[发明专利]一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置

说明书

本发明提供一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置，包括，激光源、硅基光子晶体芯片、光电转换器、光时延模块、模数转换器、异或门、处理器；激光源用于发送激光至硅基光子晶体芯片；硅基光子晶体芯片用于接收激光并产生耦合振荡输出混沌光信号；光时延模块用于对混沌光信号进行延时；光电转换器用于将混沌光信号转化为电信号；模数转换器用于将电信号转化为二进制码；异或门用于对所述二进制码进行自延时异或运算；处理器用于对自延时异或运算后的二进制码选取预设的最低有效位并生成随机数。本发明的有益效果是，本发明利用硅基光子晶体芯片产生光混沌信号，提高了混沌源装置的小型化、集成化程度，保证了混沌源的稳定性。

背景技术

本发明涉及光电领域，具体涉及一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置。

随机数的应用研究在国家科技与信息安全战略中占据着至关重要的地位。这缘于它重要的科学意义及广泛的应用背景。随机数被广泛应用于蒙特卡洛仿真、统计抽样、人工神经网络、数字通信中的群同步和加扰、解扰信号等诸多领域。尤其在信息安全领域，随机数更是扮演着极其重要的角色。在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就可以保证所传输信息的安全。因此，产生安全、可靠的随机数关系到国家安全、科学发展、商业机密、个人隐私等众多方面。

随机数按产生机理主要分为伪随机数和真随机数。用种子密钥和计算机迭代算法可生成伪随机数，这种随机数表征为确定性的，可重复的和可预测的。不同的是，真随机数（通常称为物理随机数）是利用自然界物理熵源的微观量子机制或宏观随机现象产生的，如核辐射衰变，热噪声，振荡器频率抖动和电光混沌等。鉴于此，对物理随机数发生器的研究成为了各国学者探索的重点。

人类历史上很早就对随机数开始了研究。在中国古代诞生的易经占卜法，利用 49蓍草法进行占卜，其操作的分裂过程很类似于抛硬币。到了20 世纪 40 年代中期，现代世界需要更多的随机数据，RAND 公司发明了随机脉冲发生器可以生成大量的随机数，在1951年随机性被正式规范化，图灵将其设计整合到了计算机Ferranti Mark 1 号中，Mark 1号计算机内置了随机数生成指令，利用电气噪声可以一次性生成20个随机比特位。传统的物理随机数发生器受限于所采用常规物理熵源的带宽和随机数提取方法，其发生速率相对较低，典型码率仅仅处于Mbps量级。到2003年，通过釆样高速电子振荡器的频率抖动获得了速率达到10Mbit/s的随机数序列，几乎己经达到了当时物理随机数发生器速率的极限，已经无法满足现代科学研究和安全通信的需求。近些年来，混沌激光由于具有高带宽、高混乱度等特性，成为构建安全、可靠、高速物理随机数发生器的理想熵源，获得了人们的极大关注。

2008年，Uchida等人首次通过探索半导体激光器（SL）的光学混沌获得了1.7 Gbps物理随机数序列，标志着物理随机数发生器的速率一举从量级跃升到量级，具有堪与伪随机数发生器相媲美的巨大潜力。2009年，I. Reidler 等人就通过半导体激光器产生的光混沌和差分技术获得了12.5 Gbps的物理随机数。 2012年香港城市大学陈仕俊小组利用光注入半导体激光器产生混沌激光，经过过采样以及８位ADC处理得到速率为10Gbit/s的物理真随机数。随着研究者不断地深入探索，目前已经能够获得等效速率高达Tbit/s的真随机码。如李璞等人通过使用55位垂直采样法获得2.2 Tbps 物理随机数方案及唐熙等人利用半导体激光器的并行耦合方法获得1.12 Tbps 物理随机数方案等。

所有这些结果证明了基于光学混沌的物理随机数发生器的巨大进步，不过其中大多数是基于III-V（例如InGaAsP）半导体激光器，致使整套随机数发生器过于笨重，不利于便捷使用。所以，如何实现混沌激光源的稳定性，小型化，集成化，并进一步的提高混沌激光的带宽，是目前混沌物理随机数发生器需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目是提供一种利用硅基光子集成器件产生光混沌并通过后续多延时耦合等处理方法来实现物理随机数产生装置。

本发明的的技术方案是：