一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器制造技術

本發明專利技術提供了一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，包括激光器、耦合器、光電探測器、模數轉換器和后處理模塊；所述激光器產生連續光或脈沖光；所述連續光或脈沖光在耦合器處發生干涉，將相位噪聲轉換為強度信號；所述耦合器與光電探測器相連，所述強度信號經由光電探測器完成光電轉換；所述光電探測器與模數轉換器相連，模數轉換器對光電探測器的輸出電信號進行量化獲得初始隨機比特；所述后處理模塊將初始隨機比特進行隨機性優化，從而獲得最終的隨機比特。與現有技術相比，輸出結果穩定，不依賴偏振及相位補償技術，且隨機數產生速率高。

【技術實現步驟摘要】
一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器
本專利技術涉及一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，特別是涉及一種適用于隨機數應用領域的小型化隨機數發生器。
技術介紹
隨機數在博彩、統計抽樣及計算科學等應用中扮演了重要角色，尤其是在密碼學、信息安全、量子保密通信等領域起到舉足輕重的作用。怎樣安全而可靠地產生高速、高質量的隨機數是密碼學乃至信息安全的重要研究方向，是密鑰安全保護的關鍵技術，具有重要的理論研究價值和實際應用需求。依據其產生手段，當前隨機數產生方案主要分為兩種：偽隨機數和物理隨機數。偽隨機數是利用確定性的計算機算法產生的統計上看起來隨機的序列，其隨機性完全取決于初始種子和產生算法，不是真正的不可預測的序列。特別是近年來，隨著量子計算技術的飛速發展，使利用較短時間破譯復雜數學算法成為可能。那么，采用偽隨機數的通信系統將面臨著重大安全隱患。基于觀測物理隨機過程產生的隨機數稱為真隨機數，具有不可預測、可證隨機性等性質，已在傳統信息安全系統中得到了廣泛應用。其中，量子隨機數發生器（QRNG）基于量子力學內在的隨機性，是目前唯一可以在理論上嚴格證明安全性的隨機數產生裝置，是迄今為止最接近真隨機的隨機數發生器。此外，量子隨機數發生器的產生速率可到Gbits/s量級，遠大于傳統的物理隨機數發生器（隨機數產生速率10Mbits/s量級）。然而，現有的量子隨機數發生器方案存在很多局限性，例如，基于真空相位噪聲的隨機數產生方案，系統較復雜，需要較多的控制補償技術；基于單光子透射/反射的隨機數產生方案，速度受限于單光子探測器的死時間及后脈沖等。而隨機數在實際應用當中，應同時具備產生速度快，體積小，系統穩定等優異特點，因此，急需在真隨機數發生器體積小型化、隨機數產生速率高速化，系統穩定化方面有突破性進展。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種隨機數發生器體積小，隨機數產生速率高，系統穩定的基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器。本專利技術采用的技術方案如下：一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光電探測器、模數轉換（ADC）器和后處理模塊；所述激光器產生連續光或脈沖光；所述連續光或脈沖光在耦合器處發生干涉，將相位噪聲轉換為強度信號；所述耦合器與光電探測器相連，所述強度信號經由光電探測器完成光電轉換；所述光電探測器與模數轉換器相連，模數轉換器對光電探測器的輸出電信號進行量化獲得初始隨機比特；后處理模塊將初始隨機比特進行隨機性優化，從而獲得最終的隨機比特。還包括微波放大器，對光電探測器的輸出結果進行放大，增加信噪比。所述激光器，由激光二極管及其驅動電路組成，或為基于不同原理和不同封裝結構的半導體激光器。所述激光器的驅動電流大于等于其閾值電流的70%且小于等于其閾值電流的130%，從而保證激光器的隨機相位噪聲幅度足夠強，以獲得量化效果更好的初始隨機比特。所述耦合器采用從紫外到遠紅外波段的自由空間光學分/合束器、光纖耦合器或集成波導耦合器；所選光學分/合束器的工作波長范圍與激光器的波長范圍保持一致。所述耦合器采用2×2保偏光纖耦合器，將激光器產生的連續光或脈沖光耦合到所述2×2保偏光纖耦合器的一個輸入端，并將一個輸出端連接到光電探測器；所述2×2保偏光纖耦合器的另一個輸入端和另一個輸出端相連形成環路。所述保偏耦合器的分光比為49:51到51:49之間或90:10，優選50:50。所述光電探測器為高寬帶光電探測器，采用紫外到遠紅外波段的分立元件或集成平衡光電探測器，工作波長范圍與激光器的波長范圍保持一致。所述光電探測器由低噪聲的PIN或APD光電二極管構成，其驅動電路可為普通型，TIA型或集成運放型。所述模數轉換器采用具有模數轉換功能的電路或儀表，對光電探測器輸出信號完成數字量化獲得初始隨機比特，可實現高速數據采樣和量化。所述后處理模塊集成隨機性提取算法，主要有截位異或算法或隨機托普利茲矩陣隨機性提取算法，可實現高效隨機性提取。