CN111160227A - 激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器 - Google Patents

激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器。在本发明的方法中包括以下步骤：1‑1，驱动可调节光源中的激光器发光，记录可调节光源输出激光信号的强度；1‑2，提取激光信号中的相位波动信息并对其进行采样，基于采样值计算方差并记录；1‑3，驱动激光器在最大驱动电流下发光，并使可调节光源输出的激光信号在强度上与步骤1‑1中一致，执行步骤1‑2；1‑4，根据步骤1‑2计算的方差和步骤1‑3中计算的方差计算量子噪声比例并记录；1‑5，增大激光器驱动电流，执行步骤1‑1至1‑4；将当前记录的量子噪声比例与上次记录的量子噪声比例进行对比，若量子噪声比例增大则重复步骤1‑5，否则选取上次记录的量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。

Description

激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器
技术领域
本发明涉及激光相位波动的量子噪声，尤其涉及一种量子噪声比例自动标定装置和方法，以及量子随机数发生器。
背景技术
激光相位波动是一种量子噪声，适用于高速量子随机数提取，因此被作为量子随机数发生器的熵源并受到广泛关注。根据激光器的发光特性，激光器工作在阈值点以下时，输出的为自发辐射光，随着驱动电流的增大，自发辐射光功率也逐渐缓慢增大；激光器驱动电流超过阈值后，随着驱动电流增大，自发辐射所占比例越来越小，受激辐射比例显著增加。总的来说，激光器工作在阈值以下时，自发辐射成分比例最大，但自发辐射光功率较小，对探测精度有一定要求；激光器工作在阈值以上时，自发辐射成分仍然存在，但是当自发辐射所占比例远小于受激辐射时，自发辐射相位波动的随机性便难以提取。另外，在实际实现过程中，实际系统会不可避免的引入探测器暗电流、电路电子噪声等经典噪声因素，从而影响量子噪声在整体噪声中的比例。因此，需要选取合适的激光器工作点，使激光相位波动产生的量子噪声占最大比例，也就是使得量子噪声的熵值最大。
现有基于激光相位波动的量子随机源通常由激光器、干涉仪、光电探测器和ADC组成，激光器发出的光信号经过干涉仪提取其中的相位波动信息，并转化为光强波动，再由光电探测器转化为电信号后被ADC采集。激光器工作点的标定方法包括参数拟合计算和直接测量两种，参数拟合是根据光电探测器光强响应、激光光强、暗电流等固有噪声、不同激光光强下光电转换输出信号方差等参数进行拟合计算，得到不同激光光强下的量子噪声比例。参数拟合的缺点是无法体现实际器件的个体差异，且参数拟合的计算结果也难以考虑实际运行环境等带来的影响，因此相比于参数拟合的方法，直接测量的结果往往更具有参考价值。直接测量方法的流程如下：1)调节激光器驱动电流，测得不同发光强度下ADC采集信号的方差，即为总波动；2)调节激光器驱动电流使激光器光强最大，将激光器输出接入可调光衰减器，通过光功率计测量可调光衰减器的输出光强，调节衰减量直到测得光功率与上一步的发光强度对应一致，然后接入系统，测得对应功率下ADC采集信号的方差，视为经典波动；3)根据前两步的测量结果，计算不同驱动电流下的量子噪声比例。
现有技术中已经公开了一些基于激光相位波动的量子随机数发生器方案。例如，在公开号为CN106933532A的专利中提出采用DFB激光器作为信号源，结合耦合器、光电探测器、模数转换器和后处理模块构建量子随机数发生器。在Guo H等人的论文“Truly RandomNumber Generation Based on Measurement of Phase Noise of Laser”中则提出采用VCSEL激光器、不等臂马赫增德尔干涉仪和模数转换器等实现量子随机数提取。
然而，现有方案只能在首次设置初始参数时对激光器量子噪声比例进行一次标定，例如通过外接衰减器，确定合适的激光器工作点。但是在运行过程中，随着环境的变化、长期使用后器件性能的变化等，首次设置时标定的初始参数未必一直是合适的工作点，而激光器工作点的设置会在很大程度上影响输出信号的随机性。因此，在每次上电/复位/重启等情况下进行工作点自动标定是十分必要的。
发明内容
