JP5377934B2 - Optical transmitter - Google Patents
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Description
本発明は、光送信装置及び光送信方法に係り、特に多値強度変調を用いた光通信量子暗号における、暗号の盗聴に対する安全性の強化に関する。 The present invention relates to an optical transmission apparatus and an optical transmission method, and more particularly to enhancement of security against eavesdropping of encryption in optical communication quantum cryptography using multilevel intensity modulation.
光通信量子暗号化では、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、無限の計算能力において識別、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つのセットをM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M値を量子ゆらぎによって、M値の信号間距離を位相と周波数の時間方向に対して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。
In optical communication quantum cryptography, light fluctuation (quantum shot noise) is diffused by modulation, and an optical signal cannot be accurately identified by an eavesdropper. Common key quantum cryptography is known that makes it impossible.
In this common key quantum cryptography, a set of M binary optical signals carrying transmission data, called a base, is prepared, and a pseudorandom number according to the encryption key is used to determine which base is used for data transmission. It is a method that decides irregularly by.
Actually, the data is identified from the encrypted signal received by an eavesdropper by reducing the distance between the M-value signals with respect to the time direction of the phase and frequency by quantum fluctuation of a plurality of M values of light. The data is not decrypted (decryption is correctly established).
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量子暗号と呼ばれている。現在、このY−00プロトコルを具現化した通信方式としては、Northwestern大学のP.KumarやH.Yuenらによって非特許文献1の光位相変調方式が発表されている。
このY−00プロトコルは、光の量子ゆらぎを活用しない(古典Y−00と呼ぶ)の有線/無線通信における従来のストリーム暗号と比較すると、データ解読への安全性強度においては、それよりも高いプロトコルである。
Encryption based on the above principle is called Yuen quantum cryptography according to Yuen-2000 cryptographic communication protocol (abbreviated as Y-00 protocol). Currently, as a communication system that embodies this Y-00 protocol, P.I. Kumar and H. Yuen et al. Announced the optical phase modulation method of
This Y-00 protocol is higher in the strength of security for data decryption than the conventional stream cipher in wired / wireless communication that does not utilize the quantum fluctuation of light (referred to as classic Y-00). Protocol.
また、玉川大学のメンバーによって非特許文献2の光強度変調方式が発表されている。図1は、非特許文献2に記載されたYuen量子暗号送受信機のシステム構成の概略を示す。このシステムは、光信号を送出する送信機100と、光信号を受信する受信機105が、光ファイバー等の伝送路である通過路104を介して接続される。
送信機100は、送信データを発生する送信データ発生部103と、暗号鍵Kの入力により擬似乱数を発生しRunning鍵を発生する擬似乱数発生部102と、擬似乱数発生部102で生成されたRunning鍵を用いて、送信データ発生部103からの送信データをビット単位の多値信号として生成する多値光生成部101と、を有して構成される。また、受信機105は、直接検波方式の汎用受信機や同方式における雑音に対する復号化精度の高いヘテロダイン受信機などが用いられる場合がある。
Moreover, the light intensity modulation method of Non-Patent Document 2 has been announced by members of Tamagawa University. FIG. 1 shows an outline of the system configuration of a Yuen quantum cryptography transceiver described in Non-Patent
The
図2は、暗号鍵の情報を送信機と共有している正規受信者、および暗号鍵の情報を共有していない盗聴者に対するデータと閾値の関係を示す。
送信機100は暗号鍵の情報により、2値データを多値の信号レベルに変換する。例えば、8値の信号レベルに変換する場合を想定すると、正規受信者は、暗号鍵を送信機と共有しているため信号が基底A〜Dのいずれにあるか認識しており、信号の遷移に追従して閾値を(a)に示すように、閾値1〜閾値4のいずれかに設定することができる。ここで、Aの信号レベル「4」と「8」のペア、Bの信号レベル「3」と「7」のペア、Cの信号レベル「2」と「6」のペア、Dの信号レベル「1」と「5」のペアを、1つのセットとする2値の基底と呼んでいる。
FIG. 2 shows the relationship between data and threshold values for an authorized recipient who shares encryption key information with a transmitter and an eavesdropper who does not share encryption key information.
The
盗聴者は、暗号鍵を送信機と共有していないので、信号レベルが何れのレベルにあるか認識できない。このため、(b)に示すように、隣接の信号レベル間に多数の閾値からレベルを認識する必要がある。
例えば、7つの閾値からレベルを認識としたと仮定すると、接検波方式の主な雑音は「量子ゆらぎ(量子ショット雑音)」と「熱雑音」であり、ヘテロダイン方式の雑音は「量子ゆらぎ(量子ショット雑音)」となる。
Since the eavesdropper does not share the encryption key with the transmitter, the eavesdropper cannot recognize the signal level. For this reason, as shown in (b), it is necessary to recognize levels from a large number of thresholds between adjacent signal levels.
For example, assuming that the level is recognized from seven threshold values, the main noises of the close detection method are “quantum fluctuation (quantum shot noise)” and “thermal noise”, and the heterodyne noise is “quantum fluctuation (quantum fluctuation). Shot noise) ”.