所述激光器產生的為脈沖光時，根據隨機數產生速率的不同要求，對激光器選擇采用內調制或外調制方式產生不同重復頻率的脈沖光作為光源。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：結構簡單，有利于小型化；輸出結果穩定，不依賴偏振及相位補償技術；隨機數產生速率高；為高速小型化量子真隨機數發生器提供了一種思路和解決方案，具有廣闊的應用前景。附圖說明圖1為本專利技術其中一實施例的原理示意圖。圖2為圖1所示實施例中量子隨機數發生器理論仿真與實驗觀測數據示意圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。本說明書（包括摘要和附圖）中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。具體實施例1一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光電探測器、模數轉換（ADC）器和后處理模塊；所述激光器產生連續光或脈沖光；所述連續光或脈沖光在耦合器處發生干涉，將相位噪聲轉換為強度信號；所述耦合器與光電探測器相連，所述強度信號經由光電探測器完成光電轉換；所述光電探測器與模數轉換器相連，模數轉換器對光電探測器的輸出電信號進行量化獲得初始隨機比特；后處理模塊將初始隨機比特進行隨機性優化，從而獲得最終的隨機比特。具體實施例2在具體實施例1的基礎上，還包括微波放大器，對光電探測器的輸出結果進行放大，增加信噪比。具體實施例3在具體實施例1或2的基礎上，所述激光器，由激光二極管及其驅動電路組成，或為基于不同原理和不同封裝結構的半導體激光器。具體實施例4在具體實施例1到3之一的基礎上，所述激光器的驅動電流大于等于其閾值電流的70%且小于等于其閾值電流的130%，從而保證激光器的隨機相位噪聲幅度足夠強，以獲得量化效果更好的初始隨機比特。具體實施例5在具體實施例1到4之一的基礎上，所述耦合器采用從紫外到遠紅外波段的自由空間光學分/合束器、光纖耦合器或集成波導耦合器；所選光學分/合束器的工作波長范圍與激光器的波長范圍保持一致。具體實施例6在具體實施例1到5之一的基礎上，所述耦合器采用2×2保偏光纖耦合器，將激光器產生的連續光或脈沖光耦合到所述2×2保偏光纖耦合器的一個輸入端，并將一個輸出端連接到光電探測器；所述2×2保偏光纖耦合器的另一個輸入端和另一個輸出端相連形成環路。具體實施例7在具體實施例6的基礎上，所述保偏耦合器的分光比為49:51到51:49之間或90:10，優選50:50。在本具體實施例中，所述保偏耦合器的分光比為50:50。具體實施例8在具體實施例1到7之一的基礎上，所述光電探測器為高寬帶光電探測器，采用紫外到遠紅外波段的分立元件或集成平衡光電探測器，工作波長范圍與激光器的波長范圍保持一致。所述光電探測器由低噪聲的PIN或APD光電二極管構成，其驅動電路可為普通型，TIA型或集成運放型。具體實施例9在具體實施例1到8之一的基礎上，所述模數轉換器采用具有模數轉換功能的電路或儀表，對光電探測器輸出信號完成數字量化獲得初始隨機比特，可實現高速數據采樣和量化本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光電探測器、模數轉換器和后處理模塊；所述激光器產生連續光或脈沖光；所述連續光或脈沖光在耦合器處發生干涉，將相位噪聲轉換為強度信號；所述耦合器與光電探測器相連，所述強度信號經由光電探測器完成光電轉換；所述光電探測器與模數轉換器相連，模數轉換器對光電探測器的輸出電信號進行量化獲得初始隨機比特；所述后處理模塊將初始隨機比特進行隨機性優化，從而獲得最終的隨機比特。

【技術特征摘要】
2016.12.14 CN 20161115467951.一種基于激光相位噪聲的小型化隨機數發生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光電探測器、模數轉換器和后處理模塊；所述激光器產生連續光或脈沖光；所述連續光或脈沖光在耦合器處發生干涉，將相位噪聲轉換為強度信號；所述耦合器與光電探測器相連，所述強度信號經由光電探測器完成光電轉換；所述光電探測器與模數轉換器相連，模數轉換器對光電探測器的輸出電信號進行量化獲得初始隨機比特；所述后處理模塊將初始隨機比特進行隨機性優化，從而獲得最終的隨機比特。2.根據權利要求1所述的隨機數發生器，其特征在于：還包括微波放大器，對光電探測器的輸出結果進行放大，增加信噪比。3.根據權利要求1所述的隨機數發生器，其特征在于：所述激光器，由激光二極管及其驅動電路組成，或為基于不同原理和不同封裝結構的半導體激光器。4.根據權利要求1所述的隨機數發生器，其特征在于：所述激光器的驅動電流大于等于其閾值電流的70%且小于等于其閾值電流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉金璐，楊杰，李政宇，黃偉，樊礬，徐兵杰，王干，郭弘，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第三十研究所，
類型：發明
國別省市：四川,51