CN108963755A - 一种光子集成全光随机码芯片 - Google Patents

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Abstract

一种光子集成全光随机码芯片是当给环形激光器中的半导体光放大器注入方波调制电流时产生顺时针和逆时针两种模式激光，两种模式的激光由耦合在环形激光器上的直波导输出，且不同模式的激光从直波导输出的方向不同，选取直波导的一端作为输出端，通过检测直波导的输出端是否有激光脉冲来判断该芯片产生码“0”或码“1”；同时一集成在芯片上的混沌激光器产生的混沌激光将通过直波导注入到环形激光器并对其进行扰动，使环形激光器等概率的随机产生顺时针或逆时针激光，并在输出端检测，当在输出端检测到有激光脉冲产生时，则判定为随机码“1”，否则判定为随机码“0”，实现实时快速产生真随机码。

Description

一种光子集成全光随机码芯片
技术领域
本发明涉及一种全光随机码芯片，具体为一种用于产生高速全光随机码的光子集成芯片，属于密码学、光通信、信息安全等领域。
技术背景
随机码在蒙特卡洛模拟，人工神经网络，抽样统计等科学计算方面有着广泛的应用，尤其在保密通信领域，安全可靠的随机码关系到国家安全，金融稳定，商业机密及个人隐私等多个方面。
根据香农的“一次一密”理论，为实现绝对安全的保密通信就需要大量的、码率不低于通信速率的随机码，且需要保证随机码的不可预测性。利用算法可以产生高速的“伪”随机码，但它的长度有限、可以被预测，无法保证所加密信息的绝对安全性，采用自然界随机现象作为物理熵源，可产生无限长度、不可预测的物理随机码，又称真随机码，但受限于传统物理熵源的带宽，码率为 Mbit/s 量级，距离现代通信速率有很大差距 。
近年来，混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机码取得了突破性进展，2008年，日本内田淳夫课题组在国际知名期刊Nature Photonics上首次利用激光混沌熵源，实现了1.7Gb/s真随机码的在线、实时产生[Nat.Photon.,vol.2 ,pp.728-732，2008]；2013年，申请人所在课题组利用混沌激光器成功构建了最快码率达4.5Gb/s的真随机码发生器[Opt .Express，21(17): 20452-20462，2013]，以上两种方法都需要电ADC的参与，电ADC面临的“ 电子抖动速率瓶颈” 极大地限制了真随机码码率的进一步提高；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，将随机码的产生速率提高至10Gb/s，并研制了随机码发生器样机[J.Lightw.Technol.,vol.36,no.12,pp.2531-2540，2018]。
然而，需要注意到的是，以混沌激光作为物理熵源产生真随机码的方法虽然可使随机数码率获得大幅提升，但目前真随机码的产生方法都是基于分离的器件实现的，结构复杂、稳定性差，距离实际系统的应用需求尚有差距。
随着通信网络的快速发展和通信速率的急剧增长，当前真随机码发生器正朝着集成化和芯片化发展，高速随机码发生器的光子集成问题的解决迫在眉睫。
发明内容
针对技术背景中的相关问题，本发明提供一种光子集成全光随机码芯片，用于产生高速、实时随机码，以解决现有电子随机码芯片码率不足和基于混沌激光随机码发生器结构复杂，不可集成的问题。
本发明提供的一种光子集成全光随机码芯片，包括：
1、一个光子集成的基底，所采用的基底材料可以是磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、硅（Si）等；
2、环形波导和半导体光放大器构成的环形激光器，环形波导为与基底材料兼容材质，放大器可以是外延生长在基底上，也可以是直接键合在基底上；
3、与环形波导耦合的直波导，并且该直波导与环形波导具有相同的材质；
4、一个集成在基底上的混沌激光器，输出与直波导的一端连接；
其特征在于：当给环形激光器中的半导体光放大器注入方波调制的电流时，每当方波调制的电流中高电平出现时，环形激光器会产生顺时针和逆时针两种模式的激光；这两种模式的激光由耦合在环形激光器上的直波导输出，并且不同模式的激光从直波导输出的方向不用；选取直波导的一端作为输出端，通过检测直波导的输出端是否有激光脉冲来判断该芯片产生码“0”或码“1”；为了增加光子集成全光随机码芯片输出的随机性，一个集成在芯片上的混沌激光器产生的混沌激光将通过直波导注入到环形激光器并对其进行扰动，从而使环形激光器可以等概率的随机产生顺时针或逆时针的激光，因此在输出端是否可以检测到激光脉冲也是等概率的，当在输出端可以检测到有激光脉冲产生时，则判定为随机码“1”，否则判定为随机码“0”，从而实时快速产生真随机码。
基于上述的技术方案，进一步的技术特征方案如下：
所述的混沌激光器光子集成在基底上的，通过控制偏置电流的强度可以调节其产生混沌激光的强度。
所述的环形激光器在混沌激光的扰动下，当有高电平注入时，两种模式的激光是等概率地随机产生的。
所述的光子集成的全光随机码芯片的码率由方波调制电流的频率决定，因此本发明产生随机码的码率是可调的。
实现上述本发明所提供的一种光子集成全光随机码芯片的技术方案，与现有随机码产生技术相比，其具有如下的优点与积极效果。
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，该技术方案产生的随机码的码率与注入方波调制的电流的频率一致，故本发明的码率是可调的。