针对现有技术中仅在首次设置时进行激光器工作点标定并将标定值设为默认参数，导致在实际运行过程中无法根据环境、器件特性等影响因素的变化进行相应调整，无法保证输出信号的随机性达到最佳状态，以及在标定时需要额外外接器件的问题，本发明提出一种激光相位波动噪声自动标定装置及方法，用以实现量子噪声比例的自动标定，并根据量子噪声比例设置最佳工作点，同时还提出了基于该自动标定装置实现的量子随机数发生器。
本发明的第一方面涉及一种激光相位波动噪声自动标定方法，其包括初始标定过程，所述初始标定过程包括以下步骤：
步骤1-1，驱动可调节光源中的激光器发光，记录所述可调节光源输出的激光信号的强度；
步骤1-2，提取所述激光信号中的相位波动信息并对其进行采样，基于采样值计算方差并记录；
步骤1-3，驱动所述可调节光源中的激光器在最大驱动电流下发光，并使所述可调节光源输出的激光信号在强度上与所述步骤1-1中一致，执行所述步骤1-2；
步骤1-4，根据在所述步骤1-2中计算的方差V1和在所述步骤1-3中计算的方差V2计算量子噪声比例α，并记录；以及
步骤1-5，增大所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则重复所述步骤1-5，否则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。
进一步的，本发明的激光相位波动噪声自动标定方法还包括后续标定过程，所述后续标定过程包括以下步骤：
步骤2-1，根据上次标定的所述最优工作点设定用于所述可调节光源中的激光器的初始驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；
步骤2-2，在所述初始驱动电流的基础上增大用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则执行所述步骤1-5，直至获得新的所述最优工作点，否则执行步骤2-3；
在所述步骤2-3中，在所述初始驱动电流的基础上减少用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与所述初始驱动电流对应的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则将所述初始驱动电流设定为新的所述最优工作点，否则执行步骤2-4；
在所述步骤2-4中，减少用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的所述激光器驱动电流为新的所述最优工作点，否则执行所述步骤2-4。
进一步的，所述提取所述激光信号中的相位波动信息是通过使所述激光信号发生干涉作用，从而将所述相位波动信息转换为幅度波动信息而实现的。
进一步的，所述量子噪声比例α＝(V1-V2)/V2。
本发明第二方面涉及一种激光相位波动噪声自动标定装置，其包括可调节光源、相位提取单元、采样单元和控制单元，其中，
所述可调节光源包括用于生成激光信号的激光器；
所述相位提取单元被设置成将所述激光信号上的相位波动信息转换为幅度波动信息；
所述采样单元被设置成对所述相位提取单元输出的幅度波动信号进行采样；以及，
所述控制单元被设置成执行初始标定过程，其包括：
步骤1-1，控制所述激光器的驱动电流，控制并记录所述可调节光源输出的激光信号的强度；
步骤1-2，基于所述采样值计算方差并记录；
步骤1-3，控制所述激光器在最大驱动电流下发光，使所述可调节光源输出的激光信号在强度上与所述步骤1-1中一致，并执行所述步骤1-2；
步骤1-4，根据在所述步骤1-2中计算的方差和在所述步骤1-3中计算的方差计算量子噪声比例，并记录；以及
步骤1-5，控制增大所述激光器的驱动电流，重复所述步骤1-1至所述步骤1-4；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则重复所述步骤1-5，否则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。
进一步的，在本发明的激光相位波动噪声自动标定装置中，所述控制单元还被设置成在非首次标定时执行后续标定过程，其包括：
步骤2-1,根据上次标定的最优工作点设定用于所述激光器的初始驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；
