JP2000206472A - Optical chaos random number generating apparatus - Google Patents

Optical chaos random number generating apparatus

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JP2000206472A JP11321759A JP32175999A JP2000206472A JP 2000206472 A JP2000206472 A JP 2000206472A JP 11321759 A JP11321759 A JP 11321759A JP 32175999 A JP32175999 A JP 32175999A JP 2000206472 A JP2000206472 A JP 2000206472A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical chaos random number generating apparatus of high reproducibility in generation of a physical random number and easy in controllability by using a high speed property of light and a deterministic characteristic and a random number property of a system provided in a chaos dynamics system. SOLUTION: An optical demultiplexer 3 divides a beam from a light source 11 into beams of the same power of a prescribed number, and an optical chaos signal generating device 1 consisting of the prescribed number of optical interferometer groups having two optical paths is made incident respectively with the beams divided with the optical demultiplexer 3, and the beams are branched into two parts to be re-multiplexed. An optical path length difference information storage 2 stores the information of an optical path length difference between two optical paths between branching - multiplexing of the prescribed number of optical interferometers, and an optical output signal measuring device 4 measures the energy of prescribed optical chaos output signals outputted from the prescribed number of optical interferometers. An optical output signal processing storage 5 processes and stores the energy values of the optical output signals shown by a constant dimension non-negative real number vector outputted from respective optical interferometers measured by the optical output signal measuring device 4.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、カオス力学系X(n+
1)=F[X(n)]を満足するカオス乱数を光回路によって発生
する光カオス乱数発生装置に関する。
The present invention relates to a chaotic dynamical system X (n +
1) The present invention relates to an optical chaos random number generator that generates chaotic random numbers satisfying = F [X (n)] by an optical circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】乱数系列を生成するのに大きく分けて2
つの方法がある。一つはデジタルコンピュータの中に記
憶された乱数発生プログラムによって生成されるもの
で、そのプログラムはデバイスモデリング、金融デリバ
ティブ計算等の数多くの応用分野を持つモンテカルロ法
で必要とされる乱数生成アルゴリズムである合同法乱
数、スペクトラム拡散通信方式で必要なシフトレジスタ
によって生成される乱数系列であるM 系列、ゴールド符
号等の既存の擬似乱数発生プログラムに相当するもの
で、これらは従来から広く用いられていた。
2. Description of the Related Art Generating a random number sequence is roughly divided into two.
There are two ways. One is generated by a random number generation program stored in a digital computer, and the program is a random number generation algorithm required by the Monte Carlo method, which has many application fields such as device modeling and financial derivative calculation. It corresponds to an existing pseudo-random number generation program such as a congruential random number, an M-sequence which is a random number sequence generated by a shift register required in a spread spectrum communication system, and a gold code, and these have been widely used in the past.

【0003】もう一つの方法は、物理乱数と呼ばれるも
ので物理的に構成された電子回路、デバイスなどに不可
避的に内在するノイズから乱数を発生させるというもの
であるが、その乱数を生成するミクロなメカニズムが不
明又は複雑なため、同じ初期条件を与えた時同じ乱数系
列を生成する再現性がないという、工学上の乱数応用に
不適切であるという問題がある。又時間遅れのあるフィ
ードバックループを用いたレーザーを用いて光回路によ
るレーザーカオスを発生するカオス乱数信号方法もある
が、その信号を記述する方程式が解析の困難な非線形偏
微分方程式になり、その乱数の性質を定量的に解析する
ことが難しく、将来のテラビット/秒の光通信システム
のランダムノイズ発生部分にレーザーカオスを組み込む
点に関しては、まだ実験段階であるというのが現状で、
そのシステムの複雑さからそのレーザーカオス発生部分
の集積化が困難であり、実用化及び商用化には大きな困
難が伴っている。
[0003] Another method is to generate a random number from noise that is unavoidable in an electronic circuit or device physically constituted by a physical random number. Because the mechanism is unknown or complicated, there is no reproducibility to generate the same random number sequence when the same initial conditions are given, which is inappropriate for engineering random number applications. There is also a chaotic random number signal method that generates laser chaos by an optical circuit using a laser with a feedback loop with a time delay, but the equation describing the signal is a nonlinear partial differential equation that is difficult to analyze, and the random number It is difficult to quantitatively analyze the nature of the laser, and it is still an experimental stage to incorporate laser chaos into the random noise generation part of the future terabit / second optical communication system.
Due to the complexity of the system, it is difficult to integrate the laser chaos generating portion, and there are great difficulties in practical use and commercialization.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上述のデジタルコンピ
ュータ上の乱数や電子回路による物理乱数の信号伝送速
度は、実用の電子デバイスの動作周波数が約600MH
zであることからくる速度限界がある。従って、動画な
どのTビット/秒クラスの高速ビットレートのデータ伝
送に対応するためには従来の電子回路、デバイスを基礎
とする物理的乱数発生法をそのまま適用することは不可
能である。また、光レーザーカオスを使った信号生成法
は、そのシステムの複雑さのため、再現性が悪く、高精
度が要求される工学上の設計の難しさからいっても、シ
フトレジスターを用いて生成されるM系列と異なり、制
御し易い乱数の発生が容易ではないという問題があっ
た。
The signal transmission speed of a random number on a digital computer or a physical random number by an electronic circuit is such that the operating frequency of a practical electronic device is about 600 MHz.
There is a speed limit due to z. Therefore, it is impossible to directly apply a physical random number generation method based on conventional electronic circuits and devices in order to cope with data transmission at a high bit rate of a T bit / sec class such as a moving image. In addition, the signal generation method using optical laser chaos has poor reproducibility due to the complexity of the system and is generated using a shift register even if it is difficult to design engineering that requires high accuracy. Unlike the M-sequence described above, there is a problem that it is not easy to generate random numbers that are easy to control.

【0005】又従来のモンテカルロ計算では、その計算
スピードは、明らかにモンテカルロ法で使われる擬似乱
数発生プログラムがデジタルコンピュータの性能、ひい
てはそのデジタルコンピュータを構成する半導体デバイ
スの安定動作速度で決まってくるので、多くのアプリケ
ーションを持つモンテカルロ法の高速計算には、電子デ
バイスの動作限界(理論上は約75GHz、実用上は上
述の約600MHz、日経エレクトロニクス1998.
6.29、“Tビット/秒に入るスイッチ光技術の取り
組み、p.109 )から来るスピードの限界があった。
In the conventional Monte Carlo calculation, the calculation speed is obviously determined by the performance of the pseudo-random number generation program used in the Monte Carlo method, and furthermore, the stable operation speed of the semiconductor device constituting the digital computer. For the high-speed calculation of the Monte Carlo method having many applications, the operation limit of an electronic device (about 75 GHz in theory, about 600 MHz in practical use, Nikkei Electronics 1998.
6.29, "Efforts on Switched Light Technology to Enter T Bits / Second, p.109) There was a speed limit coming from.

