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技術 高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 佐藤俊哉松尾慎治瀬川徹重川直輝加藤和利榎木孝知
出願日 2011年5月19日 (8年6ヶ月経過) 出願番号 2011-112530
公開日 2012年12月10日 (7年0ヶ月経過) 公開番号 2012-242606
状態 特許登録済
技術分野 光の変調 暗号化・復号化装置及び秘密通信 特定演算一般(初等関数/乱数発生/非基数)
主要キーワード 履歴関係 高精度性 カオス状態 カオス現象 論理処理回路 カオス信号 カオス性 スイッチ光
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この項目の情報は公開日時点(2012年12月10日)のものです。
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図面 (10)

課題

ステム全体の簡素化が可能で、高速乱数生成要求にも対応できる乱雑性の高い乱数を生成する。

解決手段

高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossからの信号光に時間T−1の遅延を付与して位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−1の2つの干渉アーム中を伝搬する信号光に位相差を生じさせ、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossからの信号光に時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与して位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−2の2つの干渉アーム中を伝搬する信号光に位相差を生じさせ、光出力ポートP−MZ−2−crossからの信号光を位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−1の2つの干渉アーム中を伝搬するクロック信号光に位相差を生じさせる。

概要

背景

従来、乱数を生成する方法としては、大まかに言って3つの方法が提案されている。第1の乱数生成方法は、乱数発生プログラムに基づき計算により乱数を生成するものである。第2の乱数生成方法は、電子回路内在する物理的な雑音を基に乱数を生成するものである。

第3の乱数生成方法は、(1)カオスレーザー非特許文献1参照)や、(2)レーザー光をE/O(Electrical/Optical)変調器を用いて一定時間前出力パワーに応じて強度変調するO/E(Optical/Electrical)変換遅延フィードバック電気回路を持つ光カオス信号源(特許文献1参照)や、(3)熱光学効果により2つの干渉アーム光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置(特許文献2参照)などからの出力カオス信号を基に乱数を生成するものである。

上記の第1、第2の乱数生成方法には、実用の電子デバイス動作周波数(非特許文献2参照)に基づく生成速度限界があり、10Gb/sを超える高速信号生成には十分に対応することができない状況にある。

非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成においては、格段に高速な乱数生成が可能であるとの報告があるが、カオス・レーザーシステムの複雑さのために再現性を確保することが難しく、また、光ファイバ部等を含むシステム構成で有るためにシステム全体を集積化、小型化することも難しい。

加えて、カオス・レーザーによって生成される乱数は、光共振器を用いることに起因した周期性や従来よく知られたカオス生成メカニズムに基づき生成された信号であるため、出力信号光カオス性が認められるものの、乱雑性の上では不完全さがあり、熱雑音等と同様な「ランダムな」信号となっている訳ではない。

このため、非特許文献1の例では、まず2系統カオス的出力光信号を用意し、この2系統のカオス的出力光信号に対して1ビットAD変換を施した後にXOR論理演算処理を施す、という論理演算等の後処理で信号の乱雑性を高めることが必要とされる。このため、後処理の論理演算部を含む複雑で大きなシステムとなることが避けられない。

特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成においても、光ファイバ部や高周波電気増幅器等を含むシステム構成が必要なために、システム全体を集積化することが難しい。
特許文献2に開示された光カオス乱数発生装置においては、熱光学効果に基づく制御速度(数ms)に基づく乱数生成速度の限界があり、加えて温度制御部、デジタルデータ処理部、記憶装置等々から構成されるため、装置全体を集積化することが難しいといった課題がある。

概要

システム全体の簡素化が可能で、高速の乱数生成要求にも対応できる乱雑性の高い乱数を生成する。高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossからの信号光に時間T−1の遅延を付与して位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−1の2つの干渉アーム中を伝搬する信号光に位相差を生じさせ、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossからの信号光に時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与して位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−2の2つの干渉アーム中を伝搬する信号光に位相差を生じさせ、光出力ポートP−MZ−2−crossからの信号光を位相変調駆動用信号光とし、変調部MZ−1の2つの干渉アーム中を伝搬するクロック信号光に位相差を生じさせる。

目的

本発明の目的は、デバイスモデリング金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法において、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした超高速の光乱数生成要求にも対応することができる、乱雑性の高い乱数を生成可能な高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

