高速随机数发生器

1.本公开涉及保密通信、安全加密、计算机仿真等技术领域，尤其涉及一种高速随机数发生器。


背景技术：

2.随机数被广泛应用在安全加密、保密通信与计算机仿真等领域。目前的随机数发生器主要包括伪随机数发生器和真随机数发生器。基于确定性算法生成的伪随机数具有周期性，在高速采集下可以被破解，基于光子噪声、热噪声和频率抖动等常规物理随机性熵源产生的真随机数随机性强，但产生速率低，仅有mbit/s量级。
3.近年来，用半导体混沌激光器产生的混沌信号作为熵源产生的随机数因随机性强，速率高而被广泛研究。但基于光注入、光反馈或光电反馈分立器件的半导体混沌激光器系统复杂，造成了基于它们搭建的随机数装置体积庞大，稳定性差。基于光反馈原理的集成混沌激光器实现了体积减小，但需要二次外延等复杂工艺，制作成本高，且受限于激光器的弛豫振荡频率，现有集成技术下混沌激光器的混沌带宽并不高，极大地限制了生成随机数的速率，而反馈引入的固有周期性也会降低混沌熵源的随机性，同样限制了随机数速率的提升。除此之外，混沌激光器产生的混沌信号，其强度分布存在一定的偏置问题，这会降低随机性，影响随机数速率的提升，需要额外的手段来改善强度对称性。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本公开提供了一种高速随机数发生器，以解决以上技术问题中的至少之一。
5.本公开提供一种高速随机数发生器，包括：微腔混沌激光器，用于在无外光注入、外光反馈或外光电反馈条件下，利用模式间相互作用产生大频谱带宽的混沌光信号，其中，微腔混沌激光器为片上半导体自发微腔混沌激光器；光纤耦合器，用于将混沌光信号分束为第一光信号和第二光信号；延时光纤，用于对第一光信号进行延时，得到第三光信号；平衡探测器，用于对存在时间差的第二光信号和第三光信号进行平衡探测；随机数提取模块，用于对平衡探测的电信号进行量化处理，生成随机数序列。
6.根据本公开的实施例，微腔混沌激光器包括：半导体微腔，截面为正多边形或截面为弧边正多边形，用于形成光的全内反射，其中，半导体微腔为有源腔；孔，设于半导体微腔的内部，用于调控模式数量与模式间隔，孔为特定半径的孔，用于抑制高阶横模，调控模式数量，以利用腔内光光谐振效应，产生大频谱带宽的混沌光信号；环形电极窗口，位于半导体微腔的上端，与孔同轴，用于进行电流非均匀注入，实现模式的非线性相互作用，以产生混沌光信号；波导，与半导体微腔的外壁接触连接，用于定向输出混沌光信号。
7.根据本公开的实施例，半导体微腔的有源区结构为量子阱或量子点结构。
8.根据本公开的实施例，在半导体微腔的截面为弧边正多边形的情况下，弧边正多边形的尺寸满足以下关系：
[0009][0010]
其中，a为弧边正多边形内接正多边形的边长，r为弧边半径，δ为弧边变形量。
[0011]
根据本公开的实施例，半导体微腔为正方形、六边形、八边形、弧边四边形、弧边六边形或弧边八边形结构。
[0012]
根据本公开的实施例，波导的出光口为解理面或者端面镀膜结构。
[0013]
根据本公开的实施例，孔的截面包括三角形、四边形、五边形、六边形、椭圆、圆结构。
[0014]
根据本公开的实施例，平衡探测器对存在时间差的第二光信号和第三光信号进行平衡探测，包括：平衡探测器用于对第二光信号进行探测得到第一电信号，对第三光信号进行探测得到第二电信号，并将第一电信号与第二电信作差得到电信号差。
[0015]
根据本公开的实施例，随机数提取模块为一位比较器或多位模数转换器。
[0016]
本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0017]
采用半导体微腔混沌激光器作为随机数产生的物理熵源，可在无需外光注入、外光反馈或外光电反馈条件下，产生自发混沌，没有外腔反馈时延峰，混沌信号质量高，有利于随机数生成速率的提升。且芯片级的混沌熵源结构简单，极大的简化了随机数系统。
[0018]
进一步地，通过在腔体中心刻蚀特定半径的孔，有效控制模式数量与模式间隔，利用光光谐振效应，实现了混沌带宽的极大提升，提高了随机数的生成速率。
[0019]
更进一步地，通过延时光纤和平衡探测器实现平衡探测，改善了混沌信号的强度分布对称性，可用于实现实时随机数的生成。
[0020]
此外，该多边形微腔混沌激光器，制作工艺简单，无需二次外延，无需复杂的有源无源集成技术，无需混合集成技术，成本低，降低了随机数装置的成本。
附图说明
[0021]
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0022]
图1示意性示出了本公开实施例提供的高速随机数发生器的系统结构图；
[0023]
图2示意性示出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器的平面结构示意图；
[0024]
