JP4950924B2 - カオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置とその方法と、そのプログラムと記録媒体 - Google Patents

Description

この発明は、例えば暗号分野や大規模な数値計算に必要とされる真の乱数を高速で生成するためのカオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置と、その方法とそのプログラムと記録媒体に関する。

真の乱数を生成する方法としては、原子核の自然崩壊現象を用いた方法（特許文献１参照）や、半導体の熱雑音を用いた方法（特許文献２参照）等があった。これらの方法は、何れも良好な一様乱数の生成が可能であるが、乱数の生成速度が例えば４０〜１０００ｃｐｓ（cycle/second）と低速であった。

高速に乱数を生成する従来の超高速物理乱数生成装置の機能構成例を図３８に示して、その動作を簡単に説明する（特許文献３参照）。従来の超高速物理乱数生成装置３８０は、乱数生成用のランダムパルス生成素子１と、第１回路の前置増幅器３と、主増幅器４と、波高弁別器５と、波形整形器６と、第２回路の前置増幅器２３と、主増幅器２４と、波高弁別器２５と、波形整形器２６と、共通の１ビット乱数生成器７と、を備え、更に切り替え用のランダムパルス生成素子２と、前置増幅器３と、主増幅器４と、波高弁別器５と、波形整形器６と、アドレス変換器８とを備えている。

ランダムパルス生成素子１は、乱数生成用として１個の光放射ダイオード（以降、「ＬＥＤ」と称する）光源１１及び２個のアバランシェＰＴＮダイオード１２と増殖型ＰＩＮダイオード１３が一組となっている。切り替え用のランダムパルス生成素子２は、１個の光源１４と１個のＰＩＮダイオード１５が一体となっている。

１個のＬＥＤ光源１１からの光子塊は、増殖型ＰＩＮダイオード１２または増殖型ＰＩＮダイオード１３に択一的にランダムに入射する。増殖型ＰＩＮダイオード１２,１３で生成された小電力の電気の塊は、各増殖型ＰＴＮダイオード１２,１３自体で１００倍に増殖された後、前置増幅器３，２３と主増幅器４，２４とで更に増幅され、数ボルトの電圧信号となる。主増幅器４，２４からの電圧信号は、波高弁別器５，２５でノイズと分離され波形整形器６，２６で矩形のパルス信号となる。この矩形のパルス信号が、１ビット乱数生成器７に入力されて１ビットの乱数が生成される。その１ビット乱数の生成速度は、毎秒１０Ｍ〜１００Ｍビットである。
特開平１１−１８４６７６号公報 特開２００１−７５７８２号公報 特開２０００−２７６３２９号公報（図１）

しかし、特許文献３に開示された方法では、ＬＥＤ光源１１からの毎秒１０の７乗以上の光子塊を検出して高速パルスを生成するために、高速で動作可能な増殖型ＰＩＮダイオード１２，１３を必要とする。ただ、一般的な増殖型ＰＩＮダイオードを単純に用いただけでは、光子塊の検出は困難である。例えばフォトダイオードを冷却する等の特殊な工夫を必要とする。このように従来技術においては、例えば暗号分野で必要とされる毎秒１Ｇビット以上の速度で物理乱数を生成する方法及び生成装置を、容易に実現することが出来なかった。また、その速度も最大で毎秒１００Ｍビット程度であった。

この発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、真の乱数を、毎秒１Ｇビット以上の速度で簡単に生成するのに用いるカオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置と、その方法と、プログラムと記録媒体を提供することを目的とする。

この発明のカオスレーザ発振器は、レーザと、レーザの注入電流を制御する注入電流制御部と、外部鏡と光フィルタを備えた外部共振器とから成る複合共振レーザである。そして、外部共振器における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、２値乱数を生成するクロック周波数に対して非整数比に設定される。また、複合共振レーザの出力光強度信号の中心周波数が、クロック周波数以上で、且つ、クロック周波数に対して非整数比に設定される。また、複合共振レーザの出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅の高低が、振幅の調整幅の２５ｄＢ以下に設定され、複合共振レーザの出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態に設定される。

また、この発明の超高速物理乱数生成装置は、上記したカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部と、光検出部と、周期クロック発生部と、しきい値処理部とを具備する。光検出部は、レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する。周期クロック発生部は、周期クロックを発生する。しきい値処理部は、周期クロックのタイミングで光検出部が出力する交流電気信号を２値乱数信号に変換する。

この発明のカオスレーザ発振器は、出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態の複合共振レーザを出力する。また、この発明の超高速物理乱数生成装置は、カオスレーザ発振器が発生するカオス状態の複合共振レーザを乱数の信号源として用いることで、毎秒当たり１Ｇビット〜１００Ｇビットの超高速物理乱数の生成を可能にする。その構成も簡単であり容易に毎秒１Ｇビット以上の速度で２値乱数信号を生成する超高速物理乱数生成装置が実現出来る。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

この発明のカオスレーザ発振器の一例であるカオスレーザ発振器１００の機能構成例を図１に示す。カオスレーザ発振器１００は、レーザ１０１と、注入電流制御部１０２と、レンズ１０３と、ビームスプリッター（Beam Splitter、以降「ＢＳ」と称する）１０４と光減衰フィルタ１０５と外部鏡１０６とを備えた外部共振器１０８と、から成る複合共振レーザである。

複合共振レーザの出力光強度信号は、ＢＳ１０４で分割されアイソレータ（Isolator、以降「ＩＳＯ」と称する）１０７を通じてファイバカプラー（Fiber Coupler、以降「ＦＣ」と称する）１０９に注入され外部に出力される。このカオスレーザ発振器１００の構成は、従来からある複合共振レーザと変るところはない。カオスレーザ発振器１００は、複合共振レーザの出力光強度信号を生成するための、注入電流制御部１０２や外部共振器１０８や光減衰フィルタ１０５の設定条件に特徴がある。

その条件設定の方法を図２を参照して説明する。まず初めに２値乱数を生成するクロック周波数を設定する（ステップＳ５０３）。クロック周波数については、詳しくは後述する。次に、注入電流制御部１０２を調整して出力光強度信号の中心周波数を、クロック周波数よりも高くなるように設定する（ステップＳ１０２）。出力光強度信号の中心周波数は、注入電流の許す範囲内及びカオス生成が実現可能な範囲内で、クロック周波数よりも高く設定するのが望ましい。