RZ型クロック信号光を入力する第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1と、前記RZ型クロック信号光を入力する第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2と、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統分波する第1の光分波手段SP−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を4系統に分波する第2の光分波手段SP−2と、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第1の位相変調手段へと導く第1の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の第2の位相変調手段へと導く第2の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の残りの2系統を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第3の位相変調手段へと導く第3の光導波路とを備え、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延手段D−T−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延手段D−T−2との内の少なくとも一方を備え、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1は、前記RZ型クロック信号光を受ける第1の光入力ポートP−MZ−1−1と、この第1の光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第1の干渉アームと、この2つの第1の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第1の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1と、この第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第3の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2とから構成され、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2は、前記RZ型クロック信号光を受ける第2の光入力ポートP−MZ−2−1と、この第2の光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第2の干渉アームと、この2つの第2の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、前記2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第2の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第2の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第2の位相変調手段R2,L2とから構成され、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路

請求項2

RZ型クロック信号光を入力する第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1と、前記RZ型クロック信号光を入力する第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2と、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第1の光分波手段SP−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第2の光分波手段SP−2−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内、前記第2の光分波手段SP−2−1と接続されていない方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第3の光分波手段SP−2−2と、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第1の位相変調手段へと導く第1の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の第2の位相変調手段へと導く第2の光導波路と、前記第3の光分波手段SP−2−2で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第3の位相変調手段へと導く第3の光導波路とを備え、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延手段D−T−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延手段D−T−2との内の少なくとも一方を備え、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1は、前記RZ型クロック信号光を受ける第1の光入力ポートP−MZ−1−1と、この第1の光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第1の干渉アームと、この2つの第1の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第1の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1と、この第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第3の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2とから構成され、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2は、前記RZ型クロック信号光を受ける第2の光入力ポートP−MZ−2−1と、この第2の光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第2の干渉アームと、この2つの第2の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、前記2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第2の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第2の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第2の位相変調手段R2,L2とから構成され、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。

請求項3

請求項1記載の高速カオス光信号生成光回路において、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第1の光伝搬遅延差付与手段D−D−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統が前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第2の位相変調手段R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第2の光伝搬遅延差付与手段D−D−2と、前記第3の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統が前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第3の光伝搬遅延差付与手段D−D−2−1とを備えることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。

請求項4

請求項2記載の高速カオス光信号生成光回路において、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第1の光伝搬遅延差付与手段D−D−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第2の位相変調手段R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第2の光伝搬遅延差付与手段D−D−2と、前記第3の光導波路に設けられ、前記第3の光分波手段SP−2−2で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第3の光伝搬遅延差付与手段D−D−2−1とを備えることを特徴とする高速カオス光信号生成光回路。

請求項5

RZ型クロック信号光を第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の第1の光入力ポートP−MZ−1−1と第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の第2の光入力ポートP−MZ−2−1とに入力し、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力することにより、前記第1の光入力ポートP−MZ−1−1から入力され前記2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、同時に、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられた第2の位相変調手段R2,L2に入力することにより、前記第2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力され前記2つの第2の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力することにより、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1によって位相変調され前記2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、さらに、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光に所定の遅延時間T−1の遅延を付与する処理と、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光に所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する処理との内の少なくとも一方を実行し、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とする高速カオス光信号生成方法

請求項6

請求項5記載の高速カオス光信号生成方法において、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光は、前記出力信号光と同一の光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。

請求項7

請求項5記載の高速カオス光信号生成方法において、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光は、前記出力信号光と異なる光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。

請求項8

請求項5記載の高速カオス光信号生成方法において、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光と前記位相変調駆動用の第3のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光とは、同一の光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。

請求項9

請求項5記載の高速カオス光信号生成方法において、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光と前記位相変調駆動用の第3のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光とは、異なる光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光であることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。

技術分野

0001

本発明は、デバイスモデリング金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法に関するものである。

背景技術

0002

従来、乱数を生成する方法としては、大まかに言って3つの方法が提案されている。第1の乱数生成方法は、乱数発生プログラムに基づき計算により乱数を生成するものである。第2の乱数生成方法は、電子回路内在する物理的な雑音を基に乱数を生成するものである。

0003

第3の乱数生成方法は、(1)カオス・レーザー非特許文献1参照)や、(2)レーザー光をE/O(Electrical/Optical)変調器を用いて一定時間前出力パワーに応じて強度変調するO/E(Optical/Electrical)変換遅延フィードバック電気回路を持つ光カオス信号源(特許文献1参照)や、(3)熱光学効果により2つの干渉アーム光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置(特許文献2参照)などからの出力カオス信号を基に乱数を生成するものである。

0004

上記の第1、第2の乱数生成方法には、実用の電子デバイス動作周波数(非特許文献2参照)に基づく生成速度限界があり、10Gb/sを超える高速信号生成には十分に対応することができない状況にある。

0005

非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成においては、格段に高速な乱数生成が可能であるとの報告があるが、カオス・レーザーシステムの複雑さのために再現性を確保することが難しく、また、光ファイバ部等を含むシステム構成で有るためにシステム全体を集積化、小型化することも難しい。