図3に示すように、受信機における信号レベル7と信号レベル8について注目すると、ヘテロダイン方式(一点鎖線)は、直接検波方式に比べて、信号を中心とする雑音のすそのがより狭くなることから、信号の誤りが改善されて減少する。
このことから、盗聴者が使用する受信機としては、信号の誤りが減少する効果を利用して盗聴、及びデータ解読をするため、ヘテロダイン受信機を用いることが想定される。
ヘテロダイン受信機を用いた盗聴者によるデータ解読は、以下に示す様な構成を含む手順によって実施されることが想定される。
As shown in FIG. 3, when attention is paid to the
From this fact, it is assumed that a heterodyne receiver is used as a receiver used by an eavesdropper in order to eavesdrop and decode data using the effect of reducing signal errors.
Data decryption by an eavesdropper using a heterodyne receiver is assumed to be performed by a procedure including the following configuration.
(ステップ1)光搬送波周波数f1(Hz)を有する受信信号、光搬送波周波数f2(Hz)を有する局部発振器の出力を合波器でミキシング(乗算)する。
(ステップ2)ミキシングされた光信号を光/電気変換部で電気信号に変換する。
(ステップ3)中間周波増幅器のバンドパスフィルタで、算出式(|f1−f2|)にて光搬送波周波数の低周波成分を取り出して増幅する。
(ステップ4)バンドパスフィルタで取り出された低周波成分を復調器で再生する。
(Step 1) The received signal having the optical carrier frequency f 1 (Hz) and the output of the local oscillator having the optical carrier frequency f 2 (Hz) are mixed (multiplied) by the multiplexer.
(Step 2) The mixed optical signal is converted into an electrical signal by the optical / electrical converter.
(Step 3) The low frequency component of the optical carrier frequency is extracted and amplified by the calculation formula (| f 1 −f 2 |) by the band pass filter of the intermediate frequency amplifier.
(Step 4) The low frequency component extracted by the band pass filter is reproduced by the demodulator.
ここで、局部発信器の光電力を受信信号の光電力よりも大きくした場合は、受信機側の回路で発生する熱雑音の影響が無視できるようになるので、光/電気変換において、量子力学的に必ず生じる量子ゆらぎ(量子ショット雑音)のみを有する状態とすることができる。 Here, if the optical power of the local transmitter is made larger than the optical power of the received signal, the influence of thermal noise generated in the circuit on the receiver side can be ignored. Therefore, it is possible to obtain a state having only quantum fluctuations (quantum shot noise) that are necessarily generated.
ヘテロダイン受信機を用いたデータ解読に対して安全性が確保できれば、直接検波方式の受信機を用いた盗聴の場合でも安全性は保障されることになる。
例えば、非特許文献3によれば、局部発振機と信号に位相誤差があって、その位相誤差が分散σ2を有するガウス分布であると仮定した場合、符号誤り率は標準偏差σに大きく依存すると述べている。すなわち、信号に位相雑音を付加することで、データ解読できないシステムを作ることが出来ることが分かる。
If security against data decoding using a heterodyne receiver can be ensured, safety can be ensured even in the case of eavesdropping using a direct detection receiver.
For example, according to Non-Patent
しかし、非特許文献4によれば、送信機の光搬送波は単一周波数であり、盗聴者の受信機を直接検波方式として符号誤り率を評価しているが、送信端にて0[ゼロ](dBm)(dBmは、mW基準の絶対値表現で0dB=1mW)においての符号誤り率0.1以上の結果が得られている。これは、データ誤りの確率が10分の1以上を意味しており、ヘテロダイン受信機を用いた場合は、直接検波方式より受信感度が良好となる構成であることから、盗聴、及びデータ解読される可能性がある。
However, according to Non-Patent
さらに、特許文献1(特開2006−303927公報)では、光搬送波が単一周波数であるため、非特許文献4と同様に、ヘテロダイン受信機が用いられた場合は、データ解読をされてしまう可能性がある。
Further, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-303927), since the optical carrier wave has a single frequency, similarly to Non-Patent
本発明の目的は、光通信量子暗号のデータ解読に対する安全性を一層強化し、多値強度変調による暗号の盗聴を防止することにある。 An object of the present invention is to further enhance the security of optical communication quantum cryptography against data decryption and to prevent eavesdropping of the cipher by multilevel intensity modulation.
本発明に係る光送信装置は、好ましくは、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、第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、ランダム鍵を生成するランダム鍵発生部と、該ランダム鍵発生部によって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第1の変調器と、該第1の変調器によって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器と、を有することを特徴とする光送信装置として構成される。 The optical transmission apparatus according to the present invention is preferably an optical transmission apparatus that modulates data into an optical signal and transmits the optical signal using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation, and generates a first Running key. A multi-level modulation signal that generates data to be transmitted as a multi-level signal in bit units using the first pseudo-random number generator for generating the first pseudo-random number generator and the first running key generated by the first pseudo-random number generator A generating unit; a random key generating unit that generates a random key; and a first modulator that changes a phase or frequency of an optical carrier wave of data to be transmitted using the random key generated by the random key generating unit; Receiving the optical carrier wave whose phase or frequency has been changed by the first modulator, and changing the light intensity base of the optical carrier wave by the multi-value signal generated by the multi-value modulation signal generator signal A second modulator for generating, configured as an optical transmission apparatus characterized by having.
