CN109830888B - 一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置，包括，激光源、硅基光子晶体芯片、光电转换器、光时延模块、模数转换器、异或门、处理器；激光源用于发送激光至硅基光子晶体芯片；硅基光子晶体芯片用于接收激光并产生耦合振荡输出混沌光信号；光时延模块用于对混沌光信号进行延时；光电转换器用于将混沌光信号转化为电信号；模数转换器用于将电信号转化为二进制码；异或门用于对所述二进制码进行自延时异或运算；处理器用于对自延时异或运算后的二进制码选取预设的最低有效位并生成随机数。本发明的有益效果是，本发明利用硅基光子晶体芯片产生光混沌信号，提高了混沌源装置的小型化、集成化程度，保证了混沌源的稳定性。

Description

一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置

背景技术

本发明涉及光电领域，具体涉及一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置。

随机数的应用研究在国家科技与信息安全战略中占据着至关重要的地位。这缘于它重要的科学意义及广泛的应用背景。随机数被广泛应用于蒙特卡洛仿真、统计抽样、人工神经网络、数字通信中的群同步和加扰、解扰信号等诸多领域。尤其在信息安全领域，随机数更是扮演着极其重要的角色。在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就可以保证所传输信息的安全。因此，产生安全、可靠的随机数关系到国家安全、科学发展、商业机密、个人隐私等众多方面。

随机数按产生机理主要分为伪随机数和真随机数。用种子密钥和计算机迭代算法可生成伪随机数，这种随机数表征为确定性的，可重复的和可预测的。不同的是，真随机数（通常称为物理随机数）是利用自然界物理熵源的微观量子机制或宏观随机现象产生的，如核辐射衰变，热噪声，振荡器频率抖动和电光混沌等。鉴于此，对物理随机数发生器的研究成为了各国学者探索的重点。

人类历史上很早就对随机数开始了研究。在中国古代诞生的易经占卜法，利用 49蓍草法进行占卜，其操作的分裂过程很类似于抛硬币。到了20 世纪 40 年代中期，现代世界需要更多的随机数据，RAND 公司发明了随机脉冲发生器可以生成大量的随机数，在1951年随机性被正式规范化，图灵将其设计整合到了计算机Ferranti Mark 1 号中，Mark 1号计算机内置了随机数生成指令，利用电气噪声可以一次性生成20个随机比特位。传统的物理随机数发生器受限于所采用常规物理熵源的带宽和随机数提取方法，其发生速率相对较低，典型码率仅仅处于Mbps量级。到2003年，通过釆样高速电子振荡器的频率抖动获得了速率达到10Mbit/s的随机数序列，几乎己经达到了当时物理随机数发生器速率的极限，已经无法满足现代科学研究和安全通信的需求。近些年来，混沌激光由于具有高带宽、高混乱度等特性，成为构建安全、可靠、高速物理随机数发生器的理想熵源，获得了人们的极大关注。

2008年，Uchida等人首次通过探索半导体激光器（SL）的光学混沌获得了1.7 Gbps物理随机数序列，标志着物理随机数发生器的速率一举从量级跃升到量级，具有堪与伪随机数发生器相媲美的巨大潜力。2009年，I. Reidler 等人就通过半导体激光器产生的光混沌和差分技术获得了12.5 Gbps的物理随机数。 2012年香港城市大学陈仕俊小组利用光注入半导体激光器产生混沌激光，经过过采样以及８位ADC处理得到速率为10Gbit/s的物理真随机数。随着研究者不断地深入探索，目前已经能够获得等效速率高达Tbit/s的真随机码。如李璞等人通过使用55位垂直采样法获得2.2 Tbps 物理随机数方案及唐熙等人利用半导体激光器的并行耦合方法获得1.12 Tbps 物理随机数方案等。

所有这些结果证明了基于光学混沌的物理随机数发生器的巨大进步，不过其中大多数是基于III-V（例如InGaAsP）半导体激光器，致使整套随机数发生器过于笨重，不利于便捷使用。所以，如何实现混沌激光源的稳定性，小型化，集成化，并进一步的提高混沌激光的带宽，是目前混沌物理随机数发生器需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目是提供一种利用硅基光子集成器件产生光混沌并通过后续多延时耦合等处理方法来实现物理随机数产生装置。