步骤2-2，在所述初始驱动电流的基础上增大用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则执行所述步骤1-5，直至获得新的所述最优工作点，否则执行步骤2-3；
在所述步骤2-3中，在所述初始驱动电流的基础上减少用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与所述初始驱动电流对应的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则将所述初始驱动电流设定为新的所述最优工作点，否则执行步骤2-4；
在所述步骤2-4中，减少用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的所述激光器驱动电流为新的所述最优工作点，否则执行所述步骤2-4。
进一步的，所述相位提取单元包括用于使所述激光信号发生干涉作用以将相位波动信息转换为幅度波动信息的干涉装置。
优选的，所述可调节光源包括激光器和可调衰减器,或者包括具有光强调制功能的激光器。
优选的，所述相位提取单元包括光纤环、马赫增德尔干涉仪及法拉第迈克尔逊干涉仪中的一种，以及光电探测器。
优选的，所述法拉第迈克尔逊干涉仪或马赫增德尔干涉仪的至少一个臂上设有移相器；并且，所述控制单元还被设置成根据所述光电探测器输出的信号功率控制所述移相器的相位调节量，以保证所述干涉仪中两臂相位差的稳定。
优选的，所述控制单元还被设置用于控制所述可调衰减器的衰减量，或者控制所述激光器的光强调节量。
本发明的第三方面涉及一种量子随机数发生器，其包括本发明的激光相位波动噪声自动标定装置，以及后处理单元，其中，
所述采样单元包括模数转换器，其对所述幅度波动信号进行采样以输出数字信号；并且，
所述后处理单元被设置成基于所述数字信号生成量子随机数。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了本发明的激光相位波动噪声的自动标定装置的结构原理图；
图2示出了根据本发明的激光相位波动噪声自动标定方法中的初始标定过程的一个示例；
图3示出了根据本发明的激光相位波动噪声自动标定方法中的后续标定过程的一个示例；
图4示出了本发明的激光相位波动噪声自动标定装置的一种示例；
图5示出了本发明的激光相位波动噪声自动标定装置的另一示例；
图6示出了本发明的量子随机数发生器的一种示例。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
如图1所示，本发明的激光相位波动噪声自动标定装置可以包括可调节光源1、相位提取单元2、采样单元3和控制单元4。
可调节光源1中可以包括用于生成激光信号的激光器。在本发明中，可调节光源1输出的激光信号可以由控制单元4调节其强度。
相位提取单元2用于将激光信号上的相位波动信息转换为幅度波动信息，以便后续探测。
作为示例，相位提取单元2可以是借助干涉作用实现相位波动信息到幅度波动信息的转换。例如，相位提取单元2可以包括马赫增德尔干涉仪、法拉第迈克尔逊干涉仪、光纤环或其它可实现相位提取的干涉装置中的一种。
优选地，控制单元4还可以被设置成向相位提取单元2提供控制以确保其干涉装置持续稳定工作。
采样单元3用于采集相位提取单元2输出的幅度波动信号，并将采样值上报给控制单元4。
控制单元4用于对采样单元3上报的数据进行处理，并计算相应条件(例如激光信号强度或者激光器驱动电流)下的量子噪声比例。
下面将基于图1所示的结构详细说明本发明的激光相位波动噪声自动标定方法，其可以借助本发明中的控制单元4来执行。
根据本发明的激光相位波动噪声自动标定方法可以包括初始标定过程，其用于首次设定激光器的最优工作点，具体可以包括步骤1-1、步骤1-2、步骤1-3、步骤1-4和步骤1-5。
在步骤1-1中，驱动可调节光源1中的激光器发光，并记录可调节光源1向外输出的激光信号的强度(或者功率)。例如，可以借助控制单元4控制可调节光源1中的激光器的驱动电流以驱动其发光，以及控制可调节光源1内对激光器输出的激光信号的强度的衰减，以控制可调节光源1向外输出激光信号的强度。
在步骤1-2中，提取激光信号中的相位波动信息，对所提取的相位波动信号进行采集，并基于采集值计算其方差。例如，可以使激光信号在相位提取单元2中发生干涉作用，从而将激光信号上的相位波动信息转变为幅度波动信息。利用采样单元3采集相位提取单元2输出的幅度波动信息，并将采样值上报至控制单元4，在控制单元4中计算采样值的方差。
