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特開2024-58965光通信システムにおける送信機、ネスト型変調器の制御方法およびプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024058965
(43)【公開日】2024-04-30
(54)【発明の名称】光通信システムにおける送信機、ネスト型変調器の制御方法およびプログラム
(51)【国際特許分類】
H04B 10/079 20130101AFI20240422BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20240422BHJP
H04B 10/516 20130101ALI20240422BHJP
【ＦＩ】
H04B10/079 190
G02F1/01 B
H04B10/516
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022166415
(22)【出願日】2022-10-17
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）事業「光・量子を活用したＳｏｃｉｅｔｙ５．０実現化技術／社会実装に向けた量子暗号装置の研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100124811
【弁理士】
【氏名又は名称】馬場 資博
(74)【代理人】
【識別番号】100088959
【弁理士】
【氏名又は名称】境 廣巳
(74)【代理人】
【識別番号】100097157
【弁理士】
【氏名又は名称】桂木 雄二
(74)【代理人】
【識別番号】100187724
【弁理士】
【氏名又は名称】唐鎌 睦
(72)【発明者】
【氏名】吉野 健一郎
【テーマコード（参考）】
2K102
5K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA21
2K102BA03
2K102BB01
2K102BB04
2K102BC04
2K102BD01
2K102CA09
2K102DA02
2K102DB05
2K102EA02
2K102EA21
2K102EA25
2K102EB20
2K102EB22
5K102AA51
5K102AB11
5K102AH02
5K102AH26
5K102AH27
5K102LA04
5K102LA52
5K102MA01
5K102MB04
5K102MB12
5K102MD01
5K102MD04
5K102MH03
5K102MH14
5K102MH32
5K102PA01
5K102PB01
5K102PH02
5K102PH31
5K102PH42
5K102RB01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ネスト型変調器を用いて受信側のビット誤り率を最小化する送信機、ネスト型変調器のバイアス制御方法、光通信システム及びプログラムを提供する。
【解決手段】光通信システムにおいて、送信機１０は、並列接続されたマッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部ＭＺＡおよび第２変調部ＭＺＢと位相シフタ１０１とを備えたネスト型変調器１００を有し、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより２連光パルスを強度位相変調して受信機２０へ送信し、受信機での受信情報と送信情報とに基づいて、制御部１１２が強度変調に関する第１誤り率ＥＲＺを最小化するように第１変調器および第２変調器のそれぞれのバイアス電圧ＤＣＡ，ＤＣＢを制御し、制御部１１１が位相変調に関する第２誤り率ＥＲＹを最小化するように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御する。
【選択図】図２
【解決手段】光通信システムにおいて、送信機１０は、並列接続されたマッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部ＭＺＡおよび第２変調部ＭＺＢと位相シフタ１０１とを備えたネスト型変調器１００を有し、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより２連光パルスを強度位相変調して受信機２０へ送信し、受信機での受信情報と送信情報とに基づいて、制御部１１２が強度変調に関する第１誤り率ＥＲＺを最小化するように第１変調器および第２変調器のそれぞれのバイアス電圧ＤＣＡ，ＤＣＢを制御し、制御部１１１が位相変調に関する第２誤り率ＥＲＹを最小化するように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光通信システムにおける送信機であって、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
【請求項2】
前記制御部が前記ｂ）により前記第１誤り率を最小化した後に前記ｃ）を実行することを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項3】
前記制御部が前記ネスト型変調器を制御して前記２連光パルスをＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値にあり、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有し、
前記制御部が前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１信号点を強度０に設定し、
前記制御部が前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第３信号点および前記第４信号点との間の位相差を９０°に設定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の送信機。
前記制御部が前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１信号点を強度０に設定し、
前記制御部が前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第３信号点および前記第４信号点との間の位相差を９０°に設定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の送信機。
【請求項4】
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする請求項１または２に記載の送信機。
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする請求項１または２に記載の送信機。
【請求項5】
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有する送信機における前記ネスト型変調器のバイアス制御方法であって、
前記制御部が、
ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とするネスト型変調器のバイアス制御方法。
前記制御部が、
ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とするネスト型変調器のバイアス制御方法。
【請求項6】
前記制御部が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開する、
ことを特徴とする請求項５に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開する、
ことを特徴とする請求項５に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
【請求項7】
送信機と受信機とからなる光通信システムであって、
前記送信機が、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
前記受信機が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、
前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、
を有し、
前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、
前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする光通信システム。
前記送信機が、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
前記受信機が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、
前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、
を有し、
前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、
前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする光通信システム。
【請求項8】
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成し、
前記受信機において、
前記受信ユニットが前記位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調された２連光パルスから前記Ｚ基底状態および前記Ｙ基底状態からなる受信情報を出力し、
前記誤り算出部が、前記Ｚ基底状態に関するＺ基底誤り率を計算し、前記Ｙ基底状態に関するＹ基底誤り率を計算し、
前記Ｚ基底誤り率および前記Ｙ基底誤り率をそれぞれ前記第１誤り率および前記第２誤り率として前記送信機へ通知する、
ことを特徴とする請求項７に記載の光通信システム。