本发明的的技术方案是：

本发明提供一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置，包括，激光源、硅基光子晶体芯片、光电转换器、光时延模块、模数转换器、异或门、处理器；

激光源用于发送激光至硅基光子晶体芯片；

硅基光子晶体芯片用于接收激光并产生耦合振荡输出混沌光信号；

光时延模块用于对混沌光信号进行延时；

光电转换器用于将混沌光信号转化为电信号；

模数转换器用于将电信号转化为二进制码；

异或门用于对所述二进制码进行自延时异或运算；

处理器用于对自延时异或运算后的二进制码选取预设的最低有效位并生成随机数。

进一步的，

所述光时延模块为8路光延时模块。

进一步的，

所述最预设的最低有效位为4位。

进一步的，

所述光时延模块具有8路延时的光混沌信号，延时时间分别为0μs, 4.7μs, 9.4μs, 14.1μs, 18.8μs, 23.5μs, 28.2μs, 32.9μs，之后将八路信号耦合成一个新的光信号输出。

进一步的，

所述模数转换器为带宽为 50MHz 的8位模数转换器。

进一步的，

延时异或运算延迟时间为20μs。

本发明的有益效果是

1.本发明利用硅基光子晶体芯片产生光混沌信号，提高了混沌源装置的小型化、集成化程度，保证了混沌源的稳定性。

2.本发明有效精简了随机数发生装置的体积，使得随机数发生器更加便捷，精巧。

3.本发明与目前主流大规模集成电路(COMS)工艺具有极高的兼容性，因此可以有效降低制造成本，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明一实施例装置连接关系示意图。

图2位本发明一实施例硅基光子晶体芯片(Silicon chip)产生的光混沌时间序列和对应的振幅强度概率分布图。

图3为本发明一实施例8路光延时模块处理后的混沌信号和对应的振幅强度概率分布图。

图4为本发明一实施例NIST随机数测试软件后获得的测试结果测试结果示意图。

图5位本发明一实施例产生的随机数比特流进行Diehard随机性统计测试的测试结果示意图。

具体实施方式

本发明解决背景问题的思路之一是针对光混沌物理随机数发生器小型化的问题，提出“基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置”，利用硅基光子晶体非线性作用产生混沌来进行随机数的获取，利用硅集成技术，在硅光子微腔中产生高速稳定的混沌，使得混沌源发生装置小巧便捷，实现混沌源的小型化与集成性；之后在混沌源中进一步进行信号的采样量化，并对信号进行相应的后续处理，完成随机数的提取，产生随机序列。最终，经测试，能够顺利地通过随机数测试软件Diehard等测试。

本发明一实施例实施过程中，包括光混沌输出模块和随机数发生模块。

光混沌输出模块由外部激励激光器和硅基光子晶体芯片组成。由于亚波长[

0.051(

)3]模态体积V和高质量因子体积比Q / V的存在，硅基光子晶体腔内将产生强烈的光学梯度振荡，实现强烈Drude电子空穴等离子体动力学的产生，使系统动力学不稳定并在硅光子晶体腔内产生稳定的动态混沌。当外部光束通过光耦合器和光衰减器注入到光子微腔中时，腔内的中心气孔会产生强耦合振荡。同时腔内的光机械(OM)场将被非线性效应如双光子吸收，自由载流子和热光效应调制。通过适当的参数调整，这些非线性之间的竞争耦合将最终导致复杂的混沌动力学输出并输出混沌光信号。

随机数发生模块由8路光时延模块(OTDM)、模数转换器(ADC)和异或门(XOR)组成。从光混沌输出模块获得的混沌光信号将通过隔离器注入8路光时延模块(OTDM)进行分路耦合，再由光电转换器转换成电信号，将转换后信号分别通过A/D转换器采样量化转换为二进制码，并对输出的二进制序列码进行自延时异或运算，之后将运算结果选取合适的最低有效位（LSB），便可以得到需要的物理随机码。

