JP2008537622A - 散乱導波管を使用した乱数の発生技術 - Google Patents

Abstract

本発明は、散乱導波管を使って乱数を発生するための方法および装置を提供するものである。この装置は、コヒーレント光を発生するための光源と、コヒーレント光を受け、散乱光を発生するための散乱導波管とを備える。光源と散乱導波管との相対的位置を変えることができ、本装置は散乱光に基づき少なくとも１つの乱数を形成するための検出器も含む。

Description

（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、一般的にはデータの暗号化に関し、より詳細には、散乱導波管を使用した乱数の発生技術に関する。

（２．関連技術の説明）
インターネット、ワールドワイドウェブならびに安全な政府イントラネットおよび会社のイントラネットを含む種々のイントラネットを含む最近の通信ネットワークは、ネットワークと通信できる実質的に任意のデバイスに大量のデータを送信できる。政府機関、工業および商業的事業所および個人としての市民は、安全かつ効率的にデータを送信するためにこれらネットワークに頼るようになった。例えば個人としての市民は、インターネットを通して個人情報およびクレジットカードの情報を提供することにより、種々の商業的事業所に製品およびサービスを注文できる。個人としての市民および商業的事業所の双方は、第三者によって情報が盗まれないよう、この情報を安全に送信することをネットワークに頼っている。別の例として、政府機関は、機関の間のイントラネットを使って秘密文書を送信するであろう。従って、政府機関は文書の秘密を保持することを、これら通信ネットワークに頼っている。従って、種々の通信ネットワークを通して送信される情報は一般に暗号化される。

暗号化鍵を使ってデータを暗号化することが可能である。例えば公開鍵暗号化では、ユーザーはユーザーにしか知らないはずのプライベート暗号化鍵および誰にも利用できる公開鍵を使用する。ユーザーが送ったデータは、公開鍵および計算関数、例えばハッシング関数を使って暗号化できる。この暗号化されたデータは、プライベート鍵にアクセスできる者にしか解読できない。ユーザーがプライベート鍵を秘密に維持している限り、公開鍵を使って暗号化されたデータは、どの人またはエンティティにとっても解読は禁止的に不可能である。しかしながら、単一のプライベート鍵の値は、比較的容易に決定できる。例えばプライベート鍵が記載されたポストイットノートを詳細に検討することにより、安全性が保たれていないロケーションなどからコンピュータに記憶されているプライベート鍵に直接または遠隔的にアクセスすることにより、あるいは同様のことによりプライベート鍵の値を決定できる。

従って、安全情報を定期的に送信したり、または高度に機密状態の情報を送信したりするユーザーまたは機関は、乱数の暗号化鍵発生器を使用し、定期的に新しい暗号化鍵を提供できる。暗号化鍵を発生するのに使用される計算関数は、一般に簡潔であり、当業者には周知であることが多い。従って、暗号化されたデータに対する攻撃が成功することにより、または内部情報を使用して限られた数の鍵が発見された場合、巧妙な敵対者は将来の暗号化鍵を予測できる。このようなタイプの攻撃は、一般に公知鍵の攻撃と称されている。暗号化鍵発生器のセキュリティを密かに低下させるには、妥協した単一の暗号化鍵で十分であるケースもある。

本発明は、上記問題の１つ以上の影響を解決せんとするものである。

（発明の概要）
次の説明は、本発明の一部の特徴を基本的に理解できるようにするために、本発明の簡略化された概要を示すものである。この概要は、本発明の消尽的な概観ではなく、本発明のキーとなる要素またはクリティカルな要素を識別したり、発明の範囲を定めたりするためのものではない。この説明の単一の目的は、後述するより詳細な説明に対する序文として、一部の原理を簡略的な形態で示すことにある。

本発明の一実施例では、散乱導波管を使用した乱数発生のための装置が提供される。この装置は、コヒーレント光を発生するための光源と、このコヒーレント光を受け、散乱光を発生するための散乱導波管とを備える。光源と散乱導波管との相対的な位置を変えることができ、この装置は、散乱光に基づき、少なくとも１つの乱数を発生するための検出器も含む。

本発明の一実施例では、散乱導波管を使って乱数を発生するための方法が提供される。この方法は、光源と散乱導波管との相対的位置を選択するステップと、光源を使ってコヒーレント光を散乱導波管に提供するステップと、選択された位置にある散乱導波管により散乱された光を受けるステップと、散乱光に基づいて乱数を形成するステップとを含む。

添付図面と関連をとった次の説明から本発明について理解できよう。図中、参照番号は同様な要素を示す。

本発明は、種々に変形したり、別の形態にしたりし易いが、図面には本発明の特定の実施例を例として示し、明細書では詳細に説明した。しかしながら、特定の実施例の本明細書の説明は、開示する特定の形態に本発明を限定するものではなく、むしろ逆に本発明は特許請求の範囲に記載した発明の要旨に入るすべての変形例、均等物および代替例をカバーするものであると理解すべきである。

