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JP4748329B2 - Communication system and synchronization method thereof - Google Patents

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JP4748329B2
JP4748329B2 JP2008122041A JP2008122041A JP4748329B2 JP 4748329 B2 JP4748329 B2 JP 4748329B2 JP 2008122041 A JP2008122041 A JP 2008122041A JP 2008122041 A JP2008122041 A JP 2008122041A JP 4748329 B2 JP4748329 B2 JP 4748329B2
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synchronization
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optical
optical signal
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章雄 田島
和佳子 前田
成五 高橋
聡寛 田中
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NEC Corp
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本発明は相対的に光パワーが小さい状態で信号を伝送する通信チャネルと相対的に大きい通常状態で信号を伝送する通信チャネルとを用いた通信システムに係り、特に通信装置間の同期確立方法に関する。   The present invention relates to a communication system using a communication channel for transmitting a signal in a relatively low optical power state and a communication channel for transmitting a signal in a relatively large normal state, and more particularly to a method for establishing synchronization between communication devices. .

量子暗号の分野では、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づき、送信器と受信器との間での盗聴を高い確率で検出できることが知られている。このことは、逆に言えば、送信器および受信器の間で盗聴されることなく秘密のビット列(暗号鍵)を共有することが可能であることを示している。秘密情報を共有する手順としては、たとえば4つの量子状態を用いたBB84(Bennett Brassard 84)プロトコル等が知られている。これを絶対安全性が証明されているバーナム(Vernam)暗号の鍵として用いることで高度な安全性を達成できる。BB84プロトコルによる鍵共有手順について簡単に説明する。   In the field of quantum cryptography, it is known that eavesdropping between a transmitter and a receiver can be detected with high probability based on Heisenberg's uncertainty principle. Conversely, this indicates that it is possible to share a secret bit string (encryption key) between the transmitter and the receiver without eavesdropping. As a procedure for sharing secret information, for example, a BB84 (Bennett Brassard 84) protocol using four quantum states is known. A high level of security can be achieved by using this as a key of the Vernam encryption whose absolute security is proved. A key sharing procedure based on the BB84 protocol will be briefly described.

図10はBB84に従った鍵共有手順ステップ1〜8を説明するための模式図である。   FIG. 10 is a schematic diagram for explaining key sharing procedure steps 1 to 8 according to BB84.

ステップ1: 送信器で暗号鍵の元データとなるランダムデータビットと、変調時の基底情報A(+基底または×基底)となるランダムデータと、によって位相変調データを生成して記憶する。 Step 1: At the transmitter, phase modulation data is generated and stored by using random data bits serving as original data of the encryption key and random data serving as base information A (+ base or × base) at the time of modulation.

ステップ2: 送信器で光パルスを位相変調データによって位相変調し、量子チャネルを介して受信器に送信する。 Step 2: The optical pulse is phase-modulated by the phase modulation data at the transmitter and transmitted to the receiver via the quantum channel.

ステップ3: 受信器でもランダムな基底データ(+基底または×基底)に基づいて送信器からの光パルスを位相変調して干渉計を経て受信する。 Step 3: The receiver also phase-modulates the optical pulse from the transmitter based on random basis data (+ basis or x basis) and receives it through the interferometer.

ステップ4: 受信器で受信することができた光データビット(検出出力)と、その時の基底情報Bとを記憶し、規定情報Bを送信器へ古典チャネルを介して送信する。 Step 4: The optical data bits (detection output) that can be received by the receiver and the base information B at that time are stored, and the prescribed information B is transmitted to the transmitter via the classical channel.

ステップ5: 送信器では受信器から送られた基底情報Bと記憶していた基底情報Aとを比較し、もとデータであるランダムデータビットのうちの基底の合致しないビットを破棄する。 Step 5: The transmitter compares the base information B sent from the receiver with the stored base information A, and discards the bits that do not match the base among the random data bits that are the original data.

ステップ6: 送信器から受信器へ、破棄されずに残ったビットのビット番号を古典チャネルを介して送信する。 Step 6: Transmit the bit number of the remaining bits from the transmitter to the receiver through the classical channel.

ステップ7: 受信器では送信器から送られたビット番号以外の検出データビットを破棄する。 Step 7: The receiver discards the detected data bits other than the bit number sent from the transmitter.

ステップ8: 最終的に残ったデータビットを送信器と受信器とで共有される暗号化鍵データとする。 Step 8: Finally, the remaining data bits are used as encryption key data shared between the transmitter and the receiver.

このような鍵共有方式を採用した量子暗号鍵配布システムがいくつか提案されている。特にスイスのジュネーブ大学で提案されたPlug&Play方式(非特許文献1〜3参照)は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。Plug&Play方式の概略的構成を図11に示す。   Several quantum cryptographic key distribution systems that employ such a key sharing scheme have been proposed. In particular, the Plug & Play method (see Non-Patent Documents 1 to 3) proposed at the University of Geneva in Switzerland can compensate for polarization fluctuations in the optical fiber transmission line, and thus puts a polarization-sensitive quantum encryption key distribution system into practical use. It is expected as a method for doing this. FIG. 11 shows a schematic configuration of the Plug & Play system.

図11に示すように、Plug&Play方式では、まず、量子暗号鍵の受信器のレーザLDで光パルスPを発生させ、それを2分割し、一方の光パルスP1は短いパスを通して、他方の光パルスP2は長いパスを通して、それぞれ相前後して送信器へ送信される。アリスは光パルスP1およびP2を順次受信すると、光パルスP1をファラデーミラーで反射させ偏光状態を90度回転させて受信器へ返送し、光パルスP2をファラデーミラーで同様に反射させると共に位相変調して位相変調された光パルスP2*Aを受信器へ返送する。 As shown in FIG. 11, in the Plug & Play system, first, an optical pulse P is generated by a laser LD of a quantum cryptography key receiver, and is divided into two. One optical pulse P1 passes through a short path, and the other optical pulse P2 is transmitted to the transmitter in succession through a long path. When Alice receives the light pulses P1 and P2 in sequence, the light pulse P1 is reflected by the Faraday mirror, the polarization state is rotated by 90 degrees and returned to the receiver, and the light pulse P2 is similarly reflected by the Faraday mirror and phase-modulated. The phase-modulated optical pulse P2 * A is returned to the receiver.

受信器では、送信器から受信した光パルスP1を送信時とは異なる長いパスを通すと共に位相変調し、位相変調された光パルスP1*Bを得る。他方、送信器で位相変調された光パルスP2*Aは送信時とは異なる短いパスを通した後、受信器で位相変調された光パルスP1*Bと干渉させ、その結果を光子検出器APD1またはAPD2で検出する。全体として、受信器内で2分割された光パルスP1およびP2は同じ光パスを通過して干渉するので、光子検出器で観測される干渉結果は光ファイバ伝送路の遅延変動が相殺され、送信器の位相変調と受信器の位相変調との差に依存する。 In the receiver, the optical pulse P1 received from the transmitter is passed through a long path different from that at the time of transmission and phase-modulated to obtain a phase-modulated optical pulse P1 * B. On the other hand, the optical pulse P2 * A phase-modulated by the transmitter passes through a short path different from that at the time of transmission and then interferes with the optical pulse P1 * B phase-modulated by the receiver, and the result is the photon detector APD1. Or it detects with APD2. As a whole, since the optical pulses P1 and P2 divided into two in the receiver pass through the same optical path and interfere with each other, the interference result observed by the photon detector cancels the delay variation of the optical fiber transmission line, and is transmitted. Depending on the difference between the phase modulation of the receiver and the phase modulation of the receiver.

このような構成を有するPlug&Play方式では次のような同期をとる必要がある:
1)送信器において、受信器から送られた光パルスP2をパルスに合わせて変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる;
2)受信器において、送信器から反射されてきた光パルスP1を変調するために光ファイバ伝送路の遅延変動に追従させる;および
3)受信器で光パルスを受信する時、光検出器に印加するバイアスを受信光パルスに合わせる(ガイガーモードでの超高感度受信)。
The Plug & Play system having such a configuration needs to synchronize as follows:
1) In the transmitter, the optical pulse P2 sent from the receiver is caused to follow the delay variation of the optical fiber transmission line in order to modulate in accordance with the pulse;
2) At the receiver, the optical pulse P1 reflected from the transmitter is caused to follow the delay variation of the optical fiber transmission line in order to modulate; and 3) When the optical pulse is received at the receiver, it is applied to the photodetector. Adjust the bias to be adjusted to the received light pulse (super high sensitivity reception in Geiger mode).

さらに、量子暗号鍵配布システムでは、基本情報のやりとり、鍵生成シーケンスにおいてもビット位置の同期を確立する必要がある。   Furthermore, in the quantum key distribution system, it is necessary to establish bit position synchronization in the exchange of basic information and the key generation sequence.

しかしながら、量子暗号鍵配布システムでは、従来の光通信と大きく異なり、光パワーレベルが高々単一光子レベルと微少であるため、量子チャネルを利用して従来の古典チャネルのようなクロック抽出を行うことが不可能である。量子チャネルとは、送信器から受信器へ送信する光パワーが1photon/bit以下の微弱な状態の通信チャネルをいい、古典チャネルとは通常の光パワー領域での通信チャネルをいう。   However, the quantum key distribution system is very different from the conventional optical communication, and the optical power level is as small as a single photon level. Therefore, the clock extraction like the conventional classical channel is performed using the quantum channel. Is impossible. The quantum channel refers to a weak communication channel in which the optical power transmitted from the transmitter to the receiver is 1 photon / bit or less, and the classical channel refers to a communication channel in the normal optical power region.

つまり、量子チャネルを利用して光パワーレベルが微少な光で通信している時には、光検出器APDにほとんど光が到達しないので、例えば送信側がマーク率1/2のデータを送っても、受信側のマーク率が1/2よりもはるかに小さくなり、データの欠損が生じ、正しい周期のクロックを抽出することができない。このような量子チャネルにおける同期をとるためには、通常、古典チャネルが利用されている。   In other words, when communicating with light having a very low optical power level using a quantum channel, almost no light reaches the photodetector APD. For example, even if the transmitting side sends data with a mark ratio of 1/2, it can be received. The mark ratio on the side becomes much smaller than 1/2, data loss occurs, and a clock with a correct period cannot be extracted. In order to achieve synchronization in such a quantum channel, a classical channel is usually used.

例えば、特表平08−505019号公報(特許文献1)には、古典チャネルを利用してビット同期その他システムの較正を行う方法が提案されている。特許文献1に記載された方法では、同一の伝送路に量子チャネルと古典チャネルとを設け、古典チャネルを利用して光パワーの微弱な量子チャネルのクロック同期を行っている(6ページ4行〜27行、Fig. 4参照)。   For example, Japanese Laid-Open Patent Application No. 08-505019 (Patent Document 1) proposes a method of performing bit synchronization and other system calibration using a classical channel. In the method described in Patent Document 1, a quantum channel and a classical channel are provided on the same transmission line, and clock synchronization of a quantum channel with weak optical power is performed using the classical channel (page 6, line 4). Line 27, see Fig. 4).

また、特開昭63−107323号公報(特許文献2)には、光ファイバの伝送特性の変動を受信側で検出し、特性変動の補償を可能にする光伝送方式が開示されている。具体的には、データ信号とは別波長の参照信号を受信器から送信器へ送出し、送信器で折り返されて戻ってきた参照信号から光ファイバの伝送特性の変動を検出する(3ページ左上欄13行から左下欄13行、第1図、第2図)。   Japanese Patent Laid-Open No. 63-107323 (Patent Document 2) discloses an optical transmission system that detects a variation in transmission characteristics of an optical fiber on the receiving side and enables compensation of the variation in characteristics. Specifically, a reference signal having a wavelength different from that of the data signal is transmitted from the receiver to the transmitter, and fluctuations in transmission characteristics of the optical fiber are detected from the reference signal returned by the transmitter (see the upper left of page 3). Column 13 line to lower left column 13 line, FIG. 1, FIG. 2).

特表平08−505019号公報(6ページ4行〜27行、Fig. 4参照)JP-T-08-505019 (page 6, lines 4 to 27, see Fig. 4) 特開昭63−107323号公報(3ページ左上欄13行から左下欄13行、第1図、第2図参照)JP-A-63-107323 (see page 3, upper left column, line 13 to lower left column, line 13, FIGS. 1 and 2) “Automated ‘plug & play’ quantum key distribution”(G.Ribordy,J.D.Gautier,O.Guinnard and H.Zbinden,ELECTRONICS LETTERS 29th,October 1998,Vol.34 No.22,pp.2116−2117)"Automated 'plug & play' quantum key distribution" (G. Ribordy, JD Gautier, O. Guinard and H. Zbinden, ELECTRONICS LETTERS 29th, Oct. 21. 34. Vol. 「“Plug & Play” systems for quantum cryptography」(A.Muller,T.Herzog,B.Huttner,W.Tittel,H.Zbinden and N.Gisin,Appl.Phys.Lett.70(7),17 February 1997,pp.793−795)““ Plug & Play ”systems for quantum cryptography” (A. Muller, T. Herzog, B. Huttner, W. Tittel, H. Zbinden and N. Gisin, Appl. Phys. , Pp. 793-795) “interferometry with Faraday mirrors for quantum cryptography”(H.Zbinden,J.D.Gautier,N.Gisin,B.Huttner,A.Muller and W.Tittel,ELECTRONICS LETTERS 27th,March 1997,Vol.33 No.7,pp.586−588)“Interferometry with Faraday mirrors for quantum cryptography,” H. Zbinden, JD Gautier, N. Gisin, B. Hutner, A. Muller and W. TITEL, E. M. pp. 586-588)

しかしながら、光伝送路には実際には波長分散が存在する。特許文献1に記載されているように同一伝送路であっても、量子チャネルと古典チャネルとでは波長が異なるので両チャネルの伝搬時間が異なる。このため、量子チャネルと古典チャネルとの位相関係は一致しなくなり、量子チャネルのクロック同期および鍵生成のためのビット同期を確立することができない。また、量子チャネルと古典チャネルをと別々の伝送路で構成する場合には、伝搬時間は伝送路の特性(伝搬距離や分散等)に依存するので、伝送路毎の設定が必要となる。いずれにしても、量子チャネルと古典チャネルとの位相関係は一致しなくなり、量子チャネルのクロック同期および鍵生成のためのビット同期を確立することができない。   However, chromatic dispersion actually exists in the optical transmission line. As described in Patent Document 1, even in the same transmission path, the quantum channel and the classical channel have different wavelengths, so the propagation times of both channels are different. For this reason, the phase relationship between the quantum channel and the classical channel does not coincide with each other, and the clock synchronization of the quantum channel and the bit synchronization for key generation cannot be established. In addition, when the quantum channel and the classical channel are configured with separate transmission paths, the propagation time depends on the characteristics of the transmission path (propagation distance, dispersion, etc.), and thus setting for each transmission path is required. In any case, the phase relationship between the quantum channel and the classical channel does not match, and the clock synchronization of the quantum channel and the bit synchronization for key generation cannot be established.

また、特許文献2に開示された光伝送方式においても、光信号の変動を補正するために別波長の参照信号を送出するのであるから、同様の理由から、量子チャネルのクロック抽出を行うことや鍵生成同期すなわちビット位置の同期を行うための基準信号を受信器へ正確に送ることが不可能である。   Also, in the optical transmission method disclosed in Patent Document 2, a reference signal having a different wavelength is transmitted in order to correct the fluctuation of the optical signal. It is impossible to accurately send a reference signal for key generation synchronization, that is, bit position synchronization, to the receiver.

そこで本発明の目的は、正確なクロック抽出が可能なチャネルと不可能なチャネルとによって接続された送信器および受信器の間で両チャネルの同期を確立する方法およびシステムを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a method and system for establishing synchronization of both channels between a transmitter and a receiver connected by a channel capable of accurate clock extraction and a channel that cannot.

本発明による通信システムは、相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して接続された第1通信装置および第2通信装置を有し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ第1光信号を出力し、前記第1通信装置が前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記第2通信装置へ送信する通信システムにおいて、前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第2チャネルを通して前記第2光信号により基準信号を送受信する第1通信手段と、前記第2通信装置に設けられ、前記基準信号に従った前記第1光信号を前記通常光状態で前記第1チャネル通して前記第1通信装置へ出力し、前記第1通信装置で折り返えされた前記通常光状態の前記第1光信号を受信する第2通信手段と、前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第1チャネルの前記第1光信号から検出された基準信号と前記第2チャネルの前記第2光信号から検出された基準信号との間の位相を比較する位相比較手段と、前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記位相比較手段の比較結果に基づいて前記第1通信装置および前記第2通信装置の間の同期を確立する同期確立手段と、同期確立動作時には前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記折り返された第1光信号を前記微弱光状態の通信モードに切り替える通信制御手段と、を有する。
さらに、前記第1通信装置に設けられ、前記折り返された第1光信号の光パワーを可変減衰させる第3通信手段と、前記第2通信装置に設けられ、前記第1通信装置へ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる第4通信手段と、を有し、前記第3通信手段および前記第4通信手段の両方により、前記第1光信号の光パワーが制御されることが望ましい。
The communication system according to the present invention includes a first channel that transmits a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power, and a second channel that transmits a second optical signal in the normal light state. A first optical device and a second communication device connected via at least one transmission line including two channels, wherein the second communication device transmits the first optical signal to the first communication device through the first channel. In the communication system in which the first communication device loops back the first optical signal, transmits transmission information on the folded first optical signal, and transmits it to the second communication device in the weak light state. A first communication unit that is provided in each of the first communication device and the second communication device, transmits and receives a reference signal by the second optical signal through the second channel, and is provided in the second communication device; And outputs it to the first communication device to the first optical signal in accordance through the first channel in the normal light state No., the first Kaee been the normal light state folded at the first communication device A second communication means for receiving an optical signal; and each of the first communication device and the second communication device, the reference signal detected from the first optical signal of the first channel and the second channel Phase comparison means for comparing the phase with the reference signal detected from the second optical signal, and provided in each of the first communication apparatus and the second communication apparatus, and based on the comparison result of the phase comparison means Synchronization establishing means for establishing synchronization between the first communication device and the second communication device, and the training mode in the normal light state without transmitting transmission information on the folded first optical signal during synchronization establishment operation Set to After the period established has a communication control means for switching the first optical signal folded back the to the communication mode of the weak light conditions.
Furthermore, a third communication means provided in the first communication device for variably attenuating the optical power of the folded first optical signal, provided in the second communication device, and output to the first communication device. Fourth communication means for variably attenuating the optical power of the first optical signal, and the optical power of the first optical signal is controlled by both the third communication means and the fourth communication means. desirable.