次に、反射鏡１０６を設置して戻り光がある状態にし、外部共振器１０８における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、クロック周波数に対して非整数比になるように設定する（ステップＳ１０８）。このようにして設定された出力光強度信号のＲＦスペクトルの一例を図３（ａ）に示す。ＲＦはRadio Frequencyを略したものであり、出力光強度信号の周波数成分に相当し、光周波数とは異なることを意味する。図３（ａ）の横軸は周波数[ＧＨｚ]であり、縦軸はパワー[ｄＢｍ]である。出力光強度信号は、２．６２ＧＨｚを中心周波数として約７５ＭＨｚの外部共振周波数のＲＦスペクトルが重畳した信号である。この特性は、光通信用ＤＦＢ半導体レーザ（型番NLK1555CCA）を用いて、注入電流値を１２.０ｍＡ、外部共振器長が２.０ｍの条件で得られた。

図３（ａ）を拡大したのが図３（ｂ）である。横軸と縦軸の関係は図３（ａ）と同じである。約７５ＭＨｚ間隔で発生する外部共振周波数のＲＦスペクトルが確認できる。出力光強度信号を時間軸で観測した結果を図３（ｃ）に示す。横軸は時間[ｎｓ]であり、縦軸は強度である。出力光強度信号の強度がカオス的に振動している様子が分かる。このカオス的時間振動波形のある時刻を基準として、自己相関係数の変化を計算した結果を図３（ｄ）に示す。横軸はある時刻を基準とした遅延時間[ｎｓ]であり、縦軸は自己相関係数の値である。０は無相関、１は完全相関（同じ波形）、−１は位相が反転している波形であることを表わす。出力光強度信号の中心周波数２．６２ＧＨｚに相当する遅延時間０.３８ｎｓと、外部共振周波数７５ＭＨｚに相当する遅延時間１３.３ｎｓの自己相関係数が大きくなる特性を示す。

ここで、時間軸方向に乱数を生成するのに図３（ｄ）に示す特性を利用することを考えると、乱数を生成する時間間隔における自己相関係数の値が０（無相関）であれば良いことが分かる。つまり、例えば毎秒１Ｇビットの２値乱数を生成しようとした場合、１ｎｓ間隔で図３（ｄ）の自己相関係数を見て行くことと同じである。したがって、外部共振周波数はクロック周波数の非整数倍の値に設定した方が、クロック周波数と自己相関係数が大きくなるタイミングが同期し難くなり、無相関な乱数を実現できる。また、中心周波数とクロック周波数との関係も同様の理由で非整数倍の関係に設定した方が良い。

外部共振周波数で決まる出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅の大きさが、２値乱数の品質に影響するので、ＲＦスペクトルの振幅と乱数品質との関係の検討を行った。出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅を、光減衰フィルタ１０５で変化させた結果を図４に示す。図４の横軸は周波数[ＧＨｚ]、縦軸はＲＦスペクトルのパワー[ｄＢｍ]である。図４（ａ）は光減衰フィルタ１０５の透過率を２６.８％に、図４（ｂ）は３３.４％、図４（ｃ）は４１．６％にしたときの出力光強度信号のＲＦスペクトルである。このようにＲＦスペクトルの振幅を可変して、後述する実施例３の超高速物理乱数生成装置で２値乱数列を生成し、その乱数を乱数検定した。乱数検定は、米国商務省標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology)が提唱するNIST SP800-22を用いた。

乱数検定結果を表１に示す。

NIST SP800-22の試験項目は全部で１５項目ある。合格数が多いほど乱数の品質が良いことを意味する。表１に示すＮＩＳＴ合格数は、総じて少ないが、ここでは透過率に対する合格数の変化に注目する。透過率が２６.８％と３３.４％の間で合格数がやや大きく変化する傾向が見て取れる。これをＲＦスペクトルの振幅で見ると４２ｄＢと２４.３ｄＢの間である。このことから出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅を、２５ｄＢ以下に設定すればより良い品質の乱数が得られることが分かる。ｄＢ値は、ＲＦスペクトルの調整幅の最大振幅に対する値である。

このように実施例１に示したカオスレーザ発振器は、詳しくは後述するが超高速で２値乱数を生成する超高速物理乱数生成装置の乱数発生源として用いることが出来る。

更に高速な乱数生成のためのカオスレーザ発振器の他の実施例を、カオスレーザ発振器５００として図５に示す。カオスレーザ発振器５００は、実施例１で説明したカオスレーザ発振器である第１レーザ５０１と第２レーザ５０２と、それぞれを温度制御する温度制御部５０３，５０４を備え、第２レーザ５０２に第１レーザ５０１の出力光強度信号が注入され、第２レーザの出力光強度信号が外部に出力されるように構成される。第１レーザ５０１の出力光強度信号は、ＩＳＯ５０１ａとＢＳ５０２ａを介して第２レーザ５０２に注入される。温度制御部５０３は第１レーザ５０１を、温度制御部５０４は第２レーザ５０２の温度を、例えば０.０１℃程度の分解能の精度で温度制御して波長の安定を図る。

第１レーザ５０１と第２レーザ５０２のそれぞれは、実施例１で説明した方法で設定されている。その上で両者の関係は次のように設定される。その条件設定のフローを図６に示して説明する。第１レーザ５０１と、第２レーザ５０２の外部共振周波数とを非整数比に設定する（ステップＳ６０）。非整数比に設定する理由は、上記した自己相関係数が大きくなるタイミングに、クロック周波数が同期し難くするためである。第１レーザ５０１の外部共振周波数を、例えば１０７ＭＨｚに、第２レーザ５０２のそれを２４５ＭＨｚに設定する。それぞれの外部共振周波数は、外部共振器の長さで調整出来る。第１レーザ５０１の出力光強度信号の中心周波数と、第２レーザ５０２の出力光強度信号の中心周波数を、それぞれ６ＧＨｚ程度に設定する（ステップＳ６１）。このとき、両者の中心周波数は一致しないように非整数比になるように設定する。また、実施例１に示したように、第１レーザ５０１と第２レーザ５０２の出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅の高低が、上記振幅の調整幅の２５ｄＢ以下になるように設定する。