0006

加えて、カオス・レーザーによって生成される乱数は、光共振器を用いることに起因した周期性や従来よく知られたカオス生成メカニズムに基づき生成された信号であるため、出力信号光カオス性が認められるものの、乱雑性の上では不完全さがあり、熱雑音等と同様な「ランダムな」信号となっている訳ではない。

0007

このため、非特許文献1の例では、まず2系統カオス的出力光信号を用意し、この2系統のカオス的出力光信号に対して1ビットAD変換を施した後にXOR論理演算処理を施す、という論理演算等の後処理で信号の乱雑性を高めることが必要とされる。このため、後処理の論理演算部を含む複雑で大きなシステムとなることが避けられない。

0008

特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成においても、光ファイバ部や高周波電気増幅器等を含むシステム構成が必要なために、システム全体を集積化することが難しい。
特許文献2に開示された光カオス乱数発生装置においては、熱光学効果に基づく制御速度(数ms)に基づく乱数生成速度の限界があり、加えて温度制御部、デジタルデータ処理部、記憶装置等々から構成されるため、装置全体を集積化することが難しいといった課題がある。

0009

特許第2960406号公報
特許第3396883号公報

先行技術

0010

A.Uchida,et al.,“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”,Nature Photonics,vol.2,p.728-732,2008
「Tビット/秒に入るスイッチ光技術の取り組み」,日経エレクトロニクス,No.719,p.107-113,1998.6.29

発明が解決しようとする課題

0011

以上のように、第1、第2の乱数生成方法では、10Gb/sを超える高速信号生成に対応することができないという問題点があった。
非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しく、信号の乱雑性を高めるためにシステムが複雑になるという問題点があった。

0012

特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では、システムを集積化、小型化することが難しいという問題点があった。
特許文献2に開示された光カオス乱数発生装置では、高速信号生成に対応することが難しく、加えてシステム全体を集積化することが難しいという問題点があった。

0013

本発明の目的は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成するための高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法において、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした超高速の光乱数生成要求にも対応することができる、乱雑性の高い乱数を生成可能な高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0014

本発明の高速カオス光信号生成光回路は、RZ型クロック信号光を入力する第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1と、前記RZ型クロック信号光を入力する第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2と、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第1の光分波手段SP−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を4系統に分波する第2の光分波手段SP−2と、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第1の位相変調手段へと導く第1の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の第2の位相変調手段へと導く第2の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の残りの2系統を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第3の位相変調手段へと導く第3の光導波路とを備え、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延手段D−T−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延手段D−T−2との内の少なくとも一方を備え、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1は、前記RZ型クロック信号光を受ける第1の光入力ポートP−MZ−1−1と、この第1の光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第1の干渉アームと、この2つの第1の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第1の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1と、この第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第3の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2とから構成され、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2は、前記RZ型クロック信号光を受ける第2の光入力ポートP−MZ−2−1と、この第2の光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第2の干渉アームと、この2つの第2の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、前記2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第2の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第2の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第2の位相変調手段R2,L2とから構成され、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。

0015

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路は、RZ型クロック信号光を入力する第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1と、前記RZ型クロック信号光を入力する第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2と、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第1の光分波手段SP−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第2の光分波手段SP−2−1と、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内、前記第2の光分波手段SP−2−1と接続されていない方から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する第3の光分波手段SP−2−2と、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第1の位相変調手段へと導く第1の光導波路と、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の第2の位相変調手段へと導く第2の光導波路と、前記第3の光分波手段SP−2−2で分波された2系統のRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の第3の位相変調手段へと導く第3の光導波路とを備え、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延手段D−T−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延手段D−T−2との内の少なくとも一方を備え、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1は、前記RZ型クロック信号光を受ける第1の光入力ポートP−MZ−1−1と、この第1の光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第1の干渉アームと、この2つの第1の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第1の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1と、この第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第1の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第3の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2とから構成され、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2は、前記RZ型クロック信号光を受ける第2の光入力ポートP−MZ−2−1と、この第2の光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの第2の干渉アームと、この2つの第2の干渉アームの端部に設けられた前記2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、前記2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられ、前記第2の干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、前記第2の光導波路から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する前記第2の位相変調手段R2,L2とから構成され、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。

0016

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の1構成例は、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第1の光伝搬遅延差付与手段D−D−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統が前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第2の位相変調手段R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第2の光伝搬遅延差付与手段D−D−2と、前記第3の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統が前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第3の光伝搬遅延差付与手段D−D−2−1とを備えることを特徴とするものである。