本発明の第1実施形態によれば、前記基準信号はクロック信号であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出されたクロック信号と前記第2チャネルで検出されたクロック信号との位相を合わせるようにタイミングを調整する。   According to the first embodiment of the present invention, the reference signal is a clock signal, and the synchronization establishing means calculates a phase between the clock signal detected on the first channel and the clock signal detected on the second channel. Adjust the timing to match.

本発明の第2実施形態によれば、前記基準信号は、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号(鍵生成基準信号)であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルで検出された共有情報生成基準信号との位相を合わせるようにタイミングを調整する。   According to the second embodiment of the present invention, the reference signal is a shared information generation reference signal (key generation reference signal) for generating information shared between the first communication device and the second communication device. The synchronization establishing means adjusts the timing so that the phase of the shared information generation reference signal detected in the first channel matches the phase of the shared information generation reference signal detected in the second channel.

本発明の一実施例によれば、同期確立動作時には前記通信手段を前記光パワーが大きい通常状態の通信モードに設定し、同期確立後は前記光パワーが小さい状態の通信モードに切り替える通信制御手段をさらに有する。   According to one embodiment of the present invention, the communication control means sets the communication means to the communication mode in the normal state where the optical power is high at the time of the synchronization establishment operation, and switches to the communication mode in the state where the optical power is low after the synchronization is established. It has further.

本発明による第1通信装置と第2通信装置との間の同期確立方法は、相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して接続された第1通信装置および、第2通信装置を有し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ第1光信号を出力し、前記第1通信装置が前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記第2通信装置へ送信する通信システムにおける前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で同期を確立する方法において、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間でクロック信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送し、前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられた位相比較手段が前記第1チャネルから検出されたクロック信号と前記第2チャネルから検出されたクロック信号との間の位相を比較し、前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられた同期確立手段が前記検出されたクロック信号の位相を合わせることで前記第1通信装置および前記第2通信装置の間の同期した較正クロック信号を生成し、前記第1通信装置に設けられた通信制御手段が同期確立動作時には前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記折り返された第1光信号を前記微弱光状態の通信モードに切り替える、ことを特徴とすることを特徴とする。 A method for establishing synchronization between a first communication device and a second communication device according to the present invention includes a first channel for transmitting a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power. And a second communication device connected via at least one transmission line including a second channel for transmitting the second optical signal in the normal light state, and the second communication device The first optical signal is output to the first communication device through the first channel, and the first communication device returns the first optical signal, and the transmission information is put on the returned first optical signal, and the weak light state In the method of establishing synchronization between the first communication device and the second communication device in a communication system for transmitting to the second communication device at a clock signal between the first communication device and the second communication device The first The first optical signal and the second optical signal in the normal light state are transmitted through the channel and the second channel, respectively, and phase comparison means provided in each of the first communication device and the second communication device includes the first optical signal. The phase between the clock signal detected from the channel and the clock signal detected from the second channel is compared, and synchronization establishment means provided in each of the first communication device and the second communication device is configured to detect the detection The synchronized clock signal between the first communication device and the second communication device is generated by adjusting the phase of the clock signal thus generated , and the communication control means provided in the first communication device is in a synchronization establishing operation. Set the training mode in the normal light state without putting transmission information on the folded first optical signal, and the synchronized first optical signal is set after synchronization is established. Switching to the communication mode of the serial weak light conditions, characterized in that, characterized in that.

さらに、望ましくは、前記較正クロック信号に従って、前記第1通信装置から前記第2通信装置へ、それらの間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記光パワーが大きい通常状態で伝送し、前記較正クロック信号に従って、前記第1チャネルから検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルから検出された共有情報生成基準信号との間の位相を比較し、前記検出された共有情報生成基準信号の間の位相差に基づいて、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間で共有される情報を生成するための同期を確立する、ことを特徴とする。   Further, preferably, according to the calibration clock signal, a shared information generation reference signal for generating information shared between the first communication device and the second communication device is provided between the first channel and the first communication device. The optical power is transmitted through two channels in a normal state, and a shared information generation reference signal detected from the first channel and a shared information generation reference signal detected from the second channel according to the calibration clock signal And synchronize to generate information shared between the first communication device and the second communication device based on a phase difference between the detected shared information generation reference signals. It is characterized by establishing.

好ましくは、本発明は量子暗号鍵配布システムに適用可能である。すなわち、送信側の量子ユニットと受信側の量子ユニットとが、前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ送信する光パワーが1光子/ビット以下の微弱光状態および前記微弱光状態より大きい通常光状態のいずれかの状態で第1光信号を伝送する量子チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する古典チャネルとからなる伝送路で接続され、前記受信側の量子ユニットが前記量子チャネルを通して前記送信側の量子ユニットへ第1光信号を出力し、前記送信側の量子ユニットが前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信システムであって、前記量子チャネルにおける前記第1光信号に送信情報を乗せることなく光パワーを前記通常光状態にするトレーニングモードを前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットに指示する手段と、前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットの間でクロック信号を前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送する手段と、前記送信側および前記受信側の量子ユニットに設けられ、かつ、前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロック信号と前記古典チャネルのクロック信号との位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立する手段とを有することを特徴とする。 Preferably, the present invention is applicable to a quantum key distribution system. That is, the light power transmitted from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit by the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit is less than one photon / bit and the weak light state. A quantum channel that transmits the first optical signal in any state of the large normal light state and a classical channel that transmits the second optical signal in the normal light state; The first optical signal is output to the transmission-side quantum unit through the quantum channel, the transmission-side quantum unit folds the first optical signal, and the transmission information is put on the folded first optical signal. a communication system to be transmitted to the quantum unit of the receiving side in a state before the optical power without placing the transmission information to the first optical signal in the quantum channel Means for instructing the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit to perform a training mode for setting a normal light state; and a clock signal between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit; Means for transmitting the first optical signal and the second optical signal in the normal light state through the classical channel, and the quantum channel provided in the quantum unit on the transmitting side and the receiving side and extracted in the training mode And means for establishing synchronization between the quantum unit on the transmission side and the quantum unit on the reception side by performing phase comparison between the clock signal of the classical channel and the clock signal of the classical channel.

さらに、鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルと前記古典チャネルを介して送り、前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号の位相差を検出し、前記検出した位相差を補正することによって鍵生成同期を実現することができる。   Further, the key generation reference signal is transmitted from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit via the quantum channel and the classical channel, and the key generation received by the reception-side quantum unit via the quantum channel is performed. Key generation synchronization can be realized by detecting a phase difference between a reference signal and a key generation reference signal received via the classical channel and correcting the detected phase difference.

本発明による量子暗号鍵配布システムの同期方法は、前記量子チャネルの光パワーに送信情報を乗せることなく前記通常状態として通信するトレーニングモードを前記送信側の量子ユニット及び前記受信側の量子ユニットに指示し、前記送信側の量子ユニット側で前記トレーニングモードにおいて前記光パワーを前記通常状態として通信し、前記受信側の量子ユニット側で前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロックと前記古典チャネルのクロックとの位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとのクロック同期を確立する。 The quantum key distribution system synchronization method according to the present invention instructs the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit to perform a training mode for communication as the normal state without placing transmission information on the optical power of the quantum channel. The quantum channel on the transmission side communicates with the optical power in the normal mode in the training mode, and the clock of the quantum channel and the clock of the classical channel extracted in the training mode on the quantum unit side on the reception side. Are compared with each other to establish clock synchronization between the quantum unit on the transmission side and the quantum unit on the reception side.

さらに鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルと前記古典チャネルを介して送り、前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号の位相差を検出し、前記検出した位相差を補正することによって鍵生成同期を実現する。   Further, a key generation reference signal is transmitted from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit via the quantum channel and the classical channel, and received by the reception-side quantum unit via the quantum channel. The key generation synchronization is realized by detecting the phase difference between the signal and the key generation reference signal received via the classical channel and correcting the detected phase difference.

本発明によれば、同期確立動作時には折り返された第1光信号に送信情報を乗せることなく通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は折り返された第1光信号を微弱光状態の通信モードに切り替えることで、第1通信装置と第2通信装置との同期を確立することができるという効果が得られる。 According to the present invention, during synchronization establishment operation, the returned first optical signal is set to the training mode in the normal light state without carrying transmission information, and after the synchronization is established, the returned first optical signal is set in the weak light state. By switching to the communication mode, an effect is obtained that synchronization between the first communication device and the second communication device can be established.

本発明を量子暗号鍵配布システムに適用した場合、鍵生成を開始する前に、量子チャネルの光パワーを通常レベルの強い光で送信情報を乗せることなく通信するモード(以下、トレーニングモードとする)を設け、このトレーニングモードにおいて抽出した量子チャネルのクロックと古典チャネルのクロックとの位相比較を行い、量子チャネルと古典チャネルとの波長分散による伝搬遅延差を自動で較正してクロック同期を確立することができる。 When the present invention is applied to a quantum key distribution system, before starting key generation, a mode in which the optical power of the quantum channel is communicated with light of a normal level without carrying transmission information (hereinafter referred to as a training mode). The phase comparison between the quantum channel clock extracted in this training mode and the classical channel clock is performed, and the clock delay is established by automatically calibrating the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel and the classical channel. Can do.

さらに、鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルと前記古典チャネルを介して送り、これらのチャネルで受信した鍵生成基準信号の位相差を検出し、この位相差を補正することによって鍵生成同期を実現することができる。   Further, a key generation reference signal is transmitted from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit via the quantum channel and the classical channel, and a phase difference between the key generation reference signals received by these channels is detected. Key generation synchronization can be realized by correcting this phase difference.

このように、本発明によれば、鍵生成を開始する前に通常レベルの強い光で通信するトレーニングモードを設け、別波長の同期信号との波長分散による伝搬遅延差を較正し、鍵生成時には別波長の同期信号を用いてクロック同期及び鍵生成同期を行う。これによって、量子チャネルと古典チャネルでの波長分散による伝搬遅延差を伝送路によらず自動で較正することが可能となり、微弱光のためにクロック抽出や基準信号の伝送を正確に行うことができない量子チャネルに代わって、波長の異なる古典チャネルで送信器と受信器との同期を確立することが可能となる。   As described above, according to the present invention, before starting key generation, a training mode for communicating with light having a normal level is provided, and a propagation delay difference due to chromatic dispersion with a synchronization signal of another wavelength is calibrated. Clock synchronization and key generation synchronization are performed using synchronization signals of different wavelengths. This makes it possible to automatically calibrate the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel and the classical channel regardless of the transmission path, and clock extraction and reference signal transmission cannot be performed accurately due to weak light. Instead of a quantum channel, it becomes possible to establish synchronization between a transmitter and a receiver using a classical channel having different wavelengths.

以下、説明を簡単にするために、2つの通信装置が光ファイバで接続されている通信システムを一例として取り上げ、本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, in order to simplify the description, a communication system in which two communication devices are connected by an optical fiber will be taken as an example, and an embodiment of the present invention will be described in detail.

1.第1実施形態
図1は本発明の第1実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器10と受信器20とが量子チャネル51および古典チャネル52を含む光ファイバ伝送路5により接続されている。量子チャネル51と古典チャネル52とは同一伝送路(光ファイバ伝送路5)上の別波長のチャネルである。
1. First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a communication system according to a first embodiment of the present invention. Here, the transmitter 10 and the receiver 20 are connected by an optical fiber transmission line 5 including a quantum channel 51 and a classical channel 52. The quantum channel 51 and the classical channel 52 are channels of different wavelengths on the same transmission path (optical fiber transmission path 5).

送信器10は量子ユニット1および同期部4を含み、受信器20は量子ユニット2および同期部3を含む。量子ユニット1と量子ユニット2とは量子チャネル51を介して生鍵とよばれる暗号鍵を生成し、送信器10と受信器20とは、後述するように量子チャネル51および古典チャネル52の別波長チャネルを用いて、量子ユニット1および2の間で同期を確立する。   The transmitter 10 includes the quantum unit 1 and the synchronization unit 4, and the receiver 20 includes the quantum unit 2 and the synchronization unit 3. The quantum unit 1 and the quantum unit 2 generate an encryption key called a raw key via the quantum channel 51, and the transmitter 10 and the receiver 20 have different wavelengths of the quantum channel 51 and the classical channel 52 as described later. A channel is used to establish synchronization between quantum units 1 and 2.

受信器20の同期部3は、クロック抽出器31、遅延素子32および位相比較器33を有する。後述するように遅延素子32は、位相比較器33の比較結果に依存して遅延量が制御される。送信器10の同期部4は、クロック抽出器41、遅延素子42、位相比較器43、および、マスタクロック44を有する。後述するように遅延素子42は、位相比較器43の比較結果に依存して遅延量が制御される。また、送信器10および受信器20には、図示されていない通信制御部が設けられている。   The synchronization unit 3 of the receiver 20 includes a clock extractor 31, a delay element 32, and a phase comparator 33. As will be described later, the delay amount of the delay element 32 is controlled depending on the comparison result of the phase comparator 33. The synchronization unit 4 of the transmitter 10 includes a clock extractor 41, a delay element 42, a phase comparator 43, and a master clock 44. As will be described later, the delay amount of the delay element 42 is controlled depending on the comparison result of the phase comparator 43. The transmitter 10 and the receiver 20 are provided with a communication control unit (not shown).

送信側および受信側の量子ユニット1および量子ユニット2は、それぞれの通信制御部からトレーニングモード切替信号を受取ることでトレーニングモードに移行する。トレーニングモードでは、量子チャネル51に古典チャネルレベルの強さの光信号を伝送することで、各量子ユニットにおいてクロック抽出が可能となる。   The quantum unit 1 and the quantum unit 2 on the transmission side and the reception side shift to the training mode by receiving the training mode switching signal from the respective communication control units. In the training mode, a clock signal can be extracted in each quantum unit by transmitting an optical signal having a classical channel level intensity to the quantum channel 51.

まず、マスタクロック44はクロック信号を古典チャネル52を通して受信器20へ送出している。受信器20の同期部3におけるクロック抽出部31は、古典チャネル52を通して受信した信号からクロック信号を抽出し、それを古典チャネル52へそのまま折り返し返送する。   First, the master clock 44 sends a clock signal to the receiver 20 through the classical channel 52. The clock extraction unit 31 in the synchronization unit 3 of the receiver 20 extracts a clock signal from the signal received through the classical channel 52 and returns it to the classical channel 52 as it is.

送信器10の同期部4におけるクロック抽出部41は、古典チャネル52を通して受信器20で折り返されてきたクロック信号を抽出する。抽出されたクロック信号は遅延素子42で遅延され、位相比較器43および量子ユニット1へ出力される。トレーニングモード切替信号を入力すると、送信側の量子ユニット1は、遅延素子42から入力したクロック信号に従って、通常の通信に用いられる程度の強い光を量子チャネル51に送出する。位相比較器43は、量子ユニット1でモニタされた量子チャネル51のクロック信号と遅延素子42から入力した古典チャネル52のクロック信号との位相比較を行い、その位相のずれを補償するように遅延素子42の遅延量を制御する。すなわち、位相比較器43および遅延素子42は遅延ロックループDLLを構成する。   The clock extraction unit 41 in the synchronization unit 4 of the transmitter 10 extracts the clock signal returned by the receiver 20 through the classical channel 52. The extracted clock signal is delayed by the delay element 42 and output to the phase comparator 43 and the quantum unit 1. When the training mode switching signal is input, the quantum unit 1 on the transmission side transmits light that is strong enough to be used for normal communication to the quantum channel 51 in accordance with the clock signal input from the delay element 42. The phase comparator 43 performs a phase comparison between the clock signal of the quantum channel 51 monitored by the quantum unit 1 and the clock signal of the classical channel 52 input from the delay element 42, and compensates for the phase shift. 42 delay amount is controlled. That is, the phase comparator 43 and the delay element 42 constitute a delay locked loop DLL.

受信側の量子ユニット2は、量子チャネル51から受信した信号からクロックを抽出し位相比較器33へ出力する。受信器20の同期部3におけるクロック抽出部31により抽出されたクロック信号は遅延素子32で遅延され、位相比較器33および量子ユニット2へ出力される。位相比較器33は、量子ユニット2でモニタされた量子チャネル51のクロック信号と遅延素子32から入力した古典チャネル52のクロック信号との位相比較を行い、その位相のずれを補償するように遅延素子32の遅延量を制御する。すなわち、位相比較器33および遅延素子32は遅延ロックループDLLを構成する。   The reception-side quantum unit 2 extracts a clock from the signal received from the quantum channel 51 and outputs the clock to the phase comparator 33. The clock signal extracted by the clock extraction unit 31 in the synchronization unit 3 of the receiver 20 is delayed by the delay element 32 and output to the phase comparator 33 and the quantum unit 2. The phase comparator 33 compares the phase of the clock signal of the quantum channel 51 monitored by the quantum unit 2 with the clock signal of the classical channel 52 input from the delay element 32, and compensates for the phase shift. 32 delay amounts are controlled. That is, the phase comparator 33 and the delay element 32 constitute a delay locked loop DLL.

このようにして送信器10および受信器20において遅延量の調整が行われ、マスタクロック44を基準とした同期が確立される。同期が確立されると、送信器10および受信器20の量子ユニット1および2は、それぞれ同期したクロック信号に従って、所定の動作を行うことができる。   In this way, the delay amount is adjusted in the transmitter 10 and the receiver 20, and synchronization based on the master clock 44 is established. When synchronization is established, the quantum units 1 and 2 of the transmitter 10 and the receiver 20 can perform predetermined operations according to the synchronized clock signals, respectively.