そうして、第２レーザ５０２に第１レーザ５０１の出力光強度信号を注入する（ステップＳ６２）。この際、第２レーザ５０２の波長は、第１レーザの出力光強度信号を注入した際に、第２レーザの出力光強度信号のＲＦスペクトルの周波数軸方向の幅が、第１レーザ５０１の出力光強度信号が未注入のときよりも広くなるような値に設定する。例えば、第１レーザ５０１の波長を第２レーザ５０２の波長よりも短く設定して注入同期が発生しないようにする。波長の制御は、温度制御部で各レーザ５０１と５０２の温度を変えることで行う。この場合、第１レーザ５０１の温度を制御する温度制御部５０３は、第２レーザ５０２の波長よりも短くなるように第１レーザ５０１の温度を制御する。

このようにして設定された第２レーザ５０２の出力光強度信号のＲＦスペクトルの一例を図７（ａ）に示す。図７（ａ）の横軸は周波数[ＧＨｚ]であり、縦軸はパワー[ｄＢｍ]である。５.８８ＧＨｚと１２.０６ＧＨｚの２つのピークが確認出来る。これは、第２レーザ５０２の出力光強度信号の中心周波数約６ＧＨｚに対して、第１レーザ５０１の出力光強度信号が注入されることにより、第２レーザ５０２の周波数帯域が１２.０６ＧＨｚまで拡大されたことを示している。

図７（ａ）の４〜６ＧＨｚの範囲を拡大した特性を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）の縦軸と横軸は図７（ａ）と同じである。第１レーザ５０１の外部共振周波数の１０７ＭＨｚと、第２レーザ５０２の外部共振周波数２４５ＭＨｚのＲＦスペクトルが確認出来る。

このように周波数帯域が拡大された出力光強度信号を、時間領域で観測した結果を図８に示す。図７の縦軸と横軸は、上記した図３（ｃ）と同じであり、横軸が時間[ｎｓ]、縦軸は強度である。図３（ｃ）と比較すると、周波数帯域が広がった分、カオス的時間振動波形の周波数も高くなっている。したがって、カオスレーザ発振器５００は、より高速な２値乱数列を生成する用途に利用することが可能になる。

このカオス的時間振動波形のある時刻を基準として、時間軸方向の自己相関係数を計算した結果を図７（ｃ）と（ｄ）に示す。横軸はある時刻を基準とした遅延時間[ｎｓ]であり、縦軸は自己相関係数の値である。図７（ｄ）は、図７（ｃ）の時間軸を拡大したものである。０は無相関、１は完全相関（同じ波形）、−１は位相が反転している波形であることを表わす。外部共振器の光の往復時間（外部共振周波数の逆数）に相当する自己相関係数が、大きくなる特性を示す。第２レーザ５０２の外部共振周波数２４５ＭＨｚと、第１レーザ５０１の外部共振周波数１０７ＭＨｚに相当する遅延時間４.１ｎｓと９.３ｎｓの自己相関係数が大きくなっている。時間軸を拡大した図７（ｄ）では、周波数帯域が拡大された両端のピーク周波数の１２ＧＨｚと５．８ＧＨｚに相当する遅延時間０．０８ｎｓと０.１７ｎｓの自己相関係数が大きくなっていることが分かる。そこで例えば、２値乱数を生成するクロック周波数を２.５ＧＨｚに設定すれば、０.４ｎｓ未満の領域の自己相関係数の増大の影響を受けなくて済む。

このように、実施例２に示したカオスレーザ発振器５００の生成するカオス的時間振動波形の周波数は、実施例１のカオスレーザ発振器１００よりも高く設定することが可能であることから、より高速な超高速物理乱数生成装置に利用可能である。以降、実施例１と２で説明したカオスレーザ発振器を用いた超高速物理乱数生成装置の実施例を示して説明する。

図９にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置９００の機能構成例を実施例３として示す。その動作フローを図１０に示す。超高速物理乱数生成装置９００は、レーザ発振部９０１と、光検出部９０２と、周期クロック発生部９０３と、しきい値処理部９０４を備える。周期クロック発生部９０３としきい値処理部９０４は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるコンピュータで実現しても良い。または、各機能構成部を個々にハードウェアで実現しても良い。以降に説明する各装置についても同様である。

レーザ発振部９０１は、実施例１又は２で説明済みのカオスレーザ発振器である。レーザ発振部９０１の出力する出力光強度信号は、カオス状態にあり、その振幅が乱雑変動する（ステップＳ９０１、図３（ｃ）参照）。その乱雑変動する出力光強度信号は、光検出部９０２において、交流電気信号に変換される（ステップＳ９０２）。周期クロック発生部９０３は、交流電気信号を２値乱数信号に変換するタイミングを決定する周期クロックを発生する（ステップＳ９０３）。しきい値処理部９０４は、周期クロックのタイミングで交流電気信号を２値乱数信号に変換する（ステップＳ９０４）。

しきい値処理部９０４が、交流電気信号を２値乱数信号に変換する様子の一例を図１１に示す。図１１の横軸は時間[ｎｓ]であり、左縦軸は強度、右縦軸はディジタルビットの値を示す。光検出部９０２の出力する交流電気信号は、直流成分が除去されて、しきい値処理部９０４に入力される。交流電気信号に重ねて図示している●が、周期クロックの例えば立ち上がりのタイミングを表わす。しきい値処理部９０４は、●の時点での交流電気信号が、例えば正であればディジタルビットを“１”に、負であればディジタルビットを“０”にして出力する。その結果、図１１に示すように“１”と“０”の時間幅が、周期クロックの周期の整数倍の間隔で乱雑に変動する２値乱数信号列が出力される。

図１１に示す例では、０基準で交流電気信号をディジタルビットに変換したが、その基準、つまり、しきい値を調整することで２値乱数列の０の出現頻度が約５０％になるようにする。しきい値と０頻度との関係を図１２に示す。図１２の横軸はしきい値を電圧[Ｖ]で、縦軸は０頻度を[％]で示す。図１２は０．００８Ｖの分解能で０頻度が調整出来ることを示している。０の出現頻度が５０％に最も近づくように、しきい値電圧を調整する。このようにして得られた２値乱数の乱数としての品質の評価については、後述する乱数評価結果で説明する。

