CN108923251A - 一种真随机码光子集成芯片 - Google Patents

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Abstract

一种真随机码光子集成芯片，其中四分之一波长相移分布反馈激光器发出的激光经相位调制区进行相位调制，使其在适当的相位条件下注入四分之一波长相移分布反馈激光器构成主激光器注入从激光器产生混沌激光，经过可饱和吸收体区之后，产生幅度随机起伏的激光脉冲经过第二个相位调制区进行相位调制后增益放大，进入分布反馈激光器作为光比较器对随机起伏的激光脉冲进行一位全光比较，当随机脉冲光功率高于比较阈值P th 时，没有光输出，判定为逻辑值“0”；当脉冲光功率低于阈值P th 时，有光输出，判定为逻辑值“1”，经过比较的随机激光脉冲在经过相位调制器后，进入光栅滤波器将比较激光器激射出来的光波段滤出，实时产生真随机码。

Description

一种真随机码光子集成芯片
技术领域
本发明涉及一种真随机码光子集成芯片，具体是一种可用于信息安全及保
密通信的真随机码光子集成芯片，属于密码学、光通信、信息安全等领域。
技术背景
随机码在保密通信领域有着广泛的应用，安全可靠随机码的产生关系到国防安全、金融稳定、商业机密以及个人隐私等众多方面。
随机码可分为真随机码和伪随机码，通过算法可以快速产生随机码，但是其具有周期性，可破解，属于伪随机码，通过对自然界中物理熵源的提取可以产生无法破解的真随机码，从而可以从根本上杜绝信息被窃取以保证通信的安全。
目前的真随机码发生器大多以热噪声作为物理熵源，但是由于热噪声固有的带宽瓶颈的限制，其码率处于Mb/s量级，远达不到现在通信速度的要求，近年来随着混沌激光的发展，以混沌激光作为物理熵源的真随机码的发生速率有了突破性发展[Nat.Photon.,9（3）,151-162，2015]，但是其中大部分都是通过对实验采集得到物理过程的时间序列进行计算机离线处理而实现的，并不能实时产生随机码；2018年，发明人所在课题组利用光注入产生的带宽增强的混沌激光作为物理熵源，在全光域内实现了真随机码的实时产生[J.Lightw.Technol.,vol.36,no.12,pp.2531-2540，2018]；但是以上随机码的产生都是基于分立的器件实现的，不仅装置结构复杂，而且稳定性较差。
随着通信技术的发展，真随机码发生装置芯片化、模块化是必然趋势，目前电子的真随机码发生芯片已经有相关报道，但是由于其速率的限制仅仅可以用于少数低频的场合。基于混沌激光的真随机码发生器虽然发生速率有大幅的提高，但是当前设备装置复杂及功耗较大，因此亟须开发高速真随机码光子集成芯片技术。
发明内容
为解决技术背景中所提到的相关问题，本发明公开了一种真随机码光子集成芯片，用以解决电子随机码芯片码率不足以及基于混沌激光的真随机码发生器结构复杂，不可集成的问题。
为了解决上述问题以及实现上述目的，本发明所采取的措施如下。
一种真随机码光子集成芯片由一个光子集成的芯片衬底，两个四分之一波长相移分布反馈激光器，一个光栅分布均匀的分布反馈激光器，三个相位调制区，一个光栅滤波器，一个可饱和吸收体区及一个增益区构成，所有这些器件均固定于芯片衬底上。其特征在于：四分之一波长相移分布反馈激光器发出的激光经相位调制区进行相位调制，使其在适当的相位条件下注入另一个四分之一波长相移分布反馈激光器，因此两个激光器会构成主激光器注入从激光器的结构从而产生混沌激光，该混沌激光在经过可饱和吸收体区之后，会产生幅度随机起伏的激光脉冲。该随机激光脉冲在经过第二个相位调制区进行相位调制后由增益区进行放大，放大后的随机激光脉冲进入分布反馈激光器。该分布反馈激光器可以作为光比较器对随机起伏的激光脉冲进行一位全光比较。当随机脉冲光功率高于比较阈值P th 时，激光器被熄灭，没有光输出，判定为逻辑值“0”；当脉冲光功率低于阈值P th 时，有光输出，判定为逻辑值“1”。经过比较的随机激光脉冲在经过相位调制器后，进入光栅滤波器将比较激光器激射出来的光波段滤出，最后输出比较结果，从而实时产生真随机码。
基于上述的技术方案，进一步的技术特征如下：
所述的所有光学器件均光子集成在芯片衬底上，通过控制各个器件的注入电流可以调节各个器件的工作状态。
所述的四分之一波长相移分布反馈激光器2发出的激光注入到四分之一波长相移分布反馈激光器4会产生混沌激光，该混沌激光在通过可饱和吸收体后会产生幅度随机起伏的激光脉冲。
所述的分布反馈激光器8内部光栅为均匀分布，初始输出为高电平，其输出激光的波长与前面两个四分之一波长相移分布反馈激光器的输出波长不同。
实现上述本发明所提供的一种真随机码光子集成芯片的技术方案，与现有随机码产生技术相比，其优点与积极效果在于：
第一，该技术方案产生的随机码不存在周期性，可提供无限数量的真随机码，克服了伪随机码发生器固有周期性限制；
第二，该技术方案中随机码的产生是在全光域内进行的，无需任何光电转换避免了电子瓶颈；
第三，该技术方案是光子集成的，比以往的全光随机码发生装置结构简单且稳定性更强。
附图说明
图1是本发明一种光子集成的全光真随机码发生芯片的结构示意图。
图2是分布反馈激光器8的工作原理图。
图中：1：芯片衬底；2：四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ；3：相位调制区Ⅰ；4：四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ；5：可饱和吸收体区；6：相位调制区Ⅱ；7：增益区；8：分布反馈激光器；9：相位调制区Ⅲ；10：光栅滤波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