なお、送信器10と受信器20とにおいては、トレーニングモードへの切替え時または量子モードへの切替え時に、古典チャネル52を介して相互にその切替え要求およびそれに対する応答がやりとりされ、それらの切替えが通知される。送信器10および受信器20の各通信制御部は、この切替えの通知に従ってトレーニングモード切替信号または量子モード切替信号を出力する。   It should be noted that the transmitter 10 and the receiver 20 exchange their switching requests and responses to each other via the classical channel 52 when switching to the training mode or switching to the quantum mode. Be notified. Each communication control unit of the transmitter 10 and the receiver 20 outputs a training mode switching signal or a quantum mode switching signal in accordance with this switching notification.

1.1)第1実施例
(構成)
次に、上記第1実施形態による通信システムをPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムに適用した一例を詳細に説明する。ただし、Plug&Playシステムの基本的な構成および動作は、図11を用いて既に説明しているので詳細は省略する。
1.1) First Example (Configuration)
Next, an example in which the communication system according to the first embodiment is applied to a plug & play quantum encryption key distribution system will be described in detail. However, the basic configuration and operation of the Plug & Play system have already been described with reference to FIG.

図2は本発明の第1実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを示すブロック図である。本実施例では、波長λ1の量子チャネル401(図1の量子チャネル51)と、波長λ2およびλ3の同期信号用の古典チャネル402(図1の古典チャネル52)とが用いられる。波長多重分離器601および602は光ファイバ伝送路400(図1の光ファイバ5)を通して接続されている。波長λ1の量子チャネル401は量子ユニット100および200にそれぞれ接続され、波長λ2およびλ3の同期信号用の古典チャネル402は同期部300および500にそれぞれ接続されている。   FIG. 2 is a block diagram showing a Plug & Play quantum key distribution system according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, a quantum channel 401 having a wavelength λ1 (quantum channel 51 in FIG. 1) and a classical channel 402 for synchronizing signals having wavelengths λ2 and λ3 (the classical channel 52 in FIG. 1) are used. The wavelength demultiplexers 601 and 602 are connected through an optical fiber transmission line 400 (optical fiber 5 in FIG. 1). The quantum channel 401 with wavelength λ1 is connected to the quantum units 100 and 200, respectively, and the classical channel 402 for synchronization signals with wavelengths λ2 and λ3 is connected to the synchronization units 300 and 500, respectively.

送信側の量子ユニット100(図1の受信側の量子ユニット1に対応)は、位相変調器(Phase Mod. A)111、変調器駆動回路(Drv.)112、遅延調整回路(D)113、ファラデーミラー120、光減衰器(Att.)130、および、量子チャネルモニタ用の光電変換器(O/E)140を有する。量子モード時には、位相変調器111は二種類の乱数R1およびR2の組み合わせに従って、ファラデーミラー120から反射した光パルスを0、π/2、π、3/2πの4つの位相のいずれかに変調し、光減衰器130は減衰量を大きくする。トレーニングモード時には、位相変調器111は位相変調を行わず、光減衰器130は減衰量を小さくする。量子モードおよびトレーニングモードの切り替えは、図示していない通信制御部により制御される。   The quantum unit 100 on the transmission side (corresponding to the quantum unit 1 on the reception side in FIG. 1) includes a phase modulator (Phase Mod. A) 111, a modulator drive circuit (Drv.) 112, a delay adjustment circuit (D) 113, It has a Faraday mirror 120, an optical attenuator (Att.) 130, and a photoelectric converter (O / E) 140 for quantum channel monitoring. In the quantum mode, the phase modulator 111 modulates the optical pulse reflected from the Faraday mirror 120 into one of four phases of 0, π / 2, π, and 3 / 2π according to a combination of two types of random numbers R1 and R2. The optical attenuator 130 increases the attenuation. In the training mode, the phase modulator 111 does not perform phase modulation, and the optical attenuator 130 decreases the attenuation. Switching between the quantum mode and the training mode is controlled by a communication control unit (not shown).

受信側の量子ユニット200(図1の受信側の量子ユニット2に対応)は、波長λ1のパルス光源であるレーザLD211と、そのドライバであるレーザ駆動回路(Drv.)212とを有し、波長λ1の光パルスが光減衰器(Att.)213を通して光サーキュレータ250に入射する。光サーキュレータ250から出射した光パルスは、光カプラ406によって短経路(Short Path)404と長経路(Long Path)405にそれぞれ分岐し、Long Path405に分岐した光パルスは位相変調器(Phase Mod.B)221によって位相変調され、偏光ビームスプリッタPBS230に入射する。位相変調器221は乱数R3に従って変調器駆動回路(Drv.)222により駆動され、駆動タイミングは遅延調整回路(D)223により調整される。   The reception-side quantum unit 200 (corresponding to the reception-side quantum unit 2 in FIG. 1) includes a laser LD 211 that is a pulsed light source having a wavelength λ1, and a laser driving circuit (Drv.) 212 that is a driver thereof. An optical pulse of λ1 enters the optical circulator 250 through an optical attenuator (Att.) 213. The optical pulse emitted from the optical circulator 250 is branched into a short path 404 and a long path 405 by the optical coupler 406, and the optical pulse branched into the long path 405 is a phase modulator (Phase Mod. B). ) 221 is phase-modulated and enters the polarization beam splitter PBS230. The phase modulator 221 is driven by a modulator drive circuit (Drv.) 222 according to a random number R3, and the drive timing is adjusted by a delay adjustment circuit (D) 223.

位相変調器221は、既に述べたように送信器側で折り返された信号がLong path405を通るときに、乱数R3に従った0、π/2の2つの位相で当該光信号を変調する。そして、送信器側の位相変調器111で変調された光信号と受信器側の位相変調器221で変調された光信号とが光カプラ406で干渉し、その結果がアバランシェ光ダイオード(Avalanche Photo Diode)APD241またはADP242で検出される。なお、Short Path404およびLong Path405は偏波保存ファイバ、光サーキュレータ250、光カプラ406は偏波保存型である。   As described above, the phase modulator 221 modulates the optical signal with two phases of 0 and π / 2 according to the random number R3 when the signal folded back on the transmitter side passes through the long path 405. The optical signal modulated by the phase modulator 111 on the transmitter side and the optical signal modulated by the phase modulator 221 on the receiver side interfere with each other at the optical coupler 406, and the result is an avalanche photo diode (Avalanche Photo Diode). ) Detected by APD 241 or ADP 242. Short Path 404 and Long Path 405 are polarization-maintaining fibers, and optical circulator 250 and optical coupler 406 are polarization-maintaining.

また、量子モード時にはレーザLD211から出力される光パルスのパルス幅を小さくしてShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスが十分区別できる間隔に維持する必要がある。しかしながら、トレーニングモード時には量子モード時のような光パルスの間隔を維持する必要はない。したがって、レーザ駆動回路212は、量子モードおよびトレーニングモードのいずれであるかによって上記光パルス幅を変化させる。   Further, in the quantum mode, it is necessary to reduce the pulse width of the optical pulse output from the laser LD 211 and maintain the optical pulse passing through another path of the short path 404 and the long path 405 at a sufficiently distinguishable interval. However, it is not necessary to maintain the optical pulse interval in the training mode as in the quantum mode. Therefore, the laser drive circuit 212 changes the optical pulse width depending on whether the quantum mode or the training mode is selected.

送信側同期部500(図1の送信側同期部4に対応)にはマスタクロック504と電光変換器(E/O)505とが設けられ、マスタクロック504からのクロック信号がE/O505によって波長λ3の光クロック信号に変換され、波長λ3の古典チャネル402を通して受信器側へ送出される。さらに、同期部500は、波長λ2の古典チャネル402を通して受信器側から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換器(O/E)501、遅延素子502、および、位相比較器503を有する。   The transmission-side synchronization unit 500 (corresponding to the transmission-side synchronization unit 4 in FIG. 1) is provided with a master clock 504 and an electric / optical converter (E / O) 505, and the clock signal from the master clock 504 has a wavelength by the E / O 505. It is converted into an optical clock signal of λ3 and sent to the receiver side through the classical channel 402 of wavelength λ3. Furthermore, the synchronization unit 500 includes a photoelectric converter (O / E) 501 that converts an optical signal received from the receiver side through the classical channel 402 having the wavelength λ2 into an electric signal, a delay element 502, and a phase comparator 503. .

位相比較器503は、O/E140により検出された波長λ1の量子チャネル401のクロック信号と遅延素子502から入力する古典チャネル402のクロック信号との位相比較を行い、上述したような遅延調整により較正クロック信号CLKを生成して量子ユニット100へ供給する。   The phase comparator 503 compares the phase of the clock signal of the quantum channel 401 having the wavelength λ1 detected by the O / E 140 and the clock signal of the classical channel 402 input from the delay element 502, and calibrates by delay adjustment as described above. A clock signal CLK is generated and supplied to the quantum unit 100.

受信側同期部300(図1の受信側同期部3に対応)は、光電変換器(O/E)301、遅延素子302と、位相比較器303、および、電光変換器(E/O)304を有する。O/E301は、送信器から波長λ3の古典チャネル402を通して受信した光クロック信号を電気信号に変換し、そのクロック信号を折り返し信号としてE/O304へ出力し、さらに遅延素子302および量子ユニット200のレーザ駆動回路212へ出力する。   The reception-side synchronization unit 300 (corresponding to the reception-side synchronization unit 3 in FIG. 1) includes a photoelectric converter (O / E) 301, a delay element 302, a phase comparator 303, and an electro-optic converter (E / O) 304. Have The O / E 301 converts the optical clock signal received from the transmitter through the classical channel 402 having the wavelength λ3 into an electrical signal, outputs the clock signal to the E / O 304 as a return signal, and further includes the delay element 302 and the quantum unit 200. Output to the laser drive circuit 212.

E/O304はO/E301から受け取った折り返し用のクロック信号を波長λ2の光クロック信号に変換し、波長λ2の古典チャネル402を通して送信器へ送出する。これと同時に、O/E301から受け取った同じクロック信号に従ってレーザ駆動回路212はレーザLD211を駆動し波長λ1の光パルスを発生させる。その時の光パルスの幅は、上述したように、量子モードおよびトレーニングモードのいずれであるかによって制御される。   The E / O 304 converts the return clock signal received from the O / E 301 into an optical clock signal having the wavelength λ2, and transmits the optical clock signal to the transmitter through the classical channel 402 having the wavelength λ2. At the same time, the laser drive circuit 212 drives the laser LD 211 according to the same clock signal received from the O / E 301 to generate an optical pulse with a wavelength λ1. The width of the light pulse at that time is controlled depending on whether the mode is the quantum mode or the training mode, as described above.

トレーニングモード時であれば、受信器から量子チャネル401を通して送信器へ到達した波長λ1の光パルスは、送信器側で光減衰も位相変調もされないで折り返され、同じく量子チャネル401を通して受信器に到達し、APD242によって検出される。APD242により検出されたクロック信号は位相比較器303によって古典チャネル402を通したクロック信号と位相比較され、上述したような遅延調整が行われる。これにより較正クロック信号CLKが生成され、量子ユニット200へ供給される。   In the training mode, the optical pulse of wavelength λ1 that has reached the transmitter through the quantum channel 401 from the receiver is folded back without being attenuated or phase-modulated on the transmitter side, and similarly reaches the receiver through the quantum channel 401. And detected by the APD 242. The phase of the clock signal detected by the APD 242 is compared with the clock signal passed through the classical channel 402 by the phase comparator 303, and the delay adjustment as described above is performed. As a result, a calibration clock signal CLK is generated and supplied to the quantum unit 200.

上述したように、同期部500および300における遅延調整によって、マスタクロック504を基準とした量子ユニット100および200の同期を確立することができる。   As described above, the synchronization of the quantum units 100 and 200 with reference to the master clock 504 can be established by the delay adjustment in the synchronization units 500 and 300.

(動作)
図3は本発明の第1実施例による量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。まず、送信器10および受信器20の通信制御部(図示せず)はそれぞれ電源オンになると、トレーニングモード切替信号を発生し(ステップS1)、それによって送信側の量子ユニット100および受信側の量子ユニット200はそれぞれトレーニングモードに遷移する(トレーニングモード:ステップS2)。
(Operation)
FIG. 3 is a flowchart showing the mode switching operation on the transmitting side and the receiving side in the quantum key distribution system according to the first exemplary embodiment of the present invention. First, when the communication control units (not shown) of the transmitter 10 and the receiver 20 are respectively turned on, a training mode switching signal is generated (step S1), thereby the transmission-side quantum unit 100 and the reception-side quantum unit. Each unit 200 transitions to a training mode (training mode: step S2).

トレーニングモードは、量子チャネル401の光パワーが通常の通信に用いられる程度の強い光で通信するモードである。このトレーニングモード時の強い光は、受信側のレーザ光パルスを減衰させる光源衰器213と送信器側の量子チャネル401の光減衰器130との減衰量を小さくすることで光パワーを大きくし、かつ、レーザ駆動回路212がレーザLD211を駆動する駆動電流のパルス幅を広くしてマーク率を量子モードより上げることによって実現する。上述したように、トレーニングモードでは、受信器側におけるShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスを区別する必要がないからである。   The training mode is a mode in which the optical power of the quantum channel 401 is communicated with light that is strong enough to be used for normal communication. The strong light in this training mode increases the optical power by reducing the attenuation amount of the light source attenuator 213 that attenuates the laser light pulse on the reception side and the optical attenuator 130 of the quantum channel 401 on the transmitter side, In addition, the laser drive circuit 212 increases the mark rate from the quantum mode by increasing the pulse width of the drive current for driving the laser LD 211. This is because, as described above, in the training mode, it is not necessary to distinguish light pulses that have passed through different paths of the short path 404 and the long path 405 on the receiver side.

量子チャネル401の光パワーが通常の通信に用いられる程度の強い場合には、量子チャネル401からのクロック抽出が可能となる。送信側の量子ユニット100では、O/E140で受信した光信号からクロック信号を抽出し位相比較器503へ出力する。受信側の量子ユニット200では、APD242が光クロック信号を検出して抽出したクロック信号を位相比較器303へ出力する。   When the optical power of the quantum channel 401 is strong enough to be used for normal communication, clock extraction from the quantum channel 401 is possible. The transmission-side quantum unit 100 extracts a clock signal from the optical signal received by the O / E 140 and outputs it to the phase comparator 503. In the quantum unit 200 on the receiving side, the APD 242 detects the optical clock signal and outputs the extracted clock signal to the phase comparator 303.

送信側の量子ユニット100では、量子チャネル401からO/E140で抽出したクロックと、古典チャネル402からO/E501で抽出したクロックとを位相比較器503で比較し、ここでの位相差が零となるように遅延素子502にフィードバックを行う(Delay調整:ステップS3)。   In the quantum unit 100 on the transmission side, the clock extracted from the quantum channel 401 by the O / E 140 and the clock extracted from the classical channel 402 by the O / E 501 are compared by the phase comparator 503, and the phase difference here is zero. Thus, feedback is performed to the delay element 502 (Delay adjustment: step S3).

量子チャネル401の信号はファラデーミラー120で折り返され、位相変調器111で変調を加えず、光減衰器130で光パワーを絞ることもなく、量子チャネル401にそのまま折り返される。   The signal of the quantum channel 401 is folded back by the Faraday mirror 120, is not modulated by the phase modulator 111, and is folded back to the quantum channel 401 as it is without reducing the optical power by the optical attenuator 130.

一方、受信側の量子ユニット200では、APD242で量子チャネル401の光パルスを受信する。これは、送信側の量子ユニット100の位相変調器111で変調を加えなかったので、送信側の量子ユニット100での変調位相と受信側の量子ユニット200での変調位相とが一致し、光パルスのAPD242への出力が一意に定まるためである。   On the other hand, in the quantum unit 200 on the receiving side, the optical pulse of the quantum channel 401 is received by the APD 242. This is because no modulation was applied by the phase modulator 111 of the quantum unit 100 on the transmission side, so that the modulation phase in the quantum unit 100 on the transmission side coincides with the modulation phase in the quantum unit 200 on the reception side. This is because the output to the APD 242 is uniquely determined.

APD242で受信されたクロック信号(同期信号)と古典チャネル402からO/E301で抽出されたクロック信号とは位相比較器303で比較され、位相差が零となるように遅延素子302にフィードバックされる(Delay調整:ステップS3)。   The clock signal (synchronization signal) received by the APD 242 and the clock signal extracted from the classical channel 402 by the O / E 301 are compared by the phase comparator 303 and fed back to the delay element 302 so that the phase difference becomes zero. (Delay adjustment: step S3).

送信側の同期部500および受信側の同期部300のそれぞれにおいて位相差がゼロになり遅延素子502および302の遅延量が決定すると、それぞれの通信制御部は量子モード切替信号を発行する(ステップS4)。送信側の量子ユニット100および受信側の量子ユニット200は量子モード切替信号を受取ると、量子モードに遷移する(ステップS5)。   When the phase difference becomes zero in each of the transmitting-side synchronization unit 500 and the receiving-side synchronization unit 300 and the delay amounts of the delay elements 502 and 302 are determined, each communication control unit issues a quantum mode switching signal (step S4). ). When the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side receive the quantum mode switching signal, they transit to the quantum mode (step S5).

量子モードは量子チャネル401での光パワーが1photon/bitと非常に微弱なモードである。この量子モード時の微弱な光は、送信器側の量子チャネル401の光減衰器130の減衰量を大きくすることで光パワーを微弱にし、かつ、受信器側のレーザ駆動回路212がレーザLD211を駆動する駆動電流のパルス幅を狭くしてマーク率を下げることによって実現する。受信器側におけるShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスを区別する必要があるからである。量子暗号鍵生成はこの量子モードで行われる。   The quantum mode is a mode in which the optical power in the quantum channel 401 is very weak at 1 photon / bit. The weak light in this quantum mode weakens the optical power by increasing the attenuation amount of the optical attenuator 130 of the quantum channel 401 on the transmitter side, and the laser drive circuit 212 on the receiver side turns the laser LD 211 on. This is realized by reducing the mark rate by narrowing the pulse width of the driving current to be driven. This is because it is necessary to distinguish light pulses that have passed through different paths of the Short Path 404 and the Long Path 405 on the receiver side. Quantum encryption key generation is performed in this quantum mode.

