一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器制造技术

本发明专利技术属于保密通信领域，公开了一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，包括半导体激光器、光纤耦合器、平衡探测器和随机数提取装置，所述半导体激光器为单片集成的互耦合四区半导体激光器，所述光纤耦合器具有两个输入端和两个输出端，所述半导体激光器的两个出射端分别连接至所述光纤耦合器的两个输入端；所述光纤耦合器的两个输出端通过光纤连接至所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至随机数提取装置。本发明专利技术具有结构简单，体积小巧的特点；且由于采用集成封装，对外部环境扰动不敏感，可以实现高速的物理随机数提取。

A high speed physical random number generator based on monolithic integrated chaotic laser

【技术实现步骤摘要】
一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器
本专利技术属于保密通信领域，具体涉及一种基于单片集成的混沌激光器的高速物理随机数发生器。
技术介绍
随机数及其发生器在科学研究和日常生活中至关重要，例如在保密通信领域，随机数经常作为通信的密钥。根据Shannon提出的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足：（1）密钥的长度应不短于明文的长度；（2）密钥是完全随机的；（3）每个密钥只能使用一次，即密钥不能重复使用，因此在安全通信中的加密与解密过程将会依赖于大量、优质的随机数和高码率的随机数发生器。物理随机数由于具有不可再现和无周期的特性在众多的应用领域发挥着重要的作用。物理随机数的产生主要依赖于自然界的随机现象。基于实际器件的热噪声的物理随机数发生器产生随机数的码率较低（通常只有Mbit/s），而且需要大功率宽带的噪声放大器，使得随机数发生器的成本升高，难以实用化；基于量子光学过程实现的物理随机数发生器（US2007/0127718A1和CN1558581A）通常需要复杂的单光子探测技术，受限于探测装置的限制，此种方法所产生的随机数速率也仅有Mbit/s；基于各种电路（CN1420431A和CN101477450A和CN1588304A）或振荡器(CN101162998A和CN1573681A和CN10290566A)实现的物理随机数受电路硬件的带宽限制，其所产生的随机数码率为Mbit/s量级。可见，在上述的产生物理随机数的方案中，随机数产生的速率较低为其主要的不足。基于上述问题，太原理工大学的研究者于2007年提出基于混沌激光的物理随机数发生器及其产生方法（CN101079615A），利用半导体激光器在适当条件下可产生80%能量带宽达数吉赫兹的混沌激光，并将所产生的混沌激光通过光电探测器转换为电信号，进行处理得到物理随机数输出。日本学者采用与上述专利（CN101079615A）相同的原理实现1.7Gbit/s的物理随机数的输出（NaturePhotonics,2(12):728-732,2008）。之后，利用外光注入的光反馈半导体激光器实现混沌激光带宽增强的方案被提出并使物理随机数的产生速率提升至2.87Gbit/s（ChineseOpticsLetters,9(3):62-64，2011）。在上述报道的物理随机数发生器中，基于混沌激光的物理随机数发生器中的混沌激光源大多使用商用的半导体激光器，这意味着需要使用占据较大空间的光学平台来搭建相应的物理随机数发生器系统，而且混沌源的输出特性容易受到环境因素的影响，从而影响物理随机数发生器所产生随机数的质量。因此，体积小巧、输出稳定的光子集成混沌激光器成为当前混沌激光研究领域中的一个重要方向。近年来，光子集成混沌激光器由于具有上述的优良特性，成为物理随机数发生器中的一种可靠熵源。在现有的基于光子集成混沌激光器的物理随机数发生器均采用光反馈模型的混沌激光芯片作为熵源，其典型结构由分布反馈式（DFB）激光器区、增益放大区、一端镀有高反膜的无源波导和其它元件组成（OpticsExpress,18(18):18763-18768,2010和PhysicalReviewA,83(3):031803,2011和OpticsExpress,22(10):11727,2014和OpticsExpress,25(6):6511-6523,2017）。所述的光反馈模型的混沌激光芯片中，DFB激光器区输出端和镀有高反膜端面之间（通常包含放大区和无源波导区）的距离等效为激光器芯片的外腔长度，由于激光器芯片中放大区的长度相对固定（通常为几百微米），而无源波导区的长度则可相对灵活地调节（通常从1mm至10mm不等），因此无源波导的长度将决定光反馈模型的混沌激光芯片的外腔长度，从而对光子集成激光器的输出动态产生重要的影响：一方面，当所述的无源波导的长度较短（约为1mm至2.5mm）时，光反馈模型的混沌激光芯片难以产生混沌激光；另一方面，当所述的无源波导的长度较长（约大于3mm或更长）时，光反馈模型的混沌激光芯片可产生较为复杂的混沌激光输出（IEEEPhotonicsJournal,9(2):1-12,2017），但此时所产生的混沌激光存在外腔反馈时延特征，从而降低所产生的随机数的随机性。因此，现有的基于集成混沌激光器的物理随机数发生器中的混沌激光芯片通常需采用长达10mm的外腔，并需增加异或后续处理，从而增加了产生物理随机数方法的复杂度。此外，基于光反馈模型单片集成混沌激光器的物理随机数发生器，混沌激光由结构类似于分离器件的外腔反馈半导体激光器的激光器芯片产生，其80%能量的带宽一般为十吉赫兹左右，且弛豫振荡特征明显，频谱不平坦，从而在一定程度上限制了基于混沌激光器芯片的物理随机数的随机数产生速率。总结上述已报道的基于光子集成混沌激光器的物理随机数发生器方案，可以发现，现有随机数发生器所使用的光子集成混沌激光芯片均以光反馈的方法产生混沌激光且混沌激光器芯片的输出特性受到无源波导区长度的限制，而且基于光反馈模型的混沌激光器芯片所产生的带宽通常仅有十吉赫兹左右且频谱不平坦，也会在一定程度上限制随机数发生器产生随机数的速率。
