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
【課題】システム全体の集積化を可能とし、且つ超高速の光乱数生成要求にも対応可能とする。
【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手段ａ１の光出力ポートａ９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クロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、光入力ポートａ０から入力され２つ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手段ａ１の光出力ポートａ９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クロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、光入力ポートａ０から入力され２つ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る。
【発明の詳細な説明】
【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、秘密鍵共有の暗号システム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、電子回路に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の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（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】
また、これらの乱数発生技術に関連して、全光での光カオス現象に関する報告例としては、光ファイバの非線形屈折率効果に基づくものがあるが（非特許文献２参照）、全光での光カオス現象を工学的に応用できる装置の実現例は報告されていない。
【０００５】
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の動作周波数（非特許文献３参照）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２９６０４０６号公報
【特許文献２】特許第３３９６８８３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A.Uchida，et al.，“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”，Nature Photonics，vol.2，p.728-732，2008
【非特許文献２】H.Nakatsuka，et al.，“Observation of Bifurcation to Chaos in an All-Optical Bistable System”，Physical Review Letters，vol.50，no.2，p.109-112，1983
【非特許文献３】「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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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いという問題点があった。
【００１１】
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。
【００１２】
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、工学的に応用・実現可能な全光での高速カオス光信号生成方法を確立し、加えてシステム全体の集積化が可能で、且つ超高速の光乱数生成要求にも対応することができる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】
【００１３】
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マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１と、このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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系統に分波する光分波手段ａ４と、この光分波手段ａ４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クロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の光−光相互位相変調手段へと導く光導波路とを備え、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１は、前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートａ０と、この光入力ポートａ０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前記２つの光出力ポートａ８，ａ９と、前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光とを合波する光合波手段と、前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記光合波手段の出力を入力とし、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光との相互位相変調により、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成され、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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。
【００１４】
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、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ａ４で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記光分波手段ａ４で分波され前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３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手段ａ５を備え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方法は、ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の光入力ポートａ０に入力し、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、前記光入力ポートａ０から入力され前記２つ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、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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方法の１構成例において、前記位相変調駆動用のクロック信号光は、前記干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光と合波され、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の１構成例は、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統の位相変調駆動用のクロック信号光の内の一方に遅延を付与することを特徴とするものである。
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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、光入力ポートａ０から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に十分に大きく適当な位相差を生じさせるので、位相変調駆動用のクロック信号光よりも時間的に後にマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１に入力されるＲＺ型クロック信号光の出力光強度を変調することができる。その結果、本発明では、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、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】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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光−光相互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。
【図４】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の規格化光出力強度の例を示す図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［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ａ１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の後述する光出力ポートａ９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ａ４と、光分波部ａ４で分波された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ａ１内の後述する光−光相互位相変調部ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、光分波部ａ４で分波され光−光相互位相変調部ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３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ａ５とから構成される。
【００２０】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１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ａ０と、光入力ポートａ０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ａ８，ａ９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型クロック信号光と光分波部ａ４で分波された位相変調駆動用のＲＺ型クロック信号光とを合波する光合波部ａ６，ａ７と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、光合波部ａ６，ａ７の出力を入力とし、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と位相変調駆動用のＲＺ型クロック信号光との相互位相変調により、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成される。