【0006】本発明は、かかる乱数生成のスピードの限
界と制御性に関する問題点を解決するために提案された
ものであって、本発明の主目的は、光の高速性とカオス
力学系の持つ系の決定論的な性質及び乱数性を用いて、
上述の物理乱数発生における再現性が高く、制御性が容
易な光カオス乱数発生装置を提供することにある。この
発明の他の目的は、Tビット/秒クラスのデータ伝送に
対応可能なスピードを備えた光カオス乱数発生装置を提
供することにある。
The present invention has been proposed to solve the problems relating to the limit of the speed of random number generation and the controllability thereof. The main objects of the present invention are to provide high-speed light and a chaotic dynamical system. Using the deterministic properties and randomness of the system,
An object of the present invention is to provide an optical chaos random number generator having high reproducibility and easy controllability in the above-described physical random number generation. It is another object of the present invention to provide an optical chaotic random number generator having a speed capable of supporting data transmission in the class of T bits / second.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明に依るカオス力
学系X(n+1)=F[X(n)]で記述されるカオス乱数を光出力信
号として得るための光カオス乱数発生装置は、(1) 光源
からの光を所定数の同一パワーの光に分割する光信号分
波装置と、(2) 上記光信号分波装置で分割された光をそ
れぞれ入射し、2分岐した後、それぞれ再合波する、二
つの光路を有する上記所定数の光干渉計から成る光カオ
ス信号発生装置と、(3) 上記所定数の各光干渉計の分岐
―合波間の2つの光路の光路長差の情報を記憶するため
の光路長差情報記憶装置と、(4) 上記所定数の各光干渉
計から出力されてくる光カオス出力信号のパワーを計測
するための光出力信号計測装置と、(5) 上記光出力信号
計測装置に計測された各光干渉計から出力されてくる上
記所定数の非負実数ベクトルであらわされる光出力信号
のパワー値を記憶するための光出力信号記憶装置、とか
ら成ることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided an optical chaotic random number generator for obtaining a chaotic random number described by a chaotic dynamical system X (n + 1) = F [X (n)] as an optical output signal. (1) an optical signal demultiplexing device that splits light from a light source into a predetermined number of light beams of the same power, and (2) the light split by the optical signal demultiplexing device is respectively incident and split into two. An optical chaos signal generator comprising the above-mentioned predetermined number of optical interferometers having two optical paths, each of which is re-multiplexed; and (3) the optical path length of two optical paths between the branching and the multiplexing of the predetermined number of optical interferometers. An optical path length difference information storage device for storing difference information, and (4) an optical output signal measuring device for measuring the power of an optical chaos output signal output from the predetermined number of optical interferometers, (5) The predetermined number of non-negative real vectors output from each optical interferometer measured by the optical output signal measuring device. An optical output signal storage device for storing the power value of the optical output signal represented.

【0008】上述の如く、光カオス信号発生手段は、マ
ッハツェンダー干渉計の如き二つの光路を有する干渉計
を複数個並列に並べた光回路により構成されているの
で、従来のシフトレジスターで生成されるM系列や合同
法乱数といった擬似乱数の生成法と同程度に等分配性と
いった望ましいランダムな性質を保ちながら、光の高速
性を用いているため、従来の方法では不可能であったテ
ラビット/秒といったより高ビットレートの乱数発生を
実現可能なものにすることができ、又レーザーカオスを
使ったカオス乱数発生装置が持つことのない一次元カオ
ス写像を用いるため、光信号の高速性を保ちながら、そ
の乱数の統計性が明示的にはっきりと解るといった将来
のスペクトラム通信やモンテカルロ法にとって必要な乱
数の再現性やその乱数の統計的性質が明示的に与えられ
ているので乱数の発生を自由に制御することができる。
As described above, since the optical chaos signal generating means is constituted by an optical circuit in which a plurality of interferometers having two optical paths such as a Mach-Zehnder interferometer are arranged in parallel, they are generated by a conventional shift register. The method uses high-speed light while maintaining desirable random properties, such as equal distribution, as well as pseudo-random numbers such as M-sequences and congruential random numbers. It can generate random numbers at higher bit rates such as seconds, and uses a one-dimensional chaos mapping that laser chaos does not have, so it maintains high speed optical signals. However, the reproducibility and randomness of random numbers required for future spectrum communication and Monte Carlo methods, such as the statistical nature of the random numbers being clearly and clearly understood. Since statistical properties of are given explicitly can freely control the generation of random numbers.

【0009】更に、本発明の二つの光路を有する干渉計
を複数個並列に並べた回路は、プレーナー光波回路を製
造する技術を利用することにより、シリコン基板上に集
積、小型化して形成することができる。
Further, the circuit of the present invention, in which a plurality of interferometers having two optical paths are arranged in parallel, can be formed on a silicon substrate in an integrated and miniaturized form by utilizing a technique for manufacturing a planar lightwave circuit. Can be.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】まず、本発明のカオスの基礎部分
を成す“解けるカオス”に関し既知の事実を解説した
後、カオスを電子回路で実現する方法と比較して本発明
を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the known facts regarding "solvable chaos" which forms the basis of chaos of the present invention will be described, and then the present invention will be described in comparison with a method of realizing chaos with an electronic circuit.

【0011】カオスとは、X(j+1)=F[X(j)]と決定論的な
式で与えられながら、初期値X(1)に対し初期値鋭敏性を
持つ現象である。これは、天体運動、気象現象、動物の
人口変動、脳内のニューロンの入力応答といった幅広い
自然現象で普遍的に見られるものである。それらがカオ
スであるという事実は、それらの現象が見た目はランダ
ムに見えるのにも関わらず、背後に規則が存在するとい
う決定論的性質を持つことを意味するにとどまらず、ロ
ーレンツによって1960年代に発見された様に、実際
にそれらの現象をコンピュータでシミュレーションしよ
うとする時、微妙な初期値のずれ、デジタルコンピュー
タでの微分方程式の近似のずれからくる誤差が時間の指
数関数的な勢いで大きくなり、背後にある式は決定論的
であるにもかかわず実質上長時間予測をすることが困難
であるため、その現象の定量的の解析及び予測を難しく
させる現象でもある。
[0011] Chaos is a phenomenon that has an initial value sensitivity to an initial value X (1) while being given by a deterministic expression of X (j + 1) = F [X (j)]. It is universally found in a wide range of natural phenomena, such as celestial movement, weather phenomena, animal population changes, and input responses to neurons in the brain. The fact that they are chaotic does not only mean that their phenomena have the deterministic nature of having rules behind them, despite their seemingly random appearance, but Lorenz in the 1960s As it was discovered, when trying to simulate these phenomena with a computer, errors due to subtle deviations in initial values and deviations in approximation of differential equations in a digital computer increase exponentially with time. In other words, even though the underlying equation is deterministic, it is difficult to make a long-term prediction substantially, so that it is a phenomenon that makes it difficult to quantitatively analyze and predict the phenomenon.

【0012】その様なカオスを実際に工学的に応用する
という試みも近年行われつつある。その基本となる考え
方は、古くから知られていたデジタルコンピュータで計
算して得ることができる擬似乱数の発生装置の代わりに
カオスを使うというものであるが、多くのカオス力学系
は、非線形変換を基礎としているのでその解の性質を解
析的に得ることが困難であり、又その定性的・定量的性
質を得ようとするならば、デジタルコンピュータを使っ
て誤差が大きい状況での計算が強いられるため計算結果
の信憑性がうすくなるというジレンマを持つ。従って制
御可能性という工学上の応用上重要となる観点からも、
その特性がシミュレーションをする以前にあらかじめ特
性の解っているカオスのクラスの存在と数理的特徴が関
心をもたれてきた。
Attempts to actually apply such chaos to engineering have been made in recent years. The basic idea is to use chaos instead of a pseudo-random number generator that can be obtained by calculation with a digital computer that has been known for a long time, but many chaotic dynamical systems use nonlinear transformation. Because it is the basis, it is difficult to obtain the properties of the solution analytically, and if you try to obtain the qualitative and quantitative properties, you are forced to use a digital computer to calculate in situations where there are large errors Therefore, there is a dilemma that the credibility of the calculation result is diminished. Therefore, from the viewpoint of controllability, which is important for engineering applications,
Before the simulation of the characteristics, the existence and mathematical characteristics of chaos classes whose characteristics are known in advance have been of interest.

【0013】最近になって、本発明者の一人がカオスで
あるにも関わらず、その特性が解析的に得ることが可能
なクラスが系統的に存在し、楕円関数の加法定理によっ
てその非線形写像のクラスを構成できることが示され
た。(K. Umeno, Method of constructing exactly sol
vable chaos, Phys. Rev. E(1997) Vol.55:5280-528
4.)楕円関数の中には三角関数も含まれる。従ってカオ
ス的振る舞いを示すことがわかっているロジスティック
写像[数4]は、sin2(a) の2倍角の公式sin2(2a)=4si
n2(a)(1-sin2(a))と等しくなるため、このロジスティッ
ク写像はカオスであるのにも関わらず解析的な一般解(X
(n)=sin2(2n-1a))を持つため、上記と解けるカオスのク
ラスに入るカオスである。
[0013] Recently, although one of the present inventors is chaotic, there is a systematic class whose characteristics can be obtained analytically, and the nonlinear mapping of the class by the addition theorem of the elliptic function. It was shown that the class could be composed. (K. Umeno, Method of constructing exactly sol
vable chaos, Phys. Rev. E (1997) Vol.55: 5280-528
4.) Elliptic functions include trigonometric functions. Therefore logistic map that is known to exhibit chaotic behavior [Equation 4], the official double angle of sin 2 (a) sin 2 ( 2a) = 4si
Since n 2 (a) (1-sin 2 (a)), this logistic map is analytic general solution (X
Since it has (n) = sin 2 (2 n-1 a)), it is a chaos in the chaos class that can be solved as above.