下面通过具体的实施例来对本发明进行解释。

实施例1

本发明方案通过硅基光子晶体芯片的非线性作用产生混沌的方法实现了随机数混沌熵源的小型化，便捷化。具体是利用光子晶体（PhC）腔的小模态体积和高Q所导致的高强度局部光场，机械振荡和显著的双光子吸收（TPA）等非线性效应。而这些非线性之间存在的竞争关系，导致了PhC光场上的时间调制。这种调制被称为自感光调制（SOM），形成SOM极限环。同时当从外部输入的光功率超过光子晶体腔内固有机械阻尼损耗时,就会形成自激振荡，从动态角度上被称为OMO极限环。而OMO极限环和SOM极限环的同时存在为系统的动力学空间增加了额外的自由度，并且容易使动力学变得不稳定。通过OMO和硅基非线性之间的有效耦合，以及高于OMO和SOM阈值的足够的驱动功率，相关TPA调制会扰乱OMO节奏，打破OMO极限环并产生非周期性混沌振荡，从而获得复杂的混沌输出。而本发明将硅基光子晶体芯片作为混沌输出装置验证了在介观光机械振子中产生混沌的可行性。

为了获得所需的物理随机数，本发明首先通过8路光时延模块(OTDM)分成八路具有不同延时的光混沌信号，延时时间分别为0μs, 4.7μs, 9.4μs, 14.1μs, 18.8μs, 23.5μs, 28.2μs, 32.9μs，之后将八路信号耦合成一个新的光信号输出，再利用光电转换器和一个带宽为 50MHz 的8位ADC转换器将信号进行A/D转换为8位二进制序列码，如此可明显提高对采样点信息的利用率，将输出的二进制码进行自延时异或运算(延迟时间为20μs)，再选取4位最低有效位（LSB），获得本发明所需要的随机数。通过使用NIST，Diehard等随机数测试软件对获得的随机数进行相关测试，经过反复多次的测试实验，结果表明所得随机数能通过测试。验证了本发明可以作为获得码率达百兆的随机码的随机数发生器装置。为实现便捷，高速信息保密通信，满足当代高速安全通信的需求提供了可靠地依据和方案。

附图1是本发明一实施例连接关系示意图。从图中可更详细的了解本发明所使用的各装置。首先硅基光子晶体芯片(Silicon chip)是产生光混沌熵源的主要装置，产生的光混沌通过一个光隔离器件来防止其可能发生的反射对混沌输出产生干扰，随后光混沌信号要经过8路光时延模块(OTDM)分成八路具有不同延时的信号再耦合成新的光信号并利用光电转换器转换成电信号传输入一个8位的A/D转换器中，获得8位二进制序列码再进行自延时异或(XOR)处理且选取4位最低有效位(LSB)，最终的比特流输出便是我们所需的待测随机数数据。

附图2是本发明中硅基光子晶体芯片(Silicon chip)产生的光混沌时间序列和对应的振幅强度概率分布图。从图中可以看到混沌本身存在较强的结构性，每隔一段时间都会出现一个明显的尖峰脉冲，其强度概率分布也和随机数所需的高斯分布有着明显差距。由于产生随机数的混沌熵源必须具有无规律性，无明显周期存在，因此由光子晶体芯片产生的光混沌是无法直接作为转换成随机比特流的熵源，需要对其进行进一步的后续处理。

附图3是8路光延时模块处理后的混沌信号和对应的振幅强度概率分布图。从图中可以看出通过一些有效的后续操作，所获得混沌信号序列变得更加混乱，混沌信号强度的随机性得到明显提高，其原始信号所存在的周期性被有效降低。处理信号对应的强度概率分布也已经很接近随机数所需的高斯分布。

附图4给出了本发明一实施例经过NIST随机数测试软件后获得的测试结果。NISTSP 800-22是由美国国家标准协会发布的随机数测试软件包，拥有15个随机数测试项目，需要1000组1Mbit数据点进行随机性测试。可以看到，本发明方案获得的随机数序列通过了全部15个测试项目，证明了本发明作为随机数发生器的可行性。

