[发明专利]一种光子集成全光随机码芯片

说明书

一种光子集成全光随机码芯片是当给环形激光器中的半导体光放大器注入方波调制电流时产生顺时针和逆时针两种模式激光，两种模式的激光由耦合在环形激光器上的直波导输出，且不同模式的激光从直波导输出的方向不同，选取直波导的一端作为输出端，通过检测直波导的输出端是否有激光脉冲来判断该芯片产生码“0”或码“1”；同时一集成在芯片上的混沌激光器产生的混沌激光将通过直波导注入到环形激光器并对其进行扰动，使环形激光器等概率的随机产生顺时针或逆时针激光，并在输出端检测，当在输出端检测到有激光脉冲产生时，则判定为随机码“1”，否则判定为随机码“0”，实现实时快速产生真随机码。

技术领域

本发明涉及一种全光随机码芯片，具体为一种用于产生高速全光随机码的光子集成芯片，属于密码学、光通信、信息安全等领域。

技术背景

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 。

近年来，混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机码取得了突破性进展，2008年，日本内田淳夫课题组在国际知名期刊Nature Photonics上首次利用激光混沌熵源，实现了1.7Gb/s真随机码的在线、实时产生[Nat.Photon.,vol.2 ,pp.728-732，2008]；2013年，申请人所在课题组利用混沌激光器成功构建了最快码率达4.5Gb/s的真随机码发生器[Opt .Express，21(17): 20452-20462，2013]，以上两种方法都需要电ADC的参与，电ADC面临的“ 电子抖动速率瓶颈” 极大地限制了真随机码码率的进一步提高；2018年，发明人所在课题组利用光注入产生的带宽增强的混沌激光作为物理熵源，将随机码的产生速率提高至10Gb/s，并研制了随机码发生器样机[J.Lightw.Technol.,vol.36,no.12,pp.2531-2540，2018]。

然而，需要注意到的是，以混沌激光作为物理熵源产生真随机码的方法虽然可使随机数码率获得大幅提升，但目前真随机码的产生方法都是基于分离的器件实现的，结构复杂、稳定性差，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。

发明内容

针对技术背景中的相关问题，本发明提供一种光子集成全光随机码芯片，用于产生高速、实时随机码，以解决现有电子随机码芯片码率不足和基于混沌激光随机码发生器结构复杂，不可集成的问题。

本发明提供的一种光子集成全光随机码芯片，包括：

1、一个光子集成的基底，所采用的基底材料可以是磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、硅（Si）等；

2、环形波导和半导体光放大器构成的环形激光器，环形波导为与基底材料兼容材质，放大器可以是外延生长在基底上，也可以是直接键合在基底上；

3、与环形波导耦合的直波导，并且该直波导与环形波导具有相同的材质；

4、一个集成在基底上的混沌激光器，输出与直波导的一端连接；