【0014】[0014]

【数4】 (Equation 4)

【0015】更に、このロジスティック写像[数4]は
空間平均が時間平均に等しいというエルゴード性[数
5]を持ち、空間平均をアンサンブルする分布である不
変測度が唯一存在し(S.M.Ulam and J. von Neumann, B
ull. Math. Soc. 53(1947)1120及び上記文献)、[数
6]の様に書けることもわかっている。この、エルゴー
ド性という理想的な乱数が持つ特性を持ち、一般解も書
き下すことができ、かつ統計法則も明示的にわかるカオ
ス系のクラスはその際立った特性から可解なカオス系、
又は厳密に解けるカオス系(Exactly Solvable Chaos)
と呼ばれており、現在までにモンテカルロ法への応用
(“統計的シミュレーション方法及びこのプログラムを
記録した記憶媒体”、日本特開平10−283344
号)やスペクトラム拡散通信における拡散符号の生成に
大きな利点を有することがわかっている。
Further, this logistic map [Equation 4] has ergodicity [Equation 5] that the spatial average is equal to the temporal average, and there is only one invariant measure which is a distribution that ensemble the spatial average (SMUlam and J. von). Neumann, B
ull. Math. Soc. 53 (1947) 1120 and the above-mentioned literature), and it is also known that it can be written as [Equation 6]. This class of chaotic systems, which has the properties of an ideal random number called ergodicity, can also write down general solutions, and clearly understand the statistical laws, is a chaotic system that is solvable from its outstanding characteristics.
Or a chaotic system that can be solved exactly (Exactly Solvable Chaos)
It has been applied to the Monte Carlo method up to now (“Statistical simulation method and storage medium storing this program”, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-283344).
) And spread code generation in spread spectrum communication.

【0016】[0016]

【数5】 (Equation 5)

【0017】[0017]

【数6】 (Equation 6)

【0018】本発明は、この様な解けるカオスと呼ばれ
るクラスのうち、三角関数のm倍角の公式から得られる
カオス写像(別名:チェビシェフ写像、R. L. Adler an
dT.J. Rivlin, Proc. Am. Math. Soc. 15 (1964)794.
)を物理的に実現し、従来の電子デバイスによる技術
に代わって光回路を用いて高速に乱数を発生させるもの
である。この場合2倍角の公式がロジスティック写像
[数7]に相当し、3倍角の公式がキュービック写像
[数8]に相当し、本発明はこれらを含む一般のm倍角
の公式に相当するチェビシェフ写像Fmと呼ばれるカオ
ス写像を物理的に実現するものである。
The present invention provides a chaos map (also known as Chebyshev map, RL Adler an
dT.J.Rivlin, Proc. Am. Math. Soc. 15 (1964) 794.
) Is physically realized, and a random number is generated at high speed using an optical circuit instead of the conventional technology using electronic devices. In this case, the double-angle formula corresponds to the logistic map [Formula 7], the triple-size formula corresponds to the cubic map [Formula 8], and the present invention provides a Chebyshev map Fm corresponding to the general m-fold formula including them. This is a physical realization of a chaotic map called.

【0019】[0019]

【数7】 (Equation 7)

【0020】[0020]

【数8】 (Equation 8)

【0021】従って、本来、本発明はカオスという現象
を物理的に構成した装置によりシミュレーションすると
いう乱数発生専用アナログコンピュータの範疇に入る。
Therefore, the present invention falls into the category of analog computers dedicated to random number generation, in which the phenomenon of chaos is simulated by a physically configured device.

【0022】しかしながら、今までカオス力学系X(n+1)
=F[X(n)]の様なカオスを実現する回路は、スイッチトキ
ャパシタ(SC)回路やスイッチトカレント(SI)回路と
いった標準的なIC技術によるものに限られていた(常
田、江口、井上、“カオス信号とカオス回路”電子情報
通信学会誌Vol. 81 No. 6 pp.610-613:1998 )。そのカ
オス信号発生回路は容易に実現可能であり集積化可能で
あったが、現在の高性能汎用デジタルコンピュータ上で
のカオスのシミュレーションと比較して速さや精度に関
しメリットが得られる成果がないというのが現状であ
る。更に、電子デバイスの動作速度限界(理論上は約7
5GHz、実用上は上述の約600MHz、日経エレク
トロニクス1998.6.29、“Tビット/秒に入る
スイッチ光技術の取り組み、p.109 )から来る本質的な
スピードの限界もある。
However, the chaotic dynamical system X (n + 1)
Circuits that realize chaos such as = F [X (n)] are limited to those using standard IC technologies such as switched capacitor (SC) circuits and switched current (SI) circuits (Tsuneta, Eguchi, Inoue, "Chaotic Signals and Circuits," IEICE Journal, Vol. 81 No. 6 pp.610-613: 1998). Although the chaotic signal generation circuit was easily realizable and could be integrated, there is no result that can obtain advantages in terms of speed and accuracy compared to the current simulation of chaos on high-performance general-purpose digital computers. Is the current situation. Furthermore, the operating speed limit of electronic devices (theoretically about 7
There is also an inherent speed limit coming from 5 GHz, practically about 600 MHz mentioned above, Nikkei Electronics 1998. 6.29, "Switching Light Technology Approaches T Bits / sec, p. 109).

【0023】従って本発明は図3の様に入力信号と出力
信号を光信号で行う複数のマッハツェンダー干渉計から
成る光回路を光カオス信号発生装置として使うことによ
り、かかる電子デバイス回路によるカオス回路の持つ速
度限界を克服できるという点に従来の電子デバイス・回
路を基礎とするカオス回路と際立った相違点がある。
Accordingly, the present invention uses an optical circuit comprising a plurality of Mach-Zehnder interferometers for performing an input signal and an output signal as optical signals as shown in FIG. The point that it can overcome the speed limit of the device is a significant difference from the chaos circuit based on the conventional electronic device / circuit.

【0024】以下、図面に沿って、本発明の光カオス乱
数発生装置を詳細に説明する。図1は、本発明に依るカ
オス力学系X(n+1)=F[X(n)]で記述されるカオス乱数を光
出力信号として得るための光カオス乱数発生装置の概略
構成の一例を示し、(1) 光源11からの光を所定数の同
一パワーの光に分割する光分波装置3と、(2)上記光分
波装置3で分割された光をそれぞれ入射し、2分岐した
後、それぞれ再合波する二つの光路を有する所定数の光
干渉計13群から成る光カオス信号発生装置1と、(3)
前記所定数の光干渉計13の分岐―合波間の2つの光路
の光路長差の情報を記憶するための光路長差情報記憶装
置2と、(4) 前記所定数の光干渉計から出力されてくる
所定の光カオス出力信号のエネルギーを計測するための
光出力信号計測装置4と、(5) 前記光出力信号計測手段
に計測された各光干渉計から出力されてくる該定数次元
非負実数ベクトルであらわされる光出力信号のエネルギ
ー値を処理、記憶するための光出力信号処理、記憶装置
5とから成る。
The optical chaos random number generator of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a schematic configuration of an optical chaotic random number generator for obtaining a chaotic random number described by a chaotic dynamical system X (n + 1) = F [X (n)] as an optical output signal according to the present invention. (1) The light demultiplexing device 3 that divides the light from the light source 11 into a predetermined number of light beams having the same power, and (2) the light split by the light demultiplexing device 3 is incident and split into two. Thereafter, an optical chaotic signal generator 1 comprising a predetermined number of optical interferometers 13 having two optical paths for re-multiplexing, (3)
An optical path length difference information storage device 2 for storing information on an optical path length difference between two optical paths between the branching and the multiplexing of the predetermined number of optical interferometers 13; and (4) output from the predetermined number of optical interferometers. An optical output signal measuring device 4 for measuring the energy of a predetermined optical chaotic output signal, and (5) the constant dimension non-negative real number output from each optical interferometer measured by the optical output signal measuring means. A light output signal processing and storage device 5 for processing and storing the energy value of the light output signal represented by a vector.