0017

また、本発明の高速カオス光信号生成光回路の1構成例は、さらに、前記第1の光導波路に設けられ、前記第1の光分波手段SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第1の光伝搬遅延差付与手段D−D−1と、前記第2の光導波路に設けられ、前記第2の光分波手段SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第2の位相変調手段R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第2の位相変調手段R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第2の光伝搬遅延差付与手段D−D−2と、前記第3の光導波路に設けられ、前記第3の光分波手段SP−2−2で分波された2系統のRZ型クロック信号光が前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、前記第3の位相変調手段R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する第3の光伝搬遅延差付与手段D−D−2−1とを備えることを特徴とするものである。

0018

また、本発明の高速カオス光信号生成方法は、RZ型クロック信号光を第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の第1の光入力ポートP−MZ−1−1と第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の第2の光入力ポートP−MZ−2−1とに入力し、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力することにより、前記第1の光入力ポートP−MZ−1−1から入力され前記2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、同時に、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられた第2の位相変調手段R2,L2に入力することにより、前記第2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力され前記2つの第2の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、前記第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの前記2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力することにより、前記第1の位相変調手段R1−1,L1−1によって位相変調され前記2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、さらに、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光に所定の遅延時間T−1の遅延を付与する処理と、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光に所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する処理との内の少なくとも一方を実行し、前記第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力信号光を得ることを特徴とするものである。

0019

また、本発明の高速カオス光信号生成方法の1構成例において、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光は、前記出力信号光と同一の光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光である。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の1構成例において、前記位相変調駆動用の第1のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光は、前記出力信号光と異なる光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光である。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の1構成例において、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光と前記位相変調駆動用の第3のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光とは、同一の光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光である。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の1構成例において、前記位相変調駆動用の第2のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光と前記位相変調駆動用の第3のクロック信号光として用いられるRZ型クロック信号光とは、異なる光出力ポートから出力されたRZ型クロック信号光である。

発明の効果

0020

本発明によれば、第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの第1の光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第1のクロック信号光として、第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1内の2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第1の位相変調手段R1−1,L1−1に入力することにより、第1の光入力ポートP−MZ−1−1から入力され2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、同時に、第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第2のクロック信号光として、第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2内の2つの第2の干渉アームに1つずつ設けられた第2の位相変調手段R2,L2に入力することにより、第2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力され2つの第2の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−2の2つの第2の光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barの内のいずれか一方から出力されるRZ型クロック信号光を位相変調駆動用の第3のクロック信号光として、第1の位相変調手段R1−1,L1−1よりも後ろの2つの第1の干渉アームに1つずつ設けられた第3の位相変調手段R1−2,L1−2に入力することにより、第1の位相変調手段R1−1,L1−1によって位相変調され2つの第1の干渉アーム中を伝搬しているRZ型クロック信号光に位相差を生じさせ、さらに、位相変調駆動用の第1のクロック信号光に所定の遅延時間T−1の遅延を付与する処理と、位相変調駆動用の第2のクロック信号光に所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する処理との内の少なくとも一方を実行することにより、基本的にはカオス力学に基づき工学的に応用・実現可能な低次元カオス系を応用しつつ、カオス力学に従う系からの出力信号を応用する方式で問題となる連続する時系列の隣合う信号間の規則性を抑えてより乱雑性の高い出力信号を得ることができ、システム全体の簡素化・集積化が可能で、且つ高速化に適した光カオス方式の特性を活かした10Gb/sを超える超高速の光乱数生成要求にも対応することができる乱雑性の高い乱数を生成可能となる。本発明では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった10Gb/sを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本発明では、カオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本発明では、カオス・レーザーによる乱数生成方法や光カオス信号源による乱数生成方法のように、単独では信号の乱雑性が不十分であるために、後段論理処理回路論理処理システムを必要とし、システム全体が大きくなってしまうという問題点を解消することができる。また、本発明では、熱光学効果により2つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。また、本発明では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。

図面の簡単な説明

0021

本発明の第1の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本発明の第1の実施の形態におけるクロック信号光の光パワー変化の模式図である。
第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調部の光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調部内の位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
本発明の第1の実施の形態における光出力ポートから出力されるクロック光パルス規格化光出力強度の例を示す図である。
通常のカオスダイナミクスに従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。
第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調部の光入力ポートへの入力クロック信号光の入力タイミングおよび第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調部内の位相変調部への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
本発明の第1の実施の形態に係る高速カオス光信号生成方法に従う光信号の時系列の力学的履歴関係を示す図である。
本発明の第1の実施の形態に係る高速カオス光信号生成方法に従う光信号の時系列のリターンマップを示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。

