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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6367644
(24)【登録日】2018年7月13日
(45)【発行日】2018年8月1日
(54)【発明の名称】光送信装置、光受信装置、および光通信方法
(51)【国際特許分類】
H04K 1/02 20060101AFI20180723BHJP
【ＦＩ】
H04K1/02
【請求項の数】5
【全頁数】24
(21)【出願番号】特願2014-159457(P2014-159457)
(22)【出願日】2014年8月5日
(65)【公開番号】特開2016-39389(P2016-39389A)
(43)【公開日】2016年3月22日
【審査請求日】2017年6月20日
(73)【特許権者】
【識別番号】000233295
【氏名又は名称】株式会社日立情報通信エンジニアリング
(74)【代理人】
【識別番号】110001689
【氏名又は名称】青稜特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】土井 吉文
(72)【発明者】
【氏名】原澤 克嘉
(72)【発明者】
【氏名】本田 真
(72)【発明者】
【氏名】武井 政比斗
(72)【発明者】
【氏名】圷 重人
【審査官】
青木 重徳
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００６／０２５４２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００４−２１５１８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−２７４３００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−０６０３０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００６／０３８６６０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２００３／００１１８５４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開平１１−０１７７５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−１２０６３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０４Ｋ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、光送信装置から光信号に変調して送信されたデータを受信する光受信装置であって、
送信装置と共通の暗号鍵に基づいてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号であってＩＱ平面における第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する閾値生成部と、
前記閾値と、前記多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号のレベルを判定し、２値識別する信号レベル判定部と、
２値識別された前記多値信号をデコードする復調部と、
を備えることを特徴とする光受信装置。
送信装置と共通の暗号鍵に基づいてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号であってＩＱ平面における第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する閾値生成部と、
前記閾値と、前記多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号のレベルを判定し、２値識別する信号レベル判定部と、
２値識別された前記多値信号をデコードする復調部と、
を備えることを特徴とする光受信装置。
【請求項2】
送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号を同相成分と直交成分とに分離するＩＱ分離部と、
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部は、送信装置と共通の同相成分の暗号鍵に基づいて第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、送信装置と共通の直交成分の暗号鍵に基づいて第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部とを備え、
前記閾値生成部は、前記第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第１閾値を生成する第１閾値生成部と、前記第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第２閾値を生成する第２閾値生成部とを備え、
前記信号レベル判定部は、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定し、２値識別する第１信号レベル判定部と、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定し、２値識別する第２信号レベル判定部とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部は、送信装置と共通の同相成分の暗号鍵に基づいて第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、送信装置と共通の直交成分の暗号鍵に基づいて第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部とを備え、
前記閾値生成部は、前記第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第１閾値を生成する第１閾値生成部と、前記第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第２閾値を生成する第２閾値生成部とを備え、
前記信号レベル判定部は、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定し、２値識別する第１信号レベル判定部と、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定し、２値識別する第２信号レベル判定部とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
【請求項3】
局部発信光を出力するローカルオシレータと、
送信装置から受信した光信号と前記局部発信信号とに基づいて、前記光信号を同相成分と直交成分とに分離して出力する光ハイブリッドと、
前記閾値生成部は、前記第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する第１閾値生成部と、前記第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する第２閾値生成部とを備え、
前記信号レベル判定部は、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定し、２値識別する第１信号レベル判定部と、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定し、２値識別する第２信号レベル判定部とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
送信装置から受信した光信号と前記局部発信信号とに基づいて、前記光信号を同相成分と直交成分とに分離して出力する光ハイブリッドと、
前記閾値生成部は、前記第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する第１閾値生成部と、前記第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する第２閾値生成部とを備え、
前記信号レベル判定部は、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定し、２値識別する第１信号レベル判定部と、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定し、２値識別する第２信号レベル判定部とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
【請求項4】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送受信する光通信方法であって、
２値の送信データからＭ値の多値信号を生成する多値信号生成ステップと、
