JP6729852B2 - 符号化装置、ならびにそれに基づく量子鍵配送デバイスおよびシステム - Google Patents

Description

本出願は、２０１６年９月２７日に中国特許庁に出願された、「符号化装置、ならびにそれに基づく量子鍵配送デバイスおよびシステム」と題する中国特許出願第２０１６１０８５６２７７．３号に基づく優先権を主張し、当該出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

本発明は、光通信の分野に関し、特に、符号化装置、ならびにそれに基づく量子鍵配送（ＱＫＤ）デバイスおよびシステムに関する。

量子通信は、古典的な情報理論および量子力学に基づいて開発された通信技術である。現在、実用性のある量子通信技術は主に、量子鍵配送（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、ＱＫＤ）である。鍵のセキュリティは、測定崩壊理論（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｔｈｅｏｒｙ）、量子複製不可能定理、および不確定性原理などの量子力学の基本原理に依存する。従って、ＱＫＤシステムを用いて２つの通信する者に割り当てられている鍵が安全であることが理論的に証明されており、軍事、国家防衛、情報セキュリティなどの分野においてＱＫＤの広い応用が期待されている。

図１に示されている既存のＱＫＤシステムにおいて、量子光源が送信側（アリス側）に位置し、光パルスを生成するために用いられる。光パルスは、ビームスプリッタを用いることによって、２つの光パルスＰ１およびＰ２に分割される。Ｐ１は、ショートアーム（ｓｈｏｒｔ ａｒｍ）を通過し、Ｐ２は、ロングアーム（ｌｏｎｇ ａｒｍ）を通過する。ファラデー回転子ミラー（Ｆａｒａｄａｙ Ｒｏｒａｔｏｒ Ｍｉｒｒｏｒ、ＦＲＭ）を通過した後に、Ｐ１は、ビームスプリッタに戻る。変調器およびＦＲＭを通過した後に、Ｐ２は、ビームスプリッタに戻る。減衰器を順次通過し、単一光子レベルまで減衰された後に、２つの光パルスＰ１およびＰ２は、量子チャネルを用いることによって、受信側（ボブ側）へ送信される。変調器を通過しているとき、Ｐ２は、アリス側についての情報が追加された状態で変調される。

ボブ側において、Ｐ１およびＰ２は、サーキュレータにより順次受信され、ボブ側におけるビームスプリッタへ送信される。光パルスＰ１は、Ｐ１１およびＰ１２に分割され、光パルスＰ２は、Ｐ２０およびＰ２２に分割される。Ｐ１１およびＰ２０は、ショートアームを通過し、Ｐ１２およびＰ２２は、ロングアームを通過する。ＦＲＭを通過した後に、Ｐ１１およびＰ２０は、ビームスプリッタに戻る。変調器およびＦＲＭを通過して、ボブ側についての情報が追加された状態で変調された後に、Ｐ１２およびＰ２２は、ビームスプリッタに戻る。ボブ側のロングアームとショートアームとの間の光路差が、アリス側のロングアームとショートアームとの間の光路差に等しいので、Ｐ１２およびＰ２０は、同時にビームスプリッタに到着し、ビームスプリッタにおいて互いに干渉し、干渉信号が２つの単一光子検出器Ｄ１およびＤ２により取得される。対応する量子鍵配送プロトコルに従って、２つの単一光子検出器の検出結果を処理することによって、量子鍵を取得することができる。

しかしながら、既存のＱＫＤシステムにおいて、変調された光パルス（例えば、アリス側のＰ２およびボブ側のＰ１２）は全て、まず一度変調器を通過する必要があり、変調された光パルスの偏光方向がＦＲＭにより９０度回転させられた後に、回転させられた光パルスは再び、変調器を一度通過する。高速の変調器は全て、偏光依存性である。例えば、通常、ＴＥ偏光の挿入損失が６ｄＢであり、ＴＭ偏光の挿入損失が３０ｄＢであり、光パルスが一往復後に３６ｄＢ減衰されることに等しい。減衰が大きすぎる。従って、既存のＱＫＤシステムは、低速の変調器のみを用いることができ、高速通信の要求を満たすことができない。

本発明の目的は、符号化装置を提供することである。符号化装置は、既存のＱＫＤシステムにおけるＦＲＭおよび変調器を置換えることができ、これにより、既存のＱＫＤシステムが低速の変調器のみを用いることができ、高速通信の要求を満たすことができないという課題を解決する。

第１の態様によれば、偏光スプリッタ回転子ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを備える符号化装置が提供され、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートを用いて第１の偏光を偏光回転構造へ送信し、ＰＳＲの第３のポートを用いて第２の偏光を変調器へ送信し、ここで、第１の偏光の偏光モードは、第２の偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の偏光を取得し、回転させられた第１の偏光を変調器へ送信するよう構成され、変調器は、回転させられた第１の偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲの第３のポートへ送信するよう構成され、第２の偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、偏光回転構造はさらに、第２の信号光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて出力信号光を送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

本発明の本実施形態において、変調器を通過する光パルスの偏光方向が一致であり、両方とも、光パルスが比較的低い損失で変調器を通過する偏光方向である。従って、本発明の本実施形態において提供されている符号化装置を用いるＱＫＤシステムは、高速の変調器を用いることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

第１の態様に関連して、第１の態様の第１の可能な実装方式において、変調器の両端からＰＳＲへの光路が等しく、これにより、ＰＳＲにより分割することによって取得される２つの光は同時に変調器に到着することができることを保証し、変調器により行われる変調に必要とされる時間を短縮する。

第１の態様または第１の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第２の可能な実装方式において、偏光回転構造は、位相変調器または動的偏光制御器を含む。本発明の本実施形態は、平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＰＬＣ）技術に適用可能である。これは、符号化装置の小型化集積を容易にする。

第１の態様の第２の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第３の可能な実装方式において、第１の偏光が偏光回転構造を離れた後に、第２の信号光は偏光回転構造に入る。

第１の態様または第１の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第４の可能な実装方式において、偏光回転構造は、ファラデー結晶および偏光回転器ＰＲを含み、ファラデー結晶は、２つのポートを有し、ファラデー結晶の第１のポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させ、ファラデー結晶の第２のポートから入射する光の偏光方向を第２の方向に９０度回転させるよう構成され、第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向であり、第２の方向は、第１の方向と反対であり、ＰＲは、２つのポートを有し、ＰＲの２つのポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、ＰＲの第１のポートは、ファラデー結晶の任意のポートに接続される。

第１の態様の第４の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第５の可能な実装方式において、偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、第１の偏光子は、ファラデー結晶とＰＳＲとの間に位置し、第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成され、第２の偏光子は、ＰＲと変調器との間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、第２の偏光子は、ファラデー結晶とＰＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される。

第１の態様の第４の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第６の可能な実装方式において、偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、第１の偏光子は、ファラデー結晶と変調器との間に位置し、第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成され、第２の偏光子は、ＰＲとＰＳＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、第２の偏光子は、ファラデー結晶とＰＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される。

第１の態様の第５および第６の可能な実装方式において、２つの偏光子は、偏光回転構造の回転角が温度および入射光の波長に影響されることを防止することができる。全ての角度偏差が光強度偏差に変換される。ＱＫＤシステムに適用されるとき、偏光子は、システムのセキュリティおよび安定性を向上させることができる。

第１の態様の第４の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第７の可能な実装方式において、ＰＳＲ、偏光回転構造、および変調器は、偏光保持光ファイバを用いることによって互いに接続され、符号化装置における偏光状態の安定性を保証する。

第１の態様または第１の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第１の態様の第８の可能な実装方式において、ＰＳＲは、ＰＢＳおよびＰＲを有し、ＰＢＳは、入力信号光を、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割するよう構成され、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光を出力信号光に結合するようさらに構成され、ＰＲは、ＰＢＳと偏光回転構造との間、またはＰＢＳと変調器との間に位置し、ＰＲを通過する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である。

第２の態様によれば、ＰＳＲおよび偏光回転構造を備える光反射器が提供され、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートおよびＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて、第１の偏光および第２の偏光を偏光回転構造へ送信し、第１の偏光の偏光モードは、第２の偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の偏光を取得し、回転させられた第１の偏光をＰＳＲの第３のポートへ送信し、第２の偏光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、回転させられた第１の偏光、および第２の偏光を結合して出力信号光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いることによって出力信号光を送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

本発明の本実施形態に提供されている光反射器は円形構造であり、変調機能を有する装置を形成するように変調器と組み合わせられることができ、これにより、装置を通過して往復する光パルスが、変調器を一度だけ通過した後に変調された情報を保持することができ、それにより、システム損失を低減する。

第２の態様に関連して、第２の態様の第１の可能な実装方式において偏光回転構造は、位相変調器または動的偏光制御器を含む。本発明の本実施形態は、ＰＬＣ技術に適用可能である。これは、光反射器の小型化集積を容易にする。

第２の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第２の態様の第２の可能な実装方式において、第１の偏光が偏光回転構造を離れた後に、第２の偏光は偏光回転構造に入る。

第２の態様に関連して、第２の態様の第３の可能な実装方式において、偏光回転構造は、ファラデー結晶および偏光回転器ＰＲを含み、ファラデー結晶は、２つのポートを有し、ファラデー結晶の第１のポートから入射する光の偏光方向を、第１の方向に９０度回転させ、ファラデー結晶の第２のポートから入射する光の偏光方向を第２の方向に９０度回転させるよう構成され、第２の方向は、第１の方向と反対であり、ＰＲは、２つのポートを有し、ＰＲの２つのポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、ＰＲの第１のポートは、ファラデー結晶の任意のポートに接続される。

第２の態様の第３の可能な実装方式に関連して、第２の態様の第４の可能な実装方式において、偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、第１の偏光子は、ファラデー結晶とＰＳＲとの間に位置し、第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成され、第２の偏光子は、ＰＲと変調器との間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光または第２の偏光子の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、第２の偏光子は、ファラデー結晶とＰＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される。