この量子モード動作時には、上述した遅延調整による遅延量の確定により、量子ユニット100および200はいずれもマスタクロック504を基準とした同期状態にある。すなわち、送信側の量子ユニット100の位相変調器111は送信側同期部500で較正したクロックに同期した信号で駆動し、受信側の量子ユニット200の位相変調器221およびAPD241、242は受信側同期部300で較正したクロックに同期した信号で駆動する。   During this quantum mode operation, both the quantum units 100 and 200 are in a synchronized state with the master clock 504 as a reference, by determining the delay amount by the delay adjustment described above. That is, the phase modulator 111 of the quantum unit 100 on the transmission side is driven by a signal synchronized with the clock calibrated by the transmission side synchronization unit 500, and the phase modulator 221 and the APDs 241 and 242 of the quantum unit 200 on the reception side are synchronized on the reception side. It is driven by a signal synchronized with the clock calibrated by the unit 300.

送信器10及び受信器20のそれぞれの通信制御部は、上記量子モードにおいて、異常(例えば、DLLのlock異常)の有無を判定する(ステップS6)。異常発生が検出されると(ステップS6のYES)、ステップS1に戻って再度トレーニング切替信号を発生させる。異常を検出せず(ステップS7のNO)、処理終了も検出しなければ(ステップS7のNO)、異常検出処理ステップS6を繰り返す。一方、処理が終了すると(ステップS7のYES)、電源オフとなる。   Each communication control unit of the transmitter 10 and the receiver 20 determines whether or not there is an abnormality (for example, DLL lock abnormality) in the quantum mode (step S6). When the occurrence of abnormality is detected (YES in step S6), the process returns to step S1 to generate the training switching signal again. If no abnormality is detected (NO in step S7) and the end of the process is not detected (NO in step S7), the abnormality detection processing step S6 is repeated. On the other hand, when the process ends (YES in step S7), the power is turned off.

このように、本実施例では、量子チャネル401と古典チャネル402との間の波長分散による伝搬遅延差を伝送路によらず自動で較正することができる。その結果、本実施例では、微弱光のためにクロックを抽出することができない量子チャネル401に代わって、波長の異なる古典チャネル402で送信側の量子ユニット100と受信側の量子ユニット200との同期を確立することができる。   Thus, in this embodiment, the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel 401 and the classical channel 402 can be automatically calibrated regardless of the transmission path. As a result, in this embodiment, instead of the quantum channel 401 from which a clock cannot be extracted due to weak light, synchronization between the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side is performed in the classical channel 402 having a different wavelength. Can be established.

従来、量子チャネルを利用して光パワーレベルが微少な光で通信している時には、受信器にほとんど光は届かないため、例えば送信側がマーク率1/2のデータを送っても、受信側のマーク率が1/2よりもはるかに小さくなり、データの欠損が生じ、正しい周期のクロックを抽出することができなかった。これに対し、本実施例では、トレーニングモードとして、量子チャネル401での光パワーを通常の通信に用いられる程度の強い光として通信を行うので、例えば送信側がマーク率1/2のデータを送ると、受信側のマーク率も1/2となり、データの欠損が生じることはなく、正しい周期のクロックを抽出することができる。これを利用することで、量子チャネルおよび古典チャネルの伝搬遅延差が存在しても、送信側および受信側の量子ユニット間の同期を容易に確立することができる。   Conventionally, when communicating with light having a very low optical power level using a quantum channel, almost no light reaches the receiver. For example, even if the transmitting side sends data with a mark ratio of 1/2, the receiving side The mark rate was much smaller than 1/2, data loss occurred, and a clock with a correct period could not be extracted. On the other hand, in the present embodiment, as the training mode, communication is performed with the optical power in the quantum channel 401 being strong enough to be used for normal communication. For example, when the transmission side sends data with a mark ratio of 1/2. The mark rate on the receiving side is also halved, and data loss does not occur, and a clock with a correct period can be extracted. By utilizing this, even if there is a propagation delay difference between the quantum channel and the classical channel, synchronization between the quantum units on the transmission side and the reception side can be easily established.

1.2)第2実施例
図4は本発明の第2実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。第2実施例では、装置構成自体は図2に示す第1実施例と同様であるから、以下、第2実施例における送信側および受信側のモード切替動作についてのみ説明する。
1.2) Second Embodiment FIG. 4 is a flowchart showing a mode switching operation on the transmission side and the reception side according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, since the apparatus configuration itself is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 2, only the mode switching operation on the transmission side and the reception side in the second embodiment will be described below.

図4において、ステップS11〜S13は、第1実施例で説明した図3のステップS1〜S3にそれぞれ対応し、トレーニングモードにおける遅延調整が実行され、量子ユニット100および200の間の同期が確立される。続くステップS14およびS15により量子モードに移行すると、通信制御部は所定時間のタイマをスタートさせると共に、DLLのlock異常等の異常が発生したか否かを判定し(ステップS16)、異常発生が検出されると(ステップS16のYES)、ステップS11に戻って再度トレーニング切替信号を発生させる。   In FIG. 4, steps S11 to S13 correspond to steps S1 to S3 of FIG. 3 described in the first embodiment, respectively, delay adjustment in the training mode is executed, and synchronization between the quantum units 100 and 200 is established. The When the process proceeds to the quantum mode in subsequent steps S14 and S15, the communication control unit starts a timer for a predetermined time and determines whether or not an abnormality such as a DLL lock abnormality has occurred (step S16), and the occurrence of the abnormality is detected. If so (YES in step S16), the process returns to step S11 to generate the training switching signal again.

異常を検出しない場合は(ステップS16のNO)、通信制御部は所定時間が経過したか否かを判断する(ステップS17)。所定時間の経過を検出せず(ステップS17のNO)、処理終了も検出しなければ(ステップS18のNO)、異常検出処理ステップS16を繰り返す。異常が検出されるか(ステップS16のYES)、あるいは所定時間が経過すると(ステップS17のYES)、ステップS11に戻ってトレーニングモードに遷移する。また、処理終了を検出すると(ステップS18のYES)、電源オフとなる。   If no abnormality is detected (NO in step S16), the communication control unit determines whether a predetermined time has elapsed (step S17). If the passage of the predetermined time is not detected (NO in step S17) and the end of the process is not detected (NO in step S18), the abnormality detection processing step S16 is repeated. If an abnormality is detected (YES in step S16) or if a predetermined time has elapsed (YES in step S17), the process returns to step S11 and transitions to the training mode. When the end of the process is detected (YES in step S18), the power is turned off.

このように、本実施例では、上述した第1実施例と同様に、量子チャネル401と古典チャネル402との間の波長分散による伝搬遅延差を伝送路によらず自動で較正することができる。その結果、微弱光のためにクロックを抽出することができない量子チャネル401に代わって、波長の異なる古典チャネル402で送信側の量子ユニット100と受信側の量子ユニット200との同期を確立することができる。さらに、本実施例では、ステップS17で所定時間の経過をモニタし、所定時間が経過した場合には、再度トレーニングモードに切り替わり、量子ユニット間の同期調整が行われる。したがって、所定時間を適切に設定することで所定時間毎の定期校正が可能となり、さらに信頼性の高い量子暗号鍵配布システムを得ることができる。   As described above, in this embodiment, similarly to the first embodiment described above, the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel 401 and the classical channel 402 can be automatically calibrated regardless of the transmission path. As a result, it is possible to establish synchronization between the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side in the classical channel 402 having a different wavelength instead of the quantum channel 401 that cannot extract a clock due to weak light. it can. Furthermore, in this embodiment, the elapse of a predetermined time is monitored in step S17, and when the predetermined time elapses, the mode is switched again to the training mode, and the synchronization adjustment between the quantum units is performed. Therefore, by appropriately setting the predetermined time, periodic calibration can be performed every predetermined time, and a more reliable quantum encryption key distribution system can be obtained.

1.3)第3実施例
図5は本発明の第3実施例による通信システムの構成を示す概略的ブロック図である。なお、図1に示す構成と同一のブロックおよび同一機能部には同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。
1.3) Third Embodiment FIG. 5 is a schematic block diagram showing a configuration of a communication system according to a third embodiment of the present invention. The same blocks and the same function units as those in the configuration shown in FIG.

図1に示す通信システムでは、光ファイバ5を用いた波長分割多重WDM(Wavelength Division Multiplexing)システムであったが、図5に示す通信システムでは、クロック同期を同じケーブル中の別の光ファイバ5bを用いて行う構成となっている。   In the communication system shown in FIG. 1, the wavelength division multiplexing WDM (Wavelength Division Multiplexing) system using the optical fiber 5 is used, but in the communication system shown in FIG. 5, another optical fiber 5b in the same cable is connected to the clock synchronization. It is configured to use.

WDMでは、光信号の分割・多重を行う際に、分割・多重用の光部品による損失が生ずるが、この損失を避けるために、本実施例ではクロック同期を同じケーブル中の別の光ファイバ5bを用いて行う。この場合、光ファイバは同じケーブル内に収容されるため、物理的な長さはほぼ同じとなる。しかしながら、同じケーブル内の複数の光ファイバ各々は、製造上のばらつきによって光の伝送路長が必ずしも同じになるとは限らない。   In WDM, when optical signals are divided / multiplexed, loss due to optical components for division / multiplexing occurs. To avoid this loss, in this embodiment, clock synchronization is performed with another optical fiber 5b in the same cable. To do. In this case, since the optical fibers are accommodated in the same cable, the physical lengths are almost the same. However, the optical transmission line lengths of the plurality of optical fibers in the same cable are not always the same due to manufacturing variations.

つまり、本実施例では、量子信号と同期信号とが同じ伝送路上を伝搬するわけではないので、伝送路長が厳密には一致せず、量子信号と同期信号との間には伝搬遅延差が生じる。また、本実施例では、別の光ファイバ5bを用いているので、同一波長を使用することもできるが、別波長を使用した場合には量子信号と同期信号との間には波長分散による伝搬遅延差も生じる。これらの伝搬遅延差の較正も、既に説明した同期部3および4の遅延調整により可能となる。具体的なトレーニングモード動作や遅延調整は図1で説明したものと同一であるから省略する。   That is, in this embodiment, the quantum signal and the synchronization signal do not propagate on the same transmission path, so the transmission path lengths do not exactly match, and there is a propagation delay difference between the quantum signal and the synchronization signal. Arise. In the present embodiment, since another optical fiber 5b is used, the same wavelength can be used. However, when another wavelength is used, propagation by chromatic dispersion is caused between the quantum signal and the synchronization signal. There is also a delay difference. Calibration of these propagation delay differences is also possible by adjusting the delays of the synchronization units 3 and 4 already described. Since specific training mode operation and delay adjustment are the same as those described in FIG.

なお、本発明は、上述した第1〜第3実施例で用いたPlug&Play方式のような双方向方式だけでなく、一方向の量子通信の場合でも適用可能であり、量子通信の形態によらず、本発明の技術は有効である。また、マスタクロック44は、送信側同期部4ではなく、受信側同期部3に設けられても良い。さらに、送信器と受信器との1:1接続だけでなく、1:N(Nは2以上の整数)接続でも構わない。   The present invention can be applied not only to the bidirectional method such as the Plug & Play method used in the first to third embodiments described above, but also to the case of one-way quantum communication, regardless of the form of quantum communication. The technique of the present invention is effective. Further, the master clock 44 may be provided not in the transmission side synchronization unit 4 but in the reception side synchronization unit 3. Further, not only a 1: 1 connection between the transmitter and the receiver, but also a 1: N connection (N is an integer of 2 or more) may be used.

2.第2実施形態
図6は本発明の第2実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図である。ここでは、送信器10と受信器20とが量子チャネル51および古典チャネル52を含む光ファイバ伝送路5により接続されている。量子チャネル51と古典チャネル52とは同一伝送路(光ファイバ伝送路5)上の別波長のチャネルである。ただし、本実施形態の古典チャネル52は複数のチャネルからなる。
2. Second Embodiment FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a communication system according to a second embodiment of the present invention. Here, the transmitter 10 and the receiver 20 are connected by an optical fiber transmission line 5 including a quantum channel 51 and a classical channel 52. The quantum channel 51 and the classical channel 52 are channels of different wavelengths on the same transmission path (optical fiber transmission path 5). However, the classical channel 52 of this embodiment consists of a plurality of channels.

送信器10は量子ユニット1、同期部4、鍵生成制御部61および通信制御部71を含み、受信器20は量子ユニット2、同期部3、鍵生成制御部62および通信制御部72を含む。後述するように、量子ユニット1と量子ユニット2とは量子チャネル51を介して生鍵とよばれる暗号鍵を生成し、送信器10と受信器20とは量子チャネル51および古典チャネル52の別波長チャネルを用いて、量子ユニット1および2の間で同期を確立する。同期確立後、鍵生成制御部61および62は、生成した生鍵を元に古典チャネル52を介して最終鍵を生成・共有する。   The transmitter 10 includes a quantum unit 1, a synchronization unit 4, a key generation control unit 61 and a communication control unit 71, and the receiver 20 includes a quantum unit 2, a synchronization unit 3, a key generation control unit 62 and a communication control unit 72. As will be described later, the quantum unit 1 and the quantum unit 2 generate an encryption key called a raw key through the quantum channel 51, and the transmitter 10 and the receiver 20 have different wavelengths of the quantum channel 51 and the classical channel 52. A channel is used to establish synchronization between quantum units 1 and 2. After the synchronization is established, the key generation control units 61 and 62 generate and share the final key via the classical channel 52 based on the generated raw key.

受信器20の同期部3は、クロック抽出器31、遅延素子32、位相比較器33、マスタクロック34および鍵生成基準検出部35を有する。後述するように遅延素子32は、位相比較器33の比較結果に依存して遅延量が制御される。送信器10の同期部4は、クロック抽出器41、遅延素子42、位相比較器43、および、鍵生成基準発生部44を有する。後述するように遅延素子42は、位相比較器43の比較結果に依存して遅延量が制御される。   The synchronization unit 3 of the receiver 20 includes a clock extractor 31, a delay element 32, a phase comparator 33, a master clock 34, and a key generation reference detection unit 35. As will be described later, the delay amount of the delay element 32 is controlled depending on the comparison result of the phase comparator 33. The synchronization unit 4 of the transmitter 10 includes a clock extractor 41, a delay element 42, a phase comparator 43, and a key generation reference generation unit 44. As will be described later, the delay amount of the delay element 42 is controlled depending on the comparison result of the phase comparator 43.

送信側および受信側の量子ユニット1および量子ユニット2は、それぞれの通信制御部71および72からトレーニングモード切替信号を受取ることでトレーニングモードに移行する。トレーニングモードでは、量子チャネル51に古典チャネルレベルの強さの光信号を伝送することで、各量子ユニットにおいてクロック抽出が可能となる。   The quantum unit 1 and the quantum unit 2 on the transmission side and the reception side shift to the training mode by receiving the training mode switching signal from the respective communication control units 71 and 72. In the training mode, a clock signal can be extracted in each quantum unit by transmitting an optical signal having a classical channel level intensity to the quantum channel 51.

たとえば、トレーニングモード切替信号を入力すると、受信側の量子ユニット2はマスタクロック34のクロック信号に従って通常の通信に用いられる程度の強い光を量子チャネル51に送出する。送信側の量子ユニット1は、量子チャネル51から受信した光クロック信号からクロックを抽出し位相比較器43へ出力するとともに、その光クロック信号を受信器側へ折り返す。   For example, when a training mode switching signal is input, the quantum unit 2 on the receiving side transmits light that is strong enough to be used for normal communication to the quantum channel 51 in accordance with the clock signal of the master clock 34. The quantum unit 1 on the transmission side extracts a clock from the optical clock signal received from the quantum channel 51, outputs the clock to the phase comparator 43, and returns the optical clock signal to the receiver side.

マスタクロック34は、量子ユニット2へ供給した同じクロック信号を古典チャネル52を通して送信器10へ送出する。送信器10の同期部4におけるクロック抽出部41は、古典チャネル52を通して受信した信号からクロック信号を抽出し、それを古典チャネル52へそのまま折り返し返送する。また、抽出されたクロック信号は、遅延素子42で遅延され、位相比較器43、鍵生成基準発生部44および量子ユニット1へ出力される。   The master clock 34 sends the same clock signal supplied to the quantum unit 2 to the transmitter 10 through the classical channel 52. The clock extraction unit 41 in the synchronization unit 4 of the transmitter 10 extracts a clock signal from the signal received through the classical channel 52 and returns it to the classical channel 52 as it is. The extracted clock signal is delayed by the delay element 42 and output to the phase comparator 43, the key generation reference generation unit 44, and the quantum unit 1.

位相比較器43は、量子ユニット1でモニタされた量子チャネル51のクロック信号と遅延素子42から入力した古典チャネル52のクロック信号との位相比較を行い、その位相のずれを補償するように遅延素子42の遅延量を制御する。すなわち、位相比較器43および遅延素子42は遅延ロックループDLLを構成する。   The phase comparator 43 performs a phase comparison between the clock signal of the quantum channel 51 monitored by the quantum unit 1 and the clock signal of the classical channel 52 input from the delay element 42, and compensates for the phase shift. 42 delay amount is controlled. That is, the phase comparator 43 and the delay element 42 constitute a delay locked loop DLL.

受信器20の同期部3におけるクロック抽出部31は、古典チャネル52を通して送信器10から折り返されてきたクロック信号を抽出する。抽出されたクロック信号は遅延素子32で遅延され、位相比較器33および量子ユニット2へ出力される。位相比較器33は、量子ユニット2でモニタされた量子チャネル51のクロック信号と遅延素子32から入力した古典チャネル52のクロック信号との位相比較を行い、その位相のずれを補償するように遅延素子32の遅延量を制御する。すなわち、位相比較器33および遅延素子32は遅延ロックループDLLを構成する。   The clock extraction unit 31 in the synchronization unit 3 of the receiver 20 extracts the clock signal returned from the transmitter 10 through the classical channel 52. The extracted clock signal is delayed by the delay element 32 and output to the phase comparator 33 and the quantum unit 2. The phase comparator 33 compares the phase of the clock signal of the quantum channel 51 monitored by the quantum unit 2 with the clock signal of the classical channel 52 input from the delay element 32, and compensates for the phase shift. 32 delay amounts are controlled. That is, the phase comparator 33 and the delay element 32 constitute a delay locked loop DLL.

