データ送信装置及びデータ受信装置
【課題】盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ、天文学的な計算量に基づく秘匿性の高いデータ通信装置を提供する。
【解決手段】多値符号発生部１１１は、所定の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２を発生する。多値処理部１１２は、情報データ１０と多値符号列１２とを合成し、情報データ１０と多値符号列１２との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号１３を生成する。変調部１１３において、光源１１４は、多値信号１３に基づいて半導体レーザを直接変調して変調信号２０を生成する。角度変調部１１５２は、信号源１１５１が出力した信号に基づいて、変調信号２０に角度変調を施して、変調信号１４を出力する。
【解決手段】多値符号発生部１１１は、所定の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２を発生する。多値処理部１１２は、情報データ１０と多値符号列１２とを合成し、情報データ１０と多値符号列１２との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号１３を生成する。変調部１１３において、光源１１４は、多値信号１３に基づいて半導体レーザを直接変調して変調信号２０を生成する。角度変調部１１５２は、信号源１１５１が出力した信号に基づいて、変調信号２０に角度変調を施して、変調信号１４を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密通信を実現する構成が一般的に採用されている。
【０００３】
これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その中の１つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。特許文献１には、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置が開示されている。
【０００４】
図７は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図である。図７において、従来のデータ通信装置９は、送信部９０１と、受信部９０２とが、光伝送路９１０を介して接続された構成である。送信部９０１は、多値符号発生部９１１と、多値処理部９１２と、変調部９１３とを備える。受信部９０２は、復調部９１５と、多値符号発生部９１４と、識別部９１６とを備える。なお、送信部９０１と受信部９０２とは、同じ内容の鍵情報９１、９６を予め共有しているものとする。
【０００５】
送信部９０１において、多値符号発生部９１１は、鍵情報９１に基づいて、“０”から“Ｍ−１”までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列９２を生成する。多値処理部９１２は、情報データ９０と多値符号列９２とを合成し、情報データ９０と多値符号列９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号を多値信号９３として生成する。具体的には、多値処理部９１２は、図８に示す信号フォーマットを用いて、強度変調信号である多値信号９３を生成する。すなわち、多値処理部９１２は、多値符号列９２の信号強度を２Ｍ個のレベルに分け、これらのレベルを２つずつＭ個の組み合わせとし、各組み合わせの一方のレベルに情報データ９０の“０”を、他方のレベルに“１”を割り当てる。多値処理部９１２は、２Ｍ個のレベル全体では、情報データ９０の“０”と“１”とが均等に分布するように、各レベルに“０”と“１”とを割り当てる。この例では、各レベルに“０”と“１”とが交互に割り当てられている。
【０００６】
多値処理部９１２は、入力される多値符号列９２の値に基づいて、多値符号列９２のＭ個のレベルの組み合わせの中から１つの組み合わせを選択する。次に、多値処理部９１２は、情報データ９０の値に基づいて、先ほど選択した多値符号列９２の組み合わせの中から一方のレベルを選択し、当該選択したレベルを有する多値信号９３を生成する。なお、特許文献１には、多値符号発生部９１１が「送信用疑似乱数発生部」として、多値処理部９１２が「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」として、変調部９１３が「レーザダイオード」として、復調部９１５が「フォトディテクタ」として、多値符号発生部９１４が「受信用疑似乱数発生部」として、識別部９１６が「判定回路」として記載されている。
【０００７】
図９は、従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図である。ここでは、Ｍ＝４の場合の信号変化を図９（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。例えば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、情報データ９０の値が“０，１，１，１”と、多値符号列９２の値が“０，３，２，１”と変化する場合、多値信号９３は、図９（ｃ）に示すように、情報データ９０と多値符号列９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号となる（図９（ｃ）参照）。変調部９１３は、多値信号９３を光強度変調信号である変調信号９４に変換し、光伝送路９１０を介して送信する。
【０００８】
また、受信部９０２において、復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送されてきた変調信号９４を光電変換し、多値信号９５として出力する。多値符号発生部９１４は、鍵情報９６に基づいて、多値符号列９２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列９７を生成する。識別部９１６は、多値符号列９７の値に基づいて、多値信号９５に図８に示す信号レベルの組み合わせのうちどちらが用いられているかを判断し、組み合わせに含まれる２つの信号レベルを２値識別する。
【０００９】
具体的には、識別部９１６は、図９（ｅ）に示すように、多値符号列９７の値に基づいて識別レベルを設定し、多値信号９５が識別レベルよりも大きい（上）か、あるいは小さい（下）かを判断する。この例では、識別部９１６は、“下、下、上、下”と識別している。次に、識別部９１６は、多値符号列９７が偶数の場合は、下側が“０”、上側が“１”、奇数の場合は、下側が“１”、上側が“０”と判定し、情報データ９８として出力する。この例では、多値符号列９７は、“偶数，奇数，偶数，奇数”となっているため、情報データ９８は“０，１，１，１”となる。なお、多値信号９５には、雑音が含まれているが、信号強度を適切に選ぶことで、２値識別における誤りの発生を無視できる程度に抑えることができる。
【００１０】
次に、想定される盗聴について説明する。盗聴者は、送信者と受信者とが共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号９４から情報データ９０または鍵情報９１の解読を試みることになる。盗聴者は、正規受信者と同様の２値識別を行う場合、鍵情報を持っていないため、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる必要がある。このような方法は、試行回数が鍵情報の長さに対して指数関数的に増大するため、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。
【００１１】
そこで、より効率的な盗聴方法として、盗聴者は、図７に示すような盗聴受信部９０３を用いて、変調信号９４から情報データ９０又は鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。盗聴受信部９０３において、復調部９２１は、光伝送路９１０から分岐して得られる変調信号９４を復調し、多値信号９５を再生する。多値識別部９２２は、多値信号８１を多値識別し、得られた情報を受信系列８２として出力する。解読処理部９２３は、受信系列８２に対して解読処理を行い、情報データ９０又は鍵情報９１の特定を試みる。このような解読方法を用いた場合、盗聴受信部９０３は、受信系列８２を誤り無く多値識別することができれば、得られた受信系列８２から１回の試行で鍵情報９１を解読することが可能となる。
【００１２】