第２の態様の第３の可能な実装方式に関連して、第２の態様の第５の可能な実装方式において、偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、第１の偏光子は、ファラデー結晶と変調器との間に位置し、第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成され、第２の偏光子は、ＰＲとＰＳＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、第２の偏光子は、ファラデー結晶とＰＲとの間に位置し、第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される。

第２の態様の第３の可能な実装方式に関連して、第２の態様の第６の可能な実装方式において、ＰＳＲ、偏光回転構造、および変調器は、偏光保持光ファイバを用いることによって互いに接続され、光反射器における偏光状態の安定性を保証する。

第２の態様または第２の態様の第１から第６の可能な実装方式のうちの任意の１つに関連して、第２の態様の第７の可能な実装方式において、ＰＳＲは、ＰＢＳおよびＰＲを含み、ＰＢＳは、入力信号光を、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割するよう構成され、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光を出力信号光に結合するようさらに構成され、ＰＲは、ＰＢＳと偏光回転構造との間に位置し、ＰＲを通過する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である。

第３の態様によれば、ビームスプリッタと、光反射器と、符号化装置とを備える符号化構造が提供され、ビームスプリッタは、入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割され、第１の偏光を光反射器へ送信し、第２の偏光を符号化装置へ送信するよう構成され、ビームスプリッタから光反射器への光路が、ビームスプリッタから符号化装置への光路に等しくなく、光反射器は、ＰＳＲおよび偏光回転構造を含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第１の偏光を受信し、第１の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートおよびＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて、第１の副偏光および第２の副偏光を偏光回転構造へ送信し、第１の副偏光の偏光モードは、第２の副偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第１の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第１の副偏光を取得し、回転させられた第１の副偏光をＰＳＲの第３のポートへ送信し、第２の副偏光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、回転させられた第１の副偏光、および第２の副偏光を結合して第３の偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第３の偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第３の偏光の偏光方向は、第１の偏光の偏光方向に垂直であり、符号化装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いることによって第２の偏光を受信し、第２の偏光を、第３の副偏光および第４の副偏光を分割し、ＰＳＲの第２のポートを用いて第３の副偏光を偏光回転構造へ送信し、ＰＳＲの第３のポートを用いて第４の副偏光を変調器へ送信し、第３の副偏光の偏光モードは、第４の副偏光の偏光モードと同じであるｍ」偏光回転構造は、第３の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第３の副偏光を取得し、回転させられた第３の副偏光を変調器へ送信するよう構成され、変調器は、回転させられた第３の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲの第３のポートへ送信するよう構成され、第４の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、偏光回転構造はさらに、第２の信号光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して第４の偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第４の偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第４の偏光の偏光方向は、第２の偏光の偏光方向に垂直であり、ビームスプリッタはさらに、第３の偏光および第４の偏光を送信するよう構成される。

本発明の本実施形態において提供されている符号化構造は、第１の態様および第２の態様に係る符号化装置および光反射器を備え、偏光依存性損失に対する自己補償を行う機能を有し、高速の変調器を用いることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

第３の態様に関連して、第３の態様の第１の可能な実装方式において、符号化構造はさらに、２つの光遅延線を含み、第１の光遅延線がビームスプリッタと光反射器との間に位置し、第２の光遅延線がビームスプリッタと符号化装置との間に位置し、２つの光遅延線の長さが異なる。

第４の態様によれば、量子光源と、符号化構造と、減衰器とを備える量子鍵送信デバイスが提供され、量子光源は、光パルスを照射し、光パルスを符号化構造へ送信するよう構成され、符号化構造は、ビームスプリッタと、光反射器と、符号化装置とを含み、ビームスプリッタは、光パルスを受信し、光パルスを第１の偏光および第２の偏光に分割し、第１の偏光を光反射器へ送信し、第２の偏光を符号化装置へ送信するよう構成され、ビームスプリッタから光反射器への光路と、ビームスプリッタから符号化装置への光路との間の差がＮであり、Ｎは自然数であり、光反射器は、ＰＳＲおよび偏光回転構造を含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第１の偏光を受信し、第１の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートおよびＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いることによって、第１の副偏光および第２の副偏光を偏光回転構造へ送信し、第１の副偏光の偏光モードは、第２の副偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第１の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の副偏光を取得し、回転させられた第１の副偏光をＰＳＲの第３のポートへ送信し、第２の副偏光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、回転させられた第１の副偏光、および第２の副偏光を結合して第３の偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第３の偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第３の偏光の偏光方向は、第１の偏光の偏光方向に垂直であり、符号化装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第２の偏光を受信し、第２の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートを用いて第３の副偏光を偏光回転構造へ送信し、ＰＳＲの第３のポートを用いて第４の副偏光を変調器へ送信し、第３の副偏光の偏光モードは、第４の副偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第３の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第３の副偏光を取得し、回転させられた第３の副偏光を変調器へ送信するよう構成され、変調器は、回転させられた第３の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲの第３のポートへ送信するよう構成され、第４の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、偏光回転構造はさらに、第２の信号光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して第４の偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第４の偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第４の偏光の偏光方向は、第２の偏光の偏光方向に垂直であり、ビームスプリッタはさらに、第３の偏光および第４の偏光を減衰器へ送信するよう構成され、減衰器は、第３の偏光および第４の偏光を単一光子レベルまで減衰し、量子チャネルを用いて減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を送信するよう構成される。

本発明の本実施形態において提供される量子鍵送信デバイスは、送信デバイスにおける偏光依存性損失に対する自己補償を行うことができ、２つの送信された光パルスが同じ偏光方向を有することを保証し、さらに、高速の変調器を用いることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

第５の態様によれば、サーキュレータと、符号化構造と、第１の単一光子検出器と、第２の単一光子検出器とを備える量子鍵受信デバイスが提供され、サーキュレータは、量子チャネルを用いて減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を受信し、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を符号化構造へ送信するよう構成され、符号化構造は、ビームスプリッタと、光反射器と、符号化装置とを含み、ビームスプリッタは、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を受信し、減衰された第３の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、減衰された第４の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、第１の副偏光および第３の副偏光を光反射器へ送信し、第２の副偏光および第４の副偏光を符号化装置へ送信するよう構成され、ビームスプリッタから光反射器への光路と、ビームスプリッタから符号化装置への光路との間の差がＮであり、Ｎは自然数であり、光反射器は、ＰＳＲおよび偏光回転構造を含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第１の副偏光を受信し、第１の副偏光を第５の副偏光および第６の副偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートおよびＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて第５の副偏光および第６の副偏光を偏光回転構造へ送信し、第５の副偏光の偏光モードは、第６の副偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第５の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第５の副偏光を取得し、回転させられた第５の副偏光をＰＳＲの第３のポートへ送信し、第６の副偏光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、回転させられた第５の副偏光、および第６の副偏光を結合して第１の出力偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第１の出力偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第１の出力偏光の偏光方向は、第１の副偏光の偏光方向に垂直であり、光反射器は、第３の副偏光に対して同じ処理を行い、第２の出力偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第２の出力偏光をビームスプリッタへ送信し、第２の出力偏光の偏光方向は、第３の副偏光の偏光方向に垂直であり、符号化装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第２の副偏光を受信し、第２の副偏光を第７の副偏光および第８の副偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートを用いて第７の副偏光を偏光回転構造へ送信し、ＰＳＲの第３のポートを用いて第８の副偏光を変調器へ送信し、第７の副偏光の偏光モードは、第８の副偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第７の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第７の副偏光を取得し、回転させられた第７の副偏光を変調器へ送信するよう構成され、変調器は、回転させられた第７の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲの第３のポートへ送信するよう構成され、第８の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、偏光回転構造はさらに、第２の信号光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して第３の出力偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第３の出力偏光をビームスプリッタへ送信するよう構成され、第３の出力偏光の偏光方向は、第２の副偏光の偏光方向に垂直であり、符号化装置は、第４の副偏光に対して同じ処理を行い、第４の出力偏光を取得し、ＰＳＲの第１のポートを用いて第４の出力偏光をビームスプリッタへ送信し、第４の出力偏光の偏光方向は、第２の副偏光の偏光方向に垂直であり、ビームスプリッタはさらに、第２の出力偏光および第３の出力偏光を互いに干渉させ、第１の干渉光および第２の干渉光を取得し、第１の干渉光および第２の干渉光をそれぞれサーキュレータおよび第２の単一光子検出器へ送信するよう構成され、サーキュレータはさらに、第１の干渉光を第１の単一光子検出器へ送信するよう構成され、２つの単一光子検出器は、第１の干渉光および第２の干渉光をそれぞれ検出するよう構成される。

本発明の本実施形態において提供されている受信デバイスは、受信デバイスにおける偏光依存性損失に対して自己補償を行う機能を有し、互いに干渉する２つの出力偏光の偏光方向が一致するよう保証し、それにより、干渉効果を高め、量子鍵生成率の増加に役立つ。受信デバイスはさらに、高速の変調器を用いることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

第６の態様によれば、第４の態様に係る送信デバイスおよび第５の態様に係る受信デバイスを備える量子鍵配送システムが提供される。

第７の態様によれば、ビームスプリッタと、単一光子検出器と、減衰器と、符号化装置とを備える量子鍵送信デバイスが提供され、ビームスプリッタは、少なくとも３つのポートを含み、第１のポートおよび第２のポートは、ビームスプリッタの一方の側に位置し、全ての残りのポートは、ビームスプリッタの他方の側に位置し、第１のポートは、減衰器に接続され、第２のポートは、単一光子検出器に接続され、第３のポートは、量子チャネルに接続され、ビームスプリッタは、量子チャネルを用いて光パルスを受信し、光パルスを第１の光パルスおよび第２の光パルスに分割し、第１のポートおよび第２のポートをそれぞれ用いて第１の光パルスおよび第２の光パルスを送信するよう構成され、減衰器はさらに、符号化装置に接続され、減衰器に入力された光パルスを減衰するよう構成され、単一光子検出器は、単一光子検出器に入力された光パルスを検出するよう構成され、検出された情報は、検出された光パルスがトロイの木馬により攻撃されるかを示すために用いられ、符号化装置は、偏光スプリッタ回転子ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートは、減衰器に接続され、ＰＳＲの第２のポートは、偏光回転構造に接続され、ＰＳＲの第３のポートは、変調器に接続され、ＰＳＲの第１のポートを用いて入力光パルスを受信し、入力光パルスを第１の偏光および第２の偏光に分割し、第１の偏光の偏光方向を９０度回転させて第３の偏光を取得し、ＰＳＲの第２のポートおよびＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて第１の偏光および第３の偏光を送信するよう構成され、変調器はさらに、偏光回転構造に接続され、変調器に入力された光パルスを変調するよう構成され、偏光回転構造は、一方の側から偏光回転構造に入った光パルスの偏光方向を１８０度回転させ、他方の側から偏光回転構造に入った光パルスの偏光方向を０度回転させるよう構成される。符号化装置の出力光パルスおよび入力光パルスの偏光方向は、互いに垂直である。