好ましい例では、前記ランダム鍵発生部は、第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部であり、
前記第1の変調器は、該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる。
In a preferred example, the random key generation unit is a second pseudo random number generation unit that generates a second Running key using a second encryption key,
The first modulator changes the phase or frequency of the optical carrier wave of data to be transmitted, using the second Running key generated by the second pseudorandom number generator.
また、他の好ましい例では、前記ランダム鍵発生部は、雑音を発生する雑音源と、該雑音源から生じる雑音を増幅する増幅部とを含み、
前記第1の変調器は、該雑音増幅部で増幅された雑音を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる。
In another preferred example, the random key generation unit includes a noise source that generates noise, and an amplification unit that amplifies noise generated from the noise source,
The first modulator changes the phase or frequency of the optical carrier wave of data to be transmitted using the noise amplified by the noise amplification unit.
また、好ましくは、前記第1の変調器は、複数nのレーザと、該レーザを駆動する複数のレーザドライバと、該レーザの出力を合成する複数のカプラとを有する周波数変調器であり、前記第2の擬似乱数発生部からの前記第2のRunning鍵によって該複数nのレーザドライバの内の任意の複数m(但しm<n)を選択し、選択されたレーザドライバによって駆動されたレーザの出力を該カプラで合成して、合成された光搬送波を前記第2の変調器へ出力する。 Preferably, the first modulator is a frequency modulator having a plurality of n lasers, a plurality of laser drivers for driving the lasers, and a plurality of couplers for combining the outputs of the lasers. An arbitrary plural m (where m <n) of the plural n laser drivers is selected by the second Running key from the second pseudorandom number generator, and the laser driven by the selected laser driver is selected. The outputs are combined by the coupler, and the combined optical carrier is output to the second modulator.
また、好ましくは、前記第1のRunning鍵と前記第2のRunning鍵は異なる鍵が用いられ、前記第1の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させる。 Preferably, different keys are used for the first and second running keys, and the first modulator changes the frequency or phase of the optical carrier by switching over time and at random. .
また、好ましくは、前記第1の擬似乱数発生部と前記第2の擬似乱数発生部は、異なるハードウェア回路で構成され、前記第1の変調器は、光搬送波の周波数または位相を、経時的かつランダムに切り換えて変化させる。 Preferably, the first pseudo-random number generator and the second pseudo-random number generator are configured by different hardware circuits, and the first modulator changes the frequency or phase of the optical carrier over time. And change at random.
また、好ましくは、前記第1の変調器は周波数変調器であり、該周波数変調器は、該第2のRunning鍵の印加によって、送信された光信号を受信するヘテロダイン受信機が有する中間周波増幅器のバンドパスフィルタの周波数帯域外となる周波数の光搬送波を出力する。 Preferably, the first modulator is a frequency modulator, and the frequency modulator has an intermediate frequency amplifier included in a heterodyne receiver that receives the transmitted optical signal by applying the second Running key. An optical carrier having a frequency outside the frequency band of the band-pass filter is output.
また、好ましくは、前記第1の変調器は周波数変調器であり、該周波数変調器は、該該第2のRunning鍵の印加によって、
光搬送波の周波数fc(Hz)、周波数変動Δfc(Hz)とした場合、
fc−Δfc 〜 fc+Δfc
の周波数範囲(Hz)で、経時的且つランダムに変化した周波数の光搬送波を出力する。
Preferably, the first modulator is a frequency modulator, and the frequency modulator is configured to apply the second Running key by:
When assuming the frequency fc (Hz) of the optical carrier wave and the frequency variation Δfc (Hz),
fc−Δfc to fc + Δfc
In the frequency range (Hz), an optical carrier wave having a frequency that changes with time is randomly output.
また、好ましくは、前記第1の変調器は位相変調器であり、該位相変調器は、該第2のRunning鍵の印加によって、
光搬送波の位相φc(radian)、位相変動Δφc(radian)とした場合、
φc−Δφc 〜 φc+Δφc(t)
の位相範囲(radian)で、経時的且つランダムに変化した位相の光搬送波を出力する。
Preferably, the first modulator is a phase modulator, and the phase modulator is configured to apply the second Running key by:
When the phase φc (radian) of the optical carrier and the phase variation Δφc (radian) are set,
φc−Δφc to φc + Δφc (t)
Output an optical carrier wave having a phase that changes with time in a random range.
また、好ましくは、前記第1の変調器はマッハツェンダ位相変調器であり、
該マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートに、該第2のRunning鍵の多値電圧を入力して、該第2のRunning鍵の多値電圧値に従って該光搬送波の位相をランダムに変化させる。
Preferably, the first modulator is a Mach-Zehnder phase modulator,
The multilevel voltage of the second Running key is input to the electrical signal input port of the Mach-Zehnder phase modulator, and the phase of the optical carrier is randomly changed according to the multilevel voltage value of the second Running key.