高品質の乱数を必要とする場合は、しきい値処理部９０４の出力する２値乱数列に、更に乱数一様化処理を施しても良い。図９に乱数一様化処理部９０５を破線で示す。乱数一様化処理部９０５の一具体例を図１３に示す。乱数一様化処理部９０５は、シフトレジスタ（以降、「ＳＦ」と称する）１３１，１３２，１３３と、排他的論理和手段１３４とを備える。ＳＦ１３１にしきい値処理部９０４からの２値乱数列が入力され、シフトクロックを周期クロックとして、ＳＦ１３１〜１３３が順番に直列に接続され、各ＳＦ１３１，１３２，１３３の出力信号と２値乱数列との排他的論理和が、排他的論理和手段１３４で計算される。各ＳＦ１３１，１３２，１３３のシフトビット数は、素数として出力側から小さい順に並べる。つまり、ＳＦ１３３のシフトビット数をτ_１＝３、ＳＦ１３２のシフトビット数をτ_２＝５、ＳＦ１３１のシフトビット数をτ_３＝７とする。

乱数一様化処理部９０５の動作タイムチャートを図１４に示す。しきい値処理部９０４から入力される２値乱数列を図１４に示す例とした場合、排他的論理和手段１３４は、ＥＸＯＲと表記する２値乱数列を出力する。乱数一様化処理は、一度生成された２値乱数信号列をずらして混ぜ合わせる考え方であり、２値乱数信号列をより乱雑にする効果が期待出来る。乱数一様化処理が、乱数の品質に与える効果については後述する。

なお、乱数一様化処理部９０５は、図１５のように構成しても良い。図１５に示す乱数一様化処理部９０５´は、ＳＦ１３１，１３２，１３３と、３つの排他的論理和手段１５１，１５２，１５３とを備え、最終出力の２値乱数列をそれぞれのＳＦ１３１〜１３３の入力にフィードバックするものである。基本的な考えは、図１３に示した乱数一様化処理部９０５と同じなので、詳しい説明は省略する。

図１６にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置１６０の機能構成例を実施例４として示す。その動作フローを図１７に示す。超高速物理乱数生成装置１６０は、レーザ発振部９０１と、光検出部９０２と、０レベル検出部１６１と、周期ディジタル信号発生部１６２と、サンプリング処理部１６３とを備える。レーザ発振部９０１と、光検出部９０２とは、上記した超高速物理乱数生成装置９００と同じである。

０レベル検出部１６１は、光検出部９０２が出力する交流電気信号の０点を検出する（ステップＳ１６１）。周期ディジタル信号発生部１６２は、レーザ発振部９０１の出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する（ステップＳ１６２）。サンプリング処理部１６３は、０レベル検出部１６１が交流電気信号の０点を検出したタイミングで周期ディジタル信号をサンプリングして２値乱数信号を出力する（ステップＳ１６３）。

以上の動作における各信号波形の一例を図１８に示す。図１８の横軸は時間[ｎｓ]、左縦軸は交流電気信号の強度、右縦軸は周期ディジタル信号の値を示す。図１８の上から、交流電気信号、周期ディジタル信号（ＣＬＫ）、２値乱数信号の信号波形を示す。２値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。図１８の交流電気信号は、上記したカオスレーザ発振器１００が生成した出力光強度信号である。その中心周波数は２.６２ＧＨｚであり、周期ディジタル信号の周波数はそれよりも高い５ＧＨｚに設定されている。出力光強度信号が０の時点を●で示す。そのときの周期ディジタル信号のディジタル値が２値乱数信号に変換される。周期ディジタル信号の周波数を、出力光強度信号の中心周波数よりも高く設定する理由は、サンプリング定理の逆の関係による。つまり、周期ディジタル信号の周波数が、出力光強度信号の中心周波数よりも低いと、出力光強度信号によって周期ディジタル信号の周期性が再生されてしまうからである。

超高速物理乱数生成装置１６０でも０レベル検出部１６１のしきい値を調整することで２値乱数信号列の０の出現頻度が約５０％になるようにする。しきい値と０頻度との関係を図１９に示す。図１９の横軸はしきい値を電圧[Ｖ]で、縦軸は０頻度を[％]で示す。しきい値電圧を調整して０の出現頻度が５０％に最も近づくようにする。この例では、しきい値を０.０４８Ｖに設定した。上記した超高速物理乱数生成装置９００のしきい値処理部９０４よりも、広い電圧範囲（０．０３〜０.０７Ｖ）で０の出現頻度を５０％に調整できることが分かる。

レーザ発振部９０１を上記した２個のレーザを用いたカオスレーザ発振器５００で構成した場合は、カオス的時間振動波形の周波数が高く出来るのでより高速に２値乱数信号列を生成することが可能になる。また、上記したように、２値乱数値の品質を向上する目的で、乱数一様化処理部９０５を更に設けても良い。

図２０にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置２００の機能構成例を実施例５として示す。動作フローを図２１に示す。超高速物理乱数生成装置２００は、レーザ発振部９０１と、光検出部９０２と、０レベル検出部１６１と、第２レーザ発振部２０１と、第２光検出部２０２と、サンプリング処理部１６３とを備える。超高速物理乱数生成装置２００は、上記した超高速物理乱数生成装置１６０の周期ディジタル信号発生部１６２を、第２レーザ発振部２０１と、第２光検出部２０２とに置き換えたものである。

第２レーザ発振部２０１は、実施例１又は２で説明済みのカオスレーザ発振器である。第２レーザ発振部２０１の出力するカオス状態の出力光強度信号は、光検出部２０２において、交流電気信号に変換される（ステップＳ２０２）。実施例５は、光検出部２０２が出力する交流電気信号を、サンプリング処理部１６３でサンプリングするようにしたものである。サンプリング処理は、０レベル検出部１６１が光検出部２０２の出力する交流電気信号の０レベルを検出したタイミングで行われる。

その様子を図２２に示す。図２２の横軸は時間[ｎｓ]、左縦軸はレーザ発振部９０１の出力する交流電気信号の強度、右縦軸は第２レーザ発振部２０１の出力する交流電気信号の強度を示す。図２２の上から、光検出部９０２が出力する交流電気信号、第２光検出部２０２が出力する交流電気信号、２値乱数信号の、各信号波形を示す。光検出部９０２が出力する交流電気信号に重ねて表記する●が、０レベル検出部１６１が検出する０レベルであり、このタイミングで第２光検出部２０２の出力する交流電気信号が２値乱数信号に変換される。そのタイミングにおける第２光検出部２０２の出力信号のレベルがしきい値（例えば０）以上であればディジタルビットは“１”に、しきい値未満であれば“０”に変換されて２値乱数信号列となる。２値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。