第８の態様によれば、第７の態様に係る量子鍵送信デバイスおよび既存の往復ＱＫＤシステムの受信デバイスを備える量子鍵配送システムが提供される。

第９の態様によれば、レーザと、偏光ビームスプリッタＰＢＳと、遠隔変調装置と、受信器とを備える遠隔変調システムが提供され、レーザは、ＰＢＳの第２のポートに接続され、第１の偏光を照射するよう構成され、ＰＢＳは、３つのポートを有し、ＰＢＳの第２のポートを用いて第１の偏光を受信し、伝送チャネルを介してＰＢＳの第１のポートを用いて第１の偏光を遠隔変調装置へ送信するよう構成され、遠隔変調装置は、偏光スプリッタ回転子ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、ＰＳＲは、３つのポートを有し、ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第２の偏光および第３の偏光に分割し、ＰＳＲの第２のポートを用いて第２の偏光を偏光回転構造へ送信し、ＰＳＲの第３のポートを用いて第３の偏光を変調器へ送信し、入力信号光は、第１の偏光が伝送チャネルを通過した後に取得され、第２の偏光の偏光モードは、第３の偏光の偏光モードと同じであり、偏光回転構造は、第２の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第２の偏光を取得し、回転させられた第２の偏光を変調器へ送信するよう構成され、変調器は、回転させられた第２の偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲの第３のポートへ送信するよう構成され、第３の偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、偏光回転構造はさらに、第２の信号光をＰＳＲの第２のポートへ送信するよう構成され、ＰＳＲはさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、伝送チャネルを介してＰＳＲの第１のポートを用いて出力信号光をＰＢＳへ送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直であり、ＰＢＳはさらに、ＰＢＳの第１のポートを用いて第４の偏光を受信し、ＰＢＳの第３のポートを用いて第４の偏光を受信器へ送信するよう構成され、第４の偏光は、出力信号光が伝送チャネルを通過した後に取得され、受信器は、第４の偏光を受信するよう構成される。

本発明の本実施形態に提供されている遠隔変調システムによれば、ＰＢＳは、第４の偏光のみを受信器へ送信する。従って、第４の偏光の偏光方向と同じ方向のノイズのみが導入され、このことは、ノイズが３ｄＢ減衰されることに等しい。さらに、ＰＢＳの挿入損失も、既存の遠隔変調システムにより用いられるサーキュレータの挿入損失より低い。

第９の態様に関連して、第９の態様の第１の可能な実装方式において、遠隔変調システムはさらに、ビームスプリッタを含み、第１の偏光を受信し、第１の偏光を２つの偏光に分割し、一方の偏光をＰＢＳへ送信し、他方の偏光を受信器へ送信するよう構成される。本発明の本実施形態は、遠隔コヒーレント変調システムに適用されることができる。

本発明の実施形態において、変調器を通過する光パルスの偏光方向が一致し、両方とも、比較的低い損失で光パルスが変調器を通過する偏光方向である。従って、本発明の実施形態において提供されている符号化装置を用いるＱＫＤシステムは、高速の変調器を用いることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

本発明の実施形態または従来技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、以下では、実施形態または従来技術を説明するために必要とされる添付の図面を簡潔に説明する。明らかに、以下の説明における添付の図面は単に、本発明のいくつかの実施形態を示しており、当業者は、創造努力なく、これらの添付の図面から、他の図面をさらに導出し得る。

既存のＱＫＤシステムを示す。

本発明の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化装置を示す。

本発明の別の実施形態に係る光反射器を示す。

本発明の別の実施形態に係る符号化構造を示す。

本発明の別の実施形態に係る量子鍵送信デバイスを示す。

本発明の別の実施形態に係る量子鍵受信デバイスを示す。

光パルスの偏光方向の変化の概略図である。

本発明の別の実施形態に係るＱＫＤシステムを示す。

本発明の別の実施形態に係る遠隔変調システムを示す。

本発明の別の実施形態に係る遠隔変調システムを示す。

本発明の別の実施形態に係る遠隔変調システムにおける可能な受信器構造を示す。

以下では、本発明の実施形態における添付の図面を参照して、本発明の実施形態における技術的解決手段を明確に、かつ完全に説明する。明らかに、説明されている実施形態は、本発明の実施形態の全てではなく、一部である。当業者により創造努力なく、本発明の実施形態に基づいて取得される全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲内に含まれるものとする。

以下の説明において、本発明を限定するためではなく、本発明を示すために、特定のシステム構造、インタフェース、および技術などの具体的な詳細は、本発明を十分に理解するために提供される。しかしながら、本発明はまた、これらの具体的な詳細を含まない他の実施形態においても実装され得ることを、当業者は理解するべきである。他のシナリオにおいて、不必要な詳細が本発明の説明を妨げることを防止するために、周知装置、回路、方法の詳細な説明が省略される。

「第１」、「第２」、「第３」および「第４」などの序数が本発明の実施形態に用いられているとき、序数が文脈に従って順序を表しているものではない限り、序数は単に、区別のために用いられていることが理解されるべきである。

本発明の実施形態は、ＰＣを用いて光パルスの偏光状態を変化させることなく、偏光依存性損失に対する自己補償を行う機能を有することができる符号化装置２００を提供する。図２に示されているように、符号化装置２００は、ＰＳＲ２１０と、偏光回転構造２２０と、変調器２３０とを備える。

ＰＳＲ２１０は、３つのポートを有し、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、ＰＳＲ２１０の第２のポートを用いて第１の偏光を偏光回転構造２２０へ送信し、ＰＳＲ２１０の第３のポートを用いて第２の偏光を変調器２３０へ送信し、第１の偏光の偏光モードは、第２の偏光の偏光モードと同じである。

ＰＳＲ２１０は、ＰＢＳと、偏光保持光ファイバの速／遅軸との間の相互接続を介して実装されることができる。具体的には、入射光がＰＢＳによりＴＥ偏光およびＴＭ偏光に分割された後に、出現するＴＥ偏光の偏光方向および出現するＴＭ偏光は、それぞれ速軸および遅軸に整列せずに、両方とも、偏光保持光ファイバの速軸に整列されるか、または、両方とも、偏光保持光ファイバの遅軸に整列される。この場合、ＰＳＲ２１０から出現した偏光は、偏光保持光ファイバと同じ軸方向に整列され、従って、同じ偏光モードを有する。

任意選択的に、ＰＳＲ２１０はさらに、別の実装構造２４０を有する。図３（ａ）に示されているように、実装構造２４０は、ＰＢＳ２４１およびＰＲ２４２を含む、ＰＢＳ２４１は、入力信号光を、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割するよう構成される。ＰＲ２４２は、ＰＢＳ２４１と偏光回転構造２２０との間に位置し、ＰＲ２４２を通過する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である。

本発明の全ての実施形態において、偏光方向の変化が、光の伝搬方向と逆向きに観察されることが留意されるべきである。

偏光回転構造２２０は、第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の偏光を取得し、回転させられた第１の偏光を変調器２３０へ送信するよう構成される。

任意選択的に、別の実施形態において、偏光回転構造２２０の実装構造２５０は、図４（ａ）において示されている。実装構造２５０は、ファラデー結晶２２１およびＰＲ２２２を含む。ファラデー結晶２２１は、２つのポートを有し、ファラデー結晶２２１の第１のポートから入射する光の偏光方向を、第１の方向に９０度回転させ、ファラデー結晶２２１の第２のポートから入射する光の偏光方向を、第２の方向に９０度回転させるよう構成され、第２の方向は、第１の方向と反対である。ＰＲ２２２は、２つのポートを有し、ＰＲ２２２の２つのポートから入射する光の偏光方向を、第１の方向に９０度回転させるよう構成され、ＰＲ２２２の第１のポートは、ファラデー結晶２２１の任意のポートに接続される。従って、偏光回転構造２５０は、偏光回転構造２２０の一端から入射する光の偏光方向を、１８０度回転させ、偏光回転構造２２０の他端から入射する光の偏光方向を０度回転させる機能を行うことができる。

さらに、偏光回転構造２２０の別の実装構造２６０が図４（ｂ）において示されている。実装構造２６０は、第１の偏光子２２３および第２の偏光子２２４を含む。第１の偏光子２２３は、ファラデー結晶２２１とＰＳＲ２１０との間に位置し、第１の偏光子２２３を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成される。第２の偏光子２２４は、ＰＲ２２２と変調器２３０との間に位置し、第２の偏光子２２４を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成される。あるいは、図４（ｃ）において示されている実装構造２７０において、第１の偏光子２２３の位置が変化しないまま維持され、第２の偏光子２２４は、ファラデー結晶２２１とＰＲ２２２との間に位置し、第２の偏光子２２４を通過する光の偏光方向を、第１の偏光の偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される。

あるいは、ファラデー結晶２２１およびＰＲ２２２の位置は、交換可能である。言い換えれば、第１の偏光子２２３は、ファラデー結晶２２１と変調器２３０との間に位置してよく、第２の偏光子２２４は、ＰＲ２２２とＰＳＲ２１０との間に位置するか、または、第１の偏光子２２３は、ファラデー結晶２２１と変調器２３０との間に位置し、第２の偏光子２２４は、ファラデー結晶２２１とＰＲ２２２との間に位置する。２つの偏光子の機能は、図４（ｂ）および図４（ｃ）において示されている偏光子の機能と一致する。

