JP4795692B2

JP4795692B2 - 光送信機、光送受信システム、および量子光生成器

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Publication number: JP4795692B2
Application number: JP2005002071A
Authority: JP
Inventors: 辰也戸丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: JP2006191410A; EP1679811A3; US20060153573A1; EP1679811A2; US7457548B2

Description

本発明は量子力学的手法を用いた光通信および暗号通信に関する。

高度情報化社会の進展に伴い安全な情報伝達手段が益々重要になっている。情報の安全性を確保するために現在は公開鍵暗号等の暗号技術が広く利用されている。公開鍵暗号はその暗号解読に天文学的な計算量を必要とし、それが情報の安全性を裏づけている。しかしながら将来、計算機が発達すれば、現時点で不可能な暗号解読が可能になるかもしれない。

この問題に対処するひとつの方法は量子力学的原理に基づいた通信手法を用いることである。量子力学的手法を用いた光通信方法には様々なものが考えられるが、媒体である光の状態と検出方法の２つの視点に分類して考えることができる。量子力学的状態を生成するための基本的な光の状態としては２つの状態が知られており、光子をひとつずつ数えることができるほどに強度が小さくなった状態と、量子力学の不確定性関係を操作したスクィズド状態である。スクィズド状態は光強度に関係なく不確定性関係を操作した状態であり、扱い易い光強度にして応用に資することが可能であるが、スクィズド状態生成装置は一般に大型で高い安定性が要求されるのが普通である。スクィズド状態生成に関しては、特許文献１、特許文献２、非特許文献４および非特許文献５等の開示がある。
検出方法から分類すると参照光を必要とするものとしないものに分けられる。参照光を必要とする方式においては、信号光と参照光の波長が等しく、位相が同期している必要がある。そのような参照光を得る方法は、コヒーレント光通信方式の開発段階で色々と提案・開発されてきた（非特許文献１）。

これらの基本的構成は、検出部に参照光のための局発光源を設置し、高度な技術の電気回路を用いて信号光と局発光の周波数と位相をある範囲内に合わせ込もうとするものであるが、極めて困難な方法である。困難さを少しでも緩和するものとして、参照光を生成する際に信号光の一部を利用する方法もある（非特許文献２）。しかし、量子情報は信号光の一部を参照光の生成のために利用すると、利用した量に応じて信号を壊してしまうため、信号光の一部を参照光の生成のために利用する方法は量子情報の場合には基本的に適用できない。

一般に、実験室で行なう量子通信の実験では、参照光として信号光を生成した光源の出力光の一部を利用している。このようにすれば信号光と参照光は完全に同期が取れており参照光としての条件を満たしている。しかしながら、信号光と参照光を別々の光路で送る方法を、実験室外の長距離伝送で用いた場合には、各光路の外部環境の違いに起因する揺動のために位相の同期が保障されない。この問題が、参照光を必要とする量子通信システムを実験室外で行われるフィールド試験さらには実用化の段階に発展させられない理由のひとつになっている。

この問題に対しては、信号光と参照光を同一の光源を種光として生成し、同一伝送路で時間的にずらして伝送させることで解決しようとする方法が提案されている（非特許文献３）。これにより伝送中の外部環境因子が等しくなり、長距離伝送後の信号光と参照光の位相の同期性が改善される。

しかしながら、本方法でも信号光と参照光の同期性は完全ではない。光ファイバの非線形性は一般に小さいが、長距離伝送の際は積分効果により正味の効果としては大きなものになる。信号光と参照光では光強度が異なり、また参照光同士においても強度揺らぎがあるために伝送後の位相特性は非線形効果を通して異なるものになる。

さらに、この位相同期の問題に加えて、量子通信には一般に損失に関する問題がある。上述したように量子信号は一部取り出すとその量に応じてその分だけ量子状態が壊れてしまう。これが、量子通信が安全であることの裏づけであるが、故意に一部取り出しを行なわなくても伝送損失によっても信号の一部破壊になる。したがって、量子信号を長距離伝送するためにはブレークスルーとなる技術が必要である。

特開平５−３４７３９号公報特開２００２−２１４６５４号公報島田禎晉監修：コヒーレント光通信、ｐ．４９５０、コロナ社、１９８８年島田禎晉監修：コヒーレント光通信、ｐ．２５２６、コロナ社、１９８８年 T. Hirano, H. Yamanaka, M. Ashikaga, T. Konishi, and R. Namiki: Quantum cryptography using pulsed homodyne detection, Physical Review A 68, 042331 （2003）． M. Shirasaki and H. A. Haus, J. Opt. Soc. Am. B 7, 30 34 (1990). N. Nishizawa, K. Sone, J. Higuchi, M. Mori, K. Yamane, and T. Goto, Jpn. J. Appl. Phys. 41, L130 L132 (2002).

量子力学的手法を用いて光学的に情報処理や情報伝送を行なうためには簡便な量子光源を提供することは必要不可欠である。応用範囲が広く、典型的な量子光である直交位相スクィズド状態は通常パラメトリック下方変換を用いて生成される。しかしながら、この方法は装置が大型で高度な安定性が要求され、簡便な量子光源とは言い難い。

比較的簡便な方法として提案されたのが光ファイバのカー効果を利用した方法である（M. Shirasaki and H. A. Haus, J. Opt. Soc. Am. B 7, 30 − 34 (1990)）。この方法は５０：５０のビームスプリッタ（あるいはファイバカプラ）と偏波保存光ファイバにより所謂Sagnac ループを構成し、励起ビームの２分割、ファイバ伝播、ビームの再合成をして、励起光を入力しなかったポートから直交位相スクィズド状態を生成させるものである。しかしながら、正確に５０：５０は困難であること、２つのビームを干渉させる際に波面の乱れの影響が出ること、さらにそれらの影響で直交位相スクィズド状態が生成されるポートから元もとの励起光の一部が同時に出力される問題点があった。