このように周期ディジタル信号発生部１６２をレーザ発振部２０１と光検出部２０２で構成しても、超高速物理乱数生成装置が実現可能である。

図２３にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置２３０の機能構成例を実施例６として示す。動作フローを図２４に示す。超高速物理乱数生成装置２３０は、レーザ発振部９０１と、光検出部９０２と、しきい値処理部９０４と、第２レーザ発振部２３１と、第２光検出部２３２と、しきい値処理部２３３と、周期クロック発生部９０３と、排他的論理和手段２３４とを備える。超高速物理乱数生成装置２３０は、上記した超高速物理乱数生成装置９００のレーザ発振部９０１〜しきい値処理部９０４の構成と同じ第２レーザ発振部２３１〜しきい値処理部２３３の構成を新たに設け、それぞれのしきい値処理部９０４，２３３が出力する２値乱数信号の排他的論理和を、排他的論理和手段２３４で取るようにしたものである。

ここでレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の一具体例を示す。各レーザは、光通信用ＤＦＢ半導体レーザ（型番NLK1555CCA）とし、それぞれの注入電流を１２.０ｍＡとした。レーザ発振部９０１の外部共振器長を２.０ｍ、第２レーザ発振部２３１の外部共振器長を１.４ｍに設定した。その結果、レーザ発振部９０１は、出力光強度信号の中心周波数が２.６２ＧＨｚで外部共振周波数７５.０ＭＨｚ、第２レーザ発振部２３１は、出力光強度信号の中心周波数が３.４２ＧＨｚで外部共振周波数１０８.０ＭＨｚとした。

レーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号のＲＦスペクトルを図２５に示す。横軸は周波数[ＧＨｚ]、縦軸はパワー[ｄＢｍ]である。図２５（ａ）はレーザ発振部９０１、図２５（ｂ）は第２レーザ発振部２３１の特性である。また、図２５（ｃ）と（ｄ）はそれぞれの周波数軸を拡大した特性を示す。図２６にそれぞれを時間領域で観測した特性と、自己相関係数を示す。図２６（ａ）と（ｃ）がレーザ発振部９０１の特性、図２６（ｂ）と（ｄ）が第２レーザ発振部２３１の特性である。このようにレーザ発振部９０１と、第２レーザ発振部２３１の外部共振周波数を非整数比に設定すると、上記して説明したように自己相関係数が大きくなるタイミングが同期し難くなるので無相関な乱数を生成できる。またレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号の中心周波数を非整数比に設定すると、同様の理由により無相関な乱数を生成できる。なお、レーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１を実施例２に示したカオスレーザ発振器で構成しても良い。

光検出部９０２と第２光検出部２３２は、上記した超高速物理乱数生成装置２００と同じもので良い。しきい値処理部９０４と２３２は、周期クロック発生部９０３の出力する周期クロックのタイミングで光検出部９０２と２３２が出力する交流電気信号を２値乱数信号に変換する（ステップＳ９０４とステップＳ２３３）。しきい値処理部９０４と２３３でそれぞれ変換された２値乱数信号は、排他的論理和手段２３４に入力されて１つの２値乱数信号列とされる（ステップＳ２３４）。その様子を図２７に示す。図２７（ａ）は交流電気信号を示す。図２７（ｂ）は図２７（ａ）の交流電気信号を同一時刻でディジタル値に変換した２値乱数信号を示す。横軸は時間[ｎｓ]、図２７（ａ）の縦軸は交流電気信号の強度、（ｂ）の縦軸はディジタルビットの値を示す。

図２７（ａ）に示す上の信号が光検出部９０２の出力する交流電気信号、下が第２光検出部２３２の出力する交流電気信号である。周期クロック発生部９０３の出力する周期クロック信号のタイミングを●で示してそれぞれの波形に重ねて表記する。●のタイミングの交流電気信号を２値乱数信号に変換した結果が図２７（ｂ）である。

図２７（ｂ）に示す上の信号が、光検出部９０２の出力する交流電気信号をしきい値処理部９０４で２値乱数信号に変換した信号であり、下が第２光検出部２３２の出力する交流電気信号をしきい値処理部２３３で２値乱数信号に変換した信号である。それぞれの交流電気信号のレベルがしきい値（例えば０）以上であればディジタルビットは“１”に、しきい値未満であれば“０”に変換されている。それぞれ変換された２値乱数信号は、排他的論理和手段２３４に入力されて、図２７（ｂ）の最下段に示すように１つの２値乱数信号列とされる。図２７（ｂ）に示す各２値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。

それぞれのしきい値処理部９０４，２３３が出力する２値乱数信号に対して排他的論理和手段２３４で排他的論理和を演算し、その出力である２値乱数信号の０の出現頻度が５０％になるようにしきい値を調整する。しきい値と０頻度との関係を図２８に示す。横軸はしきい値を電圧[Ｖ]で、縦軸は０頻度を[％]で示す。初めにしきい値処理部９０４を調整して、排他的論理和手段２３４の出力信号の０頻度を５０％に最も近くなるようにする（ステップＳ９０４）。その特性例が図２８（ａ）である。しきい値処理部９０４のしきい値を０.００８Ｖにすることで排他的論理和手段２３４が出力する２値乱数信号の０頻度を５０％に最も近づけて調整する。

次にしきい値処理部２３３を調整して、排他的論理和手段２３４の出力する０頻度の変化を計測した結果が図２８（ｂ）である。しきい値処理部９０４の調整感度約０.０５１％/０.００８Ｖ（図２８（ａ）参照）に対して、しきい値処理部２３３の調整感度は約０.０１２５％/０.００８Ｖと約４倍の感度を持つ。したがって、しきい値処理部が１個の場合よりも０頻度の調整が行い易い。また、高感度なのでしきい値の電圧調整分解能を高めることで、０頻度の調整を正確に行うことができる。図２８（ｂ）に示す例では、しきい値処理部２３３の調整分解能が０.００８Ｖである関係から、最終的な排他的論理和手段２３４の出力する０頻度を４９．９９６％に調整できた（ステップＳ２３３）。

このように実施例６の場合は、独立な２つのしきい値調整部９０４，２３３を有しているために、乱数性向上に必要な０頻度の調整の自由度を高められる効果が得られる。さらに、２系統のカオスレーザ発振部の出力信号を混ぜ合わせるのでより品質の高い乱数が得られる。実施例６の構成の超高速物理乱数生成装置２３０で生成された２値乱数信号の品質については後述する。