前記多値信号の大きさに応じて暗号鍵から送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップと、
増幅された前記多値信号に基づいて連続光の光強度を多値変調する強度変調ステップと、
送信装置と共通の暗号鍵に基づいて受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップと、
前記受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号であってＩＱ平面における第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する閾値生成ステップと、
前記閾値と、前記多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号のレベルを判定し、２値識別する信号レベル判定ステップと、
２値識別された前記多値信号をデコードする復調ステップと、
を含むことを特徴とする光通信方法。
２値の送信データからＭ値の多値信号を生成する多値信号生成ステップと、
前記多値信号の大きさに応じて暗号鍵から送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップと、
増幅された前記多値信号に基づいて連続光の光強度を多値変調する強度変調ステップと、
送信装置と共通の暗号鍵に基づいて受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップと、
前記受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号であってＩＱ平面における第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の閾値を生成する閾値生成ステップと、
前記閾値と、前記多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号のレベルを判定し、２値識別する信号レベル判定ステップと、
２値識別された前記多値信号をデコードする復調ステップと、
を含むことを特徴とする光通信方法。
【請求項5】
前記送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップにおいて、同相成分についての前記送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵である送信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、直交成分についての前記送信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵である送信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、
前記強度変調ステップにおいて、増幅された同相成分の多値信号と前記送信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、増幅された直交成分の多値信号と前記送信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部とに基づいて搬送波の光強度を多値変調し、
送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号を同相成分と直交成分とに分離する分離ステップを含み、
前記受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップにおいて、送信装置と共通の同相成分の暗号鍵に基づいて受信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、送信装置と共通の直交成分の暗号鍵に基づいて受信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、
前記閾値生成ステップにおいて、前記受信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第１閾値を生成し、前記受信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第２閾値を生成し、
前記信号レベル判定ステップにおいて、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定して２値識別し、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定して２値識別する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光通信方法。
前記強度変調ステップにおいて、増幅された同相成分の多値信号と前記送信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、増幅された直交成分の多値信号と前記送信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部とに基づいて搬送波の光強度を多値変調し、
送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号を同相成分と直交成分とに分離する分離ステップを含み、
前記受信側Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成ステップにおいて、送信装置と共通の同相成分の暗号鍵に基づいて受信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、送信装置と共通の直交成分の暗号鍵に基づいて受信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、
前記閾値生成ステップにおいて、前記受信側第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記同相成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第１閾値を生成し、前記受信側第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、前記直交成分の多値信号であって前記第１象限にのみ配置された前記多値信号と同じ大きさの多値信号判定用の第２閾値を生成し、
前記信号レベル判定ステップにおいて、前記第１閾値と、前記同相成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第１固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の同相成分のレベルを判定して２値識別し、前記第２閾値と、前記直交成分の多値信号を２値識別するためにあらかじめ定められた第２固定閾値とのレベルを比較することによって前記多値信号の直交成分のレベルを判定して２値識別する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光送信装置、光受信装置、および光通信方法に係り、特に多値強度変調を用いた光通信量子暗号における、伝送容量の制御に関する。
【背景技術】
【0002】
光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者において光信号を正確に識別できないレベルの受信信号とすることにより、盗聴者が無限の計算能力を具備していても、データ解読が不能となる共通鍵量子暗号が知られている。この共通鍵量子暗号は、基底と呼ぶ、送信データを搬送する２値の光信号を１つのセットとしてＮ個用意し、何れの基底を使ってデータ送信するかを、暗号鍵に従った擬似乱数によって不規則に決める方式である。実際には、光の複数個あるＮ値を量子ゆらぎによって、Ｎ値の信号間距離を識別ができないほど小さくすることにより、盗聴者において受信される暗号信号から当該データを識別、データ解読（正しく復号化を成立）させないようにしている。
【0003】
上記原理に基づく暗号化は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれ、例えば、特許文献１では、光増幅が可能な２モードコヒーレント状態を利用する量子暗号プロトコルを提供することにより、既存の波長分割多重ネットワークに適したシステムを構築している。また、特許文献２では、Ｙｕｅｎ暗号が実装された場合、既知平文攻撃と選択平文攻撃に対する安全性の能力を数量的に評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】ＵＳ７３３３６１１号公報
【特許文献2】特許第４７６１０２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