２つの偏光子は、ファラデー結晶２２１の回転角が温度および入射光の波長により影響されることを防止することができる。ファラデー結晶２２１の全ての角度偏差が光強度偏差に変換される。偏光補償の安定性に対する光強度偏差の影響が極めて小さく、１度の偏差角度が単に、１／１０００００００の光強度変動を引き起こすに過ぎない。ＱＫＤシステムにおいて、偏光方向の１度の振れの、システム全体のセキュリティに対する影響が大きく、盗聴者ＥＶＥは、この脆弱性を利用して有用な情報を直接盗聴することができる。しかしながら、光強度変動は、システムのセキュリティにほとんど影響を与えない。従って、本発明の実施形態がＱＫＤシステムに適用されるとき、ＱＫＤシステムのセキュリティを高めることができる。

任意選択的に、別の実施形態において、図５において示されているように、偏光回転構造２２０はさらに、別の実装方式２８０を有し、位相変調器（Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ＰＭ）または動的偏光制御器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、ＤＰＣ）を含む。

偏光回転構造２８０の両端から入射した光パルスがＰ１およびＰ２として示されると仮定すると、Ｐ１の偏光方向が１８０度回転させられ、Ｐ２の偏光方向が変化されていない。ＰＭおよびＤＰＣは両方とも、能動的なコントローラであり、両端から入射した光信号を処理できない。これは、Ｐ２が偏光回転構造２８０に到着したとき、Ｐ１が処理されており、偏光回転構造２８０を完全に離れたはずであることを必要とする。従って、Ｔａｃ≧Ｔａｂ＋Ｔｂｃ＋Ｗｐという関係が満されることが必要である。図７において示されているように、ＴａｂおよびＴａｃはそれぞれ、Ｐ１およびＰ２が偏光回転構造２８０に到着するまでかかった時間である。Ｔｂｃは、偏光回転構造２８０における光パルスＰ１の偏光回転に必要とされる時間であり、Ｗｐは、光パルスＰ１の全体のパルス幅である。入射光の波長および温度にも影響されるが、ＰＭまたはＤＰＣは、能動的な変調に起因して、リアルタイムで電圧を調整して制御することができ、入射光の波長および温度の影響に対して補償することが留意されるべきである。

概して、ＰＭは、光信号の位相を変調するよう構成されるのみで、光信号の偏光方向を調整することができない。しかしながら、π位相変調が光信号に適用される場合、偏光方向が１８０度回転させられたことに等しい。具体的には、光信号の平面波が
であり、偏光方向が１８０度回転させられた後に、
に変化すると仮定する。π位相変調が光信号に適用される場合も、光信号の平面波は
である。２つの場合は、同じ効果を有する。ＰＭは、π位相を変調するときのみ、光信号の偏光方向を調整する機能を行うことができることが留意されるべきである。ＰＭは、ＧＨｚレベルの変調率をサポートすることができ、ＰＬＣ技術に適用可能である。従って、ＰＭを用いる偏光回転構造２８０は、高速通信の要求を満たし、デバイスの小型化集積をさらに容易にする。

ＤＰＣは主に、全光機械型および電気光学制御型という２つのタイプに分類される。全光機械型は通常、機械的に制御され、従って、比較的低い速度を有するが全光機械型は、光ファイバに対して直接作用し、低い挿入損失の利点を有し、速度の要求が高くないシナリオに適用可能である。電気光学制御型は、電気光学型、圧電性型、光磁気型、および液晶型などのタイプを含み、適用される電場を用いて偏光状態を制御し、これにより、速度がミリ秒レベルに達することができ、従来技術における処理速度に等しい。しかしながら、本発明の本実施形態において、ＤＰＣは、Ｐ１およびＰ２の偏光方向をそれぞれ０度および１８０度回転させるためにのみ用いられる必要がある。従って、制御の複雑性が比較的低い。さらに、ＤＰＣは、ＰＬＣ技術にも適用可能であり、それにより、デバイスの小型化集積を容易にする。

ＰＳＲ２１０および偏光回転構造２２０が共に集積される場合、前述のデバイスは、光導波路を用いて互いに接続されるか、または、ＰＳＲ２１０および偏光回転構造２２０が別個のデバイスである場合、前述のデバイスは、偏光保持光ファイバを用いて互いに接続されることが留意されるべきである。

変調器２３０は、回転させられた第１の偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲ２１０の第３のポートへ送信するよう構成され、第２の偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造２２０へ送信するようさらに構成される。

具体的には、変調器２３０は、強度変調器（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＩＭ）、ＰＭ、四位相偏移変調方式変調器（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＱＰＳＫ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、又は同様のものであってよい。このことは、本発明の本実施形態において限定されない。

任意選択的に、変調器２３０の両端からＰＳＲ２１０への光路が等しく、それにより、変調器２３０が、ＰＳＲ２１０により分割された２つの偏光を同時に処理することができることを保証し、処理速度の増加に役立つ。具体的には、ＰＳＲ２１０と、偏光回転構造２２０と、変調器２３０とは、光導波路または偏光保持光ファイバを用いることによって、互いに接続される。

全ての高速の変調器は、偏光依存型であることが留意されるべきである。ＴＥ偏光モードにおける入射光の損失は、ＴＭ偏光モードにおける入射光の損失と異なり、通常、差が少なくとも２０ｄＢである。通常、ＴＥ偏光モードにおける損失は、約６ｄＢであり、ＴＭ偏光モードにおける損失は、約３０ｄＢである。３０ｄＢの損失は、通信システムにおいて、特に、非常に弱い光強度を有する量子通信システムにおいて許容できない。本発明の本実施形態において、ＰＳＲ２１０による分割によって取得された２つの偏光は、同じ偏光モードを有し、両方とも、ＴＥ偏光であり、高速の変調器をサポートすることができ、それにより、通信システムが受け入れることのできない損失が引き起こされることを回避する。

符号化装置２００がＴＭ偏光に対して低い損失を有する特定の変調器を用いる場合、ＰＳＲ２１０による分割によって取得された２つの偏光は代わりに、本発明の本実施形態におけるＴＭ偏光であってよいことが理解されるべきである。

偏光回転構造２２０はさらに、第２の信号光をＰＳＲ２１０の第２のポートへ送信するよう構成される。

任意選択的に、例えば、図４（ａ）において示される偏光回転構造２５０において、ＰＲ２２２はさらに、ＰＳＲ２１０の第３のポートから第１の信号光を受信し、第１の信号光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させて、回転させられた第１の信号光を取得するよう構成される。ファラデー結晶２２１はさらに、回転させられた第１の信号光の偏光方向を第２の方向に９０度回転させて、第１の信号光を復元するよう構成される。第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向であり、第２の方向は第１の方向と反対である。

ＰＳＲ２１０はさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて出力信号光を送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

任意選択的に、別の実施形態において、ＰＳＲ２４０は、ＰＢＳ２４１およびＰＲ２４２を含む。図３（ａ）に示されているように、ＰＢＳ２４１はさらに、偏光方向が互いに垂直である２つの信号光を、出力信号光に結合するよう構成される。ＰＲ２４２は、ＰＢＳ２４１と偏光回転構造２２０との間に位置し、ＰＲ２４２を通過する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である。

あるいは、ＰＳＲ２４０は、図３（ｂ）において示され、ＰＢＳ２４１およびＰＲ２４２を含んでよく、ＰＲ２４２は、ＰＢＳ２４１と変調器２３０との間に位置する。ＰＳＲ２４０の機能は、図３（ａ）に示されている構造における機能と同様であり、詳細はここでは再び説明されない。

結論として、本発明の本実施形態において提供されている符号化装置２００は、３つのポートを有するＰＳＲ２１０と、偏光回転構造２２０と、変調器２３０とを含む。入力信号光は、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて受信され、入力信号光は、第１の偏光および第２の偏光に分割され、第１の偏光の偏光モードは、第２の偏光の偏光モードと同じである。第１の偏光の偏光方向は、１８０度回転させられて、回転させられた第１の偏光を取得する。回転させられた第１の偏光、および第２の偏光は、変調されて、第１の信号光および第２の信号光をそれぞれ取得する。第１の信号光および第２の信号光は結合されて出力信号光を取得する。出力信号光は、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて送信される。出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

本発明の本実施形態において提供されている符号化装置２００は、高速の変調器をサポートすることができ、それにより、通信システムが受け入れるのできない損失が引き起こされることを回避し、高速通信の要求を満たす。

本発明の実施形態はさらに、光反射器６００を提供する。図６において示されているように、光反射器６００は、ＰＳＲ６０１および偏光回転構造６０２を含む。

ＰＳＲ６０１は、３つのポートを有し、ＰＳＲ６０１の第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、ＰＳＲ６０１の第２のポートおよびＰＳＲ６０１の第３のポートをそれぞれ用いて、第１の偏光および第２の偏光を偏光回転構造６０２へ送信し、第１の偏光の偏光モードは、第２の偏光の偏光モードと同じである。

偏光回転構造６０２は、第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の偏光を取得し、回転させられた第１の偏光をＰＳＲ６０１の第３のポートへ送信し、第２の偏光をＰＳＲ６０１の第２のポートへ送信するよう構成される。

ＰＳＲ６０１はさらに、回転させられた第１の偏光、および第２の偏光を結合して出力信号光を取得し、ＰＳＲ６０１の第１のポートを用いて、出力信号光を送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

本発明の別の実施形態は、符号化構造７００を提供する。符号化構造７００の可能な構造が図７において示されており、ビームスプリッタ７１０と、光反射器６００と、符号化装置２００とを含む。

ビームスプリッタ７１０は、入力信号光を受信し、入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、第１の偏光を光反射器６００へ送信し、第２の偏光を符号化装置２００へ送信するよう構成され、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路は、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への光路に等しくない。