在步骤1-3中，驱动可调节光源1中的激光器在最大驱动电流下发光，并使可调节光源1输出的激光信号在强度上与步骤1-1中相同；随后，重复步骤1-2。
在步骤1-4中，根据在步骤1-2中获得的方差和在步骤1-3中获得的方差计算量子噪声比例，并记录。
在步骤1-5中，增大(例如按照第一步进值)用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，并重复步骤1-1至步骤1-4；将当前记录的量子噪声比例与上次记录的量子噪声比例进行对比；若量子噪声比例增大，则用当前记录的量子噪声比例覆盖上次记录的量子噪声比例，并重复步骤1-5；否则选取上次记录的量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。
图2示出了根据本发明的初始标定过程的一个示例。
在图2所示的初始标定过程中，首先设定n＝1，量子噪声比例的初始值α0＝0，第一步进值为I0。
在步骤1-1中，将可调节光源1中的激光器的驱动电流设定为n*I0，并驱动激光器发光，以及获取可调节光源1输出的激光信号的强度(即功率P0)。
在步骤1-2中，(例如借助相位提取单元2)使激光信号发生干涉作用，将激光信号上的相位波动信息转变为幅度波动信息，采集幅度波动信号并计算其方差V1。
在步骤1-3中，将可调节光源1中的激光器的驱动电流设定为最大值，控制衰减量使可调节光源1输出的激光信号在强度上与步骤1-1中相同(即输出功率为P0)；重复步骤1-2，采集幅度波动信号并计算其方差V2。
在步骤1-4中，计算当前工作点(即当前的驱动电流n*I 0)下的量子噪声比例αn＝(V1-V2)/V2，并记录。
在步骤1-5中，使n＝n+1(即步进增大驱动电流)，重复步骤1-1至步骤1-4；将当前记录的量子噪声比例αn与上次记录的量子噪声比例αn-1进行对比；若量子噪声比例增大(即αn>αn-1)，则用当前记录的量子噪声比例αn覆盖上次记录的量子噪声比例αn-1，并重复步骤1-5；否则选取上次记录的量子噪声比例αn-1对应的工作点(即激光器驱动电流(n-1)*I0)为最优工作点，完成标定。
此外，本发明的激光相位波动噪声自动标定方法还可以包括后续标定过程，其用于激光器工作点的非初次标定，具体可以包括步骤2-1、步骤2-2、步骤2-3、步骤2-4和步骤2-5。
在步骤2-1中，根据上次标定的激光器最优工作点设定可调节光源1中的激光器的初始驱动电流，并执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例。
在步骤2-2中，在初始驱动电流的基础上增大(例如按照第二步进值)用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例；将当前记录的量子噪声比例与上次记录的量子噪声比例进行对比；若量子噪声比例增大，则执行步骤1-5，直至重新获得最优工作点；否则执行步骤2-3。
在步骤2-3中，在初始驱动电流的基础上减少(例如按照第三步进值)用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例；将当前记录的量子噪声比例与初始驱动电流对应的量子噪声比例进行对比。若量子噪声比例减小，则将初始驱动电流设定为新的最优工作点，完成标定；否则执行步骤2-4。
在步骤2-4中，减少(例如按照第三步进值)用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例；将当前记录的量子噪声比例与上次记录的量子噪声比例进行对比；若量子噪声比例减小，则选取上次记录的量子噪声比例对应的激光器驱动电流为新的最优工作点，完成标定；否则执行步骤2-4。
在本发明中，第一、第二和第三步进值可以相同或不同。
图3示出了根据本发明的后续标定过程的一个示例。
如图所示，在步骤2-1中，根据上次标定的激光器最优工作点将可调节光源1中的激光器的初始驱动电流设定为m*I0，并执行步骤1-1至步骤1-4，获得量子噪声比例αm。