実施例

0022

[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1,MZ−2と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の後述する光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたRZ(Return to Zero)型クロック信号光を2系統に分波する光分波部SP−1と、第2のマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の後述する光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたRZ型クロック信号光を4系統に分波する光分波部SP−2と、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延部D−T−1と、光分波部SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延部D−T−2と、光遅延部D−T−1から出力された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の後述する位相変調部R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−1と、光遅延部D−T−2から出力された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2内の後述する位相変調部R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−2と、光分波部SP−2で分波された4系統のRZ型クロック信号光の内の2系統がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の後述する位相変調部R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−2−1とから構成される。

0023

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のRZ型のクロック信号光を受ける光入力ポートP−MZ−1−1と、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの干渉アームと、この2つの干渉アームの端部に設けられた2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、光分波部SP−1で分波された2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R1−1,L1−1へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R1−1,P−L1−1と、光分波部SP−2で分波された4つの光信号の内の2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R1−2,L1−2へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R1−2,P−L1−2と、2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R1−1,P−L1−1から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R1−1,L1−1と、位相変調部R1−1,L1−1よりも後ろの2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R1−2,P−L1−2から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R1−2,L1−2とから構成される。

0024

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のRZ型のクロック信号光を受ける光入力ポートP−MZ−2−1と、この光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの干渉アームと、この2つの干渉アームの端部に設けられた2つの光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、光分波部SP−2で分波された4つの光信号の内の2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R2,L2へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R2,P−L2と、2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R2,P−L2から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R2,L2とから構成される。

0025

図1における100は一端が光入力ポートP−MZ−1−1に接続され他端が位相変調部L1−1の入力に接続された光導波路、101は一端が光導波路100に近接して配置され他端が位相変調部R1−1の入力に接続された光導波路、102は一端が位相変調部L1−1の出力に接続され他端が位相変調部L1−2の入力に接続された光導波路、103は一端が位相変調部R1−1の出力に接続され他端が位相変調部R1−2の入力に接続された光導波路、104は一端が位相変調部L1−2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−barに接続された光導波路、105は一端が位相変調部R1−2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され、一部が光導波路104と近接して配置された光導波路である。

0026

光導波路100,102,104がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の一方の干渉アームを構成し、光導波路101,103,105がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の他方の干渉アームを構成している。光導波路100と光導波路101との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路100に入力された光信号は光導波路101にも入力される。光導波路104と光導波路105との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。

0027

また、106は一端が光入力ポートP−MZ−2−1に接続され他端が位相変調部L2の入力に接続された光導波路、107は一端が光導波路106に近接して配置され他端が位相変調部R2の入力に接続された光導波路、108は一端が位相変調部L2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−2−barに接続された光導波路、109は一端が位相変調部R2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−2−crossに接続され、一部が光導波路108と近接して配置された光導波路である。

0028

光導波路106,108がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の一方の干渉アームを構成し、光導波路107,109がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の他方の干渉アームを構成している。光導波路106と光導波路107との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路106に入力された光信号は光導波路107にも入力される。光導波路108と光導波路109との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。

0029

また、110は一端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され他端が光分波部SP−1の入力に接続された光導波路、111は一端が光分波部SP−1の第1の出力に接続され他端が光遅延部D−T−1の第1の入力に接続された光導波路、112は一端が光分波部SP−1の第2の出力に接続され他端が光遅延部D−T−1の第2の入力に接続された光導波路、113は一端が光遅延部D−T−1の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、114は一端が光遅延部D−T−1の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1−1に接続された光導波路、115は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1−1に接続された光導波路である。

0030

また、116は一端が光出力ポートP−MZ−2−crossに接続され他端が光分波部SP−2の入力に接続された光導波路、117は一端が光分波部SP−2の第1の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第1の入力に接続された光導波路、118は一端が光分波部SP−2の第2の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第2の入力に接続された光導波路、119は一端が光遅延部D−T−2の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の入力に接続された光導波路、120は一端が光遅延部D−T−2の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−R2に接続された光導波路、121は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の出力に接続され他端が光入力ポートP−L2に接続された光導波路、122は一端が光分波部SP−2の第3の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の入力に接続された光導波路、123は一端が光分波部SP−2の第4の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1−2に接続された光導波路、124は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1−2に接続された光導波路である。

0031

光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力されるクロック信号光の光パワー変化を図2に示す。このように、図示しないクロック信号光源から光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のRZ型の信号光である。

0032

ここで、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分低損失半導体導波路で構成し、位相変調部として半導体光増幅器(SOA)を用いるか、或いは位相変調部として半導体EA(Electro-absorption)変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。

0033

また、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分をPLC(Planar LightwaveCircuit)で構成し、位相変調部としてSOAを用いるか、或いは位相変調部として半導体EA変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体をPLCと光半導体のハイブリッドで製作してもよい。このような光回路は、文献「T.Ito,et al.,“Bit-rate and format conversion from 10-Gbit/sWDMchannels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”,IEEProc.-Optoelectron.,Vol.151,No.1,p.41-45,February 2004」に開示されている。