光反射器６００は、ＰＳＲ６０１および偏光回転構造６０２を含む。ＰＳＲ６０１は、３つのポートを有し、ＰＳＲ６０１の第１のポートを用いて第１の偏光を受信し、第１の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、ＰＳＲ６０１の第２のポートおよびＰＳＲ６０１の第３のポートをそれぞれ用いて、第１の副偏光および第２の副偏光を偏光回転構造６０２へ送信し、第１の副偏光の偏光モードは、第２の副偏光の偏光モードと同じである。偏光回転構造６０２は、第１の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第１の副偏光を取得し、回転させられた第１の副偏光をＰＳＲ６０１の第３のポートへ送信し、第２の副偏光をＰＳＲ６０１の第２のポートへ送信するよう構成される。ＰＳＲ６０１はさらに、回転させられた第１の副偏光、および第２の副偏光を結合して第３の偏光を取得し、ＰＳＲ６０１の第１のポートを用いて第３の偏光をビームスプリッタ７１０へ送信するよう構成され、第３の偏光の偏光方向は、第１の偏光の偏光方向に垂直である。

符号化装置２００は、ＰＳＲ２１０と、偏光回転構造２２０と、変調器２３０とを含む。ＰＳＲ２１０は、３つのポートを有し、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて第２の偏光を受信し、第２の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、ＰＳＲ２１０の第２のポートを用いて第３の副偏光を偏光回転構造２２０へ送信し、ＰＳＲ２１０の第３のポートを用いて第４の副偏光を変調器２３０へ送信し、第３の副偏光の偏光モードは、第４の副偏光の偏光モードと同じである。偏光回転構造２２０は、第３の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第３の副偏光を取得し、回転させられた第３の副偏光を変調器２３０へ送信するよう構成される変調器２３０は、回転させられた第３の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲ２１０の第３のポートへ送信するよう構成され、第４の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造２２０へ送信するようさらに構成される。偏光回転構造２２０はさらに、第２の信号光をＰＳＲ２１０の第２のポートへ送信する構成される。ＰＳＲ２１０はさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して第４の偏光を取得し、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて第４の偏光をビームスプリッタ７１０へ送信するよう構成され、第４の偏光の偏光方向は、第２の偏光の偏光方向に垂直だえる。ビームスプリッタ７１０はさらに、第３の偏光および第４の偏光を送信するよう構成される。

具体的には、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路が、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への光路に等しくないので、第３の偏光および第４の偏光は、同時にビームスプリッタ７１０に到着しない。

任意選択的に、符号化構造７００はさらに、２つの光遅延線７２０を含み、第１の光遅延線７２１は、ビームスプリッタ７１０と光反射器６００との間に位置し、第２の光遅延線７２２がビームスプリッタ７１０と符号化装置２００との間に位置し、第１の光遅延線７２１の長さが第２の光遅延線７２２の長さと異なる。

本発明の本実施形態において、符号化構造７００は、光反射器６００および符号化装置２００を用い、従って、高速の変調器をサポートすることもでき、それにより、高速通信の要求を満たす。

図７は、可能な符号化構造７００を示しており、光反射器６００および符号化装置２００の位置を交換することができることが理解されるべきである。このことは、本実施形態においては限定されない。

本発明の別の実施形態は、量子鍵送信デバイス８００を提供する。図８に示されているように、量子鍵送信デバイス８００は、量子光源８１０と、符号化構造７００と、減衰器８２０とを備える。

量子光源８１０は、光パルスを照射し、光パルスを符号化構造７００へ送信するよう構成される。

符号化構造７００は、図７において示されている符号化構造である。量子光源により送信された光パルスは、符号化構造７００の入力信号光である。第３の偏光および第４の偏光は、同じ方式で入力信号光を処理することによって取得され、減衰器８２０へ送信される。入力信号光を処理する方式は、前述の実施形態において詳細に説明されており、詳細は、本発明の本実施形態においてここでは再び説明されない。

具体的には、符号化構造７００における光反射器６００および符号化装置２００はそれぞれ、光スイッチまたはＩＭをさらに含む。この場合、量子鍵送信デバイス８００は、位相および経路に基づいて符号化を行うために用いられる６状態の量子鍵配送プロトコル（ｓｉｘ−ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）または参照フレーム非依存プロトコル（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）をサポートすることができる。

減衰器８２０は、第３の偏光および第４の偏光を単一光子レベルまで減衰し、量子チャネルを用いて、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を送信するよう構成される。

単一光子レベルは、それぞれの光パルスに含まれる光子の数が平均して１桁であることを意味する。具体的には、それぞれの光パルスのエネルギーが約１ｅ−１９または１ｅ−１８ジュールである。

本発明の本実施形態において提供される量子鍵送信デバイスは、高速の変調器をサポートすることができ、それにより、高速通信の要求を満たす。

本発明の別の実施形態は、量子鍵受信デバイス９００を提供する。図９に示されているように、量子鍵受信デバイス９００は、サーキュレータ９１０と、符号化構造７００と、第１の単一光子検出器９２０と、第２の単一光子検出器９３０とを含む。

サーキュレータ９１０は、量子チャネルを用いて、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を受信し、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を符号化構造７００へ送信するよう構成され、２つの偏光の偏光方向は同じである。

符号化構造７００は、図７において示されている符号化構造であり、ビームスプリッタ７１０と、光反射器６００と、符号化装置２００とを含む。減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光は両方とも、符号化構造７００の入力信号光であり、第１の入力信号光および第２の入力信号光として示される。

ビームスプリッタ７１０は、２つの入力信号光を受信し、第１の入力信号光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、第２の入力信号光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、第１の副偏光および第３の副偏光を光反射器６００へ送信し、第２の副偏光および第４の副偏光を符号化装置２００へ送信するよう構成され、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路と、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への光路との間の差が、送信デバイスにおける対応する光路差に等しい。

光反射器６００は、第１の副偏光および第３の副偏光を受信し、２つの偏光を別々に処理し、第１の出力偏光および第２の出力偏光を取得するよう構成され、第１の副偏光および第３の副偏光は両方とも、光反射器６００の入力信号光である。具体的な処理方式は、前述の実施形態において説明されており、詳細は、本発明においてここでは再び説明されない。

符号化装置２００は、第２の副偏光および第４の副偏光を受信し、２つの偏光を別々に処理して第３の出力偏光および第４の出力偏光を取得するよう構成され、第２の副偏光および第４の副偏光は両方とも、符号化装置２００の入力信号光である。具体的な処理方式も前述の実施形態において説明されており、詳細は、本発明においてここでは再び説明されない。

ビームスプリッタ７１０はさらに、第２の出力偏光および第３の出力偏光を互いに干渉させて第１の干渉光および第２の干渉光を取得し、第１の干渉光および第２の干渉光をそれぞれ、サーキュレータ９１０および第２の単一光子検出器９３０へ送信するよう構成される。

具体的には、符号化構造７００において、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路は、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への光路に等しくない。ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路がより短いと仮定すると、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への経路は、ショートアームと称され、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への経路は、ロングアームと称される。従って、送信デバイスは、２つの偏光を送信する。受信デバイスにおいて、第１の偏光が第２の偏光より早く到着すると仮定すると、符号化構造７００におけるビームスプリッタ７１０は、第１の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、第２の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割する。第１の副偏光および第３の副偏光は、ショートアームを通過する。第１の副偏光および第３の副偏光が光反射器６００を通過した後に、第１の出力偏光および第２の出力偏光がそれぞれ取得される。第２の副偏光および第４の副偏光は、ロングアームを通過する。第２の副偏光および第４の副偏光が符号化装置２００を通過した後に、第３の出力偏光および第４の出力偏光がそれぞれ取得される。受信デバイスにおける符号化構造と送信デバイスとが同一であり、両方とも図７において示されている符号化構造７００であるので、受信デバイスにおける、ビームスプリッタ７１０から光反射器６００への光路と、ビームスプリッタ７１０から符号化装置２００への光路との間の差は、送信デバイスにおける対応する光路差と一致する。言い換えれば、送信デバイスにおけるロングアームおよび受信デバイスにおけるショートアームを通過する光と、送信デバイスにおけるショートアームおよび受信デバイスにおけるロングアームを通過する光とが、同時にビームスプリッタに到着する。従って、第２の出力偏光および第３の出力偏光は、同時にビームスプリッタ７１０に到着し、ビームスプリッタ７１０で互いに干渉し、第１の干渉光および第２の干渉光を取得する。

サーキュレータ９１０はさらに、第１の干渉光を第１の単一光子検出器９２０へ送信するよう構成される。

２つの単一光子検出器は、第１の干渉光および第２の干渉光をそれぞれ検出し、関連量子鍵配送プロトコルに従って量子鍵を取得するよう構成される。

第１の干渉光および第２の干渉光からの量子鍵を取得するべく、互いに干渉する２つの出力信号光は、送信デバイスの変調された情報および受信デバイスの変調された情報をそれぞれ保持する必要があることが留意されるべきである。本発明の本実施形態において、第１の偏光が第２の偏光より早く受信デバイスに到着するので、第１の偏光は、送信デバイスにおけるショートアームを通過し、第２の偏光は、送信デバイスにおけるロングアームを通過する。符号化装置２００がショートアームにあると仮定すると、第２の出力偏光は、送信デバイスの変調された情報を保持し、第３の出力偏光は、受信デバイスの変調された情報を保持する。符号化装置２００がロングアームにあると仮定すると、第２の出力偏光は、受信デバイスの変調された情報を保持し、第３の出力偏光は、送信デバイスの変調された情報を保持する。従って、量子鍵を本発明の本実施形態に従って取得することができる。