これらの問題を解決する方法として提案されたのが長さの等しい２本の偏波保存ファイバをお互いの光学軸が直交するように融着させ、励起ビームを一方向に伝播させるものである（N. Nishizawa, K. Sone, J. Higuchi, M. Mori, K. Yamane, and T. Goto, Jpn. J. Appl. Phys. 41, L130 − L132 (2002)）。この方法はビームを２分割することなく、ひとつのビームを偏波保存ファイバに入力し、２つの光学軸方向を偏光方向とする２つの成分に分解させ、それぞれを伝播させた後、再合成されるので、再合成される２つのビームは完全に同一の導波路を伝播し、波面に乱れがあっても二つの成分間でその乱れは等しく、二つのビームは再合成される。しかしながら、この方法は、２本の偏波保存ファイバの長さを正確に一致させねばならず、さらにお互いの光学軸が直交した状態で融着させねばならず技術的困難さが伴っていた。

時間的に前後するが、この問題に対応できる方法として、偏波保存ファイバを２本用いるのではなく１本のみを用いて往復伝送させる方法が提案されていた（QELS '93 Technical Digest, Friday Morning 281, QFF3）。ファイバとミラーの間にはλ/4板を配置し、往路と復路で２つの偏光方向を交換させ、往復で偏波保存ファイバの２つの光学軸に対応した偏波面を一度づつ伝播させる。２本の偏波保存ファイバの長さを正確に一致させる必要も、それらを融着する必要も無く、２本の偏波保存ファイバを伝播させたことと等価なことを１本で達成できる。

ここまでに示した方法はいずれも偏波保存光ファイバを用いている。しかしながら、偏波保存光ファイバは用途の限られた特殊なものであるために必要とする仕様のものがいつでも用意できるわけではない。様々な仕様のものが用意されている偏波が保存されない通常の単一モード光ファイバを用いることができれば、現在のところスクィズド状態を効率的に生成することが不可能な波長帯においても量子通信の実用化の可能性が出てくる。したがって、本発明ではスクィズド状態を用いた伝送装置及び、そのスクィズド状態を生成するための偏波非保存な光ファイバを用いた方法を提供する。

送受信機間の信号伝送において信号光と参照光を同一ファイバで伝送するだけでなく、両者を直交する偏波で時間的に重なるようにして伝送する。信号光にはスクィズド光を利用する。

スクィズド光生成は以下のように行われる。まず、励起光をパルス状の直線偏光で、４５°回転の第１のファラデー回転器を透過させる。４５°回転した直線偏光を直交する２つの直線偏光に５０：５０で分解する。それぞれの偏光に遅延を与えて各偏光のパルスが時間的に重ならないようにしてから偏波を保存する必要のない任意の単一モード光ファイバに入力し伝播させる。光ファイバの出口には４５°回転の第２のファラデー回転器と反射ミラーを配置する。第２のファラデー回転器は往復で合計２回通過するので偏光は合計で９０°回転することになり、光ファイバを伝播する２つの偏光は往路と復路で偏光方向がちょうど入れ替わる。すなわち、偏波非保存な光ファイバ１本のみを用いて往復伝送する。光ファイバを逆行してきた励起光は、再び、遅延器と偏光が４５°回転の第１のファラデー回転器を透過して最初の位置に戻る。第１と第２のファラデー回転器をそれぞれ２回ずつ通過することになるので、偏光の回転角は合計で１８０°となり、励起光の偏光状態は最初の直線偏光状態に戻る。スクィズド光はそれに直交する偏光状態として現れるので偏光分離器を用いて取り出すことができる。

偏波非保存な光ファイバを用いてもスクィズド状態生成が可能になり、偏波保存ファイバの特性で制限されていたスクィズド光の波長帯・パルス幅等の特性の自由度が向上する。特に１．５μｍの通信波長帯では各種特性の光ファイバが用意されており、通信への応用の観点から得られるものが大きい。さらに容易に発生可能になったスクィズド光を参照光とセットにして送ることにより量子光の一形態であるスクィズド光を用いた通信が実現可能になる。

（実施例１）
図１は本発明の基本形態のひとつを示すシステム構成図である。光送信機１００から出力された信号光３９１及び参照光３９２は同一の光ファイバ３００を直交する偏光で時間的に重なって光受信機２００に伝送される。信号光３９１と参照光３９２は、同一の光源を種光として生成され、直交する偏光で時間的に重なって送信されるため、光受信機２００で検出する時に位相が同期している。

パルス光を光ファイバで長距離伝播させるとファイバ分散のために一般にパルスが広がるが、ソリトンとして伝播させると例外的にパルス幅を維持して伝播できる。量子通信では一般に信号光３９１は微弱光で、参照光３９２は比較的強度が強い。参照光３９２をソリトン状態にし、直交する偏波である信号光３９１をトラップさせて伝播させれば、微弱な信号光もパルス幅を維持して伝播が可能である。また、以下で述べるように光ファイバの非線形効果はスクィズド光生成に利用されるように本来的に量子状態生成の機能を持っている。ファイバ伝送では一般に損失のために量子状態の性質が壊れていくが、ソリトンである参照光３９１にトラップされた信号光３９２は量子状態が壊れていくと同時に生成されていく性質もある。したがって、送信時における量子状態をまったく保存する訳ではないが、量子力学的性質を持った信号光が受信機まで到達可能になる。

図２は同一の光源を種光として直交する偏光で時間的に重なった信号光３９１及び参照光３９２を生成するための送信機の構成の一例を示すブロック図である。１１０は光源、１９１はその出力光である。量子状態発生器１２０は光源１１０の出力光１９１を基にして量子光１９３を生成する。量子光１９３の量子状態としてスクィズド状態を考えた場合、その生成法はパラメトリック下方変換を用いた方法（R. E. Slusher, et al., "Observation of squeezed states generated by four-wave mixing in an optical cavity," Phys. Rev. Lett. 55, 2409 2412 (1985) ;E. S. Polzik, J. Carry, and H. J. Kimble, Appl. Phys. B 55, 279 (1992)）、光ファイバとビームスプリッタを用いた方法（M. Shirasaki and H. A. Haus, "Squeezing of pulses in a nonlinear interferometer," J. Opt. Soc. Am. B 7, 30 34 (1990)）、以下の実施例で示す本願発明の方法等が考えられる。