現在のＹ−００プロトコルを用いた光通信における伝送容量は、波長１波あたりで１０Ｇｂｐｓであり、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）では、１０Ｇｂｐｓ×４波の４０Ｇｂｐｓが報告されている。更なる大容量化を実現するには、波長多重数を高密度化する方法（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplex )が考えられる。しかしながら、波長多重数の増加に伴い、（１）Ｙ−００送受信装置の員数が増加すること、（２）チャネルあたりの光増幅器の出力パワーの上昇が困難となること、（３）光ファイバの非線形効果の一種である４光波混合により信号が劣化しやすくなること、（４）光ファイバのコア部の光パワー密度が非常に高くなることにより、コア部が溶融するファイバヒューズが発生すること等、いくつかの問題点が生じる虞がある。このため、ＤＷＤＭ方式ではない多値強度変調や多値位相変調方式を用いた大容量化技術が必要となる。
【0006】
上記特許文献１では、２値位相変調について記載されているが、多値位相変調については記載されていない。また、上記特許文献２では、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）、多値振幅変調について記載されているが、具体的な構成については開示されていない。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＤＷＤＭ方式を用いることなくＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能な光送信装置、光受信装置、および光通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光送信装置は、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、２値の送信データからＭ値の多値信号を生成する多値信号生成部と、暗号鍵からＲｕｎｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｎｉｎｇ鍵生成部と、前記多値信号生成部と前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の信号を増幅する多値信号増幅部の信号に基づいてレーザダイオードからの連続光を多値変調する強度変調部と、を備えることを特徴とする光送信装置として構成される。
【0009】
また、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、光送信装置から光信号に変調して送信されたデータを受信する光受信装置であって、送信装置と共通の暗号鍵に基づいてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部と、前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に基づいて、送信装置から受信した、光強度が多値変調されたＭ値の多値信号の大きさに応じて多値信号判定用の閾値を生成する閾値生成部と、前記閾値に基づいて前記多値信号のレベルを判定し、２値識別する信号レベル判定部と、２値識別された前記多値信号をデコードするデコーダと、を備えることを特徴とする光受信装置として構成される。
【0010】
また、本発明は上記光送信装置、光受信装置を用いた光通信方法としても把握される。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、ＤＷＤＭ方式を用いることなくＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】変調器の駆動範囲を示す図である。
【図2】実施例１における送信装置の構成例を示す図である（４値ＡＳＫ方式）。
【図3】実施例１における受信装置の構成例を示す図である（４値ＡＳＫ方式）。
【図4】４値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である（４値ＡＳＫ方式）。
【図7】実施例１における送信装置の構成例を示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図8】実施例１における受信装置の構成例を示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図9】８値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図12】実施例２における送信装置の構成例を示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図13】実施例２における受信装置の構成例を示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図14】コヒーレント検波受信器の構成を示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図15】８値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である（８値ＡＳＫ方式）。
【図18】実施例２における送信装置の構成例を示す図である（１６値ＡＳＫ方式）。
【図19】実施例２における受信装置の構成例を示す図である（１６値ＡＳＫ方式）。
【図20】コヒーレント検波受信器の構成を示す図である（１６値ＡＳＫ方式）。
【図21】１６値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光送信装置、光受信装置、および光通信方法の実施の形態を詳細に説明する。以下では、図１に示すように、ＩＱ平面上の第一象限で変調器を駆動するものとする。また、４値ＡＳＫ方式、８値ＡＳＫ方式での送信装置、受信装置の動作を説明することにより、任意のＭ値ＡＳＫ方式にも本発明を適用することができるものである。
【0014】
（実施例１）図２は、４値ＡＳＫ方式による光通信システムにおける送信装置の構成例を示す図である。図２に示すように、本システムの送信装置は、Ｓ／Ｐ変換部２０１と、多値信号生成部２０２と、暗号鍵記憶部２０３と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４と、多値信号増幅器２０５と、レーザダイオード２０６と、強度変調器２０７とを有して構成されている。
【0015】
Ｓ／Ｐ変換部２０１は、送信データを最上位ビット（ＭＳＢ）であるｄ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｄ０にパラレル変換する。多値信号生成部２０２は、パラレル変換された送信データを多値化し出力する。出力される多値信号の信号レベルsは任意のＭ値のＡＳＫ方式の場合、（数１）で表現される。図２に示した４値ＡＳＫ方式の場合は、（数２）により表される。
【0016】
【数1】
【0017】
【数2】
【0018】
暗号鍵記憶部２０３は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための初期鍵を記憶する。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。発生された乱数が暗号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵となる。多値信号増幅器２０５は、生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、出力された多値信号を増幅する。レーザダイオード２０６は、連続光を出力する光源であり、強度変調器２０７は、多値信号増幅器２０５により増幅された多値信号を用いて、連続光を強度変調する。
【0019】
図３は、本実施の形態における光通信システムにおける受信装置の構成例を示す図である。図３に示すように、本システムの受信装置は、Ｏ／Ｅ変換部３０１と、線形増幅器３０２と、暗号鍵記憶部３０３と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部３０４と、閾値生成部３０５と、信号レベル判定部３０６と、Ｐ／Ｓ変換部３０７とを有して構成されている。さらに、信号判定部３０６は、第１識別器３０６１と、第２識別器３０６２と、第３識別器３０６３と、デコーダ３０６４とを有している。
【0020】
Ｏ／Ｅ変換部３０１は、送信装置から受信した光信号を光電変換する。線形増幅器３０２は、光電変換された光信号を増幅する。増幅された信号は信号レベル判定部３０６の第１識別器３０６１、第２識別器３０６２、第３識別器３０６３に入力される。
【0021】
暗号鍵記憶部３０３は、送信装置と同様の共通鍵である初期鍵を記憶する。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部３０４は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。送信装置と同様、発生された乱数が暗号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵となる。閾値生成部３０５は、生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判定用の閾値を生成する。生成された閾値は、信号レベル判定部３０６に入力され、第１識別器３０６１、第２識別器３０６２、第３識別器３０６３は、生成された閾値とあらかじめ設定されている第１固定閾値、第２固定閾値、第３固定閾値とを用いて、増幅された信号を２値識別する。