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成し、
前記受信機において、
前記受信ユニットが前記位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調された２連光パルスから前記Ｚ基底状態および前記Ｙ基底状態からなる受信情報を出力し、
前記誤り算出部が、前記Ｚ基底状態に関するＺ基底誤り率を計算し、前記Ｙ基底状態に関するＹ基底誤り率を計算し、
前記Ｚ基底誤り率および前記Ｙ基底誤り率をそれぞれ前記第１誤り率および前記第２誤り率として前記送信機へ通知する、
ことを特徴とする請求項７に記載の光通信システム。
【請求項9】
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させることを特徴とするプログラム。
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は位相－時間コーディング方式を用いた光通信システムに係り、特に送信機におけるネスト型変調器の制御技術に関する。
【背景技術】
【0002】
位相－時間コーディング（ＹＺ基底）方式は、２連光パルスの相対位相を２値変調し、２連光パルスのいずれか一方を強度０に強度変調することで、図１に示す４状態を生成できる。すなわち、前パルスｐ１が後パルスｐ２に対して位相が９０°進んだＹ０状態；９０°遅れたＹ１状態；前パルスＰ１だけが消光したＺ０状態；および後パルスＰ２だけが消光したＺ１状態である。
【0003】
特許文献１は、このような４状態を生成するネスト型変調器およびその制御方法を開示している。ネスト型変調器は親干渉計と２つの子干渉計とからなり、２つの子干渉計をＭＺ（Mach-Zehnder）変調器ＭＺＡおよびＭＺＢ、親干渉計をＭＺ干渉計ＭＺＣとする。特許文献１によれば、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢに所定の位相変調を与えるＲＦ電圧を所定の順序で印加し、ＭＺ干渉計ＭＺＣに所定の位相差φを与える電圧を印加する。これにより強度０を含む位相－時間コーディング方式に必要な４状態が生成される。
【0004】
正確な位相差０°／９０°および強度０／１からなる４状態（Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１）を生成するためには、各ＭＺ変調器の変調動作点が正しく設定されていることが必要である。ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのＤＣバイアス電圧によって位相変調動作点が調整される。ＭＺ変調器ＭＺＣはＤＣバイアス電圧によって所定の位相差φを維持するように調整される。しかしながら、実際には最適なＤＣバイアス電圧は経時変化するので、ＤＣバイアス電圧を調整するメカニズムが必要である。特許文献１によれば、ＭＺ変調器ＭＺＡ、ＭＺＢおよびＭＺのそれぞれの出力光強度をモニタし、期待通りの位相変調結果が得られるようにそれぞれのＤＣバイアスを制御する。
【0005】
別の方法として、受信側のビット誤り率をモニタして送信側変調器のＤＣバイアスを制御する方法が特許文献２に開示されている。特許文献２によれば、量子通信システムにおける受信側の量子ビット誤り率ＱＢＥＲを最小化するように、送信側の位相変調器のＤＣバイアスが制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開ＷＯ２０２０／１８９３４８パンフレット
【特許文献2】特開２０１９－２１６４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献２に開示されたＤＣバイアス制御方法は、送信器と受信器との間で非対称ＭＺ干渉計のアーム長マッチングを調整する一手段に過ぎない。特許文献２によれば、受信器が量子ビット誤り率ＱＢＥＲを計算して送信器へフィードバックする。送信器はフィードバックされたＱＢＥＲを最小化するように非対称ＭＺ干渉計の一方のアームに設けられた位相変調器のＤＣバイアスを調整する。このように、特許文献２は非対称ＭＺ干渉計を前提としたＤＣバイアス制御方法を開示しているだけであり、ネスト型変調器のＤＣバイアスをどのように制御するのかを教示していない。
【0008】
本発明の目的は、ネスト型変調器を用いて受信側のビット誤り率を最小化する送信機、光通信システム、ネスト型変調器のバイアス制御方法およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様によれば、本発明による送信機は、光通信システムにおける送信機であって、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有し、前記制御部が、ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の他の態様によれば、本発明によるネスト型変調器のバイアス制御方法は、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有する送信機における前記ネスト型変調器のバイアス制御方法であって、前記制御部が、ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、本発明による光通信システムは、送信機と受信機とからなる光通信システムであって、前記送信機が、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、前記受信機が、前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、を有し、前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、本発明によるプログラムは、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、を前記コンピュータに実現させることを特徴とする。
本発明の他の態様によれば、本発明によるネスト型変調器のバイアス制御方法は、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有する送信機における前記ネスト型変調器のバイアス制御方法であって、前記制御部が、ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、本発明による光通信システムは、送信機と受信機とからなる光通信システムであって、前記送信機が、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、前記受信機が、前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、を有し、前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、本発明によるプログラムは、マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、を前記コンピュータに実現させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ネスト型変調器を用いて受信側のビット誤り率を最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
＜実施形態の概要＞
本発明の実施形態によれば、送信機はネスト型変調器とそれを制御する制御部とを有する。ネスト型変調器は、干渉計を構成する２つの導波路（親アーム）により２つのＭＺ（Mach-Zehnder）変調器が並列接続され、それぞれのＭＺ変調器の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備える。
本発明の実施形態によれば、送信機はネスト型変調器とそれを制御する制御部とを有する。ネスト型変調器は、干渉計を構成する２つの導波路（親アーム）により２つのＭＺ（Mach-Zehnder）変調器が並列接続され、それぞれのＭＺ変調器の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備える。
【0013】
制御部は、送信機と受信機の間で公開された情報に基づいて強度変調に関する第１誤り率（Ｚ基底誤り率）を取得し、第１誤り率を最小化するように２つのＭＺ変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する。さらに制御部は、公開された情報に基づいて位相変調に関する第２誤り率（Ｙ基底誤り率）を取得し、第２誤り率を最小化するように位相シフタのバイアス電圧を制御する。このように送信機におけるネスト型変調器のバイアス制御を行うことで、変調動作点を適切に設定することができ、受信側のビット誤り率を最小化することができる。
【0014】
以下、光通信システムとして量子暗号鍵配付（ＱＫＤ）システムを例示し、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態および実施例に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。
【0015】
１．実施形態
１．１）構成
図２に例示するように、本実施形態による光通信システムにおいて、送信機１０と受信機２０とは図示しない光伝送路（光ファイバあるいは自由空間など）を通して光学的に接続されている。さらに送信機１０と受信機２０とは、図示しないパケット網などの通信チャネルを通してデータ通信が可能である。
１．１）構成
図２に例示するように、本実施形態による光通信システムにおいて、送信機１０と受信機２０とは図示しない光伝送路（光ファイバあるいは自由空間など）を通して光学的に接続されている。さらに送信機１０と受信機２０とは、図示しないパケット網などの通信チャネルを通してデータ通信が可能である。
【0016】
送信機１０は、ネスト型変調器１００と鍵生成等を行う制御系とを有する。ただし、ここでは説明を簡略化するために、本実施形態に関係する変調制御部１１０、バイアス制御部１１１および１１２だけが図示されている。
【0017】
