基于SFP收发一体的量子随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于SFP收发一体的量子随机数发生器，包括：SFP，具有发射光信号的出射端，接收光信号的入射端以及输出数字信号的输出端；干涉装置，用于接收SFP出射端的光信号，经干涉后发送至SFP入射端，将激光相位的随机性转换为强度的随机性；FPGA，用于对SFP输出端的数字信号进行数字采集和后处理，最终生成量子随机数。本发明专利技术中，将现有技术中的光源部分以及经干涉后的探测部分进行了整合，采用一体化结构的SFP，利用SFP内置的DFB激光器光源发射光信号，经干涉后利用SFP的入射端接收，并在SFP内部进行相应的光电转换以及模数转换处理，再经由输出端将数字信号发送给FPGA；整体上简化了产品结构，有利于提高集成度、减小体积。

A quantum random number generator based on SFP transceiver

The invention discloses a quantum random number generator, SFP transceiver based on SFP, including: with emission light signal output end, the output end of the incident and the digital signal output terminal of the receiving optical signal; interference device for optical signal receiving SFP output end, the interference is sent to SFP incident end the random laser phase transformation, for stochastic intensity; FPGA, digital acquisition and postprocessing for digital signal on the output of the SFP, the generated quantum random number. In the invention, the light source in the prior art, the detection part after interference were integrated by the integrated structure of SFP optical signal emitted by DFB laser light source in SFP, by using SFP interference after the entrance end of the receiver, and a corresponding photoelectric conversion and analog digital conversion in SFP, then the output end of the digital signal sent to FPGA; the product structure is simplified, is conducive to improve the degree of integration, reduce the volume.