本発明に係る光送信方法は、好ましくは、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方法であって、第1のRunning鍵を生成する第1の擬似乱数発生ステップと、該第1の擬似乱数発生ステップによって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生ステップと、ランダム鍵を生成するランダム鍵発生ステップと、該ランダム鍵発生ステップによって生成された該ランダム鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させる第1の変調ステップと、該第1の変調ステップによって、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生ステップにより生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調ステップと、を有することを特徴とする光送信方法として構成される。 The optical transmission method according to the present invention is preferably an optical transmission method in which data is modulated into an optical signal and transmitted using optical communication quantum cryptography based on multi-level intensity modulation, and a first Running key is generated. First pseudo-random number generation step, and multi-level modulation signal generation step for generating data to be transmitted as a multi-level signal in bit units using the first Running key generated by the first pseudo-random number generation step A random key generation step for generating a random key, a first modulation step for changing the phase or frequency of an optical carrier wave of data to be transmitted using the random key generated by the random key generation step, By receiving the optical carrier wave whose phase or frequency has been changed by the first modulation step, the multi-level signal generated by the multi-level modulation signal generation step Configured as a light transmission method characterized in that it comprises a second modulation step of generating an optical signal obtained by changing the light intensity basis of the optical carrier wave, a.
好ましい例では、本発明に係る光送信方法は、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方法であって、第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するステップと、生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成するステップと、第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成するステップと、生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相または周波数を変化させるステップと、位相又は周波数が変化された光搬送波を受けて、前記多値変調信号の生成ステップで生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成するステップと、を有することを特徴とする光送信方法として構成される。 In a preferred example, the optical transmission method according to the present invention is an optical transmission method in which data is modulated into an optical signal and transmitted using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation, and the first encryption key is used. Using the generated first running key to generate data to be transmitted as a multi-value signal in bit units, and using the second encryption key, A step of generating a second Running key, a step of changing a phase or frequency of an optical carrier of data to be transmitted using the generated second Running key, and an optical carrier whose phase or frequency is changed And generating an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated in the generating step of the multilevel modulation signal. That is configured as a light transmission method.
本発明によれば、光通信量子暗号のデータ解読に対する安全性を一層強化し、多値強度変調による暗号の盗聴を防止することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to further strengthen the safety | security with respect to the data decoding of optical communication quantum cryptography, and to prevent the eavesdropping of the encryption by multi-value intensity | strength modulation.
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の実施例を説明する前に、図4を参照して、一般的なヘテロダイン受信機の構成について説明しておきたい。
図4において、送信装置から送信された光信号である受信信号f1は、合波器200で、局部発信器201で発生された所定の周波数f2と合成され、光/電気変換器202で電気信号に変換される。電気信号は、中間周波増幅器203で特定の共振周波数(バンドパス特性)で共振して増幅され、復調器204で復調されて、正規の受信データが生成される。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Before describing an embodiment of the present invention, a configuration of a general heterodyne receiver will be described with reference to FIG.
In FIG. 4, a received
まず、本発明による送信装置の原理について説明する。送信装置側で、特徴的な多値強度変調によるデータの暗号化を行えば、仮に、盗聴者が図4のヘテロダイン受信機を用いて、本発明による暗号化データを受信した場合でも、その解読(即ち正しい復号化の成立)が極めて困難である。 First, the principle of the transmission apparatus according to the present invention will be described. If the data is encrypted by the characteristic multi-level intensity modulation on the transmitting device side, even if the eavesdropper receives the encrypted data according to the present invention using the heterodyne receiver of FIG. (I.e., establishment of correct decoding) is extremely difficult.
一例として、光搬送波の周波数fc(Hz)、周波数変動Δfc(Hz)とした場合、
fc−Δfc 〜 fc+Δfc(Hz) ・・・(1)
これらを(1)の周波数範囲(Hz)にて経時的、且つランダムに変動させる。
As an example, when the frequency fc (Hz) of the optical carrier wave and the frequency variation Δfc (Hz),
fc−Δfc to fc + Δfc (Hz) (1)
These are varied over time and randomly in the frequency range (Hz) of (1).
他の例として、光搬送波の位相φc(radian)、位相変動Δφc(radian)とした場合、
φc−Δφc 〜 φc+Δφc(t) ・・・(2)
これらを(2)の位相範囲(radian)にて経時的、且つランダムに変動させる。
As another example, when the phase φc (radian) of the optical carrier and the phase variation Δφc (radian) are set,
φc−Δφc to φc + Δφc (t) (2)
These are varied with time and randomly in the phase range (radian) of (2).
例えば、周波数変動の場合は、
| f1 − f2 | (Hz) ・・・(3)
この場合は(3)により、中間周波増幅器203のバンドパスフィルタの周波数帯域外(図4)にすることができる。
For example, in the case of frequency variation,
| f 1 − f 2 | (Hz) (3)
In this case, according to (3), the frequency band outside the bandpass filter of the
データ解読に対しては経時的、且つランダムに変動させることで、擬似乱数系列を用いた場合、若しくは外部雑音源を用いた場合でも、暗号化に対する安全性の強化としては一定の条件で同等とすることができる。
その条件とは、光搬送波の周波数変動分Δfc(Hz)、又は光搬送波の位相変動分Δφc(radian)について、受信機の局部発信器の周波数可変範囲よりΔfc(Hz)が広範囲まで変動させられること。さらに、局部発信器が応答できない高速度で位相変動Δφc(radian)の変動させられることである。
Even when using a pseudo-random number sequence or using an external noise source by changing the data decryption over time and at random, it is equivalent under certain conditions to enhance security against encryption. can do.
The condition is that the frequency variation Δfc (Hz) of the optical carrier or the phase variation Δφc (radian) of the optical carrier can be varied over a wide range from the frequency variable range of the local transmitter of the receiver. about. Furthermore, the phase variation Δφc (radian) can be varied at a high speed at which the local oscillator cannot respond.