送信機１０に使用されるネスト型変調器１００は入れ子構造を有し、親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのアームＡおよびＢに、２つの子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢがそれぞれ接続されている。さらに、親アームＡおよびＢの間で相対的な位相変調差φを与えるために、いずれか一方の親アーム（図２では親アームＢ）に位相シフタ１０１が設けられる。変調制御部１１０は、送信情報である乱数に従ってＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢに電圧ＲＦＡおよびＲＦＢをそれぞれ印加する。これにより、順次入力する２連光パルスＰＩＮは、図１に示す位相－時間コーディングの４状態Ｚ０、Ｙ０、Ｙ１、Ｚ１のいずれかに変調される。
【0018】
バイアス制御部１１１は、受信機２０から通知されたＹ基底誤り率ＥＲＹに応じて、所定の位相差φを維持するように位相シフタ１０１に印加するＤＣバイアス電圧ＤＣＣを制御する。バイアス制御部１１２は、受信機２０から通知されたＺ基底誤り率ＥＲＺに応じて、位相変調動作点が適切に設定されるように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにそれぞれ印加するＤＣバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢを制御する。
【0019】
このようにＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢと位相シフタ１０１とを制御することで、ネスト型変調器１００は２連光パルスＰＩＮに対して位相－時間コーディング方式に従った４状態（Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１）の強度位相変調を行うことができる。こうして強度位相変調された２連光パルスＰＯＵＴは所定の強度まで減衰された後、受信機２０へ送出される。
【0020】
受信機２０は受信ユニット２０１およびデータ処理部２０２を有する。受信ユニット２０１は、送信機１０から受信した２連光パルスから４状態（Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１）を検出し受信情報として出力する。受信ユニット２０１の具体例は後述する。
【0021】
データ処理部２０２は鍵生成部２０３および誤り率算出部２０４の機能をソフトウエアにより実現する。鍵生成部２０３は受信ユニット２０１から受信情報を入力し、ＢＢ８４プロトコル等の周知の鍵生成手順に従って送信機１０との間で基底照合を行い、基底の一致した受信情報を生成する。誤り率算出部２０４は、送信機１０が公開した基底が一致した送信情報の一部と受信情報の一部とを照合しながら、Ｙ基底誤り率ＥＲＹおよびＺ基底誤り率ＥＲＺをそれぞれ算出し、送信機１０へ通知する。
【0022】
送信機１０では、バイアス制御部１１１がＹ基底誤り率ＥＲＹに応じてＤＣバイアス電圧ＤＣＣを制御し、バイアス制御部１１２がＺ基底誤り率ＥＲＺに応じてＤＣバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢを制御する。以下、バイアス制御のシーケンスについて図３を参照しながら説明する。
【0023】
１．２）バイアス制御
図３において、送信機１０は、上述したように送信情報（乱数）に従って２連光パルスをネスト型変調器１００により強度位相変調し、所定強度（単一光子レベル以下）に減衰した後、受信機２０へ伝送する（動作Ｓ１）。受信機２０で受信できた２連光パルスから得られた情報を生鍵という。光伝送路で多くの光パルスが失われ、あるいはノイズにより誤って受信され得る。なお、同期信号等を用いて送信機１０と受信機２０との間でビット位置の同期が確立しているものとする。
図３において、送信機１０は、上述したように送信情報（乱数）に従って２連光パルスをネスト型変調器１００により強度位相変調し、所定強度（単一光子レベル以下）に減衰した後、受信機２０へ伝送する（動作Ｓ１）。受信機２０で受信できた２連光パルスから得られた情報を生鍵という。光伝送路で多くの光パルスが失われ、あるいはノイズにより誤って受信され得る。なお、同期信号等を用いて送信機１０と受信機２０との間でビット位置の同期が確立しているものとする。
【0024】
続いて、送信機１０と受信機２０との間で基底照合が行われ、基底ＹあるいはＺが一致したビットのみが抽出されてシフト鍵が生成される（動作Ｓ２）。基底照合は、受信機２０が受信した生鍵について送信機１０および受信機２０がそれぞれ選択した基底Ｙ／Ｚを公開し、同じ基底を選択した送信側の乱数と受信側の生鍵のみをシフト鍵として抽出する。
【0025】
続いて、送信機１０と受信機２０との間でシフト鍵の一部（全体の数％程度）を公開し、受信機２０のシフト鍵のＺ基底における誤り率ＥＲＺを計算する。送信機１０のバイアス制御部１１２は、Ｚ基底における誤り率ＥＲＺを最小化するようにネスト型変調器１００のＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢを制御する（動作Ｓ３）。なお、誤り率の計算のために公開された鍵は破棄される。
【0026】
子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアス制御にＺ基底の誤り率ＥＲＺが使用される理由は次の通りである。Ｚ基底の誤り率ＥＲＺが最小であることと、Ｚ基底でのパルスＰ１あるいはＰ２の一方が強度０の消光状態であることとは等価である。またネスト型変調器１００が出力するパルス強度を０にするにはＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢを共に消光状態にする。このためにＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢの変調動作点をＤＣバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢにより適切に設定する必要がある。したがって、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアスを制御することでＺ基底の誤り率ＥＲＺを最小化することが可能となる。
【0027】
Ｚ基底における誤り率ＥＲＺを最小化した後、送信機１０は、上述したように光子伝送を行い（動作Ｓ４）、送信機１０と受信機２０との間で基底照合によりシフト鍵が生成される（動作Ｓ５）。
【0028】
続いて、送信機１０と受信機２０との間でシフト鍵の一部を公開し、受信機２０のシフト鍵のＹ基底における誤り率ＥＲＹを計算する。送信機１０のバイアス制御部１１２は、Ｙ基底における誤り率ＥＲＹを最小化するように親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのＤＣバイアス電圧ＤＣＣを制御する（動作Ｓ６）。なお、誤り率の計算のために公開された鍵は破棄される。
【0029】
ＭＺ干渉計ＭＺＣのＤＣバイアス制御にＹ基底の誤り率ＥＲＹが使用される理由は次の通りである。Ｙ基底の誤り率ＥＲＹが最小であることと、Ｙ基底の２つのパルスｐ１およびｐ２の位相差が９０°であることとは等価である（詳しくは図９および図１０を参照）。Ｙ基底の２つのパルスｐ１およびｐ２の位相差は、位相シフタ１０１の位相φの大きさ、すなわち親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのＤＣバイアス電圧ＤＣＣにより制御される。したがって、位相シフタ１０１のＤＣバイアスを制御することでＹ基底の２つのパルスｐ１およびｐ２の位相差を正確に９０°に設定することができ、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹを最小化することが可能となる。
【0030】
図３に示すように、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺを最小化した後にＹ基底の誤り率ＥＲＹを最小化する方が動作点を適切な位置に速く収束させることができる。なぜならばＭＺ干渉計ＭＺＣのＤＣバイアス電圧ＤＣＣが外れていても、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアスを最適値に収束させることできるが、逆にＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアスが外れていると、ＭＺ干渉計ＭＺＣのＤＣバイアスが最適値に収束しないからである。詳しくは後述する（図１１～図１３を参照）。
【0031】
図４に例示するように、受信機２０が誤り率算出部２０４を有する場合、Ｚ基底あるいはＹ基底の誤り率に基づくバイアス制御は次のように実行される。送信機１０は自局のシフト鍵の一部を受信機２０へ通信チャネルを通して送信する（動作Ｓ３１）。
【0032】
受信機２０の誤り率算出部２０４は、送信機１０から受信したシフト鍵の一部と自局の対応するシフト鍵の一部とを用いてＺ／Ｙ基底の誤り率ＥＲを計算し（動作Ｓ３２）、Ｚ／Ｙ基底の誤り率ＥＲを送信機１０へ通知する（動作Ｓ３３）。
【0033】
送信機１０のバイアス制御部（１１１あるいは１１２）は、受信機２０から通知された誤り率ＥＲが最小値か否かを判断する（動作Ｓ３４）。最小値か否かは、誤り率が０に近いか否か、すなわち０に近い所定値以下であるか否かにより判断してもよいし、直近の複数の誤り率から最小値を特定することもできる。誤り率ＥＲが最小値でなければ（動作Ｓ３４のＮＯ）、バイアス制御部は誤り率ＥＲを最小化する方向にバイアス電圧を調整する（動作Ｓ３５）。バイアス電圧が調整された後、上述した光子伝送および基底照合およびバイアス制御が繰り返され、誤り率ＥＲが最小値になったときに終了し、次の処理へ進む。
【0034】
誤り率ＥＲを最小化するバイアス電圧は次のように設定することもできる。まず、現在のバイアス電圧で誤り率ＥＲ１を計算し、続いてバイアス電圧を所定ステップαで増加（＋α）および減少（－α）させて、誤り率ＥＲ２およびＥＲ３をそれぞれ計算する。こうして得られたＥＲ１、ＥＲ２およびＥＲ３のなかの最小値が得られるバイアス電圧を最適値として設定する。