しかし、復調部９２１で光電変換する際に、ショット雑音が発生し、多値信号８１に重畳される。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。ここで、多値信号の信号レベルの間隔（以下、ステップ幅と称する）をショット雑音のレベルよりも十分に小さくしておけば、識別誤りによって受信した多値信号が正しい信号レベル以外の様々な多値レベルを取る可能性が無視できなくなる。よって盗聴者は、正しい信号レベルが、識別によって得られた信号レベル以外の値である可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
【特許文献１】特開２００５−５７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来のデータ通信装置９においては、盗聴者の受信方法によっては、容易に鍵情報９６及び情報データ９８を解読される可能性が残されている。送信部９０１において、変調部９１３は、例えば半導体レーザで構成される。一般的に、半導体レーザは、注入電流が一定であるという条件下において、所定の光周波数ｆ０を有する光を発振する。また、半導体レーザに注入される電流が振幅変調されると、同時に半導体レーザが出力する光の周波数が変調されるので、半導体レーザは、光強度変調信号と共に、光周波数ｆ０を中心とした光周波数変調成分を出力する。すなわち、変調部９１３を光強度変調する事で、半導体レーザへの注入電流に比例した光周波数変調成分が生成される。従って、多値信号９３によって、半導体レーザを直接変調する場合、多値信号９３のレベルに比例した光周波数変調成分が、変調信号９４には含まれることになる。なお、光周波数変調成分と、注入電流との間の比例係数は、半導体レーザの種類に依存する。
【００１４】
ところで、光周波数変調成分の検波方法の１つとして、光ヘテロダイン検波が知られている。図１０は、光ヘテロダイン検波を行う際の光ヘテロダイン検波受信器９３０の一例を示したブロック図である。図１０において、光ヘテロダイン検波受信器９３０は、光源９３１と、受光部９３２とを含んで構成される。光ヘテロダイン検波受信器９３０において、光周波数変調成分を含んだ受信光信号８３（光周波数ｆａを中心とした光信号とする）と、光源９３１から出力された無変調光８４（光周波数ｆｂを中心とした光信号とする）とが受光部９３２へ入力される。
【００１５】
受光部９３２は、例えば、自乗検波特性を有するフォトダイオード等で構成される。受光部９３２は、入力された２つの光信号の光周波数差に相当する周波数（｜ｆａ―ｆｂ｜）において、受信光信号８３と無変調光８４との差ビート信号として、受信光信号８３をダウンコンバートした差ビート信号８５を出力する。すなわち、差ビート信号８５には、受信光信号８３の光周波数変調成分が含まれる事になる。この様にして、光周波数変調成分を復調する検波方法が、光ヘテロダイン検波と呼ばれている。それ故に、受信光信号８３に対して、光ヘテロダイン検波を施す事で、光周波数変調成分を観測する事が可能となる。
【００１６】
従って、盗聴者が復調部９２１として、光ヘテロダイン検波受信器９３０を用いれば、変調信号９４に含まれる、多値信号９３に比例した光周波数変調成分を復調する事が可能となる。特に変調部９１３として使用する半導体レーザの種類によっては、光周波数変調成分の振幅が大きくなり、高い信号対雑音電力比（以下ＳＮＲと記述する）で、盗聴者が光周波数変調成分を識別できる可能性がある。盗聴者が光周波数変調成分を識別できた場合、解読処理に要する計算量は減少し、データ通信装置１の安全性が低下してしまう。
【００１７】
それ故に、本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、半導体レーザを直接変調した場合においても、盗聴に対する安全性が低下しない、データ送信装置、及び、データ受信装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、情報データと多値符号列とを合成し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号を所定の変調形式で変調して、変調信号として出力する変調部とを備える。変調部は、多値信号を光信号に変換する光源と、光源が出力した光信号に角度変調を施す変調調整部とを含む。
【００１９】
好ましくは、変調調整部は、所定の信号を出力する信号源と、信号源が出力した信号に基づいて、光信号に角度変調を施す角度変調部とを有する。
【００２０】
好ましくは、所定の信号は、２つ以上の異なる周波数を有する信号が多重された周波数多重信号である。また、所定の信号は、白色雑音であってもよい。
【００２１】
また、変調調整部は、光源が出力した光信号から光周波数変調成分を検出する光周波数変調成分検出部と、検出された光周波数変調成分を打ち消すように、光源が出力した光信号に角度変調を施す角度変調部とを有する構成であってもよい。
【００２２】
好ましくは、変調部は、変調調整部の後段に接続され、所定の鍵情報に基づいて、変調調整部が出力する信号に波長分散を与える波形調整部をさらに含む。
【００２３】
波形調整部は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第２の多値符号発生部と、第２の多値符号発生部が発生させた多値符号列の値に応じて、変調調整部の出力信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散発生部とを有する。
【００２４】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、送信装置から受信した変調信号を復調し、多値信号として出力する復調部と、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する多値識別部とを備える。復調部は、所定の鍵情報に基づいて、変調信号に所定の波長分散を与える波長調整部と、波長調整部から出力される光信号を光電変換し、多値信号として出力する受光部とを含む。
【００２５】
好ましくは、波長調整部は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する第２の多値符号発生部と、第２の多値符号発生部が生成した多値符号列の値に応じて、変調信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散補償部とを有する。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明のデータ通信装置によれば、多値信号に基づいて半導体レーザを直接変調して生成される変調信号に対して、所定の信号に基づいた角度変調（周波数変調または位相変調）を施すことで、盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化することができる。これによって、盗聴者に対して光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による多値信号の抽出を不可能にする事ができる。また、所定の信号として、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号や、白色雑音を用いることで、さらに盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出することを困難化することができる。また、変調信号に含まれる光周波数変調成分を相殺することで、盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成例を示すブロック図である。図１において、データ通信装置１は、データ送信装置１０１（以下、送信部１０１と記す）と、データ受信装置２０１（以下、受信部２０１と記す）とが、伝送路１５０を介して接続された構成である。送信部１０１は、多値符号化部１１０と、変調部１１３とを備える。ただし、多値符号化部１１０は、多値符号発生部１１１と、多値処理部１１２とを含む。また、変調部１１１３は、光源１１４と、変調調整部１１５とを有する。変調調整部１１５は、信号源１１５１と、角度変調部１１５２とを持つ。
【００２８】
受信部２０１は、復調部２１１と、多値符号化部２１２とを備える。ただし、多値符号化部２１２は、多値符号発生部２１３と、多値識別部２１４とを含む。伝送路１５０には、光ファイバケーブル等の光導波路が用いられる。
【００２９】
まず、送信部１０１と受信部２０１とは、予め同じ内容の第１の鍵情報１１と第２の鍵情報１６とを共有しておく。送信部１０１において、多値符号発生部１１１は、第１の鍵情報１１に基づいて、多値の疑似乱数系列である多値符号列１２を発生する。多値処理部１１２には、情報データ１０と、多値符号列１２とが入力される。多値処理部１１２は、所定の手順に従って、情報データ１０と多値符号列１２とを合成し、情報データ１０と多値符号列１２との組み合わせに対応したレベルを有する多値信号１３を生成する。
【００３０】