【００２１】
図１における１００は一端が光入力ポートａ０に接続され他端が光合波部ａ７の第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光合波部ａ６の第１の入力に接続された光導波路、１０２は一端が光合波部ａ７の出力に接続され他端が光−光相互位相変調部ａ３の入力に接続された光導波路、１０３は一端が光合波部ａ６の出力に接続され他端が光−光相互位相変調部ａ２の入力に接続された光導波路、１０４は一端が光−光相互位相変調部ａ３の出力に接続され他端が光出力ポートａ８に接続された光導波路、１０５は一端が光−光相互位相変調部ａ２の出力に接続され他端が光出力ポートａ９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。
【００２２】
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ａ１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ａ１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。
【００２３】
また、１０６は一端が光出力ポートａ９に接続され他端が光分波部ａ４の入力に接続された光導波路、１０７は一端が光分波部ａ４の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部ａ５の入力に接続された光導波路、１０８は一端が光伝搬遅延差付与部ａ５の出力に接続され他端が光合波部ａ７の第２の入力に接続された光導波路、１０９は一端が光分波部ａ４の第２の出力に接続され他端が光合波部ａ６の第２の入力に接続された光導波路である。
【００２４】
光入力ポートａ０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ａ０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。
【００２５】
ここで、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分を低損失な半導体導波路で構成し、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３として半導体光増幅素子（ＳＯＡ）を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。
【００２６】
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 Lightwave Circuit）で構成し、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３としてＳＯＡ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/s WDM channels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”，IEE Proc.-Optoelectron.，Vol.151，No.1，p.41-45，February 2004」に開示されている。
【００２７】
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。
【００２８】
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クロック信号光が光入力ポートａ０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ａ０と異なる側の干渉アームの光出力ポートａ９から１００％出力され、光分波部ａ４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ａ５により遅延差を付与された後、それぞれ光合波部ａ６，ａ７へと入力される。
【００２９】
光合波部ａ６は、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１を介して入力される入力クロック信号光と光出力ポートａ９から光分波部ａ４を介して入力される出力クロック信号光とを合波して光−光相互位相変調部ａ２に出力する。光合波部ａ７は、光入力ポートａ０から光導波路１００を介して入力される入力クロック信号光と光出力ポートａ９から光分波部ａ４と光伝搬遅延差付与部ａ５とを介して入力される出力クロック信号光とを合波して光−光相互位相変調部ａ３に入力する。
【００３０】
図３（Ａ）は光入力ポートａ０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）は光−光相互位相変調部ａ２への入力信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｃ）は光−光相互位相変調部ａ３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ａ０に入力されたクロック光パルスｐ０と次の時間ステップのクロック光パルスｐ１との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ２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ｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。
【００３１】
光−光相互位相変調部ａ２においては、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１と光合波部ａ６とを介してクロック光パルスｐ１が入力される直前に、光合波部ａ６からクロック光パルスｐ０−１が入力されると、このクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、光−光相互位相変調部ａ２は、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ｐ１の位相を変調する（相互位相変調）。
【００３２】
一方、光−光相互位相変調部ａ３においては、光入力ポートａ０から光導波路１００と光合波部ａ７とを介してクロック光パルスｐ１が入力された直後に、光合波部ａ７からクロック光パルスｐ０−２が入力されると、このクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、光−光相互位相変調部ａ３は、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ｐ２の位相を変調する（相互位相変調）。
【００３３】
結果として、クロック光パルスｐ０−１が光−光相互位相変調部ａ２に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が光−光相互位相変調部ａ３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ａ１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ａ９から出力されるクロック光パルスｐ１の光出力強度が変調されることとなる。
【００３４】
同様に、光入力ポートａ０に入力されたクロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光分波部ａ４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ａ５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が光−光相互位相変調部ａ２に入力される。一方、クロック光パルスｐ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。
【００３５】
光−光相互位相変調部ａ２は、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１と光合波部ａ６とを介してクロック光パルスｐ２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が光合波部ａ６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ｐ２の位相を変調する。
【００３６】
光−光相互位相変調部ａ３は、光入力ポートａ０から光導波路１００と光合波部ａ７とを介してクロック光パルスｐ２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が光合波部ａ７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ｐ３の位相を変調する。結果として、光出力ポートａ９から出力されるクロック光パルスｐ２の光出力強度が変調されることとなる。
【００３７】
以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｔ）（ｔ＝０，１，２，３，・・・・）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートａ９から出力され光分波部ａ４によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｔ）が光−光相互位相変調部ａ２に入力され、クロック光パルスｐ（ｔ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートａ９から出力され光分波部ａ４によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｔ）が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。その結果、光出力ポートａ９から出力されるクロック光パルスｐ（ｔ＋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ｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・・の変調が連続して行われる。
【００３８】
図４はマッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ９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ａ９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。
【００３９】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ９から１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートａ９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光−光相互位相変調部ａ２，ａ３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ａ９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ａ８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。
【００４０】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ８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ａ９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ａ８から出力されるからである。
【００４１】
こうして、本実施の形態では、光出力ポートａ９から出力される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。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