【0035】
上述したように、バイアス制御部１１２は、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺが最小となるように、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにそれぞれ印加するＤＣバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢを制御する。Ｚ基底の誤り率ＥＲＺが最小化された後、バイアス制御部１１１は、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹが最小となるように、ＭＺ干渉計ＭＺＣの位相シフタ１０１に印加するＤＣバイアス電圧ＤＣＣを制御する。
【0036】
１．３）効果
以上述べたように、本実施形態によれば、送信機１０と受信機２０の間で公開された情報に基づいてＺ基底誤り率ＥＲＺを取得し、Ｚ基底誤り率ＥＲＺを最小化するように子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのそれぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢを制御する。それに続いて、公開された情報に基づいてＹ基底誤り率ＥＲＹを取得し、Ｙ基底誤り率ＥＲＹを最小化するように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御する。
以上述べたように、本実施形態によれば、送信機１０と受信機２０の間で公開された情報に基づいてＺ基底誤り率ＥＲＺを取得し、Ｚ基底誤り率ＥＲＺを最小化するように子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのそれぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢを制御する。それに続いて、公開された情報に基づいてＹ基底誤り率ＥＲＹを取得し、Ｙ基底誤り率ＥＲＹを最小化するように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御する。
【0037】
このように送信機１０におけるネスト型変調器１００のバイアス制御を行うことで、変調動作点を適切に設定することができ、受信側のビット誤り率を最小化することができる。その際、Ｚ基底誤り率ＥＲＺの最小化処理を先に実行し、その後でＹ基底誤り率ＥＲＹの最小化処理を実行することで、ネスト型変調器１００を適切な動作点により速く収束させることができる。
【0038】
２．一実施例
次に、位相－時間コーディング方式のＱＫＤシステムを例示し、本発明の一実施例による送信機（Ａｌｉｃｅ）および受信機（Ｂｏｂ）についてより詳細に説明する。
次に、位相－時間コーディング方式のＱＫＤシステムを例示し、本発明の一実施例による送信機（Ａｌｉｃｅ）および受信機（Ｂｏｂ）についてより詳細に説明する。
【0039】
２．１）構成
図５に例示するように、本実施例による単一方向型ＱＫＤシステムは、送信機１０と受信機２０とが光伝送路で接続され、種々の量子暗号鍵配送アルゴリズムを用いて送信機１０から受信機２０へ量子鍵を配送することができる。また送信機１０と受信機２０とは通常の古典的通信チャネルを通して通信可能に接続されている。
図５に例示するように、本実施例による単一方向型ＱＫＤシステムは、送信機１０と受信機２０とが光伝送路で接続され、種々の量子暗号鍵配送アルゴリズムを用いて送信機１０から受信機２０へ量子鍵を配送することができる。また送信機１０と受信機２０とは通常の古典的通信チャネルを通して通信可能に接続されている。
【0040】
送信機１０は、レーザ光源３０１、光送信系として非対称干渉計３０２、ネスト型変調器１００および減衰器３０３を有し、更に制御系としてＲＦ駆動回路３１０、バイアス駆動回路３１１，通信部３１２、コントローラ３１５およびプログラムメモリ３１４を有する。
【0041】
ＲＦ駆動回路３１０は、コントローラ３１３の制御に従って、ネスト型変調器１００のＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにＲＦ電圧ＲＦＡをおよびＲＦＢをそれぞれ印加する。バイアス駆動回路３１１は、コントローラ３１３の制御に従って、ネスト型変調器１００のＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢをそれぞれ印加し、ＭＺ干渉計ＭＺＣの位相シフタ１０１にバイアス電圧ＤＣＣを印加する。
【0042】
コントローラ３１３は、コンピュータプログラムを実行可能なプロセッサあるいはＣＰＵ(Central Processing Unit)である。すなわちプログラムメモリ３１４に格納されたプログラムを実行することにより、コントローラ３１３は、上述したＤＣバイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢおよびＤＣＣの制御と、乱数に従ったＲＦ電圧ＲＦＡをおよびＲＦＢの制御を実行する。
【0043】
レーザ光源３０１から出力された光パルスは、非対称干渉計３０２を通ることでコヒーレントな２連光パルスに時間的に分割する。２連光パルス列はネスト型変調器１００により位相－時間コーディング方式で乱数に従って符号化される（図１を参照）。このように符号化された２連光パルス列は減衰器３０３により単一光子レベル以下に減衰された後、光伝送路を通して受信機２０へ送信される。
【0044】
受信機２０は、機能的構成として、上述した受信ユニット２０１、鍵生成部２０３、誤り算出部２０４および通信部２０５を含む。受信ユニット２０１は、送信機１０から受信した２連光パルスから４状態（Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１）を検出し、生鍵として鍵生成部２０３へ出力する。鍵生成部２０３は、生鍵に基づいて通信部２０５を通して送信機１０との間で基底照合を行い、基底が一致したシフト鍵を生成する。誤り率算出部２０４は、送信機１０が公開したシフト鍵の一部と受信機２０のシフト鍵の一部とを照合しながら、Ｙ基底誤り率ＥＲＹおよびＺ基底誤り率ＥＲＺをそれぞれ算出し、通信部２０５を通して送信機１０へ通知する。
【0045】
送信機１０は、通信部３１２を通して受信機２０からＹ基底誤り率ＥＲＹおよびＺ基底誤り率ＥＲＺを受信する。コントローラ３１３はＹ基底誤り率ＥＲＹに応じてＤＣバイアス電圧ＤＣＣを制御し、Ｚ基底誤り率ＥＲＺに応じてＤＣバイアス電圧ＤＣＡをおよびＤＣＢを制御する。
【0046】
＜ネスト型変調器＞
図５におけるネスト側変調器１００の子干渉計（ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢ）は次のような構成を有する。
図５におけるネスト側変調器１００の子干渉計（ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢ）は次のような構成を有する。
【0047】
図６において、子干渉計（以下、ＭＺ変調器ＭＺと記す。）は、２つの導波路（子アーム）の間に導波路方向に伸びたＲＦ（高周波：Radio Frequency）電極１０２が設けられている。さらに２つの子アームの外側に基準となるＧＮＤ電極１０３および１０４がそれぞれ設けられている。したがって、ＲＦ電極の電圧極性に従って、上下の子アームに対して、電圧の大きさに応じた逆方向の電界が印加され、電気光学効果により逆方向の屈折率変化が生じる。この屈折率の変化が上下の子アームでの逆方向の位相変化を生じさせ、それによって通過パルスの位相変調が生じる。
【0048】
たとえば、位相差０に相当するＲＦ電圧であれば、入力した光パルス信号Ｐ１をそのままの強度で光パルス信号Ｐ２として出力する（オン状態）。位相差１８０°に相当するＲＦ電圧であれば、２分岐した光パルスがキャンセルされるので出力光Ｐ２は消光状態となる（オフ状態）。以下、位相差θ°を実現するＲＦ電圧を便宜的に「θ°ＲＦ電圧」と記すものとする。
【0049】
さらにＭＺ変調器ＭＺは、所望の位相差を実現するために、子アーム間にＤＣバイアス用電極１０５を有し、それに対向する子アームの外側にＧＮＤ電極１０６および１０７をそれぞれ有する。電極１０５に印加されるＤＣバイアス電圧（ＤＣＡあるいはＤＣＢ）を制御することにより、位相変調の変調動作点を調整できる。
【0050】
ネスト型変調器１００の位相シフタ１０１は、親アーム間で相対的な位相変調差φを与える。位相シフタ１０１は、図６に例示したＤＣバイアス用電極およびＧＮＤ電極と同様の構成を有しても良い。すなわち、ＤＣバイアス電極に印加される電圧ＤＣＣを制御することにより、所望の位相差φを与えるようにネスト型変調器１００ａの位相動作点が調整可能である。
【0051】
ネスト型変調器１００は、コントローラ３１３の制御に従って、入力光パルスを次に述べるように変調し、強度０を含む４状態の光パルスを出力する。この４状態はＩＱ平面上で４つの信号点に対応する。図７はその信号点配置の一例を示す。以下、ネスト型変調器１００の変調動作について説明する。
【0052】
＜ネスト型変調器の変調動作＞
図５に戻って、入力した２連光パルスＰＩＮの各光パルスはＭＺ干渉計ＭＺＣの分岐部で光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに２分岐し、分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１ＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢへそれぞれ入力する。ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、印加されるＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによりそれぞれ分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに対して所定の位相変調を実行し、位相変調された分岐光パルスＰ２ＡおよびＰ２Ｂをそれぞれ出力する。このうち分岐光パルスＰ２Ｂは、親アーム間に所定の位相差φを与える位相シフタ１０１によってさらに位相変調され、分岐光パルスＰ２’Ｂが生成される。こうして、親アームＡ側の分岐光パルスＰ２Ａと親アームＢ側の分岐光パルスＰ２’Ｂとが合波することで２連光パルスＰＯＵＴが出力される。