このようにして送信器10および受信器20において遅延量の調整が行われ、マスタクロック34を基準とした同期が確立される。同期が確立されると、送信器10および受信器20の量子ユニット1および2は、それぞれ同期したクロック信号に従って、次に述べる鍵生成同期処理を行うことができる。   In this way, the delay amount is adjusted in the transmitter 10 and the receiver 20, and synchronization based on the master clock 34 is established. When synchronization is established, the quantum units 1 and 2 of the transmitter 10 and the receiver 20 can perform the following key generation synchronization processing according to the synchronized clock signals.

上述したように、トレーニングモードでは量子チャネル51に古典チャネルレベルの強さの光信号を伝送することで、各量子ユニットにおいてクロック抽出が可能となる。したがって、鍵生成基準発生部44で生成された鍵生成基準信号を量子チャネル51および古典チャネル52の両方を介して受信器20へ送信することで、受信器20の鍵生成基準検出部35が量子チャネル51、古典チャネル52それぞれを介して受信した鍵生成基準信号の位相差を検出することが可能となる。こうして量子チャネル51と古典チャネル52とを用いて鍵生成同期を確立することができる。   As described above, in the training mode, clock signals can be extracted in each quantum unit by transmitting an optical signal having a classical channel level intensity to the quantum channel 51. Therefore, by transmitting the key generation reference signal generated by the key generation reference generation unit 44 to the receiver 20 via both the quantum channel 51 and the classical channel 52, the key generation reference detection unit 35 of the receiver 20 is quantum. It becomes possible to detect the phase difference between the key generation reference signals received via the channel 51 and the classical channel 52, respectively. Thus, key generation synchronization can be established using the quantum channel 51 and the classical channel 52.

なお、送信器10および受信器20の間では、トレーニングモード、鍵生成同期処理モードあるいは量子モードへの切替え時に、古典チャネル52を介して相互にその切替え要求およびそれに対する応答がやりとりされ、それらの切替えが通知される。送信器10および受信器20の通信制御部71および72は、この切替えの通知に従ってトレーニングモード切替信号、鍵生成同期処理切替信号または量子モード切替信号を出力する。   In addition, between the transmitter 10 and the receiver 20, when switching to the training mode, the key generation synchronization processing mode, or the quantum mode, the switching request and the response to the mutual are exchanged via the classical channel 52. Switchover is notified. The communication control units 71 and 72 of the transmitter 10 and the receiver 20 output a training mode switching signal, a key generation synchronization processing switching signal, or a quantum mode switching signal in accordance with this switching notification.

なお、送信器10の鍵生成制御部61および通信制御部71と、受信器20の鍵生成制御部62および通信制御部72とは、それぞれプログラム制御プロセッサ上で後述する通信制御および鍵生成同期制御のプログラムを実行することにより実現することもできる。   Note that the key generation control unit 61 and the communication control unit 71 of the transmitter 10 and the key generation control unit 62 and the communication control unit 72 of the receiver 20 are communication control and key generation synchronization control described later on the program control processor, respectively. It can also be realized by executing the program.

2.1)第4実施例
次に、上記第2実施形態による通信システムをPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムに適用した一例を詳細に説明する。ただし、Plug&Playシステムの基本的な構成および動作は、図11を用いて既に説明しているので詳細は省略する。
2.1) Fourth Example Next, an example in which the communication system according to the second embodiment is applied to a plug & play quantum encryption key distribution system will be described in detail. However, the basic configuration and operation of the Plug & Play system have already been described with reference to FIG.

(構成)
図7は本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを示すブロック図である。本実施例では、波長λ1の量子チャネル401(図6の量子チャネル51)と、波長λ2およびλ3の同期信号用の古典チャネル402と、波長λ4およびλ5の鍵生成用の古典チャネル403(図6の古典チャネル52)とが用いられる。波長多重分離器601および602は光ファイバ伝送路400(図6の光ファイバ5)を通して接続されている。
(Constitution)
FIG. 7 is a block diagram showing a plug & play quantum key distribution system according to a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the quantum channel 401 with the wavelength λ1 (quantum channel 51 in FIG. 6), the classical channel 402 for synchronization signals with wavelengths λ2 and λ3, and the classical channel 403 for key generation with wavelengths λ4 and λ5 (FIG. 6). The classical channel 52) is used. The wavelength demultiplexers 601 and 602 are connected through an optical fiber transmission line 400 (optical fiber 5 in FIG. 6).

波長λ1の量子チャネル401は量子ユニット100および200にそれぞれ接続され、波長λ2およびλ3の同期信号用の古典チャネル402は同期部300および500にそれぞれ接続されている。さらに、波長λ4およびλ5の鍵生成用の古典チャネル403はE/O611およびO/E612を介して鍵生成制御部610に、O/E621およびE/O622を介して鍵生成制御部620に、それぞれ接続されている。   The quantum channel 401 with wavelength λ1 is connected to the quantum units 100 and 200, respectively, and the classical channel 402 for synchronization signals with wavelengths λ2 and λ3 is connected to the synchronization units 300 and 500, respectively. Further, the classical channel 403 for generating keys of wavelengths λ4 and λ5 is sent to the key generation controller 610 via E / O 611 and O / E 612, and to the key generation controller 620 via O / E 621 and E / O 622, respectively. It is connected.

送信側の量子ユニット100は、位相変調器111、変調器駆動回路112、遅延調整回路113、ファラデーミラー120、および、光減衰器130を有し、さらに乱数R1およびR2と鍵生成基準信号とのいずれかを選択するセレクタ114、および、量子チャネルモニタ用の光電変換器(O/E)140を有する。   The quantum unit 100 on the transmission side includes a phase modulator 111, a modulator drive circuit 112, a delay adjustment circuit 113, a Faraday mirror 120, and an optical attenuator 130, and further includes random numbers R1 and R2 and a key generation reference signal. A selector 114 for selecting one of them and a photoelectric converter (O / E) 140 for quantum channel monitoring are included.

トレーニングモード時には、位相変調器111は位相変調を行わず、光減衰器130は強い光を送出するために減衰量を小さく設定する。   In the training mode, the phase modulator 111 does not perform phase modulation, and the optical attenuator 130 sets the attenuation amount to be small in order to transmit strong light.

鍵生成同期処理時にはセレクタ114は鍵生成基準信号を選択する。位相変調器111は、鍵生成基準信号の0/1に従って、ファラデーミラー120から反射した光パルスを0/πの位相で変調する。また、強い光を送出するために光減衰器130の減衰量は小さく設定される。   During key generation synchronization processing, the selector 114 selects a key generation reference signal. The phase modulator 111 modulates the optical pulse reflected from the Faraday mirror 120 with a phase of 0 / π according to 0/1 of the key generation reference signal. Further, the attenuation amount of the optical attenuator 130 is set to be small in order to transmit strong light.

量子モード時にはセレクタ114は乱数R1およびR2を選択する。位相変調器111は、同期部500からの較正クロック信号に従って、乱数R1およびR2の組み合わせに対応する0、π/2、π、3/2πの4つの位相でファラデーミラー120から反射した光パルスを変調する。また、光減衰器130は微弱な光を送出するために減衰量を大きくする。これらの動作モードの切り替えは通信制御部71(図6参照)により制御される。   In the quantum mode, the selector 114 selects the random numbers R1 and R2. In accordance with the calibration clock signal from the synchronization unit 500, the phase modulator 111 reflects the optical pulse reflected from the Faraday mirror 120 with four phases of 0, π / 2, π, and 3 / 2π corresponding to the combination of the random numbers R1 and R2. Modulate. In addition, the optical attenuator 130 increases the attenuation in order to transmit weak light. Switching between these operation modes is controlled by the communication control unit 71 (see FIG. 6).

受信側の量子ユニット200は、波長λ1のパルス光源であるレーザLD211と、そのドライバであるレーザ駆動回路212とを有し、波長λ1の光パルスが光減衰器213を通して光サーキュレータ250に入射する。光サーキュレータ250から出射した光パルスは、光カプラ406によって短経路(Short Path)404と長経路(Long Path)405にそれぞれ分岐し、Long Path405に分岐した光パルスは位相変調器221を介して偏光ビームスプリッタPBS230に入射する。位相変調器221は、乱数R3に従って変調器駆動回路222により駆動され、駆動タイミングは遅延調整回路223により調整される。   The reception-side quantum unit 200 includes a laser LD 211 that is a pulsed light source having a wavelength λ1 and a laser driving circuit 212 that is a driver thereof, and an optical pulse having a wavelength λ1 is incident on the optical circulator 250 through an optical attenuator 213. The optical pulse emitted from the optical circulator 250 is branched into a short path (Short Path) 404 and a long path (Long Path) 405 by the optical coupler 406, and the optical pulse branched into the Long Path 405 is polarized via the phase modulator 221. The light enters the beam splitter PBS230. The phase modulator 221 is driven by the modulator drive circuit 222 according to the random number R3, and the drive timing is adjusted by the delay adjustment circuit 223.

乱数R3は鍵生成制御部620により供給されるが、1つの値だけを供給して位相変調器221の位相を1つに固定することもできる。後述するように、鍵生成同期処理時には、位相変調器221の位相を0に固定して、送信器から受信した鍵生成基準信号の値1をAPD242で検出するように設定することができる。   The random number R3 is supplied by the key generation control unit 620, but it is also possible to supply only one value and fix the phase of the phase modulator 221 to one. As will be described later, during the key generation synchronization process, the phase of the phase modulator 221 can be fixed to 0, and the value 1 of the key generation reference signal received from the transmitter can be set to be detected by the APD 242.

位相変調器221は、量子モード時には、既に述べたように送信器側で折り返された信号がLong path405を通るときに、乱数R3に従った0、π/2の2つの位相で当該光信号を変調する。そして、送信器側の位相変調器111で変調された光信号と受信器側の位相変調器221で変調された光信号とが光カプラ406で干渉し、その結果がアバランシェ光ダイオード(Avalanche Photo Diode)APD241またはADP242で検出される。なお、Short Path404およびLong Path405は偏波保存ファイバ、光サーキュレータ250、光カプラ406は偏波保存型である。   In the quantum mode, the phase modulator 221 transmits the optical signal with two phases of 0 and π / 2 according to the random number R3 when the signal folded on the transmitter side passes through the long path 405 as described above. Modulate. The optical signal modulated by the phase modulator 111 on the transmitter side and the optical signal modulated by the phase modulator 221 on the receiver side interfere with each other at the optical coupler 406, and the result is an avalanche photo diode (Avalanche Photo Diode). ) Detected by APD 241 or ADP 242. Short Path 404 and Long Path 405 are polarization-maintaining fibers, and optical circulator 250 and optical coupler 406 are polarization-maintaining.

なお、量子モード時には、Short Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスが十分区別できるように、レーザLD211から出力される光パルスのパルス幅を小さくして必要な間隔を維持する必要がある。しかしながら、トレーニングモード時には量子モード時のような光パルスの間隔を維持する必要はない。したがって、レーザ駆動回路212は、量子モードおよびトレーニングモードのいずれであるかによって上記光パルス幅を変化させる。   In the quantum mode, it is necessary to reduce the pulse width of the optical pulse output from the laser LD 211 and maintain the necessary interval so that the optical pulses that have passed through the different paths of the short path 404 and the long path 405 can be sufficiently distinguished. . However, it is not necessary to maintain the optical pulse interval in the training mode as in the quantum mode. Therefore, the laser drive circuit 212 changes the optical pulse width depending on whether the quantum mode or the training mode is selected.

送信側同期部500には、波長λ2の古典チャネル402を通して受信器側から受信した光クロック信号を電気信号に変換する光電変換器(O/E)501、遅延素子502、および、位相比較器503が設けられている。O/E501で受信されたクロック信号は遅延素子502およびセレクタ504へ出力される。   The transmission-side synchronization unit 500 includes a photoelectric converter (O / E) 501 that converts an optical clock signal received from the receiver side through the classical channel 402 having the wavelength λ2 into an electrical signal, a delay element 502, and a phase comparator 503. Is provided. The clock signal received by the O / E 501 is output to the delay element 502 and the selector 504.

セレクタ504は、通常、O/E501で受信されたクロック信号を電光変換器(E/O)505へ転送し、E/O505はこのクロック信号を波長λ3の光クロック信号に変換し波長λ3の古典チャネル402を通して受信器側へ折り返す。   The selector 504 normally transfers the clock signal received by the O / E 501 to an electro-optic converter (E / O) 505, which converts the clock signal into an optical clock signal of wavelength λ3 and converts it to the classical wavelength λ3. It loops back to the receiver side through the channel 402.

さらに、同期部500には鍵生成基準発生部506が設けられ、鍵生成同期処理時には鍵生成基準信号を量子ユニット100のセレクタ114と同期部500のセレクタ504へ同時に出力する。セレクタ504は、鍵生成同期処理時には鍵生成基準信号を選択してE/O505へ転送し、E/O505はこの鍵生成基準信号を波長λ3の光信号に変換し、波長λ3の古典チャネル402を通して受信器側へ送出する。   Further, the synchronization unit 500 is provided with a key generation reference generation unit 506, which simultaneously outputs a key generation reference signal to the selector 114 of the quantum unit 100 and the selector 504 of the synchronization unit 500 during key generation synchronization processing. The selector 504 selects a key generation reference signal at the time of key generation synchronization processing and transfers it to the E / O 505. The E / O 505 converts this key generation reference signal into an optical signal of wavelength λ3, and passes through the classical channel 402 of wavelength λ3. Send to receiver side.

位相比較器503は、トレーニングモード時において、O/E140により検出された波長λ1の量子チャネル401のクロック信号と遅延素子502から入力する古典チャネル402のクロック信号との位相比較を行い、上述したような遅延調整により較正クロック信号CLKを生成する。この較正クロック信号CLKは、量子ユニット100の遅延調整回路113、鍵生成基準発生部506および鍵生成制御部610へそれぞれ分配される。   The phase comparator 503 compares the phase of the clock signal of the quantum channel 401 having the wavelength λ 1 detected by the O / E 140 and the clock signal of the classical channel 402 input from the delay element 502 in the training mode, as described above. The calibration clock signal CLK is generated by performing an appropriate delay adjustment. The calibration clock signal CLK is distributed to the delay adjustment circuit 113, the key generation reference generation unit 506, and the key generation control unit 610 of the quantum unit 100, respectively.

受信側同期部300は、光電変換器(O/E)301、遅延素子302、位相比較器303、電光変換器(E/O)304、マスタクロック305、鍵生成基準検出部306および、セレクタ307を有する。マスタクロック305のクロック信号は、E/O304によって波長λ2の光クロック信号に変換されて古典チャネル402を通して送信器へ送出され、同時に量子ユニット200のレーザ駆動回路212および鍵生成制御部620へそれぞれ出力される。レーザ駆動回路212はレーザLD211を駆動し波長λ1の光パルスを発生させる。その時の光パルスの幅は、上述したように、量子モードおよびトレーニングモードのいずれであるかによって制御される。   The reception-side synchronization unit 300 includes a photoelectric converter (O / E) 301, a delay element 302, a phase comparator 303, an electro-optic converter (E / O) 304, a master clock 305, a key generation reference detection unit 306, and a selector 307. Have The clock signal of the master clock 305 is converted into an optical clock signal of wavelength λ2 by the E / O 304 and sent to the transmitter through the classical channel 402, and simultaneously output to the laser driving circuit 212 and the key generation control unit 620 of the quantum unit 200, respectively. Is done. The laser drive circuit 212 drives the laser LD 211 to generate an optical pulse with a wavelength λ1. The width of the light pulse at that time is controlled depending on whether the mode is the quantum mode or the training mode, as described above.

O/E301は、送信器から波長λ3の古典チャネル402を通して受信した光信号を電気信号に変換し、その受信信号はセレクタ307によって遅延素子302および鍵生成基準検出部305のいずれかへ転送される。セレクタ307は、通常、受信信号をクロック信号として遅延素子302へ転送するが、鍵生成同期処理時には鍵生成基準信号として鍵生成基準検出部305へ転送する。   The O / E 301 converts the optical signal received from the transmitter through the classical channel 402 having the wavelength λ3 into an electrical signal, and the received signal is transferred to either the delay element 302 or the key generation reference detection unit 305 by the selector 307. . The selector 307 normally transfers the received signal as a clock signal to the delay element 302, but transfers it to the key generation reference detection unit 305 as a key generation reference signal during the key generation synchronization processing.

トレーニングモード時には、レーザLD211から波長λ1の光パルスが長いパルス幅で出力し、量子チャネル401を通して送信器へ到達する。そして、送信器側で光減衰も位相変調もされないでそのまま折り返され、同じく量子チャネル401を通して受信器に到達し、APD242によってクロック信号として検出される。APD242により検出されたクロック信号は位相比較器303によって古典チャネル402を通したクロック信号と位相比較され、上述したような遅延調整が行われる。これにより較正クロック信号CLKが生成され、この較正クロック信号によって鍵生成同期処理時および量子モード時の量子ユニット200の位相変調タイミングが正しく設定される。   In the training mode, an optical pulse of wavelength λ1 is output from the laser LD 211 with a long pulse width and reaches the transmitter through the quantum channel 401. Then, the light is not attenuated or phase-modulated on the transmitter side, and is folded as it is, and similarly reaches the receiver through the quantum channel 401 and is detected as a clock signal by the APD 242. The phase of the clock signal detected by the APD 242 is compared with the clock signal passed through the classical channel 402 by the phase comparator 303, and the delay adjustment as described above is performed. Thereby, the calibration clock signal CLK is generated, and the phase modulation timing of the quantum unit 200 at the time of key generation synchronization processing and the quantum mode is correctly set by this calibration clock signal.