在步骤2-2中，按照步进值I0在初始驱动电流m*I0的基础上增大用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，即将其设为(m+1)*I0，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例αm+1；将当前记录的量子噪声比例αm+1与上次记录的量子噪声比例αm进行对比。
若量子噪声比例增大(即αm+1>αm)，则执行步骤1-5，直至重新获得最优的工作点。
否则执行步骤2-3，即：按照步进值I0在初始驱动电流m*I0的基础上减少用于可调节光源1中的激光器的驱动电流，即将其设为(m-1)*I0，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例αm-1；将当前记录的量子噪声比例αm-1与初始驱动电流对应的量子噪声比例αm进行对比。
若量子噪声比例减小(即αm-1<αm)，则将初始驱动电流m*I0设为新的最优工作点，完成标定。
否则(即αm-1≥αm)执行步骤2-4，即：使m＝m-1(即步进减小驱动电流)，执行步骤1-1至步骤1-4，以获得量子噪声比例；将当前记录的量子噪声比例αm-1与上次记录的量子噪声比例值αm进行对比。
若量子噪声比例未减小(即αm-1≥αm)，则执行步骤2-4；
若量子噪声比例减小(即αm-1<αm)，则选取上次记录的量子噪声比例对应的激光器驱动电流为新的最优工作点，完成标定。
图4示出了本发明的激光相位波动噪声自动标定装置的一种示例。
如图所示，在该示例中，可调节光源100可以包括激光器101和可调衰减器(VOA)102。作为优选，激光器101可以为DFB激光器。可调衰减器102可以为MEMS VOA。
相位提取单元200可以包括光纤环201和光电探测器202。其中，光纤环202可以包括2*2的光纤耦合器，其中一个输入端与可调节光源100的输出端连接，一个输出端与光电探测器202连接，另一个输入端和另一个输出端相连形成环路。
采样单元300可以包括模数转换器ADC。
控制单元400用于控制激光器101的驱动电流、可调衰减器102的衰减量、以及ADC300的采样开始/停止，同时还用于获取光源100的输出光强、读取ADC 300上报的采样值并进行计算。作为示例，控制单元400可以借助FPGA来实现。
在该示例中，需要事先定标可调衰减器的插损及其用于强度调节的衰减值，以便获取可调节光源100输出的激光功率。
图5示出了本发明的激光相位波动噪声自动标定装置的另一示例。
如图所示，在该示例中，可调节光源110可以采用电吸收调制(EML)激光器。本领域技术人员容易理解，在该示例中，可调节光源110也可以采用其他任何具有内部强度调节功能的激光器。
相位提取单元210可以包括法拉第迈克尔逊干涉仪(或者马赫增德尔干涉仪)211和光电探测器212。在该示例中，可以优选在干涉仪211的一个臂上设置移相器(例如光纤移相器)来调整两臂的相位差，以保证干涉仪上两臂之间的相位差稳定。
采样单元310可以包括模数转换器ADC。
控制单元410用于控制激光器110的驱动电流和电吸收调制量、ADC 310的采样开始/停止，同时还用于获取光源110的输出光强、读取ADC 310上报的采样值并进行计算。作为示例，控制单元400可以借助FPGA来实现。
优选地，控制单元410还可以被设置用于采集光电探测器212输出的信号平均功率，并控制干涉仪211中的光纤移相器的电压，以实现干涉仪211中两臂之间相位差的稳定。
在该示例中，由于采用EML激光器来实现可调节光源，因此可以通过调节激光器的电吸收调制量(或者具有内部光强调制功能的激光器的光强调制量)来实现对可调节光源输出光强的调节，相比图4所示的方案，可以简化装置器件，无需进行衰减器插损及不同输出光强对应衰减量的标记，且控制单元读取的输出光强为实际监测的结果，更加可靠。
本发明的激光相位波动噪声自动标定装置还可以用于量子随机数的提取，即用于构建量子随机数发生器。
因此，本发明的量子随机数发生器可以包括上述激光相位波动噪声自动标定装置，以及后处理单元。
为了便于说明，下面以图5所示的自动标定装置为例说明本发明的量子随机数发生器的工作原理。但本领域技术人员容易理解，本发明的量子随机数发生器并不受限于此。
如图6所示，本发明的量子随机数发生器可以包括可调节光源(例如110)、相位提取单元(例如210)，采样单元(例如310)，控制单元(例如410)，和后处理单元510。