上記の周波数又は位相の変動の機能は、図5に示すように、送信装置のレーザ59から発生される光搬送波(連続光)の周波数又は位相を変調する変調機構500によって実現される。この周波数又は位相変調機構500の詳細例については、図7及び図9を参照して後述する。ここでは、送信装置の概略的な構成について述べておきたい。
As shown in FIG. 5, the function of the frequency or phase variation is realized by a
送信装置は、暗号鍵513からRunning鍵を生成する擬似乱数発生部512と、擬似乱数発生部512で生成されたRunning鍵を用いて、送信データをビット単位の多値信号として生成する多値変調電気信号発生部511と、周波数又は位相変調機構500からの位相又は周波数が変調された光信号を受け、多値変調電気信号発生部511で生成される多値信号により、光信号の光強度基底を変化させた光信号を生成する強度変調器52と、を有して構成される。ここで、擬似乱数発生部512や多値変調電気信号発生部511は、従来の光送信機(例えば図1の)が有している機能と同様のものである。
The transmission apparatus uses a
次に、図6を参照して、光搬送波の周波数変動及び位相変動について説明する。
図6において、(a)は基準光搬送波、(b)は基準光搬送波に対してΔfc(Hz)周波数を変動した光搬送波、(c)は基準光搬送波に対してΔφc(radian)位相を変動させた光搬送波を示す。
送信装置側で基準光搬送波の周波数又は位相を経時的、かつランダムに変動させると、ヘテロダイン受信機(図4)では、受信した光信号に対して特定の共振周波数f2で共振が発生しなくなる。そのため、受信信号の正しい復号化(盗聴)が成立せず、送信データの暗号化の安全性を一層強化することできる。
Next, frequency fluctuation and phase fluctuation of the optical carrier wave will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, (a) is a reference optical carrier, (b) is an optical carrier whose Δfc (Hz) frequency is changed with respect to the reference optical carrier, and (c) is a Δφc (radian) phase is changed with respect to the reference optical carrier. The optical carrier made to show is shown.
When the frequency or phase of the reference optical carrier is varied with time on the transmission device side, the heterodyne receiver (FIG. 4) does not resonate at the specific resonance frequency f2 with respect to the received optical signal. For this reason, correct decryption (sapping) of the received signal is not established, and the security of encryption of transmission data can be further enhanced.
[実施例1]
図7は、一実施例による基準光搬送波の周波数を変動させる送信装置の構成例を示す。
図7において、暗号鍵713からRunning鍵1を生成する擬似乱数発生部712と、擬似乱数発生部712で生成されたRunning鍵1を用いて、送信データをビット単位の多値信号として生成する多値変調電気信号発生部711、及び光信号の光強度基底を変化させた光信号を生成する強度変調器72は、図5の暗号鍵513、擬似乱数発生部512、多値変調電気信号発生部511、及び強度変調器52と同様である。
[Example 1]
FIG. 7 shows a configuration example of a transmission apparatus that varies the frequency of the reference optical carrier according to one embodiment.
In FIG. 7, a
更に、暗号鍵2(73)を用いてRunning鍵2を生成する擬似乱数発生部72と、周波数変調器70を備える。周波数変調器70は、複数(n個)のレーザ(LD)に対応して、それらを駆動する複数のレーザドライバ702と、レーザ703の出力である連続光を加算する複数のカプラ704を有して構成される。
Furthermore, a
擬似乱数発生部72で発生されるRunning鍵2に従って、少なくとも2個以上のレーザドライバ702を選択して、その対応するレーザ703を経時的にオン/オフする。これにより発生する連続光を経時的にカプラ704で加算して、それを強度変調器303に与える。
これにより、強度変調器52に与えられる連続光は、図10のように、基準周波数の連続光(a)に対して、周波数がf1〜f3・・のように変動した信号となる。
According to the
Thereby, the continuous light given to the
例えば、それぞれ出力パワーが等しいn個のレーザ703を用いた場合、経時的に同時にオンする任意の2個のレーザ703を、それぞれLD-i、LD-jとし、他の(n−2)個のレーザ703をオフ状態とする。
For example, when
経時的に同時にONしたレーザ703の出力が、(4)で表される場合、
When the output of the
レーザ703およびレーザドライバ702の動作速度は光搬送波周波数が0.1f1になる速度が35(ps)、ヘテロダイン受信機の局部発信器201の応答速度が0.1f2になる速度が140(ps)である。
The operating speed of the
時間tにおける光搬送波周波数はf1、局部発信器周波数はf2 'であり、 The optical carrier frequency at time t is f 1 , the local oscillator frequency is f 2 ′ ,
一方、ヘテロダイン受信機の局部発信器203の応答速度よりレーザ703、レーザドライバ702の動作速度が遅い場合でも、局部発信器201の動作周波数範囲より(6)の変動幅が大きいならば、バンドパスフィルタの周波数帯域外にすることが可能となる。そのため、ヘテロダイン受信機を用いた場合においても、正しい復号化を成立(暗号の盗聴)させなくすることができる。
On the other hand, even when the operating speed of the
次に、具体的数値を用いて、実施例を説明する。
中間周波増幅器203のバンドパスフィルタの伝達関数H(f)は、
Next, examples will be described using specific numerical values.