エネルギー的には量子光１９３は光源１１０の出力光１９１の一部を用いて生成される。量子状態生成に使用されなかった成分１９２は参照光として利用される。参照光１９２は必要に応じて増幅器１４２で増幅される。生成された量子光１９３は変調器１４１で送信信号を重畳されて量子信号光１９４となる。この際、光受信装置２００で参照光との同期関係をチェックするための信号を量子信号１９４にある間隔ごとに乗せておけば便利である。同期関係をチェックするための信号は、変調器１４１における変調度をあらかじめ既定した値にすれば達成できる。

信号光１９４は参照光１９２と直交する偏光で合波器１６１により合波され、光ファイバ３００で伝送される。合波器１６１は偏光ビームスプリッタを用いるのが簡単である。偏光ビームスプリッタは直交する直線偏光を合波するものであり、合波器１６１への２つの入力光である参照光１９２及び信号光１９４は偏波調整器１５１及び１５２により適当な偏光に調整される。通常、参照光１９２と量子光１９３は直線偏光なので、偏波調整器１５１と１５２は半波長板でその目的を達成できる。１４５は光遅延器であり、矢印に示すように位置が可変とされ、合波器１６１に導入される参照光１９２のタイミングの調整に使用される。

なお、図では、単に光路を変更するだけの機能のミラーについては参照符号と説明を省略する。以下の図においても同様である。

光ファイバ３００は偏波保存ファイバを用いる方式と用いない方式のどちらも可能である。偏波保存ファイバを用いる方式では、ある長さごとにファースト軸とスロー軸を入れ替えて、伝送に要する時間を二つの偏光方向に対してほぼ等しくするオプションもありうる。

光ファイバ３００に偏波保存ファイバを用いて、参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合は受信機２００の構成は比較的単純になる。図３は参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合の受信機の構成の一例を示すブロック図である。まず分波器２２０により信号光２９１と参照光２９２に分離する。分波器２２０は偏光ビームスプリッタを用いるのが簡単である。分離された参照光２９２は必要に応じて増幅器２３１と波形整形器２３２を通して増幅波形整形され、光遅延器１４５により光路長が調整されて分岐比５０：５０のビームスプリッタ２４１に導かれ、信号光２９１と干渉する。

信号光２９１と参照光２９２が干渉するためには、両者の偏光が一致して且つ光路長も位相レベルで一致している必要がある。偏波調整器２２１と２２２は前者の目的のためのもので、信号光１９１と参照光２９２が通常直線偏光であることを考えれば半波長板でその目的を達成できる。光遅延器１４５は後者の目的である光路長調整のためのものである。ビームスプリッタ２４１に対しては色々な方法があり、通常のビームスプリッタやファイバカプラの他、偏光ビームスプリッタを用いる方法もある。

ビームスプリッタを透過して干渉した２つの光は光検出器２４２，２４３でそれぞれ検出される。光検出器２４２，２４３はフォトダイオードや光電子増倍管等である。光検出器２４２と２４３での検出信号は電気回路２４４で処理されて出力信号となる。出力信号の一部は位相解析器２５０に導かれて、信号光２９１と参照光２９２の位相差を解析し、その位相差を最適化するように光遅延器１４５にフィードバックされる。

光ファイバ３００に偏波を保存しない通常の光ファイバを用いた場合や偏波保存ファイバを用いた場合でも偏光を調整したい場合、受信機２００は、偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する。図４、図５及び図６は、それぞれ、偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の例を示すブロック図である。分波器２２０に偏光ビームスプリッタを用いた場合は偏波調整器２１１により直線偏光になるように調整する。受信機２００に伝送されてきた光の偏波面は偏光解析器２１２により解析される。

偏光解析器２１２の位置は様々な位置が考えられ、分波器２２０の手前で伝送されてきた光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図４）、分波器２２０の後方で参照光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図５）、分波器２２０の後方で信号光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図６）が考えられる。いずれの場合も解析結果は偏波調整器２１１にフィードバックされる。偏波調整器２１１周辺を除けば、図４、図５及び図６に示す受信機２００の構成は、図３に示す受信機２００の構成と同じである。

受信機において参照光を増幅・波形整形する必要がない場合は受信機２００を簡単な構成にすることができる。図７は参照光を増幅・波形整形する必要がない場合の受信機の構成の例を示すブロック図である。偏波調整器２１５を調整して、偏光ビームスプリッタ２４５の透過光に対する光軸と参照光の偏波面が４５度の角度をなす直線偏光なるようにして、参照光を２４５で２分割する。その際同時に信号光も２分割されて、それぞれの分割ビームは参照光と信号光の間で干渉する。干渉したそれぞれのビームは光検出器２４２及び２４３で光電変換され、電気回路２４６で処理される。光検出器２４２及び２４３での相対的検出強度は偏光ビームスプリッタ２４５への入力偏光に依存するため、光検出器２４２と２４３への入力強度が等しくなるように、強度解析器２１６を通して偏波調整器２１５にフィードバックされる。

（実施例２）
次に、本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の実施例について具体的に説明する。

図８は本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例１を示すブロック図である。励起光１が偏光ビームスプリッタ１１に入力する。パルス状の励起光１の偏光方向は偏光ビームスプリッタ１１を透過する方向（ｐ偏光）にあらかじめ調整する。透過した励起光１はファラデー回転器２６を透過して偏光方向が４５°回転し、λ／２波長板２１で偏光方向が調整された後、コリメータレンズ６１で集光されて短尺の偏波保存光ファイバ３６に入力される。ファイバ３６への入力光はファイバ３６の二つの光学軸方向の成分の強度が等しくなるようにλ／２波長板２１により調整される。ファイバ３６の入力端の光学軸方向を調整できるようにしている場合はλ／２波長板２１を省略することもできる。