本发明所述的一种真随机码光子集成芯片是将光注入产生的混沌激光通过可饱和吸收体，由此产生幅值随机起伏的激光脉冲，该激光脉冲在经过相位调制和适当放大后由分布反馈激光器进行光比较，然后由光栅滤波器滤出比较激光器激射出来的光，最后输出比较结果。当在输出端可以检测到有光输出时，判定为逻辑值“1”，否则判定为逻辑值“0”，从而产生真随机码。
在传统的利用激光混沌熵源产生真随机码的方案中，大都是将激光混沌熵源转化为电信号然后完成采样，量化及后处理等一系列过程。由于在电域对信号处理往往需要电时钟的参与，电时钟的孔径抖动会极大地限制的真随机码的发生速率。发明人课题组提出全光域内产生真随机码的方法可以将真随机码的产生速率提升至10Gb/s，但是该方法的实现是通过各个分立的器件实现，结构比较复杂，而且稳定性也有待进一步提高。
本发明所公开的一种真随机码光子集成芯片打破了传统思维，采用了光子集成的方法，将真随机码产生所必须的光学器件集成在芯片衬底上，在全光域内实现了真随机码的产生，不仅避免了电子瓶颈，使该真随机码的发生芯片的码率达到了通信要求，而且有效地降低了系统的复杂性，提高了真随机码产生过程中的稳定性。
本发明所公开的一种真随机码光子集成芯片，是由一个芯片衬底1，四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ2，相位调制区Ⅰ3，四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ4，可饱和吸收体区5，相位调制器Ⅱ6，增益区7，分布反馈激光器8，相位调制区Ⅲ9以及光栅滤波器10构成，所有的光学器件均固定于芯片衬底1上，四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ2发出的激光经相位调制区Ⅰ3进行相位调制，使其在适当的相位条件下注入另一个四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ4，因此这两个激光器会构成主激光器注入从激光器的结构从而产生混沌激光。该混沌激光在经过可饱和吸收体区5之后，会产生幅度随机起伏的激光脉冲，随机激光脉冲在经过第二个相位调制区Ⅱ6后由增益区7进行放大。放大后的随机激光脉冲进入分布反馈激光器8，该分布反馈激光器的内部光栅为均匀分布，可以作为光比较器，对幅度随机起伏的激光脉冲进行全光比较。当随机脉冲的光功率高于比较阈值P th 时，激光器被熄灭，没有激光输出，判定为逻辑值“0”；当脉冲光功率低于阈值P th 时，有激光输出，判定为逻辑值“1”。经过比较的随机激光脉冲在经过相位调制区Ⅲ9后，进入光栅滤波器10将分布反馈激光器8射出来的光波段滤出，最后的输出比较结果，从而产生真随机码。
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如附图1所示：所有的光学器件均集成在硅基底1上，其中四分之一波长相移分布反馈激光器2发出的激光波长为1554nm，经过相位调制区3使该激光在适当的相位条件下注入激射波长同为1554nm的四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ4，因此激光器4会产生混沌激光,由于混沌激光幅值随机起伏，该混沌激光在经过可饱和吸收体5后 ，中低强度的激光被可饱和吸收体5吸收衰减，而光强较大的激光则可以透射出可饱和吸收体5，并且强度不同的激光在透射出可饱和吸收体5后强度也不同，因此混沌激光在经过可饱和吸收体后会产生幅度随机起伏的激光脉冲，该幅值随机起伏的激光脉冲在经过又一个相位调制区6和增益区7，使其在适当的相位和强度条件下进入分布反馈激光器8进行一位比较量化，分布反馈激光器8内置均匀分布到的布拉格光栅，其发出的激光波长与前两个四分之一波长相移分布反馈激光器发出的波长不同，工作原理如附图2所示，当进入激光器8的脉冲光强度大于阈值P th 时，激光器被熄灭，没有光输出；当脉冲光功率低于阈值P th 时，有光输出，如此便可实现随机激光脉冲序列的一位全光比较，比较之后的再经过一个相位调制器对其输出进行相位调整之后，光栅滤光器将输出激光中激光器8激射的光波段滤出，最后输出比较结果，当在输出端可以检测到光输出时，判定为逻辑值“1”，否则判定为逻辑值“0”，从而实时快速地产生真随机码。
另外，需要特别指出的是，本发明所产生的真随机码的过程是在全光域内进行的，有效避免了由电子时钟抖动导致的电子ADC速率瓶颈问题；其次本发明是光子集成在芯片上的，比以往的全光随机码发生装置结构简单且稳定性更强。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种真随机码光子集成芯片，包括芯片衬底、分布反馈激光器、相位调制区、光栅滤波器、可饱和吸收体区及增益区；其特征在于：
所述芯片衬底（1）上光子集成有四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ（2）、三相位调制区Ⅰ（3）、四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ（4）、可饱和吸收体区（5）、三相位调制区Ⅱ（6）、增益区（7）、光栅分布均匀的分布反馈激光器（8）、三相位调制区Ⅲ（9）及光栅滤波器（10）；