次に、本発明の図示する実施例について説明する。明瞭にするために、本明細書では実際の実現例のすべての特徴事項について説明するわけではない。当然ながら、かかる実際の実施例を開発するに当たり、開発者の特定の目標、例えば実現例ごとに変わり得るシステムおよび業務に関連する制限とのコンプライアンスを達成するために、実現例固有の多数の判断を行っていることが理解できよう。更に、かかる開発努力は複雑で、かつ時間のかかることであるが、本明細書の開示に利益を有する当業者にとってルーチン作業ではないと理解できよう。

コンピュータメモリ内のデータビットでのオペレーションのソフトウェアまたはアルゴリズム、およびシンボル表示として、本発明の一部および対応する詳細な説明を示す。当業者は他の当業者に作業の実態を効果的に伝えるためにこれら説明および表示を、使用するものである。本明細書において、用語を使用し、一般的に使用する際のアルゴリズムは、所望する結果を生じさせる自己完結的シーケンスのステップであると見なされる。これらステップは、物理的な量を物理的に操作することを必要とするステップである。通常、これら量は、記憶し、転送し、組み合わせ、比較し、他の方法で操作することができる光学的、電気的または磁気的信号の形態をとり得るが、必ずしもこのような形態でなくてもよい。主に、共通に使用する理由からこれら信号をビット、値、要素、シンボル、キャラクター、ターム、番号等と称すことがときどき便利であることが証明されている。

しかしながら、これらの同様な用語のすべては、適当な物理的な量と関連付けすべきであり、単にこれら量に対して使用される適当な表示にすぎないことを念頭に入れるべきである。特に、別に表記しない限り、または本明細書から明らかなように、「処理」または「コンピューティング」または「計算」または「決定」または「ディスプレイ」などの用語は、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理的、電子的量として表示されたデータを操作し、これらデータをコンピュータシステムのメモリまたはレジスタ、もしくはかかる他の情報記憶デバイス、送信デバイスまたはディスプレイデバイス内の物理的量として同様に表示される他のデータに変換するコンピュータシステムまたは同様な電子計算デバイスの作用およびプロセスを示す。

本発明のソフトウェアによって実行される特徴は、一般に、ある形態のプログラム記憶媒体上でコード化されるか、またはあるタイプの送信媒体を通して実施されることにも留意されたい。プログラム記憶媒体は磁気（すなわちフロッピー（登録商標）ディスクまたはハードドライブ）または光学的（例えばコンパクトディスク、リードオンリーメモリまたはＣＤ ＲＯＭ）でもよいし、読み取り専用またはランダムアクセスするようなものでもよい。同様に、送信媒体は、撚り対線、同軸ケーブル、光ファイバーまたは当業者に公知の他の適当な送信媒体でもよい。本発明は、所定の実施例のこれら特徴によって限定されるものではない。

以下、添付図面を参照し、本発明について説明する。説明する目的のためだけに、かつ当業者に周知の細部により、本発明を不明瞭にしないように、種々の構造、システムおよびデバイスを図面に略図として示した。それにもかかわらず、本発明の図示した例を記述し説明するために、添付図面が含まれる。本明細書で使用する単語およびフレーズは、当業者によるこれら単語およびフレーズの理解と一致する意味を有すると理解し、解釈すべきである。用語またはフレーズの特殊でない定義、すなわち当業者が理解するような通常または習慣的な意味とは異なる定義は、本明細書の用語およびフレーズの一貫した使用によって意味されるものである。特別な意味、すなわち当業者が理解する以外の意味を用語またはフレーズが有する程度に、この用語またはフレーズに対する特別な定義を直接かつ非同義的に提供する一定の態様で、本明細書に明らかに記載する。

次に図１を参照すると、ここには、乱数、例えばランダムな暗号化鍵を発生するためのシステム１００が示されている。このシステムは光源１０５を含み、図示された実施例では、光源１０５はレーザーである。例えば光源１０５は従来のデスクトップレーザー、例えば６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザーとすることができる。しかしながら、当業者であれば、本発明は従来のデスクトップレーザーだけに限定されないことが理解できるはずである。別の実施例では、任意の望ましいタイプのレーザーを使用できる。例えば光源１０５は、所望するガス活性媒体を使用して形成される望ましい特性波長を有するレーザーとすることができ、システム１００を半導体デバイスの一部として実施するときに使用できる別の例のために、光源１０５を半導体ダイオードレーザーとすることができる。このシステム１００は、他の要素、例えばミラー、レンズ、フィルタ、回折格子および図１に示されていない同様なものも含むことができる。