【0022】
信号レベル判定部３０６は、上述した識別器を用いて増幅された信号を２値識別し、デコーダ３０６４は、２値識別された信号の最上位ビット（ＭＳＢ）であるｂ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｂ０を出力する。Ｐ／Ｓ変換部３０７は、デコーダ３０６４による出力信号をＰ／Ｓ変換した復調データを出力する。
【0024】
図５は、図３に示したデコーダ３０６４の真理値表である。真理値表は、（数３）に示した論理式によって定めることができ、この論理式を満たす回路構成とすることにより、４値ＡＳＫ方式のデコーダを実現することができる。
【0025】
【数3】
【0026】
図６は、図２に示した送信装置、図３に示した受信装置を用いた４値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。図６二重線の上段は送信側、下段は受信側での値を示している。図６に示すように、例えば、周期２Ｔ、３Ｔにおける送信データが、それぞれ「１」、「０」である場合、Ｓ／Ｐ変換部２０１の出力は、それぞれｄ０が「１」、ｄ1が「０」となり、多値信号生成部２０２の出力は「１」となる。
【0027】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４は、共通鍵である暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を出力する。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の出力値は、暗号鍵２０３およびＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４の構成により決まる。図６では、周期２Ｔ、３ＴにおけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の出力値は、「０．７５」としている。
【0028】
多値信号増幅器２０５は、多値信号生成部２０２の出力値にＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４の出力値を加算して増幅し、強度変調器２０７から出力される。図６では、多値信号生成部２０２の出力値「１」にＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４の出力値「０．７５」を加算した「１．７５」が出力され、受信装置に送信される。
【0029】
受信装置では、送信装置から出力された信号レベルを維持するため、線形増幅器３０２は、Ｏ／Ｅ変換部３０１によって光電変換された信号を増幅する。図６では、線形増幅器３０２は、その出力値を送信装置と同じ「１．７５」となる。
【0030】
閾値生成部３０５は、送信装置と共通の暗号鍵から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベルを出力する。図６に示す例では、閾値生成部３０５による周期２Ｔ、３Ｔにおける出力値は、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４と同じ「０．７５」であることがわかる。
【0031】
なお、本来であれば、回路の損失や利得により絶対値は変化するが、信号レベルが遷移する方向は等しい。また、図６は、説明を容易にするために、損失や利得はないものとして表現している。
【0032】
受信装置の各識別器に入力される閾値は、固定閾値と閾値生成部３０５の出力値との和となる。第１識別器３０６１は信号レベル０と１を識別するため、第１固定閾値は０と１の中心である０．５とし、第２識別器３０６２は信号レベル１と２を識別するため、第２固定閾値は１と２の中心である１．５とし、第３識別器３０６３は信号レベル２と３を識別するため、第３固定閾値は２と３の中心である２．５としている。
【0033】
図６に示すように、例えば、周期２Ｔ、３Ｔにおける第１閾値は、閾値生成部３０５の出力値「０．７５」と、第１固定閾値「０．５」を加算した「１．２５」となり、第２閾値は、閾値生成部３０５の出力値「０．７５」と、第２固定閾値「１．５」を加算した「２．２５」となり、第３閾値は、閾値生成部３０５の出力値「０．７５」と、第３固定閾値「２．５」を加算した「３．２５」となる。したがって、第１識別器３０６１、第２識別器３０６２、第３識別器３０６３の出力値は、それぞれ、「１」、「０」、「０」となる。
【0034】
この出力値がデコーダ３０６４の入力となり、デコーダ３０６４は、「０」を最上位ビット（ＭＳＢ）として出力し、「１」を最下位ビット（ＬＳＢ）として出力する。Ｐ／Ｓ変換部３０７によりシリアル変換された復調データ「１」、「０」が出力される。そして、出力された復調データは、送信データと等しいことがわかる。
【0035】
このように、本システムを用いることにより、ＤＷＤＭ方式を用いることなく、４値ＡＳＫ方式によりＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能となる。
【0036】
続いて、８値ＡＳＫ方式による光通信システムについて説明する。基本的な考え方は４値ＡＳＫ方式の場合と同様であるため、重複する機能については説明を省略している。
【0037】
図７は、８値ＡＳＫ方式による光通信システムにおける送信装置の構成例を示す図である。図７に示すように、本システムの送信装置は、Ｓ／Ｐ変換部７０１と、多値信号生成部７０２と、暗号鍵記憶部７０３と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０４と、多値信号増幅器７０５と、レーザダイオード７０６と、強度変調器７０７とを有して構成されている。図７に示した送信装置では、Ｓ／Ｐ変換部７０１によって、送信データを最上位ビット（ＭＳＢ）であるｄ２、ｄ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｄ０にパラレル変換し、これらの各値が多値信号生成部７０２の入力となって多値化される。
【0038】
多値信号生成部２０２が出力する多値信号の信号レベルsは、図７に示した８値ＡＳＫ方式の場合は、（数４）により表される。
【0039】
【数4】
【0040】
以降、４値ＡＳＫ方式の場合と同様に、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて出力された多値信号を増幅し、強度変調器７０７は、レーザダイオード７０６によって出力された連続光を、多値信号増幅器２０５により増幅された多値信号を用いて強度変調する。
【0041】
図８は、本実施の形態における光通信システムにおける受信装置の構成例を示す図である。図８に示すように、本システムの受信装置は、Ｏ／Ｅ変換部８０１と、線形増幅器８０２と、暗号鍵記憶部８０３と、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部８０４と、閾値生成部８０５と、信号レベル判定部８０６と、Ｐ／Ｓ変換部８０７とを有して構成されている。さらに、信号判定部８０６は、第１識別器８０６１〜第７識別器８０６７までの各識別器と、デコーダ３０６８とを有している。
【0042】
図８に示した受信装置では、Ｏ／Ｅ変換部８０１によって光電変換され、線形増幅器８０２によって増幅された信号が、信号レベル判定部８０６の第１識別器８０６１〜第７識別器８０６７の各識別器に入力され、閾値生成部３０５は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部３０４によって生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判定用の閾値を生成する。
【0043】
第１識別器８０６１から第７識別器８０６７の各識別器は、生成された閾値とあらかじめ設定されている第１固定閾値から第７固定閾値を用いて、増幅された信号を２値識別する。
【0044】
信号レベル判定部８０６は、上述した識別器を用いて増幅された信号を２値識別し、デコーダ８０６８は、２値識別された信号の最上位ビット（ＭＳＢ）であるｂ２、ｂ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｂ０を出力し、Ｐ／Ｓ変換部８０７は、デコーダ８０６８による出力信号をＰ／Ｓ変換した復調データを出力する。
【0046】
図１０は、図８に示したデコーダ８０６８の真理値表である。真理値表は、（数５）に示した論理式によって定めることができ、この論理式を満足する回路構成とすることにより、８値ＡＳＫ方式のデコーダを実現することができる。
【0047】
【数5】
【0048】