0034

また、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分にフォトニック結晶導波路を用い、位相変調部として量子ドット群コア層に埋め込んだ構成を用い、全体を一体集積化して製作してもよい。このような光回路は、文献「H.Nakamura,Y.Sugimoto,K.Kanamoto,N.Ikeda,Y.Tanaka,Y.Nakamura,S.Ohkouchi,Y.Watanabe,K.Inoue,H.Ishikawa and K.Asakawa,“Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonic networks”,Optics Express,vol.12,no.26,p.6606-6614,2004」に開示されている。

0035

標準的なマッハツェンダー干渉型光強度変調部においては、干渉器を構成する2つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差が生じない状態が変調駆動が行われていない状態であり、このとき入力側の干渉アームに対して異なる側の干渉アームの光出力ポートから光信号が100%出力される。また、2つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差がπとなる状態においては、光入力ポートと同じ側の干渉アームの光出力ポートから光信号が100%出力される。

0036

したがって、図1に示した高速カオス光信号生成光回路において、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2が存在せず、クロック信号光が光入力ポートP−MZ−1−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−1−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力され、光分波部SP−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部D−D−1により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R1−1,P−L1−1から位相変調部R1−1,L1−1へと入力される。

0037

図3(A)は光入力ポートP−MZ−1−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図3(B)は位相変調部R1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図、図3(C)は位相変調部L1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図3(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp0から時系列的にある一定の遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM1と次の時間ステップのクロック光パルスpM2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、図3(C)に示すように、クロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力される。

0038

遅延ステップ時間T−1は、光遅延部D−T−1によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック信号光は、光分波部SP−1により2つに分波され光遅延部D−T−1によって遅延ステップ時間T−1に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートP−R1−1に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部D−D−1により更に遅延が付与された後に光入力ポートP−L1−1に入力される。

0039

位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスpM2が入力される直前に、光入力ポートP−R1−1から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM2の位相変調する。
一方、位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスpM2が入力された直後に、光入力ポートP−L1−1から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。

0040

結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM2の光出力強度が変調されることとなる。

0041

同様に、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp1から遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光分波部SP−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、クロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L1−1に入力される。

0042

位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスpM3が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスpM3が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM3の光出力強度が変調されることとなる。

0043

以上のようにして、クロック光パルスp(i+Ns)(Nsは1以上の整数)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された一方のクロック光パルスp(i)が位相変調部R1−1に入力され、クロック光パルスp(i+Ns+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された他方のクロック光パルスp(i)が位相変調部L1−1に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp(i+Ns+1)の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスpM2,pM3,pM4,・・・・の変調が連続して行われる。

0044

図4はマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの光強度を規格化した規格化光出力強度を示す図であり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が1.8261πである場合を示している。ただし、図4は光遅延部D−T−1を設けない場合、即ちT−1=0の場合を示している。

0045

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1−1,L1−1を設定することにより、例えば図4に示した場合のように光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。

0046

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる理由は、クロック光パルスの全光強度から、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される同じクロック光パルスの光強度を引いた残りの光強度のクロック光パルスが光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるからである。

0047

上記の光遅延部D−T−1を設けない場合、即ちT−1=0の場合、時間ステップiのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップi−1のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。

0048

しかしながら、光遅延部D−T−1を設けない場合、光出力ポートP−MZ−1−crossまたはP−MZ−1−barから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、一般的にカオス的な振る舞いをする力学系に従っている系は長期的には予測不能で乱雑な振る舞いをするが、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度には、例えば図5のリターンマップで示されるような明確な関係性・相関があり、ある時間ステップの光強度から次の時間ステップの光強度を予測することが容易となってしまうため、即ち、短期的にみて乱雑な振る舞いとなっていないためである。図5の例では、時間ステップiでの規格化光出力強度と次の時間ステップi+1での規格化光出力強度との間に相関性があることが示されている。

0049

そこで、本実施の形態においては、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の出力クロック信号光パルス列が時系列で短期的に見ると乱雑でないという問題を、付加的な論理演算処理を施すことなく解決している。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1とは別にマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2を設け、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック光パルスが位相変調部R2,L2において次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように設定し、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光と同期のとれたクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1にも入力させる。さらに、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間(クロック光パルスの周期)以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けると共に、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設ける。ここで、遅延ステップ時間T−1,T−2は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間であり、T−1≠T−2である。

0050

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−2−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力され、光分波部SP−2によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、光遅延部D−T−2により所定の遅延が付与され、さらに光伝搬遅延差付与手段D−D−2により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R2,P−L2から位相変調部R2,L2へと入力される。