偏波保存光ファイバ３６を設置している目的は２つの光学軸方向に入力したパルス励起光の時間的重なりを無くしておのおののパルスが独立なパルスとみなせるようにすることである。したがって、必要となる長さはファイバ３６の複屈折の大きさやパルス幅によって異なる。例えば、ビート長３．０ｍｍの偏波保存ファイバでパルス幅１００ｆｓ程度の励起光を時間的に分離するためには１０ｃｍ程度の偏波保存ファイバ３６が必要である。偏波保存ファイバ３６の役目は２つの偏光成分を時間的に分離させることなので分散や非線形効果は出来るだけ少ないことが好ましい。1.5μｍ帯で低分散を優先させる場合は分散シフト型の偏波保存ファイバを用いればよい。ファイバ３６を透過した励起光１は引き続きスクィズド光生成のためのファイバ３７に導かれる。ファイバ３７は偏波保存である必要は無く必要に応じて任意のファイバが使用できる。ファイバ３６と３７の接続は損失を最低限に抑えるため融着することが望ましいが、ファイバ交換の利便性を考慮してコネクタで接続することも可能である。接続面を無反射コートにすれば反射損失を低減できる。図８のファイバ３６と３７のつき合わされている部分に短く太い線が表示してあるのは、これらの接続を意味する。

ファイバ３７を透過した励起光はコリメータレンズ６２で平行光にされて４５°（あるいは−４５°）回転のファラデー回転器２７を透過して、ミラー５１に到達する。ミラー５１を反射した励起光１は同じ導波路を逆行する。ファラデー回転器２７は往復で２回通過するので合計で９０°（あるいは−９０°）の回転になる。したがって、光ファイバ３７及び３６では往路と復路で直交した偏光状態で伝播することになる。偏波保存でない光ファイバ３７では一般に偏波が楕円偏光になっているが、まったく同じ導波路を往路と復路で直交した状態で伝播するので偏波保存ファイバ３６に戻って来たときには直線偏光に戻る。偏波保存ファイバ３６は、往路においては２つの偏光成分に遅延を付けたが、復路では２つの偏光が入れ替わっているので、遅延分が相殺され再度１つの偏光に戻ってファラデー回転器２６を透過して偏光が４５°回転する。励起光１は２つのファラデー回転器を往復で２回ずつ透過するので偏光の回転は合計で１８０°（あるいは０°）になる。即ち、励起光の偏光方向は入力したときと同じである。したがって、励起光１は光２となって偏光ビームスプリッタ１１を透過し、参照光１９２として利用される。以下で述べるように偏光ビームスプリッタ１１のポート２からはスクィズド光３（量子光１９３）が出力される。

偏光ビームスプリッタ１１は、２つの三角プリズムにコーティングして張り合わせた通常の立方体偏光ビームスプリッタを始めとして様々な種類のものが適用可能である。例えば、ガラス基板にコーティングした平面型偏光ビームスプリッタ、ウォーラストンプリズム、ロションプリズム、グランレーザープリズム、グラントムソンプリズム、等がある。立方体偏光ビームスプリッタは安価で反射角も９０°で扱い易いが、反射光の純度が一般に悪く、本来の偏光成分であるS偏光に僅かにP偏光を含む。偏光成分の純度を上げたい場合には偏光ビームスプリッタ１１で偏光を分離した後、別の偏光ビームスプリッタを透過させれば不要な成分が除去される。本実施例に限らず、偏光の純度を上げたい場合にはすべてこの方法を利用できる。

図９は本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例２を示すブロック図である。図８と対比して明らかなように、偏波保存光ファイバ３６からの出力光をコリメータレンズ６３により一旦自由空間（空気中）に取り出した後、もう１つのコリメータレンズ６４を用いてファイバ３７に入力させた点を除けば、構成例１と同じである。

以上は量子効果を考慮せずにファイバ３６と３７を伝播する光の様子を述べた。量子効果は励起光１が偏光ビームスプリッタ１１のポート１から入力する際にポート２から入力する真空ノイズ（S偏光）によりもたらされる。真空ノイズは量子力学特有の概念である。真空ノイズは、励起光１が偏波保存ファイバ３６で二つの偏光成分に分割されたのと同様に２分割される。２分割された真空ノイズは２分割された励起光１と共にファイバ３７を伝播するので、励起光１が被るカー効果を真空ノイズも受ける。真空ノイズを図形的に表現すると量子揺らぎを表す不確定性円になる。光ファイバ３７を往復した真空ノイズはカー効果のために楕円化されて偏光ビームスプリッタ１１のポート２から出力される。この楕円化した量子揺らぎを持った光が直交位相スクィズド状態と呼ばれる量子光である。

光ファイバ３７中で効果的にカー効果を起こすためにはピーク強度が大きく、ファイバ伝播中もパルス波形が崩れない励起光が望ましい。カー効果が働いた状態で光ファイバを安定して伝播できる状態として光ソリトンが知られている。安定なソリトンが存在するための条件は理論的に知られており、式（１）の場合である。

ここで、γはカー効果の強さを表す係数、Ｐは励起光のピーク強度、Ｔはパルス幅、β₂は群速度分散である。この式から分かることは群速度分散が大きいファイバでは大きいピーク強度が必要になる。可能なピーク強度にも限界があるので、その限界に応じて群速度分散が選べると好都合である。通常、偏波保存ファイバの分散値は限られたものしか製造されていないため、必要な波長帯でソリトンを生成できない場合も出てくるが、偏波保存でない一般の光ファイバならば各種の分散値のファイバが存在するため、本発明により様々なパラメタの条件化でソリトン生成が可能になり、効果的にスクィズド光を生成できる。

