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公開番号2025023793
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-17
出願番号2024027655
出願日2024-02-27
発明の名称光デバイス、量子通信システムおよび量子通信方法
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
主分類H04B 10/2581 20130101AFI20250207BHJP(電気通信技術)
要約【課題】マルチモード光ファイバーとの使用に好適な量子通信システムを提供する。
【解決手段】光通信システム1は、単一モード光チャネルに光学的に結合された送信機デバイス3と、複数の導波モードの送信をサポートするたマルチモード光ファイバー5、29とを備える。複数の導波モードは、ターゲットモードを備える。送信機デバイスはまた、マルチモードファイバーのターゲットモードの横方向のプロファイルに一致するようにチャネルから受信された伝搬光の横方向のプロファイルを徐々に変更することによってマルチモードファイバーのターゲットモードにチャネルのモードを光学的に結合する光モード変換器11、13を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
光通信システムであって、
第１の単一モード光チャネルに光学的に結合された第１の送信機と、
複数の導波モードの送信をサポートするように構成されたマルチモードファイバーと、前記複数の導波モードは、ターゲットモードを備える、
前記マルチモードファイバーの前記ターゲットモードの横方向のプロファイルに一致するように前記第１の単一モード光チャネルから受信された伝搬光の横方向のプロファイルを徐々に変更することによって前記マルチモードファイバーの前記ターゲットモードに前記第１の単一モード光チャネルのモードを光学的に結合するように構成された第１の光モード変換器と
を備える、光通信システム。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記第１の光モード変換器は、少なくとも５ｄＢの選択性をもつ前記マルチモードファイバーの前記ターゲットモードに前記第１の単一モード光チャネルの前記モードを光学的に結合するように構成された、請求項１に記載の光通信システム。
【請求項３】
前記第１の送信機は、波長分割多重を使用して複数の信号を送信するように構成された、請求項１に記載の光通信システム。
【請求項４】
波長分割多重化された複数の信号は、第１の波長を有する複数の量子信号と、異なる波長を有する複数の古典的信号とを備える、請求項３に記載の光通信システム。
【請求項５】
第２の単一モード光チャネルに光学的に結合された受信機と、
前記第２の単一モード光チャネルの横方向のプロファイルに一致するように前記マルチモードファイバーの前記ターゲットモードから受信された伝搬光の横方向のプロファイルを徐々に変更することによって前記マルチモードファイバーの前記ターゲットモードに前記第２の単一モード光チャネルのモードを光学的に結合するように構成された第３の光モード変換器と
をさらに備える、請求項１に記載の光通信システム。
【請求項６】
前記第１の送信機は、複数の量子信号を与えるように構成された量子送信機であり、前記受信機は、複数の量子信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出器を備える量子受信機であり、前記光通信システムは、量子鍵配送プロトコルを実装するように構成された、請求項５に記載の光通信システム。
【請求項７】
前記複数の導波モードは、第１のグループの導波モードおよび第２のグループの導波モードを備え、前記第１のグループは、前記ターゲットモードを備え、前記光通信システムは、第２の単一モード光チャネルに光学的に結合された第２の送信機をさらに備え、
前記第１の光モード変換器は、前記第１の単一モード光チャネルおよび前記第２の単一モード光チャネルが前記マルチモードファイバーの複数の異なるグループの導波モードのうちの複数のモードに光学的に結合されるように、前記マルチモードファイバーの前記第２のグループの導波モードのうちのモードに前記第２の単一モード光チャネルの前記モードを光学的に結合するようにさらに構成され、
同じモードグループのうちの複数のモード間での結合は、異なるモードグループのうちの複数のモード間での結合よりも強い、
請求項１に記載の光通信システム。
【請求項８】
前記マルチモードファイバーの前記複数の導波モードは、方位角方向次数νと動径方向次数μとによって特徴づけられる複数の直線偏光モードであり、前記第１のグループの前記導波モードは、第１のモード番号に関連付けられ、前記第２のグループの前記複数の導波モードは、前記第１のモード番号とは異なる第２のモード番号に関連付けられ、それぞれの前記モード番号ｍは、式ｍ＝ν＋２μ＋１を満たす、請求項７に記載の光通信システム。
【請求項９】
前記同じモードグループのうちの任意の２つのモードの複数の伝搬定数間の相対的差異は、０．０２％以下である、請求項７に記載の光通信システム。
【請求項１０】
前記第１の送信機は、複数の量子信号を与えるように構成され、パルスレーザーを備える量子送信機であり、前記第２の送信機は、古典的な通信デバイスである、請求項７に記載の光通信システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される実施形態は、光デバイス、量子通信システムおよび量子通信方法に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