附图5是将本发明一实施例产生的随机数比特流进行Diehard随机性统计测试的测试结果图。Diehard统计测试包含18项测试，进行全部测试需要测试序列长度至少为74Mbit。每次测试会设置一个显著性水平β，当每项测试的P-value值大于0.0001时，则表明待测数据通过了该项测试。“KS”表示此P-value 值是由柯尔莫可洛夫-斯米洛夫检验(theKolmogorov-Smirnov)获得.从图中可看出本发明所获得的随机数比特流通过了随机性测试。

实施例2

为了解决现有技术中使用传统激光器产生混沌源，致使整套随机码发生装置过于大型化，不利于便捷使用的问题，本发明还提供一种小型化的便于使用的基于XOR方法的硅基光子混沌物理随机数发生方法，包括以下步骤，

S1生成无周期的混沌信号；

S2 生成混沌激光信号；

S3 将混沌激光信号转化为电信号；

S4 将电信号转换为数字信号；

S5 选取所述数字信号的预设值的最低有效位二进制码，对所述预设值的最低有效位二进制码进行异或逻辑处理生成随机序列。

进一步的，

所述步骤s1包括，

通过在硅光子微腔中集成的光学机械振荡器，采用双光子Drude模型，在微腔线产生低阈值的机械震荡生成无周期的混沌信号。

进一步的，

所述硅光子微腔由两块微平板光子晶体组成并采用一块光子晶体将所述两块硅光子微腔分离。

进一步的，

所述步骤s2包括，

所述混沌信号经过光耦合器、光衰减器、光隔离器转化成混沌激光信号；

进一步的，

所述步骤s3包括，

通过高于混沌源信号带宽的前置放大器来实行过采样将电信号转化为数字信号。

为了保证上述方法的实施，本发明还提供一种基于XOR方法的硅基光子混沌物理随机数发生系统，硅光子器件，光耦合器、光衰减器、光隔离器，光电转换器，前置放大器，处理器；

其中，

硅光子器件用于生成无周期的混沌信号；

光耦合器、光衰减器、光隔离器用于生成混沌激光信号；

光电转换器用于将混沌激光信号转化为电信号；

前置放大器用于将电信号转换为数字信号；

处理器用于选取所述数字信号的预设值的最低有效位二进制码，对所述预设值的最低有效位二进制码进行异或逻辑处理生成随机序列。

进一步的，

所述硅光子器件为硅光子微腔中集成光学机械振荡器，采用双光子Drude模型，在微腔线产生低阈值的机械震荡生成无周期的混沌信号。

进一步的，

所述硅光子微腔由两块微平板光子晶体组成并被一块光子晶体将这两块硅光子微腔分离。

进一步的，

所述步骤s3包括，

前置放大器为高于混沌源信号带宽的前置放大器。

本发明的有益效果是，本发明设计并利用硅光子微腔产生混沌，使得混沌的产生装置实现集成化，保证混沌源的稳定性，解决了混沌源小型化的问题，进一步精简了随机数的产生装置，利用CMOS集成电路上的投资和技术经验应用到硅光子集成领域，有效的降低成本，提高生产效率，为高速、便捷的随机数发生装置提供了可靠地实施方案。

本发明实现高速随机码的获取主要分为两个部分：第一，在硅光子微腔中获取混沌信号；第二，对混沌信号提取并进行相关抑或（XOR）处理，获得能够严格通过随机数检测的高速随机码。

在硅光子微腔中集成光学机械振荡器，利用双光子Drude模型，在微腔线产生基础的谐振，由于微腔中光场内梯度较为紧密的光子，使得场内能够发生较大的相干耦合，产生低阈值的机械震荡，然后通过调节其他腔内场中非线性因素条件，通过不断的迭代来产生无周期的混沌信号。之后，通过光耦合器、光衰减器和光隔离器等装置，对混沌源进行处理，使其变为能够被转化成电信号的混沌激光信号，之后在电领域内完成数据的提取，并对数据进行数模转换，使其成为二进制码，多位ADC可将每个采样点量化为多位二进制吗，能够大大提高采样点信息率的利用，得到更高得提取速率，可以根据不同的信号表现来选取不同的最低有效位，然后再通过一定条件下的延迟异或（XOR）处理，来消除信号的弱周期性，得到良好的高速随机码。