光源１０５は、矢印１１０が示すように、散乱導波管１１５にコヒーレント光を供給する。当業者であれば、光源１０５が発するコヒーレント光１１０は、無限距離にわたって完全にコヒーレントでなくてもよいと理解できるはずである。その代わりに当技術分野の一般的な使用によれば、「コヒーレント」なる用語はシステム１００に関連する１つ以上の特性長さスケールと同じオーダー、またはそれ以上の長さスケールにわたってコヒーレントである光を意味する。例えばこのコヒーレント光１１０は、散乱導波管１１５に関連する長さスケール、例えば散乱導波管１１５の高さ、太さおよび／または長さと少なくとも同じである長さスケールにわたってコヒーレントであればよい。従来の６３３ｍｍのＨｅＮｅレーザーは、約１ｍのコヒーレント長さを有することができ、半導体ダイオードレーザーは約１ｃｍのコヒーレント長さを有することができる。図示された実施例では、エンドフェースカップリング１２０を介し、散乱導波管１１５にコヒーレント光１１０が提供される。例えばエンドフェースカップリング１２０は、ビームが（例えば散乱導波管１１５の太さに基づく）適当なスポットサイズおよび／または（例えば散乱導波管１１５の屈折率および屈折率の比によって決定される）開口数を有するように、コヒーレント光１１０の形状を定める１つ以上のレンズを含むことができる。一実施例では、端面カップリング１２０は、散乱導波管１１５のガイドレジーム内で発射される光量を増加できる。

光源１０５に対する散乱導波管１１５の位置を変えることができる。図示された実施例では、散乱導波管１１５は散乱導波管１１５の直線方向の位置を変えることができるようにする第１可動光学的マウント１２５に取り付けられている。例えば散乱導波管１１５は、コヒーレント光１１０の伝搬方向に垂直な方向に移動できる。散乱導波管１１５の図示された実施例も、散乱導波管１１５の回転角方向の向きを変えることができるようにする第２可動光学的マウント１３０に取り付けられている。例えばこの散乱導波管は、図１の平面に対して垂直な軸線を中心として回転できる。第１可動光学的マウント１２５と第２可動光学的マウント１３０は、６つの運動自由度を有し、これによって散乱導波管１１５のリニアな向きおよび／または回転角方向の向きを完全に制御することが可能となっている。詳細に後述するように、散乱導波管１１５の直線方向の位置を変えることによってシステム１００により、複数の乱数暗号化鍵を発生することが可能となっている。

散乱導波管１１５は、複数の散乱サイト（図１には示されず）を含み、これらサイトは散乱導波管１１５の一部にわたってランダムに分布できる。従って、矢印１３５が示すように、散乱光を形成するために、散乱導波管１１５内でコヒーレント光１１０を散乱できる。散乱光１３５の少なくとも一部が検出器１４０に入射できる。種々の別の実施例では、検出器１４０はＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよび同等物とすることができ、詳細に後述するように、検出器１４０は画像プロセッサ１４５に散乱光１３５の複数の強度を示す信号を提供でき、プロセッサ１４５は、散乱光１３５の複数の強度を示す信号に基づき、乱数を発生できる。この乱数を乱数暗号化鍵として使用できる。

図２Ａおよび２Ｂは、散乱導波管２００の第１実施例の側面図および平面図をそれぞれ概念的に示す。散乱導波管２００の第１実施例は、第１クラッド層２０５と、第１コア層２１０と、第２クラッド層２１５とを含む。しかしながら当業者であれば、散乱導波管２００はこれら層だけに限定されないことが理解できるはずである。別の実施例は、上記よりも多いかそれよりも少ない層を含むことができる。例えば第１クラッド層２０５を基板（図示せず）に形成でき、一実施例では、第１および第２クラッド層２０５、２１５および第１コア層２１０はエポキシ官能化シロキサン樹脂から形成された単一モードの平面状導波管の一部である。しかしながら、別の実施例では、層２０５、２１０、２１５を形成するために望ましい任意の材料を使用できる。

第１コア層２１０内には複数の散乱ピラー２２０が形成されており、図示された実施例では、これら散乱ピラー２２０は第１クラッド層２０５および第２クラッド層２１５を形成するのに使用された材料と同じ材料から形成されている。例えば散乱ピラー２２０は、エポキシ官能化シロキサン樹脂から形成できる。散乱ピラー２２０、第１クラッド層２０５および第２クラッド層２１５は、約１．０％の第１コア層２１０を形成するのに使用された材料と対照的な屈折率を有する。しかしながら、別の実施例では、散乱ピラー２２０は任意の望ましい材料から形成でき、所望する屈折率の比を有することができる。当業者であれば、層２０５、２１０、２１５の厚さは、選択された屈折率の比によって影響され得ることが理解できるはずである。