図５に戻って、入力した２連光パルスＰＩＮの各光パルスはＭＺ干渉計ＭＺＣの分岐部で光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに２分岐し、分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１ＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢへそれぞれ入力する。ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、印加されるＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによりそれぞれ分岐光パルスＰ１ＡおよびＰ１Ｂに対して所定の位相変調を実行し、位相変調された分岐光パルスＰ２ＡおよびＰ２Ｂをそれぞれ出力する。このうち分岐光パルスＰ２Ｂは、親アーム間に所定の位相差φを与える位相シフタ１０１によってさらに位相変調され、分岐光パルスＰ２’Ｂが生成される。こうして、親アームＡ側の分岐光パルスＰ２Ａと親アームＢ側の分岐光パルスＰ２’Ｂとが合波することで２連光パルスＰＯＵＴが出力される。
【0053】
図７に示すように、出力される２連光パルスＰＯＵＴは強度０（信号点Ｓ０）を含む４状態を有する。強度０の信号点Ｓ０以外の３信号点の配置は図７に限定されない。４信号点の配置形態は、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢにそれぞれ印加されるＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢに応じた位相変調の大きさと、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣに応じた位相シフト量と、に依存する。なお、図７におけるＩ軸およびＱ軸上の数値は任意単位であり、相対的な位置関係を示すための数値である。以下に示す図９、図１１～図１３においても同様である。
【0054】
図７に示す強度０の信号点Ｓ０の生成方法としては以下の２つがある。
１）ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共にオフ状態（消光状態）となるようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定する（第１例）。
２）分岐光パルスＰ２Ａと分岐岐光パルスＰ２’Ｂとが位相差１８０°となってキャンセルされるようにＲＦ電圧ＲＦＡ、ＲＦＢおよびバイアス電圧ＤＣＣを設定する（第２例）。
以下、第１例および第２例について詳細に説明する。
１）ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共にオフ状態（消光状態）となるようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定する（第１例）。
２）分岐光パルスＰ２Ａと分岐岐光パルスＰ２’Ｂとが位相差１８０°となってキャンセルされるようにＲＦ電圧ＲＦＡ、ＲＦＢおよびバイアス電圧ＤＣＣを設定する（第２例）。
以下、第１例および第２例について詳細に説明する。
【0055】
３．具体例
図８に一例として示すように、ネスト型変調器１００ａはＭＺ干渉計ＭＺＣの位相差φ＝９０°となるように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御しているものとする。
図８に一例として示すように、ネスト型変調器１００ａはＭＺ干渉計ＭＺＣの位相差φ＝９０°となるように位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣを制御しているものとする。
【0056】
以下、光パルスの強度あるいはパワーに関しては、最大値を「１」として正規化し、０と１の間の相対的数値により表すものとする。強度あるいはパワーが振幅の２乗に比例するものとすれば、光パルスの振幅についても同様に正規化した値で説明する。
【0057】
＜変調動作＞
図９に例示するように、ネスト型変調器１００ａはＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによって４状態のいずれかの基底を生成可能である。すなわち、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ａとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ａを出力する。なお、以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ０」という。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、オフ状態となるので、強度が実質的に０および位相が９０°シフトした光パルスＰ２Ａを出力する。以下、１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ１」という。
図９に例示するように、ネスト型変調器１００ａはＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢによって４状態のいずれかの基底を生成可能である。すなわち、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ａとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ａを出力する。なお、以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ０」という。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加されたＭＺ変調器ＭＺＡは、オフ状態となるので、強度が実質的に０および位相が９０°シフトした光パルスＰ２Ａを出力する。以下、１８０°ＲＦ電圧ＲＦＡが印加された時の光パルスＰ２Ａを「Ａ１」という。
【0058】
同様に、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加されたＭＺ変調器ＭＺＢは、位相変調を与えないので、入力光パルスＰ１Ｂとほぼ同じ強度および同じ位相の光パルスＰ２Ｂを出力する。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加されたＭＺ変調器ＭＺＢは、オフ状態となるので、強度が実質的に０、位相が９０°シフトした光パルスＰ２Ｂを出力する。さらに、光パルスＰ２Bは位相シフタ１０１により９０°の位相変調を与えられる。したがって、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、位相シフタ１０１は９０°の位相変調を受けた光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２’Ｂを「Ｂ０」という。１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された場合、ＭＺ変調器ＭＺＢがオフ状態となるので、位相シフタ１０１は強度が実質的に０および位相が１８０°シフトした光パルスＰ２’Ｂを出力する。以下、１８０°ＲＦ電圧ＲＦＢが印加された時の光パルスＰ２’Ｂを「Ｂ１」という。
【0059】
こうして、親アームＡ側のＡ０／Ａ１と親アームＢ側のＢ０／Ｂ１とが合波することで、以下の４状態Ｓ１～Ｓ４のいずれかの光信号ＰＯＵＴを得ることができる。
・ Ａ０＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に０°ＲＦ電圧が印加されているので、いずれもオン状態となる。したがって、Ａ０＋Ｂ０は強度１、位相４５°の信号点Ｓ１（Ｚ（ＯＮ）基底）に対応する。
・ Ａ０＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡに０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに１８０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ０＋Ｂ１は強度０．５、位相０°の信号点Ｓ２（Ｙ基底）に対応する。
・ Ａ１＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡに１８０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ１＋Ｂ０は強度０．５、位相９０°の信号点Ｓ３（Ｙ基底）に対応する。
・ Ａ１＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に１８０°ＲＦ電圧が印加されているので、共にオフ状態となる。したがって、Ａ１＋Ｂ１は強度０、位相１３５°の信号点Ｓ４（Ｚ（ＯＦＦ）基底）に対応する。
・ Ａ０＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に０°ＲＦ電圧が印加されているので、いずれもオン状態となる。したがって、Ａ０＋Ｂ０は強度１、位相４５°の信号点Ｓ１（Ｚ（ＯＮ）基底）に対応する。
・ Ａ０＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡに０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに１８０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ０＋Ｂ１は強度０．５、位相０°の信号点Ｓ２（Ｙ基底）に対応する。