多値信号１３は、変調部１１３に入力される。変調部１１３において、光源１１４は、多値信号１３に基づいた直接変調が施され、第１の変調信号（光信号）２０を出力する。光源１１４は、例えば、半導体レーザで構成される。第１の変調信号２０は、多値信号１３の信号レベルに比例した光強度変調成分と、光周波数変調成分とを含んだ信号となる。
【００３１】
第１の変調信号２０は、変調調整部１１５に入力される。変調調整部１１５は、第１の変調信号２０に角度変調を施して、第２の変調信号１４を出力する。具体的には、変調調整部１１５は、信号源１１５１と、角度変調部１１５２とを含んで構成される。信号源１１５１は、所定の信号を出力する。角度変調部１１５２には、第１の変調信号２０、及び信号源１１５１から出力された所定の信号が入力される。角度変調部１１５２は、例えば、光位相変調器で構成される。角度変調部１１５２は、信号源１１５１からの出力信号に基づいて、入力された第１の変調信号２０に対して角度変調を施し、第２の変調信号１４として出力する。
【００３２】
ここで、例えば、角度変調部１１５２に正弦波Ｉ＝Ｉ０・ｓｉｎ（Ω・ｔ）で表される光信号が入力されたとする。角度変調部１１５２が、入力された光信号を単一正弦波θ＝β・ｓｉｎ（ω・ｔ）で表される信号で位相変調を施した場合について考える。この時、位相変調された信号は、（式１）のように表現される。
【数１】
【００３３】
ここで、Ｊｎはｎ次のベッセル関数である。すなわち、単一正弦波に基づいて、入力された光信号に対して位相変調を施した場合、無変調光を中心に、単一正弦波の周波数ω間隔で側帯波が生成される。次に、入力された光信号に対して、２つの異なる周波数（ω１、及びω２）を有する周波数多重された信号で位相変調を施した場合、位相変調された信号は、（式２）のように表現される。
【数２】
【００３４】
（式２）は、周波数ω１の信号による位相変調で生じる各側波帯スペクトルが、周波数ω２の信号で更に位相変調を受けているという事を表している。すなわち、周波数多重する信号を増加させる程、互いの側波帯に位相変調を施す事になる。従って、信号源１１５１が、例えば、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源等であると想定すると、角度変調部１１５２は、周波数多重信号に基づいて、第１の変調信号２０に対して位相変調（または周波数変調）を施す事が可能となる。すなわち、変調調整部１１５は、第１の変調信号２０に存在する光源１１４から出力された光周波数変調成分の特定を難くする事ができる。
【００３５】
復調部２１１は、入力された第２の変調信号１４を光電変換し、多値信号１５として出力する。ここで、復調部２１１は、第２の変調信号１４に対して、直接検波を行うため、変調調整部１１５で加えた角度変調成分は抽出されず、強度変調成分のみを抽出する事が可能となる。
【００３６】
多値符号発生部２１３は、第２の鍵情報１６に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列１７を生成する。多値識別部２１４は、多値符号列１７に基づいて、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、当該識別結果を情報データ１８として出力する。なお、多値信号１５には雑音が含まれているが、多値識別部２１４は、信号強度を適切に選ぶ事で、２値識別における誤りの発生を無視できる程度に抑える事が可能となる。
【００３７】
次に、想定される盗聴動作について説明する。盗聴者は、光源１１４が直接変調される事で生じる光周波数変調成分を識別し、第２の変調信号１４から情報データ１０、または第１の鍵情報１１の解読を試みる。この場合、盗聴者は、例えば、光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）により、第２の変調信号１４に含まれる光周波数変調成分の特定を試みる。しかしながら、変調調整部１１５において、第２の変調信号１４には、光源１１４で発生する光周波数変調成分と共に、周波数多重された信号に基づいた光位相変調成分が加えられているため、盗聴者が光周波数変調成分を特定するのは非常に困難となる。従って、データ通信装置１は、従来の暗号装置とは異なり、光ヘテロダイン検波により情報データ１１、もしくは第１の鍵情報１１を特定する事が極めて困難となる。
【００３８】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１によれば、多値信号１３に基づいて半導体レーザを直接変調して生成される変調信号２０に対して、所定の信号に基づいた角度変調を施す事で、盗聴者が変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化させる事ができる。これによって、盗聴者に対して光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による多値信号１３の抽出を不可能にする事ができる。
【００３９】
なお、本実施例では、信号源１１５１が、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源としたが、例えば、信号源１１５１の代わりに白色雑音源１１５３を設ける構成にしてもよい。図２は、白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置１ａの構成の一例を示すブロック図である。図２において、白色雑音源１１５３は、全ての周波数成分を一様に持つ白色雑音を発生させる。このような構成のデータ通信装置１ａは、白色雑音が全ての周波数成分を有しているため、盗聴者による光周波数変調成分の抽出をより困難にすることができる。
【００４０】
また、本実施例では、変調調整部１１５が、信号源１１５１の代わりに、光周波数変調成分検出部１１５４を設ける構成であっても良い。図３は、光周波数変調成分検出部１１５４を設けた場合のデータ通信装置１ｂの構成の一例を示すブロック図である。図３において、光周波数変調成分検出部１１５４は、光源１１４から出力された第１の変調信号２０の一部を受信し、予め第１の変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を検出する。
【００４１】
光周波数変調成分検出部１１５４は、検出した光周波数変調成分から、第１の変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を打ち消すために必要な信号を角度変調部１１５２へ出力する。このため、第１の変調信号２０に含まれていた光周波数変調成分が、第２の変調信号１４には存在しなくなる。これによって、データ通信装置１ｂは、盗聴者が、第２の変調信号１４から光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による光周波数変調成分の検出を試みても不可能となり、盗聴に対する安全性を向上させる事が可能となる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成の一例を示すブロック図である。ただし、図１と同じ構成要素については同じ参照符号を用い、詳しい説明を省略する。図４において、データ送信装置１０２（以下、送信部１０２と記す）は、変調部１１３ｘの構成が、第１の実施形態と異なる。変調部１１３ｘは、光源１１４及び変調調整部１１５に加えて、波形調整部１１６をさらに含む。波形調整部１１６は、多値符号発生部１１６１と、可変分散発生部１１６２とを有する。
【００４３】
データ受信装置２０２（以下、受信部２０２と記す）は、復調部２１１ｘの構成が、第１の実施形態とは異なる。図５は、復調部２１１ｘの構成の一例を示すブロック図である。図５において、復調部２１１ｘは、波形調整部２１６と、受光部２１７とを含む。ただし、波形調整部２１６は、多値符号発生部２１６１と、可変分散補償部２１６２とを有する。
【００４４】
すなわち、本発明の第２の実施形態に係わるデータ通信装置２は、上述した第１の実施形態に係るデータ通信装置１と比較して、送信部１０２に波形調整部１１６と、受信部２０２に波形調整部２１６とを加えた構成となっている。従って、基本的な動作は第１の実施形態とほぼ同様である。そのため、以下には、第１の実施形態との相違点を中心に、第２の実施形態のデータ通信装置２の動作を説明する。
【００４５】
まず、送信部１０２と受信部２０２とは、予め全て同じ内容の第１の鍵情報１１と、第２の鍵情報１６と、第３の鍵情報２１と、第４の鍵情報２２とを共有しておく。送信部１０２において、波形調整部１１６は、多値符号発生部１１６１と、可変分散発生部１１６２とを含んで構成される。多値符号発生部１１６１は、第３の鍵情報２１に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列２３を生成する。可変分散発生部１１６２は、入力された第２の変調信号１４に対して、多値符号列２３に基づいた波長分散を与え、第３の変調信号２４として出力する。波長分散とは、光ファイバ等の媒質中を伝搬する際に波長によって光の伝搬速度が異なる（すなわち、光周波数変調成分毎に遅延時間に差が生じる）現象である。この波長分散を利用し、可変分散発生部１１６２は、第２の変調信号１４の光周波数成分毎の遅延時間の差を更に広げる事ができる。