［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５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いて、光導波路１００の一端と光入力ポートａ０とを接続する代わりに、光導波路１０１の一端と光入力ポートａ０とを接続したものである。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。
【００４６】
なお、第１、第２の実施の形態では、光出力ポートａ９と光分波部ａ４の入力とを接続しているが、光出力ポートａ８と光分波部ａ４の入力とを接続するようにしてもよい。
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ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９の内のいずれか一方から得るようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
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などを生成する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
ａ０…光入力ポート、ａ１…マッハツェンダー干渉型光強度変調部、ａ２，ａ３…光−光相互位相変調部、ａ４…光分波部、ａ５…光伝搬遅延差付与部、ａ６，ａ７…光合波部、ａ８，ａ９…光出力ポート、１００〜１０９…光導波路。
【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、秘密鍵共有の暗号システム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、電子回路に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の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（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】
また、これらの乱数発生技術に関連して、全光での光カオス現象に関する報告例としては、光ファイバの非線形屈折率効果に基づくものがあるが（非特許文献２参照）、全光での光カオス現象を工学的に応用できる装置の実現例は報告されていない。
【０００５】
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の動作周波数（非特許文献３参照）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２９６０４０６号公報
【特許文献２】特許第３３９６８８３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A.Uchida，et al.，“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”，Nature Photonics，vol.2，p.728-732，2008
【非特許文献２】H.Nakatsuka，et al.，“Observation of Bifurcation to Chaos in an All-Optical Bistable System”，Physical Review Letters，vol.50，no.2，p.109-112，1983
【非特許文献３】「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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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いという問題点があった。
【００１１】
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。
【００１２】
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、工学的に応用・実現可能な全光での高速カオス光信号生成方法を確立し、加えてシステム全体の集積化が可能で、且つ超高速の光乱数生成要求にも対応することができる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】
【００１３】
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マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１と、このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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系統に分波する光分波手段ａ４と、この光分波手段ａ４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クロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の光−光相互位相変調手段へと導く光導波路とを備え、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１は、前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートａ０と、この光入力ポートａ０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前記２つの光出力ポートａ８，ａ９と、前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光とを合波する光合波手段と、前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記光合波手段の出力を入力とし、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光との相互位相変調により、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成され、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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。
【００１４】
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、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ａ４で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記光分波手段ａ４で分波され前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３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手段ａ５を備え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方法は、ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の光入力ポートａ０に入力し、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、前記光入力ポートａ０から入力され前記２つ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、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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方法の１構成例において、前記位相変調駆動用のクロック信号光は、前記干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光と合波され、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される。
また、本発明の高速カオス光信号生成方法の１構成例は、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統の位相変調駆動用のクロック信号光の内の一方に遅延を付与することを特徴とするものである。
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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、光入力ポートａ０から入力され２つの干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光に十分に大きく適当な位相差を生じさせるので、位相変調駆動用のクロック信号光よりも時間的に後にマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１に入力されるＲＺ型クロック信号光の出力光強度を変調することができる。その結果、本発明では、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、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】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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光−光相互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。
【図４】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の規格化光出力強度の例を示す図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［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ａ１と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の後述する光出力ポートａ９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ａ４と、光分波部ａ４で分波された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ａ１内の後述する光−光相互位相変調部ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、光分波部ａ４で分波され光−光相互位相変調部ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３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ａ５とから構成される。
【００２０】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１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ａ０と、光入力ポートａ０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ａ８，ａ９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型クロック信号光と光分波部ａ４で分波された位相変調駆動用のＲＺ型クロック信号光とを合波する光合波部ａ６，ａ７と、２つの干渉アームに１つずつ設けられ、光合波部ａ６，ａ７の出力を入力とし、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と位相変調駆動用のＲＺ型クロック信号光との相互位相変調により、干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成される。