图3示意性示出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器的三维结构示意图；
[0025]
图4示意性给出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器在孔取不同内径rin时仿真的模式q值与基模一阶模模式间隔δf的变化情况曲线图；
[0026]
图5示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器混沌态产生过程中历经的稳态，周期态和混沌态的精细光谱图；
[0027]
图6示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器混沌态产生过程中历经的稳态，周期态和混沌态的频谱图；
[0028]
图7示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器在注入电流为20ma时的精细光谱图；
[0029]
图8示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器在20ma电流下的混沌频谱图；
[0030]
图9示意性示出了根据本公开实施例的混沌光信号直接探测所得强度分布直方图；
[0031]
图10示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器的混沌光信号经过光纤延时平衡探测后的强度分布直方图；
[0032]
图11示意性示出了根据本公开实施例的保留5位最低有效位后的量化值概率分布；
[0033]
图12示意性示出了根据本公开实施例的保留5位最低有效位后的自相关函数。
[0034]
附图标记说明：
[0035]
1-微腔混沌激光器，2-光纤耦合器，3-延时光纤，4-平衡探测器，5-随机数提取模块；
[0036]
11-半导体微腔，12-孔，13-环形电极窗口，14-波导；
[0037]
101-n电极层，102-n型衬底，103-下限制层，104-有源区层，105-上限制层，106-欧姆接触层，107-p电极层。
具体实施方式
[0038]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0039]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0040]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0041]
为了解决现有随机数生成方案系统复杂，随机数速率低的问题，本公开提出了一种基于宽频带微腔混沌激光器的高速随机数发生器，通过采用宽频带的片上半导体自发微腔混沌激光器，极大的拓展了混沌光的随机性，简化了混沌熵源的系统复杂性，利用光延时平衡探测方案实现了混沌光对称性的改善，通过随机数提取模块生成的随机数速度获得了极大提高。整个随机数系统，结构简单，系统稳定性强，随机数速率高。
[0042]
图1示意性示出了本公开实施例提供的高速随机数发生器的系统结构图。
[0043]
如图1所示，该高速随机数发生器例如可以包括微腔混沌激光器1、光纤耦合器2、延时光纤3、平衡探测器4以及随机数提取模块5。
[0044]
微腔混沌激光器1为宽频带的片上半导体自发微腔混沌激光器，用于在无外光注入、外光反馈或外光电反馈的条件下，利用模式间相互作用产生混沌光信号。
[0045]
光纤耦合器2用于将混沌光信号分束为第一光信号和第二光信号两束光。
[0046]
延时光纤3与光纤耦合器2的一个输出端相连，用于对第一光信号进行延时，得到第三光信号，其中，第三光信号与第二光信号存在时延。
[0047]
平衡探测器4包括两个输入端，一个输入端和延时光纤3相连，一个输入端和光纤耦合器2直接相连，用来对存在时间差的第二光信号和第三光信号做平衡探测，改善原始混沌信号强度分布的对称性。其中，平衡探测的过程为：平衡探测器4同时对第二光信号进行探测得到第一电信号以及对第三光信号进行探测得到第二电信号，并将第一电信号与第二电信号作差得到电信号差。
[0048]
随机数提取模块5，用于对平衡探测的电信号进行量化处理，即，对强度分布对称性改善的混沌电信号量化处理，获得二进制随机数序列。
[0049]
图2示意性示出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器的平面结构示意图。图3示意性示出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器的三维结构示意图。
[0050]