【0025】図2は、図3の光カオス信号発生装置1へ
の光分波装置3の一例を示し、図示の実施例では、レー
ザー等の光源11からの光を3段に配置した7個のカプ
ラー12によって8本の同一パワーの光信号に分け、光
カオス信号発生器1を構成する各8個の干渉計13へそ
れぞれ入射している。しかし、8個の別々の光源から光
ファイバーによって各干渉計13の入力ポートとコネク
タによって連結してもよい。
FIG. 2 shows an example of the optical demultiplexer 3 for the optical chaotic signal generator 1 shown in FIG. 3. In the illustrated embodiment, seven light beams from a light source 11 such as a laser are arranged in three stages. The optical signal is divided into eight optical signals of the same power by the coupler 12 and incident on the eight interferometers 13 constituting the optical chaotic signal generator 1, respectively. However, eight separate light sources may be connected by optical fibers to the input ports of each interferometer 13 and connectors.

【0026】上記光カオス信号発生器1を構成する、入
射光を2分岐した後再び合波させ、その分岐から合波に
至る間の2つの光路の光路長差によって光の干渉効果を
生じさせる光干渉計としては、マッハツェンダー干渉計
を挙げることができ、図3の如く、複数個のマッハツェ
ンダー干渉計を、並列にならべて光回路によってカオス
信号発生器1を実現している。図3の実施例は4個の干
渉計MZI(1)〜MZI(4)を用いて光回路を構成している。こ
の場合、力学変数X(i)は、光のパワーであり通常の自乗
検波が可能となる。上記各干渉計13の光路長差は、光
路長差情報記憶装置2の各干渉計の光路と接続した熱−
光位相シフタ14によって二つの光路を所定の位相差を
生じさせるために温度制御部15よりの信号によって所
定の温度に一方の光路を温めることで実現する。温度制
御部15よりの温度信号は、温度表示部16において表
示され、記憶される。
The optical chaos signal generator 1, which divides the incident light into two light beams and combines them again, produces an optical interference effect due to the difference in optical path length between the two optical paths from the branching to the multiplexing. An example of the optical interferometer is a Mach-Zehnder interferometer. As shown in FIG. 3, a plurality of Mach-Zehnder interferometers are arranged in parallel to realize a chaotic signal generator 1 by an optical circuit. In the embodiment of FIG. 3, an optical circuit is configured using four interferometers MZI (1) to MZI (4). In this case, the dynamic variable X (i) is the power of light, and normal square detection is possible. The optical path length difference of each of the interferometers 13 is determined by the heat coupled to the optical path of each interferometer of the optical path length difference information storage device 2.
In order to generate a predetermined phase difference between the two optical paths by the optical phase shifter 14, this is realized by heating one of the optical paths to a predetermined temperature by a signal from the temperature control unit 15. The temperature signal from the temperature control unit 15 is displayed on the temperature display unit 16 and stored.

【0027】上記カオス信号発生装置1の各干渉計13
よりの出力光信号(光カオス信号)は、光ファイバーに
より光出力信号計測装置4を構成するフォートディテク
ター17に送られ、光信号はそのエネルギー(出力パワ
ー)に相当する電気信号に変換、計測される。従ってそ
の数値は非負となり、計測された信号は、該所定数の非
負実数ベクトルで表現される。
Each interferometer 13 of the chaos signal generator 1
The output optical signal (optical chaos signal) is sent to the fort detector 17 constituting the optical output signal measuring device 4 by an optical fiber, and the optical signal is converted into an electric signal corresponding to the energy (output power) and measured. . Therefore, the numerical value is non-negative, and the measured signal is represented by the predetermined number of non-negative real vectors.

【0028】上記計測装置4よりの出力電気信号は、光
出力信号処理記憶装置5の入力装置18へ送られる。入
力装置18に入った信号は中央信号処理装置19を介し
て各干渉計13の光信号エネルギー値を外部記憶装置2
2へ記憶させ、又、必要に応じて表示装置23によって
表示する。図示の本光出力信号処理記憶装置5は、中央
信号処理装置19、記憶装置20、主記憶装置21も含
んでいるため、一般の信号の処理もすることができる。
この記憶された該所定数次元の非負実数ベクトルの要素
はカオス系列X(1),X(2),X(3),…X(N) を並列に並べ
たものである。従って、この光カオス乱数発生装置で得
られた光カオス信号を“種(seed)”として、新たなカ
オス乱数を自由に発生することができる。上述の複数の
光干渉計から成る光カオス信号発生装置1は、シリコン
基板上に光導波管を形成するプレーナー光波回路製造技
術を利用することにより集積化して形成することができ
る。
The output electric signal from the measuring device 4 is sent to the input device 18 of the optical output signal processing storage device 5. The signal input to the input device 18 stores the optical signal energy value of each interferometer 13 via the central signal processing device 19 in the external storage device 2.
2, and displayed by the display device 23 as necessary. The illustrated optical output signal processing and storage device 5 also includes a central signal processing device 19, a storage device 20, and a main storage device 21, so that general signal processing can also be performed.
The elements of the stored non-negative real vector of the predetermined number dimension are obtained by arranging chaotic sequences X (1), X (2), X (3),... X (N) in parallel. Therefore, it is possible to freely generate a new chaotic random number by using the optical chaotic signal obtained by the optical chaotic random number generator as a “seed”. The optical chaotic signal generator 1 including a plurality of optical interferometers described above can be integrated and formed by utilizing a planar lightwave circuit manufacturing technique for forming an optical waveguide on a silicon substrate.

【0029】図3にある複数のマッハツェンダー干渉計
を上からMZI(1),MZI(2),..,MZI(N)と記号化し、各マッ
ハツェンダー干渉計MZI(j)には、2つの入力ポートと2
つの出力ポートがあり、各MZI(j)の光路長差をそれぞれ
ΔL(j)とする。ただし、1≦j≦Nとする。nを実効屈
折率とし、入力光の波長をλとする。その時のマッハツ
ェンダー干渉計の散乱行列は[数9]の様に光路長差Δ
L(j)、実効屈折率n及び光の波長λにより一意に決まる
(Paul E. Green,“Fiber Optic Networks" (Prentice
Hall,1993),p.124。)。なお、[数9]において、Hik
(λ)は、入力ポートiに単位電場を入力した時、出力
ポートkに出力される複素電場を示す。但し、1は上部
ポートを示し、2は下部ポートを示す。
The plurality of Mach-Zehnder interferometers in FIG. 3 are symbolized as MZI (1), MZI (2),..., MZI (N) from above, and each Mach-Zehnder interferometer MZI (j) has Two input ports and two
There are two output ports, and the difference in optical path length of each MZI (j) is set to ΔL (j). However, it is assumed that 1 ≦ j ≦ N. Let n be the effective refractive index and let the wavelength of the input light be λ. The scattering matrix of the Mach-Zehnder interferometer at that time is represented by the optical path length difference Δ as shown in [Equation 9].
It is uniquely determined by L (j), effective refractive index n, and light wavelength λ (Paul E. Green, “Fiber Optic Networks” (Prentice
Hall, 1993), p.124. ). In Equation 9, H ik
(Λ) indicates a complex electric field output to the output port k when a unit electric field is input to the input port i. Here, 1 indicates an upper port, and 2 indicates a lower port.

【0030】[0030]

【数9】 (Equation 9)

【0031】ここで、今各マッハツェンダー干渉計MZI
(j)の入力ポートからは、入力が無いものとする(図3参
照)。するとマッハツェンダー干渉計MZI(j)の出力側で
受け取る複素電場ベクトルは、[数10]の様に一意に
決まる。
Here, each Mach-Zehnder interferometer MZI
It is assumed that there is no input from the input port (j) (see FIG. 3). Then, the complex electric field vector received at the output side of the Mach-Zehnder interferometer MZI (j) is uniquely determined as in [Equation 10].