励起光１のための光源としては、固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー等がある。スクィズド状態はカー効果を利用して生成されるので、それを効率的に生成するためには励起光をパルスにしてピークパワーを大きくするのが効率的である。固体レーザーやファイバーレーザーはフェムト秒パルスの生成が可能で高いピークパワーを得るのに特に有効である。光ファイバ通信に有利な波長１．５μｍ帯に対してはＣｒ：ＹＡＧ固体レーザーやＥｒ添加ファイバーレーザーがある。

図１０は本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例３を示すブロック図である。構成例１と２では、２つの偏光成分に遅延を付けるのに、偏波保存ファイバ内の２つの偏光成分に群速度の違いがあることを利用した。図８と図１０を対比して明らかなように、入力励起光１がλ/２波長板２１を透過するまでは図８に示す構成例１と同様である。λ/２波長板２１を透過した２つの偏光成分は、次に、偏光ビームスプリッタ１６に入力して２つの偏光成分に等しく分離され、それぞれ光路６と７に進む。分離された偏光は偏光ビームスプリッタ１７で再度合波されてコリメータレンズ６１、光ファイバ３７へと進む。光路６と７に僅かに光路長の差を与えて光ファイバ３７内で２つの偏光成分のパルス光が時間的に重ならないようにする。光ファイバ３７内で真空ノイズがカー効果を受けるのは構成例１とまったく同様で、また、復路では２つの偏光が交換して、最終的にスクィズド光３がポート２より放出される。

（実施例３）
図１１は、実施例２で説明した量子状態発生器１２０により生成したスクィズド光を信号波にして光通信をする場合の送信機１００の例を示す図である。ここでは、図８で説明した量子状態発生器１２０によるものとした。励起光源１１０から出力した励起光はアイソレータ２１３とλ／２波長板２２１を透過してＰ偏光で偏光ビームスプリッタ２３１に入力される。偏光ビームスプリッタ２３１を透過した励起光１は偏光方向を４５°回転させるファラデー回転器２１２を透過し、λ／２波長板２２２を透過してＰ偏光にされる。その励起光１は図８で述べた量子状態発生器１２０に入力し、出力としてポート１から反射してきた励起光２と、ポート２からのスクィズド光３を得る。

スクィズド光３は変調器１４１で信号が重畳された信号光となり、偏光ビームスプリッタ１６１に加えられる。ポート１から出力された励起光２はλ／２波長板２２２とファラデー回転器２１２を透過して偏光ビームスプリッタ２３１に戻る。励起光２はファラデー回転器２１２を往復で２度通過しているので合計９０°偏波が回転し、偏光ビームスプリッタ２３１へはＳ偏光の入力となる。偏光ビームスプリッタ２３１で反射されたＳ偏光は、遅延器１４５で光路長を調整され、λ／２波長板１５１で偏波が調整された後、偏光ビームスプリッタ１６１で信号光と一緒にされる。偏光ビームスプリッタ２３１で反射されたＳ偏光は受信器において信号光検出のための参照光として利用される。

図１２は、図１１の部品数を減らして構成をより簡単にしたものを示す。励起光源１１０から出力した励起光はアイソレータ２１３とλ／２波長板２２１を透過してＰ偏光で偏光ビームスプリッタ２３１に入力される。偏光ビームスプリッタ２３１を透過した励起光１は偏光方向を４５°回転させるファラデー回転器２１２を透過し、λ／２波長板２２２を透過してＰ偏光にされ、量子状態発生器１２１に入力する。量子状態発生器１２１は図８で述べた量子状態発生器１２０からファラデー回転器２６を省略したものである。ファラデー回転器２６が省略されているため、量子状態発生器１２１を往復してきた励起光は偏光が９０°回転するだけなので、出力としてポート２に反射してきた励起光２が得られ、ポート１にスクィズド光３を得る。

励起光２は遅延器１４５で光路長を調整され、偏光ビームスプリッタ１６１で反射する。ポート１から出力されたスクィズド光３はλ／２波長板２２２とファラデー回転器２１２を透過して偏光ビームスプリッタ２３１に戻る。スクィズド光３はファラデー回転器２１２を往復で２度通過しているので合計９０°偏波が回転し、偏光ビームスプリッタ２３１へはＳ偏光の入力となって反射する。反射後は変調器１４１で信号が重畳されて信号光となり、λ／２波長板１５１で偏波が調整された後、偏光ビームスプリッタ１６１で参照光と一緒にされる。遅延器１４５で光路長を調整された励起光２は受信器において信号光検出のための参照光として利用される。

（実施例４）
図１３は、実施例２で説明した量子状態発生器１２０により生成したスクィズド光からもつれ合った量子光対を生成する例を示す図である。ここでは、図８で説明した量子状態発生器１２０によるものとした。励起光源３０１から出力した励起光はアイソレータ３１１とλ／２波長板３２１を透過して偏光ビームスプリッタ３３１に入力する。λ／２波長板３２１は偏光ビームスプリッタ３３１からの２つの出力光の強度が等しくなるように調整する。偏光ビームスプリッタ３３１の透過光はＰ偏光であり量子状態発生器１０１に入力してＳ偏波のスクィズド光３９１を得る。偏光ビームスプリッタ３３１の反射光はＳ偏光で、偏光ビームスプリッタ３３２に入力して反射される。４５°回転のファラデー回転器３１２を透過してλ／２波長板３２２でＰ偏光に調整されて量子状態発生器１０２に入力する。量子状態発生器１０２からの出力であるスクィズド光３９２はＳ偏光で、ビームスプリッタ３４１でもう一方のスクィズド光３９１と合波されて互いに量子力学的にもつれ合った２モードスクィズド状態のビーム３９３と３９４を得る。ビームスプリッタ３４１における合波ではスクィズド光３９１と３９２の位相が固定されていなければならないため、ビーム３９４の一部をビームスプリッタ３４２で取り出し、その信号から制御器３５２で３９１と３９２の位相状態を解析し、３９１と３９２の位相が一定になるようにピエゾ素子３５１を調整する。