上記とは異なり、導波管２００は屈折率および屈折率の比を制御できる態様で変更できるようにする光学的材料から構成できる。この変更は永久的でもよいし、リバーシブルでもよい。かかる変更に至るルートは、熱光学的チューニング、電気光学的効果、カー効果、物理的歪みまたは応力、もしくは導波管材料による追加化学的種の吸収を含むが、これらだけに限定されるものではない。例えば感温性材料の温度を調節すると、屈折率が変わることになる。この屈折率の変化はシステムの光路の長さおよび散乱事象の間の平均自由光路長さに影響する。これによって、所定の温度ステップに対し、完全に新しくユニークな散乱導波管２００を効果的に提供できる。

図示された２Ｂに示される散乱ピラー２２０は、横断面が円形である。一実施例では、散乱ピラー２２０の直径は、約２００ミクロンでよい。６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザーと共に散乱導波管２００の図示された実施例を使用する場合、散乱ピラー２２０の特性長さスケールは、コヒーレント光の波長よりも大きくなる。従って、コヒーレント光は、圧倒的に前方方向に散乱される。すなわち、コヒーレント光は、圧倒的にＭｉｅ散乱される。しかしながら、当業者であれば、本発明は、２００ミクロンの直径を有し、横断面が円形の散乱ピラーだけに限定されないことが理解できるはずである。別の実施例では、散乱ピラー２２０は、任意の望ましい横断面の形状および／または寸法を有することができる。さらに散乱ピラー２２０の寸法および／または横断面の形状は、ある値のレンジにわたって分散してよい。

図３は、散乱ピラー２２０の第２実施例を概念的に示す。図示された実施例では、散乱導波管３００は、導波管領域３０５と送信領域３１０とを含む。導波管領域３０５と送信領域３１０とは、任意の望ましい材料から形成できる。例えば、導波管領域３０５と送信領域３１０とは、エポキシ官能化シロキサン樹脂から形成できる。導波管領域３０５の屈折率と昇進領域３１０の屈折率は、所定の値だけ異なる。例えば導波管領域３０５の屈折率と送信領域３１０の屈折率の比は、約１．０％である。しかしながら、当業者であればこの屈折率の比は設計上の事項に過ぎず、実施例が異なれば、変わってもよいことが理解できるはずである。

送信領域３１０の側壁３１５は、特徴部３２０が示すように、テクスチャー状となっている。当業者であれば、このテクスチャー状特徴部２１０は側壁３１５に沿って任意の望ましい形状および／または分布となってもよいことが理解できるはずである。一実施例では、テクスチャー状特徴部３２０の特性長さのスケールは、散乱導波管３００に入力されるコヒーレント光の波長よりも大きくなるように選択されている。この実施例では、前方のＭｉｅ散乱が圧倒的である。側壁３１５のフレアはコヒーレント光が散乱導波管３００によって送信および／または散乱されたときに形成される干渉パターンにおける別の複雑な構造となる側壁３１５のテクスチャー状により、ガイドされた光のモードによる分岐を生じさせ得る。従って、散乱光の分布はコヒーレント光のコヒーレント長さにあまり影響されないので、モデル化がより容易である。しかしながら、散乱導波管３００を使って形成される暗号化鍵は図２Ａ〜Ｂに示される散乱導波管２００を使って形成される暗号化鍵よりも多少安全性が低くなり得る。

図４は、画像捕捉および処理システム４００の一実施例を概念的に示す。この図示された実施例では、画像捕捉および処理システム４００は光検出器４０５を含む。例えばこの光検出器４０５はＣＣＤ検出器、すなわちカメラ、フォトダイオードアレイなどでよい。光検出器４０５は上部に複数の感光性素子４１０が分布した表面を有する。例えばＣＣＤ検出器は複数の電荷結合デバイスを含み、フォトダイオードアレイは複数の感光ダイオードを含むことができる。光検出素子４１０を本明細書ではピクセル４１０と称す。各ピクセル４１０は、ピクセル４１０に入射、またはその近くに入射する光の強度を示す信号を発生できる。

１つ以上のピクセル４１０に、またはその近くに入射する光の強度を示す信号の１つ以上に、画像捕捉モジュール４１５がアクセスできる。一実施例では、画像捕捉モジュール４１５は、点線のボックス４２０が示すように、選択された複数のピクセル４１０が発生する信号にアクセスする。例えば光検出器４０５が７２０ピクセル×４８０ピクセルの寸法を有するＣＣＤカメラである場合、画像捕捉モジュール４１５は５１２ピクセル×５０ピクセルの寸法を有するサブセット４２０からの情報にアクセスできる。次に画像捕捉モジュール４１５は選択されたサブセット４２０内のピクセル４１０が提供する強度情報に基づき、強度４３０のプロット４２５を形成する。例えば強度４３０は、サブセット４２０の５１２秒の各々における５０個のピクセルにわたって平均化された５１２個の強度に対応する５１２個の強度の値を含むことができる。