【0032】[0032]

【数10】 (Equation 10)

【0033】従って出力側で受け取る光パワーは、[数
11]の様に非負の三角関数で与えられる。
Therefore, the optical power received at the output side is given by a non-negative trigonometric function as shown in [Equation 11].

【0034】[0034]

【数11】 [Equation 11]

【0035】さて、ここでj+1番目のマッハツェンダー
干渉計MZI(j+1)の光路長差ΔL(j+1)がj 番目のマッハツ
ェンダー干渉計の光路長差ΔL(j)のm倍である([数1
2]参照)様にする。但し、波長λ、実効屈折率nの条
件は、各マッハツェンダー干渉計とも同じとし、mは2
以上の整数とする。
Now, the optical path difference ΔL (j + 1) of the j + 1-th Mach-Zehnder interferometer MZI (j + 1) is m of the optical path difference ΔL (j) of the j-th Mach-Zehnder interferometer. ([Equation 1
2)). However, the conditions of the wavelength λ and the effective refractive index n are the same for each Mach-Zehnder interferometer, and m is 2
An integer greater than or equal to.

【0036】[0036]

【数12】 (Equation 12)

【0037】従って干渉計MZI(j)で受け取る光パワー
は、[数12]と同じ非負の三角関数で与えられ、[数
13]の様になる。
Therefore, the optical power received by the interferometer MZI (j) is given by the same non-negative trigonometric function as in [Equation 12], and becomes as shown in [Equation 13].

【0038】[0038]

【数13】 (Equation 13)

【0039】今、[数14]の様に、各干渉計MZI(j)の
上部出力ポートの光パワーを力学変数X(j)と読み替え
る。
Now, as in [Equation 14], the optical power of the upper output port of each interferometer MZI (j) is read as a dynamic variable X (j).

【0040】[0040]

【数14】 [Equation 14]

【0041】m=2の場合は、光出力パワーX(j+1)とX
(j)は、sin 関数の2倍角の公式sin(2a)=2cos(a)sin(a)
により,[数1]と同じく、ロジスティック写像を形
成する。m=3の場合は、両パワーは、sin 関数の3倍
角の公式により、[数2]と同じく、キュービック写像
を形成する。同様に、mが2以上の或る整数について
も、両パワーは、sin 関数のm倍角の公式によって与え
られるチェビシェフ写像(m次多項式)と呼ばれるカオ
ス写像になる(R.L. Adler and T.J. Rivlin, Proc. A
m. Math. Soc. 15(1964)794)。各マッハツェンダー干
渉計の下部出力ポートの光パワーを力学変数Y(j)と読み
替えると、光出力パワーY(j+1)とY(j)はcos2θのm倍角
の公式によって与えられる写像となるが、これは上述の
チェビシェフ写像の有理変換したものに相当する。
When m = 2, the optical output powers X (j + 1) and X (j + 1)
(j) is the double angle formula of sin function sin (2a) = 2cos (a) sin (a)
Thus, a logistic mapping is formed in the same manner as in [Equation 1]. When m = 3, both powers form a cubic mapping in the same manner as in [Equation 2] by the triple angle formula of the sin function. Similarly, for certain integers where m is 2 or more, both powers become a chaotic map called a Chebyshev map (m-th order polynomial) given by a formula of m times the sine function (RL Adler and TJ Rivlin, Proc. A
m. Math. Soc. 15 (1964) 794). If the optical power at the lower output port of each Mach-Zehnder interferometer is read as a dynamic variable Y (j), the optical output powers Y (j + 1) and Y (j) are the mappings given by the formula of m times cos 2 θ. Which is equivalent to the rational transformation of the above Chebyshev mapping.

【0042】これらの写像は全て単位区間[0,1] から単
位区間[0,1] への写像であり、顕著な事実として空間平
均が時間平均に等しいという、カオスの性質よりも強い
エルゴード性を持っている。この場合、空間平均はこれ
ら全ての写像に共通する不変測度[数15]で与えられ
る。
These mappings are all mappings from the unit interval [0,1] to the unit interval [0,1], and the remarkable fact is that the spatial average is equal to the temporal average. have. In this case, the spatial average is given by an invariant measure [Equation 15] common to all these mappings.

【0043】[0043]

【数15】 (Equation 15)

【0044】従ってN個の上述の性質を満足するマッハ
ツェンダー干渉計を用意したとき、それぞれの出力には
これらのカオス力学系を計算したのと同じものが各出力
側で計測した光パワーの値として得ることが可能とな
る。カオス乱数は、これらのカオス力学系に初期条件を
与えれば、そのカオス乱数の系列は『ある一定の写像
(カオス写像)の繰り返し変換によって決まるという決
定論的性質』を持つとともに理想的な乱数の特性である
エルゴード性を合わせ持ち、本カオス乱数発生器を一般
のエルゴード性が保証された乱数発生源として使うこと
ができる。これによりエルゴード性[数16]を基礎と
するモンテカルロ法の計算も、カオス乱数によるモンテ
カルロ計算アルゴリズム(特開平10−283344号
参照)を使うことにより実施できる。
Therefore, when N Mach-Zehnder interferometers satisfying the above-mentioned properties are prepared, the respective outputs have the same optical power values as those calculated for these chaotic dynamical systems measured at each output side. It is possible to obtain as. Given the initial conditions for these chaotic dynamical systems, the chaotic random numbers have a deterministic property that the sequence of chaotic random numbers is determined by the repetitive transformation of a certain map (chaotic map) and the ideal random number The chaotic random number generator has ergodicity, which is a characteristic, and can be used as a random number generator that guarantees general ergodicity. Accordingly, the calculation of the Monte Carlo method based on the ergodic property [Equation 16] can also be performed by using the Monte Carlo calculation algorithm using chaotic random numbers (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-283344).

【0045】[0045]

【数16】 (Equation 16)

【0046】ただし、A(x)は、[数16]の右辺が収束
する積分可能な関数のクラス L1(P)に入る関数である。
Here, A (x) is a function belonging to the class L1 (P) of an integrable function in which the right side of [Equation 16] converges.

【0047】又しきい値を0.5 として、これより大きけ
れば“1”、小さければ“0”という規則によって変換
すれば、理想的なコイン投げゲームと同じく、“0”と
“1”がそれぞれ確率0.5を持つ独立同分布(i.i.
d.:independent and identically distributed)の2値
系列を得ることができる。更にしきい値を多数用意する
とより一般の多値系列を得ることができる。(図5のキ
ュービック写像の場合は3値系列)
If the threshold value is set to 0.5 and the conversion is performed according to the rule of “1” when the threshold value is larger than the threshold value and “0” when the threshold value is smaller than the threshold value, the probability that “0” and “1” are the same as in an ideal coin tossing game. Independent distribution with 0.5 (ii
d.:independent and identically distributed) binary sequence can be obtained. Further, by preparing a large number of threshold values, a more general multi-valued sequence can be obtained. (In the case of the cubic mapping in FIG. 5, a ternary sequence)

【0048】しきい値を0.5にした場合、任意の2値
系列符号に対応する実軌道が存在するので、本発明装置
は2値系列乱数生成装置としても適している。これは、
力学系を符号列で観測するというシンボルダイナミック
スという考え方を応用したものである。即ちこの様にし
てアナログ値を持つ本発明のカオス乱数発生器から理想
的なデジタル乱数系列を取り出すことができる。
When the threshold value is set to 0.5, there is a real trajectory corresponding to an arbitrary binary sequence code, so that the apparatus of the present invention is suitable as a binary sequence random number generating apparatus. this is,
It applies the concept of symbol dynamics, in which a dynamical system is observed with a code sequence. That is, in this way, an ideal digital random number sequence can be extracted from the chaotic random number generator of the present invention having an analog value.