・ Ａ１＋Ｂ０：ＭＺ変調器ＭＺＡに１８０°ＲＦ電圧、ＭＺ変調器ＭＺＢに０°ＲＦ電圧が印加されている。したがって、Ａ１＋Ｂ０は強度０．５、位相９０°の信号点Ｓ３（Ｙ基底）に対応する。
・ Ａ１＋Ｂ１：ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢが共に１８０°ＲＦ電圧が印加されているので、共にオフ状態となる。したがって、Ａ１＋Ｂ１は強度０、位相１３５°の信号点Ｓ４（Ｚ（ＯＦＦ）基底）に対応する。
【0060】
＜位相－時間コーディング＞
コヒーレントな２連光パルスに対して上記４状態の光変調をどのような順序で実行するかによって、図１０に示すような位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１を得ることができる。
コヒーレントな２連光パルスに対して上記４状態の光変調をどのような順序で実行するかによって、図１０に示すような位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１を得ることができる。
【0061】
図１０に例示するように、ＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを変化させる。詳しくは、以下の通りである。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して＋９０°だけ位相シフトしＹ０状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して－９０°だけ位相シフトしＹ１状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、前パルスが強度１、後パルスは強度０となり、Ｚ０状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、前パルスが強度０、後パルスは強度１となり、Ｚ１状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して＋９０°だけ位相シフトしＹ０状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ３（Ａ１＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ２（Ａ０＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、後パルスは前パルスに対して－９０°だけ位相シフトしＹ１状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行う。これにより、前パルスが強度１、後パルスは強度０となり、Ｚ０状態が得られる。
・ ２連光パルスの前パルスに対して信号点Ｓ４（Ａ１＋Ｂ１）の変調を行い、後パルスに対して信号点Ｓ１（Ａ０＋Ｂ０）の変調を行う。これにより、前パルスが強度０、後パルスは強度１となり、Ｚ１状態が得られる。
【0062】
以上述べたように、第１例によれば、位相シフタ１０１に印加されるバイアス電圧ＤＣＣが親アーム間に位相差φ＝９０°を与え、さらに、図９に例示するようにＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢを設定することでＩＱ平面上に４信号点配置Ｓ１～Ｓ４を実現できる。特に、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢを共にオフ状態にすることで、図９に示すＩＱ平面における強度０の信号点Ｓ４を生成することができる。
【0063】
また、図１０に例示するように、強度０の信号点Ｓ４を含む４つの信号点Ｓ１～Ｓ４のうち、信号点Ｓ１と信号点Ｓ４との間の位相変調によりＺ０／Ｚ１状態を、信号点Ｓ２と信号点Ｓ３との間の位相変調によりＹ０／Ｙ１状態をそれぞれ実現することで、位相－時間コーディング方式に必要な４状態の信号光を生成することができる。
【0064】
＜バイアス制御＞
上述したネスト型変調器１００ａのバイアス制御は、信号点Ｓ４がＩＱ平面状の強度０の消光状態に維持され、続いて信号点Ｓ２およびＳ３が位相差を９０°に維持されるように実行される。
上述したネスト型変調器１００ａのバイアス制御は、信号点Ｓ４がＩＱ平面状の強度０の消光状態に維持され、続いて信号点Ｓ２およびＳ３が位相差を９０°に維持されるように実行される。
【0065】
ａ）子干渉計のバイアス制御
信号点Ｓ４はＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢをそれぞれオフ状態（消光状態）にすることで生成される。このようなオフ状態を実現するには、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢによって位相変調動作点が正確に調整される必要がある。本実施例によれば、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺを最小化するようにバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢを調整することで、信号点Ｓ４をＩＱ平面状の強度０の消光状態に維持することができる。
信号点Ｓ４はＲＦ電圧ＲＦＡおよびＲＦＢがＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢをそれぞれオフ状態（消光状態）にすることで生成される。このようなオフ状態を実現するには、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢは、それぞれのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢによって位相変調動作点が正確に調整される必要がある。本実施例によれば、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺを最小化するようにバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢを調整することで、信号点Ｓ４をＩＱ平面状の強度０の消光状態に維持することができる。
【0066】
Ｚ基底の誤り率ＥＲＺを使用する理由は、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺが最小であるときに信号点Ｓ４が消光状態となり、信号点Ｓ４が消光状態の時にＺ基底の誤り率ＥＲＺが最小となるからである。信号点Ｓ４が消光状態となるかどうかは、ＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢに依存する。したがって、Ｚ基底の誤り率ＥＲＺが最小となるようＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢを制御することで、正しい位相変調動作点を維持することができる。
【0067】
ｂ）親干渉計のバイアス制御
信号点Ｓ２およびＳ３の位相差を９０°に維持するは、位相シフタ１０１の位相差φ＝９０°となるようにバイアス電圧ＤＣＣを正確に調整する必要がある。本実施例によれば、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹを最小化するようにバイアス電圧ＤＣＣを調整することで、信号点Ｓ２およびＳ３の位相差を９０°に維持することができる。
信号点Ｓ２およびＳ３の位相差を９０°に維持するは、位相シフタ１０１の位相差φ＝９０°となるようにバイアス電圧ＤＣＣを正確に調整する必要がある。本実施例によれば、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹを最小化するようにバイアス電圧ＤＣＣを調整することで、信号点Ｓ２およびＳ３の位相差を９０°に維持することができる。
【0068】
Ｙ基底の誤り率ＥＲＹを使用する理由は、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹが最小であるときに信号点Ｓ２およびＳ３の位相差が９０°になり、信号点Ｓ２およびＳ３の位相差が９０°の時にＹ基底の誤り率ＥＲＹが最小となるからである。信号点Ｓ２およびＳ３の位相差は、位相シフタ１０１のバイアス電圧ＤＣＣに依存する。したがって、Ｙ基底の誤り率ＥＲＹが最小となるようにＭＺ干渉計ＭＺＣのバイアス電圧ＤＣＣを制御することで、ＭＺ干渉計ＭＺＣを正しい動作点に維持することができる。
【0069】
ｃ）バイアス制御の順序
上述したように、子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのバイアス制御（ａ）を先に実行し、親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのバイアス制御（ｂ）を後に実行する。その理由はネスト型変調器１００ａが適切な動作点へ速く収束するからである。以下、図７の信号点配置を理想値として、バイアス電圧を変化させたときの信号点の変化を図１１～図１３に示す。
上述したように、子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのバイアス制御（ａ）を先に実行し、親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのバイアス制御（ｂ）を後に実行する。その理由はネスト型変調器１００ａが適切な動作点へ速く収束するからである。以下、図７の信号点配置を理想値として、バイアス電圧を変化させたときの信号点の変化を図１１～図１３に示す。
【0070】
子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのＤＣバイアスを最適化すると、図１１に示すように、信号点Ｓ０をＩＱ平面状の強度０の消光状態に維持することができる。この状態で、親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのバイアス電圧を変化させても信号点Ｓ０は移動しない。したがって子干渉計のバイアスを先行して最適化しておくことで、親干渉計のバイアスを最適値に収束させることができる。逆に、親干渉計であるＭＺ干渉計ＭＺＣのバイアス電圧が外れていても、子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢを消光状態となるようにバイアス設定するだけで容易に最適化が可能である。