一実施例では、画像プロセッサ４３５は、強度４３０に基づき、乱数を形成する。例えば画像プロセッサ４３５は、５１２個の強度と、乱数４４５の５１２バイト４４０とを関連付けできる。次にビット４４０のうちの１つに関連した強度がスレッショルド４５０よりも低ければ、ビット４４０の値を「０」にセットし、ビット４４０に関連する強度がスレッショルド４５０よりも大きければ、ビット４４０の値を「１」にセットする。当業者であれば、このスレッショルドの値は、設計事項にすぎないことが理解できるはずである。更に本発明は、スレッショルドを使った乱数４４５の決定だけに限定されない。別の実施例では、検出器４０５が検出した光に基づき、所望する態様で乱数４４５を形成できる。５１２個のバイトを含む実施例では、１０^７の数よりも多い乱数スペースを単一のデバイスによってカバーできる。

検出器４０５、画像捕捉モジュール４１５および画像プロセッサ４３５は、図４に示された画像捕捉および処理システム４００内の別個の要素として示されているが、当業者であれば本発明はこのように限定されないことが理解できるはずである。別の実施例では、検出器４０５、画像捕捉モジュール４１５および画像プロセッサ４３５は、それ以上多いか、少ない、別個の要素として構成できる。更に画像捕捉および処理システム４００内には、図を明瞭にするため、図４には示されていない別の要素を含むことができる。当業者であれば、別の実施例は、検出器４０５、画像捕捉モジュール４１５および画像プロセッサ４３５の一部を、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせで実現できることが理解できるはずである。例えば画像捕捉および処理システム４００は、ＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）画像捕捉および処理アルゴリズムを実現するソフトウェアを含むことができる。

図５は、散乱光に基づき、乱数を形成する方法５００の一実施例を概念的に示す。図示されている実施例では、散乱導波管の配置が（５０５で）選択されている。一実施例では、散乱導波管の直線方向および／または回転角方向の配置を制御するのに可動光学的マウントを使用できる。例えば散乱導波システムが６３３ｎｍのコヒーレント光を使用している場合、散乱導波管を少なくとも１０マイクロラジアンだけ回転することによって乱数を発生できる。これとは異なり、約５〜１０ミクロンだけ、入射コヒーレント光の伝搬方向を横断するように散乱導波管を変位させてもよい。

（５１０）にて散乱導波管にコヒーレント光を与え、散乱導波管によって散乱された光に（５１５で）アクセスする。例えばレーザーによって（５１０で）コヒーレント光を提供し、上で詳細に説明したように、ＣＣＤ検出器またはフォトダイオードアレイのような検出器を使って（５１５で）散乱光にアクセスできる。アクセスした散乱光に基づき（５２０で）乱数暗号化鍵のような乱数を形成する。当業者であれば、（５２０で）形成される乱数を、例えば相互相関化尺度または相対的エントロピー尺度によって形成されるような統計的意味におけるランダムと見なすことができると理解できるはずである。

上記本発明の実施例を使用して形成された乱数暗号化鍵のような乱数は、乱数を形成するための従来技術よりも多数の利点を有することができる。乱数発生システムの物理的作動パラメータ、例えばコヒーレント光の入射角、コヒーレント光の波長などを変えることにより、多くの暗号化鍵を定めるのに、単一の散乱導波管を使用できる。散乱導波管に基づく乱数発生用システムは、多数の散乱のカスケード特性に起因し、本来的に反転できないものでもある。従って、公知の鍵への攻撃の危険性を解消または低減できるよう、散乱導波管の構造をリバースエンジニアリングすることが極めて困難または不可能である。このように発生された暗号化鍵は、現在の通信インフラストラクチャにおいて使用される対照的な鍵暗号化方式にも適している。更に、意図する用途に応じて散乱サイトが同じように分布する大きいファミリーの導波管または単一のユニークなパターン化されたデバイスを製造できる。

散乱導波管の構造に対する多重散乱の感受性によって、別の暗号化鍵セキュリティを提供できる。例えば最小限の物理的な不正操作でも、デバイスの性能を大幅に変え、デバイスを効果的に破壊し、デバイスを通信ネットワークから外し得る。更に、要求時に乱数暗号化鍵を発生し、アクティブなメモリに暗号化鍵を記憶する必要性を解消または低減できる。アクティブメモリ内に乱数暗号化鍵を発生する技術を表示する情報を記憶する必要性も低減できる。従って、敵対者がこの情報にアクセスする可能性も低減できる。