0051

図6(A)は光入力ポートP−MZ−2−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図6(B)は位相変調部R2への入力信号光の入力タイミングを示す図、図6(C)は位相変調部L2への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図6(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたクロック光パルスp0から時系列的にある一定の遅延ステップ時間T−2後のクロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力される。一方、図6(C)に示すように、クロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力される。

0052

遅延ステップ時間T−2は、光遅延部D−T−2によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック信号光は光分波部SP−2により4つに分波され、その内の2つのクロック信号光に光遅延部D−T−2によって遅延ステップ時間T−2に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートP−R2に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部D−D−2により更に遅延が付与された後に光入力ポートP−L2に入力される。

0053

位相変調部R2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路106,107を介してクロック光パルスpM3が入力される直前に、光入力ポートP−R2から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
一方、位相変調部L2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路106を介してクロック光パルスpM3が入力された直後に、光入力ポートP−L2から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。

0054

結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスpM3の光出力強度が変調されることとなる。

0055

同様に、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたクロック光パルスp1から遅延ステップ時間T−2後のクロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光分波部SP−2によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R2に入力される。一方、クロック光パルスpM4と次の時間ステップのクロック光パルスpM5との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L2に入力される。

0056

位相変調部R2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路106,107を介してクロック光パルスpM4が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R2から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。
位相変調部L2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路106を介してクロック光パルスpM4が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L2から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM5の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスpM4の光出力強度が変調されることとなる。

0057

以上のようにして、クロック光パルスp(i+Qs)(Qsは1以上の整数)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Qs+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2によって分波された一方のクロック光パルスp(i)が位相変調部R2に入力され、クロック光パルスp(i+Qs+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Qs+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2によって分波された他方のクロック光パルスp(i)が位相変調部L2に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスp(i+Qs+1)の光出力強度が変調される。こうして、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2においても、クロック光パルスpM3,pM4,pM5,・・・・の変調が連続して行われる。

0058

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列とクロック・タイミングが合い、且つ光出力強度が時系列でカオス状態となる。加えて、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列に生じているカオス状態は、カオス力学的な観点で、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光のパルス列には全く影響を受けていない。

0059

このため、カオスの特徴の1つであるバタフライ効果により、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、ある時間ステップiでのパルスの光出力強度を、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、時間ステップiの直前の時間ステップi−1でのパルスの光出力強度に基づいて予測することができない状態、即ち光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光と光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光とが互いに乱雑な状態となっている。

0060

次に、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力された出力クロック信号光を光分波部SP−2で4つに分波し、位相変調部R2,L2へと導かれる2つの出力クロック信号光を除く残り2つの出力クロック信号光に対して光伝搬遅延差付与部D−D−2−1により伝搬遅延差を付与し、伝搬遅延差を付与した2つの出力クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光入力ポートP−R1−2,P−L1−2から位相変調部R1−2,L1−2へと入力する。

0061

位相変調部R1−2,L1−2は、位相変調部R1−1,L1−1とは独立に設けられ、位相変調部R1−1,L1−1から光導波路103,102を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように設定されている。このため、位相変調部R1−2,L1−2により、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなる。

0062

こうして、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態を、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態に対して畳み込むことにより、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。

0063

同時に、本実施の形態では、遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間(クロック光パルスの周期)以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設け、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設ける。

0064

遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、p(i),p(i+1),p(i+2),・・・・,p(i+Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、p(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+2Ns),p(i+2Ns+1),p(i+2Ns+2),・・・・,p(i+3Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したNs個のカオス状態のパルス列が図7のように組み合わされたものとなる。なお、Nsは、遅延ステップ時間T−1中のクロック光パルスの数であり、1以上の整数値である。

0065

このようなパルスの組み合わせにより、上記Ns個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間T−1の間、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。

0066

同様に、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、p(i),p(i+1),p(i+2),・・・・,p(i+Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とp(i+Qs),p(i+Qs+1),p(i+Qs+2),・・・・,p(i+2Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、p(i+Qs),p(i+Qs+1),p(i+Qs+2),・・・・,p(i+2Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とp(i+2Qs),p(i+2Qs+1),p(i+2Qs+2),・・・・,p(i+3Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したQs個のカオス状態のパルス列が組み合わされたものとなる。なお、Qsは、遅延ステップ時間T−2中のクロック光パルスの数であり、1以上の整数値である。

0067

このようなパルスの組み合わせにより、上記Qs個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間T−2の間、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。

0068

但し、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光パルス列において、時間ステップiのクロック光パルスと時間ステップi+Ns+1のクロック光パルスとの間には、図5に示したような明確な関係性が残ったままとなる。即ち、図5は時間ステップiでの光出力強度と次の時間ステップi+1での光出力強度との間の関係を示すものであるが、このような関係は時間ステップiと時間ステップi+Ns+1との間でも成り立つ。