The transfer function H (f) of the bandpass filter of the
Vout:復調器出力レベル(V)、Vin:中間周波増幅器入力レベル(V)、
G:中間周波増幅器の利得(倍)
レーザ504の周波数をITU-T Recommendation G.692で規定されているLD504の周波数を用い、Q=100、Vin=0.1(V)、G=10(倍)、f2=193.339(THz)の中間周波増幅器203を想定する。
Vout: demodulator output level (V), Vin: intermediate frequency amplifier input level (V),
G: Gain of intermediate frequency amplifier (times)
The frequency of the laser 504 is changed to ITU-T Recommendation G. Assume an
特許文献1又は非特許文献4に記載のように、単一周波数193.4(THz)のLDを1個用いた時の中間周波数はf0=|193.4−193.339|=1(GHz)、(9)は、
|H(f)|=1となる。(10)よりVout=1(V)となる。
As described in
| H (f) | = 1. From (10), Vout = 1 (V).
fLD-i=193.4(THz)、fLD-j=192.7(THz)のLDを2個用いた場合(6)より、fs=(193.4+192.7)/2=193.05(THz)となり、(9)は|H(f)|=2.86×10−5、(10)よりVout=2.86×10−5(V)となり、復調器204(図4)に信号はほとんど入力されず、データの復調は期待できない。 From the case of using two LDs with f LD-i = 193.4 (THz) and f LD-j = 192.7 (THz), (6), f s = (193.4 + 192.7) / 2 = 193 .05 (THz), (9) becomes | H (f) | = 2.86 × 10 −5 , and (10) gives Vout = 2.86 × 10 −5 (V), and the demodulator 204 (FIG. 4). ) Is hardly input, and data demodulation cannot be expected.
ヘテロダイン受信機の局部発信器201の応答速度よりレーザ703、レーザドライバ702の動作速度が遅い場合について、具体的数値を用いて説明する。
光搬送波周波数の可変範囲が193.4(THz)±0.1(THz)、局部発振器201の周波数可変範囲が193.399(THz)±0.05(THz)であった場合、中間周波数は、|(193.4±0.1)−(193.339±0.05)|=‐49(GHz)〜51(GHz)となる。中間周波増幅器203の条件が上記である場合、Vin=0.2(mV)となり、復調器204に入力される信号はデータの復調に期待できない程度しか入力されない。
The case where the operating speed of the
When the variable range of the optical carrier frequency is 193.4 (THz) ± 0.1 (THz) and the frequency variable range of the
本実施例において、暗号鍵713と暗号鍵73、擬似乱数発生部712と擬似乱数発生部72は、同じ回路でも良好に機能する。しかし、光通信量子暗号化による安全性の強化の観点から、暗号鍵1と暗号鍵2を異ならしめ、及び又は擬似乱数発生部1と2を異なるハードウェア回路で構成するのが好ましい。また、擬似乱数発生部1と擬似乱数発生部2は非同期に独立的に動作させることが望ましい。
In this embodiment, the
また、上記例では、Running鍵2にて2個のレーザドライバ702を選択するようにしたが、2個に限らず、3個以上の複数個でもよい。
また、各レーザ703の出力パワーはそれぞれ等しいとしたが、各レーザの出力パワーは適当に異なってもよい。
In the above example, the two
Further, although the output power of each
[実施例2]
図9は、他の実施例(実施例2)による、基準光搬送波の位相を変動させる送信装置の構成例を示す。
レーザ59から常時出力される光搬送波(連続光)が位相変調器90に入力される。
例えば、Running鍵2の出力は、多値の電圧であり、+0〜+4(Vpp)までの1024段階ステップにおいて、ランダムな電圧値を設定した場合、ステップ単位には、4(Vpp)÷1024(ステップ)≒3.9m(Vpp/ステップ)となることから、位相変調器90には、マッハツェンダ位相変調器を使用することが望ましい。
[Example 2]
FIG. 9 shows a configuration example of a transmission apparatus that varies the phase of the reference optical carrier wave according to another embodiment (embodiment 2).