第三，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。
第四，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全光随机码芯片的结构示意图。
图中：1：硅基底；2：混沌激光器；3：环形激光器；4：半导体光放大器；5：环形波导；6：直波导。
图2是本发明混沌激光器的内部结构示意图。
图中：7：分布反馈激光器区；8：相位调制区；9：增益区；10：反射镜。
图3是注入半导体光放大器的方波调制的电流图。
图4 是本发明一种光子集成全光随机码芯片的输出结果图。
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实例，对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，应当理解，此处所述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，本发明上述所提供的一种光子集成全光随机码芯片是由硅基底1，混沌激光器2，环形激光器3和直波导4构成；混沌激光器2，环形激光器3和直波导4均集成在硅基底1上；其中，混沌激光器2由分布反馈激光器区7，相位调制区8，增益区9以及反射镜10构成；环形激光器3由环形波导5和半导体光放大器4构成；直波导6与环形激光器3耦合，直波导6的一端与混沌激光器2相连，另一端作为输出端用来检测是否有激光脉冲输出。
实施本发明上述所提供的一种光子集成全光随机码芯片，是在现有技术的基础上，将所需器件集成于硅基底上，通过给环形激光器3中的半导体光放大器4注入方波调制的电流I 4 ，如附图3所示，使环形激光器随机产生顺时针或逆时针两种模式的激光，因为这两种模式的激光并不是完全等概率地出现，因此需要给其注入一个噪声扰动，本发明使用混沌激光器2产生的混沌激光作为噪声源对环形激光器3扰动，如图2所示，通过控制混沌激光器2相位调制区8和增益区9的注入电流I 8 、I 9 来控制反馈光的相位和强度，使反馈光在适当的相位和强度状态下返回至分布反馈激光器7从而使其工作在适当的混沌状态；通过控制注入分布反馈激光器7的注入电流I 7 ，可以控制混沌激光器2产生混沌激光的强度，将混沌激光器2产生的适当强度的混沌激光通过直波导6的一端注入环形激光器3并对其进行扰动，因此在给环形激光器3注入方波调制的电流时，每次高电平的出现会使环形激光器3等概率地随机产生顺时针或逆时针两种模式的激光，并由直波导6的另一端输出，当直波导6的输出端可以检测到激光脉冲时输出“1”码，反之输出“0”码，此连续且随机出现的“1”码和“0”码构成高速实时随机码序列，如附图4所示。
另外，需要特别指出的是，本发明所产生的随机码的码率完全由给环形激光器施加的方波调制电流的重复频率决定，并与之保持一致，因此通过控制这个参量可方便地对真随机数码率进行实时的调谐，方便了不同规格通信网络的高效利用。
进一步地，技术方案中基底1的材料是硅材料基底，也可以是磷化铟材料基底，或者是砷化镓材料基底；混沌激光器2光子集成在基底1上，可通过控制偏置电流的强度调节其产生混沌激光的强度；环形激光器3在混沌激光的扰动下，当有高电平注入时，两种模式的激光是等概率地随机产生的；光子集成全光随机码芯片的码率是由方波调制电流的频率决定，所产生随机码的码率是可调的。
应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种光子集成全光随机码芯片，包括：
一光子集成的基底（1），所述基底（1）的材料是磷化铟、砷化镓或硅；
环形波导（5）和半导体光放大器（4）构成的环形激光器（3），所述环形波导（5）是与所述基底（1）的材料兼容，放大器是外延生长在所述基底（1）上、或是直接键合在所述基底（1）上；
与所述环形波导（5）耦合的直波导（6），所述直波导（6）与所述环形波导（5）具有相同的材质；
一集成在所述基底（1）上的混沌激光器（2），输出与所述直波导（6）的一端连接；
其特征在于：
当给环形激光器（3）中的半导体光放大器注入方波调制的电流时，每当方波调制的电流中高电平出现时，环形激光器（3）会产生顺时针和逆时针两种模式的激光；这两种模式的激光由耦合在环形激光器（3）上的直波导（6）输出，且不同模式的激光从直波导（6）输出的方向不同，选取直波导（6）的一端作为输出端，通过检测直波导（6）的输出端是否有激光脉冲来判断该芯片产生码“0”或码“1”；同时一集成在芯片上的混沌激光器（2）产生的混沌激光将通过直波导（6）注入到环形激光器（3）并对其进行扰动，使环形激光器（3）等概率的随机产生顺时针或逆时针激光，并在输出端检测，当在输出端检测到有激光脉冲产生时，则判定为随机码“1”，否则判定为随机码“0”，实时快速产生真随机码。
2.如权利要求1所述的光子集成全光随机码芯片，其特征在于：所述混沌激光器（2）光子集成在基底（1）上，可通过控制偏置电流的强度调节其产生混沌激光的强度。
3.如权利要求1所述的光子集成全光随机码芯片，其特征在于：所述环形激光器（3）在混沌激光的扰动下，当有高电平注入时，两种模式的激光是等概率地随机产生的。
4.如权利要求1所述的光子集成全光随机码芯片，其特征在于：所述光子集成全光随机码芯片的码率是由方波调制电流的频率决定，所产生随机码的码率是可调的。
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