図１１は、図７に示した送信装置、図８に示した受信装置を用いた８値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。図１１二重線の上段は送信側、下段は受信側での値を示している。図１１に示すように、例えば、周期０Ｔ、１Ｔ、２Ｔにおける送信データが、それぞれ「０」、「０」、「１」である場合、Ｓ／Ｐ変換部７０１の出力は、それぞれｄ０が「０」、ｄ１が「０」、ｄ２が「１」となり、多値信号生成部７０２の出力は「４」となる。
【0049】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０４は、４値ＡＳＫ方式の場合と同様、共通鍵である暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を出力する。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の出力値は暗号鍵７０３およびＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０４の構成により決まる。図１１では、周期０Ｔ、１Ｔ、２ＴにおけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の出力値は、「０．１２５」としている。
【0050】
多値信号増幅器７０５は、多値信号生成部７０２の出力値にＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０４の出力値を加算して増幅し、強度変調器７０７から出力される。図１１では、多値信号生成部７０２の出力値「４」にＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０３の出力値「０．１２５」を加算した「４．１２５」が出力され、受信装置に送信される。
【0051】
受信装置では、４値ＡＳＫ方式の場合と同様、線形増幅器８０２は、Ｏ／Ｅ変換部８０１によって光電変換された信号を増幅し、その出力値を送信装置と同じ「４．１２５」とする。
【0052】
閾値生成部８０５は、４値ＡＳＫ方式の場合と同様、送信装置と共通の暗号鍵から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部７０４の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベルを出力する。図１１に示す例では、閾値生成部８０５による周期０Ｔ、２Ｔ、３Ｔにおける出力値は、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４と同じ「０．１２５」であることがわかる。
【0053】
なお、４値ＡＳＫ方式と同様、回路の損失や利得により絶対値は変化するが、信号レベルが遷移する方向は等しく、また、図１１は、説明を容易にするために、損失や利得はないものとして表現している。
【0054】
受信装置の各識別器に入力される閾値は、固定閾値と閾値生成部８０５の出力値との和となる。第１識別器８０６１は信号レベル０と１を識別するため、第１固定閾値は０と１の中心である０．５とし、第２識別器３０６２は信号レベル１と２を識別するため、第２固定閾値は１と２の中心である１．５とし、第３識別器３０６３は信号レベル２と３を識別するため、第３固定閾値は２と３の中心である２．５とし、以降同様に固定閾値を定め、第７固定閾値では６と７の中心である６．５としている。
【0055】
図１１に示すように、例えば、周期０Ｔ、２Ｔ、３Ｔにおける第１閾値は、閾値生成部８０５の出力値「０．１２５」と、第１固定閾値「０．５」を加算した「０．６２５」となる。以降、４値ＡＳＫ方式の場合と同様に閾値を定め、第７閾値は、閾値生成部８０５の出力値「０．１２５」と、第７固定閾値「６．５」を加算した「６．６２５」となる。したがって、各識別器の出力値は、第１識別器８０６１から第４識別器８０６４までは「１」、第５識別器８０６５から第７識別器８０６７までの出力値は、「０」となる。
【0056】
この出力値がデコーダ８０６８の入力となり、デコーダ８０６８は、「１」を最上位ビット（ＭＳＢ）として出力し、「０」を最下位ビット（ＬＳＢ）として出力する。Ｐ／Ｓ変換部８０７によりシリアル変換された復調データ「１」「０」が出力される。そして、出力された復調データは、送信データと等しいことがわかる。
【0057】
このように、４値ＡＳＫ方式の場合と同様、ＤＷＤＭ方式を用いることなくＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能となる。すなわち、任意のＭ値ＡＳＫ方式によりＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することができる。
【0058】
実施例１では、Ｉｃｈにのみデータを載せた任意のＭ値ＡＳＫ方式の採用により、伝送容量の増加を実現したが、ＩｃｈだけでなくＱｃｈにもデータを載せたほうが、さらなる大容量化を実現することができる。そこで、以下では、直交位相(Ｉｎ−ｐｈａｓｅ（Ｉｃｈ）とＱｕａｄｒａｔｕｒｅ（Ｑｃｈ）)を用いたＭ値ＡＳＫ方式を採用した場合について説明する。また、ＱＡＭ、ＡＰＳＫと差別化するために、実施例１の場合と同様、ＩＱ平面上の第一象限で変調器を駆動するものとする。また、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式、１６値ＡＳＫ方式での送信装置、受信装置の動作を説明することにより、直交位相を用いた任意のＭ値ＡＳＫ方式にも本発明を適用することができるものである。
【0059】
（実施例２）図１２は、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式による光通信システムにおける送信装置の構成例を示す図である。図１２に示すように、本システムの送信装置は、Ｓ／Ｐ変換部１２０１と、多値信号生成部１２０２と、第１暗号鍵記憶部１２０３と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４と、第１多値信号増幅器１２０５と、第２暗号鍵記憶部１２０６と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０７と、第２多値信号増幅器１２０８と、レーザダイオード１２０９と、ＩＱ変調器１２１０と、ＲＺ変調器１２１１とを有して構成されている。
【0060】
Ｓ／Ｐ変換部１２０１は、送信データを最上位ビット（ＭＳＢ）であるｄ３、ｄ２、ｄ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｄ０にパラレル変換する。多値信号生成部１２０２は、パラレル変換された送信データの多値信号を出力する。出力される多値信号のうちＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号レベルは、それぞれ（数６）で表現される。
【0061】
【数6】
【0062】
第１暗号鍵記憶部１２０３は、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための初期鍵を記憶する。第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。発生された乱数が暗号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵となる。第１多値信号増幅器１２０５は、生成された第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、出力された多値信号を増幅する。
【0063】
第２暗号鍵記憶部１２０６は、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための初期鍵を記憶する。第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０７は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。発生された乱数が暗号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵となる。第２多値信号増幅器１２０８は、生成された第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、出力された多値信号を増幅する。
【0064】
レーザダイオード１２０９は、連続光を出力する光源であり、ＩＱ変調器１２１０は、第１多値信号増幅器１２０５および第２多値信号増幅器１２０８により増幅されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号を用いて、レーザ光による連続光を強度変調する。ＲＺ変調器１２１１は、光強度の変化点における光ファイバの波長分散、および光ファイバの非線形効果による波形劣化を抑えるために、ＲＺパルスに変換する。
【0065】