量子通信システムでは、情報は、単一の光子などの符号化された単一の量子によって送信機と受信機との間で送られる。各光子は、それの偏光、位相またはエネルギー／時間などの光子のプロパティ上に符号化された１ビットの情報を搬送する。量子通信システムは、「アリス」としばしば呼ばれる送信機と「ボブ」としばしば呼ばれる受信機との２つの当事者の間での暗号鍵の共有のための技法である量子鍵配送（ＱＫＤ）を実装するために使用され得る。本技法の魅力は、鍵の任意の部分が「イブ」としばしば呼ばれる無認可の盗聴者に知られ得るのかどうかのテストをそれが与えることにある。
【０００３】
ＱＫＤプロトコルは、一般に、２つのステップを伴う。第１に、アリスは、量子チャネルを通してボブに量子情報を送り、次いで、後処理段階中に、アリスとボブとは、共有鍵を確立するために古典的なチャネルを通して互いに通信する。実際には、量子チャネルと古典的なチャネルとは、しばしば単一モード光ファイバーを用いて実装される。知られている単一のＱＫＤ通信システムの一例は、図１に示されている。システムは、ＱＫＤ受信機（ボブ）に２つの単一モードファイバーを介して接続されるＱＫＤ送信機（アリス）を含む。ＱＫＤ送信機は、「量子送信機」、すなわち、光信号に量子状態を符号化し、受信された信号に対して量子状態測定を実施するボブに第１の単一モードファイバーを通して符号化信号を送信するユニットを含む。アリスとボブとはそれぞれ、後処理段階中に古典的な（二方向）通信を実施するように第２の単一モードファイバーに接続された古典的な通信モジュールを制御する。
【０００４】
単一モードファイバーが今日の光通信のために広く展開されるが、マルチモードファイバーネットワークは、依然として積極的に使用されているだけでなく、様々な使用事例のために積極的に開発され、展開され続けている。しかしながら、従来のＱＫＤ技術（たとえば図１に示されているＱＫＤ送信機および受信機など）は、マルチモード光ファイバーとの使用に好適でない。
【０００５】
次に本発明の実施形態について、単に例として、添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、知られているＱＫＤ通信システムを示す図である。
図２は、一実施形態による、量子通信システムの概略図である。
図３は、マルチモードファイバーのモードを示す図である。
図４は、マルチモードファイバーと単一モードファイバーとのモードを示す図である。
図５は、図１の量子通信システムの変形形態の概略図である。
図６は、一実施形態による、光モード変換器の例示的な実装形態の概略図である。
図７は、一実施形態による、光モード変換器およびマルチプレクサの概略図である。
図８は、一実施形態による、さらなる量子通信システムの概略図である。
図９は、一実施形態による、さらなる量子通信システムの概略図である。
図１０は、一実施形態による、さらなる量子通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
不要な繰り返しを回避するために、同様の参照番号は、図では同様の特徴を示すために使用されることになる。
【０００８】
本開示は、マルチモード光ファイバーを介して、すなわち（ある動作波長にある）複数の導波モードをサポートする光ファイバーを介して量子通信を実装するための新しい有用な光デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
一実施形態では、光通信システムが与えられる。光通信システムは、第１の単一モード光チャネル（たとえば、単一モードファイバー）に光学的に結合された第１の送信機（たとえば、量子送信機または古典的な通信デバイス）と複数の導波モードの送信をサポートするように構成されたマルチモードファイバーとを備える。複数の導波モードは、ターゲットモード（たとえば、マルチモードファイバーの基本モード）を備える。光通信システムは、マルチモードファイバーのターゲットモードの横方向のプロファイルに一致するように第１の単一モード光チャネルから受信された伝搬光の横方向のプロファイルを徐々に変更することによってマルチモードファイバーのターゲットモードに第１の単一モード光チャネルのモードを光学的に結合するように構成された第１の光モード変換器をさらに備える。
【００１０】
開示されるシステムは、改善された光通信システムを提供する。特に、開示されるシステムは、光信号がマルチモードファイバーを介してロバストに（すなわち、信号および／または位相の有意なひずみなしに）送信され得るようにマルチモードファイバーに光信号を（単一モードチャネルに信号を与えることによって）送り出すことを可能にする。これは、マルチモードファイバーの（実質的に）ただ１つのモードへの信号の結合を保証するマルチモードファイバーのターゲットモードのモードプロファイルに一致するように入力モードを変換することによって達成される。ファイバーを通した伝搬中に、信号は、ほとんど同じ伝搬定数を有する他のモードに結合し得るが、異なる伝搬定数をもつモードに結合することが抑制され、これにより、信号のために任意の実質的なひずみをもつファイバーを通した送信が可能になる。
（【００１１】以降は省略されています）

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