図６〜８は、ガイド層にわたって散乱ピラーがランダムに分散されたスラブ導波管を含む乱数発生器の一実施例の作動を概念的に示す。当業者であれば、図６〜８を参照して説明した実施例は、本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではないと理解できるはずである。

図６Ａおよび６Ｂは、単結晶シリコン基板に構成された対称的なポリマー製のスラブ導波管の一実施例を概念的に示す。図６Ａは、導波管の広角図を示し、図６Ｂは、導波管のクローズアップ図を示す。導波管はコア層６１５内に形成された、ランダムに分散された複数の散乱ピラー６１０を備える。図示された実施例では、導波管のクラッド層（図示せず）およびコア層６１５は、ダウコーニグ社の光パターン化可能な光学的材料ＯＥ５９９３（低屈折率）およびＯＥ５９９３（高屈折率）からそれぞれ形成されている。ここで、ＯＥ５９９３の低屈折率組成物は、光学的希釈剤を含む。導波管の各層を、逐次スピンコーティングし、Ｑｕｉｎｔｅｌ Ｑ−７０００マスクアライナーを使って（必要なように）パターン化し、ウェットエッチングプロセスで現像する。クラッド層、すなわちＯＥ５９９３（低屈折率）は、ｎ＝１．５１の屈折率および約２０μｍの厚みを有する。コア層、すなわちＯＥ５９９３（高屈折率）は、ｎ＝１．５３の屈折率および約２〜４μｍの厚みを有する。コア層６１５内の散乱ピラー６２０の材料は、クラッド層と同じである。

図６Ａ〜Ｂに示される散乱ピラー６１０を形成するために、ベンチマークテクノロジー社による仕様に従って製造されたリソグラフィーマスクカスタムを使って感光性ポリマー内に円形ビアをパターン形成し、次にコア材料からエッチングする。これらビアをクラッド材料ＯＥ６０６１でバックフィルし、頂部クラッド層をスピンコーティングし、構造全体をプレナー状にする。

個々の散乱導波管はサイズが１ｃｍ×１ｃｍであり、各導波管は約６５０本の散乱ピラー６１０を含む。導波管のコア層６１５内にパターン形成された６５０本の散乱ピラー６１０の分布および寸法は、所定のパラメータ値内に正常にランダムに分布している。これらピラーの直径は２５０〜３５０μｍの範囲であった。ピラー位置の中心はピラーのエッジが理節するピラーのエッジおよびデバイスのエッジから最低５μｍとなるように限定された。ダイヤモンドのこぎりを使って個々に１ｃｍ×１ｃｍの散乱導波管をダイシングし、エンド面で８°の角度の光学的仕上げとなるように研磨した。

これら導波管は６３２．８ｎｍで作動するヘリウム−ネオンレーザーを使用することを特徴としていた。光学的−機械式マウントに導波管を取り付け、組み合わせで自由度を６にし、サンプルを照射するようにヘリウム−ネオンレーザーを使用した。導波管の開口数にほぼ一致する０．２５の開口数を有する１０倍の顕微鏡用対物レンズを使用し、レーザーからのコリメート化された光を導波管に端面結合した。ワーテック社のＷＡＴ−２０２Ｂ ＣＣＤカメラおよびイメージプロプラスの４．５．１ソフトウェアを用いて、導波管から出た散乱光の画像を形成した。

図７Ａは、散乱光のＣＣＤ画像７００の一例を示し、図７Ｂは、ＣＣＤ画像７００を使って決定された散乱光の強度の垂直方向に平均化されたプロット７１０を示す。図示されている実施例では、図７Ａ内の垂直軸線はＣＣＤ上の垂直ピクセル位置に対応し、水平軸線はＣＣＤ上の水平方向のピクセル位置に対応する。より明るいピクセルは、より強い強度の散乱光を示し、より暗いピクセルは比較的弱い強度の散乱光を示す。図７Ｂ内の垂直軸線は、水平方向のピクセル位置に対応する水平軸方向の特定ピクセル幅（バンド）の光強度に対応する。この強度は、図７Ｂにおいて任意の単位で測定したものである。垂直方向の平均は、一部のピクセルレベルのノイズを除去するように働く。図７Ｂに示されたこの分布は、散乱導波管の構造および実験パラメータ、例えばレーザービームとの整合によって決定される。