【0071】
これに対して、子干渉計であるＭＺ変調器ＭＺＡおよびＭＺＢのバイアス電圧ＤＣＡおよびＤＣＢが外れていると、図１２および図１３に示すように、信号点Ｓ０が消光状態から外れた状態で信号点配置がＩＱ平面上で全体的に移動する。本来は、図５に示すようにＭＺ変調器ＭＺＡの出力光パルスＰ２Ａと、位相差９０°の位相シフタ１０１の出力光パルスＰ２’Ｂとが合波する。ところが、信号点Ｓ０が消光状態から外れた状態ではＭＺ変調器ＭＺＡ／ＭＺＢの出力が消光していない。このために、それぞれの消え残った光の間を位相差９０°にして合波してしまい、結果的に最適値に収束しない。したがって、親干渉計のバイアスを最適化した後で子干渉計のバイアスを最適化しようとしても容易に最適値に収束しない。
【0072】
４．受信機
上述した受信機２０の受信ユニット２０１は、位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１に対応するものであればよい。以下、特開２００８－２７０８７３号公報に記載された受信装置に基づいて受信ユニット２０１の具体的構成を例示する。
上述した受信機２０の受信ユニット２０１は、位相－時間コーディングの４状態Ｙ０、Ｙ１、Ｚ０、Ｚ１に対応するものであればよい。以下、特開２００８－２７０８７３号公報に記載された受信装置に基づいて受信ユニット２０１の具体的構成を例示する。
【0073】
＜受信ユニットの第１例＞
図１６に例示するように、受信ユニット２０１の第１例は、２入力４出力の非対称ＭＺ干渉計２１０を有し、さらに非対称ＭＺ干渉計２１０の４出力にそれぞれ対応して４個の光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４を有する。非対称ＭＺ干渉計２１０は、送信機１０から到達した２連光パルスから基底およびビット値を同時に判定し、Ｚ１、Ｙ０、Ｙ１およびＺ０のいずれかの状態の光子を出力する。したがって、データ処理部２０２ａの鍵生成部２０３ａは光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４のどの光子検出器が光子を検出したかによって、到達した２連光パルスの基底およびビット値を判定できる（図１参照）。それ以降の基底照合および誤り率算出の処理は既に述べたとおりである。
図１６に例示するように、受信ユニット２０１の第１例は、２入力４出力の非対称ＭＺ干渉計２１０を有し、さらに非対称ＭＺ干渉計２１０の４出力にそれぞれ対応して４個の光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４を有する。非対称ＭＺ干渉計２１０は、送信機１０から到達した２連光パルスから基底およびビット値を同時に判定し、Ｚ１、Ｙ０、Ｙ１およびＺ０のいずれかの状態の光子を出力する。したがって、データ処理部２０２ａの鍵生成部２０３ａは光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４のどの光子検出器が光子を検出したかによって、到達した２連光パルスの基底およびビット値を判定できる（図１参照）。それ以降の基底照合および誤り率算出の処理は既に述べたとおりである。
【0074】
＜受信ユニットの第２例＞
図１７に例示するように、受信ユニット２０１の第２例は、分岐比可変のスプリッタ２２０、２入力２出力の非対称干渉計２２１、分岐比５０：５０のスプリッタ２２２および４個の光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４を有する。非対称干渉計２２１はスプリッタ２２０のＹ基底側出力に、スプリッタ２２２はスプリッタ２２０のＺ基底側出力にそれぞれ接続されている。非対称干渉計２２１の２出力ポートは光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２にそれぞれ接続され、スプリッタ２２２の２出力ポートは光子検出器ＰＤ３およびＰＤ４にそれぞれ接続されている。
図１７に例示するように、受信ユニット２０１の第２例は、分岐比可変のスプリッタ２２０、２入力２出力の非対称干渉計２２１、分岐比５０：５０のスプリッタ２２２および４個の光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４を有する。非対称干渉計２２１はスプリッタ２２０のＹ基底側出力に、スプリッタ２２２はスプリッタ２２０のＺ基底側出力にそれぞれ接続されている。非対称干渉計２２１の２出力ポートは光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２にそれぞれ接続され、スプリッタ２２２の２出力ポートは光子検出器ＰＤ３およびＰＤ４にそれぞれ接続されている。
【0075】
スプリッタ２２０のＹ基底側ポートから出力された２連光パルスは非対称干渉計２２１で干渉し、Ｙ基底ビット値０を示す光子が光子検出器ＰＤ１へ出力し（Ｙ０状態）、Ｙ基底ビット値１を示す光子が光子検出器ＰＤ２へ出力する（Ｙ１状態）。
【0076】
スプリッタ２２０のＺ基底側ポートから出力された２連光パルスはスプリッタ２２２で分岐され、光子検出器ＰＤ３およびＰＤ４により検出される。Ｚ基底では、図１に示すように、Ｚ０状態（ビット０）では前パルスＰ１だけが消光し、Ｚ１状態（ビット１）では後パルスＰ２だけが消光する。したがってＺ１状態での光子出力を２連光パルスの時間差分だけ遅延させて光子検出器ＰＤ３へ出力する。この遅延はファイバ長で調整することでもできるが、ファイバ長を同じにして光子検出器ＰＤ３のゲートパルス印加タイミングを遅延させる方法が実用的である。こうしてＺ基底ビット値１を示す光子が光子検出器ＰＤ３へ出力し（Ｚ１状態）、Ｚ基底ビット値０を示す光子が光子検出器ＰＤ４へ出力する（Ｚ０状態）。
【0077】
このようにデータ処理部２０２ｂの鍵生成部２０３ｂは光子検出器ＰＤ１～ＰＤ４のどの光子検出器が光子を検出したかによって、到達した２連光パルスの基底およびビット値を判定できる（図１参照）。それ以降の基底照合および誤り率算出の処理は既に述べたとおりである。
【0078】
５．付記
上述した実施形態および実施例の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
光通信システムにおける送信機であって、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
（付記２）
前記制御部が前記ｂ）により前記第１誤り率を最小化した後に前記ｃ）を実行することを特徴とする付記１に記載の送信機。
（付記３）
前記制御部が前記ネスト型変調器を制御して前記２連光パルスをＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値にあり、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有し、
前記制御部が前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１信号点を強度０に設定し、
前記制御部が前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第３信号点および前記第４信号点との間の位相差を９０°に設定する、
ことを特徴とする付記１または２に記載の送信機。
（付記４）
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする付記１または２に記載の送信機。
（付記５）
付記４に記載の前記送信機と前記受信機とからなる量子暗号鍵配付システム。
（付記６）
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有する送信機における前記ネスト型変調器のバイアス制御方法であって、
前記制御部が、
ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とするネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記７）
前記制御部が、前記ｂ）により前記第１誤り率を最小化した後に前記ｃ）を実行することを特徴とする付記６に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記８）
前記制御部が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開する、
ことを特徴とする付記６または７に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記９）
送信機と受信機とからなる光通信システムであって、
前記送信機が、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
前記受信機が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、
前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、
を有し、
前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、
前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする光通信システム。
（付記１０）
前記制御部が、前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１誤り率を最小化した後、前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第２誤り率を最小化することを特徴とする付記９に記載の光通信システム。
（付記１１）