量子状態発生器１０２において反射してきた励起光３９６はλ／２波長板３２２とファラデー回転器３１２を透過してＰ偏光になって偏光ビームスプリッタ３３２に戻り透過する。ビーム３９６はビーム３９３と３９４を検出するための参照光として利用できる。

図１３を参照して、量子力学的にもつれ合った２モードスクィズド状態を生成する方法を述べた。ここではその２モードスクィズド状態を用いて量子力学的信号の伝送も可能な量子テレポーテーションを実施する方法を述べる。

図１４は２モードスクィズド状態を用いて量子力学的信号の伝送も可能な量子テレポーテーションを実施する一例を示すブロック図である。３０２は２モードスクィズド状態生成器、４００は送信機、４６０は受信機である。４９１は伝送したい入力光信号であり、これは量子光でも古典光でも構わない。伝送用の光ファイバ４５１、４５２を伝わる光信号は古典光であるが、出力信号光４９７は入力光信号４９１を再現するものとなる。この再現を手助けしているのが２モードスクィズド状態生成器３０２の二つの出力３９３と３９４である。即ち、入力光信号４９１の再構築に必要な情報の伝送は古典回線を利用するが、信号情報を含まない量子状態の伝送は別の量子回線を利用する。入力光信号は、これら古典回線による信号情報と量子回線で伝送される量子状態のすべてがそろって初めて再現できるものであり、どちらか一方を欠いただけでも情報として意味のある出力光は得られない。したがって、時間空間的にこれらを独立に伝送すれば絶対安全な通信が可能になる。以下、具体的な処理の流れを述べる。

送信機４００では、入力信号光４９１は５０：５０のビームスプリッタ４１１で２モードスクィズド光３９４と合波される。合波された２つのビーム４９２と４９３はそれぞれ、５０：５０のビームスプリッタ４１３と４１４によって局部発振レーザー光源４０１からの出力光と合波されて光検出器４２１及び４２２のペアあるいは４２３及び４２４のペアにより平衡型ホモダイン検出される。２つの平衡型ホモダイン検出の出力信号は、４９１と３９４の合波光の２つの直交位相成分をそれぞれ出力するようになっている。平衡型ホモダイン検出の出力信号は電気−光変換器４３６及び４３７により光信号に変換されて、光ファイバ４５１、４５２を介して受信機４６０に伝送される。

受信機４６０では光−電気変換器４７１及び４７２により再び電気信号に変換されて局部発振レーザー４６１からの出力光を振幅変調および位相変調する。変調されたレーザー光４９６をビームスプリッタ４７８により、他の２モードスクィズド光３９３と合波すれば、入力光信号４９１を再現した出力光４９７が得られる。この２モードスクィズド光３９３は、光ファイバ４５１、４５２とは分離された伝送回線により伝送する。出力光４９７を得る際に２モードスクィズド光３９３を完全に使い切ることが原理的には必要なので、ビームスプリッタ４７８の反射率は極力大きく、例えば９９％に設定する。変調されたレーザー光４９６の透過率は１％に下がってしまうが、局部発振レーザー４６１からの出力強度を十分に大きく取れば問題ない。以上の構成により量子テレポーテーションが可能になる。

（実施例５）
本発明では一般の単一モードファイバを用いてスクィズド光生成が可能なことを示している。しかしながら、ファイバの部分はより一般的には任意の単一モード導波路でよく、平面型光導波回路（ＰＬＣ）を用いることもできる。ＰＬＣではコアを小さくすることも可能で非線形性を大きくすることができ、効率的にスクィズド光を生成できる。またＰＬＣは一般に円対称な導波路でないために大きな複屈折を持つ。本発明では２つの偏光モードを独立なビームとみなしているために２つの偏光モードにあるパルス光が時間的に分離している必要がある。実施例２においては偏波保存ファイバやその他の方法を用いて２つの偏光成分の時間的分離を図った。ＰＬＣでは２つの機能を同時に達成でき、複屈折が大きいことでこの時間的分離を図り、合わせて非線形性の大きいことで効率的なスクィズド状態生成が可能になる。以下、ＰＬＣを用いたスクィズド光生成器の例を説明する。

図１５aは、図８に示したスクィズド光生成器にＰＬＣを用いた例を示す構成図である。図８と図１５とを対比して明らかなように、偏波保存ファイバ３６と光ファイバ３７がＰＬＣ（平面型光導波回路）７１に置換されて２つの機能を同時に達成している。

ＰＬＣは偏波保存なのでファラデー回転器２７の機能をλ／４波長板４１にさせることもできる（図１５ｂ）。λ／４波長板４１の光軸はＰＬＣ７１の光軸と４５°をなすように調整する。ファラデー回転器は１往復で偏波を一律に９０°回転させるが、上記のように調整されたλ／４波長板は往復で直交する２つの偏波を交換させる。したがって、偏光ビームスプリッタ１１を透過した励起光がＰＬＣ７１を往復して戻ってきた際に往復前と同じ偏光に戻っているためには、ファラデー回転器の場合には１８０°回転している必要があり２６と２７の２つを用いるが、λ／４波長板４１の場合は２つの偏光の軸が入れ替わっているだけなので、合波したものの偏光方向はＰＬＣ７１の往復の前後で同じになり、λ／４波長板は４１の一枚でよい。ファラデー回転器を用いた構成でもλ／４波長板を用いた構成でもＰＬＣを使用することにより、小型化と非線形性の増加を同時に実現でき、より効率的にスクィズド光を生成できる。

図１６はＰＬＣ７１を用いたスクィズド光生成器の他の例を示す構成図である。図１５bの構成では、λ／４波長板４１がＰＬＣ７１の外部に設置されていた。これをＰＬＣ７１の内部に埋め込んだ点において異なる。ＰＬＣ７１の内部にλ／４波長板４１の挿入のための穴を開け、そこにλ／４波長板４１をはめ込む。ミラー５１に代えて、ＰＬＣ７１の端面に反射コーティング７６を施せばよい。