An optical carrier wave (continuous light) always output from the
For example, the output of the
具体的には、マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートにRunning鍵2の多値電圧を入力すると、LD59からの位相がそろった連続光の位相をRunning鍵2の多値電圧値に従い、ランダムに変化させることが出来る。
Specifically, when the multi-value voltage of the running
暗号鍵73によってRunning鍵2を生成する擬似乱数発生部72の構成は、図7と同様である。また、暗号鍵713によってRunning鍵1を生成する擬似乱数発生部711、及びRunning鍵によって多値信号の基調を変化させる多値変調電気信号発生部711の構成も図7と同様である。
The configuration of the
この例によれば、図11に示すように、基準光搬送波(a)に対して、位相変調器90で、Δφ0〜Δφc(radian)の位相変調した多値位相変調信号光(b)が生成され、その多値位相変調信号光を強度変調器92で多値強度変調して光ファイバ104に送出する。
According to this example, as shown in FIG. 11, the multilevel phase modulation signal light (b), which is phase-modulated by Δφ0 to Δφc (radian), is generated by the
上記したように、好ましい実施例によれば、光搬送波とヘテロダイン受信機(図4)における局部発信器201の周波数差を中間周波増幅器203の周波数帯域外に設定する(実施例1)、又はヘテロダイン受信機における局部発信器201の応答速度よりレーザドライバ59の動作速度を速くするように位相を制御する(実施例2)ことにより、多値強度変調による暗号化に対する安全性の強化を図ることができる。而して、ヘテロダイン受信機を用いた場合においても、正しい復号化を成立(暗号の盗聴)させなくすることができる。
As described above, according to a preferred embodiment, the frequency difference between the optical carrier and the
[実施例3]
図12は、実施例1の送信装置におけるRunning鍵2の発生手段に代えて雑音源を用いた例である。
すなわち、図7の送信装置において、暗号鍵2、擬似乱数発生部72の出力であるRuning鍵2に代えて、物理的雑音源74と、その雑音を増幅する雑音増幅部75を設け、雑音増幅部75で増幅された雑音を周波数変調器70に与える。物理的雑音源74は、電圧や熱による環境により規則性が保たれることがなく、この物理的雑音源74と雑音増幅部75を用いることで、安全性が強化された送信装置を構成することができる。
[Example 3]
FIG. 12 is an example in which a noise source is used in place of the generating means for the
That is, in the transmitting apparatus of FIG. 7, instead of the
[実施例4]
図13は、実施例2の送信装置におけるRunning鍵2の発生手段に代えて雑音源を用いた例である。
すなわち、図9の送信装置において、暗号鍵2、擬似乱数発生部72の出力であるRuning鍵2に代えて、物理的雑音源74と、その雑音を増幅する雑音増幅部75を設け、雑音増幅部75で増幅された雑音を位相変調器90に与える。物理的雑音源74は、電圧や熱による環境により規則性が保たれることがなく、この物理的雑音源74と雑音増幅部75を用いることで、安全性が強化された送信装置を構成することができる。
[Example 4]
FIG. 13 shows an example in which a noise source is used in place of the generating means for the
That is, in the transmission apparatus of FIG. 9, a
500:周波数又は位相変調機構 511:多値変調電気信号発生部 512:擬似乱数発生部 513:暗号鍵 104:光ファイバ 52:強度変調器
70:周波数変調器 702:LD Driver 703:LD 704:カプラ 72:擬似乱数発生器2、 73:暗号鍵2 713:暗号鍵1 712:擬似乱数発生部1 711:多値変調電気信号発生部 52:強度変調器 104:光ファイバ 90:位相変調器 74:物理的雑音源 75:雑音増幅部。
500: Frequency or phase modulation mechanism 511: Multi-level modulation electric signal generation unit 512: Pseudorandom number generation unit 513: Encryption key 104: Optical fiber 52: Intensity modulator
70: Frequency modulator 702: LD Driver 703: LD 704: Coupler 72: Pseudorandom
Claims (6)
第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
該第1の暗号鍵と異なる第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部と、
該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の周波数を変化させる第1の変調器と、
該第1の変調器によって、周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器を有し、
前記第1の変調器は、複数nのレーザと、該レーザを駆動する複数のレーザドライバと、該レーザの出力を合成する複数のカプラとを有する周波数変調器であり、前記第2の擬似乱数発生部からの前記第2のRunning鍵によって該複数nのレーザドライバの内の任意の複数m(但しm<n)を選択し、選択されたレーザドライバによって駆動されたレーザの出力を該カプラで合成して、合成された光搬送波を前記第2の変調器へ出力する
ことを特徴とする光送信装置。 An optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation,
A first pseudo random number generator for generating a first Running key using a first encryption key , and transmission using the first Running key generated by the first pseudo random number generator A multi-level modulation signal generator that generates data to be processed as a multi-level signal in bit units,
A second pseudo-random number generator that generates a second Running key using a second encryption key different from the first encryption key;
A first modulator that changes a frequency of an optical carrier wave of data to be transmitted using the second running key generated by the second pseudorandom number generator ;
The first modulator receives an optical carrier whose frequency is changed, and generates an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated by the multilevel modulation signal generator. A second modulator that
The first modulator is a frequency modulator having a plurality of n lasers, a plurality of laser drivers for driving the lasers, and a plurality of couplers for combining the outputs of the lasers, and the second pseudorandom number A plurality of n laser drivers (where m <n) are selected by the second running key from the generator, and the output of the laser driven by the selected laser driver is output by the coupler. An optical transmission apparatus characterized by combining and outputting the combined optical carrier wave to the second modulator .