鍵生成同期処理時には、受信器のレーザLD211からの波長λ1の光パルスは量子チャネル401を通して送信器へ到達し、送信器側で鍵生成基準信号に従って位相変調され、同じく量子チャネル401を通して受信器に到達する。位相変調器221を所定の位相に固定しておくことで、鍵生成基準信号が1の時のみAPD242によって検出されるように設定でき、APD242により検出された鍵生成基準信号が鍵生成基準検出部305に入力する。また、古典チャネル402を通して受信した鍵生成基準信号がセレクタ307を通して鍵生成基準検出部305に入力する。鍵生成基準検出部305は、これらの鍵生成基準信号のタイミングのずれを検出し、その誤差信号を鍵生成制御部620へ出力する。   At the time of key generation synchronization processing, the optical pulse of wavelength λ1 from the laser LD 211 of the receiver reaches the transmitter through the quantum channel 401, is phase-modulated according to the key generation reference signal on the transmitter side, and is also transmitted to the receiver through the quantum channel 401. To reach. By fixing the phase modulator 221 to a predetermined phase, the key generation reference signal can be set to be detected by the APD 242 only when the key generation reference signal is 1, and the key generation reference signal detected by the APD 242 is the key generation reference detection unit. Input to 305. The key generation reference signal received through the classical channel 402 is input to the key generation reference detection unit 305 through the selector 307. The key generation reference detection unit 305 detects a timing shift of these key generation reference signals and outputs the error signal to the key generation control unit 620.

なお、送信器および受信器の間では、トレーニングモード、鍵生成同期処理モードあるいは量子モードへの切替え時に、古典チャネル402を介して相互にその切替え要求およびそれに対する応答がやりとりされ、それらの切替えが通知される。送信器および受信器の通信制御部71および72は、この切替えの通知に従ってトレーニングモード切替信号、鍵生成同期処理切替信号または量子モード切替信号を出力する。   Note that between the transmitter and the receiver, when switching to the training mode, the key generation synchronization processing mode, or the quantum mode, the switching request and response to each other are exchanged via the classical channel 402, and the switching is performed. Be notified. The communication control units 71 and 72 of the transmitter and the receiver output a training mode switching signal, a key generation synchronization processing switching signal, or a quantum mode switching signal in accordance with this switching notification.

(トレーニングモード)
図8は本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。まず、送信器10および受信器20の通信制御部71および72はそれぞれ電源オンになると、トレーニングモード切替信号を発生し(ステップS21)、それによって送信側の量子ユニット100および受信側の量子ユニット200はそれぞれトレーニングモードに遷移する(ステップS22)。
(Training mode)
FIG. 8 is a flowchart showing the mode switching operation on the transmission side and the reception side in the Plug & Play quantum key distribution system according to the fourth embodiment of the present invention. First, when the communication control units 71 and 72 of the transmitter 10 and the receiver 20 are turned on, respectively, a training mode switching signal is generated (step S21), thereby the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side. Transition to the training mode (step S22).

トレーニングモードでは、量子チャネル401の光パワーが通常の通信に用いられる程度の強い光で通信することができる。このトレーニングモード時の強い光は、受信側のレーザ光パルスを減衰させる光源衰器213と送信器側の量子チャネル401の光減衰器130との減衰量を小さくすることで光パワーを大きくし、かつ、レーザ駆動回路212がレーザLD211を駆動する駆動電流のパルス幅を広くしてマーク率を量子モードより上げることによって実現する。上述したように、トレーニングモードでは、受信器側におけるShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスを区別する必要がないからである。   In the training mode, communication can be performed using light that is strong enough to use the optical power of the quantum channel 401 for normal communication. The strong light in this training mode increases the optical power by reducing the attenuation amount of the light source attenuator 213 that attenuates the laser light pulse on the reception side and the optical attenuator 130 of the quantum channel 401 on the transmitter side, In addition, the laser drive circuit 212 increases the mark rate from the quantum mode by increasing the pulse width of the drive current for driving the laser LD 211. This is because, as described above, in the training mode, it is not necessary to distinguish light pulses that have passed through different paths of the short path 404 and the long path 405 on the receiver side.

また、量子チャネル401の光パワーが通常の通信に用いられる程度の強い場合には、量子チャネル401からのクロック抽出が可能となる。送信側の量子ユニット100ではO/E140が光クロック信号を電気的クロック信号に変換し位相比較器503へ出力する。受信側の量子ユニット200ではAPD242が光クロック信号を検出して電気的クロック信号を位相比較器303へ出力する。   In addition, when the optical power of the quantum channel 401 is strong enough to be used for normal communication, clock extraction from the quantum channel 401 is possible. In the quantum unit 100 on the transmission side, the O / E 140 converts the optical clock signal into an electrical clock signal and outputs it to the phase comparator 503. In the quantum unit 200 on the receiving side, the APD 242 detects the optical clock signal and outputs the electrical clock signal to the phase comparator 303.

さらに、トレーニングモードでは、送信器側の同期部500ではセレクタ504がO/E501の出力を選択し、受信器側の同期部300ではセレクタ307が遅延素子302を選択する。マスタクロック305で生成されるクロック信号はE/O304によって波長λ2の古典チャネルを通して送信器側へ送出され、同時にレーザ駆動回路212を駆動してレーザLD211から波長λ1の光パルスを放出する。   Further, in the training mode, the selector 504 selects the output of the O / E 501 in the synchronization unit 500 on the transmitter side, and the selector 307 selects the delay element 302 in the synchronization unit 300 on the receiver side. The clock signal generated by the master clock 305 is sent to the transmitter side through the classical channel of wavelength λ2 by the E / O 304, and at the same time, the laser driving circuit 212 is driven to emit an optical pulse of wavelength λ1 from the laser LD 211.

送信側の量子ユニット100では、量子チャネル401からO/E140で抽出したクロックと、古典チャネル402からO/E501で抽出したクロックとを位相比較器503で比較し、ここでの位相差が零となるように遅延素子502にフィードバックを行う(Delay調整:ステップS23)。   In the quantum unit 100 on the transmission side, the clock extracted from the quantum channel 401 by the O / E 140 and the clock extracted from the classical channel 402 by the O / E 501 are compared by the phase comparator 503, and the phase difference here is zero. Thus, feedback is performed to the delay element 502 (Delay adjustment: step S23).

O/E501で抽出した古典チャネル402のクロック信号は、セレクタ504を通してE/O505へ出力され、波長λ3の古典チャネル402を通して受信器側へ折り返される。また、量子チャネル401の光信号はファラデーミラー120で折り返され、位相変調器111で変調されることなく、光減衰器130で光パワーを絞ることもなく、量子チャネル401を通して受信器側へそのまま折り返される。   The clock signal of the classical channel 402 extracted by the O / E 501 is output to the E / O 505 through the selector 504 and is returned to the receiver side through the classical channel 402 having the wavelength λ3. In addition, the optical signal of the quantum channel 401 is folded back by the Faraday mirror 120, is not modulated by the phase modulator 111, and is not folded by the optical attenuator 130, but is folded as it is to the receiver side through the quantum channel 401. It is.

一方、受信側の量子ユニット200では、APD242で量子チャネル401の光パルスを受信する。これは、送信側の量子ユニット100の位相変調器111で変調を加えなかったので、送信側の量子ユニット100での変調位相と受信側の量子ユニット200での変調位相とが一致し、光パルスのAPD242への出力が一意に定まるためである。   On the other hand, in the quantum unit 200 on the receiving side, the optical pulse of the quantum channel 401 is received by the APD 242. This is because no modulation was applied by the phase modulator 111 of the quantum unit 100 on the transmission side, so that the modulation phase in the quantum unit 100 on the transmission side coincides with the modulation phase in the quantum unit 200 on the reception side. This is because the output to the APD 242 is uniquely determined.

また、波長λ3の古典チャネル402を通してO/E301で受信したクロック信号はセレクタ307を通して遅延素子302へ出力され、遅延されたクロック信号が位相比較器303に入力する。   The clock signal received by the O / E 301 through the classical channel 402 with the wavelength λ 3 is output to the delay element 302 through the selector 307, and the delayed clock signal is input to the phase comparator 303.

APD242で受信されたクロック信号(同期信号)と古典チャネル402からO/E301で抽出されたクロック信号とは位相比較器303で比較され、位相差が零となるように遅延素子302にフィードバックされる(Delay調整:ステップS23)。   The clock signal (synchronization signal) received by the APD 242 and the clock signal extracted from the classical channel 402 by the O / E 301 are compared by the phase comparator 303 and fed back to the delay element 302 so that the phase difference becomes zero. (Delay adjustment: step S23).

(鍵生成同期)
送信側の同期部500および受信側の同期部300のそれぞれにおいて位相差がゼロになり遅延素子502および302の遅延量が決定すると、それぞれの通信制御部71および72は鍵生成同期処理へ移行する(ステップS24)。
(Key generation synchronization)
When the phase difference becomes zero and the delay amounts of the delay elements 502 and 302 are determined in each of the transmission-side synchronization unit 500 and the reception-side synchronization unit 300, the respective communication control units 71 and 72 shift to key generation synchronization processing. (Step S24).

鍵生成同期処理に移行すると、送信器の通信制御部71は、セレクタ114およびセレクタ504をそれぞれ鍵生成基準信号を選択するように切り替え、鍵生成基準発生部506は較正クロック信号CLKのタイミングに従って鍵生成基準信号を出力する。これによって、鍵生成基準信号が変調器駆動回路112へ入力する。位相変調器111は較正クロックCLKのタイミングで動作し、鍵生成基準信号の0/1に従ってファラデーミラー120からの反射光を0/πでそれぞれ位相変調して受信器へ送信する。同時に、鍵生成基準信号はセレクタ504を介してE/O505へ転送され、波長λ3の古典チャネルを通して受信器へ送信される。   When shifting to the key generation synchronization processing, the communication control unit 71 of the transmitter switches the selector 114 and the selector 504 to select the key generation reference signal, respectively, and the key generation reference generation unit 506 switches the key according to the timing of the calibration clock signal CLK. Output generation reference signal. As a result, the key generation reference signal is input to the modulator driving circuit 112. The phase modulator 111 operates at the timing of the calibration clock CLK, and modulates the reflected light from the Faraday mirror 120 by 0 / π according to 0/1 of the key generation reference signal and transmits it to the receiver. At the same time, the key generation reference signal is transferred to the E / O 505 via the selector 504 and transmitted to the receiver through the classical channel of wavelength λ3.

鍵生成同期処理に移行すると、受信器の通信制御部72は、セレクタ307を鍵生成基準検出部306側へ切り替え、波長λ3の古典チャネルを通して受信した鍵生成基準信号を鍵生成基準検出部306へ転送する。また、通信制御部72は鍵生成制御部620に指示して位相変調器221の位相を0に固定する。これによって、位相変調器221は較正クロックCLKのタイミングで、送信器の位相変調器111で位相変調された光信号を位相変調し、受信した光信号を鍵生成基準信号が0の時はAPD241で、1の時はAPD242でそれぞれ検出する。   When the process proceeds to the key generation synchronization process, the communication control unit 72 of the receiver switches the selector 307 to the key generation reference detection unit 306 side, and the key generation reference signal received through the classical channel of wavelength λ3 to the key generation reference detection unit 306. Forward. Further, the communication control unit 72 instructs the key generation control unit 620 to fix the phase of the phase modulator 221 to zero. As a result, the phase modulator 221 phase-modulates the optical signal phase-modulated by the phase modulator 111 of the transmitter at the timing of the calibration clock CLK, and the received optical signal is output by the APD 241 when the key generation reference signal is 0. In the case of 1, each is detected by the APD 242.

鍵生成基準検出部306は、古典チャネル402から受信した鍵生成基準信号と量子チャネル401からAPD242で受信した鍵生成基準信号との検出タイミングを比較し、その結果を鍵生成制御部620へ通知する。この検出タイミングの誤差を補償することで、図10で説明したような鍵生成のためのビット同期を確立することができる。検出タイミングの通知が完了すると、通信制御部72は量子モード切替信号を発生し、鍵生成制御部620を量子モードへ移行させるとともに、古典チャネル403を通して量子モード切替要求を送信器へ送信し、送信器の鍵生成制御部610も量子モードに移行させる(ステップS25)。   The key generation reference detection unit 306 compares the detection timings of the key generation reference signal received from the classical channel 402 and the key generation reference signal received from the quantum channel 401 by the APD 242 and notifies the key generation control unit 620 of the result. . By compensating for this detection timing error, the bit synchronization for key generation as described in FIG. 10 can be established. When the notification of the detection timing is completed, the communication control unit 72 generates a quantum mode switching signal, shifts the key generation control unit 620 to the quantum mode, and transmits a quantum mode switching request to the transmitter through the classical channel 403. The key generation control unit 610 of the device is also shifted to the quantum mode (step S25).

こうして遅延調整(ステップS23)および鍵生成同期(ステップS24)によって、量子チャネルのクロック同期および鍵生成ビット同期の確立が可能となる。   Thus, the delay adjustment (step S23) and the key generation synchronization (step S24) make it possible to establish clock synchronization and key generation bit synchronization of the quantum channel.

(量子モード)
量子モードは量子チャネル401での光パワーが1photon/bitと非常に微弱なモードである。この量子モード時の微弱な光は、送信器側の量子チャネル401の光減衰器130の減衰量を大きくすることで光パワーを微弱にし、かつ、受信器側のレーザ駆動回路212がレーザLD211を駆動する駆動電流のパルス幅を狭くしてマーク率を下げることによって実現する。受信器側におけるShort Path404およびLong Path405の別経路を通った光パルスを区別する必要があるからである。量子暗号鍵生成はこの量子モードで行われる。
(Quantum mode)
The quantum mode is a mode in which the optical power in the quantum channel 401 is very weak at 1 photon / bit. The weak light in this quantum mode weakens the optical power by increasing the attenuation amount of the optical attenuator 130 of the quantum channel 401 on the transmitter side, and the laser drive circuit 212 on the receiver side turns the laser LD 211 on. This is realized by reducing the mark rate by narrowing the pulse width of the driving current to be driven. This is because it is necessary to distinguish light pulses that have passed through different paths of the Short Path 404 and the Long Path 405 on the receiver side. Quantum encryption key generation is performed in this quantum mode.

この量子モード動作時には、上述した遅延調整による遅延量の確定により、量子ユニット100および200はいずれもマスタクロック305を基準とした同期状態にある。すなわち、送信側の量子ユニット100の位相変調器111は、送信側同期部500で較正したクロックに同期して動作し、受信側の量子ユニット200の位相変調器221およびAPD241、242は受信側同期部300で較正したクロックに同期して動作する。   At the time of this quantum mode operation, the quantum units 100 and 200 are both in a synchronized state with the master clock 305 as a reference by determining the delay amount by the delay adjustment described above. That is, the phase modulator 111 of the quantum unit 100 on the transmission side operates in synchronization with the clock calibrated by the transmission side synchronization unit 500, and the phase modulator 221 and the APDs 241 and 242 of the quantum unit 200 on the reception side are synchronized on the reception side. It operates in synchronization with the clock calibrated by the unit 300.

送信器10及び受信器20のそれぞれの通信制御部71および72は、上記量子モードにおいて、異常(例えば、DLLのlock異常)の有無を判定する(ステップS27)。異常発生が検出されると(ステップS27のYES)、ステップS21に戻って再度トレーニング切替信号を発生させる。異常を検出せず(ステップS27のNO)、処理終了も検出しなければ(ステップS28のNO)、異常検出処理ステップS27を繰り返す。一方、処理が終了すると(ステップS28のYES)、電源オフとなる。   The respective communication control units 71 and 72 of the transmitter 10 and the receiver 20 determine whether or not there is an abnormality (for example, DLL lock abnormality) in the quantum mode (step S27). When the occurrence of abnormality is detected (YES in step S27), the process returns to step S21 to generate the training switching signal again. If no abnormality is detected (NO in step S27) and the end of the process is not detected (NO in step S28), the abnormality detection processing step S27 is repeated. On the other hand, when the process ends (YES in step S28), the power is turned off.

このように、本実施例では、量子チャネル401と古典チャネル402との間の波長分散による伝搬遅延差を伝送路によらず自動で較正することができる。その結果、本実施例では、微弱光のためにクロックを抽出することができない量子チャネル401に代わって、波長の異なる古典チャネル402で送信側の量子ユニット100と受信側の量子ユニット200との同期を確立することができる。   Thus, in this embodiment, the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel 401 and the classical channel 402 can be automatically calibrated regardless of the transmission path. As a result, in this embodiment, instead of the quantum channel 401 from which a clock cannot be extracted due to weak light, synchronization between the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side is performed in the classical channel 402 having a different wavelength. Can be established.

従来、量子チャネルを利用して光パワーレベルが微少な光で通信している時には、受信器にほとんど光は届かないため、例えば送信側がマーク率1/2のデータを送っても、受信側のマーク率が1/2よりもはるかに小さくなり、データの欠損が生じ、正しい周期のクロックを抽出することができなかった。これに対し、本実施例では、トレーニングモードとして、量子チャネル401での光パワーを通常の通信に用いられる程度の強い光として通信を行うので、例えば送信側がマーク率1/2のデータを送ると、受信側のマーク率も1/2となり、データの欠損が生じることはなく、正しい周期のクロックを抽出することができる。これを利用することで、量子チャネルおよび古典チャネルの伝搬遅延差が存在しても、送信側および受信側の量子ユニット間の同期を容易に確立することができる。   Conventionally, when communicating with light having a very low optical power level using a quantum channel, almost no light reaches the receiver. For example, even if the transmitting side sends data with a mark ratio of 1/2, the receiving side The mark rate was much smaller than 1/2, data loss occurred, and a clock with a correct period could not be extracted. On the other hand, in the present embodiment, as the training mode, communication is performed with the optical power in the quantum channel 401 being strong enough to be used for normal communication. For example, when the transmission side sends data with a mark ratio of 1/2. The mark rate on the receiving side is also halved, and data loss does not occur, and a clock with a correct period can be extracted. By utilizing this, even if there is a propagation delay difference between the quantum channel and the classical channel, synchronization between the quantum units on the transmission side and the reception side can be easily established.

さらに、本実施例によれば、量子ユニット間で同期が確立すると、それに基づいて鍵生成基準信号を送信器から受信器へ量子チャネルおよび古典チャネルの両方を通して同時に送信し、受信器側で両チャネルの検出タイミングを比較することで鍵生成同期を容易に且つ高精度に確立することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, when synchronization is established between the quantum units, a key generation reference signal is simultaneously transmitted from the transmitter to the receiver through both the quantum channel and the classical channel, and both channels are transmitted on the receiver side. Key generation synchronization can be established easily and with high accuracy.