２系統のカオスレーザ発振部を利用する構成では、出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅の大きさが２値乱数の品質に影響する傾向も変ってくる。レーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅を、光減衰フィルタで変化させ、乱数検定方式NIST SP800-22の合格項目数の変化を見た結果を図２９に示す。図２９はレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の注入電流を１９ｍＡ一定として、それぞれの光減衰フィルタの透過率を１００〜２６.８％の範囲で可変した場合の合格項目数を示す。横方向はレーザ発振部９０１、縦方向は第２レーザ発振部２３１の透過率である。それぞれの透過率を４１.６％以上にすることで合格項目数が大きく増える特性を示す。この透過率を可変した場合のＲＦスペクトルの振幅の変化は、上記した図４と同じ特性であり、透過率が３３.４％の時のＲＦスペクトルの振幅が２４.３３ｄＢ、透過率４１.６％の時が１３.６７ｄＢである。したがって、２系統のカオスレーザ発振部を利用する構成では、それぞれのＲＦスペクトルの振幅を２０ｄＢ以下に設定すれば、より良い品質の２値乱数信号が得られることが分かる。

〔乱数評価結果〕
実施例３の超高速物理乱数生成装置９００を構成して得られた２値乱数信号の品質を評価した。光通信用ＤＦＢ半導体レーザ（型番NLK1555CCA）を用いて、注入電流値を１２.０ｍＡ、外部共振器長を２.０ｍ、周期クロック信号を１ＧＨｚとして毎秒１Ｇビットの速度で超高速物理乱数生成装置９００が生成した２値乱数信号列を可視化した図を図３０に示す。図３０は、２値乱数信号列の“０”を白、“１”を黒として５００×５００の２次元平面に単純に記載したものである。この図は乱数生成装置の品質を評価するものとして一般的に使用されるものである。白黒の模様に規則性が見られないのでランダム性の高い２値乱数信号列が生成されていることが分かる。

この２値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を図３１に示す。検定法としては１５項目あり、各検定法に対するp-valueの平均値とproportion値と検定結果を示している。p-valueは、真の乱数よりも乱数性が高い確率のことであり、０．０１以上で合格となる。proportion値は、p-valueの一様性を示しており、１Ｇビットのデータを乱数検定に用いる場合には０．９８０６から０．９９９４の範囲で合格となる。検定法の「ランク検定」と、「ランダム偏差検定」と、「種々のランダム偏差検定」と、「線形複雑度検定」の４項目が合格した。合格項目数が多いほど、良い品質の乱数であるといえるが、項目数が少なくても用途によって十分使用可能である。

２値乱数信号列に上記した乱数一様化処理を施すと、乱数列の品質を向上させることが出来る。その結果を図３２に示す。図３２（ａ）と（ｂ）は、図１３に一例を示して説明した乱数一様化処理部９０５のＳＦの段数を可変して、乱数検定方式NIST SP800-22の合格項目の変化を見た結果である。横軸はＳＦの段数、縦軸は評価項目合格数である。図３２（ａ）は図１５に示したフィードバック有りの乱数一様化処理の場合、図３２（ｂ）は図１３に示したフィードバック無しの場合である。どちらもＳＦの段数を４段以上にすることで、１５項目全てに合格することが分かる。

図３２（ｃ）と（ｄ）は、横軸をシフトビット数とした場合である。図３２（ｃ）はフィードバック有りの場合、図３２（ｄ）はフィードバック無しの場合である。フィードバック有りの場合は、シフトビット数を増加させれば合格項目数が増加する特性を示す。フィードバック無しの場合は、シフトビット数を単純に増やしただけでは、合格項目数が増加しない。ＳＦの段数を増やす方が効果的である。超高速物理乱数生成装置９００の構成の場合は、乱数検定方式NIST SP800-22による評価項目の全てに合格するためには乱数一様化処理が必要である。

また、実施例６の超高速物理乱数生成装置２３０を構成して得られた２値乱数信号の品質を評価した。上記した実験（実施例３の評価）と同じ光通信用ＤＦＢ半導体レーザ（型番NLK1555CCA）を用いた。レーザ発振部９０１の注入電流を１２.０ｍＡ、出力光強度信号の中心周波数を２.６２ＧＨｚ、外部共振器長を２.０ｍに設定した。また、第２レーザ発振部２３１の注入電流を１２．０ｍＡ、出力光強度信号の中心周波数を３．４２ＧＨｚ、外部共振器長を１.４ｍに設定した。周期クロック信号を１.０ＧＨｚとして毎秒１Ｇビットの速度で超高速物理乱数生成装置２３０が生成した２値乱数信号列を可視化した図を図３３に示す。図３３は、上記した図３０と同じ２値乱数信号列の“０”を白、“１”を黒として５００×５００の２次元平面に単純に記載したものである。

この２値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を図３４に示す。図３４は、上記した図３１と同じものである。全ての検定法に合格する結果が得られた。更に国際的に標準である検定方式としてフロリダ大学が提案しているDIEHARDがある。これは１８項目からなる乱数検定方式であり、NIST SP800-22と同じようにp-valueが計算される。DIEHARDで検定した結果を図３５に示す。図３５の横軸はp-valueであり、縦軸は評価項目番号である。各評価項目番号において、p-valueが０〜１の間に一様に分布していれば合格となる。１８項目全てに合格していることが分かる。このように超高速物理乱数生成装置２３０の構成の場合は、乱数一様化処理を用いずとも、乱数検定方式NIST SP800-22による評価項目の全てに合格するような高品質な乱数を生成できる。

ここでレーザ発振部９０１及び第２レーザ発振部２３１の外部共振器長を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を図３６に示す。横方向はレーザ発振部９０１、縦方向は第２レーザ発振部２３１の外部共振器長である。それぞれの外部共振器長が一致する対角線上の合格項目数が、少ないのが分かる。これはレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の外部共振器長が同じであると外部共振周波数がほぼ同じ値になり、周期クロック発生部９０３が生成するクロック周波数と、レーザ発振部の出力光強度信号の自己相関係数が大きくなるタイミングとが同期し易くなるためであると考えられる。また、それぞれの外部共振器長が整数比になるレーザ発振部９０１の外部共振器長２.８ｍと、第２レーザ発振部２３１の外部共振器長１.４ｍの組み合わせでも合格項目数が減少している。よって、それぞれの外部共振器長は非整数比に設定することが望ましいことが分かる。