实施例4

首先本发明基于在硅光子谐振微腔中产生混沌的方法来实现激光器的小型化。利用基于硅集成光学机械振荡器内由电子-空穴等离子体双光子吸收非线性耦合产生的Drude模型来产生混沌。本发明内所指的硅光子微腔是由两块微平板光子晶体组成（在本发明一实施例中大小为16.0um*5.5um*250nm）,根据光子晶体线的缺陷特征，利用一块槽宽为120nm的光子晶体将这两块硅光子微腔分离，腔内的机械模型将会产生一个频率为112MHz的基础谐振，在室温与常压的条件下进入再生震荡状态机制时，将会出现一个频率为15Hz的狭窄线宽。由于光场内梯度紧密的槽腔光子的限制确保了较大相干光学耦合强度，产生了低阈值机械震荡。与之同时，在同一个腔内，由于双光子吸收、自有载流子和热光动力学等强烈的非线性效应将导致腔内场能够被调节。本发明还利用光机械震荡和光子微腔载体动力学的时间特征通过本发明设计的机械模型和内在的自由载流子扩散时间进行了对比，确保耦合的运动方程有足够的迭代和自由度来生成混沌。本发明又通过辐射压力和自由载离子动态中的单腔耦合震荡，证实了在微观硅光机械振子中产生了混沌。

由于硅光子微腔中产生的混沌带宽有限，为了满足当代通信要求，获取相对更高速率的随机码，本发明这里采用由“过采样”技术来实现高速的随机码。也就是在硅光子微腔中得到无周期的混沌信号之后，将混沌光信号经过快速光电转换器转换为电信号，然后依据奈奎斯特采样定理，为了避免混频，所以本发明使用的采样频率必须高于信号最高频率的二倍，但是此时本发明需要选用一个远远高于混沌源信号带宽的前置放大器来实行过采样，提高采样频率，然后将信号进行A/D转换为8位ADC，在本实施例中选取最低有效位（LSB）预设值为3，最后对3位LSB二进制码进行异或逻辑处理（XOR），之后对其进行NIST以及Diehard等检测随机数标准的相关测试，保证经过处理所产生的二进制序列，本实施例结果能够通过全部的测试项，也就表示本发明所提出的方案是可行的，经过本发明反复的试验，最终结果表明，本发明实施例可以产生高速率的随机码。在本发明一实施例中，通过提高混沌源的带宽或者对得到的原始混沌信号进行并行处理和外差检测，提高混沌信号带宽，得到更高的速率的随机码。

本发明的有益效果是满足当代高速通信速率的需求，可以实时大量的产生高速随机数装置小型化，可以实现大容量高速光保密通信简易设备。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (1)

1.一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置，其特征在于，包括，激光源、硅基光子晶体芯片、光电转换器、光时延模块、模数转换器、异或门、处理器；

激光源用于发送激光至硅基光子晶体芯片；

硅基光子晶体芯片用于接收激光并产生耦合振荡输出混沌光信号；

光时延模块用于对混沌光信号进行延时；

光电转换器用于将混沌光信号转化为电信号；

模数转换器用于将电信号转化为二进制码；

异或门用于对所述二进制码进行自延时异或运算；

处理器用于对自延时异或运算后的二进制码选取预设的最低有效位并生成随机数；

所述光时延模块为8路光延时模块；

所述最预设的最低有效位为4位；

所述光时延模块具有8路延时的光混沌信号，延时时间分别为0μs, 4.7μs, 9.4μs,14.1μs, 18.8μs, 23.5μs, 28.2μs, 32.9μs，之后将八路信号耦合成一个新的光信号输出；

所述模数转换器为带宽为 50MHz 的8位模数转换器；

延时异或运算延迟时间为20μs；

硅光子微腔由两块微平板光子晶体组成，微平板光子晶体大小为16.0um*5.5um*250nm，利用一块槽宽为120nm的光子晶体将这两块硅光子微腔分离，腔内的机械模型产生一个频率为112MHz的基础谐振。

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