さらに、本発明の本実施形態において提供されている符号化構造はさらに、偏光依存性損失に対する自己補償を行う機能を有する。それぞれの光は、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割されることができ、偏光依存性損失は主に、光の２つの偏光方向における一致しない損失により引き起こされる。入力信号光がビームスプリッタ７１０から光反射器６００に到着するプロセスにおいて、入力信号光のＴＥ偏光の損失が１ｄＢであり、入力信号光のＴＭ偏光の損失が３ｄＢであると仮定する。従って、入力信号光が光反射器６００に到着したときの入力信号光の偏光方向は、入力信号光がビームスプリッタ７１０にあるときの入力信号光の偏光方向と異なる。図１０において示されているように、位置ｂにある入力信号光の偏光方向は、位置ａにある入力信号光の偏光方向と異なる。光反射器６００の出力信号光の偏光方向が入力信号光の偏光方向に垂直である場合、出力信号光のＴＥ偏光は、入力信号光のＴＭ偏光に対応し、出力信号光のＴＭ偏光は、入力信号光のＴＥ偏光に対応する。従って、入力信号光がビームスプリッタ７１０から光反射器６００に到着し、次に、出力信号光がビームスプリッタ７１０に戻るという全プロセスの後に、２つの偏光方向における光損失は両方とも、４ｄＢであり、すなわち、２つの偏光方向における損失は一致する。具体的には、中間の伝送プロセスにおいて引き起こされる偏光依存性損失が０であり、ビームスプリッタ７１０に送り返された出力信号光の偏光方向が、ビームスプリッタ７１０から送信された入力信号光の偏光方向に垂直である。図１０において示されているように、位置ｄにある入力信号光の偏光方向が、位置ａにある入力信号光の偏光方向に垂直である。符号化装置２００を通過する出力光および入力光の偏光方向も互いに垂直なので、入力信号光がビームスプリッタ７１０から符号化装置２００に到着し、次に、出力信号光がビームスプリッタ７１０に戻るという全プロセスの後に、２つの偏光方向における損失が一致することを保証することもできる。

従って、本発明の本実施形態において提供されている受信デバイスは、高速の変調器をサポートすることができ、それにより、高速通信の要求を満たし、さらに、受信デバイスにおける偏光依存性損失に対する自己補償を行うことができ、それにより、互いに干渉する２つの出力偏光の偏光方向が一致することを保証し、干渉効果を高め、量子鍵生成率の増加に役立つ。

本発明の別の実施形態は、ＱＫＤシステムを提供し、前述の実施形態において説明されている量子鍵送信デバイス８００および量子鍵受信デバイス９００を備える。特定の動作手順が以下の通りである。

量子光源８１０が送信デバイス８００に位置し、光パルスを生成するよう構成される。光パルスは、ビームスプリッタ７１０を通過し、２つの偏光Ｐ１およびＰ２に分割される。偏光Ｐ１は、ショートアームを通過し、Ｐ２は、ロングアームを通過する。光反射器６００を通過した後に、Ｐ１は、ビームスプリッタ７１０に戻る。符号化装置２００を通過した後に、Ｐ２は、ビームスプリッタ７１０に戻る。減衰器８２０を順次通過し、単一光子レベルまで減衰された後に、２つの偏光Ｐ１およびＰ２は、量子チャネルを用いて受信デバイス９００へ送信される。Ｐ２には、変調によって、符号化装置２００における送信デバイスについての情報が追加される。

受信デバイス９００において、Ｐ１およびＰ２は、サーキュレータ９１０により順次受信され、ビームスプリッタ７１０へ送信され、偏光Ｐ１は、Ｐ１１およびＰ１２に分割され、偏光Ｐ２は、Ｐ２０およびＰ２２に分割され、Ｐ１１およびＰ２０は、ショートアームを通過し、Ｐ１２およびＰ２２は、ロングアームを通過する。光反射器６００を通過した後に、Ｐ１１およびＰ２０は、ビームスプリッタ７１０に戻る。符号化装置２００を通過して変調によって受信デバイスについての情報が追加された後に、Ｐ１２およびＰ２２は、ビームスプリッタ７１０に戻る。受信デバイス９００におけるロングアームとショートアームとの間の光路差が、送信デバイス８００におけるものに等しいので、Ｐ１２およびＰ２０は、同時にビームスプリッタ７１０に到着し、ビームスプリッタ７１０において互いに干渉する。干渉信号は２つの単一光子検出器９２０および９３０により取得される。対応する量子鍵配送プロトコルに従って、２つの単一光子検出器の検出結果を処理することによって、量子鍵を取得することができる。

光反射器６００および符号化装置２００が偏光を処理するプロセスは、前述の実施形態において詳細に説明されていることが理解されるべきである。詳細は、本発明の本実施形態においてここでは再び説明されない。

本発明の本実施形態において提供されているＱＫＤシステムは、高速の変調器をサポートすることができ、それにより、高速通信の要求を満たし、さらに、システムにおける偏光依存性損失に対する自己補償を行うことができ、それにより、互いに干渉する２つの出力偏光の偏光方向が一致することを保証し、干渉効果を高め、量子鍵生成率の増加に役立つ。

本発明の別の実施形態は、ＱＫＤシステムを提供する。図１１において示されているように、ＱＫＤシステムは、アリス側およびボブ側を含む。アリス側は、符号化装置２００と、減衰器１１１０と、ビームスプリッタ１１２０と、単一光子検出器１１３０とを含む。ボブ側は、既存の往復ＱＫＤシステムのボブ側を用いる。

ビームスプリッタ１１２０は、少なくとも３つのポートを含み、第１のポートおよび第２のポートがビームスプリッタ１１２０の一方の側に位置し、残りのポートは全て、ビームスプリッタ１１２０の他方の側に位置し、第１のポートは、減衰器１１１０に接続され、第２のポートは、単一光子検出器１１３０に接続され、第３のポートは、量子チャネルに接続される。ビームスプリッタ１１２０は、量子チャネルを用いることによって光パルスを受信し、光パルスを第１の光パルスおよび第２の光パルスに分割し、第１のポートおよび第２のポートをそれぞれ用いて、第１の光パルスおよび第２の光パルスを送信するよう構成される。

減衰器１１１０はさらに、符号化装置２００に接続され、減衰器１１１０に入力された光パルスを減衰するよう構成される。

単一光子検出器１１３０は、単一光子検出器１１３０に入力された光パルスを検出するよう構成され、検出された情報は、検出された光パルスがトロイの木馬により攻撃されるかを示すために用いられる。

符号化装置２００は、ＰＳＲ２１０と、偏光回転構造２２０と、変調器２３０とを含む。ＰＳＲ２１０は、３つのポートを有し、ＰＳＲ２１０の第１のポートは、減衰器１１１０に接続され、ＰＳＲ２１０の第２のポートは、偏光回転構造２２０に接続され、ＰＳＲ２１０の第３のポートは、変調器２３０に接続される。ＰＳＲ２１０は、ＰＳＲ２１０の第１のポートを用いて入力光パルスを受信し、入力光パルスを第１の偏光および第２の偏光に分割し、第１の偏光の偏光方向を９０度回転させて、第３の偏光を取得し、ＰＳＲ２１０の第２のポートおよびＰＳＲ２１０の第３のポートをそれぞれ用いて、第１の偏光および第３の偏光を送信するよう構成される。変調器２３０はさらに、偏光回転構造２２０に接続され、変調器２３０に入力された光パルスを変調するよう構成される。偏光回転構造２２０は、一方の側から偏光回転構造２２０に入った光パルスの偏光方向を１８０度回転させ、他方の側から偏光回転構造２２０に入った光パルスの偏光方向を０度回転させるよう構成される。符号化装置２００の出力光パルスおよび入力光パルスの偏光方向は、互いに垂直である。

既存の往復ＱＫＤシステムと比較すると、本発明の本実施形態において提供されているＱＫＤシステムは、送信側でＰＣを用いる必要がなく、それにより、ＰＣオフセット補正速度の影響を回避し、システム速度を向上させる。

さらに、符号化装置２００は、ＱＫＤシステムの符号化装置として、量子通信の分野に適用され得るのみならず、遠隔変調装置として古典的な光分野にも適用され得る。

本発明の別の実施形態は、遠隔変調システムを提供する。図１２において示されているように、遠隔変調システムは、レーザ１２１０と、ＰＢＳ１２２０と、遠隔変調装置１２３０と、受信器１２４０とを含む。

レーザ１２１０は、ＰＢＳ１２２０の第２のポートに接続され、第１の偏光を照射するよう構成される。

レーザにより生成された光がＴＥ偏光またはＴＭ偏光であってよいことが留意されるべきである。

ＰＢＳ１２２０は、３つのポートを有し、ＰＢＳ１２２０の第２のポートを用いて第１の偏光を受信し、伝送チャネルを介してＰＢＳ１２２０の第１のポートを用いて第１の偏光を遠隔変調装置１２３０へ送信するよう構成される。

遠隔変調装置１２３０は、ＰＳＲ１２３１と、偏光回転構造１２３２と、変調器１２３３とを含む。ＰＳＲ１２３１は、３つのポートを有し、ＰＳＲ１２３１の第１のポートを用いて入力信号光を受信し、入力信号光を第２の偏光および第３の偏光に分割し、ＰＳＲ１２３１の第２のポートを用いて第２の偏光を偏光回転構造１２３２へ送信し、ＰＳＲ１２３１の第３のポートを用いて第３の偏光を変調器１２３３へ送信し、入力信号光は、第１の偏光が伝送チャネルを通過した後に取得され、第２の偏光の偏光モードは、第３の偏光の偏光モードと同じである。偏光回転構造１２３２は、第２の偏光の偏光方向を、１８０度回転させて、回転させられた第２の偏光を取得し、回転させられた第２の偏光を変調器１２３３へ送信するよう構成される。変調器１２３３は、回転させられた第２の偏光を変調して第１の信号光を取得し、第１の信号光をＰＳＲ１２３１の第３のポートへ送信するよう構成され、第３の偏光を変調して第２の信号光を取得し、第２の信号光を偏光回転構造１２３２へ送信するようさらに構成される。偏光回転構造１２３２はさらに、第２の信号光をＰＳＲ１２３１の第２のポートへ送信するよう構成される。ＰＳＲ１２３１はさらに、第１の信号光および第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、伝送チャネルを介してＰＳＲ１２３１の第１のポートを用いて出力信号光をＰＢＳ１２２０へ送信するよう構成され、出力信号光の偏光方向は、入力信号光の偏光方向に垂直である。

具体的には、遠隔変調装置１２３０における変調器は、ＰＭ、ＩＭ、ＱＰＳＫ変調器、又は同様のものであってよい。このことは、本発明の本実施形態において限定されない。

ＰＢＳ１２２０はさらに、ＰＢＳ１２２０の第１のポートを用いて第４の偏光を受信し、ＰＢＳ１２２０の第３のポートを用いて、第４の偏光を受信器１２４０へ送信するよう構成され、第４の偏光は、出力信号光が伝送チャネルを通過した後に取得される。