ＭＡＴＬＡＢ７．１を使用して書き込んだカスタムコードを使用して散乱光の捕捉画像、例えば図７Ａ〜Ｂに示された画像を処理することによって暗号化鍵を発生した。暗号化鍵の発生を実証するために、散乱光の未処理のＣＣＤ画像をビットマップとしてＭＡＴＬＡＢに導入した。後述するように画像をフィルタにかけ、ほぼガウス分布する乱数のストリングを抽出し、暗号化鍵を形成し、これを２進数に変換する。簡単なテキストラインのユーザーインターフェースを使用して、暗号化すべきメッセージを入力し、このメッセージも２進数に変換する。実証化のために、暗号化鍵による簡単なビットごとにＸＯＲ演算を実行することによってメッセージを暗号化した。同じ演算パラメータのもとで発生させた同一の暗号化鍵を使って、メッセージの暗号を解読した。

図８Ａおよび８Ｂは、直線方向の位置および回転角方向の位置のそれぞれの関数としての相互相関係数を示す。双方の図の垂直軸線は、相関化の値を任意の単位で示し、図８Ａの水平軸線はミリメートルを単位とする直線方向の位置を示し、図８Ｂの水平軸線は、ミリラジアンを単位とする回転角方向の位置を示す。入射レーザービームに対する散乱導波管の直線方向の位置および回転角方向の向きを操作することにより、整合に対する導波管の感度、潜在的な暗号化鍵スペースのサイズの定量化および再整合並びに繰り返し測定に対する散乱光パターンの一貫性の特徴を定めることが可能となった。整合による散乱光の感度をテストするために、導波管を５μｍの増分量だけ直線方向にシフトし、０．０５°（〜０．８７ミリラジアン）の増分量だけ、入射端面を中心として回転した。強度分布の相互相関性は、それぞれ約２５μｍおよび５ミリラジアンでゼロ相関性を示した。従って、単一入射波長に対し、１ｃｍ×１ｃｍの単一の散乱導波管により、約１０^６の相関性のないパターンを発生できる。

わずかな機械的不整合に対する散乱光パターンの感受性および乱れのような環境的要因は、これらノイズソースを除去するための望ましいある種のフィルタリングを行うことができる。図示された実施例では、この目的のために一次元のガウスウェーブレットマルチスケールフィルタを使用する。このフィルタの核は次のとおりである。

ここで、ｇ＝信号によってたたみ込むべきフィルタ核であり、
ｎは屈折率であり、
ｘ＝空間座標であり、
Ｃ＝正規化定数であり、
σ＝ガウス包絡線の標準偏差であり、
ｆ＝フィルタの中心周波数である。

１オクターブの周波数ステップでステッピングする繰り返しフィルタとしてフィルタを使用し、周波数領域において一定の１オクターブのバンド幅を提供するように標準偏差を選択する。かかる状態で、ピクセルレベルのノイズおよび小さい不整合に起因するばらつきを除き、システムパラメータの所定の組による所定の乱数を繰り返し発生できるようにする。本明細書の開示に利害を有する当業者であれば、本発明は一次元のガウスウェーブレットマルチスケールフィルタだけに限定されないことが理解できるはずである。別の実施例では、望ましいフィルタまたはフィルタリング技術を使用できる。

本発明は、当業者に明らかな、異なるが同等な態様で発明を変形し、実施できるので、これまで開示した特定の実施例は単に説明のためのものに過ぎない。更に、特許請求の範囲に記載したもの以外に、図示した構造の細部について限定を意図するものではない。従って、これまで説明した特定の実施例は変形または変更が可能であり、かかる変形のいずれも、本発明の要旨の範囲内と見なされることは明らかである。従って、本明細書において求める保護範囲は特許請求の範囲に記載されている。

本発明に係わる乱数暗号化鍵のような乱数を発生するためのシステムを概念的に示す。 本発明に係わる散乱導波管の第１実施例の側面図を概念的に示す。 本発明に係わる散乱導波管の第１実施例の上から見た平面図を概念的に示す。 本発明に係わる散乱導波管の第２実施例を概念的に示す。 本発明に係わる画像捕捉および処理システムの一実施例を概念的に示す。 本発明に従い、散乱光に基づき、乱数を形成する方法の一実施例を概念的に示す。 本発明に従い、単結晶シリコン基板上に構成された対称的なポリマー製のスラブ導波管の一実施例を概念的に示す。 本発明に従い、単結晶シリコン基板上に構成された対称的なポリマー製のスラブ導波管の一実施例を概念的に示す。 散乱光のＣＣＤ画像の一例を示す。 散乱光の強度の垂直方向に平均したプロットを示す。 直線上の位置の関数としての相互相関性の係数を示す。 回転角方向の位置の関数としての相互相関性の係数を示す。

Claims (30)