【００２１】
図１における１００は一端が光入力ポートａ０に接続され他端が光合波部ａ７の第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光合波部ａ６の第１の入力に接続された光導波路、１０２は一端が光合波部ａ７の出力に接続され他端が光−光相互位相変調部ａ３の入力に接続された光導波路、１０３は一端が光合波部ａ６の出力に接続され他端が光−光相互位相変調部ａ２の入力に接続された光導波路、１０４は一端が光−光相互位相変調部ａ３の出力に接続され他端が光出力ポートａ８に接続された光導波路、１０５は一端が光−光相互位相変調部ａ２の出力に接続され他端が光出力ポートａ９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。
【００２２】
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ａ１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ａ１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。
【００２３】
また、１０６は一端が光出力ポートａ９に接続され他端が光分波部ａ４の入力に接続された光導波路、１０７は一端が光分波部ａ４の第１の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部ａ５の入力に接続された光導波路、１０８は一端が光伝搬遅延差付与部ａ５の出力に接続され他端が光合波部ａ７の第２の入力に接続された光導波路、１０９は一端が光分波部ａ４の第２の出力に接続され他端が光合波部ａ６の第２の入力に接続された光導波路である。
【００２４】
光入力ポートａ０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ａ０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。
【００２５】
ここで、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分を低損失な半導体導波路で構成し、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３として半導体光増幅素子（ＳＯＡ）を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。
【００２６】
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 Lightwave Circuit）で構成し、光−光相互位相変調部ａ２，ａ３としてＳＯＡ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/s WDM channels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”，IEE Proc.-Optoelectron.，Vol.151，No.1，p.41-45，February 2004」に開示されている。
【００２７】
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。
【００２８】
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クロック信号光が光入力ポートａ０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ａ０と異なる側の干渉アームの光出力ポートａ９から１００％出力され、光分波部ａ４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ａ５により遅延差を付与された後、それぞれ光合波部ａ６，ａ７へと入力される。
【００２９】
光合波部ａ６は、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１を介して入力される入力クロック信号光と光出力ポートａ９から光分波部ａ４を介して入力される出力クロック信号光とを合波して光−光相互位相変調部ａ２に出力する。光合波部ａ７は、光入力ポートａ０から光導波路１００を介して入力される入力クロック信号光と光出力ポートａ９から光分波部ａ４と光伝搬遅延差付与部ａ５とを介して入力される出力クロック信号光とを合波して光−光相互位相変調部ａ３に入力する。
【００３０】
図３（Ａ）は光入力ポートａ０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）は光−光相互位相変調部ａ２への入力信号光の入力タイミングを示す図、図３（Ｃ）は光−光相互位相変調部ａ３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ａ０に入力されたクロック光パルスｐ０と次の時間ステップのクロック光パルスｐ１との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ２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ｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。
【００３１】
光−光相互位相変調部ａ２においては、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１と光合波部ａ６とを介してクロック光パルスｐ１が入力される直前に、光合波部ａ６からクロック光パルスｐ０−１が入力されると、このクロック光パルスｐ０−１の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、光−光相互位相変調部ａ２は、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ｐ１の位相を変調する（相互位相変調）。
【００３２】
一方、光−光相互位相変調部ａ３においては、光入力ポートａ０から光導波路１００と光合波部ａ７とを介してクロック光パルスｐ１が入力された直後に、光合波部ａ７からクロック光パルスｐ０−２が入力されると、このクロック光パルスｐ０−２の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、光−光相互位相変調部ａ３は、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ｐ２の位相を変調する（相互位相変調）。
【００３３】
結果として、クロック光パルスｐ０−１が光−光相互位相変調部ａ２に入力されてから、クロック光パルスｐ０−２が光−光相互位相変調部ａ３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ａ１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ａ９から出力されるクロック光パルスｐ１の光出力強度が変調されることとなる。
【００３４】
同様に、光入力ポートａ０に入力されたクロック光パルスｐ１と次の時間ステップのクロック光パルスｐ２との間のタイミングで、光分波部ａ４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ａ５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が光−光相互位相変調部ａ２に入力される。一方、クロック光パルスｐ２と次の時間ステップのクロック光パルスｐ３との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部ａ５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が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。
【００３５】
光−光相互位相変調部ａ２は、光入力ポートａ０から光導波路１００，１０１と光合波部ａ６とを介してクロック光パルスｐ２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が光合波部ａ６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ｐ２の位相を変調する。
【００３６】
光−光相互位相変調部ａ３は、光入力ポートａ０から光導波路１００と光合波部ａ７とを介してクロック光パルスｐ２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が光合波部ａ７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ｐ３の位相を変調する。結果として、光出力ポートａ９から出力されるクロック光パルスｐ２の光出力強度が変調されることとなる。
【００３７】
以上のようにして、クロック光パルスｐ（ｔ）（ｔ＝０，１，２，３，・・・・）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋１）との間のタイミングで、光出力ポートａ９から出力され光分波部ａ４によって分波された一方のクロック光パルスｐ（ｔ）が光−光相互位相変調部ａ２に入力され、クロック光パルスｐ（ｔ＋１）と次の時間ステップのクロック光パルスｐ（ｔ＋２）との間のタイミングで、光出力ポートａ９から出力され光分波部ａ４によって分波された他方のクロック光パルスｐ（ｔ）が光−光相互位相変調部ａ３に入力される。その結果、光出力ポートａ９から出力されるクロック光パルスｐ（ｔ＋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ｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・・の変調が連続して行われる。
【００３８】
図４はマッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ９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ａ９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。
【００３９】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ９から１００％出力される状態にある条件下で、光出力ポートａ９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光−光相互位相変調部ａ２，ａ３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ａ９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ａ８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。
【００４０】
マッハツェンダー干渉型光強度変調部ａ１の光出力ポートａ８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ａ９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ａ８から出力されるからである。
【００４１】
こうして、本実施の形態では、光出力ポートａ９から出力される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。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
