[發明專利]一種光學微腔高速物理隨機碼發生器

有效

• 申請號: 201910257847.0
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN109840071B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 郭園園;王安幫;王云才;王龍生;王大銘
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明公開了一種光學微腔高速物理隨機碼發生器，包括封裝好的光學微腔集成混沌激光器，所述光學微腔集成混沌激光器包括弧形六角激光器和變形微腔，所述弧形六角激光器一端通過無源波導Ⅱ與變形微腔一端連接，所述變形微腔另一端與無源反饋波導連接，所述無源反饋波導的端面鍍高反射膜，所述弧形六角激光器另一端與無源波導Ⅰ連接，所述光學微腔集成混沌激光器內的無源波導Ⅰ輸出光后與光電探測器連接，所述光電探測器輸出電信號給采樣量化系統，所述采樣量化系統輸出高速隨機數。本發明產生混沌激光復雜度高，帶寬可達20G以上，因此通過光電轉換和采樣量化產生的物理隨機數實時速率高。

技術領域

本發明涉及光子集成混沌半導體激光器技術領域，具體為一種光學微腔高速物理隨機碼發生器。

背景技術

隨機碼在蒙特卡洛模擬，人工神經網絡，抽樣統計等科學計算方面有著廣泛的應用，尤其在保密通信領域，安全可靠的隨機碼關系到國家安全，金融穩定，商業機密及個人隱私等多個方面。

根據香農的“一次一密”理論，為實現絕對安全的保密通信就需要大量的、碼率不低于通信速率的隨機碼，且需要保證隨機碼的不可預測性。利用算法可以產生高速的“偽”隨機碼，但它的長度有限、可以被預測，無法保證所加密信息的絕對安全性，采用自然界隨機現象作為物理熵源，可產生無限長度、不可預測的物理隨機碼，又稱真隨機碼，但受限于傳統物理熵源的帶寬，碼率為Mbit/s 量級，距離現代通信速率有很大差距 。

混沌激光由于帶寬優勢，以其作為物理熵源產生真隨機碼的方法可使隨機數碼率獲得大幅提升，但目前產生混沌激光的方法，大多都是利用半導體激光器及外部分立光學元件搭建而成的（外腔長都在幾米到幾十米），體積龐大、結構復雜、易受外界環境的影響、輸出不穩定，距離實際系統的應用需求尚有差距。隨著通信網絡的快速發展和通信速率的急劇增長，當前真隨機碼發生器正朝著集成化和芯片化發展，高速隨機碼發生器的光子集成問題的解決迫在眉睫。

2008年，歐盟第六屆科技框架計劃PICASSO項目研制了首個光子集成的混沌外腔反饋半導體激光器；2010年，意大利帕維亞大學Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群島大學Mirasso等人和德國海因里希-赫茲研究院弗勞恩霍夫電信研究所Hamacher研制了帶有空氣隙的雙反饋光子集成混沌半導體激光器；2013年，西南大學夏光瓊課題組與中科院半導體材料科學重點實驗室合作研制了單片集成半導體激光器芯片用于產生混沌激光等等。

2010 年希臘 Argyris 等人利用集成混沌激光器離線產生 140Gb/s 物理隨機數；2011年日本 NTT 公司與琦玉大學利用集成混沌半導體激光器實時產生了 2.08Gbps的物理隨機數；2017 年，Uchida 等人利用集成混沌激光器結合FPGA實現后續處理，產生21Gb/s隨機數序列。以上基于集成混沌激光器的隨機數產生研究，激光器均采用DFB鏡面外腔反饋結構，產生的混沌激光帶有明顯的時延特征信息，即混沌信號具有一定的周期性，會降低利用混沌激光作為物理熵源產生的高速物理隨機數的隨機特性。此外，受激光器馳豫振蕩的影響，光反饋半導體激光器產生的混沌信號的能量在頻域上主要集中在馳豫振蕩頻率附近，造成頻譜不平坦、低頻抑制嚴重、帶寬窄，限制了產生隨機數的碼率。

此外，也有人對弧形六角激光器產生隨機數進行了研究，在無光注入或光反饋時，在一定工作電流下，弧形六角激光器處于混沌狀態，產生了碼率為10 Gbit/s 的隨機比特碼（2018 IEEE International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Santa Fe,NM, 2018, pp. 1-2）。眾所周知，半導體激光器結合外部擾動后產生混沌的效果更好，因此在此基礎上，我們提出一種隨機數產生速率更高的新的光子集成混沌激光器產生高速物理隨機數的裝置。

發明內容

本發明為了解決使集成混沌激光器產生速率更高的物理隨機數的問題，提供了一種光學微腔高速物理隨機碼發生器，該裝置利用變形微腔結構作為外部反饋，對弧形六角激光器形成擾動以產生更高質量的混沌激光，進一步通過采樣量化產生速率更高的物理隨機數。