1. コヒーレント光を発生するための光源と、
   前記コヒーレント光を受け、散乱光を発生するための散乱導波管とを備え、
   前記光源と前記散乱導波管の相対的位置は可変であり、
   更に散乱光に基づき少なくとも１つの乱数を形成するための検出器を備える装置。
2. 前記光源は、レーザーを含む、請求項１記載の装置。
3. 前記光源と前記散乱導波管との間に配置された端面カップリング、回折格子カップリングおよびプリズムカップリングのうちの少なくとも１つを含む、請求項２記載の装置。
4. 前記散乱導波管は、単一モードのプレーナー状導波管を含む、請求項１記載の装置。
5. 前記単一モードのプレーナー状導波管は、
   第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上方に形成された第１コア層と、
   前記第１コア層の上方に形成された第２クラッド層とを備える、請求項４記載の装置。
6. 前記第１コア層内に形成された複数の散乱ピラーを備える、請求項５記載の装置。
7. 前記散乱ピラーと、前記第１および第２クラッド層とは、同じ材料から構成されている、請求項６記載の装置。
8. 前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は前記コア層の屈折率に対して選択された屈折率の比を有する、請求項６記載の装置。
9. 前記導波管の温度を制御することによって、前記コアおよび前記クラッド層の屈折率を調節できる、請求項７記載の装置。
10. 前記導波管を横断する電界を変えることにより、前記コア層の屈折率を調節できる、請求項７記載の装置。
11. 前記散乱導波管は、テクスチャー状の側壁を有するフレア導波管を備える、請求項１記載の装置。
12. 前記散乱導波管に入射する光の角度を変えることができる、請求項１記載の装置。
13. 前記光源および散乱導波管の直線方向の相対的位置を変えることができる、請求項１記載の装置。
14. ６までの運動自由度を有する複数の運動光学的マウントを備える、請求項１記載の装置。
15. 前記検出器は、ＣＣＤカメラおよびフォトダイオードアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の装置。
16. 前記検出器は、前記ＣＣＤカメラまたはフォトダイオードアレイによって捕捉された画像を示す情報にアクセスするための画像プロセッサを含む、請求項１５記載の装置。
17. 前記画像プロセッサは、前記ＣＣＤカメラまたはフォトダイオードアレイによって捕捉された画像を示す情報に基づき乱数を形成する、請求項１６記載の装置。
18. 光源と散乱導波管との相対的位置を選択するステップと、
    前記光源を使用して前記散乱導波管にコヒーレント光を提供するステップと、
    前記散乱導波管によって散乱された光を受けるステップと、
    前記散乱された光に基づき乱数を形成するステップとを備えた方法。
19. 相対的位置を選択する前記ステップは、前記散乱導波管の回転位置を選択することを含む、請求項１８記載の方法。
20. 相対的位置を選択する前記ステップは、前記光源と前記散乱導波管との相対角方向の配置を選択することを含む、請求項１８記載の方法。
21. 相対的位置を選択する前記ステップは、前記光源と前記散乱導波管の端面との相対角方向の配置を選択することを含む、請求項１８記載の方法。
22. 相対的位置を選択する前記ステップは、前記光源および前記散乱導波管の直線方向の相対的位置を選択することを含む、請求項１８記載の方法。
23. コヒーレント光を提供する前記ステップは、レーザーを使用してコヒーレント光を発生することを含む、請求項１８記載の方法。
24. コヒーレント光を受ける前記ステップは、端面カップリング、回折格子カップリングおよびプリズムカップリングのうちの少なくとも１つを介してコヒーレント光を受けることを含む、請求項１８記載の方法。
25. コヒーレント光を受ける前記ステップは、複数の散乱ピラーを含む散乱導波管を使用してコヒーレント光を受けることを含む、請求項１８記載の方法。
26. コヒーレント光を受ける前記ステップは、テクスチャー状の側壁を有するフレア状導波管を含む散乱導波管を使用してコヒーレント光を受けることを含む、請求項１８記載の方法。
27. コヒーレント光を受ける前記ステップは、ＣＣＤカメラまたはフォトダイオードアレイのうちの少なくとも１つを使用してコヒーレント光を受けることを含む、請求項１８記載の方法。
28. 乱数を形成する前記ステップは、前記ＣＣＤカメラまたは前記フォトダイオードアレイによって捕捉された画像を示す情報にアクセスすることを含む、請求項２７記載の方法。
29. 乱数を形成する前記ステップは、前記ＣＣＤカメラまたは前記フォトダイオードアレイによって捕捉された画像を示す情報に基づき乱数を形成することを含む、請求項２８記載の方法。
30. 光源と散乱導波管との相対的位置を選択する手段と、
    前記光源を使用して前記散乱導波管にコヒーレント光を提供する手段と、
    前記選択された場所の散乱導波管によって散乱された光を受ける手段と、
    前記散乱された光に基づき乱数を形成する手段とを備えた装置。