EML激光器110输出的激光信号经过迈克尔逊法拉第干涉仪(或者马赫增德尔干涉仪)211将激光信号上的相位波动信息转化为幅度波动信息，并由光电探测器212转化为电信号。ADC310采集光电探测器212输出的电信号并进行模数转换，随后将产生的数字信号输入后处理单元510。后处理单元510对ADC310输入的原始随机源序列进行处理，并输出最终的量子随机数。随机数产生过程中，由控制单元410控制各功能单元正常运行。
为了确保本发明的量子随机数发生器能够精确地生成量子随机数，量子随机数发生器在首次工作时可以通过在激光相位波动噪声自动标定装置中执行初始标定过程，并且在后续运行(例如每次上电/复位/重启)时执行后续标定过程。通过这种设置，可以保证量子随机数发生器能够在无需外接其他设备的情况下进行激光器相位噪声最优工作点的自动标定，面对外界环境变化、器件性能变化等各种因素，及时进行工作点的调整，保证随机源的最佳性能。
在本发明提出的激光器相位噪声自动标定装置和方法中，可以实现激光器相位噪声的自动标定，并根据量子噪声比例设置最佳工作点，从而保证最优的熵源状态，尤其是通过采用EML激光器来实现激光相位波动噪声的自动标定，可在不额外设置其它衰减器件的情况下实现激光相位噪声的自动标定，方案装置简单且测试结果可靠。
通过将本发明的可自动标定最佳工作点的激光相位波动装置用于量子随机数发生器中，并借助本发明所特别提出的初始标定过程及后续标定过程，使得该量子随机数发生器不仅可以在首次设置初始参数时进行自动标定，在后续使用过程中，仍可以在无需外接其它设备的情况下进行自动标定。面对外界环境变化、器件性能变化等情况，可及时进行工作点的调整，保证随机源的最佳性能。且相比于现有技术中外接设备进行标定的方法，本发明所提出的技术方案显然具有更高的效率，能够确保实现更精确的量子随机数发生器。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种激光相位波动噪声自动标定方法，其包括初始标定过程，所述初始标定过程包括以下步骤：
步骤1-1，驱动可调节光源中的激光器发光，记录所述可调节光源输出的激光信号的强度；
步骤1-2，提取所述激光信号中的相位波动信息并对其进行采样，基于采样值计算方差并记录；
步骤1-3，驱动所述可调节光源中的激光器在最大驱动电流下发光，并使所述可调节光源输出的激光信号在强度上与所述步骤1-1中一致，执行所述步骤1-2；
步骤1-4，根据在所述步骤1-2中计算的方差V1和在所述步骤1-3中计算的方差V2计算量子噪声比例α，并记录；以及
步骤1-5，增大所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则重复所述步骤1-5，否则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。
2.如权利要求1所述的激光相位波动噪声自动标定方法，其还包括后续标定过程，所述后续标定过程包括以下步骤：
步骤2-1，根据上次标定的所述最优工作点设定用于所述可调节光源中的激光器的初始驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；
步骤2-2，在所述初始驱动电流的基础上增大用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则执行所述步骤1-5，直至获得新的所述最优工作点，否则执行步骤2-3；
在所述步骤2-3中，在所述初始驱动电流的基础上减少用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与所述初始驱动电流对应的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则将所述初始驱动电流设定为新的所述最优工作点，否则执行步骤2-4；
在所述步骤2-4中，减少用于所述可调节光源中的激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的所述激光器驱动电流为新的所述最优工作点，否则执行所述步骤2-4。
3.如权利要求1所述的激光相位波动噪声自动标定方法，其中，所述提取所述激光信号中的相位波动信息是通过使所述激光信号发生干涉作用，从而将所述相位波动信息转换为幅度波动信息而实现的。
4.如权利要求1所述的激光相位波动噪声自动标定方法，其中，所述量子噪声比例α＝(V1-V2)/V2。