2.2)第5実施例
図9は本発明の第5実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。第5実施例では、装置構成自体は図7に示す第4実施例と同様であるから、以下、第5実施例における送信側および受信側のモード切替動作についてのみ説明する。
2.2) Fifth Embodiment FIG. 9 is a flowchart showing the mode switching operation on the transmission side and the reception side according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, since the apparatus configuration itself is the same as that of the fourth embodiment shown in FIG. 7, only the mode switching operation on the transmission side and the reception side in the fifth embodiment will be described below.

図4において、ステップS31〜S34は、第4実施例で説明した図8のステップS21〜S24にそれぞれ対応し、トレーニングモードにおける遅延調整および鍵生成同期処理が実行され、量子ユニット100および200の間のクロック同期および鍵生成同期が確立される。続くステップS35およびS36により量子モードに移行すると、通信制御部は所定時間のタイマをスタートさせると共に、DLLのlock異常等の異常が発生したか否かを判定し(ステップS37)、異常発生が検出されると(ステップS37のYES)、ステップS31に戻って再度トレーニング切替信号を発生させる。   4, steps S31 to S34 correspond to steps S21 to S24 of FIG. 8 described in the fourth embodiment, respectively, and delay adjustment and key generation synchronization processing in the training mode are executed. Clock synchronization and key generation synchronization are established. When the process proceeds to the quantum mode in subsequent steps S35 and S36, the communication control unit starts a timer for a predetermined time, determines whether or not an abnormality such as a DLL lock abnormality has occurred (step S37), and detects the occurrence of the abnormality. If so (YES in step S37), the process returns to step S31 to generate the training switching signal again.

異常を検出しない場合は(ステップS37のNO)、通信制御部は所定時間が経過したか否かを判断する(ステップS38)。所定時間の経過を検出せず(ステップS38のNO)、処理終了も検出しなければ(ステップS39のNO)、異常検出処理ステップS37を繰り返す。異常が検出されるか(ステップS37のYES)、あるいは所定時間が経過すると(ステップS38のYES)、ステップS31に戻ってトレーニングモードに遷移する。また、処理終了を検出すると(ステップS39のYES)、電源オフとなる。   If no abnormality is detected (NO in step S37), the communication control unit determines whether a predetermined time has elapsed (step S38). If the passage of the predetermined time is not detected (NO in step S38) and the end of the process is not detected (NO in step S39), the abnormality detection processing step S37 is repeated. If an abnormality is detected (YES in step S37) or if a predetermined time has elapsed (YES in step S38), the process returns to step S31 and transitions to the training mode. When the end of the process is detected (YES in step S39), the power is turned off.

このように、本実施例では、上述した第4実施例と同様に、量子チャネル401と古典チャネル402との間の波長分散による伝搬遅延差を伝送路によらず自動で較正することができる。その結果、微弱光のためにクロックを抽出することができない量子チャネル401に代わって、波長の異なる古典チャネル402で送信側の量子ユニット100と受信側の量子ユニット200との同期を確立することができる。   As described above, in this embodiment, similarly to the above-described fourth embodiment, the propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel 401 and the classical channel 402 can be automatically calibrated regardless of the transmission path. As a result, it is possible to establish synchronization between the quantum unit 100 on the transmission side and the quantum unit 200 on the reception side in the classical channel 402 having a different wavelength instead of the quantum channel 401 that cannot extract a clock due to weak light. it can.

また、本実施例によれば、量子ユニット間で同期が確立すると、それに基づいて鍵生成基準信号を送信器から受信器へ量子チャネルおよび古典チャネルの両方を通して同時に送信し、受信器側で両チャネルの検出タイミングを比較することで鍵生成同期を容易に且つ高精度に確立することができる。   Further, according to the present embodiment, when synchronization is established between the quantum units, a key generation reference signal is simultaneously transmitted from the transmitter to the receiver through both the quantum channel and the classical channel, and both channels are transmitted on the receiver side. Key generation synchronization can be established easily and with high accuracy.

さらに、本実施例では、ステップS38で所定時間の経過をモニタし、所定時間が経過した場合には、再度トレーニングモードに切り替わり、量子ユニット間の同期調整および鍵生成同期調整が行われる。したがって、所定時間を適切に設定することで所定時間毎の定期校正が可能となり、さらに信頼性の高い量子暗号鍵配布システムを得ることができる。   Furthermore, in this embodiment, the elapse of a predetermined time is monitored in step S38, and when the predetermined time elapses, the mode is switched again to the training mode, and the synchronization adjustment and the key generation synchronization adjustment between the quantum units are performed. Therefore, by appropriately setting the predetermined time, periodic calibration can be performed every predetermined time, and a more reliable quantum encryption key distribution system can be obtained.

2.3)第6実施例
本発明の第6実施例による通信システムでは、たとえば図5に示す通信システムのように、クロック同期を同じケーブル中の別の光ファイバ5bを用いて行い、それ以外の送信器10および受信器20の内部構成は図6に示すブロック図と同様である。
2.3) Sixth Embodiment In a communication system according to a sixth embodiment of the present invention, clock synchronization is performed using another optical fiber 5b in the same cable as in the communication system shown in FIG. 5, for example. The internal configurations of the transmitter 10 and the receiver 20 are the same as the block diagram shown in FIG.

図6に示す通信システムでは、光ファイバ5を用いた波長分割多重WDM(Wavelength Division Multiplexing)システムであったが、WDMでは、光信号の分割・多重を行う際に、分割・多重用の光部品による損失が生ずる。この損失を避けるために、本実施例ではクロック同期を同じケーブル中の別の光ファイバ5bを用いて行う。この場合、光ファイバは同じケーブル内に収容されるため、物理的な長さはほぼ同じとなる。しかしながら、同じケーブル内の複数の光ファイバ各々は、製造上のばらつきによって光の伝送路長が必ずしも同じになるとは限らない。   In the communication system shown in FIG. 6, a wavelength division multiplexing (WDM) system using an optical fiber 5 is used. However, in WDM, an optical component for division / multiplexing is used when optical signals are divided / multiplexed. Loss occurs. In order to avoid this loss, in this embodiment, clock synchronization is performed using another optical fiber 5b in the same cable. In this case, since the optical fibers are accommodated in the same cable, the physical lengths are almost the same. However, the optical transmission line lengths of the plurality of optical fibers in the same cable are not always the same due to manufacturing variations.

つまり、本実施例では、量子信号と同期信号とが同じ伝送路上を伝搬するわけではないので、伝送路長が厳密には一致せず、量子信号と同期信号との間には伝搬遅延差が生じる。また、本実施例では、別の光ファイバ5bを用いているので、同一波長を使用することもできるが、別波長を使用した場合には量子信号と同期信号との間には波長分散による伝搬遅延差も生じる。これらの伝搬遅延差の較正も、既に説明した同期部3および4の遅延調整により可能となる。具体的なトレーニングモード動作や遅延調整および鍵生成同期調整は第4実施例で説明したものと同一であるから省略する。   That is, in this embodiment, the quantum signal and the synchronization signal do not propagate on the same transmission path, so the transmission path lengths do not exactly match, and there is a propagation delay difference between the quantum signal and the synchronization signal. Arise. In the present embodiment, since another optical fiber 5b is used, the same wavelength can be used. However, when another wavelength is used, propagation by chromatic dispersion is caused between the quantum signal and the synchronization signal. There is also a delay difference. Calibration of these propagation delay differences is also possible by adjusting the delays of the synchronization units 3 and 4 already described. The specific training mode operation, delay adjustment, and key generation synchronization adjustment are the same as those described in the fourth embodiment, and will be omitted.

なお、本発明は、上述した第4〜第6実施例で用いたPlug&Play方式のような双方向方式だけでなく、一方向の量子通信の場合でも適用可能であり、量子通信の形態によらず、本発明の技術は有効である。また、マスタクロック34は、受信側同期部3ではなく、送信側同期部4に設けられても良い。さらに、送信器と受信器との1:1接続だけでなく、1:N(Nは2以上の整数)接続でも構わない。   The present invention can be applied not only to the bidirectional method such as the Plug & Play method used in the above-described fourth to sixth embodiments, but also to the case of one-way quantum communication, regardless of the form of quantum communication. The technique of the present invention is effective. Further, the master clock 34 may be provided not in the reception side synchronization unit 3 but in the transmission side synchronization unit 4. Further, not only a 1: 1 connection between the transmitter and the receiver, but also a 1: N connection (N is an integer of 2 or more) may be used.

本発明の第1実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a communication system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a Plug & Play quantum key distribution system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例による量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the mode switching operation | movement of the transmission side in the quantum encryption key distribution system by 1st Example of this invention, and a receiving side. 本発明の第2実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the mode switching operation | movement by the side of transmission by the 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例による通信システムの構成を示す概略的ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the communication system by 3rd Example of this invention. 本発明の第2実施形態による通信システムの概略的構成を示すブロック図であるIt is a block diagram which shows schematic structure of the communication system by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the quantum encryption key distribution system of the Plug & Play system by 4th Example of this invention. 本発明の第4実施例によるPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムにおける送信側および受信側のモード切替え動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the mode switching operation | movement of the transmission side in the Plug & Play type quantum encryption key distribution system by 4th Example of this invention, and the receiving side. 本発明の第5実施例による送信側および受信側のモード切替動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the mode switching operation | movement of the transmission side by the 5th Example of this invention, and a reception side. BB84に従った鍵共有手順ステップ1〜8を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating key sharing procedure steps 1-8 according to BB84. Plug&Play方式の量子暗号鍵配布システムの従来例を示す概略的ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the prior art example of a quantum encryption key distribution system of a Plug & Play system.

符号の説明Explanation of symbols

1,100 送信側の量子ユニット
2,200 受信側の量子ユニット
3,300 受信側同期部
4,500 送信側同期部
5,5a,5b,400 光ファイバ伝送路
10 送信器
20 受信器
31,41 クロック抽出器
32,42 遅延素子
33,43,303,503 位相比較器
34,305 クロック源
51,401 量子チャネル
52,402、403 古典チャネル
111,221 位相変調器
112,222 変調器駆動回路
113,223 遅延調整回路
120 ファラデーミラー
130 光減衰器
140,301,501、612、621 光電変換器(O/E)
211 レーザ
212 レーザ駆動回路
213 光減衰器
230 PBS
241,242 APD
250 光サーキュレータ
404 Short Path
405 Long Path
406 光カップラ
302,502 遅延素子
307、504 セレクタ
304,505、611、621 電光変換器(E/O)
601,602 波長多重分離器
44、506 鍵生成基準発生部
35、306 鍵生成基準検出部
61、62、610、620 鍵生成制御部
71、72 通信制御部
1,100 Transmission-side quantum unit 2,200 Reception-side quantum unit 3,300 Reception-side synchronization unit 4,500 Transmission-side synchronization unit 5,5a, 5b, 400 Optical fiber transmission line 10 Transmitter 20 Receiver 31, 41 Clock extractor 32, 42 Delay element 33, 43, 303, 503 Phase comparator 34, 305 Clock source 51, 401 Quantum channel 52, 402, 403 Classical channel 111, 221 Phase modulator 112, 222 Modulator drive circuit 113, 223 Delay adjustment circuit 120 Faraday mirror 130 Optical attenuator 140, 301, 501, 612, 621 Photoelectric converter (O / E)
211 Laser 212 Laser Drive Circuit 213 Optical Attenuator 230 PBS
241,242 APD
250 Optical Circulator 404 Short Path
405 Long Path
406 Optical couplers 302, 502 Delay elements 307, 504 Selectors 304, 505, 611, 621 Electro-optical converter (E / O)
601 and 602 Wavelength demultiplexers 44 and 506 Key generation reference generation units 35 and 306 Key generation reference detection units 61, 62, 610, and 620 Key generation control units 71 and 72 Communication control units

Claims (30)