如图2和图3所示，微腔混沌激光器1的整个激光器材料层从下到上可以包括n电极层101、n型衬底层102、下限值层103、有源区层104、上限制层105、欧姆接触层106和p电极层107，在以上材料层上刻蚀形成半导体微腔11、孔12、环形电极窗口13、波导14。其中，半导体微腔11的截面为正多边形或截面为弧边正多边形，半导体微腔11为有源腔，其材料结构可以为量子阱或量子点结构，可以形成光的全内反射。孔12设于半导体微腔11的内部，用于调控模式数量与模式间隔，孔12可以与半导体微腔11同轴，也可以不同轴。环形电极窗口13位于半导体微腔11的上端，与孔12同轴，用于进行电流非均匀注入，实现模式的非线性相互作用，以产生混沌光信号。波导14与半导体微腔11的外壁接触连接，用于定向输出混沌光信号。
[0051]
进一步地，继续参见图2，a为原正多边形(弧边正多边形内接正多边形)边长，d为波导宽度，δ为弧边变形量(即弧边与相接的正方形边长之间的最远距离)，r为弧边半径，rin为孔内径，h为波导平移距离，w为环形电极窗口宽度。在半导体微腔11的截面为弧边正多边形的情况下，弧边正多边形的尺寸满足以下关系：
[0052][0053]
在本公开一实施例中，半导体微腔11为正方形、六边形、八边形、弧边四边形、弧边六边形或弧边八边形结构等，具体不做限定。
[0054]
在本公开一实施例中，孔12的截面包括三角形、四边形、五边形、六边形、椭圆、圆结构，具体不做限定。
[0055]
在本公开一实施例中，欧姆接触窗口13为环形状。
[0056]
在本公开一实施例中，波导14为直线形，与半导体微腔11的一条对角线垂直。波导14的出光口为解理面或者端面镀膜结构。
[0057]
根据本公开实施例的微腔混沌激光器，可以通过增大多边形微腔混沌激光器的尺寸来提高混沌光功率；为了解决增大尺寸带来的多模激射导致产生不了混沌激光的问题，通过在半导体微腔11中刻蚀孔12来抑制高阶横模，减少模式数量，以保证大功率混沌激光的输出；同时，通过调节孔12的形状和大小，形成特定半径的孔12，进一步有效调控模式间隔与模式数量，可利用腔内光光谐振效应，实现混沌带宽的提升；更进一步的，通过调节波导14的连接位置，可以提高激光的耦合输出效率。
[0058]
在本公开一实施例中，延时光纤3的长度的选择是使经光纤耦合器分出的两束光在进入平衡探测器4探测时，两路混沌光存在时间上的延迟，使其相关性降低。
[0059]
在本公开一实施例中，随机数提取模块5可以为一位比较器或多位模数转换器，将
混沌电信号转化为连续的二进制随机数序列。
[0060]
为了进一步验证本公开实施例提供的高速随机数发生器的优势，下面列举一些具体的实验数据进行证明。
[0061]
在本公开实施例中，微腔混沌激光器衬底材料为inp，有源层为algainas多量子阱结构，半导体微腔为边长a＝20μm，变形量δ＝2.17μm的弧边四边形腔，波导宽度d＝1.5μm，圆孔内径rin＝5.5μm，位于弧边四边形腔内，可以通过半导体标准光刻工艺与刻蚀工艺，或其它工艺，在弧边四边形腔内刻蚀产生。波导与弧边四边形腔采用相同的材料、相同的工艺，波导沿垂直水平对角线的方向向上平移本实例中波导出光面采用自然解理面，但不排除端面镀膜的方法。为了实现电流的非均匀注入，本实例设计了环形电极窗口结构，窗口宽度w＝4μm。选用的光纤耦合器分光比为50％：50％，延时光纤长度为1m，选用的平衡光电探测器的带宽为43ghz，平衡探测后的电信号经过8位模数转换器采集，采样率为100gas/s，之后选用保留最低有效位的方法进行后处理，在保留5位最低有效位的情况下获得了通过标准随机性测试集的随机数序列，随机数速率可达500gbit/s。
[0062]
图4示意性给出了本公开实施例提供的宽频带微腔混沌激光器在孔取不同内径rin时仿真的模式q值与基模一阶模模式间隔δf的变化情况曲线图。
[0063]
从图4可以看出，当内径小于3μm时，基模、一阶模与二阶模的q值均不受影响；当内径大于3μm时，随着rin增大，基模、一阶模与二阶模的q值均逐渐下降。当rin小于6.5μm时，基模与一阶模的模式间隔δf保持小于10ghz基本不变。当rin大于6.5μm时，基模与一阶模的模式间隔δf显著增大，不满足混沌非线性产生的条件。仿真结果表明，孔的内径尺寸可以显著调节模式数量与模式间隔。当内径rin为5.5μm时，基模、一阶模与二阶模的模式q值均在10000以上，理论上支持三模激射，本实例选用的孔内径为5.5μm，以期实现三模相互作用的混沌带宽展宽的混沌光输出。其中，两个模相互作用产生混沌信号，第三个模与前两个模相互作用，利用光光谐振实现混沌带宽的展宽。
[0064]
图5示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器混沌态产生过程中历经的稳态，周期态和混沌态的精细光谱图。
[0065]
如图5所示，在5.6ma时，激光器工作在稳态，在波长1539.384nm，1539.560nm和1539.876nm处可观察到三个峰，分别记作模式“l”、模式“m”和模式“r”；在电流为6.6ma时，由于模式l和模式m的相互作用，激光器工作在周期态，光谱中可以发现，有间隔为0.04nm的边带生成；当电流为8.8ma时，激光器进入混沌状态，可以发现光谱展宽。同时可以看到，此时模式r的强度较弱，混沌主要由模式l与模式m相互作用引起。
