[发明专利]激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器

说明书

本发明涉及激光相位波动噪声自动标定装置、方法及量子随机数发生器。在本发明的方法中包括以下步骤：1‑1，驱动可调节光源中的激光器发光，记录可调节光源输出激光信号的强度；1‑2，提取激光信号中的相位波动信息并对其进行采样，基于采样值计算方差并记录；1‑3，驱动激光器在最大驱动电流下发光，并使可调节光源输出的激光信号在强度上与步骤1‑1中一致，执行步骤1‑2；1‑4，根据步骤1‑2计算的方差和步骤1‑3中计算的方差计算量子噪声比例并记录；1‑5，增大激光器驱动电流，执行步骤1‑1至1‑4；将当前记录的量子噪声比例与上次记录的量子噪声比例进行对比，若量子噪声比例增大则重复步骤1‑5，否则选取上次记录的量子噪声比例对应的激光器驱动电流为最优工作点。

技术领域

本发明涉及激光相位波动的量子噪声，尤其涉及一种量子噪声比例自动标定装置和方法，以及量子随机数发生器。

背景技术

激光相位波动是一种量子噪声，适用于高速量子随机数提取，因此被作为量子随机数发生器的熵源并受到广泛关注。根据激光器的发光特性，激光器工作在阈值点以下时，输出的为自发辐射光，随着驱动电流的增大，自发辐射光功率也逐渐缓慢增大；激光器驱动电流超过阈值后，随着驱动电流增大，自发辐射所占比例越来越小，受激辐射比例显著增加。总的来说，激光器工作在阈值以下时，自发辐射成分比例最大，但自发辐射光功率较小，对探测精度有一定要求；激光器工作在阈值以上时，自发辐射成分仍然存在，但是当自发辐射所占比例远小于受激辐射时，自发辐射相位波动的随机性便难以提取。另外，在实际实现过程中，实际系统会不可避免的引入探测器暗电流、电路电子噪声等经典噪声因素，从而影响量子噪声在整体噪声中的比例。因此，需要选取合适的激光器工作点，使激光相位波动产生的量子噪声占最大比例，也就是使得量子噪声的熵值最大。

现有基于激光相位波动的量子随机源通常由激光器、干涉仪、光电探测器和ADC组成，激光器发出的光信号经过干涉仪提取其中的相位波动信息，并转化为光强波动，再由光电探测器转化为电信号后被ADC采集。激光器工作点的标定方法包括参数拟合计算和直接测量两种，参数拟合是根据光电探测器光强响应、激光光强、暗电流等固有噪声、不同激光光强下光电转换输出信号方差等参数进行拟合计算，得到不同激光光强下的量子噪声比例。参数拟合的缺点是无法体现实际器件的个体差异，且参数拟合的计算结果也难以考虑实际运行环境等带来的影响，因此相比于参数拟合的方法，直接测量的结果往往更具有参考价值。直接测量方法的流程如下：1)调节激光器驱动电流，测得不同发光强度下ADC采集信号的方差，即为总波动；2)调节激光器驱动电流使激光器光强最大，将激光器输出接入可调光衰减器，通过光功率计测量可调光衰减器的输出光强，调节衰减量直到测得光功率与上一步的发光强度对应一致，然后接入系统，测得对应功率下ADC采集信号的方差，视为经典波动；3)根据前两步的测量结果，计算不同驱动电流下的量子噪声比例。

现有技术中已经公开了一些基于激光相位波动的量子随机数发生器方案。例如，在公开号为CN106933532A的专利中提出采用DFB激光器作为信号源，结合耦合器、光电探测器、模数转换器和后处理模块构建量子随机数发生器。在Guo H等人的论文“Truly RandomNumber Generation Based on Measurement of Phase Noise of Laser”中则提出采用VCSEL激光器、不等臂马赫增德尔干涉仪和模数转换器等实现量子随机数提取。

然而，现有方案只能在首次设置初始参数时对激光器量子噪声比例进行一次标定，例如通过外接衰减器，确定合适的激光器工作点。但是在运行过程中，随着环境的变化、长期使用后器件性能的变化等，首次设置时标定的初始参数未必一直是合适的工作点，而激光器工作点的设置会在很大程度上影响输出信号的随机性。因此，在每次上电/复位/重启等情况下进行工作点自动标定是十分必要的。

发明内容