受信器１２４０は、第４の偏光を受信するよう構成される。

本発明の本実施形態において提供される遠隔変調システムにおいて、レーザ１２１０により生成された偏光がＴＥ偏光であり、ＰＢＳ１２２０の第１のポートは、伝送チャネルに接続され、ＰＢＳ１２２０の第２のポートは、ＴＥ偏光ポートであり、ＰＢＳ１２２０の第３のポートは、ＴＭ偏光ポートであると仮定する。遠隔変調システムの動作手順が以下の通りである。

レーザ１２１０は、ＴＥ偏光を生成する。ＴＥ偏光は、ＰＢＳ１２２０の第２のポートに到着し、次に、伝送チャネルを介して遠隔変調装置１２３０に到着する。伝送チャネルの影響に起因し、ＴＥ偏光の偏光方向が変化する。遠隔変調装置１２３０に到着する光は、入力信号光として示されてよい。遠隔変調装置１２３０において、入力信号光は変調されて、出力信号光を取得し、出力信号光が反射される。遠隔変調装置１２３０の出力信号光および入力信号光の偏光方向が互いに垂直なので、遠隔変調装置１２３０は、偏光依存性損失に対する自己補償を行う機能を有する。具体的には、出力信号光がＰＢＳ１２２０に戻ったとき、出力信号光の偏光方向は、ＰＢＳ１２２０により照射されたＴＥ偏光の偏光方向に垂直である。言い換えれば、出力信号光はＴＭ偏光に変化する。偏光依存性損失に対する自己補償の具体的な原理は、前述の実施形態において説明されており、詳細はここでは再び説明されない。

伝送チャネルを介してＰＢＳ１２２０に戻ったとき、出力信号光がＴＭ偏光に変化するので、出力信号光は、ＰＢＳ１２２０の第３のポートを用いて出力され、受信器１２４０に到着する。受信器１２４０において、出力信号光は復調され、変調された情報を抽出する。

結論として、本発明の本実施形態において提供されている遠隔変調システムにおいて、ＰＢＳ１２２０は、１つの偏光方向における光のみを受信器１２４０へ送信し、偏光方向と同じ方向におけるノイズのみが導入され、ノイズが３ｄＢ減衰されたことに等しい。さらに、ＰＢＳの挿入損失も、既存の遠隔変調システムにより用いられるサーキュレータの挿入損失より低い。

遠隔変調装置１２３０における変調器がＩＭである場合、入力信号光の強度が変調され、受信器１２４０が直接検出方式で出力信号光を復調し得るか、または、遠隔変調装置１２３０における変調器がＰＭ、ＱＰＳＫ変調器、又は同様のものである場合、変調器は、入力信号光に対して位相変調、または位相および強度変調の両方を行うことが留意されるべきである。この場合、受信器１２４０は、局部発振光を用いてコヒーレント受信方式で受信された光を復調する。レーザ１２１０と、ＰＢＳ１２２０と、受信器１２４０とは、偏光保持光ファイバまたは偏光保持導波路を用いて、互いに接続される。

任意選択的に、図１３において示されているように、遠隔変調システムはさらに、ビームスプリッタ１２５０を含む。ビームスプリッタ１２５０は、レーザ１２１０とＰＢＳ１２２０との間に位置し、レーザ１２１０の出力光を２つの光に分割し、一方の光をＰＢＳ１２２０に送信し、局部発振光として他方の光を受信器１２４０へ送信するよう構成される。

この場合、受信器１２４０により受信された出力信号光は、偏光方向が明確に定まっており、デュアル偏光受信を必要としない。従って、既存のコヒーレント受信器と比較すると、図１４において示されている単一偏光コヒーレント受信器は、受信器１２４０として用いられてよい。単一偏光コヒーレント受信器は、簡単な構造および低い挿入損失の特徴を有し、システム全体に対して、低コスト、低電力消費、および長伝送距離という利益をもたらす。

前述の説明は単に、本発明の具体的な実装方式であり、本発明の保護範囲を限定することを意図しない。本発明において開示されている技術範囲内に当業者により容易に案出できる任意の変更または置換は、本発明の保護範囲内に含まれるものとする。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲にしたがうものとする。

Claims (20)