5.一种激光相位波动噪声自动标定装置，其包括可调节光源、相位提取单元、采样单元和控制单元，其中，
所述可调节光源包括用于生成激光信号的激光器；
所述相位提取单元被设置成将所述激光信号上的相位波动信息转换为幅度波动信息；
所述采样单元被设置成对所述相位提取单元输出的幅度波动信号进行采样；以及，
所述控制单元被设置成执行初始标定过程，其包括：
步骤1-1，控制所述激光器的驱动电流，控制并记录所述可调节光源输出的激光信号的强度；
步骤1-2，基于所述采样值计算方差并记录；
步骤1-3，控制所述激光器在最大驱动电流下发光，使所述可调节光源输出的激光信号在强度上与所述步骤1-1中一致，并执行所述步骤1-2；
步骤1-4，根据在所述步骤1-2中计算的方差和在所述步骤1-3中计算的方差计算量子噪声比例，并记录；以及
步骤1-5，控制增大所述激光器的驱动电流，重复所述步骤1-1至所述步骤1-4；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则重复所述步骤1-5，否则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。
6.如权利要求5所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述控制单元还被设置成在非首次标定时执行后续标定过程，其包括：
步骤2-1,根据上次标定的最优工作点设定用于所述激光器的初始驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；
步骤2-2，在所述初始驱动电流的基础上增大用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例增大，则执行所述步骤1-5，直至获得新的所述最优工作点，否则执行步骤2-3；
在所述步骤2-3中，在所述初始驱动电流的基础上减少用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与所述初始驱动电流对应的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则将所述初始驱动电流设定为新的所述最优工作点，否则执行步骤2-4；
在所述步骤2-4中，减少用于所述激光器的驱动电流，执行所述步骤1-1至所述步骤1-4，以获得所述量子噪声比例；将当前记录的所述量子噪声比例与上次记录的所述量子噪声比例进行对比；若所述量子噪声比例减小，则选取上次记录的所述量子噪声比例对应的所述激光器驱动电流为新的所述最优工作点，否则执行所述步骤2-4。
7.如权利要求5所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述相位提取单元包括用于使所述激光信号发生干涉作用以将相位波动信息转换为幅度波动信息的干涉装置。
8.如权利要求5所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述可调节光源包括激光器和可调衰减器,或者包括具有光强调制功能的激光器。
9.如权利要求5所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述相位提取单元包括光纤环、马赫增德尔干涉仪及法拉第迈克尔逊干涉仪中的一种，以及光电探测器。
10.如权利要求9所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述法拉第迈克尔逊干涉仪或马赫增德尔干涉仪的至少一个臂上设有移相器；并且，所述控制单元还被设置成根据所述光电探测器输出的信号功率控制所述移相器的相位调节量，以保证所述干涉仪中两臂相位差的稳定。
11.如权利要求8所述的激光相位波动噪声自动标定装置，其中，所述控制单元还被设置用于控制所述可调衰减器的衰减量，或者控制所述激光器的光强调节量。
12.一种量子随机数发生器，其包括如权利要求5-11中任一项所述的激光相位波动噪声自动标定装置，以及后处理单元，其中，
所述采样单元包括模数转换器，其对所述幅度波动信号进行采样以输出数字信号；并且，
所述后处理单元被设置成基于所述数字信号生成量子随机数。
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