【００４６】
受信部２０２において、波形調整部２１６は、多値符号発生部２１６１と、可変分散補償部２１６２とを含んで構成される。多値符号発生部２１６１は、第４の鍵情報２２に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列２５を生成する。可変分散補償部２１６２は、多値符号列２５に基づいて、補償する波長分散量を決定し、伝送路１５０を介して伝送されてきた第３の変調信号２４に対して波長分散を加え、第４の変調信号２６として出力する。
【００４７】
ここで、可変分散補償部２１６２が、入力される多値符号列２５の値に応じて補償する波長分散量と、可変分散発生部１１６２が、入力される多値符号列２３の値に応じて加える波長分散量との値を略一致させておく事で、可変分散発生部１１６２が加えた波長分散の影響を、可変分散補償部２１６２が取り除く事が可能となる。
【００４８】
受光部２１７は、入力された第４の変調信号２６を光電変換し、多値信号１５として出力する。ここで、受光部２１７は、第４の変調信号２６に対して、直接検波を行うため、変調調整部１１５において加えた角度変調成分は抽出されず、強度変調成分のみを抽出する事が可能となる。
【００４９】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２によれば、波形調整部１１６が共有された鍵情報に基づいて変調信号１４に波長分散の影響を加える事で、盗聴者が除去できない波形歪みを与える事ができる。これによって、盗聴者に対して解読処理に要する計算量を増大させ、結果として盗聴に対する安全性を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施例では、可変分散補償部２１６２において、補償する波長分散量を多値符号列２５に基づいて決定するとしたが、可変分散補償部２１６２に、予め伝送路１５０において発生する波長分散量を加えておき、さらに、多値符号列２５に基づいた波長分散量を補償する事にしても良い。この様な構成にする事で、伝送路１５０の距離に応じて発生する波長分散の影響も含めて、可変分散補償部２１６２にて補償する事ができ、多値識別部２１４において、より正確に多値信号１５のレベルを識別する事が可能となる。
【００５１】
また、本実施例では、信号源１１５１が、複数の異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源としたが、例えば、信号源１１５１の代わりに白色雑音源１１５３を設ける構成にしてもよい。図６は、白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置２ａの構成の一例を示すブロック図である。図６において、白色雑音源１１５３は、全ての周波数成分を一様に持つ白色雑音を発生させる。このような構成のデータ通信装置２ａは、白色雑音が全ての周波数成分を有しているため、盗聴者による光周波数変調成分の抽出をより困難にすることができる。
【００５２】
また、本実施例では、第１〜第４の鍵情報は全て同じ内容であると説明したが、第１の鍵情報１１と第２の鍵情報１６とが同じ内容であり、第３の鍵情報２１と第４の鍵情報２２とが同じ内容であれば、第１〜第４の鍵情報は全て同じ内容である必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係るデータ送信装置、及び、データ受信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成例を示すブロック図
【図２】白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置１ａの構成の一例を示すブロック図
【図３】光周波数変調成分検出部１１５４を設けた場合のデータ通信装置１ｂの構成の一例を示すブロック図
【図４】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置３の構成の一例を示すブロック図
【図５】復調部２１１ｘの構成の一例を示すブロック図
【図６】白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置２ａの構成の一例を示すブロック図
【図７】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図
【図８】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号の信号フォーマットを示す図
【図９】従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図
【図１０】光ヘテロダイン検波を行う際の光ヘテロダイン検波受信器９３０の一例を示したブロック図
【符号の説明】
【００５５】
１〜２ データ通信装置
１０１、１０２ データ送信装置（送信部）
１１０ 多値符号化部
１１１ 多値符号発生部
１１２ 多値処理部
１１３ 変調部
１１４ 光源
１１５ 変調調整部
１１５１ 信号源
１１５２ 角度変調部
１１５３ 白色雑音源
１１５４ 光周波数変調成分検出部
１１６ 波形調整部
１１６１ 多値符号発生部
１１６２ 可変分散発生部
１５０ 伝送路
２０１、２０２ データ受信装置（受信部）
２１１ 復調部
２１２ 多値符号化部
２１３ 多値符号発生部
２１４ 多値識別部
２１５ 復調部
２１６ 波形調整部
２１６１ 多値符号発生部
２１６２ 可変分散補償部
２１７ 受光部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密通信を実現する構成が一般的に採用されている。
【０００３】
これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その中の１つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。特許文献１には、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置が開示されている。
【０００４】
図７は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図である。図７において、従来のデータ通信装置９は、送信部９０１と、受信部９０２とが、光伝送路９１０を介して接続された構成である。送信部９０１は、多値符号発生部９１１と、多値処理部９１２と、変調部９１３とを備える。受信部９０２は、復調部９１５と、多値符号発生部９１４と、識別部９１６とを備える。なお、送信部９０１と受信部９０２とは、同じ内容の鍵情報９１、９６を予め共有しているものとする。
【０００５】
送信部９０１において、多値符号発生部９１１は、鍵情報９１に基づいて、“０”から“Ｍ−１”までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列９２を生成する。多値処理部９１２は、情報データ９０と多値符号列９２とを合成し、情報データ９０と多値符号列９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号を多値信号９３として生成する。具体的には、多値処理部９１２は、図８に示す信号フォーマットを用いて、強度変調信号である多値信号９３を生成する。すなわち、多値処理部９１２は、多値符号列９２の信号強度を２Ｍ個のレベルに分け、これらのレベルを２つずつＭ個の組み合わせとし、各組み合わせの一方のレベルに情報データ９０の“０”を、他方のレベルに“１”を割り当てる。多値処理部９１２は、２Ｍ個のレベル全体では、情報データ９０の“０”と“１”とが均等に分布するように、各レベルに“０”と“１”とを割り当てる。この例では、各レベルに“０”と“１”とが交互に割り当てられている。
【０００６】
多値処理部９１２は、入力される多値符号列９２の値に基づいて、多値符号列９２のＭ個のレベルの組み合わせの中から１つの組み合わせを選択する。次に、多値処理部９１２は、情報データ９０の値に基づいて、先ほど選択した多値符号列９２の組み合わせの中から一方のレベルを選択し、当該選択したレベルを有する多値信号９３を生成する。なお、特許文献１には、多値符号発生部９１１が「送信用疑似乱数発生部」として、多値処理部９１２が「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」として、変調部９１３が「レーザダイオード」として、復調部９１５が「フォトディテクタ」として、多値符号発生部９１４が「受信用疑似乱数発生部」として、識別部９１６が「判定回路」として記載されている。
【０００７】