技术实现思路
针对目前基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器中混沌激光芯片存在的结构单一、混沌输出特性受外腔长度影响和混沌激光带宽较低、频谱不平坦的技术问题，本专利技术提供一种基于单片集成的互耦合半导体激光器的高速物理随机数发生器。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，包括半导体激光器、光纤耦合器、平衡探测器和随机数提取装置，所述半导体激光器为单片集成的互耦合四区半导体激光器，所述光纤耦合器具有两个输入端和两个输出端，所述半导体激光器的两个出射端分别连接至所述光纤耦合器的两个输入端；所述光纤耦合器的两个输出端通过光纤连接至所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至随机数提取装置；所述半导体激光器用于从两个出射端同时输出两路无时延特征的宽带混沌激光信号至光纤耦合器，光纤耦合器用于对混沌激光信号进行拍频后将其分为强度相等的两路混沌激光信号后通过光纤发送至平衡探测器，平衡探测器用于对拍频后的两路混沌激光信号进行平衡探测；随机数提取装置用于处理平衡探测信号，并生成高速物理随机数。所述半导体激光器包括两个分布反馈激光器区、相位区和放大区，所述两个分布反馈激光器区位于两侧，相位区和放大区设置在两个分布反馈激光器区之间，其中，两个分布反馈激光器区为刻有相同周期光栅结构的有源波导，放大区为无光栅结构的有源波导，相位区为无光栅结构的无源波导。所述半导体激光器的结构包括掺杂n型InP衬底，其上依次设置有n-InP缓冲层、InGaAsP下限制层、多量子阱增益层、InGaAsP上限制层、p-InP盖层和p-InGaAs接触层，所述多量子阱增益层的两端设置分别有第一有源波导和第二有源波导，中间设置有无源波导；所述InGaAsP上限制层的上表面上两端刻有周期和长度相同的光栅结构，所述光栅结构的位置分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，其特征在于，包括半导体激光器（1）、光纤耦合器（2）、平衡探测器（3）和随机数提取装置（4），所述半导体激光器（1）为单片集成的互耦合四区半导体激光器，所述光纤耦合器（2）具有两个输入端和两个输出端，所述半导体激光器（1）的两个出射端分别连接至所述光纤耦合器（2）的两个输入端；所述光纤耦合器（2）的两个输出端通过光纤（5）连接至所述平衡探测器（3）的两个输入端，所述平衡探测器（3）的输出端连接至随机数提取装置（4）；所述半导体激光器（1）用于从两个出射端同时输出两路无时延特征的宽带混沌激光信号至光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）用于对混沌激光信号进行拍频后将其分为强度相等的两路混沌激光信号后通过光纤发送至平衡探测器（3），平衡探测器（3）用于对拍频后的两路混沌激光信号进行平衡探测；随机数提取装置（4）用于处理平衡探测信号，并生成高速物理随机数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，其特征在于，包括半导体激光器（1）、光纤耦合器（2）、平衡探测器（3）和随机数提取装置（4），所述半导体激光器（1）为单片集成的互耦合四区半导体激光器，所述光纤耦合器（2）具有两个输入端和两个输出端，所述半导体激光器（1）的两个出射端分别连接至所述光纤耦合器（2）的两个输入端；所述光纤耦合器（2）的两个输出端通过光纤（5）连接至所述平衡探测器（3）的两个输入端，所述平衡探测器（3）的输出端连接至随机数提取装置（4）；所述半导体激光器（1）用于从两个出射端同时输出两路无时延特征的宽带混沌激光信号至光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）用于对混沌激光信号进行拍频后将其分为强度相等的两路混沌激光信号后通过光纤发送至平衡探测器（3），平衡探测器（3）用于对拍频后的两路混沌激光信号进行平衡探测；随机数提取装置（4）用于处理平衡探测信号，并生成高速物理随机数。


2.根据权利要求1所述的一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，其特征在于，所述半导体激光器（1）包括两个分布反馈激光器区（1a）、相位区（1b）和放大区（1c），所述两个分布反馈激光器区（1a）位于两侧，相位区（1b）和放大区（1c）设置在两个分布反馈激光器区（1a）之间，其中，两个分布反馈激光器区（1a）为刻有相同周期光栅结构的有源波导，放大区（1c）为无光栅结构的有源波导，相位区（1b）为无光栅结构的无源波导。


3.根据权利要求2所述的一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，其特征在于，所述半导体激光器（1）的结构包括掺杂n型InP衬底（1-1），其上依次设置有n-InP缓冲层（1-2）、InGaAsP下限...

【专利技术属性】
技术研发人员：王龙生，毛晓鑫，贾志伟，王安帮，王云才，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14