次に、それぞれのレーザの注入電流値を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を図３７に示す。図３６と同じように横方向はレーザ発振部９０１、縦方向は第２レーザ発振部２３１の注入電流値である。外部共振器長と同じように、それぞれのレーザ発振部９０１，２３１の注入電流値が一致する対角線上の合格項目数が少ない特性を示す。これは、それぞれの注入電流値を同じ値に設定するとそれぞれの出力光強度信号の中心周波数同士が近い値となり、出力光強度信号の自己相関係数が大きくなるタイミングと周期クロック発生部９０３が生成するクロック周波数とが同期する確率が高くなるためだと考えられる。したがって、それぞれのレーザ発振部の注入電流の値も非整数比に設定した方が望ましい。

さらに実施例２のカオスレーザ発振器５００と実施例６の超高速物理乱数生成装置２３０を組み合わせることで、カオスレーザ発振器から１２ＧＨｚの周波数帯域を持つ出力光強度信号を作成し、毎秒３．１Ｇビットの速度で２値乱数生成を実現した。生成された乱数は、NIST SP800-22およびDIEHARDの乱数検定項目全てに合格することができた。

以上述べたように、この発明の超高速物理乱数生成装置によれば、毎秒１Ｇビット以上
の速度で２値乱数信号列を簡単に生成することが可能になる。なお、上記した実施例では
２値乱数信号の生成速度を毎秒１〜３.１Ｇビット程度の例で説明したが、この発明の超高速物理乱数生成装置を並列に接続することで、毎秒１００Ｇビット程度の生成速度も実現可能である。または、この発明のカオスレーザ発振器自体が生成するカオス発振状態の出力光強度信号の中心周波数を１００ＧＨｚ程度に設定しても良い。

また、上記した説明では２値乱数信号列を生成する例のみを示して説明したが、この発
明の技術思想はこの例に限定されない。この発明の考えに基づいて生成した２値乱数信号列を、一度メモリに記録した後に任意のビット長で読み出すことで、所望のビット長の乱数信号に変換することも可能である。

また、上記方法及び装置において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。

また、上記装置における処理手段をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、各装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）/ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ−ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

また、各手段は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

この発明のカオスレーザ発振器の一例であるカオスレーザ発振器１００の機能構成例を示す図。 カオスレーザ発振器１００の調整方法のフローを示す図。 カオスレーザ発振器１００の出力光強度信号の特性を示す図であり、（ａ）はＲＦスペクトルを示す、（ｂ）は（ａ）の周波数軸を拡大したＲＦスペクトルを示す、（ｃ）は出力光強度信号を時間軸で観測した波形を示す、（ｄ）は自己相関係数を示す図である。 カオスレーザ発振器１００の出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅を、光減衰フィルタ１０５で変化させた結果を示す図。 この発明のカオスレーザ発振器の一例であるカオスレーザ発振器５００の機能構成例を示す図。 カオスレーザ発振器５００の調整方法のフローを示す図。 カオスレーザ発振器５００の出力光強度信号の特性を示す図であり、（ａ）はＲＦスペクトルを示す、（ｂ）は（ａ）の周波数軸を拡大したＲＦスペクトルを示す、（ｃ）は自己相関係数を示す図であり、（ｄ）は（ｃ）の時間軸を拡大した波形を示す。 図７（ａ）の特性を時間軸で観測した波形を示す図。 この発明の超高速物理乱数生成装置９００の機能構成例を示す図。 超高速物理乱数生成装置９００の動作フローを示す図。 超高速物理乱数生成装置９００のしきい値処理部９０４が、交流電気信号を２値乱数信号に変換する様子の一例を示す図。 超高速物理乱数生成装置９００のしきい値処理部９０４のしきい値と０頻度との関係を示す図。 乱数一様化処理部９０５の機能構成例を示す図。 乱数一様化処理部９０５の動作タイムチャートの一例を示す図。 乱数一様化処理部の他の機能構成例を示す図。 この発明の超高速物理乱数生成装置１６０の機能構成例を示す図。 超高速物理乱数生成装置１６０の動作フローを示す図。 超高速物理乱数生成装置１６０の０レベル検出部１６１とサンプリング処理部１６３が、交流電気信号を２値乱数信号に変換する様子の一例を示す図。 超高速物理乱数生成装置１６０の０レベル検出部１６１のしきい値と０頻度との関係を示す図。 この発明の超高速物理乱数生成装置２００の機能構成例を示す図。 超高速物理乱数生成装置２００の動作フローを示す図。 超高速物理乱数生成装置２００の０レベル検出部１６１とサンプリング処理部１６３が、交流電気信号を２値乱数信号に変換する様子の一例を示す図。 この発明の超高速物理乱数生成装置２３０の機能構成例を示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０の動作フローを示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０のレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１のＲＦスペクトルを示す図であり、（ａ）はレーザ発振部９０１の出力光強度信号のＲＦスペクトルを示す図、（ｂ）は第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号のＲＦスペクトルを示す図、（ｃ）と（ｄ）はそれらの周波数軸を拡大した図。 超高速物理乱数生成装置２３０のレーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号を時間軸で観測した波形を示す図であり、（ａ）はレーザ発振部９０１であり、（ｂ）は第２レーザ発振部２３１であり、（ｃ）と（ｄ）はそれらの自己相関係数を示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０のしきい値処理部９０４と２３３と排他的論理和手段２３４の動作波形を示す図であり、（ａ）は交流電気信号を示す、（ｂ）はしきい値処理部と排他的論理和手段が出力するディジタルビットを示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０のしきい値処理部のしきい値と０頻度との関係を示す図であり、（ａ）はしきい値処理部９０４の特性を示す、（ｂ）はしきい値処理部２３３の特性を示す図。 レーザ発振部９０１と第２レーザ発振部２３１の出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅を、光減衰フィルタで変化させて乱数検定方式NIST SP800-22の合格項目数の変化を見た結果を示す図。 超高速物理乱数生成装置９００が生成した２値乱数信号列を可視化した図。 超高速物理乱数生成装置９００が生成した２値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を示す図。 超高速物理乱数生成装置９００が生成した２値乱数信号列に乱数一様化処理を施した場合の評価項目合格数を示す図であり、（ａ）はフィードバック有りのシフトレジスタの段数と合格数とを示す図、（ｂ）はフィードバック無しのシフトレジスタの段数と合格数とを示す図、（ｃ）は（ａ）のシフトビット数と合格数とを示す図、（ｄ）は（ｂ）のシフトビット数と合格数とを示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０が生成した２値乱数信号列を可視化した図。 超高速物理乱数生成装置２３０が生成した２値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を示す図。 超高速物理乱数生成装置２３０が生成した２値乱数信号列をDIEHARDで検定した結果を示す図。 レーザ発振部９０１及び第２レーザ発振部２３１の外部共振器長を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を示す図。 レーザ発振部９０１及び第２レーザ発振部２３１の注入電流値を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を示す図。 特許文献３に開示された従来の超高速物理乱数生成装置の機能構成を示す図。