図１３は、本実施の形態における光通信システムにおける受信装置の構成例を示す図である。図１３に示すように、本システムの受信装置は、第１遅延干渉計１３０１と、第１バランスドレシーバ１３０２と、第１ＡＤＣ１３０３と、第２遅延干渉計１３０４と、第２バランスドレシーバ１３０５と、第２ＡＤＣ１３０６と、位相検出部１３０７と、ＩＱ分離部１３０８と、第１暗号鍵記憶部１３０９と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１３１０と、第１閾値生成部１３１１と、第１信号レベル判定部１３１２と、第２暗号鍵記憶部１３１３と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１３１４と、第２閾値生成部１３１５と、第２信号レベル判定部１３１６と、Ｐ／Ｓ変換部１３１７とを有している。
【0066】
第１遅延干渉計１３０１は、送信装置から受信したＲＺ変調された信号のＩｃｈ成分の信号を遅延検波する。第１バランスドレシーバ１３０２は、正相、逆相のフォトダイオード電流の差動検出によりＩｃｈ成分の信号を復調する。第１ＡＤＣ１３０３は、復調されたＩｃｈ成分の信号をＡＤ変換する。第２遅延干渉計１３０４、第２バランスドレシーバ１３０５、第２ＡＤＣ１３０６は、それぞれＱｃｈ成分について、上記Ｉｃｈ成分の信号と同様の機能を実現する。
【0067】
位相検出部１３０７は、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号より、それぞれ位相θ成分、ＩｃｈおよびＱｃｈの合成信号振幅ｒ成分を検出する。ＩＱ分離部１３０８は、ＩｃｈおよびＱｃｈの各成分の信号を、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分に戻した信号を出力する。具体的には、位相検出部１３０７は、Ｉｃｈ成分の第１ＡＤＣ１３０３の出力ｉ（ｋＴ）、Ｑｃｈ成分の第２ＡＤＣ１３０６の出力ｑ（ｋＴ）より、合成信号振幅ｒ（ｋＴ）および１ビット前の位相との差分Δθ（ｋＴ）を求め、全Δθ（ｋＴ）の和を取ることで受信信号の位相θ（ｋＴ）が求められる。
【0068】
位相検出部１３０７は、（数７）を用いて上記位相を算出する。ＩＱ分離部１３０８は、ｒ（ｋＴ）、θ（ｋＴ）より、（数８）用いて、Ｉｃｈ成分、ｓＱｃｈ成分の信号に分離する。
【0069】
【数7】
【0070】
【数8】
【0071】
ＩＱ分離部１３０８によって分離された信号は、それぞれ第１信号レベル判定部１３１２、第２信号レベル判定部１３１６に入力される。
【0072】
第１暗号鍵記憶部１３０９は、送信装置と同様の共通鍵（第１暗号鍵）である初期鍵を記憶する。第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１３１０は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。送信装置と同様、発生された乱数が暗号化のための第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵となる。第１閾値生成部１３１１は、生成された第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判定用の閾値を生成する。生成された閾値は、第１信号レベル判定部１３１２に入力される。
【0073】
第１信号レベル判定部１３１２は、図３に示した信号レベル判定部３０６と同様の構成を有し、各識別器を用いてＩｃｈ成分の信号を２値識別し、デコーダ３０６４が２値識別された信号であるｂ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｂ０を出力する。
【0074】
第２暗号鍵記憶部１３１３は、送信装置と同様の共通鍵（第２暗号鍵）である初期鍵を記憶する。第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１３１４は、共通鍵である初期鍵から乱数を順次発生させる。送信装置と同様、発生された乱数が暗号化のための第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵となる。第２閾値生成部１３１５は、生成された第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判用の閾値を生成する。生成された閾値は、第２信号レベル判定部１３１５に入力される。
【0075】
第２信号レベル判定部１３１６は、第１信号レベル判定部１３１２と同様、図３に示した信号レベル判定部３０６と同様の構成を有し、各識別器を用いてＱｃｈ成分の信号を２値識別し、デコーダ３０６４が２値識別された信号の最上位ビット（ＭＳＢ）であるｂ３、ｂ２を出力する。
【0076】
Ｐ／Ｓ変換部１３１７は、デコーダ３０６４による出力信号をＰ／Ｓ変換した復調データを出力する。
【0077】
図１５は、８値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である。本実施の形態では、直交位相を用いたＡＳＫ方式を採用しているため、図１５に示すように、ＩｃｈおよびＱｃｈの両方にデータを載せる。
【0078】
図１６は、図１２に示した送信装置、図１３に示した受信装置を用いた８値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。図１６二重線の上段は送信側、下段は受信側での値を示している。図１６に示すように、例えば、周期４Ｔ、５Ｔ、６Ｔ、７Ｔにおける送信データが、それぞれ「１」、「０」、「０」、「１」である場合、Ｓ／Ｐ変換部１２０１の出力は、ｄ０が「１」、ｄ１が「０」、ｄ２が「０」、ｄ３が「１」となり、多値信号生成部２０２のＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分が、それぞれ「１」、「２」となる。
【0079】
第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４は、共通鍵である第１暗号鍵、第２暗号鍵を用いてそれぞれ第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を出力する。各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の出力値は、各暗号鍵および各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の構成により決まる。図１６では、周期０Ｔ、１Ｔ、２Ｔにおける第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵および第２のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の出力値は、それぞれ「０．７５」、「０．８７５」としている。
【0080】
第１多値信号増幅器１２０５は、多値信号生成部１２０２の出力値（Ｉｃｈ）に第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４の出力値を加算して増幅する。図１６では、多値信号生成部１２０２のＩｃｈ成分の出力値「１」に第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４の出力値「０．７５」を加算した「１．７５」が出力され、ＩＱ変調器１２１０に出力される。同様に、第２多値信号増幅器１２０８は、多値信号生成部１２０２の出力値（Ｑｃｈ）に第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０７の出力値を加算して増幅する。図１６では、多値信号生成部１２０２のＱｃｈ成分の出力値「２」に第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０７の出力値「０．８７５」を加算した「２．８７５」が出力され、ＩＱ変調器１２１０に出力される。
【0081】
ＩＱ変調器１２１０により強度変調されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号は、ＲＺ変調器１２１１により出力される。
【0082】
受信装置では、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号が、各成分の遅延干渉計およびバランスドレシーバを経由して出力される。Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の出力については、第１ＡＤＣ１３０３および第２ＡＤＣ１３０６は、（数７）を用いて、それぞれ「２．８５」、「１．７９」の各値となる。
【0083】
位相検出部１３０７は、出力されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各出力値をそれぞれθ成分およびｒ成分に変換し、「５８．６７」、「３．３７」より、ＩＱ分離部１３０８は、（数７）および（数８）を用いて、変換された各成分の信号を、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分に戻し、「１．７５０」、「２．８７５」を出力する。
【0084】
