CN109840071B - 一种光学微腔高速物理随机码发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学微腔高速物理随机码发生器，包括封装好的光学微腔集成混沌激光器，所述光学微腔集成混沌激光器包括弧形六角激光器和变形微腔，所述弧形六角激光器一端通过无源波导Ⅱ与变形微腔一端连接，所述变形微腔另一端与无源反馈波导连接，所述无源反馈波导的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，所述光学微腔集成混沌激光器内的无源波导Ⅰ输出光后与光电探测器连接，所述光电探测器输出电信号给采样量化系统，所述采样量化系统输出高速随机数。本发明产生混沌激光复杂度高，带宽可达20G以上，因此通过光电转换和采样量化产生的物理随机数实时速率高。

Description

一种光学微腔高速物理随机码发生器

技术领域

本发明涉及光子集成混沌半导体激光器技术领域，具体为一种光学微腔高速物理随机码发生器。

背景技术

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 。

混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机码的方法可使随机数码率获得大幅提升，但目前产生混沌激光的方法，大多都是利用半导体激光器及外部分立光学元件搭建而成的（外腔长都在几米到几十米），体积庞大、结构复杂、易受外界环境的影响、输出不稳定，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。

2008年，欧盟第六届科技框架计划PICASSO项目研制了首个光子集成的混沌外腔反馈半导体激光器；2010年，意大利帕维亚大学Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群岛大学Mirasso等人和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Hamacher研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器；2013年，西南大学夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光等等。

2010 年希腊 Argyris 等人利用集成混沌激光器离线产生 140Gb/s 物理随机数；2011年日本 NTT 公司与琦玉大学利用集成混沌半导体激光器实时产生了 2.08Gbps的物理随机数；2017 年，Uchida 等人利用集成混沌激光器结合FPGA实现后续处理，产生21Gb/s随机数序列。以上基于集成混沌激光器的随机数产生研究，激光器均采用DFB镜面外腔反馈结构，产生的混沌激光带有明显的时延特征信息，即混沌信号具有一定的周期性，会降低利用混沌激光作为物理熵源产生的高速物理随机数的随机特性。此外，受激光器驰豫振荡的影响，光反馈半导体激光器产生的混沌信号的能量在频域上主要集中在驰豫振荡频率附近，造成频谱不平坦、低频抑制严重、带宽窄，限制了产生随机数的码率。

此外，也有人对弧形六角激光器产生随机数进行了研究，在无光注入或光反馈时，在一定工作电流下，弧形六角激光器处于混沌状态，产生了码率为10 Gbit/s 的随机比特码（2018 IEEE International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Santa Fe,NM, 2018, pp. 1-2）。众所周知，半导体激光器结合外部扰动后产生混沌的效果更好，因此在此基础上，我们提出一种随机数产生速率更高的新的光子集成混沌激光器产生高速物理随机数的装置。

发明内容

本发明为了解决使集成混沌激光器产生速率更高的物理随机数的问题，提供了一种光学微腔高速物理随机码发生器，该装置利用变形微腔结构作为外部反馈，对弧形六角激光器形成扰动以产生更高质量的混沌激光，进一步通过采样量化产生速率更高的物理随机数。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种光学微腔高速物理随机码发生器，包括封装好的光学微腔集成混沌激光器，所述光学微腔集成混沌激光器包括弧形六角激光器和变形微腔，所述弧形六角激光器一端通过无源波导Ⅱ与变形微腔一端连接，所述变形微腔另一端与无源反馈波导连接，所述无源反馈波导的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，所述光学微腔集成混沌激光器内的无源波导Ⅰ输出光后与光电探测器连接，所述光电探测器输出电信号给采样量化系统，所述采样量化系统输出高速随机数。

光学微腔高速物理随机码发生器的随机数产生方法，封装好的光学微腔集成混沌激光器内的弧形六角激光器输出光，通过无源波导Ⅱ耦合进入变形微腔，一部分光经过变形微腔发生全反射后从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，另一部分光进入无源反馈波导后，高反射膜将光反射回变形微腔内，经过腔内射线轨道后也从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，反射光进入弧形六角激光器，最终产生的混沌激光由弧形六角激光器另一端的无源波导Ⅰ定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器输出至光电探测器转化成为电信号，再经过采样量化系统将电信号转化为高速随机数输出。