【0049】得られるカオス乱数の初期条件を変化させ
るには、光源の波長を変化させれば良い。現在の技術で
は、マッハツェンダー干渉計の損失特性等の出力特性に
対しては、波長無依存でエネルギー損失率を零の近くに
保つことができ、安定性の優れた干渉計となる。カオス
力学系は、初期値が僅かにずれると、それが出力の誤差
として多大に(写像の繰り返しの数に対し指数関数的
に)跳ね返ってくる。したがって本発明装置は、そこで
使われているカオス力学系のカオスの性質の帰結が、乱
数系列の光源波長依存性となって現れ、それが暗号通信
等で使われる乱数の秘匿性を強化するものとなる。
In order to change the initial condition of the obtained chaotic random numbers, the wavelength of the light source may be changed. With the current technology, the output characteristics such as the loss characteristics of the Mach-Zehnder interferometer can keep the energy loss rate close to zero independent of the wavelength, resulting in an interferometer with excellent stability. In the chaotic dynamical system, if the initial value is slightly shifted, it largely rebounds (exponentially with respect to the number of mapping repetitions) as an output error. Therefore, the device of the present invention is a device in which the consequence of the chaotic nature of the chaotic dynamical system used therein appears as the light source wavelength dependence of the random number sequence, which enhances the confidentiality of the random numbers used in cryptographic communication and the like. Becomes

【0050】ここで、マッハツェンダー干渉計とは、入
射光を2分岐した後再び合波させ、その分岐から合波に
至る間の2つの光路の光路長差によって光の干渉効果を
生じさせる干渉計である。
Here, the Mach-Zehnder interferometer is an interference device that splits incident light into two light beams and then multiplexes the light beams again, and produces an optical interference effect due to the optical path length difference between the two optical paths from the branching to the multiplexing. It is total.

【0051】各干渉計では、2つの光路長にΔL(j)だけ
差があるとする。さて、この各干渉計の散乱行列は[数
9]により与えられるので、各マッハツェンダー干渉計
の上部入力ポートに入る入力光のパワーを1とし下部入
力ポートに入る入力光のパワーを零とするとき、各干渉
計の上部出力ポートから出る光信号のパワーX(j)は[数
14]で与えられる。さてここで、各干渉計の光路長差
ΔL(j)が、mをある2以上の整数に対し[数3]で与え
られる線形関係式を満足するとするため、j+1番目のマ
ッハツェンダー干渉計MZI(j+1)の光出力X(j+1)と、j番
目のマッハツェンダー干渉計MZI(j)の光出力X(j)との関
係式は、sin2(x) のm倍角の公式に等しくなる。つまり
各マッハツェンダー干渉計の出力が、m=2の場合、si
n2(x) の2倍角公式で与えられるロジスティック写像
[数1]を満足し、m=3の場合、sin2(x) の3倍角公
式で与えられるキュービック写像[数2]を満足し、一
般のmに対してはsin2(x) のm倍角の公式に等しくなる
m次のチェビシェフ写像Fmで与えられる関係式[数1
7]を満足する。
In each interferometer, it is assumed that there is a difference between the two optical path lengths by ΔL (j). Now, since the scattering matrix of each interferometer is given by [Equation 9], the power of the input light entering the upper input port of each Mach-Zehnder interferometer is set to 1, and the power of the input light entering the lower input port is set to zero. At this time, the power X (j) of the optical signal output from the upper output port of each interferometer is given by [Equation 14]. Now, since it is assumed that the optical path length difference ΔL (j) of each interferometer satisfies the linear relational expression given by [Equation 3] with respect to an integer of 2 or more, the j + 1-th Mach-Zehnder interference The relational expression between the optical output X (j + 1) of the total MZI (j + 1) and the optical output X (j) of the j-th Mach-Zehnder interferometer MZI (j) is m times the sin 2 (x) Equals the formula That is, when the output of each Mach-Zehnder interferometer is m = 2, si
The logistic map [Formula 1] given by the double-angle formula of n 2 (x) is satisfied. If m = 3, the cubic map [Formula 2] given by the triple-size formula of sin 2 (x) is satisfied, For general m, a relational expression given by an m-th order Chebyshev map Fm that is equal to the formula of m times the angle of sin 2 (x) [Equation 1
7].

【0052】[0052]

【数17】 [Equation 17]

【0053】これは上述の解けるカオスを与える写像力
学系であるので、この系は解けるカオスの光回路により
実現するものであることが解る。この様に、本発明はモ
ンテカルロ法やスペクトラム拡散通信システム、光通信
システム、暗号鍵生成といった幅広い応用分野で使われ
る乱数を光の高速性を使って生成する装置を提供するこ
とができる。
Since this is a mapping dynamical system that gives the above-mentioned solvable chaos, it can be seen that this system is realized by an optical circuit of solvable chaos. As described above, the present invention can provide an apparatus for generating random numbers used in a wide range of application fields, such as the Monte Carlo method, the spread spectrum communication system, the optical communication system, and the encryption key generation, using the high speed of light.

【0054】[実施例1]実施例1では可変波長レーザ
ーを光源に使う本光カオス回路を説明する。更に、初期
値X(1)を0から1までの任意の実数値に設定できるよう
にすることができる。実効屈折率をnとし、初期値X(1)
に対応する一番目のマッハツェンダー干渉計MZI(1)の光
路長差をΔL(1)=ΔL とする。その時[数14]よりX
(1)=sin2[(πnΔL/λ)]となるので、光源の波長の範囲
がλs≦λ≦λlの間を動かせる場合、X(1)が常に0から
1までの値を少なくとも一回取るためには、[数18]
の条件が必要となる。
[Embodiment 1] In Embodiment 1, an optical chaos circuit using a variable wavelength laser as a light source will be described. Further, the initial value X (1) can be set to any real value from 0 to 1. The effective refractive index is n, and the initial value X (1)
Is the optical path length difference of the first Mach-Zehnder interferometer MZI (1), ΔL (1) = ΔL. At that time, X
(1) = since sin 2 becomes [(πnΔL / λ)], at least the value of the case, from X (1) is always 0 to 1 range of wavelengths of the light source move between λ s ≦ λ ≦ λ l To take once, [Equation 18]
Condition is required.

【0055】[0055]

【数18】 (Equation 18)

【0056】故に、MZI(1)の光路長差が[数19]の様
に、波長の上限λlと下限λsによって決まる公式が導出
される。
[0056] Thus, as the optical path length difference MZI (1) is [Equation 19], formula is derived which depends on the upper limit lambda l and lower lambda s wavelength.

【0057】[0057]

【数19】 [Equation 19]

【0058】即ち、干渉計MZI(1)の光路長差は、[数1
9]で決まる値もしくはその整数倍であることが望まし
い。ここで実際の例からΔL の値を見積もってみる。波
長レンジが1450-1590[nm] 、つまりλs=1450[nm] ,λl
=1590[nm] である株式会社ヒューレットパッカート製の
波長可変レーザー光源(製品番号HP8168F)の場
合、[数19]からΔL=16467.8/n[nm] と見積もること
ができ、この場合このΔL=16.5/n[um]の整数倍がマッハ
ツェンダー干渉計MZI(1)の光路長差となるのが望ましい
ことがわかる。もちろん、他の可変波長レーザー光源を
使った場合にも、上の例と同様に前述の公式[数19]
に当てはめることによってマッハツェンダー干渉計MZI
(1)の光路長差ΔL(1)を見積もることができ、更に[数
19]式に従って全マッハツェンダー干渉計の光路長差
ΔL(j)を見積もることができる。
That is, the optical path length difference of the interferometer MZI (1) is expressed by the following equation.
9] or an integer multiple thereof. Here, the value of ΔL is estimated from an actual example. The wavelength range is 1450-1590 [nm], that is, λ s = 1450 [nm], λ l
In the case of a wavelength tunable laser light source (product number HP8168F) manufactured by Hewlett-Packard Co., Ltd. = 1590 [nm], ΔL = 16467.8 / n [nm] can be estimated from [Equation 19]. In this case, ΔL = It is understood that it is desirable that an integral multiple of 16.5 / n [um] be the optical path length difference of the Mach-Zehnder interferometer MZI (1). Of course, when another tunable laser light source is used, the above formula [Equation 19] can be used similarly to the above example.
By applying to the Mach-Zehnder interferometer MZI
The optical path length difference ΔL (1) of (1) can be estimated, and further, the optical path length difference ΔL (j) of all Mach-Zehnder interferometers can be estimated according to the equation (19).