第１閾値生成部１３１１は、送信装置と共通の暗号鍵（第１暗号鍵）から生成された第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置の第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０４の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベル（「０．７５」）を出力する。同様に、第２閾値生成部１３１５は、送信装置と共通の暗号鍵（第２暗号鍵）から生成された第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置の第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１２０７の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベル（「０．８７５」）を出力する。
【0085】
なお、実施例１の場合と同様、本来であれば、回路の損失や利得により絶対値は変化するが、信号レベルが遷移する方向は等しい。また、図１６は、説明を容易にするために、損失や利得はないものとして表現している。
【0086】
受信装置の各識別器に入力される閾値は、実施例１の場合と同様、各固定閾値と各閾値生成部の出力値との和となる。例えば、図１６では、周期４Ｔ、５Ｔ、６Ｔ、７ＴにおけるIｃｈ成分の第１閾値は、第１閾値生成部１３１１の出力値「０．７５」と、第１固定閾値「０．５」を加算した「１．２５」となる。以下、同様に、Iｃｈ成分の第２閾値、第３閾値は、それぞれ「２．２５」、「３．２５」となる。この出力値が第１信号レベル判定部１３１２のデコーダ３０６４の入力となり、デコーダ３０６４は、「０」、「１」（最下位ビット（ＬＳＢ））を出力する。
【0087】
Ｑｃｈ成分についてもＩｃｈ成分と同様であるため説明を省略するが、図１６に示すように、第２信号レベル判定部１３１６のデコーダ３０６４からの出力値は、「１」（最上位ビット（ＭＳＢ））、「０」を出力し、Ｐ／Ｓ変換部１３１７によりシリアル変換された復調データ「１」「０」「０」「１」が出力される。そして、出力された復調データは、送信データと等しいことがわかる。
【0088】
このように、本システムを用いることにより、ＤＷＤＭ方式を用いることなく、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式によりＹ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能となる。
【0089】
なお、上述した例では、受信装置を直接検波方法により信号の強度を直接検出する構成により上記大容量化を実現したが、コヒーレント検波方法を用いることも可能である。
【0090】
図１４は、コヒーレント検波受信器の構成を示す図である。ローカルオシレータの出力パワーを受信光パワーより大きくすることで信号成分を増大させ、受信光パワーに依存しない雑音、例えば熱雑音等を相対的に小さすることができ、量子雑音のみとする方式である。これは、ディジタルコヒーレント受信器で用いられている方式である。
【0091】
図１４に示すように、コヒーレント検波受信器は、ローカルオシレータ１４０１と、９０度光ハイブリッド１４０２と、第１バランスドレシーバ１４０３と、第１混合器１４０４と、第１ローパスフィルタ１４０５と、第１線形増幅器１４０６と、第２バランスドレシーバ１４０７と、第２混合器１４０８と、第２ローパスフィルタ１４０９と、第２線形増幅器１４１０と、第１暗号鍵記憶部１４１１と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４１２と、第１閾値生成部１４１３と、第１信号レベル判定部１４１４と、第２暗号鍵記憶部１４１５と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４１６と、第２閾値生成部１４１７と、第２信号レベル判定部１４１８と、Ｐ／Ｓ変換部１４１９とを有している。
【0092】
ローカルオシレータ１４０１は、周波数変換、および雑音低減を目的とした局部発信信号を発生する。９０度光ハイブリッド１４０２は、送信装置から受信した光信号と局部発信信号を入力し、その入力信号をＩｃｈ成分とＱｃｈ成分に分離して出力する。第１バランスドレシーバ１４０３は、正相、逆相のフォトダイオード電流の差動検出によりＩｃｈ成分の信号を復調する。
【0093】
第１混合器１４０４は、発信器１４２０を用いて、復調されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号との同期検波を行う。発信器１４２０と復調されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号の周波数を等しくすることで、送信信号の位相と等しい位相を有する信号を出力することができる。第１混合器１４０４の出力Ｉｃｈ成分の信号は、第１ローパスフィルタ１４０５により高周波成分が逓減された後、第１線形増幅器１４０６により増幅される。
【0094】
第２バランスドレシーバ１４０７、第２混合器１４０８、第２ローパスフィルタ１４０９、第２線形増幅器１４１０は、Ｑｃｈ成分について、上記Ｉｃｈ成分と同様に処理する。また、第１暗号鍵記憶部１４１１、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４１２、第１閾値生成部１４１３、第１信号レベル判定部１４１４、第２暗号鍵記憶部１４１５、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１４１６、第２閾値生成部１４１７、第２信号レベル判定部１４１８、Ｐ／Ｓ変換部１４１９については、上述した直接検波方式と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【0095】
図１７は、図１２に示した送信装置、図１４に示したコヒーレント検波受信器を用いた８値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。受信装置としてコヒーレント検波受信器を用いた場合も、図１６に示した直接検波方式と同様、送信装置側で強度変調された信号が、コヒーレント検波受信器の９０度光ハイブリッド、バランスドレシーバ等の各部を介して線形増幅器に入力される。そして、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分について、各閾値生成部により、送信装置と共通の暗号鍵から生成された各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベルが出力される。さらに、各識別器に、各固定閾値と各閾値生成部の出力値との和が入力され、デコード後、シリアル変換され、その復調データが送信データと等しいことがわかる。
【0096】
このように、受信装置にコヒーレント検波受信器を用いた場合であっても、伝送容量の増加を実現することができる。
【0097】
続いて、直交位相を用いた１６値ＡＳＫ方式による光通信システムについて説明する。基本的な考え方は８値ＡＳＫ方式の場合と同様であるため、重複する機能については説明を省略している。
【0098】
図１８は、直交位相を用いた１６値ＡＳＫ方式による光通信システムにおける送信装置の構成例を示す図である。図１８に示すように、本システムの送信装置は、Ｓ／Ｐ変換部１８０１と、多値信号生成部１８０２と、第１暗号鍵記憶部１８０３と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１８０４と、第１多値信号増幅器１８０５と、第２暗号鍵記憶部１８０６と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１８０７と、第２多値信号増幅器１８０８と、レーザダイオード１８０９と、ＩＱ変調器１８１０と、ＲＺ変調器１８１１とを有して構成されている。
【0099】
Ｓ／Ｐ変換部１８０１は、８値ＡＳＫ方式の場合と同様、送信データを最上位ビット（ＭＳＢ）であるｄ５、ｄ４、ｄ３、ｄ２、ｄ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｄ０にパラレル変換する。多値信号生成部１８０２は、パラレル変換された送信データの多値信号を出力する。出力される多値信号のうちＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号レベルは、それぞれ（数９）で表現される。
【0100】
【数9】
【0101】
その後、８値ＡＳＫ方式の場合と同様、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分についてＲｕｎｎｉｎｇ鍵が生成され、各多値信号増幅器により、生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、出力された多値信号が増幅され、ＩＱ変調器１８１０により、増幅されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の信号を用いて、レーザ光による連続光を強度変調後、ＲＺ変調器１８１１により、ＲＺパルスに変換する。