図１７（Ａ）はＰＬＣを用いてさらにスクィズド光生成器の構成を簡単にした構成図、図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）はその一部の断面を示す。図１６においてλ／４波長板４１をはめ込んでいたのに代えて、ＰＬＣ内にλ／４波長板を作りつけるものである。

図１５ｂで説明したＰＬＣ７１の光学軸とλ／４波長板２７の光学軸は４５°の角度をなしている。通常のＰＬＣでは光学軸は面内と面に垂直な方向にある。図１７では、ＰＬＣ７１の導波部７３ではその方向に光学軸があるが、導波部７５ではその光学軸が導波方向を中心軸にして４５°傾かせてある。長さをλ／４分にすることによりＰＬＣ内にλ／４波長板を作りつけることができる。導波部７４は、互いに異なる構造になっている導波部７３と７５をスムーズにつなげるための部分である。導波部７５の一方の端面はＰＬＣ全体の端面と一致させ、その面に高反射ミラーコーティング７６を施し、小型一体型のスクィズド光生成器にする。

図１７（Ｂ）は導波部７３の端面を示す断面図であり、図１７（Ｃ）は導波部７５の端面を示す断面図である。図１７（Ｂ）に示すように、通常のＰＬＣ導波路の導波部７３は断面が長方形をしており、光軸方向が基板７３ａに平行な方向と垂直な方向になる。７３ｂが導波路のコア、７３ｃがカバー層で、基板７３ａとカバー層７３ｃが導波路のクラッドとして働く。一方、図１７（Ｃ）に示すように、導波路のコア７５ｂの断面形状の対称性を崩せば光学軸方向が回転し、波長板の機能を持たせることが出来るようになる。図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）に示す断面形状のコアを直接つなぐと接続面で反射が発生するので、導波部７４を設けて滑らかにつなぐ。λ／４波長板の機能は導波部７４と導波部７５の全体で達成するようにそれぞれの長さを決める。

（実施例６）
図１８は光ファイバを用いて一体型スクィズド光生成器を実現する構成を示す図である。図８と図１８とを対比して明らかなように、光ファイバ３７が偏波保存ファイバ３６に置換され、ファラデー回転器２７がファイバ型のλ／４波長板３５に置換され、ファラデー回転器２６が省略されている。一般のファイバとして偏波保存ファイバ３６を用いているので改めて偏光の時間的な分離のための偏波保存ファイバは不要である。図１８に示すようにファイバ型λ／４波長板３５は通常の単一モードファイバ３２と回転器具３８、３９で構成される。回転器具３８、３９にはそれぞれ単一モードファイバ３２の一部が一巻きあるいは二巻きされており、図に示す矢印の方向に捻じることにより、単一モードファイバ３２の複屈折が変化し、λ/４波長板あるいはλ/２波長板として機能する。回転器具は原理的にはファイバを一巻きしたλ/４波長板相当の片方でよいが、調整範囲を確実に確保するためにλ/２波長板相当のものも入れておく。さらに確実性を求めるならばもう１つλ/４波長板相当の一巻きした回転器具を加える。偏波保存ファイバ３６と通常の単一モードファイバ３２を融着し、３２のもう一方の端面に高反射コーティング３４を施せば一体型のスクィズド光生成器になる。

本発明は安全性の高い量子通信を実現するための方法を提供している。情報の安全性は高度情報化社会を支えるための重要なインフラであり、本発明は安全性の保障された社会を実現するために利用される。

本発明の基本形態のひとつを示すシステム構成図である。同一の光源を種光として直交する偏光で時間的に重なった偏光の信号光３９１及び参照光３９２を生成するための送信機の構成の一例を示すブロック図である。参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合の受信機の構成の一例を示すブロック図である。偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の一例を示すブロック図である。偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の他の一例を示すブロック図である。偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成のさらに他の一例を示すブロック図である。参照光を増幅・波形整形する必要がない場合の受信機の構成の例を示すブロック図である。本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例１を示すブロック図である。本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例２を示すブロック図である。本発明を特徴付ける量子状態発生器１２０の構成例３を示すブロック図である。実施例２で説明した量子状態発生器１２０により生成したスクィズド光を信号光にして光通信をする場合の送信機１００の例を示す図である。図１１に示す送信機１００の構成を簡単にする例を示した図である。実施例２で説明した量子状態発生器１２０により生成したスクィズド光からもつれ合った量子光対を生成する例を示す図である。２モードスクィズド状態を用いて量子力学的信号の伝送も可能な量子テレポーテーションを実施する一例を示すブロック図である。図８に示したスクィズド光生成器にＰＬＣを用いた例を示す構成図である。図１５aの構成図においてファラデー回転器をλ/４波長板に置き換えた場合の構成例を示した図である。ＰＬＣ７１を用いたスクィズド光生成器の他の例を示す構成図である。（Ａ）はＰＬＣを用いて、さらにスクィズド光生成器の構成を簡単にした例を説明する構成図、（Ｂ）、（Ｃ）は、その一部の断面を示す断面図である。光ファイバを用いて一体型スクィズド光生成器を実現する構成を示す図である。