【0059】[実施例2]ロジスティック写像[数1]
を光回路で実現する方法を説明する。これは、各干渉計
の光路長差の関係式[数3]で、m=2となる様に設計
する。N個のマッハツェンダー干渉計の入力光の入るポ
ートの条件は、上述の様に上部ポートのみからとし、j
番目のマッハツェンダー干渉計MZI(j)場合、上部出力ポ
ートから出る出力光1のエネルギーX(j)は、[数20]
が成立するので、sin 関数の2倍角の公式から、図3の
各干渉計で得られた出力光のパワーX(j)は、ロジスティ
ック写像[数1]を満足する。これは、光マッハツェン
ダー干渉計を用いた光回路によってロジスティック写像
力学系を実現するものである。ロジスティック写像力学
系の性質はカオスであることが知られているので、本光
回路はカオス乱数生成装置となる。この場合カオスの程
度を表すリヤプノフ指数とコルモゴルフ=シナイエント
ロピーが Log2となり、1マッハツェンダー干渉計あた
り1ビットの情報を生成する乱数発生器と見なすことが
できる。但し、Log は自然対数をあらわすものとする。
また、得られた出力値X(j)を、その値が0.5以上か否
かに対して符号“0”又は“1”をそれぞれ割り当てる
と、符号“0”である確率は1/2,符号“1”となる確率
は1/2となり本装置は長さNの2値乱数系列発生器と
なる(図4参照。)。この様にして物理的動作する2値
乱数系列発生器は、理想的なコインゲームと同じ性質を
保つ。
[Embodiment 2] Logistic mapping [Equation 1]
Will be described with reference to an optical circuit. This is designed so that m = 2 in the relational expression [Equation 3] of the optical path length difference of each interferometer. The condition of the port where the input light of the N Mach-Zehnder interferometers enters is determined from only the upper port as described above, and j
In the case of the Mach-Zehnder interferometer MZI (j), the energy X (j) of the output light 1 exiting from the upper output port is [Equation 20].
Holds, the power X (j) of the output light obtained by each interferometer of FIG. 3 satisfies the logistic mapping [Equation 1] from the formula of the double angle of the sin function. This realizes a logistic mapping dynamics system by an optical circuit using an optical Mach-Zehnder interferometer. Since the property of the logistic map dynamics is known to be chaos, this optical circuit is a chaos random number generator. In this case, the Lyapunov exponent indicating the degree of chaos and the Kolmogolf-Sinaintropy become Log2, which can be regarded as a random number generator that generates one bit of information per Mach-Zehnder interferometer. However, Log represents natural logarithm.
When the obtained output value X (j) is assigned a code “0” or “1” depending on whether the value is 0.5 or more, the probability that the code is “0” is 1/2. , The probability of becoming a code “1” becomes と な り, and this device becomes a binary random number sequence generator having a length N (see FIG. 4). The binary random number sequence generator that physically operates in this manner maintains the same properties as an ideal coin game.

【0060】[0060]

【数20】 (Equation 20)

【0061】[実施例3]光キュービック写像[数2]
を光回路で実現する方法を説明する。N個のマッハツェ
ンダー干渉計に入る入力光の条件は、上述の実施例2と
同じにする。この場合、各干渉計の光路長差の関係式
[数3]で、m=3となる様に設計する。j番目のマッハ
ツェンダー干渉計MZI(j)の上部出力ポートから出る出力
光1のエネルギーX(j)は、[数21]が成立するので、
sin 関数の3倍角の公式から、図3の各干渉計で得られ
た出力光のパワーX(j)は、キュービック写像[数2]を
満足する。これは、光マッハツェンダー干渉計を用いた
光回路によってキュービック写像力学系を実現するもの
である。キュービック写像力学系の性質はカオスである
ことが知られているので、本光回路はカオス乱数生成装
置となる。(この場合カオスの程度を表すリヤプノフ指
数とコルモゴルフ=シナイエントロピーが Log3とな
り、1マッハツェンダー干渉計あたりLog23 ビットの情
報を生成する乱数発生器と見なすことができる。)ま
た、得られた出力値X(j)が、その値が0.25より小さけれ
ば“0”、0.25以上で0.75より小さければ“1”、0.75
以上であれば“2”である様にそれぞれ割り当てると、
符号“0”、“1”、“2”である確率はそれぞれ 1/3
となり、本装置は長さN の3値乱数系列発生器となる
(図5参照)。
[Embodiment 3] Optical cubic mapping [Equation 2]
Will be described with reference to an optical circuit. The conditions of the input light entering the N Mach-Zehnder interferometers are the same as in the second embodiment. In this case, the design is made such that m = 3 in the relational expression [Equation 3] of the optical path length difference of each interferometer. The energy X (j) of the output light 1 emitted from the upper output port of the j-th Mach-Zehnder interferometer MZI (j) satisfies [Equation 21].
From the formula of the triple angle of the sin function, the power X (j) of the output light obtained by each interferometer in FIG. 3 satisfies the cubic mapping [Equation 2]. This realizes a cubic mapping dynamics system by an optical circuit using an optical Mach-Zehnder interferometer. Since it is known that the property of the cubic mapping dynamics is chaos, this optical circuit is a chaos random number generator. (In this case Lyapunov exponent and Kolmogorov = Sinai entropy representing the degree of chaos can be regarded as a random number generator for generating a Log3 next, 1 Mach-Zehnder interferometer per Log 2 3-bit information.) The obtained output The value X (j) is “0” if the value is smaller than 0.25, and “1”, 0.75 if the value is 0.25 or more and smaller than 0.75.
If the above is assigned to each of them as "2",
The probabilities of the signs “0”, “1”, and “2” are each 1/3
Thus, this device becomes a ternary random number sequence generator of length N (see FIG. 5).

【0062】[0062]

【数21】 (Equation 21)

【0063】[実施例4]実施例1から実施例3まで
は、各マッハツェンダー干渉計の上部出力ポートの光出
力信号X(j)を取り出したが、下部出力ポートからの光出
力信号のパワーY(j)を取り出しても、各マッハツェンダ
ー干渉計の光路長差ΔL(j)が条件[数3]を満足すれ
ば、光出力パワーY(j+1)とY(j)の関係式はcos2(x) のm
倍角の公式であるY(j+1)=Gm[Y(j)] を満足する。この関
数Gm(・) もカオス写像であり、前述のチェビシェフ写像
Fm(・) と[数22]の関係式を満足するm次多項式とな
る。この様に実際使われる入力ポートと出力ポートとの
関係を調整することによってカオス写像の形を変化させ
ることができるが、これらのカオス写像の形は三角関数
のm倍角の公式によって与えられる関数形に限るものと
なる。
Fourth Embodiment In the first to third embodiments, the optical output signal X (j) of the upper output port of each Mach-Zehnder interferometer is extracted, but the power of the optical output signal from the lower output port is obtained. Even if Y (j) is extracted, if the optical path length difference ΔL (j) of each Mach-Zehnder interferometer satisfies the condition [Equation 3], the relational expression between the optical output power Y (j + 1) and Y (j) Is m of cos 2 (x)
The double angle formula Y (j + 1) = Gm [Y (j)] is satisfied. This function Gm (•) is also a chaotic map, and the Chebyshev map
An mth-order polynomial that satisfies the relational expression of Fm (·) and [Equation 22] is obtained. The shape of the chaotic map can be changed by adjusting the relationship between the input port and the output port that are actually used, but the form of these chaotic maps is the function form given by the formula of m times the trigonometric function. It is limited to.

【0064】[0064]

【数22】 (Equation 22)

【0065】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できることは勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0066】[0066]

【発明の効果】従来の電子デバイスの動作限界であった
理論上約75GHz、実用上は約600MHzといった
現在の速度限界を超える乱数発生を、本発明の光回路の
特性を使うことにより実現できる。また本発明は、現在
の石英系プレーナ光波回路(PLC)の製造技術を用い
ることによって従来の光レーザーカオスシステムでは実
現できなかった集積・小型化した装置の提供を可能にす
る。また本発明は、初期値依存性の高いカオスを使った
乱数なので、従来のM 系列等のシフトレジスターから生
成される乱数よりも、より秘匿性の強いものとなり暗号
鍵生成やプライバシーを守る秘匿通信で用いられるのに
適した乱数になる。
The random number generation exceeding the current speed limit of about 75 GHz in theory, practically about 600 MHz, which is the operation limit of the conventional electronic device, can be realized by using the characteristics of the optical circuit of the present invention. Further, the present invention makes it possible to provide an integrated and miniaturized device that cannot be realized by a conventional optical laser chaos system by using the present quartz-based planar lightwave circuit (PLC) manufacturing technology. Also, since the present invention uses random numbers that use chaos with high initial value dependence, it is more confidential than random numbers generated from shift registers such as conventional M-sequences. Is a random number suitable for use in.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による光カオス乱数発生装置の一例を示
す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an optical chaos random number generator according to the present invention.

