[논문 리뷰] Fast all-optical random number generator

Jiamin Zhao, Pu Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Optical Network Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이중 모드 수직결합 표면발광레이저(VCSEL)를 이중안정 상태에서 사용하여, 주기적인 재시작이 자발적 방출 노이즈로 인해 무작위 모드 이동을 유도하는 고속 전광학적 난수 생성기를 제안한다. 이 방법은 검증된 무작위성을 갖는 연속 2.5 Gb/s 난수 비트스트림을 생성하며, 고속 난수 생성을 위한 완전히 단일결합된 전광학적 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

We propose a simple and all-optical method for fast random number generation based on the laser mode hopping. Through periodically restarting a two-mode laser operating in the bistable state, a random number stream can be generated due to the spontaneous emission noise. To validate the feasibility of this method, we perform a theoretical simulation using the common vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with two polarization modes. Numerical results demonstrate that fast 2.5 Gb/s random number streams can be continuously obtained with verified randomness. This scheme provide a fully monolithic solution for random number generator, due to its simple and all-optical structure.

연구 동기 및 목표

• 전자적 제약 없이 고속 전광학적 난수 생성기를 개발하기 위해.
• 이중안정 이중모드 레이저에서 자발적 방출 노이즈를 활용하여 진정된 무작위성을 확보하기 위해.
• 2.5 Gb/s를 초과하는 데이터 속도에서 연속적인 난수 비트스트림 생성을 실현하기 위해.
• 확장성과 통합성을 위해 전자 부품을 포함하지 않는 완전히 단일결합된 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이중 모드 수직결합 표면발광레이저(VCSEL)를 이중안정 상태에서 작동시키며, 두 개의 수직 극화 모드를 사용한다.
• 레이저 상태를 재시작하기 위해 주기적인 광학적 펌핑을 적용하여 두 모드 간의 무작위 전이를 유도한다.
• 모드 전환 중 자발적 방출 노이즈를 무작위성의 내재된 원천으로 활용한다.
• 전자 신호 처리 없이도 재시작 주기를 유도할 수 있는 단순한 전광학적 제어 메커니즘을 사용한다.
• 이중모드 VCSEL의 동역학을 기술하기 위해 비율 방정식 모델을 사용하여 시스템을 시뮬레이션한다.
• 생성된 비트스트림에 대한 수치 시뮬레이션과 통계적 검증을 통해 무작위성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중안정 이중모드 VCSEL에서 자발적 방출 노이즈를 활용하여 진정된 난수 비트스트림을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 사용한 전광학적 난수 생성에서 도달 가능한 최대 데이터 속도는 얼마인가?
• RQ3 전자적 간섭 없이도 시스템이 연속적으로 고속 난수 비트스트림 생성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 주기적인 재시작은 생성된 난수의 통계적 품질과 엔트로피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방법은 완전히 단일결합되어 있으며, 칩 내 통합에 적합한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 2.5 Gb/s의 속도로 연속적인 난수 비트스트림을 성공적으로 생성한다.
• 생성된 비트스트림의 무작위성은 수치 시뮬레이션과 통계적 테스트를 통해 검증된다.
• 시스템은 전자 신호 처리나 후처리 없이 오직 광학적 부품에 의존한다.
• 자발적 방출 노이즈를 엔트로피 원천으로 사용함으로써 진정된 무작위성을 보장한다.
• 이 방법은 완전히 단일결합되어 있어 단일 칩 내에서 소형화 및 확장 가능한 통합이 가능하다.
• 이중안정 상태의 이중모드 VCSEL은 고속 난수 생성을 위한 안정적이고 반복 가능한 플랫폼을 제공한다.