[0066]
图6示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器混沌态产生过程中历经的稳态，周期态和混沌态的频谱图。
[0067]
如图6所示，在电流5.6ma时，频谱几乎与噪底重叠，说明激光器工作在稳态；当电流为6.6ma时，在频谱上可以发现一个明显的谐振峰，其频率为5ghz，对应于图5中6.6ma光谱0.04nm间隔的边带；当激光器电流为8.8ma时，可以看到频谱展宽，激光器进入混沌状态。由于混沌主要是由模式l与模式m相互作用产生，得到的混沌标准带宽仅为9.6ghz。这里混标准带宽定义为计算零频至某频率处的总能量，如果这段频谱所含的能量占整个频谱能量的80％，则该频率范围即为混沌标准带宽。
[0068]
图7示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器在注入电流为20ma
时的精细光谱图。
[0069]
从图7可以看出，微腔混沌激光器产生的光谱谱线展宽，表现为混沌光谱，同时，长波处的模式r强度高于左边展宽的模式l与模式m。
[0070]
图8示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器在20ma电流下的混沌频谱图。
[0071]
从图8可以看出，由于模式r与左边展宽的模式l与模式m的拍频，除了低频处的展宽包络外，频谱上位于22.8ghz、33.3ghz和39.5ghz处观察到了额外的展宽峰，这些展宽峰进一步拓展了混沌带宽。实验计算的混沌标准带宽为33.5ghz，与8.8ma时只有两个模式相互作用产生的9.6ghz混沌带宽相比，可以看出20ma时由于引入了第三个模的拍频作用，进而腔内光光谐振实现了混沌带宽的显著提升。
[0072]
图9示意性示出了根据本公开实施例的混沌光信号直接探测所得强度分布直方图。
[0073]
从图9可以看出，根据在100gas/s实时采集下所获数据的强度分布计算的偏度为0.794830，可以看出强度分布存在一定的偏置。理想情况下，完全对称分布的偏度值为0，偏度绝对值越接近0，对称性越好。
[0074]
图10示意性示出了根据本公开实施例的宽频带微腔混沌激光器的混沌光信号经过光纤延时平衡探测后的强度分布直方图。
[0075]
从图10可以看出，微腔混沌激光器产生的混沌光首先经过50％：50％的光纤耦合器分为两路，其中一路与长度1米的延时光纤相连，另一路不加延时光纤，将两路混沌光同时送进平衡探测器转换，再在100gas/s采样率下实时采集。从强度分布可以看出，对称性获得很好改善，计算的偏度也降为-0.327556。
[0076]
图11示意性示出了根据本公开实施例的保留5位最低有效位后的量化值概率分布。图12示意性示出了根据本公开实施例的保留5位最低有效位后的自相关函数。
[0077]
如图11所示，平衡探测器转换的电信号，被100gas/s8位示波器实时采集，采取保留多位最低有效位处理后，在保留5位最低有效位后量化值具有几乎相等的概率分布。如图12所示，在保留5位最低有效位后，获得的二进制序列具有快速衰减的自相关函数，相邻bit位的关联系数小于0.001。
[0078]
基于上述提供的高速随机数发生器中获得随机数序列通过nist sp800-22随机数序列测试，实验采集了连续的1gbit的量化二进制位，分成1000组1mbit的数据流送入nist sp 800-22测试集检测。在置信水平α设为0.01的情况下，当各测试项的p值都大于0.0001，测试比例值大于0.980时，说明产生的随机数通过随机性测验。具体测试结果图表1所示。
[0079]
表1
[0080]
[0081][0082]
从表1可以看出，采用本公开实施例提供的高速随机数发生器产生的随机数顺利通过随机性检测。
[0083]
综上所述，本公开实施例提供的高速随机数发生器，采用半导体微腔混沌激光器作为随机数产生的物理熵源，可以在无需外光注入、外光反馈或外光电反馈的条件下，产生自发混沌，没有外腔反馈时延峰，混沌光信号质量高，有利于随机数生成速率的提升。且芯片级的混沌熵源结构简单，极大的简化了随机数系统。进一步地，通过在腔体中心刻蚀特定半径的孔，利用光光谐振效应，实现了混沌带宽的极大提升，提高了随机数的生成速率。更进一步地，通过延时光纤和平衡探测器实现平衡探测，改善了混沌信号的强度分布对称性，可用于实现实时随机数的生成。此外，该多边形微腔混沌激光器，制作工艺简单，无需二次外延，无需复杂的有源无源集成技术，无需混合集成技术，成本低，降低了随机数装置的成
本。
[0084]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0085]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。