本发明提供了一种高速随机数产生装置，这种高速随机数产生装置主要包括封装好的光学微腔集成混沌激光器和光电探测器，利用光学微腔集成混沌激光器带宽宽、频谱平坦、结构小巧，且能够消除时延特征的特性，封装好的光学微腔集成混沌激光器主要包括弧形六角激光器和变形微腔，弧形六角激光器为现有技术，利用了其弛豫振荡频率大、小信号调制响应曲线平坦的特性，且通过该激光器产生混沌光源解决了弛豫振荡频率对带宽的限制的问题，弧边六角形微腔单模半导体激光器弛豫振荡频率约11GHz、小信号调制响应曲线非常平坦，在一定工作电流下，获得了调制带宽 13GHz 的单模输出（Optics Letters,42(7): 1309-1312, 2017）。变形微腔是对圆形光学微腔的一种变形，理想圆形光学微腔内部光场为回音壁模式，而微小变形的圆盘腔会产生复杂的射线状态，随着光线角度不同会呈现周期轨道[J.Opt.Soc.Am.B,21(5):923,2004]，因此本发明中的变形微腔，是对圆型腔进行了一些微小的变形，且对变形不加限制，使其随着光线角度不同呈现周期轨道，利用了该特性，采用了该变形微腔。弧形六角激光器与变形微腔通过一根无源波导Ⅱ连接耦合构成集成激光器，变形微腔另一端连接无源反馈波导，无源反馈波导端面镀有高反射膜，用于反馈光至变形微腔内，弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，用于将最终的混沌激光输出，无源波导Ⅰ输出光后与光电探测器连接，将光转换为电信号，光电探测器输出电信号给采样量化系统，采样量化系统将电信号转换为高速物理随机数输出。本发明具体工作过程为：弧形六角激光器输出光，通过无源波导Ⅱ耦合进入变形微腔，经过变形微腔内射线轨道后从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，此为一部分反馈光；还有一部分光进入无源反馈波导，由于无源反馈波导的端面上镀有高反射膜，因此高反射膜将这部分光反射回变形微腔内，再经过腔内射线轨道后也从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，形成光反馈，反射光进入弧形六角激光器，最终产生的复杂的混沌激光从无源波导Ⅰ定向耦合输出，即得带宽宽、频谱平坦、且能够消除时延特征的混沌激光，用该集成混沌激光器产生的混沌激光为熵源可以产生高速物理随机数，无源波导Ⅰ输出光后与光电探测器连接，光电探测器输出电信号给采样量化系统，采样量化系统将电信号转化为高速随机数输出。

进一步的，所述采样量化系统为采样量化装置或者采样量化程序实现，即采样量化系统的采样量化过程既可以通过硬件实现，也可以通过软件来实现。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种光学微腔高速物理随机码发生器，利用光学微腔集成混沌激光器带宽宽、频谱平坦、结构小巧、且能够消除时延特性的特征。与DFB激光器相比，DFB激光器弛豫振荡频率低（数 GHz），对弛豫振荡频率的响应远大于其它频率，导致混沌动态被弛豫振荡频率占主导，频谱不平坦、有效带宽低，太原理工大学已提出通过光子集成混沌半导体激光器产生无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光的方法（CN201410435033.9），主要由左、右分布式反馈半导体激光芯片实现光互注入从而产生混沌激光，而本发明采用弧边六角形微腔半导体激光器作为非线性器件，利用其弛豫振荡频率大、小信号调制响应曲线平坦的特性，用来取代 DFB 半导体激光器产生混沌光源可以解决弛豫振荡频率对带宽的限制。与无光注入或光反馈的弧形六角激光器相比，将光反馈产生混沌的方式与弧形六角激光器结合起来，采用二维微腔作为外部反馈，光在腔内发生多次全反射，可以以小几何尺寸获得大光程，实现长腔反馈，更容易产生混沌且产生的混沌信号频谱更平坦，带宽更宽，混沌范围更大。同时对微腔引入形变，利用变形微腔的复杂射线动态，即光在变形微腔内的全反射路径不同，形成随机分布的反馈路径，可以消除外腔谐振特征，产生混沌激光复杂度高，带宽可达20G以上，因此通过光电转换和采样量化产生的物理随机数实时速率高。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示本发明的变形微腔及其光反馈路径示例性图。

