制御信号の確定Ｓ４は、前段１０の入力にパルスレーザ光を入力して１つのパルスから分割され後段２０から出力される先頭及び後尾のパルスの中央に位置する中央パルスの強さを測定しながら制御信号を調整し、中央パルスの強さが最大となる制御信号を０度制御信号、最小となる制御信号を１８０度制御信号と定めるのが好ましい。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、明確でわかりやすい方法で正確な校正を行うことができる。
かかる構成により、位相変調器の校正方法１は、明確でわかりやすい方法で正確な校正を行うことができる。
本発明に係るバランス型光検出器の校正方法２は、位相変調器の校正方法１によって位相変調器３０が校正されている校正回路１００において、前段１０の入力に連続波レーザ光を入力して０度制御信号及び１８０度制御信号を交互に繰り返して位相変調器３０を制御し、後段２０の出力に接続したバランス型光検出器６０によって測定する消光比が最大となるようにバランス型光検出器６０の利得を調整することを含む。
かかる構成により、バランス型光検出器の校正方法２は、校正された第一の遅延干渉計１０及び位相変調器３０を校正の基準として、さらにバランス型光検出器６０を高精度に校正することができる。これにより、量子鍵配送の実装安全性をさらに高めることができる。
位相変調器の校正方法１及びバランス型光検出器の校正方法２によって校正された位相変調器及びバランス型光検出器を用いることで、量子鍵配送の実装安全性を担保すると共に、量子鍵配送装置が正しく実装されているかを判断することが可能となる。
かかる構成により、バランス型光検出器の校正方法２は、校正された第一の遅延干渉計１０及び位相変調器３０を校正の基準として、さらにバランス型光検出器６０を高精度に校正することができる。これにより、量子鍵配送の実装安全性をさらに高めることができる。
位相変調器の校正方法１及びバランス型光検出器の校正方法２によって校正された位相変調器及びバランス型光検出器を用いることで、量子鍵配送の実装安全性を担保すると共に、量子鍵配送装置が正しく実装されているかを判断することが可能となる。
本発明に係る位相変調器の校正システムは、制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正システムであって、校正回路１００と、校正回路１００に光を入力する光源７０と、校正回路１００の出力に接続される光検出器８０と、制御信号を発生させる制御信号発生器４０とを備え、校正回路１００は、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、位相差が強め合う干渉となるように調整されている第一の遅延干渉計１０を前段、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、校正対象の位相変調器３０が光路に設置されている第二の遅延干渉計２０を後段として縦続接続されている。
かかる構成により、位相変調器の校正システム３は、第一の遅延干渉計１０を位相の校正基準として、位相変調器３０を高精度に校正することができる。また、位相変調器の校正システム３によって、位相変調器の動作検証を行うことができる。これにより、量子鍵配送装置が正しく実現されているかどうかを判断することが可能となる。
なお、遅延干渉計は、ＰＬＣの他に、光路を空間や光ファイバ等とし、ハーフミラー等を用いて光学系を構成したものでもよい。
第二の遅延干渉計２０において、位相変調器３０は、短光路２３Ａではなく長光路２３Ｂに設置してもよい。また、第二の遅延干渉計２０への位相変調器３０の設置は、遅延時間の同期Ｓ２の後で行ってもよい。
第一の遅延干渉計１０の位相差の調整Ｓ３は、光路の近くに誘電体を挿入し、誘電体に印加する電圧を変化させる方法で行ってもよい。また、２つの出力端子にパワーメータＭ１、Ｍ２を接続して光の強度を測定してもよい。パワーメータではなく、図４に示すように、光検出器ＰＤ及びオシロスコープＯＳＣを接続して測定してもよい。
位相変調器の校正システム３は、光源７０を第一の遅延干渉計１０の位相差を調整した波長の光を発する連続波レーザとし、光検出器８０を校正対象のバランス型光検出器６０とすれば、バランス型光検出器の校正システムとして、バランス型光検出器６０を高精度に校正することができる。