所述四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ（2）发出的激光经相位调制区Ⅰ（3）进行相位调制，使其在适当的相位条件下注入四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ（4），因此四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ（2）与四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ（4）构成主激光器注入从激光器的结构从而产生混沌激光，该混沌激光在经过可饱和吸收体区（5）之后，产生幅度随机起伏的激光脉冲，所述随机起伏的激光脉冲在经过第二个相位调制区Ⅱ（6）进行相位调制后由增益区（7）进行放大，放大后的随机激光脉冲进入分布反馈激光器（8），所述分布反馈激光器（8）作为光比较器对随机起伏的激光脉冲进行一位全光比较，当随机脉冲光功率高于比较阈值P th 时，激光器被熄灭，没有光输出，判定为逻辑值“0”；当脉冲光功率低于阈值P th 时，有光输出，判定为逻辑值“1”，经过比较的随机激光脉冲在经过相位调制器Ⅲ（9）后，进入光栅滤波器（10）将分布反馈激光器（8）激射出来的光波段滤出，最后输出比较结果，从而实时产生真随机码。
2.如权利要求1所述的真随机码光子集成芯片，其特征在于：所述芯片衬底（1）上光子集成的光学器件是通过控制各个光学器件的注入电流调节各个光学器件的工作状态。
3.如权利要求1所述的真随机码光子集成芯片，其特征在于：所述四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅰ（2）发出的激光注入到四分之一波长相移分布反馈激光器Ⅱ（4）会产生混沌激光，所述混沌激光在通过可饱和吸收体区（5）后会产生幅度随机起伏的激光脉冲。
4.如权利要求1所述的真随机码光子集成芯片，其特征在于：所述分布反馈激光器（8）内部光栅为均匀分布，初始输出为高电平，其输出激光的波长与前面两个四分之一波长相移分布反馈激光器的输出波长不同。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110265868A (zh) * 2019-05-07 2019-09-20 太原理工大学 波长可调谐的宽带混沌半导体激光器芯片
US11152763B2 (en) * 2017-11-16 2021-10-19 Taiyuan University Of Technology INP-based monolithic integrated chaotic semiconductor laser chip capable of feeding back randomly diffused light

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009230200A (ja) * 2008-03-19 2009-10-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> カオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置とその方法と、そのプログラムと記録媒体
CN102280815A (zh) * 2011-07-16 2011-12-14 太原理工大学 一种光反馈混沌激光器
CN102681816A (zh) * 2012-05-22 2012-09-19 太原理工大学 一种全光真随机数发生器
CN107203366A (zh) * 2017-07-25 2017-09-26 太原理工大学 一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009230200A (ja) * 2008-03-19 2009-10-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> カオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置とその方法と、そのプログラムと記録媒体
CN102280815A (zh) * 2011-07-16 2011-12-14 太原理工大学 一种光反馈混沌激光器
CN102681816A (zh) * 2012-05-22 2012-09-19 太原理工大学 一种全光真随机数发生器
CN107203366A (zh) * 2017-07-25 2017-09-26 太原理工大学 一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11152763B2 (en) * 2017-11-16 2021-10-19 Taiyuan University Of Technology INP-based monolithic integrated chaotic semiconductor laser chip capable of feeding back randomly diffused light
CN110265868A (zh) * 2019-05-07 2019-09-20 太原理工大学 波长可调谐的宽带混沌半导体激光器芯片

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