0069

一方、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光パルス列の場合、時間ステップiの時点から見て時間ステップi+Ns+1の光出力強度が予測可能性のより低下した乱雑性のより高い振る舞いをするようになっている。この光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列を用いてマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の位相変調部R1−2,L1−2を駆動することにより、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いに、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の乱雑さを畳み込むことができる。

0070

その結果、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と光分波部SP−1と光遅延部D−T−1と光伝搬遅延差付与部D−D−1とからなる光回路部を単独で駆動させた場合に見られた、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度の関係性を、図8に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。

0071

本実施の形態では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった10Gb/sを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化とを実現することができる。

0072

また、本実施の形態では、特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法や特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成方法のように、単独では信号の乱雑性が不十分であるために、後段の論理処理回路や論理処理システムを必要とし、システム全体が大きくなってしまうという問題点を解消することができる。

0073

また、本実施の形態では、熱光学効果により2つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。

0074

また、本実施の形態では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。

0075

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図9は本実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第1の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路における光分波部SP−2の代わりに、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される光信号を2つに分波する光分波部SP−2−1と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−barから出力される光信号を2つに分波する光分波部SP−2−2とを設けたものである。

0076

図9における125は一端が光出力ポートP−MZ−2−crossに接続され他端が光分波部SP−2−1の入力に接続された光導波路、126は一端が光分波部SP−2−1の第1の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第1の入力に接続された光導波路、127は一端が光分波部SP−2−1の第2の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第2の入力に接続された光導波路、128は一端が光出力ポートP−MZ−2−barに接続され他端が光分波部SP−2−2の入力に接続された光導波路、129は一端が光分波部SP−2−2の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の入力に接続された光導波路、130は一端が光分波部SP−2−2の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1−2に接続された光導波路である。

0077

マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2−1によって2つに分波された出力クロック信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2における位相変調駆動用のクロック信号光として位相変調部R2,L2に入力される。一方、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−barから出力され光分波部SP−2−2によって2つに分波された出力クロック信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1における位相変調駆動用のクロック信号光として位相変調部R1−2,L1−2に入力される。

0078

本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作は第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

0079

なお、第1、第2の実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1の入力とを接続しているが、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1の入力とを接続するようにしてもよい。また、光出力ポートP−MZ−2−barと光分波部SP−2,SP−2−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−2−crossと光分波部SP−2−2の入力とを接続するようにしてもよい。

0080

また、第1、第2の実施の形態では、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−R1−2と接続しているが、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−L1−2と接続し、光分波部SP−2,SP2−2の出力のうち光伝搬遅延差付与部D−D−2−1による光伝搬遅延が付与されていない方の出力を光入力ポートP−R1−2と接続するようにしてもよい。

0081

また、第1、第2の実施の形態では、光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2の両方を設ける場合について説明しているが、光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2のうちどちらか一方だけを設ける場合でも、超高速の光乱数生成要求に対応可能で、乱雑性の高い乱数を生成可能であるという効果を得ることができる。このときの効果の大きさは、(光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2の両方を設ける場合)>(光遅延部D−T−2を無くし光遅延部D−T−1だけを設ける場合)≧(光遅延部D−T−1を無くし光遅延部D−T−2だけを設ける場合)、という大小関係となる。

0082

なお、第1、第2の実施の形態において、同一のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光をあらかじめ分波して光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力するようにしてもよいし、第1のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−1−1に入力すると共に第1のクロック信号光源と同期している第2のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1に入力するようにしてもよい。

0083

また、第1、第2の実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から得るようにすればよい。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、出力信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。

0084

本発明は、デバイスモデリング、金融デリバティブ計算、気象シミュレーション等の計算を行う計算器に用いられる乱数や、秘密鍵共有の暗号システムに用いられる乱数、あるいは量子暗号通信に用いられる乱数などを生成する技術に適用することができる。

0085

MZ−1,MZ−2…マッハツェンダー干渉型光強度変調部、SP−1,SP−2,SP−2−1,SP−2−2…光分波部、D−T−1,D−T−2…光遅延部、D−D−1,D−D−2,D−D−2−1…光伝搬遅延差付与部、P−MZ−1−1,P−R1−1,P−L1−1,P−R1−2,P−L1−2,P−MZ−2−1,P−R2,P−L2…光入力ポート、R1−1,R1−2,L1−1,L1−2,R2,L2…位相変調部、P−MZ−1−cross,P−MZ−1−bar,P−MZ−2−cross,P−MZ−2−bar…光出力ポート、100〜130…光導波路。

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