第二の遅延干渉計２０において、位相変調器３０は、短光路２３Ａではなく長光路２３Ｂに設置してもよい。また、第二の遅延干渉計２０への位相変調器３０の設置は、遅延時間の同期Ｓ２の後で行ってもよい。
第一の遅延干渉計１０の位相差の調整Ｓ３は、光路の近くに誘電体を挿入し、誘電体に印加する電圧を変化させる方法で行ってもよい。また、２つの出力端子にパワーメータＭ１、Ｍ２を接続して光の強度を測定してもよい。パワーメータではなく、図４に示すように、光検出器ＰＤ及びオシロスコープＯＳＣを接続して測定してもよい。
位相変調器の校正システム３は、光源７０を第一の遅延干渉計１０の位相差を調整した波長の光を発する連続波レーザとし、光検出器８０を校正対象のバランス型光検出器６０とすれば、バランス型光検出器の校正システムとして、バランス型光検出器６０を高精度に校正することができる。
１ 校正方法（位相変調器）
２ 校正方法（バランス型光検出器）
３ 校正システム（位相変調器）
１０ 第一の遅延干渉計
２０ 第二の遅延干渉計
３０ 位相変調器
３１ 制御信号入力端子
４０ 制御信号発生器
５０ 偏光フィルタ
６０ バランス型光検出器
７０ 光源
８０ 光検出器
１００ 校正回路
２ 校正方法（バランス型光検出器）
３ 校正システム（位相変調器）
１０ 第一の遅延干渉計
２０ 第二の遅延干渉計
３０ 位相変調器
３１ 制御信号入力端子
４０ 制御信号発生器
５０ 偏光フィルタ
６０ バランス型光検出器
７０ 光源
８０ 光検出器
１００ 校正回路
Claims (6)
- 制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正方法であって、
位相の校正基準とする第一の遅延干渉計及び校正対象の位相変調器が光路に設置された第二の遅延干渉計を準備し、
前記第一及び第二の遅延干渉計のそれぞれについて、入力する１つのパルスから分割されたパルス間の時間間隔によって遅延時間を測定し、前記遅延時間を伝送クロックの周期に同期させ、
前記第一の遅延干渉計について、入力する連続波レーザ光が出力において強め合う干渉となるように位相差を調整し、
前記第一の遅延干渉計を前段、前記第二の遅延干渉計を後段として縦続接続した校正回路を組んで前記制御信号を確定する
ことを含む位相変調器の校正方法。 - 前記第一の遅延干渉計の位相差の調整は、前記第一の遅延干渉計の温度を調整することによって行う請求項１に記載の位相変調器の校正方法。
- 前記第一の遅延干渉計の位相差の調整は、出力における消光比を測定し、前記消光比が最大となるように調整する請求項１又は請求項２に記載の位相変調器の校正方法。
- 前記制御信号の確定は、前段の入力にパルスレーザ光を入力して１つのパルスから分割され後段から出力される先頭及び後尾のパルスの中央に位置する中央パルスの強さを測定しながら前記制御信号を調整し、前記中央パルスの強さが最大となる前記制御信号を０度制御信号、最小となる前記制御信号を１８０度制御信号と定める請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の位相変調器の校正方法。
- 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の位相変調器の校正方法によって前記位相変調器が校正されている前記校正回路において、
前記前段の入力に前記連続波レーザ光を入力して前記０度制御信号及び前記１８０度制御信号を交互に繰り返して前記位相変調器を制御し、前記後段の出力に接続したバランス型光検出器によって測定する消光比が最大となるように前記バランス型光検出器の利得を調整することを含むバランス型光検出器の校正方法。 - 制御信号によって位相変調量が制御される位相変調器の校正システムであって、
校正回路と、
前記校正回路に光を入力する光源と、
前記校正回路の出力に接続される光検出器と、
前記制御信号を発生させる制御信号発生器と
を備え、
前記校正回路は、遅延時間が伝送クロックの周期に同期され、位相差が強め合う干渉となるように調整されている第一の遅延干渉計を前段、遅延時間が前記伝送クロックの周期に同期され、校正対象の位相変調器が光路に設置されている第二の遅延干渉計を後段として縦続接続されている位相変調器の校正システム。
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