相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して接続された第1通信装置および第2通信装置を有し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ第1光信号を出力し、前記第1通信装置が前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記第2通信装置へ送信する通信システムにおいて、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第2チャネルを通して前記第2光信号により基準信号を送受信する第1通信手段と、
前記第2通信装置に設けられ、前記基準信号に従った前記第1光信号を前記通常光状態で前記第1チャネル通して前記第1通信装置へ出力し、前記第1通信装置で折り返えされた前記通常光状態の前記第1光信号を受信する第2通信手段と、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記第1チャネルから検出された基準信号と前記第2チャネルから検出された基準信号との間の位相を比較する位相比較手段と、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられ、前記位相比較手段の比較結果に基づいて前記第1通信装置および前記第2通信装置の間の同期を確立する同期確立手段と、
同期確立動作時には前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記折り返された第1光信号を前記微弱光状態の通信モードに切り替える通信制御手段と、
を有することを特徴とする通信システム。
At least one including a first channel that transmits a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power, and a second channel that transmits a second optical signal in the normal light state. A first communication device and a second communication device connected via one transmission line, wherein the second communication device outputs a first optical signal to the first communication device through the first channel; In a communication system in which a communication device loops back the first optical signal, transmits transmission information on the folded first optical signal, and transmits it to the second communication device in the weak light state.
First communication means provided in each of the first communication device and the second communication device, for transmitting and receiving a reference signal by the second optical signal through the second channel;
Provided in the second communication device, the first optical signal according to the reference signal through the first channel in the normal light state and outputs it to the first communication device, return folded in the first communication device Second communication means for receiving the first optical signal in the normal light state obtained,
Phase comparison means provided in each of the first communication device and the second communication device, for comparing phases between a reference signal detected from the first channel and a reference signal detected from the second channel; ,
Synchronization establishment means provided in each of the first communication apparatus and the second communication apparatus, for establishing synchronization between the first communication apparatus and the second communication apparatus based on a comparison result of the phase comparison means;
During the synchronization establishment operation, the normal light state training mode is set without putting transmission information on the folded first optical signal, and after the synchronization is established, the folded first optical signal is set to the weak light state communication mode. Communication control means for switching to,
A communication system comprising:
前記基準信号はクロック信号であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出されたクロック信号と前記第2チャネルで検出されたクロック信号との位相を合わせるようにタイミングを調整することを特徴とする請求項1に記載の通信システム。   The reference signal is a clock signal, and the synchronization establishing means adjusts the timing so that the phases of the clock signal detected on the first channel and the clock signal detected on the second channel are matched. The communication system according to claim 1. 前記基準信号は、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号であり、前記同期確立手段は前記第1チャネルで検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルで検出された共有情報生成基準信号との位相を合わせるようにタイミングを調整することを特徴とする請求項1に記載の通信システム。   The reference signal is a shared information generation reference signal for generating information shared between the first communication device and the second communication device, and the synchronization establishing means detects the sharing detected in the first channel. The communication system according to claim 1, wherein the timing is adjusted so that the phase of the information generation reference signal and the shared information generation reference signal detected in the second channel are matched. 前記第1通信装置に設けられ、前記折り返された第1光信号の光パワーを可変減衰させる第3通信手段と、A third communication means provided in the first communication device, for variably attenuating the optical power of the folded first optical signal;
前記第2通信装置に設けられ、前記第1通信装置へ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる第4通信手段と、  A fourth communication means provided in the second communication device, for variably attenuating the optical power of the first optical signal output to the first communication device;
をさらに有し、前記第3通信手段および前記第4通信手段の両方により前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項1−3のいずれか1項に記載の通信システム。  4. The communication according to claim 1, wherein the optical power of the first optical signal is controlled by both the third communication unit and the fourth communication unit. system.
相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して相手側通信装置と接続され、前記相手側装置との間で前記第1チャネルを通して前記第1光信号を往復させ、復路での前記第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で送信する通信システムにおける通信装置であって、
前記第2チャネルを通して前記第2光信号で前記相手側通信装置と基準信号の通信を行う第1通信手段と、
前記第1チャネルを通して前記通常光状態の前記第1光信号で前記相手側通信装置と前記基準信号の通信を行う第2通信手段と、
前記第1チャネルから検出された基準信号と前記第2チャネルから検出された基準信号との間の位相を比較する位相比較手段と、
前記位相比較手段の比較結果に基づいて前記相手側通信装置の間で同期を確立する同期確立手段と、
同期確立動作時には復路での前記第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記微弱光状態の通信モードに切り替える通信制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
At least one including a first channel that transmits a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power, and a second channel that transmits a second optical signal in the normal light state. The first optical signal is reciprocated through the first channel with the counterpart device via one transmission path, and transmission information is put on the first optical signal in the return path. A communication device in a communication system that transmits in the weak light state,
First communication means for communicating a reference signal with the counterpart communication device using the second optical signal through the second channel;
Second communication means for communicating the reference signal with the counterpart communication device using the first optical signal in the normal light state through the first channel;
Phase comparison means for comparing phases between a reference signal detected from the first channel and a reference signal detected from the second channel;
Synchronization establishment means for establishing synchronization between the counterpart communication devices based on the comparison result of the phase comparison means;
Communication control means for setting the training mode in the normal light state without putting transmission information on the first optical signal in the return path during the synchronization establishing operation, and switching to the communication mode in the weak light state after the synchronization is established;
A communication apparatus comprising:
復路での前記第1光信号の光パワーを可変減衰させる第3通信手段をさらに有し、  Further comprising third communication means for variably attenuating the optical power of the first optical signal in the return path;
前記第3通信手段と、前記相手側通信装置に設けられ当該通信装置へ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる第4通信手段との両方により、復路での前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項5に記載の通信装置。  The first optical signal in the return path by both the third communication means and the fourth communication means provided in the counterpart communication device and variably attenuating the optical power of the first optical signal output to the communication device. The communication apparatus according to claim 5, wherein the optical power of the communication device is controlled.
相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して接続された第1通信装置および、第2通信装置を有し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して前記第1通信装置へ第1光信号を出力し、前記第1通信装置が前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記第2通信装置へ送信する通信システムにおける前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で同期を確立する方法において、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の間でクロック信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送し、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられた位相比較手段が前記第1チャネルから検出されたクロック信号と前記第2チャネルから検出されたクロック信号との間の位相を比較し、
前記第1通信装置および前記第2通信装置の各々に設けられた同期確立手段が前記検出されたクロック信号の位相を合わせることで前記第1通信装置および前記第2通信装置の間の同期した較正クロック信号を生成し、
前記第1通信装置に設けられた通信制御手段が同期確立動作時には前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記折り返された第1光信号を前記微弱光状態の通信モードに切り替える、
ことを特徴とする同期確立方法。
At least one including a first channel that transmits a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power, and a second channel that transmits a second optical signal in the normal light state. A first communication device and a second communication device connected via one transmission line, wherein the second communication device outputs a first optical signal to the first communication device through the first channel; The first communication device and the second communication device in a communication system in which one communication device loops back the first optical signal, transmits transmission information on the folded first optical signal, and transmits the information to the second communication device in the weak light state. In a method for establishing synchronization with a communication device,
A clock signal is transmitted between the first communication device and the second communication device through the first channel and the second channel as the first optical signal and the second optical signal in the normal light state, respectively.
Phase comparison means provided in each of the first communication device and the second communication device compares the phase between the clock signal detected from the first channel and the clock signal detected from the second channel. ,
Synchronized calibration between the first communication device and the second communication device by synchronization establishment means provided in each of the first communication device and the second communication device matching the phase of the detected clock signal. Generate a clock signal ,
The communication control means provided in the first communication device sets the training mode in the normal light state without putting transmission information on the returned first optical signal during the synchronization establishing operation, and the synchronization is established after the synchronization is established. Switching the first optical signal to the communication mode in the weak light state,
A method for establishing synchronization.
さらに、
前記較正クロック信号に従って、前記第1通信装置から前記第2通信装置へ、それらの間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送し、
前記位相比較手段が、前記較正クロック信号に従って、前記第1チャネルから検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルから検出された共有情報生成基準信号との間の位相を比較し、
前記同期確立手段が、前記検出された共有情報生成基準信号の間の位相差に基づいて、前記第1通信装置および前記第2通信装置の間で共有される情報を生成するための同期を確立する、
ことを特徴とする請求項6に記載の同期確立方法。
further,
According to the calibration clock signal, a shared information generation reference signal for generating information shared between the first communication device and the second communication device is transmitted through the first channel and the second channel, respectively. Transmitted by the first optical signal and the second optical signal in the normal light state,
The phase comparison means compares the phase between the shared information generation reference signal detected from the first channel and the shared information generation reference signal detected from the second channel according to the calibration clock signal;
The synchronization establishment means establishes synchronization for generating information shared between the first communication device and the second communication device based on a phase difference between the detected shared information generation reference signals To
The synchronization establishment method according to claim 6.
前記第1通信装置に設けられ前記折り返された第1光信号の光パワーを可変減衰させる第1通信手段と、前記第2通信装置に設けられ前記第1通信装置へ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる第2通信手段と、の両方により、前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項7または8に記載の同期確立方法。A first communication unit provided in the first communication device for variably attenuating the optical power of the folded first optical signal; and a first optical signal provided in the second communication device and output to the first communication device. The synchronization establishment method according to claim 7 or 8, wherein the optical power of the first optical signal is controlled by both the second communication means for variably attenuating the optical power of the first optical signal. 送信側の量子ユニットと受信側の量子ユニットとが、前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ送信する光パワーが1光子/ビット以下の微弱光状態および前記微弱光状態より大きい通常光状態のいずれかの状態で第1光信号を伝送する量子チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する古典チャネルとからなる伝送路で接続され、前記受信側の量子ユニットが前記量子チャネルを通して前記送信側の量子ユニットへ第1光信号を出力し、前記送信側の量子ユニットが前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信システムであって、
前記量子チャネルにおける前記第1光信号に送信情報を乗せることなく光パワーを前記通常光状態にするトレーニングモードを前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットに指示する手段と、
前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットの間でクロック信号を前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送する手段と、
前記送信側および前記受信側の量子ユニットに設けられ、かつ、前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロック信号と前記古典チャネルのクロック信号との位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立する手段と
を有することを特徴とする通信システム。
The transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit transmit light from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit in a weak light state of 1 photon / bit or less, and larger than the weak light state. A quantum channel that transmits the first optical signal in any one of the optical states and a classical channel that transmits the second optical signal in the normal optical state; A first optical signal is output to the transmission-side quantum unit through the channel, the transmission-side quantum unit folds the first optical signal, and transmission information is put on the folded first optical signal in the weak light state. A communication system for transmitting to the quantum unit on the receiving side,
Means for instructing the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit in a training mode for setting optical power to the normal light state without placing transmission information on the first optical signal in the quantum channel;
Means for transmitting a clock signal between the quantum unit on the transmission side and the quantum unit on the reception side as the first optical signal and the second optical signal in the normal light state through the quantum channel and the classical channel, respectively;
The transmission-side quantum unit is provided in the transmission-side and reception-side quantum units, and performs phase comparison between the clock signal of the quantum channel extracted in the training mode and the clock signal of the classical channel, and Means for establishing synchronization with the quantum unit on the receiving side.
前記同期を確立する手段は、前記位相比較の結果を基に前記量子チャネルと前記古典チャネルとの波長分散による伝搬遅延差を較正することを特徴とする請求項10記載の通信システム。 11. The communication system according to claim 10 , wherein the means for establishing synchronization calibrates a propagation delay difference due to chromatic dispersion between the quantum channel and the classical channel based on the result of the phase comparison. 前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間における前記送信情報を用いた鍵生成時に、前記同期を確立する手段は、前記古典チャネルによる別波長の同期信号を用いてクロック同期を行うことを特徴とする請求項10に記載の通信システム。 At the time of key generation using the transmission information between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit, the means for establishing synchronization includes clock synchronization using a synchronization signal of another wavelength by the classical channel. The communication system according to claim 10 , wherein the communication system is performed. 前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信モード時に比べて、前記トレーニングモード時には前記第1光信号の光パルス幅を広げることを特徴とする請求項10に記載の通信システム。 The optical pulse width of the first optical signal is increased in the training mode compared to the communication mode in which transmission information is carried on the folded first optical signal and transmitted to the quantum unit on the receiving side in the weak light state. The communication system according to claim 10 . 前記クロック同期を行った後に、前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニット間での鍵生成同期を確立する鍵生成同期手段を前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項10に記載の通信システム。 After performing the clock synchronization, key generation synchronization means for establishing key generation synchronization between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit is provided on the transmission side and the reception side, respectively. The communication system according to claim 10 . 前記鍵生成同期手段は、
鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルおよび前記古典チャネルの両方を介して送信する送信手段と、
前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記検出した位相差を補正することによって鍵生成同期を実現する鍵生成制御手段と、
を有することを特徴とする請求項14に記載の通信システム。
The key generation synchronization means includes
Transmitting means for transmitting a key generation reference signal from the transmitting-side quantum unit to the receiving-side quantum unit via both the quantum channel and the classical channel;
Phase difference detection means for detecting a phase difference between the key generation reference signal received via the quantum channel and the key generation reference signal received via the classical channel in the reception-side quantum unit;
Key generation control means for realizing key generation synchronization by correcting the detected phase difference;
The communication system according to claim 14 , comprising:
前記量子チャネルと前記古典チャネルとをそれぞれ異なる光ファイバに設定したことを特徴とする請求項10に記載の通信システム。 The communication system according to claim 10 , wherein the quantum channel and the classical channel are set in different optical fibers. 前記送信側の量子ユニットに設けられ、前記折り返された第1光信号の光パワーを可変減衰させる送信側光減衰手段と、A transmission-side optical attenuation means provided in the transmission-side quantum unit, for variably attenuating the optical power of the folded first optical signal;
前記受信側の量子ユニットに設けられ、前記送信側の量子ユニットへ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる受信側光減衰手段と、  Receiving-side optical attenuating means provided in the receiving-side quantum unit and variably attenuating the optical power of the first optical signal output to the transmitting-side quantum unit;
をさらに有し、前記送信側光減衰手段および前記受信側光減衰手段の両方により、前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項10−16のいずれか1項に記載の通信システム。  The optical power of the first optical signal is controlled by both the transmitting side optical attenuating means and the receiving side optical attenuating means. The communication system described.
送信側の量子ユニットと受信側の量子ユニットとが、前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ送信する光パワーが1光子/ビット以下の微弱光状態および前記微弱光状態より大きい通常光状態のいずれかの状態で第1光信号を伝送する量子チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する古典チャネルとからなる伝送路で接続され、前記受信側の量子ユニットが前記量子チャネルを通して前記送信側の量子ユニットへ第1光信号を出力し、前記送信側の量子ユニットが前記第1光信号を折り返し、その折り返された第1光信号に送信情報を乗せ前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する量子暗号鍵配布システムにおける前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期をとる同期方法であって、
前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けられた制御手段が、前記量子チャネルにおける前記第1光信号に送信情報を乗せることなく光パワーを前記通常光状態にするトレーニングモードを前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットに指示し、
前記送信側および前記受信側にそれぞれ設けられた通信手段が、前記送信側の量子ユニットおよび前記受信側の量子ユニットの間でクロック信号を前記量子チャネルおよび前記古典チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送し、
前記送信側および前記受信側の量子ユニットに設けられた同期確立手段が、前記トレーニングモードにおいて抽出した前記量子チャネルのクロック信号と前記古典チャネルのクロック信号との位相比較を行って前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立する、
ことを特徴とする同期方法。
The transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit transmit light from the transmission-side quantum unit to the reception-side quantum unit in a weak light state of 1 photon / bit or less, and larger than the weak light state. A quantum channel that transmits the first optical signal in any one of the optical states and a classical channel that transmits the second optical signal in the normal optical state; A first optical signal is output to the transmission-side quantum unit through the channel, the transmission-side quantum unit folds the first optical signal, and transmission information is put on the folded first optical signal in the weak light state. This is a synchronization method for synchronizing the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit in a quantum cryptography key distribution system that transmits to the reception-side quantum unit. ,
A control unit provided on each of the transmission side and the reception side sets a training mode for setting optical power to the normal light state without placing transmission information on the first optical signal in the quantum channel. And instructing the receiving quantum unit,
Communication means provided on each of the transmitting side and the receiving side transmits a clock signal between the transmitting-side quantum unit and the receiving-side quantum unit through the quantum channel and the classical channel, respectively, in the normal light state. Transmitted by one optical signal and second optical signal,
Synchronization establishment means provided in the quantum units on the transmission side and the reception side performs phase comparison between the clock signal of the quantum channel extracted in the training mode and the clock signal of the classical channel, and Establishing synchronization between the unit and the receiving quantum unit;
A synchronization method characterized by the above.
前記同期を確立する際に、前記位相比較の結果を基に前記量子チャネルと前記古典チャネルとの波長分散による伝搬遅延差を較正することを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 19. The synchronization method according to claim 18 , wherein when establishing the synchronization, a propagation delay difference due to wavelength dispersion between the quantum channel and the classical channel is calibrated based on a result of the phase comparison. 前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間における前記送信情報を用いた鍵生成時に、前記同期確立手段が前記古典チャネルによる別波長の同期信号を用いてクロック同期を行うことを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 The synchronization establishment means performs clock synchronization using a synchronization signal of another wavelength by the classical channel when generating a key using the transmission information between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit. The synchronization method according to claim 18 , wherein: 前記折り返された第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で前記受信側の量子ユニットへ送信する通信モード時に比べて、前記トレーニングモード時には前記第1光信号の光パルス幅を広げることを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 The optical pulse width of the first optical signal is increased in the training mode compared to the communication mode in which transmission information is carried on the folded first optical signal and transmitted to the quantum unit on the receiving side in the weak light state. The synchronization method according to claim 18 , wherein: 鍵生成同期手段が、前記クロック同期を行った後に、前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの間で鍵生成同期を確立することを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 19. The synchronization method according to claim 18 , wherein key generation synchronization means establishes key generation synchronization between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit after performing the clock synchronization. . 前記鍵生成同期手段は、
鍵生成基準信号を前記送信側の量子ユニットから前記受信側の量子ユニットへ前記量子チャネルと前記古典チャネルを介して送り、
前記受信側の量子ユニットで前記量子チャネルを介して受信した鍵生成基準信号と前記古典チャネルを介して受信した鍵生成基準信号の位相差を検出し、
前記検出した位相差を補正することによって実現することを特徴とする請求項22に記載の同期方法。
The key generation synchronization means includes
A key generation reference signal is sent from the transmitting quantum unit to the receiving quantum unit via the quantum channel and the classical channel;
Detecting a phase difference between the key generation reference signal received via the quantum channel and the key generation reference signal received via the classical channel in the reception-side quantum unit;
The synchronization method according to claim 22 , wherein the synchronization method is realized by correcting the detected phase difference.
前記送信側および前記受信側における電源投入時に、前記同期確立手段が前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 At the transmitting side and the power is turned on the receiving side, according to claim 18, wherein the synchronization establishment means and establishes the synchronization with the transmission side of the quantum unit and the reception side quantum unit as the training mode Synchronization method. 前記送信側および前記受信側において障害検出時に、前記同期確立手段が前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 Wherein at the transmitting side and the receiving side in fault detection, according to claim 18, wherein the synchronization establishment means and establishes the synchronization with the transmission side of the quantum unit and the reception side quantum unit as the training mode Synchronization method. 前記送信側および前記受信側において、前記同期確立手段が、予め設定された所定時間毎に、前記トレーニングモードとして前記送信側の量子ユニットと前記受信側の量子ユニットとの同期を確立することを特徴とする請求項18に記載の同期方法。 In the transmission side and the reception side, the synchronization establishment means establishes synchronization between the transmission-side quantum unit and the reception-side quantum unit as the training mode at predetermined time intervals set in advance. The synchronization method according to claim 18 . 前記送信側の量子ユニットに設けられた送信側光減衰手段が前記折り返された第1光信号の光パワーを可変減衰させ、
前記受信側の量子ユニットに設けられた受信側光減衰手段が前記送信側の量子ユニットへ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させ、
前記送信側光減衰手段および前記受信側光減衰手段の両方により、前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項18−26のいずれか1項に記載の同期方法。
A transmission side optical attenuation means provided in the transmission side quantum unit variably attenuates the optical power of the folded first optical signal,
The receiving-side optical attenuation means provided in the receiving-side quantum unit variably attenuates the optical power of the first optical signal output to the transmitting-side quantum unit,
The synchronization method according to any one of claims 18 to 26, wherein an optical power of the first optical signal is controlled by both the transmission side optical attenuation unit and the reception side optical attenuation unit .
相対的に光パワーが小さい微弱光状態および大きい通常光状態のいずれかで第1光信号を伝送する第1チャネルと前記通常光状態で第2光信号を伝送する第2チャネルとを含む少なくとも1つの伝送路を介して他の通信装置と接続され、前記他の通信装置との間で前記第1チャネルを通して前記第1光信号を往復させ、復路での前記第1光信号に送信情報を乗せて前記微弱光状態で送信する通信システムにおける通信装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
前記他の通信装置との間でクロック信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送する手段と、
前記第1チャネルから検出されたクロック信号と前記第2チャネルから検出されたクロック信号との間の位相を比較する手段と、
前記検出されたクロック信号の位相を合わせることで前記他の通信装置との間の同期した較正クロック信号を生成する手段と、
同期確立動作時には復路での前記第1光信号に送信情報を乗せることなく前記通常光状態のトレーニングモードに設定し、同期確立後は前記微弱光状態の通信モードに切り替える通信制御手段と、
を実現するようにコンピュータを機能させるプログラム。
At least one including a first channel that transmits a first optical signal in either a weak light state or a large normal light state with relatively low optical power, and a second channel that transmits a second optical signal in the normal light state. Connected to another communication device via one transmission path, reciprocates the first optical signal through the first channel with the other communication device, and puts transmission information on the first optical signal in the return path A program that causes a computer to function as a communication device in a communication system that transmits in the weak light state,
Means for transmitting a clock signal to and from the other communication device through the first channel and the second channel as the first optical signal and the second optical signal in the normal light state, respectively;
Means for comparing the phase between the clock signal detected from the first channel and the clock signal detected from the second channel;
Means for generating a synchronized calibration clock signal with the other communication device by matching the phase of the detected clock signal;
Communication control means for setting the training mode in the normal light state without putting transmission information on the first optical signal in the return path during the synchronization establishing operation, and switching to the communication mode in the weak light state after the synchronization is established;
A program that causes a computer to function to achieve the above.
さらに、
前記較正クロック信号に従って、前記他の通信装置の間で共有される情報を生成するための共有情報生成基準信号を前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通してそれぞれ前記通常光状態の第1光信号および第2光信号で伝送する手段と、
前記較正クロック信号に従って、前記第1チャネルから検出された共有情報生成基準信号と前記第2チャネルから検出された共有情報生成基準信号との間の位相を比較する手段と、
前記検出された共有情報生成基準信号の間の位相差に基づいて、前記他の通信装置との間で共有される情報を生成するための同期を確立する手段と、
を実現するようにコンピュータを機能させる請求項28に記載のプログラム。
further,
A shared information generation reference signal for generating information shared between the other communication devices in accordance with the calibration clock signal is transmitted through the first channel and the second channel, respectively, in the first optical signal in the normal light state and Means for transmitting with a second optical signal;
Means for comparing the phase between the shared information generation reference signal detected from the first channel and the shared information generation reference signal detected from the second channel according to the calibration clock signal;
Means for establishing synchronization for generating information shared with the other communication device based on a phase difference between the detected shared information generation reference signals;
The program according to claim 28 , wherein the computer is caused to function so as to realize the following.
前記通信装置に設けられ復路での前記第1光信号の光パワーを可変減衰させる第1光減衰手段と、前記他の通信装置に設けられ当該通信装置へ出力される第1光信号の光パワーを可変減衰させる第2光減衰手段との両方により、復路での前記第1光信号の光パワーが制御されることを特徴とする請求項28または29に記載のプログラム。  A first optical attenuator that variably attenuates the optical power of the first optical signal in the return path provided in the communication device; and an optical power of the first optical signal provided in the other communication device and output to the communication device. 30. The program according to claim 28 or 29, wherein the optical power of the first optical signal in the return path is controlled by both of the second optical attenuating means for variably attenuating the signal.
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