【技术实现步骤摘要】
基于SFP收发一体的量子随机数发生器
本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于SFP收发一体的量子随机数发生器。
技术介绍
随机数在现代社会的很多领域具有重要应用，在博彩、身份认证、科学计算、密码系统等一系列重要领域，高质量的随机数是不可或缺的。现有的主流随机数生成方案基于计算机软件，其在种子文件(一组随机数)的基础上通过数学函数来生成一系列新的随机数数。此类随机数一般被称为赝随机数，因为本质上其不具有任何随机性。赝随机数的广泛应用得益于其几乎为零的成本以及相关程序可以简单应用到各实际应用场景中。但是正由于其本质的非随机性，在任何安全相关的领域内应用赝随机数将面临巨大的风险，尤其在当今计算机运算能力飞速跃进的时代。因此在安全领域内应用真随机数将极大提高系统的安全性。传统上，除去上述赝随机数亦可通过测量经典物理噪声源来获取随机数，例如电路热噪声。但是经典物理学理论中并不存在任何随机性，经典物理噪声源的随机性源于系统的复杂性而非其本征具有任何随机性，因此基于此的随机数不能被称为真随机数。而且此类物理源随机数生成速率偏慢，统计特性不佳，因而从未被大规模使用。在物理学中，量子力学理论是本征包含随机性的，因此通过测量量子物理学现象将可以得到真随机数，这也是目前得到真随机数的唯一途径。一般将基于量子物理学现象的随机数发生器称为量子随机数发生器，而自被提出以来，量子随机数发生器也在不断地发展。基于激光相位随机涨落的量子随机数发生器被认为是最接近于市场化的量子随机数方案。其方案简洁，采用的器件皆为通用光学器件因而成本经济，同时生成随机数的速率可以高达几十Gbps且系统稳定可靠。基于安全性的考虑，赝随机数被量子随机数取代将是一个必然的趋势。参见图1，现有技术中基于激光相位随机涨落的量子随机数发生器的工作过程为：1.外置的DFB激光器发出连续激光。2.激光进入干涉装置进行干涉。3.利用光电探测模块对干涉后的激光进行测量。4.FPGA的数据采集模块对测量得到的电信号进行数字采样以得到原始的随机数。5.原始随机数通过后处理模块得到量子随机数。6.生成的量子随机数通过端口输出到相应随机数使用设备。量子随机数发生器是量子信息领域的重要的基本器件，由于该技术为新兴领域，因此现有主要研发以及关注方向是量子随机数发生器工作的稳定性以及量子随机数的生成速率，但在结构简化、降低成本、以及小型化方面缺少相关研究，这阻碍了量子随机数发生器的进一步推广及应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种结构简化，体积更小的量子随机数发生器。一种基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，包括：SFP，具有发射光信号的出射端，接收光信号的入射端以及输出数字信号的输出端；干涉装置，用于接收SFP出射端的光信号，经干涉后发送至SFP入射端，将激光相位的随机性转换为强度的随机性；FPGA，用于对SFP输出端的数字信号进行数字采集和后处理，最终生成量子随机数。本专利技术中，将现有技术中的光源部分以及经干涉后的探测部分进行了整合，采用一体化结构的SFP，利用SFP内置的DFB激光器光源发射光信号，经干涉后利用SFP的入射端接收，并在SFP内部进行相应的光电转换以及模数转换处理，再经由输出端将数字信号发送给FPGA；整体上简化了产品结构，有利于提高集成度、减小体积、降低设备成本。作为优选，所述SFP包括光发射装置，以及光接收和处理装置；所述光发射装置采用DFB激光器；光接收和处理装置包括对信号依次处理的光测量装置、跨阻放大器和限幅放大器，其中光测量装置基于PIN光电二极管形式或基于APD光电二极管形式。作为优选，还设有与所述FPGA连接以输出量子随机数的端口输出模块。端口输出模块例如可以采用网口、USB接口、光口等形式。就SFP以及FPGA本身而言，可以采用现有技术，在本专利技术随机数发生器中为了适应SFP的结构特点，针对干涉装置进行了改进，作为优选，所述干涉装置为分束器，该分束器包括两入射端以及相应的两出射端，其中：第一入射端通过第一光纤与SFP出射端相连；第一出射端通过第二光纤与第二入射端相连；第二出射端与SFP入射端相连，来自第一入射端和第二入射端的光信号经干涉后由该第二出射端输出至SFP入射端；在所述第一光纤和第二光纤中的至少一者配置有延时光纤。可选的，所述第一出射端为与第一入射端相应的反射光输出端，所述第二出射端为与第一入射端相应的透射光输出端。本方案中，仅仅采用一个分束器就可以完成与SFP之间的光信号传递以及干涉，产品结构进一步精简。在其他干涉装置的方案中，作为优选，所述干涉装置包括两个分束器，其中SFP出射端输出的光信号经由第一分束器分为两路，其中一路经延时后与另一路均输入第二分束器并发生干涉，干涉后至SFP入射端。在其他干涉装置的方案中，作为优选，所述干涉装置包括环形器、分束器以及两个法拉第旋转镜，其中：环形器第一端口连接SFP出射端；环形器第二端口输出的光信号经分束器分为两路，分别进入对应的一个法拉第旋转镜，且其中至少一路配置有延时光纤；各法拉第旋转镜反射后的光信号沿原光路返回经所述分束器合束干涉，再依次经由环形器第二端口、环形器第三端口输出至SFP入射端。作为优选，干涉装置中的分束器均为保偏分束器，干涉装置中使用的光纤均为保偏光纤。本专利技术技术效果为：1.利用SFP自身的DFB激光器作为光源，从而无需外置DFB激光器，精简了结构，节约了成本。2.SFP体积小，本身技术成熟，有利于进一步减小量子随机数发生器的体积，同时提高系统稳定性。附图说明图1为现有技术中量子随机数发生器的结构示意图；图2本专利技术量子随机数发生器的结构示意图；图3为SFP的结构示意图；图4为实施例1中随机数发生器的结构示意图；图5为实施例2中随机数发生器的结构示意图；图6为实施例3中随机数发生器的结构示意图。具体实施方式参见图2，本专利技术实施例中量子随机数发生器包括：SFP，具有发射光信号的出射端，接收光信号的入射端以及输出数字信号的输出端；其兼具光源/探测功能。干涉装置，用于接收SFP出射端的光信号，经干涉后发送至SFP入射端；FPGA，用于接收SFP输出端的数字信号并生成量子随机数。FPGA内部可分为数据采集模块以及后处理模块；端口输出模块，与后处理模块相连，后处理模块产生的量子随机数经由端口输出模块(如网口、USB接口、光口等)输入后续的随机数使用设备。参见图3，SFP主要由两大部分构成：光发射装置，以及光接收和处理装置。光发射装置包含相应的光源和驱动电路；光接收和处理装置主要包括光测量装置(光电转换)、跨阻放大器(放大电信号)和限幅放大器(模数转换)。光发射装置优选为DFB激光器(分布反馈式激光器)，DFB激光器是进行干涉的理想光源；光测量装置优选基于PIN光电二极管或APD光电二极管(雪崩式光电二极管)形式。实施例1参见图4，本实施例中的量子随机数发生器在图1的原理基础上进一步细化了干涉装置，其中干涉装置采用具有四个端口的分束器，分束器优选采用保偏分束器且方案中的所需的光纤选用保偏光纤。以下结合工作过程进一步叙述干涉装置具体构造以及连接关系。量子随机数发生器工作时，包括：1.给SFP的Tx端口加一个固定的电平，使SFP内置的DFB激光器经其出射端发出稳定的连续激光。2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，包括：SFP，具有发射光信号的出射端，接收光信号的入射端以及输出数字信号的输出端；干涉装置，用于接收SFP出射端的光信号，经干涉后发送至SFP入射端，将激光相位的随机性转换为强度的随机性；FPGA，用于对SFP输出端的数字信号进行数字采集和后处理，最终生成量子随机数。

【技术特征摘要】
1.一种基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，包括：SFP，具有发射光信号的出射端，接收光信号的入射端以及输出数字信号的输出端；干涉装置，用于接收SFP出射端的光信号，经干涉后发送至SFP入射端，将激光相位的随机性转换为强度的随机性；FPGA，用于对SFP输出端的数字信号进行数字采集和后处理，最终生成量子随机数。2.如权利要求1所述的基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，所述SFP包括光发射装置，以及光接收和处理装置；所述光发射装置采用DFB激光器；光接收和处理装置包括对信号依次处理的光测量装置、跨阻放大器和限幅放大器，其中光测量装置基于PIN光电二极管形式或基于APD光电二极管形式。3.如权利要求1所述的基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，还设有与所述FPGA连接以输出量子随机数的端口输出模块。4.如权利要求1所述的基于SFP收发一体的量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉装置为分束器，该分束器包括两入射端以及相应的两出射端，其中：第一入射端通过第一光纤与SFP出射端相连；第一出射端通过第二光纤与第二入射端相连；第二出射端与SFP入射端相连，来自第一入射端和第二入射端的光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，朱伟，
申请(专利权)人：浙江神州量子网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33