Claims (12)

1. レーザと、
   上記レーザの注入電流を制御する注入電流制御部と、外部鏡と光減衰フィルタを備えた外部共振器とからなる複合共振レーザにおいて、
   上記外部共振器における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、２値乱数を生成するクロック周波数に対して非整数比に設定され、
   上記複合共振レーザの出力光強度信号の中心周波数が、上記クロック周波数以上で、且つ、上記クロック周波数に対して非整数比に設定され、
   上記複合共振レーザの出力光強度信号のＲＦスペクトルの振幅の高低が上記振幅の調整
   幅の２５ｄＢ以下に設定され、
   上記複合共振レーザの出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態に設定されて
   いることを特徴とするカオスレーザ発振器。
2. 請求項１に記載したカオスレーザ発振器である第１レーザと第２レーザと、それぞれを温度制御する温度制御部を備え、
   上記第１レーザと第２レーザは、上記第２レーザに上記第１レーザの出力光強度信号が注入されて上記第２レーザの出力光強度信号が外部に出力されるように構成され、
   上記第２レーザの外部共振周波数は、上記第１レーザの外部共振周波数に対して非整数比に設定され、
   更に、上記第２レーザの波長は、上記第１レーザの出力光強度信号を注入した際に、上記第２レーザの出力光強度信号のＲＦスペクトルの周波数方向の幅が、上記第１レーザの出力光強度信号を未注入のときよりも広くなるように設定されたことを特徴とするカオスレーザ発振器。
3. 請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部と、
   上記レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出部と、
   周期クロックを発生する周期クロック発生部と、
   上記周期クロックのタイミングで上記光検出部が出力する上記交流電気信号を２値乱数信号に変換するしきい値処理部と、
   を具備する超高速物理乱数生成装置。
4. 請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部と、
   上記レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出部と、
   上記交流電気信号の０点を検出する０レベル検出部と、
   上記出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する周期ディジタル信号発生部と、
   上記０点を検出したタイミングで上記周期ディジタル信号をサンプリングして２値乱数信号を出力するサンプリング処理部と、
   を具備する超高速物理乱数生成装置。
5. 請求項４に記載の超高速物理乱数生成装置において、
   上記周期ディジタル信号発生部が、上記請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成る第２レーザ発振部と、上記第２レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する第２光検出部とで構成されることを特徴とする超高速物理乱数生成装置。
6. 請求項１又は２に記載したカオスレーザ発振器から成る第１レーザ発振部と第２レーザ発振部と、
   上記第１と第２のレーザ発振部の出力光強度信号をそれぞれ第１と第２の交流電気信号に変換する第１光検出部と第２光検出部と、
   周期クロックを発生する周期クロック発生部と、
   上記周期クロックのタイミングで上記第１光検出部が出力する上記第１の交流電気信号を２値信号に変換する第１しきい値処理部と、
   上記周期クロックのタイミングで上記第２光検出部が出力する上記第２の交流電気信号を２値信号に変換する第２しきい値処理部と、
   上記第１しきい値処理部と、第２しきい値処理部の出力する上記２値信号の排他的論理和を出力信号とする排他的論理和手段と、
   を具備する超高速物理乱数生成装置。
7. 請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部が、カオス発振状態の出力光強度信号を発生するレーザ発振過程と、
   光検出部が、上記出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出過程と、
   周期クロック発生部が、周期クロックを発生する周期クロック発生過程と、
   しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記光検出部が出力する上記交流電気信号を２値信号に変換するしきい値処理過程と、
   を備える超高速物理乱数生成方法。
8. 請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部が、カオス発振状態の出力光強度信号を発生するレーザ発振過程と、
   光検出部が、上記出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出過程と、
   ０レベル検出部が、上記交流電気信号の０点を検出する０レベル検出過程と、
   周期ディジタル信号発生部が、上記出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する周期ディジタル信号発生過程と、
   サンプリング処理部が、上記０点を検出したタイミングで上記周期ディジタル信号をサンプリングして２値信号を出力するサンプリング処理過程と、
   を備える超高速物理乱数生成方法。
9. 請求項８に記載した超高速物理乱数生成方法において、
   上記周期ディジタル信号発生部を、第２レーザ発振部と第２光検出部とで構成し、
   上記周期ディジタル信号発生過程は、
   上記第２レーザ発振部がカオス発振状態の出力光強度信号を発生するステップと、
   上記第２光検出部が上記出力光強度信号を交流電気信号に変換するステップと、
   から成ることを特徴とする超高速物理乱数生成方法。
10. 請求項１又は２に記載のカオスレーザ発振器から成る第１レーザ発振部と第２レーザ発振部とが、それぞれカオス発振状態の出力光強度信号を発生するレーザ発振過程と、
    第１光検出部と第２光検出部とが、上記第１、第２のレーザ発振部の出力光強度信号をそれぞれ交流電気信号に変換する光検出過程と、
    周期クロック発生部が、周期クロックを発生する周期クロック発生過程と、
    第１しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記第１光検出部が出力する上記交流電気信号を２値信号に変換する第１しきい値処理過程と、
    第２しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記第２光検出部が出力する上記交流電気信号を２値信号に変換する第２しきい値処理過程と、
    排他的論理和手段が、上記第１しきい値処理部と、第２しきい値処理部の出力する上記２値信号の排他的論理和を出力信号とする排他的論理和過程と、
    を備える超高速物理乱数生成方法。
11. 請求項３乃至６の何れかに記載した超高速物理乱数生成装置の第１，第２レーザ発振部を含むレーザ発振部と、第１，第２光検出部を含む光検出部、以外の各部の機能をコンピュータで機能させるための装置プログラム。
12. 請求項１１に記載した何れかの装置プログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。

Images