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする付記９または１０に記載の光通信システム。
（付記１２）
前記受信機において、
前記受信ユニットが前記位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調された２連光パルスから前記Ｚ基底状態および前記Ｙ基底状態からなる受信情報を出力し、
前記誤り算出部が、前記Ｚ基底状態に関するＺ基底誤り率を計算し、前記Ｙ基底状態に関するＹ基底誤り率を計算し、
前記Ｚ基底誤り率および前記Ｙ基底誤り率をそれぞれ前記第１誤り率および前記第２誤り率として前記送信機へ通知する、
ことを特徴とする付記１１に記載の光通信システム。
（付記１３）
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させることを特徴とするプログラム。
（付記１４）
光通信システムにおける送信機であって、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、
ｃ）前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｄ）前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
上述した実施形態および実施例の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
光通信システムにおける送信機であって、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
（付記２）
前記制御部が前記ｂ）により前記第１誤り率を最小化した後に前記ｃ）を実行することを特徴とする付記１に記載の送信機。
（付記３）
前記制御部が前記ネスト型変調器を制御して前記２連光パルスをＩＱ平面に配置された４信号点の間で変化させ、前記４信号点の第１信号点の強度が０、第２信号点の相対的強度が１、第３信号点の相対的強度および第４信号点の相対的強度がそれぞれ前記０と前記１との間の値にあり、前記第３信号点と前記第４信号点とが９０°の位相差を有し、
前記制御部が前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１信号点を強度０に設定し、
前記制御部が前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第３信号点および前記第４信号点との間の位相差を９０°に設定する、
ことを特徴とする付記１または２に記載の送信機。
（付記４）
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする付記１または２に記載の送信機。
（付記５）
付記４に記載の前記送信機と前記受信機とからなる量子暗号鍵配付システム。
（付記６）
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、前記ネスト型変調器を制御する制御部と、を有する送信機における前記ネスト型変調器のバイアス制御方法であって、
前記制御部が、
ａ）送信情報に従って前記ネスト型変調器の前記第１変調部と前記第２変調部とを制御し、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とするネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記７）
前記制御部が、前記ｂ）により前記第１誤り率を最小化した後に前記ｃ）を実行することを特徴とする付記６に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記８）
前記制御部が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開する、
ことを特徴とする付記６または７に記載のネスト型変調器のバイアス制御方法。
（付記９）
送信機と受信機とからなる光通信システムであって、
前記送信機が、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、送信情報に従って２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
前記受信機が、
前記強度位相変調された２連光パルスを受信して受信情報を取得する受信ユニットと、
前記受信情報に基づいて前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率と計算する誤り率算出部と、
を有し、
前記送信機および前記受信機の間で前記受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、前記受信機の前記誤り算出部が前記公開された情報を用いて前記第１誤り率と前記第２誤り率とを計算し、
前記送信機の前記制御部が、前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする光通信システム。
（付記１０）
前記制御部が、前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御して前記第１誤り率を最小化した後、前記位相シフタのバイアス電圧を制御して前記第２誤り率を最小化することを特徴とする付記９に記載の光通信システム。
（付記１１）
前記ネスト型変調器が、コヒーレントな２連光パルスに対して位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調を実行し、
前記制御部が、前記位相－時間コーディング方式のＺ基底状態を前記強度変調により生成し、Ｙ基底状態を前記位相変調により生成することを特徴とする付記９または１０に記載の光通信システム。
（付記１２）
前記受信機において、
前記受信ユニットが前記位相－時間コーディング方式に従って強度位相変調された２連光パルスから前記Ｚ基底状態および前記Ｙ基底状態からなる受信情報を出力し、
前記誤り算出部が、前記Ｚ基底状態に関するＺ基底誤り率を計算し、前記Ｙ基底状態に関するＹ基底誤り率を計算し、
前記Ｚ基底誤り率および前記Ｙ基底誤り率をそれぞれ前記第１誤り率および前記第２誤り率として前記送信機へ通知する、
ことを特徴とする付記１１に記載の光通信システム。
（付記１３）
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部と第２変調部とが並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器を制御する制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調とにより前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信する機能と、
ｂ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記強度変調に関する第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御する機能と、
ｃ）前記受信機での受信情報と前記送信情報とに基づいて、前記位相変調に関する第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させることを特徴とするプログラム。
（付記１４）
光通信システムにおける送信機であって、
マッハツェンダ（ＭＺ）型の第１変調部および第２変調部が並列接続され、前記第１変調部および前記第２変調部の出力光の間に所定の位相差を与える位相シフタを備えたネスト型変調器と、
前記ネスト型変調器を制御する制御部と、
を有し、前記制御部が、
ａ）送信情報に従って、２連光パルスの相対位相を２値変調する位相変調と前記２連光パルスのいずれか一方を強度０に変調する強度変調により前記２連光パルスを強度位相変調して受信機へ送信し、
ｂ）前記強度位相変調された２連光パルスを受信した前記受信機との間で、前記強度変調に関する第１誤り率と前記位相変調に関する第２誤り率とを計算するために前記受信機での受信情報および前記送信情報のそれぞれの一部を公開し、
ｃ）前記第１誤り率を最小化するように前記第１変調器および前記第２変調器のそれぞれのバイアス電圧を制御し、
ｄ）前記第２誤り率を最小化するように前記位相シフタのバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする送信機。
【産業上の利用可能性】
【0079】
本発明は、光通信システム、特に量子鍵配送システムの送信機に利用することができる。
【符号の説明】
【0080】
１００ ネスト型変調器
１０１ 位相シフタ
１０２ ＲＦ電極
１０３、１０４、１０６、１０７ 接地（ＧＮＤ）電極
１０５ ＤＣバイアス電極
１１０ 変調制御部
１１１、１１２ バイアス制御部
２０１ 受信ユニット
２０２ データ処理部
２０３ 鍵生成部
２０４ 誤り率算出部
２０５ 通信部
ＭＺＡ、ＭＺＢ マッハツェンダ（ＭＺ）変調器（子干渉計）
ＭＺＣ ＭＺ干渉計（親干渉計）
ＲＦＡ、ＲＦＢ 高周波電圧
ＤＣＡ、ＤＣＢ、ＤＣＣ ＤＣバイアス電圧
３０１ レーザ光源
３０２ 非対称干渉計
３０３ 減衰器
３１０ ＲＦ駆動回路
３１１ バイアス駆動回路
３１２ 通信部
３１３ コントローラ
３１４ プログラムメモリ
１０１ 位相シフタ
１０２ ＲＦ電極
１０３、１０４、１０６、１０７ 接地（ＧＮＤ）電極
１０５ ＤＣバイアス電極
１１０ 変調制御部
１１１、１１２ バイアス制御部
２０１ 受信ユニット
２０２ データ処理部
２０３ 鍵生成部
２０４ 誤り率算出部
２０５ 通信部
ＭＺＡ、ＭＺＢ マッハツェンダ（ＭＺ）変調器（子干渉計）
ＭＺＣ ＭＺ干渉計（親干渉計）
ＲＦＡ、ＲＦＢ 高周波電圧
ＤＣＡ、ＤＣＢ、ＤＣＣ ＤＣバイアス電圧
３０１ レーザ光源
３０２ 非対称干渉計
３０３ 減衰器
３１０ ＲＦ駆動回路
３１１ バイアス駆動回路
３１２ 通信部
３１３ コントローラ
３１４ プログラムメモリ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】