【0102】
図１９は、本実施の形態における光通信システムにおける受信装置の構成例を示す図である。図１９に示すように、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様、本システムの受信装置は、第１遅延干渉計１９０１と、第１バランスドレシーバ１９０２と、第１ＡＤＣ１９０３と、第２遅延干渉計１９０４と、第２バランスドレシーバ１９０５と、第２ＡＤＣ１９０６と、位相検出部１９０７と、ＩＱ分離部１９０８と、第１暗号鍵記憶部１９０９と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１９１０と、第１閾値生成部１９１１と、第１信号レベル判定部１９１２と、第２暗号鍵記憶部１９１３と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１９１４と、第２閾値生成部１９１５と、第２信号レベル判定部１９１６と、Ｐ／Ｓ変換部１９１７とを有している。
【0103】
Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各遅延干渉計、バランスドレシーバ、ＡＤＣ、および位相検出部、ＩＱ分離部については、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様であるため説明を省略するが、ＩＱ分離部１９０８によって分離された信号、および各閾値生成部が、各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部により生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて生成した多値信号判定用の閾値がそれぞれ第１信号レベル判定部１９１２、第２信号レベル判定部１９１６に入力される。各信号レベル判定部は、各識別器を用いて増幅された信号を２値識別し、最上位ビット（ＭＳＢ）であるｄ５、ｄ４、ｄ３、ｄ２、ｄ１、最下位ビット（ＬＳＢ）であるｄ０を出力し、Ｐ／Ｓ変換部によりシリアル変換された復調データを出力する。
【0104】
図２１は、１６値ＡＳＫ方式のコンスタレーションを示す図である。本実施の形態では、直交位相を用いたＡＳＫ方式を採用しているため、図２１に示すように、ＩｃｈおよびＱｃｈの両方にデータを載せる。
【0105】
図２２は、図１８に示した送信装置、図１９に示した受信装置を用いた１６値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。図２２に示すように、例えば、周期０Ｔ〜５Ｔにおける送信データが、それぞれ「０」、「０」、「０」、「０」、「１」、「０」である場合、多値信号生成部からのＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の出力が、それぞれ「０」、「２」となる。
【0106】
直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様、各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部によりＲｕｎｎｉｎｇ鍵が出力され、各多値信号増幅器により、多値信号生成部の出力値にＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の出力値が加算され、ＩＱ変調器に出力される。さらに、ＩＱ変調器１８１０により強度変調されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号が、出力値を維持したままＲＺ変調器１８１１により出力される。
【0107】
受信装置では、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号が、各成分の遅延干渉計およびバランスドレシーバを経由して出力される。Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分の出力については、第１ＡＤＣ１９０３および第２ＡＤＣ１９０６は、（数７）を用いて求められる。
【0108】
位相検出部１９０７は、出力されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各出力値をそれぞれθ成分およびｒ成分に変換し、ＩＱ分離部１３０８は、（数７）および（数８）を用いて、変換された各成分の信号を、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分に戻す。
【0109】
以降、各閾値生成部によりＲｕｎｎｉｎｇ鍵が生成され、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様、各信号レベル判定部により、「０」（最上位ビット（ＭＳＢ））、「０」、「０」、「０」、「１」、「０」（最下位ビット（ＬＳＢ））が出力され、Ｐ／Ｓ変換部１９１７によりシリアル変換された復調データが出力される。そして、出力された復調データは、送信データと等しいことがわかる。
【0110】
このように、直交位相を用いた１６値ＡＳＫ方式を用いた場合でも、直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式と同様に、Ｙ−００プロトコルによる光通信の伝送容量を増加することが可能となる。
【0111】
直交位相を用いた１６値ＡＳＫ方式の場合においても、受信装置にコヒーレント検波方法を用いることも可能である。
【0112】
図２０は、コヒーレント検波受信器の構成を示す図である。図２０に示すように、コヒーレント検波受信器は、ローカルオシレータ２００１と、９０度光ハイブリッド２００２と、第１バランスドレシーバ２００３と、第１混合器２００４と、第１ローパスフィルタ２００５と、第１線形増幅器２００６と、第２バランスドレシーバ２００７と、第２混合器２００８と、第２ローパスフィルタ２００９と、第２線形増幅器２０１０と、第１暗号鍵記憶部２０１１と、第１Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０１２と、第１閾値生成部２０１３と、第１信号レベル判定部２０１４と、第２暗号鍵記憶部２０１５と、第２Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０１６と、第２閾値生成部２０１７と、第２信号レベル判定部２０１８と、Ｐ／Ｓ変換部２０１９とを有している。
【0113】
直交位相を用いた８値ＡＳＫ方式の場合と同様、ローカルオシレータ２００１、９０度光ハイブリッド２００２、各バランスドレシーバ、各混合器、各ローパスフィルタ、各線形増幅器により増幅されたＩｃｈ成分およびＱｃｈ成分の各信号が、各信号レベル判定部に入力される。
【0114】
さらに、各閾値生成部により多値信号判定用の閾値が生成され、直接検波方式と同様、各信号レベル判定部により、「０」（最上位ビット（ＭＳＢ））、「０」、「０」、「０」、「１」、「０」（最下位ビット（ＬＳＢ））が出力され、Ｐ／Ｓ変換部２０１９によりシリアル変換された復調データが出力される。
【0115】
図２３は、図１８に示した送信装置、図２０に示したコヒーレント検波受信器を用いた１６値ＡＳＫ方式による信号遷移図である。この場合も、図２２に示した直接検波方式と同様、送信装置側で強度変調された信号が、コヒーレント検波受信器の９０度光ハイブリッド、バランスドレシーバ等の各部を介して線形増幅器に入力され、Ｉｃｈ成分およびＱｃｈ成分について、各閾値生成部により、送信装置と共通の暗号鍵から生成された各Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、送信装置のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部の信号レベルの遷移と同じ遷移となる信号レベルが出力され、各識別器に、各固定閾値と各閾値生成部の出力値との和が入力され、デコード後、シリアル変換され、その復調データが送信データと等しいことがわかる。
【0116】
このように、直交位相を用いた１６値ＡＳＫ方式において受信装置にコヒーレント検波受信器を用いた場合であっても、伝送容量の増加を実現することができる。
【符号の説明】
【0117】
２０１ Ｓ／Ｐ変換部２０２ 多値信号生成部
２０３ 暗号鍵記憶部
２０４ Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部
２０５ 多値信号増幅器
２０６ レーザダイオード
２０７ 強度変調器
３０１ Ｏ／Ｅ変換部
３０２ 線形増幅器
３０３ 暗号鍵記憶部
３０４ Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部
３０５ 閾値生成部
３０６ 信号レベル判定部
３０６１ 第１識別器
３０６２ 第２識別器
３０６３ 第３識別器
３０６４ デコーダ
３０７ Ｐ／Ｓ変換部