[发明专利]一种光学微腔高速物理随机码发生器

说明书

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

技术领域

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

背景技术

随机码在蒙特卡洛模拟，人工神经网络，抽样统计等科学计算方面有着广泛的应用，尤其在保密通信领域，安全可靠的随机码关系到国家安全，金融稳定，商业机密及个人隐私等多个方面。

根据香农的“一次一密”理论，为实现绝对安全的保密通信就需要大量的、码率不低于通信速率的随机码，且需要保证随机码的不可预测性。利用算法可以产生高速的“伪”随机码，但它的长度有限、可以被预测，无法保证所加密信息的绝对安全性，采用自然界随机现象作为物理熵源，可产生无限长度、不可预测的物理随机码，又称真随机码，但受限于传统物理熵源的带宽，码率为Mbit/s 量级，距离现代通信速率有很大差距 。

混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机码的方法可使随机数码率获得大幅提升，但目前产生混沌激光的方法，大多都是利用半导体激光器及外部分立光学元件搭建而成的（外腔长都在几米到几十米），体积庞大、结构复杂、易受外界环境的影响、输出不稳定，距离实际系统的应用需求尚有差距。随着通信网络的快速发展和通信速率的急剧增长，当前真随机码发生器正朝着集成化和芯片化发展，高速随机码发生器的光子集成问题的解决迫在眉睫。

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

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

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

发明内容

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