【図2】図1の装置の光カオス信号発生装置と干渉計へ
の光分波装置を示す。
FIG. 2 shows an optical chaotic signal generator of the apparatus of FIG. 1 and an optical demultiplexer for an interferometer.

【図3】図1の装置の光カオス信号発生装置の一例を示
す。
FIG. 3 shows an example of the optical chaotic signal generation device of the device of FIG.

【図4】チェビシェフ写像Fmのm=2の例であるロジス
ティック写像である。
FIG. 4 is a logistic map that is an example of the Chebyshev map Fm when m = 2.

【図5】チェビシェフ写像Fmのm=3の例であるキュー
ビック写像である。
FIG. 5 is a cubic mapping which is an example of the Chebyshev mapping Fm when m = 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光カオス信号発生装置 2 光路長差情報記憶装置 3 光分波装置 4 光出力信号計測装置 5 光出力信号処理記憶装置 11 光源 12 光カプラー 13 光干渉計 14 熱−光位相シフター 15 温度制御部 16 温度表示部 17 フォートデテクター 18 入力装置 19 中央信号処理装置 20 記憶装置 21 主記憶装置 22 外部記憶装置 23 表示装置 Reference Signs List 1 optical chaos signal generator 2 optical path length difference information storage device 3 optical demultiplexer 4 optical output signal measuring device 5 optical output signal processing storage device 11 light source 12 optical coupler 13 optical interferometer 14 heat-optical phase shifter 15 temperature controller 16 Temperature display unit 17 Fort detector 18 Input device 19 Central signal processing device 20 Storage device 21 Main storage device 22 External storage device 23 Display device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅野 健 東京都小金井市貫井北町4−2−1 郵政 省通信総合研究所内 (72)発明者 北山 研一 東京都小金井市貫井北町4−2−1 郵政 省通信総合研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Ken Umeno 4-2-1 Nuki Kitamachi, Koganei City, Tokyo Post Office Within the Communications Research Laboratory (72) Inventor Kenichi Kitayama 4-2-1 Nuki Kitamachi, Koganei City, Tokyo Post Office Within the Ministry of Communications Research Laboratory

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源からの光を所定数の同一パワーの光
に分割する光信号分波手段と、 上記光信号分波手段で分割された光をそれぞれ入射し、
2分岐した後、それぞれ再合波する所定数の二つの光路
を有する光干渉計から成る光カオス信号発生手段と、 上記所定数の各光干渉計の分岐―合波間の2つの光路の
光路長差の情報を記憶するための光路長差情報記憶手段
と、 上記所定数の各光干渉計から出力されてくる光カオス出
力信号のパワーを計測するための光出力信号計測手段
と、 上記光出力信号計測手段に計測された各光干渉計から出
力されてくる該所定数次元非負実数ベクトルであらわさ
れる光出力信号のパワー値を記憶するための光出力信号
記憶手段、とから成ることを特徴とするカオス力学系X
(j+1)=F[X(j)]で記述されるカオス乱数を光出力信号と
して得るための光カオス乱数発生装置。
1. An optical signal demultiplexing means for splitting light from a light source into a predetermined number of light beams having the same power;
An optical chaos signal generating means comprising an optical interferometer having a predetermined number of two optical paths which are recombined after branching into two, respectively; an optical path length of two optical paths between the branching and multiplexing of the predetermined number of optical interferometers; Optical path length difference information storage means for storing difference information; optical output signal measurement means for measuring the power of optical chaos output signals output from the predetermined number of optical interferometers; Optical output signal storage means for storing the power value of the optical output signal represented by the predetermined number-dimensional non-negative real number vector output from each optical interferometer measured by the signal measurement means, Chaotic dynamical system X
An optical chaotic random number generator for obtaining a chaotic random number described by (j + 1) = F [X (j)] as an optical output signal.
【請求項2】 上記所定数の光干渉計は、光マッハツェ
ンダー干渉計からなり、j番目(但し、jは上記所定数
以下の自然数)のマッハツェンダー干渉計の光路長差Δ
(j) が所定の関係を満足することにより、その出力する
光パワーX(j)が、3角関数の加法公式から得られる写像
F(・)によって生成する力学系X(j+1)=F[X(j)]を満足する
ことを特徴とする請求項1に記載の光カオス乱数発生装
置。
2. The predetermined number of optical interferometers comprises an optical Mach-Zehnder interferometer, and an optical path length difference Δ of a j-th (where j is a natural number less than or equal to the predetermined number) Mach-Zehnder interferometer.
(j) satisfies the predetermined relationship, the output optical power X (j) is a mapping obtained from the addition formula of the trigonometric function.
The optical chaos random number generator according to claim 1, wherein a dynamical system X (j + 1) = F [X (j)] generated by F (•) is satisfied.
【請求項3】 上記所定数の光干渉計は、光マッハツェ
ンダー干渉計からなり、j番目のマッハツェンダー干渉
計の光路長差Δ(j) が所定の関係を満足することによ
り、その出力する光パワーX(j)が、ロジスティック写像
[数1]とキュービック写像[数2]を少なくとも含
み、2以上のmに対して、m次のチェビシェフ写像Fm
(・) もしくは、その有理変換されるものである前記写像
F(・)によって生成する力学系X(j+1)=F[X(j)] を満足す
ることを特徴とする請求項1に記載の光カオス乱数発生
装置。 【数1】 【数2】
3. The predetermined number of optical interferometers comprises an optical Mach-Zehnder interferometer, and outputs when the optical path length difference Δ (j) of the j-th Mach-Zehnder interferometer satisfies a predetermined relationship. The optical power X (j) includes at least a logistic map [Equation 1] and a cubic map [Equation 2]. For m of 2 or more, the m-th order Chebyshev map Fm
(•) or the mapping that is to be rationalized
The optical chaos random number generator according to claim 1, wherein a dynamical system X (j + 1) = F [X (j)] generated by F (•) is satisfied. (Equation 1) (Equation 2)
【請求項4】 前記光出力記憶手段に記憶される当該定
数次元の非負実数ベクトルであらわされる光出力信号を
変更するための信号変調手段をさらに備えたことを特徴
とする請求項1に記載の光カオス乱数発生装置。
4. The apparatus according to claim 1, further comprising a signal modulator for changing an optical output signal represented by the non-negative real vector of the constant dimension stored in the optical output storage. Optical chaos random number generator.
【請求項5】 該所定数の光干渉計は、光マッハツェン
ダー干渉計からなり、前記mに対して、j+1 番目(但
し、jは上記所定数以下の自然数)のマッハツェンダー
干渉計の前記光路長差情報記憶手段に記憶された光路長
差ΔL(j+1)がj番目のマッハツェンダー干渉計の前記光
路長差情報記憶手段に記憶された光路長差ΔL(j)のm倍
(但し、m≧2)であるという関係式[数3]を満足す
ることを特徴とする請求項1に記載の光カオス乱数発生
装置。 【数3】
5. The Mach-Zehnder interferometer according to claim 1, wherein the predetermined number of optical interferometers comprises an optical Mach-Zehnder interferometer, and for the m, the j + 1-th (j is a natural number less than or equal to the predetermined number) Mach-Zehnder interferometer. The optical path length difference ΔL (j + 1) stored in the optical path length difference information storage means is m times the optical path length difference ΔL (j) stored in the optical path length difference information storage means of the j-th Mach-Zehnder interferometer. 2. The optical chaos random number generator according to claim 1, wherein a relational expression [Equation 3] that satisfies (m ≧ 2) is satisfied. (Equation 3)
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