図９は、従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図である。ここでは、Ｍ＝４の場合の信号変化を図９（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。例えば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、情報データ９０の値が“０，１，１，１”と、多値符号列９２の値が“０，３，２，１”と変化する場合、多値信号９３は、図９（ｃ）に示すように、情報データ９０と多値符号列９２との組み合わせに対応したレベルを有する信号となる（図９（ｃ）参照）。変調部９１３は、多値信号９３を光強度変調信号である変調信号９４に変換し、光伝送路９１０を介して送信する。
【０００８】
また、受信部９０２において、復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送されてきた変調信号９４を光電変換し、多値信号９５として出力する。多値符号発生部９１４は、鍵情報９６に基づいて、多値符号列９２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列９７を生成する。識別部９１６は、多値符号列９７の値に基づいて、多値信号９５に図８に示す信号レベルの組み合わせのうちどちらが用いられているかを判断し、組み合わせに含まれる２つの信号レベルを２値識別する。
【０００９】
具体的には、識別部９１６は、図９（ｅ）に示すように、多値符号列９７の値に基づいて識別レベルを設定し、多値信号９５が識別レベルよりも大きい（上）か、あるいは小さい（下）かを判断する。この例では、識別部９１６は、“下、下、上、下”と識別している。次に、識別部９１６は、多値符号列９７が偶数の場合は、下側が“０”、上側が“１”、奇数の場合は、下側が“１”、上側が“０”と判定し、情報データ９８として出力する。この例では、多値符号列９７は、“偶数，奇数，偶数，奇数”となっているため、情報データ９８は“０，１，１，１”となる。なお、多値信号９５には、雑音が含まれているが、信号強度を適切に選ぶことで、２値識別における誤りの発生を無視できる程度に抑えることができる。
【００１０】
次に、想定される盗聴について説明する。盗聴者は、送信者と受信者とが共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号９４から情報データ９０または鍵情報９１の解読を試みることになる。盗聴者は、正規受信者と同様の２値識別を行う場合、鍵情報を持っていないため、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる必要がある。このような方法は、試行回数が鍵情報の長さに対して指数関数的に増大するため、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。
【００１１】
そこで、より効率的な盗聴方法として、盗聴者は、図７に示すような盗聴受信部９０３を用いて、変調信号９４から情報データ９０又は鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。盗聴受信部９０３において、復調部９２１は、光伝送路９１０から分岐して得られる変調信号９４を復調し、多値信号９５を再生する。多値識別部９２２は、多値信号８１を多値識別し、得られた情報を受信系列８２として出力する。解読処理部９２３は、受信系列８２に対して解読処理を行い、情報データ９０又は鍵情報９１の特定を試みる。このような解読方法を用いた場合、盗聴受信部９０３は、受信系列８２を誤り無く多値識別することができれば、得られた受信系列８２から１回の試行で鍵情報９１を解読することが可能となる。
【００１２】
しかし、復調部９２１で光電変換する際に、ショット雑音が発生し、多値信号８１に重畳される。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。ここで、多値信号の信号レベルの間隔（以下、ステップ幅と称する）をショット雑音のレベルよりも十分に小さくしておけば、識別誤りによって受信した多値信号が正しい信号レベル以外の様々な多値レベルを取る可能性が無視できなくなる。よって盗聴者は、正しい信号レベルが、識別によって得られた信号レベル以外の値である可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
【特許文献１】特開２００５−５７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来のデータ通信装置９においては、盗聴者の受信方法によっては、容易に鍵情報９６及び情報データ９８を解読される可能性が残されている。送信部９０１において、変調部９１３は、例えば半導体レーザで構成される。一般的に、半導体レーザは、注入電流が一定であるという条件下において、所定の光周波数ｆ０を有する光を発振する。また、半導体レーザに注入される電流が振幅変調されると、同時に半導体レーザが出力する光の周波数が変調されるので、半導体レーザは、光強度変調信号と共に、光周波数ｆ０を中心とした光周波数変調成分を出力する。すなわち、変調部９１３を光強度変調する事で、半導体レーザへの注入電流に比例した光周波数変調成分が生成される。従って、多値信号９３によって、半導体レーザを直接変調する場合、多値信号９３のレベルに比例した光周波数変調成分が、変調信号９４には含まれることになる。なお、光周波数変調成分と、注入電流との間の比例係数は、半導体レーザの種類に依存する。
【００１４】
ところで、光周波数変調成分の検波方法の１つとして、光ヘテロダイン検波が知られている。図１０は、光ヘテロダイン検波を行う際の光ヘテロダイン検波受信器９３０の一例を示したブロック図である。図１０において、光ヘテロダイン検波受信器９３０は、光源９３１と、受光部９３２とを含んで構成される。光ヘテロダイン検波受信器９３０において、光周波数変調成分を含んだ受信光信号８３（光周波数ｆａを中心とした光信号とする）と、光源９３１から出力された無変調光８４（光周波数ｆｂを中心とした光信号とする）とが受光部９３２へ入力される。
【００１５】
受光部９３２は、例えば、自乗検波特性を有するフォトダイオード等で構成される。受光部９３２は、入力された２つの光信号の光周波数差に相当する周波数（｜ｆａ―ｆｂ｜）において、受信光信号８３と無変調光８４との差ビート信号として、受信光信号８３をダウンコンバートした差ビート信号８５を出力する。すなわち、差ビート信号８５には、受信光信号８３の光周波数変調成分が含まれる事になる。この様にして、光周波数変調成分を復調する検波方法が、光ヘテロダイン検波と呼ばれている。それ故に、受信光信号８３に対して、光ヘテロダイン検波を施す事で、光周波数変調成分を観測する事が可能となる。
【００１６】
従って、盗聴者が復調部９２１として、光ヘテロダイン検波受信器９３０を用いれば、変調信号９４に含まれる、多値信号９３に比例した光周波数変調成分を復調する事が可能となる。特に変調部９１３として使用する半導体レーザの種類によっては、光周波数変調成分の振幅が大きくなり、高い信号対雑音電力比（以下ＳＮＲと記述する）で、盗聴者が光周波数変調成分を識別できる可能性がある。盗聴者が光周波数変調成分を識別できた場合、解読処理に要する計算量は減少し、データ通信装置１の安全性が低下してしまう。
【００１７】
それ故に、本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、半導体レーザを直接変調した場合においても、盗聴に対する安全性が低下しない、データ送信装置、及び、データ受信装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、情報データと多値符号列とを合成し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号を所定の変調形式で変調して、変調信号として出力する変調部とを備える。変調部は、多値信号を光信号に変換する光源と、光源が出力した光信号に角度変調を施す変調調整部とを含む。
【００１９】
好ましくは、変調調整部は、所定の信号を出力する信号源と、信号源が出力した信号に基づいて、光信号に角度変調を施す角度変調部とを有する。
【００２０】
好ましくは、所定の信号は、２つ以上の異なる周波数を有する信号が多重された周波数多重信号である。また、所定の信号は、白色雑音であってもよい。
【００２１】
また、変調調整部は、光源が出力した光信号から光周波数変調成分を検出する光周波数変調成分検出部と、検出された光周波数変調成分を打ち消すように、光源が出力した光信号に角度変調を施す角度変調部とを有する構成であってもよい。
【００２２】
好ましくは、変調部は、変調調整部の後段に接続され、所定の鍵情報に基づいて、変調調整部が出力する信号に波長分散を与える波形調整部をさらに含む。
【００２３】