第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
該第1の暗号鍵と異なる第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部と、
該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の周波数を変化させる第1の変調器と、
該第1の変調器によって、周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器を有し、
前記第1の変調器を構成する該周波数変調器は、該第2のRunning鍵の印加によって、送信された光信号を受信するヘテロダイン受信機が有する中間周波増幅器のバンドパスフィルタの周波数帯域外となる周波数の光搬送波を出力する
ことを特徴とする光送信装置。 An optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation,
A first pseudo random number generator for generating a first Running key using a first encryption key , and transmission using the first Running key generated by the first pseudo random number generator A multi-level modulation signal generator that generates data to be processed as a multi-level signal in bit units,
A second pseudo-random number generator that generates a second Running key using a second encryption key different from the first encryption key;
A first modulator that changes a frequency of an optical carrier wave of data to be transmitted using the second running key generated by the second pseudorandom number generator ;
The first modulator receives an optical carrier whose frequency is changed, and generates an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated by the multilevel modulation signal generator. A second modulator that
The frequency modulator constituting the first modulator has a frequency band outside the bandpass filter of an intermediate frequency amplifier included in a heterodyne receiver that receives a transmitted optical signal by applying the second Running key. An optical transmission device that outputs an optical carrier wave having a frequency of
第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
該第1の暗号鍵と異なる第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部と、
該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の周波数を変化させる第1の変調器と、
該第1の変調器によって、周波数が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器を有し、
前記第1の変調器を構成する該周波数変調器は、該第2のRunning鍵の印加によって、
光搬送波の周波数fc(Hz)、周波数変動Δfc(Hz)とした場合、
fc−Δfc 〜 fc+Δfc
の周波数範囲(Hz)で、経時的且つランダムに変化した周波数の光搬送波を出力する
ことを特徴とする光送信装置。 An optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation,
A first pseudo random number generator for generating a first Running key using a first encryption key , and transmission using the first Running key generated by the first pseudo random number generator A multi-level modulation signal generator that generates data to be processed as a multi-level signal in bit units,
A second pseudo-random number generator that generates a second Running key using a second encryption key different from the first encryption key;
A first modulator that changes a frequency of an optical carrier wave of data to be transmitted using the second running key generated by the second pseudorandom number generator ;
The first modulator receives an optical carrier whose frequency is changed, and generates an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated by the multilevel modulation signal generator. A second modulator that
The frequency modulator constituting the first modulator is configured to apply the second running key by:
When assuming the frequency fc (Hz) of the optical carrier wave and the frequency variation Δfc (Hz),
fc−Δfc to fc + Δfc
An optical transmission device that outputs an optical carrier wave having a frequency that changes over time and randomly in a frequency range (Hz).
第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
該第1の暗号鍵と異なる第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部と、
該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相を変化させる第1の変調器と、
該第1の変調器によって、位相が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器を有し、
前記第1の変調器を構成する位相変調器は、該第2のRunning鍵の印加によって、
光搬送波の位相φc(radian)、位相変動Δφc(radian)とした場合、
φc−Δφc 〜 φc+Δφc(t)
の位相範囲(radian)で、経時的且つランダムに変化した位相の光搬送波を出力することを特徴とする光送信装置。 An optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation,
A first pseudo random number generator for generating a first Running key using a first encryption key , and transmission using the first Running key generated by the first pseudo random number generator A multi-level modulation signal generator that generates data to be processed as a multi-level signal in bit units,
A second pseudo-random number generator that generates a second Running key using a second encryption key different from the first encryption key;
A first modulator that changes a phase of an optical carrier wave of data to be transmitted using the second running key generated by the second pseudorandom number generator ;
The first modulator receives an optical carrier whose phase is changed, and generates an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated by the multilevel modulation signal generator. A second modulator that
The phase modulator that constitutes the first modulator, by applying the second Running key,
When the phase φc (radian) of the optical carrier and the phase variation Δφc (radian) are set,
φc−Δφc to φc + Δφc (t)
An optical transmission device that outputs an optical carrier wave having a phase that changes with time in a phase range (radian).
第1の暗号鍵を用いて第1のRunning鍵を生成するための第1の擬似乱数発生部と、該第1の擬似乱数発生部によって生成された該第1のRunning鍵を用いて、送信するデータをビット単位の多値信号として生成する多値変調信号発生部と、
該第1の暗号鍵と異なる第2の暗号鍵を用いて、第2のRunning鍵を生成する第2の擬似乱数発生部と、
該第2の擬似乱数発生部によって生成された該第2のRunning鍵を用いて、送信するデータの光搬送波の位相を変化させる第1の変調器と、
該第1の変調器によって、位相が変化された光搬送波を受けて、該多値変調信号発生部より生成される多値信号により、該光搬送波の光強度基底を変化させた光信号を生成する第2の変調器を有し、
前記第1の変調器はマッハツェンダ位相変調器であり、
該マッハツェンダ位相変調器の電気信号入力ポートに、該第2のRunning鍵の多値電圧を入力して、該第2のRunning鍵の多値電圧値に従って該光搬送波の位相をランダムに変化させることを特徴とする請求項4の光送信装置。 An optical transmission device that modulates data into an optical signal and transmits it using optical communication quantum cryptography based on multilevel intensity modulation,
A first pseudo random number generator for generating a first Running key using a first encryption key , and transmission using the first Running key generated by the first pseudo random number generator A multi-level modulation signal generator that generates data to be processed as a multi-level signal in bit units,
A second pseudo-random number generator that generates a second Running key using a second encryption key different from the first encryption key;
A first modulator that changes a phase of an optical carrier wave of data to be transmitted using the second running key generated by the second pseudorandom number generator ;
The first modulator receives an optical carrier whose phase is changed, and generates an optical signal in which the optical intensity base of the optical carrier is changed by the multilevel signal generated by the multilevel modulation signal generator. A second modulator that
The first modulator is a Mach-Zehnder phase modulator;
The multilevel voltage of the second running key is input to the electrical signal input port of the Mach-Zehnder phase modulator, and the phase of the optical carrier is randomly changed according to the multilevel voltage value of the second running key. The optical transmission device according to claim 4.
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