图中：1-无源反馈波导，2-变形微腔，3-无源波导Ⅱ，4-弧形六角激光器，5-无源波导Ⅰ，6-光电探测器，7-采样量化系统，8-光学微腔集成混沌激光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

一种宽带光学微腔集成混沌激光器，如图1所示：包括封装好的光学微腔集成混沌激光器8，所述光学微腔集成混沌激光器8包括弧形六角激光器4和变形微腔2，所述弧形六角激光器4一端通过无源波导Ⅱ3与变形微腔2一端连接，所述变形微腔2另一端与无源反馈波导1连接，所述无源反馈波导1的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器4另一端与无源波导Ⅰ5连接，所述光学微腔集成混沌激光器8内的无源波导Ⅰ5输出光后与光电探测器6连接，所述光电探测器6输出电信号给采样量化系统7，所述采样量化系统7输出高速随机数。

本实施例中，所述采样量化系统7通过采样量化程序实现，即通过软件实现。

本实施例所提供的光学微腔高速物理随机码发生器的随机数产生方法，具体过程为：封装好的光学微腔集成混沌激光器8内的弧形六角激光器4输出光，通过无源波导Ⅱ3耦合进入变形微腔2，一部分光经过变形微腔2发生全反射后从无源波导Ⅱ3反射出变形微腔2，另一部分光进入无源反馈波导1后，高反射膜将光反射回变形微腔2内，经过腔内射线轨道后也从无源波导Ⅱ3反射出变形微腔2，（如图2所示为其中某一种腔内光射线轨道），反射光进入弧形六角激光器4，最终产生的混沌激光由弧形六角激光器4另一端的无源波导Ⅰ5定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器8输出至光电探测器6转化成为电信号，再经过采样量化系统7将电信号转化为高速随机数输出，本实施例中电信号通过采样量化程序转化为高速随机数输出。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光学微腔高速物理随机码发生器，其特征在于：包括封装好的光学微腔集成混沌激光器（8），所述光学微腔集成混沌激光器（8）包括弧形六角激光器（4）和变形微腔（2），所述弧形六角激光器（4）一端通过无源波导Ⅱ（3）与变形微腔（2）一端连接，所述变形微腔（2）另一端与无源反馈波导（1）连接，所述无源反馈波导（1）的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器（4）另一端与无源波导Ⅰ（5）连接，所述光学微腔集成混沌激光器（8）内的无源波导Ⅰ（5）输出光后与光电探测器（6）连接，所述光电探测器（6）输出电信号给采样量化系统（7），所述采样量化系统（7）输出高速随机数。

2.根据权利要求1所述的光学微腔高速物理随机码发生器，其特征在于：所述采样量化系统（7）为采样量化装置或者采样量化程序实现。

3.一种光学微腔高速物理随机码发生器的随机数产生方法，所述随机数产生方法在权利要求1所述的光学微腔高速物理随机码发生器中实现，其特征在于：封装好的光学微腔集成混沌激光器（8）内的弧形六角激光器（4）输出光，通过无源波导Ⅱ（3）耦合进入变形微腔（2），一部分光经过变形微腔（2）发生全反射后从无源波导Ⅱ（3）反射出变形微腔（2），另一部分光进入无源反馈波导（1）后，高反射膜将光反射回变形微腔（2）内，经过腔内射线轨道后也从无源波导Ⅱ（3）反射出变形微腔（2），反射光进入弧形六角激光器（4），最终产生的混沌激光由弧形六角激光器（4）另一端的无源波导Ⅰ（5）定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器（8）输出至光电探测器（6）转化成为电信号，再经过采样量化系统（7）将电信号转化为高速随机数输出。

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