波形調整部は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第２の多値符号発生部と、第２の多値符号発生部が発生させた多値符号列の値に応じて、変調調整部の出力信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散発生部とを有する。
【００２４】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、送信装置から受信した変調信号を復調し、多値信号として出力する復調部と、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する多値識別部とを備える。復調部は、所定の鍵情報に基づいて、変調信号に所定の波長分散を与える波長調整部と、波長調整部から出力される光信号を光電変換し、多値信号として出力する受光部とを含む。
【００２５】
好ましくは、波長調整部は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する第２の多値符号発生部と、第２の多値符号発生部が生成した多値符号列の値に応じて、変調信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散補償部とを有する。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明のデータ通信装置によれば、多値信号に基づいて半導体レーザを直接変調して生成される変調信号に対して、所定の信号に基づいた角度変調（周波数変調または位相変調）を施すことで、盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化することができる。これによって、盗聴者に対して光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による多値信号の抽出を不可能にする事ができる。また、所定の信号として、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号や、白色雑音を用いることで、さらに盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出することを困難化することができる。また、変調信号に含まれる光周波数変調成分を相殺することで、盗聴者が変調信号に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成例を示すブロック図である。図１において、データ通信装置１は、データ送信装置１０１（以下、送信部１０１と記す）と、データ受信装置２０１（以下、受信部２０１と記す）とが、伝送路１５０を介して接続された構成である。送信部１０１は、多値符号化部１１０と、変調部１１３とを備える。ただし、多値符号化部１１０は、多値符号発生部１１１と、多値処理部１１２とを含む。また、変調部１１１３は、光源１１４と、変調調整部１１５とを有する。変調調整部１１５は、信号源１１５１と、角度変調部１１５２とを持つ。
【００２８】
受信部２０１は、復調部２１１と、多値符号化部２１２とを備える。ただし、多値符号化部２１２は、多値符号発生部２１３と、多値識別部２１４とを含む。伝送路１５０には、光ファイバケーブル等の光導波路が用いられる。
【００２９】
まず、送信部１０１と受信部２０１とは、予め同じ内容の第１の鍵情報１１と第２の鍵情報１６とを共有しておく。送信部１０１において、多値符号発生部１１１は、第１の鍵情報１１に基づいて、多値の疑似乱数系列である多値符号列１２を発生する。多値処理部１１２には、情報データ１０と、多値符号列１２とが入力される。多値処理部１１２は、所定の手順に従って、情報データ１０と多値符号列１２とを合成し、情報データ１０と多値符号列１２との組み合わせに対応したレベルを有する多値信号１３を生成する。
【００３０】
多値信号１３は、変調部１１３に入力される。変調部１１３において、光源１１４は、多値信号１３に基づいた直接変調が施され、第１の変調信号（光信号）２０を出力する。光源１１４は、例えば、半導体レーザで構成される。第１の変調信号２０は、多値信号１３の信号レベルに比例した光強度変調成分と、光周波数変調成分とを含んだ信号となる。
【００３１】
第１の変調信号２０は、変調調整部１１５に入力される。変調調整部１１５は、第１の変調信号２０に角度変調を施して、第２の変調信号１４を出力する。具体的には、変調調整部１１５は、信号源１１５１と、角度変調部１１５２とを含んで構成される。信号源１１５１は、所定の信号を出力する。角度変調部１１５２には、第１の変調信号２０、及び信号源１１５１から出力された所定の信号が入力される。角度変調部１１５２は、例えば、光位相変調器で構成される。角度変調部１１５２は、信号源１１５１からの出力信号に基づいて、入力された第１の変調信号２０に対して角度変調を施し、第２の変調信号１４として出力する。
【００３２】
ここで、例えば、角度変調部１１５２に正弦波Ｉ＝Ｉ０・ｓｉｎ（Ω・ｔ）で表される光信号が入力されたとする。角度変調部１１５２が、入力された光信号を単一正弦波θ＝β・ｓｉｎ（ω・ｔ）で表される信号で位相変調を施した場合について考える。この時、位相変調された信号は、（式１）のように表現される。
【数１】
【００３３】
ここで、Ｊｎはｎ次のベッセル関数である。すなわち、単一正弦波に基づいて、入力された光信号に対して位相変調を施した場合、無変調光を中心に、単一正弦波の周波数ω間隔で側帯波が生成される。次に、入力された光信号に対して、２つの異なる周波数（ω１、及びω２）を有する周波数多重された信号で位相変調を施した場合、位相変調された信号は、（式２）のように表現される。
【数２】
【００３４】
（式２）は、周波数ω１の信号による位相変調で生じる各側波帯スペクトルが、周波数ω２の信号で更に位相変調を受けているという事を表している。すなわち、周波数多重する信号を増加させる程、互いの側波帯に位相変調を施す事になる。従って、信号源１１５１が、例えば、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源等であると想定すると、角度変調部１１５２は、周波数多重信号に基づいて、第１の変調信号２０に対して位相変調（または周波数変調）を施す事が可能となる。すなわち、変調調整部１１５は、第１の変調信号２０に存在する光源１１４から出力された光周波数変調成分の特定を難くする事ができる。
【００３５】
復調部２１１は、入力された第２の変調信号１４を光電変換し、多値信号１５として出力する。ここで、復調部２１１は、第２の変調信号１４に対して、直接検波を行うため、変調調整部１１５で加えた角度変調成分は抽出されず、強度変調成分のみを抽出する事が可能となる。
【００３６】
多値符号発生部２１３は、第２の鍵情報１６に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列１７を生成する。多値識別部２１４は、多値符号列１７に基づいて、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、当該識別結果を情報データ１８として出力する。なお、多値信号１５には雑音が含まれているが、多値識別部２１４は、信号強度を適切に選ぶ事で、２値識別における誤りの発生を無視できる程度に抑える事が可能となる。
【００３７】
次に、想定される盗聴動作について説明する。盗聴者は、光源１１４が直接変調される事で生じる光周波数変調成分を識別し、第２の変調信号１４から情報データ１０、または第１の鍵情報１１の解読を試みる。この場合、盗聴者は、例えば、光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）により、第２の変調信号１４に含まれる光周波数変調成分の特定を試みる。しかしながら、変調調整部１１５において、第２の変調信号１４には、光源１１４で発生する光周波数変調成分と共に、周波数多重された信号に基づいた光位相変調成分が加えられているため、盗聴者が光周波数変調成分を特定するのは非常に困難となる。従って、データ通信装置１は、従来の暗号装置とは異なり、光ヘテロダイン検波により情報データ１１、もしくは第１の鍵情報１１を特定する事が極めて困難となる。
【００３８】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１によれば、多値信号１３に基づいて半導体レーザを直接変調して生成される変調信号２０に対して、所定の信号に基づいた角度変調を施す事で、盗聴者が変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を検出する事を困難化させる事ができる。これによって、盗聴者に対して光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による多値信号１３の抽出を不可能にする事ができる。
【００３９】