［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５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いて、光導波路１００の一端と光入力ポートａ０とを接続する代わりに、光導波路１０１の一端と光入力ポートａ０とを接続したものである。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。
【００４６】
なお、第１、第２の実施の形態では、光出力ポートａ９と光分波部ａ４の入力とを接続しているが、光出力ポートａ８と光分波部ａ４の入力とを接続するようにしてもよい。
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ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９の内のいずれか一方から得るようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
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などを生成する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
ａ０…光入力ポート、ａ１…マッハツェンダー干渉型光強度変調部、ａ２，ａ３…光−光相互位相変調部、ａ４…光分波部、ａ５…光伝搬遅延差付与部、ａ６，ａ７…光合波部、ａ８，ａ９…光出力ポート、１００〜１０９…光導波路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＺ型クロック信号光を入力するマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１と、
このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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系統に分波する光分波手段ａ４と、
この光分波手段ａ４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クロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の光−光相互位相変調手段へと導く光導波路とを備え、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１は、
前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートａ０と、
この光入力ポートａ０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前記２つの光出力ポートａ８，ａ９と、
前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光とを合波する光合波手段と、
前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記光合波手段の出力を入力とし、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光との相互位相変調により、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成され、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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】
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、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ａ４で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記光分波手段ａ４で分波され前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３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手段ａ５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３】
ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の光入力ポートａ０に入力し、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、前記光入力ポートａ０から入力され前記２つ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、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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４】
請求項３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クロック信号光は、前記干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光と合波され、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力されることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。
【請求項５】
請求項４記載の高速カオス光信号生成方法において、
前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統の位相変調駆動用のクロック信号光の内の一方に遅延を付与す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３乃至５のいずれか１項に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３乃至５のいずれか１項に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１】
ＲＺ型クロック信号光を入力するマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１と、
このマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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系統に分波する光分波手段ａ４と、
この光分波手段ａ４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クロック信号光として前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の光−光相互位相変調手段へと導く光導波路とを備え、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１は、
前記ＲＺ型クロック信号光を受ける光入力ポートａ０と、
この光入力ポートａ０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前記２つの光出力ポートａ８，ａ９と、
前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光とを合波する光合波手段と、
前記２つの干渉アームに１つずつ設けられ、前記光合波手段の出力を入力とし、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光と前記位相変調駆動用のクロック信号光との相互位相変調により、前記干渉アームにより伝送されるＲＺ型クロック信号光に位相変化を与える前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３とから構成され、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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】
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、前記光導波路に設けられ、前記光分波手段ａ４で分波された２系統のＲＺ型クロック信号光が前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、前記光分波手段ａ４で分波され前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統のＲＺ型クロック信号光の内、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３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手段ａ５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３】
ＲＺ型クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の光入力ポートａ０に入力し、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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クロック信号光として、前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１内の２つの干渉アームに１つずつ設けられた光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力することにより、前記光入力ポートａ０から入力され前記２つ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、
前記マッハツェンダー干渉型光強度変調手段ａ１の２つの光出力ポートａ８，ａ９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４】
請求項３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クロック信号光は、前記干渉アーム中を伝搬しているＲＺ型クロック信号光と合波され、前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力されることを特徴とする高速カオス光信号生成方法。
【請求項５】
請求項４記載の高速カオス光信号生成方法において、
前記光−光相互位相変調手段ａ２，ａ３に入力される２系統の位相変調駆動用のクロック信号光の内の一方に遅延を付与す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３乃至５のいずれか１項に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３乃至５のいずれか１項に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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４２６０３（Ｐ２０１２−２４２６０３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２５２１（Ｐ２０１１−１１２５２１）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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