符号の説明

１…励起光、２…光、３，３９１、３９２…スクィズド光、６，７…光路、１１，１６，１７，１６１，２３１，２４５，３３１，３３２，３４２…偏光ビームスプリッタ、２１，３２２…λ／２波長板、２６，２７，２１２，３１２…ファラデー回転器、３２…単一モードファイバ、３３…ファイバ型波長板固定台、３４…高反射コーティング、３５…ファイバ型波長板、３６…偏波保存光ファイバ、３７…ファイバ、３８、３９…回転器具、５１…ミラー、６１，６２，６３，６４…コリメータレンズ、７１…ＰＬＣ（平面型光導波回路）、４１…λ／４波長板、７３，７４，７５…導波部、７３ａ，７５a…基板、７３ｂ，７５b…導波路のコア、７３ｃ，７５c…カバー層、７６…反射コーティング、１００…光送信機、１０１，１０２，１２０，１２１…量子状態発生器、１１０，３０１…励起光源、１４１…変調器、１４２，２３１…増幅器、１４５…光遅延器、１５１，１５２…偏波調整器、１６１…合波器、１９１…出力光、１９２，２９２…参照光、１９３…量子光、１９４，２９１…量子信号光、２００…光受信機、２１１，２１５，２２１，２２２…偏波調整器、２１２…偏光解析器、２１３，３１１…アイソレータ、２１６…強度解析器、２２０…分波器、２３２…波形整形器、２４１，２４９，３４１、３４２、４１１，４１２，４１３，４１４、４７８…ビームスプリッタ、２４２，２４３…光検出器、２４６…電気回路、３００…光ファイバ、３０２…２モードスクィズド状態生成器、３９３，３９４…２モードスクィズド光、３９６…ビーム、４００…送信機、４０１，４６１…局部発振レーザー光源、４２１，４２２，４２３，４２４…光検出器、４３６，４３７…電気−光変換器，４７１，４７２…光−電気変換器、４５１，４５２…古典信号用の光ファイバ、４６０…受信機、４７６…振幅変調器、４７７…位相変調器、４９１…入力光信号、４９７…出力信号光、４９６…レーザー光。

Claims

ひとつの光源を励起源とする量子状態発生器と、該量子状態発生器から出力される量子状態光に信号を重畳するための変調器と、前記変調器から出力される信号光に対する偏波調整器と、前記量子状態発生器から放出される非量子光である参照光の光路長を調整する光遅延器と、前記参照光に対する偏波調整器と、信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態に合波するための偏光合波器とを有する光送信機において、
前記量子状態発生器は、偏光分離器と、２つの偏波を互いに遅延させる手段、光ファイバ、ファラデー回転器、高反射ミラーを備え、前記偏光分離器の一方の入力ポートに直線偏光を入力し、もう一方の入力ポートを無入力とすることにより真空ノイズの入力とし、該入力光と該真空ノイズが一体となって前記遅延させる手段と前記光ファイバと前記ファラデー回転器とを伝播し、前記高反射ミラーにより前記同一光路に折り返して逆方向に伝播して前記偏光分離器に戻り、当初入力した直線偏光と真空ノイズに分離される一連の光伝播をし、該真空ノイズは前記一連の光伝播を通してスクィズド光になることを特徴とする光送信機。
前記偏光分離器の後段にλ／２波長板を具備し、前記遅延させる手段への入力光の強度が２つの偏波間で等しくなるように該λ／２波長板を調整することを特徴とする請求項１記載の光送信機。
前記光路を構成している、２つの偏波を互いに遅延させる手段は偏波保存光ファイバである請求項１記載の光送信機。
前記光路を構成している、２つの偏波を互いに遅延させる手段は２つの偏光ビームスプリッタで構成され、その一つ目の偏光ビームスプリッタで２つの光路に分離し、二つの光路に遅延を付けたうえで二つ目の偏光ビームスプリッタで再合成される請求項１記載の光送信機。
ひとつの光源を励起源とする量子状態発生器と、
該量子状態発生器から出力される量子状態に信号を重畳して信号光にするための変調器と、
前記変調器から出力される信号光に対する偏波調整器と、
前記量子状態発生器から放出される非量子光である参照光の光路長を調整する光遅延器と、
前記参照光に対する偏波調整器と、
信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態に合波するための偏光合波器とからなる光送信機と、
前記光送信機の送信する信号を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから受信する信号から参照光を用いて送信信号で変調された量子光を検出し、その検出信号から送られてきた送信信号を得る光受信機と、
よりなることを特徴とする光送受信システムにおいて、
前記量子状態発生器は、偏光分離器と、２つの偏波を互いに遅延させる手段、光ファイバ、ファラデー回転器、高反射ミラーを備え、前記偏光分離器の一方の入力ポートに直線偏光を入力し、もう一方の入力ポートを無入力とすることにより真空ノイズの入力とし、該入力光と該真空ノイズが一体となって前記遅延させる手段と前記光ファイバと前記ファラデー回転器とを伝播し、前記高反射ミラーにより前記同一光路に折り返して逆方向に伝播して前記偏光分離器に戻り、当初入力した直線偏光と真空ノイズに分離される一連の光伝播をし、該真空ノイズは前記一連の光伝播を通してスクィズド光になることを特徴とする光送受信システム。
前記偏光分離器の後段にλ／２波長板を具備し、前記遅延させる手段への入力光の強度が２つの偏波間で等しくなるように該λ／２波長板を調整することを特徴とする請求項５記載の光送受信システム。
前記光路を構成している、２つの偏波を互いに遅延させる手段は２つの偏光ビームスプリッタで構成され、その一つ目の偏光ビームスプリッタで２つの光路に分離し、二つの光路に遅延を付けたうえで二つ目の偏光ビームスプリッタで再合成される請求項５記載の光送受信システム。
偏光分離器と、２つの偏波を互いに遅延させる手段、光ファイバ、ファラデー回転器、高反射ミラーを備え、前記偏光分離器の一方の入力ポートに直線偏光を入力し、もう一方の入力ポートを無入力とすることにより真空ノイズの入力とし、該入力光と該真空ノイズが一体となって前記遅延させる手段と前記光ファイバと前記ファラデー回転器とを伝播し、前記高反射ミラーにより前記同一光路に折り返して逆方向に伝播して前記偏光分離器に戻り、当初入力した直線偏光と真空ノイズに分離される一連の光伝播をし、該真空ノイズは前記一連の光伝播を通してスクィズド光になることを特徴とする量子光生成器。
前記偏光分離器の後段にλ／２波長板を具備し、前記遅延させる手段への入力光の強度が２つの偏波間で等しくなるように該λ／２波長板を調整することを特徴とする請求項８記載の量子光生成器。