なお、本実施例では、信号源１１５１が、異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源としたが、例えば、信号源１１５１の代わりに白色雑音源１１５３を設ける構成にしてもよい。図２は、白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置１ａの構成の一例を示すブロック図である。図２において、白色雑音源１１５３は、全ての周波数成分を一様に持つ白色雑音を発生させる。このような構成のデータ通信装置１ａは、白色雑音が全ての周波数成分を有しているため、盗聴者による光周波数変調成分の抽出をより困難にすることができる。
【００４０】
また、本実施例では、変調調整部１１５が、信号源１１５１の代わりに、光周波数変調成分検出部１１５４を設ける構成であっても良い。図３は、光周波数変調成分検出部１１５４を設けた場合のデータ通信装置１ｂの構成の一例を示すブロック図である。図３において、光周波数変調成分検出部１１５４は、光源１１４から出力された第１の変調信号２０の一部を受信し、予め第１の変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を検出する。
【００４１】
光周波数変調成分検出部１１５４は、検出した光周波数変調成分から、第１の変調信号２０に含まれる光周波数変調成分を打ち消すために必要な信号を角度変調部１１５２へ出力する。このため、第１の変調信号２０に含まれていた光周波数変調成分が、第２の変調信号１４には存在しなくなる。これによって、データ通信装置１ｂは、盗聴者が、第２の変調信号１４から光ヘテロダイン検波（または、光ホモダイン検波）による光周波数変調成分の検出を試みても不可能となり、盗聴に対する安全性を向上させる事が可能となる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２の構成の一例を示すブロック図である。ただし、図１と同じ構成要素については同じ参照符号を用い、詳しい説明を省略する。図４において、データ送信装置１０２（以下、送信部１０２と記す）は、変調部１１３ｘの構成が、第１の実施形態と異なる。変調部１１３ｘは、光源１１４及び変調調整部１１５に加えて、波形調整部１１６をさらに含む。波形調整部１１６は、多値符号発生部１１６１と、可変分散発生部１１６２とを有する。
【００４３】
データ受信装置２０２（以下、受信部２０２と記す）は、復調部２１１ｘの構成が、第１の実施形態とは異なる。図５は、復調部２１１ｘの構成の一例を示すブロック図である。図５において、復調部２１１ｘは、波形調整部２１６と、受光部２１７とを含む。ただし、波形調整部２１６は、多値符号発生部２１６１と、可変分散補償部２１６２とを有する。
【００４４】
すなわち、本発明の第２の実施形態に係わるデータ通信装置２は、上述した第１の実施形態に係るデータ通信装置１と比較して、送信部１０２に波形調整部１１６と、受信部２０２に波形調整部２１６とを加えた構成となっている。従って、基本的な動作は第１の実施形態とほぼ同様である。そのため、以下には、第１の実施形態との相違点を中心に、第２の実施形態のデータ通信装置２の動作を説明する。
【００４５】
まず、送信部１０２と受信部２０２とは、予め全て同じ内容の第１の鍵情報１１と、第２の鍵情報１６と、第３の鍵情報２１と、第４の鍵情報２２とを共有しておく。送信部１０２において、波形調整部１１６は、多値符号発生部１１６１と、可変分散発生部１１６２とを含んで構成される。多値符号発生部１１６１は、第３の鍵情報２１に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列２３を生成する。可変分散発生部１１６２は、入力された第２の変調信号１４に対して、多値符号列２３に基づいた波長分散を与え、第３の変調信号２４として出力する。波長分散とは、光ファイバ等の媒質中を伝搬する際に波長によって光の伝搬速度が異なる（すなわち、光周波数変調成分毎に遅延時間に差が生じる）現象である。この波長分散を利用し、可変分散発生部１１６２は、第２の変調信号１４の光周波数成分毎の遅延時間の差を更に広げる事ができる。
【００４６】
受信部２０２において、波形調整部２１６は、多値符号発生部２１６１と、可変分散補償部２１６２とを含んで構成される。多値符号発生部２１６１は、第４の鍵情報２２に基づいて、上述した多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列２５を生成する。可変分散補償部２１６２は、多値符号列２５に基づいて、補償する波長分散量を決定し、伝送路１５０を介して伝送されてきた第３の変調信号２４に対して波長分散を加え、第４の変調信号２６として出力する。
【００４７】
ここで、可変分散補償部２１６２が、入力される多値符号列２５の値に応じて補償する波長分散量と、可変分散発生部１１６２が、入力される多値符号列２３の値に応じて加える波長分散量との値を略一致させておく事で、可変分散発生部１１６２が加えた波長分散の影響を、可変分散補償部２１６２が取り除く事が可能となる。
【００４８】
受光部２１７は、入力された第４の変調信号２６を光電変換し、多値信号１５として出力する。ここで、受光部２１７は、第４の変調信号２６に対して、直接検波を行うため、変調調整部１１５において加えた角度変調成分は抽出されず、強度変調成分のみを抽出する事が可能となる。
【００４９】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置２によれば、波形調整部１１６が共有された鍵情報に基づいて変調信号１４に波長分散の影響を加える事で、盗聴者が除去できない波形歪みを与える事ができる。これによって、盗聴者に対して解読処理に要する計算量を増大させ、結果として盗聴に対する安全性を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施例では、可変分散補償部２１６２において、補償する波長分散量を多値符号列２５に基づいて決定するとしたが、可変分散補償部２１６２に、予め伝送路１５０において発生する波長分散量を加えておき、さらに、多値符号列２５に基づいた波長分散量を補償する事にしても良い。この様な構成にする事で、伝送路１５０の距離に応じて発生する波長分散の影響も含めて、可変分散補償部２１６２にて補償する事ができ、多値識別部２１４において、より正確に多値信号１５のレベルを識別する事が可能となる。
【００５１】
また、本実施例では、信号源１１５１が、複数の異なる周波数を有する複数の信号が周波数多重された信号を出力するマルチチャンネル信号源としたが、例えば、信号源１１５１の代わりに白色雑音源１１５３を設ける構成にしてもよい。図６は、白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置２ａの構成の一例を示すブロック図である。図６において、白色雑音源１１５３は、全ての周波数成分を一様に持つ白色雑音を発生させる。このような構成のデータ通信装置２ａは、白色雑音が全ての周波数成分を有しているため、盗聴者による光周波数変調成分の抽出をより困難にすることができる。
【００５２】
また、本実施例では、第１〜第４の鍵情報は全て同じ内容であると説明したが、第１の鍵情報１１と第２の鍵情報１６とが同じ内容であり、第３の鍵情報２１と第４の鍵情報２２とが同じ内容であれば、第１〜第４の鍵情報は全て同じ内容である必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係るデータ送信装置、及び、データ受信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成例を示すブロック図
【図２】白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置１ａの構成の一例を示すブロック図
【図３】光周波数変調成分検出部１１５４を設けた場合のデータ通信装置１ｂの構成の一例を示すブロック図
【図４】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置３の構成の一例を示すブロック図
【図５】復調部２１１ｘの構成の一例を示すブロック図
【図６】白色雑音源１１５３を設けた場合のデータ通信装置２ａの構成の一例を示すブロック図
【図７】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図
【図８】Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９における多値信号の信号フォーマットを示す図
【図９】従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図
【図１０】光ヘテロダイン検波を行う際の光ヘテロダイン検波受信器９３０の一例を示したブロック図
【符号の説明】
【００５５】
１〜２ データ通信装置