1. 偏光スプリッタ回転子（ＰＳＲ）と、偏光回転構造と、変調器とを備える符号化装置であって、前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、前記入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートを用いて前記第１の偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記ＰＳＲの第３のポートを用いて前記第２の偏光を前記変調器へ送信するよう構成され、前記第１の偏光の偏光モードは、前記第２の偏光の偏光モードと同じであり、
   前記偏光回転構造は、前記第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第１の偏光を取得し、前記回転させられた第１の偏光を前記変調器へ送信するよう構成され、
   前記変調器は、前記回転させられた第１の偏光を変調して第１の信号光を取得し、前記第１の信号光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信するよう構成され、前記第２の偏光を変調して第２の信号光を取得し、前記第２の信号光を前記偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、
   前記偏光回転構造はさらに、前記第２の信号光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、
   前記ＰＳＲはさらに、前記第１の信号光および前記第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記出力信号光を送信するよう構成され、前記出力信号光の偏光方向は、前記入力信号光の偏光方向に垂直である、
   符号化装置。
2. 前記変調器の両端から前記ＰＳＲへの光路が等しい、請求項１に記載の符号化装置。
3. 前記偏光回転構造は、位相変調器または動的偏光制御器を含む、請求項１または２に記載の符号化装置。
4. 前記第１の偏光が前記偏光回転構造を離れた後に、前記第２の信号光は、前記偏光回転構造に入る、請求項３に記載の符号化装置。
5. 前記偏光回転構造は、ファラデー結晶および第１の偏光回転器（第１のＰＲ）を含み、
   前記ファラデー結晶は、２つのポートを有し、前記ファラデー結晶の第１のポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させ、前記ファラデー結晶の第２のポートから入射する光の偏光方向を第２の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向であり、前記第２の方向は、前記第１の方向と反対であり、
   前記第１のＰＲは、２つのポートを有し、前記第１のＰＲの前記２つのポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１のＰＲの第１のポートは、前記ファラデー結晶の任意のポートに接続される、請求項１から４のいずれか一項に記載の符号化装置。
6. 前記偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、
   前記第１の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記ＰＳＲとの間に位置し、前記第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成され、
   前記第２の偏光子は、前記第１のＰＲと前記変調器との間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光または前記第２の偏光子の前記偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、
   前記第２の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記第１のＰＲとの間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される、
   請求項５に記載の符号化装置。
7. 前記偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、
   前記第１の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記変調器との間に位置し、前記第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するによう構成され、
   前記第２の偏光子は、前記第１のＰＲと前記ＰＳＲとの間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、
   前記第２の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記第１のＰＲとの間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される、
   請求項５に記載の符号化装置。
8. 前記ＰＳＲ、前記変調器、および前記偏光回転構造は、偏光保持光ファイバを用いることによって、互いに接続される、請求項１から５のいずれか一項に記載の符号化装置。
9. 前記ＰＳＲは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）および第２のＰＲを含み、
   前記ＰＢＳは、前記入力信号光を、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割するよう構成され、偏光方向が互いに垂直である前記２つの偏光を前記出力信号光に結合するようさらに構成され、
   前記第２のＰＲは、前記ＰＢＳと前記偏光回転構造との間、または前記ＰＢＳと前記変調器との間に位置し、前記第２のＰＲを通過する光の偏光方向を、第１の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の符号化装置。
10. 偏光スプリッタ回転子（ＰＳＲ）および偏光回転構造を備える光反射器であって、
    前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、前記入力信号光を第１の偏光および第２の偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートおよび前記ＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて前記第１の偏光および前記第２の偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記第１の偏光の偏光モードは、前記第２の偏光び偏光モードと同じであり、
    前記偏光回転構造は、前記第１の偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第１の偏光を取得し、前記回転させられた第１の偏光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信し、前記第２の偏光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、
    前記ＰＳＲはさらに、前記回転させられた第１の偏光および前記第２の偏光を結合して出力信号光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記出力信号光を送信するよう構成され、前記出力信号光の偏光方向は、前記入力信号光の偏光方向に垂直である、
    光反射器。
11. 前記偏光回転構造は、位相変調器または動的偏光制御器を含む、請求項１０に記載の光反射器。
12. 前記第１の偏光が前記偏光回転構造を離れた後に、前記第２の偏光は、前記偏光回転構造に入る、請求項１０または１１に記載の光反射器。
13. 前記偏光回転構造は、ファラデー結晶および第１の偏光回転器（第１のＰＲ）を含み、
    前記ファラデー結晶は、２つのポートを有し、前記ファラデー結晶の第１のポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させ、前記ファラデー結晶の第２のポートから入射する光の偏光方向を第２の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向であり、前記第２の方向は、前記第１の方向と反対であり、
    前記第１のＰＲは、２つのポートを有し、前記第１のＰＲの前記２つのポートから入射する光の偏光方向を第１の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１のＰＲの第１のポートは、前記ファラデー結晶の任意のポートに接続される、請求項１０または１１に記載の光反射器。
14. 前記偏光回転構造はさらに、第１の偏光子および第２の偏光子を含み、
    前記第１の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記ＰＳＲとの間に位置し、前記第１の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向と同じ、また反対の方向に限定するよう構成され、
    前記第２の偏光子は、前記第１のＰＲと前記ＰＳＲとの間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光または前記第２の偏光子の前記偏光方向と同じ、または反対の方向に限定するよう構成されるか、または、
    前記第２の偏光子は、前記ファラデー結晶と前記第１のＰＲとの間に位置し、前記第２の偏光子を通過する光の偏光方向を、前記第１の偏光の前記偏光方向に垂直な方向に限定するよう構成される、
    請求項１３に記載の光反射器。
15. 前記ＰＳＲおよび前記偏光回転構造は、偏光保持光ファイバを用いることによって、互いに接続される、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の光反射器。
16. 前記ＰＳＲは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）および第２のＰＲを含み、
    前記ＰＢＳは、前記入力信号光を、偏光方向が互いに垂直である２つの偏光に分割するよう構成され、偏光方向が互いに垂直である前記２つの偏光を前記出力信号光に結合するようさらに構成され、
    前記第２のＰＲは、前記ＰＢＳと前記偏光回転構造との間に位置し、前記第２のＰＲを通過する光の偏光方向を、第１の方向に９０度回転させるよう構成され、前記第１の方向は、時計回り方向または反時計回り方向である、
    請求項１０から１５のいずれか一項に記載の光反射器。
17. 量子光源と、符号化構造と、減衰器とを備える量子鍵送信デバイスであって、
    前記量子光源は、光パルスを照射し、前記光パルスを前記符号化構造へ送信するよう構成され、
    前記符号化構造は、ビームスプリッタと、光反射器と、符号化装置とを含み、前記ビームスプリッタは、前記光パルスを受信し、前記光パルスを第１の偏光および第２の偏光に分割し、前記第１の偏光を前記光反射器へ送信し、前記第２の偏光を前記符号化装置へ送信するよう構成され、前記ビームスプリッタから前記光反射器への光路と、前記ビームスプリッタから前記符号化装置への光路との間の差がＮであり、Ｎは自然数であり、前記光反射器は、ＰＳＲおよび偏光回転構造を含み、前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて前記第１の偏光を受信し、前記第１の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートおよび前記ＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて、前記第１の副偏光および前記第２の副偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記第１の副偏光の偏光モードは、前記第２の副偏光の偏光モードと同じであり、前記偏光回転構造は、前記第１の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第１の副偏光を取得し、前記回転させられた第１の副偏光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信し、前記第２の副偏光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、前記ＰＳＲはさらに、前記回転させられた第１の副偏光および前記第２の副偏光を結合して第３の偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第３の偏光を前記ビームスプリッタへ送信するよう構成され、前記第３の偏光の偏光方向は、前記第１の偏光の偏光方向に垂直であり、前記符号化装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて前記第２の偏光を受信し、前記第２の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートを用いて、前記第３の副偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記ＰＳＲの第３のポートを用いて前記第４の副偏光を前記変調器へ送信し、前記第３の副偏光の偏光モードは、前記第４の副偏光の偏光モードと同じであり、前記偏光回転構造は、前記第３の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第３の副偏光を取得し、前記回転させられた第３の副偏光を前記変調器へ送信するよう構成され、前記変調器は、前記回転させられた第３の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、前記第１の信号光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信するよう構成され、前記第４の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、前記第２の信号光を前記偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、前記偏光回転構造はさらに、前記第２の信号光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、前記ＰＳＲはさらに、前記第１の信号光および前記第２の信号光を結合して第４の偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第４の偏光を前記ビームスプリッタへ送信するよう構成され、前記第４の偏光の偏光方向は、前記第２の偏光の偏光方向に垂直であり、前記ビームスプリッタはさらに、前記第３の偏光および前記第４の偏光を前記減衰器へ送信するよう構成され、
    前記減衰器は、前記第３の偏光および前記第４の偏光を単一光子レベルまで減衰させ、量子チャネルを用いて、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を送信するよう構成される、
    量子鍵送信デバイス。
18. サーキュレータと、符号化構造と、第１の単一光子検出器と、第２の単一光子検出器とを備える量子鍵受信デバイスであって、前記サーキュレータは、量子チャネルを用いて、減衰された第３の偏光および減衰された第４の偏光を受信し、前記減衰された第３の偏光および前記減衰された第４の偏光を前記符号化構造へ送信するよう構成され、
    前記符号化構造は、ビームスプリッタと、光反射器と、符号化装置とを含み、前記ビームスプリッタは、前記減衰された第３の偏光および前記減衰された第４の偏光を受信し、前記減衰された第３の偏光を第１の副偏光および第２の副偏光に分割し、前記減衰された第４の偏光を第３の副偏光および第４の副偏光に分割し、前記第１の副偏光および前記第３の副偏光を前記光反射器へ送信し、前記第２の副偏光および前記第４の副偏光を前記符号化装置へ送信するよう構成され、前記ビームスプリッタから前記光反射器への光路と、前記ビームスプリッタから前記符号化装置への光路との間の差がＮであり、Ｎは自然数であり、前記光反射器は、ＰＳＲおよび偏光回転構造を含み、前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて前記第１の副偏光を受信し、前記第１の副偏光を第５の副偏光および第６の副偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートおよび前記ＰＳＲの第３のポートをそれぞれ用いて前記第５の副偏光および前記第６の副偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記第５の副偏光の偏光モードは、前記第６の副偏光の偏光モードと同じであり、前記偏光回転構造は、前記第５の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて回転させられた第５の副偏光を取得し、前記回転させられた第５の副偏光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信し、前記第６の副偏光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、前記ＰＳＲはさらに、前記回転させられた第５の副偏光および前記第６の副偏光を結合して第１の出力偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第１の出力偏光を前記ビームスプリッタへ送信するよう構成され、前記第１の出力偏光の偏光方向は、前記第１の副偏光の偏光方向に垂直であり、前記光反射器は、前記第３の副偏光に対して同じ処理を実行して第２の出力偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第２の出力偏光を前記ビームスプリッタへ送信し、前記第２の出力偏光の偏光方向は、前記第３の副偏光の偏光方向に垂直であり、前記符号化装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて前記第２の副偏光を受信し、前記第２の副偏光を第７の副偏光および第８の副偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートを用いて前記第７の副偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記ＰＳＲの第３のポートを用いて前記第８の副偏光を前記変調器へ送信し、前記第７の副偏光の偏光モードは、前記第８の副偏光の偏光モードと同じであり、前記偏光回転構造は、前記第７の副偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第７の副偏光を取得し、前記回転させられた第７の副偏光を前記変調器へ送信するよう構成され、前記変調器は、前記回転させられた第７の副偏光を変調して第１の信号光を取得し、前記第１の信号光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信するよう構成され、前記第８の副偏光を変調して第２の信号光を取得し、前記第２の信号光を前記偏光回転構造へ送信するようさらに構成され、前記偏光回転構造はさらに、前記第２の信号光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、前記ＰＳＲはさらに、前記第１の信号光および前記第２の信号光を結合して第３の出力偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第３の出力偏光を前記ビームスプリッタへ送信するよう構成され、前記第３の出力偏光の偏光方向は、前記第２の副偏光の偏光方向に垂直であり、前記符号化装置は、前記第４の副偏光に対して同じ処理を行い、第４の出力偏光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記第４の出力偏光を前記ビームスプリッタへ送信し、前記第４の出力偏光の偏光方向は、前記第２の副偏光の偏光方向に垂直であり、前記ビームスプリッタはさらに、前記第２の出力偏光および前記第３の出力偏光を互いに干渉させて第１の干渉光および第２の干渉光を取得し、前記第１の干渉光および前記第２の干渉光をそれぞれ、前記サーキュレータおよび前記第２の単一光子検出器へ送信するよう構成され、
    前記サーキュレータはさらに、前記第１の干渉光を前記第１の単一光子検出器へ送信するよう構成され、
    前記２つの単一光子検出器は、前記第１の干渉光および前記第２の干渉光をそれぞれ検出するよう構成される、
    量子鍵受信デバイス。
19. レーザと、ＰＢＳと、遠隔変調装置と、受信器とを備える遠隔変調システムであって、
    前記レーザは、前記ＰＢＳの第２のポートに接続され、第１の偏光を照射するよう構成され、
    前記ＰＢＳは、３つのポートを有し、前記ＰＢＳの第２のポートを用いて前記第１の偏光を受信し、前記ＰＢＳの第１のポートを用いて伝送チャネルを介して、前記第１の偏光を前記遠隔変調装置へ送信するよう構成され、
    前記遠隔変調装置は、ＰＳＲと、偏光回転構造と、変調器とを含み、
    前記ＰＳＲは、３つのポートを有し、前記ＰＳＲの第１のポートを用いて入力信号光を受信し、前記入力信号光を第２の偏光および第３の偏光に分割し、前記ＰＳＲの第２のポートを用いて前記第２の偏光を前記偏光回転構造へ送信し、前記ＰＳＲの第３のポートを用いて前記第３の偏光を前記変調器へ送信し、前記入力信号光は、前記第１の偏光が前記伝送チャネルを通過した後に取得され、前記第２の偏光の偏光モードは、前記第３の偏光の偏光モードと同じであり、
    前記偏光回転構造は、前記第２の偏光の偏光方向を１８０度回転させて、回転させられた第２の偏光を取得し、前記回転させられた第２の偏光を前記変調器へ送信するよう構成され、
    前記変調器は、前記回転させられた第２の偏光を変調して第１の信号光を取得し、前記第１の信号光を前記ＰＳＲの前記第３のポートへ送信するよう構成され、前記第３の偏光を変調して第２の信号光を取得し、前記第２の信号光を前記偏光回転構造へ送信するよう構成され、
    前記偏光回転構造は、前記第２の信号光を前記ＰＳＲの前記第２のポートへ送信するよう構成され、
    前記ＰＳＲは、前記第１の信号光および前記第２の信号光を結合して出力信号光を取得し、前記ＰＳＲの前記第１のポートを用いて前記伝送チャネルを介して前記出力信号光を前記ＰＢＳへ送信するよう構成され、前記出力信号光の偏光方向は、前記入力信号光の偏光方向に垂直であり、
    前記ＰＢＳは、前記ＰＢＳの前記第１のポートを用いて第４の偏光を受信し、前記ＰＢＳの第３のポートを用いて前記第４の偏光を前記受信器へ送信するよう構成され、前記第４の偏光は、前記出力信号光が前記伝送チャネルを通過した後に取得され、
    前記受信器は、前記第４の偏光を受信するよう構成される、
    遠隔変調システム。
20. 前記遠隔変調システムはさらに、前記第１の偏光を受信し、前記第１の偏光を２つの偏光に分割し、一方の偏光を前記ＰＢＳへ送信し、他方の偏光を前記受信器へ送信するよう構成されるビームスプリッタを備える、請求項１９に記載の遠隔変調システム。