１０１、１０２ データ送信装置（送信部）
１１０ 多値符号化部
１１１ 多値符号発生部
１１２ 多値処理部
１１３ 変調部
１１４ 光源
１１５ 変調調整部
１１５１ 信号源
１１５２ 角度変調部
１１５３ 白色雑音源
１１５４ 光周波数変調成分検出部
１１６ 波形調整部
１１６１ 多値符号発生部
１１６２ 可変分散発生部
１５０ 伝送路
２０１、２０２ データ受信装置（受信部）
２１１ 復調部
２１２ 多値符号化部
２１３ 多値符号発生部
２１４ 多値識別部
２１５ 復調部
２１６ 波形調整部
２１６１ 多値符号発生部
２１６２ 可変分散補償部
２１７ 受光部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置であって、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記情報データと前記多値符号列とを合成し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレヘ゛ルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号を所定の変調形式で変調して、変調信号として出力する変調部とを備え、
前記変調部は、
前記多値信号を光信号に変換する光源と、
前記光源が出力した光信号に角度変調を施す変調調整部とを含むことを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記変調調整部は、
所定の信号を出力する信号源と、
前記信号源が出力した信号に基づいて、前記光信号に角度変調を施す角度変調部とを有することを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記所定の信号は、２つ以上の異なる周波数を有する信号が多重された周波数多重信号であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記所定の信号は、白色雑音であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記変調調整部は、
前記光源が出力した光信号から光周波数変調成分を検出する光周波数変調成分検出部と、
前記検出された光周波数変調成分を打ち消すように、前記光源が出力した光信号に角度変調を施す角度変調部とを有することを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記変調部は、前記変調調整部の後段に接続され、所定の鍵情報に基づいて、前記変調調整部が出力する信号に波長分散を与える波形調整部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項７】
前記波形調整部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第２の多値符号発生部と、
前記第２の多値符号発生部が発生させた多値符号列の値に応じて、前記変調調整部の出力信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散発生部とを有することを特徴とする、請求項６に記載のデータ送信装置。
【請求項８】
所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置であって、
前記送信装置から受信した変調信号を復調し、多値信号として出力する復調部と、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する多値識別部とを備え、
前記復調部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、前記変調信号に所定の波長分散を与える波長調整部と、
前記波長調整部から出力される光信号を光電変換し、前記多値信号として出力する受光部とを含むことを特徴とする、データ受信装置。
【請求項９】
前記波長調整部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する第２の多値符号発生部と、
前記第２の多値符号発生部が生成した多値符号列の値に応じて、前記変調信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散補償部とを有することを特徴とする、請求項８に記載のデータ受信装置。
【請求項１】
所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置であって、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記情報データと前記多値符号列とを合成し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレヘ゛ルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号を所定の変調形式で変調して、変調信号として出力する変調部とを備え、
前記変調部は、
前記多値信号を光信号に変換する光源と、
前記光源が出力した光信号に角度変調を施す変調調整部とを含むことを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記変調調整部は、
所定の信号を出力する信号源と、
前記信号源が出力した信号に基づいて、前記光信号に角度変調を施す角度変調部とを有することを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記所定の信号は、２つ以上の異なる周波数を有する信号が多重された周波数多重信号であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記所定の信号は、白色雑音であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記変調調整部は、
前記光源が出力した光信号から光周波数変調成分を検出する光周波数変調成分検出部と、
前記検出された光周波数変調成分を打ち消すように、前記光源が出力した光信号に角度変調を施す角度変調部とを有することを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記変調部は、前記変調調整部の後段に接続され、所定の鍵情報に基づいて、前記変調調整部が出力する信号に波長分散を与える波形調整部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項７】
前記波形調整部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する第２の多値符号発生部と、
前記第２の多値符号発生部が発生させた多値符号列の値に応じて、前記変調調整部の出力信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散発生部とを有することを特徴とする、請求項６に記載のデータ送信装置。
【請求項８】
所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置であって、
前記送信装置から受信した変調信号を復調し、多値信号として出力する復調部と、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する多値識別部とを備え、
前記復調部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、前記変調信号に所定の波長分散を与える波長調整部と、
前記波長調整部から出力される光信号を光電変換し、前記多値信号として出力する受光部とを含むことを特徴とする、データ受信装置。
【請求項９】
前記波長調整部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する第２の多値符号発生部と、
前記第２の多値符号発生部が生成した多値符号列の値に応じて、前記変調信号に与える波長分散の量を変化させる可変分散補償部とを有することを特徴とする、請求項８に記載のデータ受信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−９２４４３（Ｐ２００８−９２４４３Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７３０５３（Ｐ２００６−２７３０５３）
【出願日】平成１８年１０月４日（２００６．１０．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月４日（２００６．１０．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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