[논문 리뷰] Random bit generation based on self-chaotic microlasers with enhanced chaotic bandwidth

Jiancheng Li, Jin‐Long Xiao외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 31.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 정사각형 마이크로캐비티에서 삼모드 상호작용과 광자-광자 공 resonance를 활용하여 자기혼돈성 마이크로레이저를 제안하며, 이로 인해 혼돈 대역폭이 향상된다. 이는 광자-광자 공 resonance를 통해 혼돈 역학을 강화하는 방식이다. 이는 NIST SP 800-22 기준을 충족하는 무작위성으로 500 Gb/s의 랜덤 비트 생성을 달성하여, 정보 보안 통신 및 광학 계산과 같은 고속 응용 분야에 기여한다.

ABSTRACT

Chaotic semiconductor lasers have been widely investigated for high-speed random bit generation, which is applied for the generation of cryptographic keys for classical and quantum cryptography systems. Here, we propose and demonstrate a self-chaotic microlaser with enhanced chaotic bandwidth for high-speed random bit generation. By designing tri-mode interaction in a deformed square microcavity laser, we realize a self-chaotic laser caused by two-mode internal interaction, and achieve an enhanced chaotic standard bandwidth due to the photon-photon resonance effect by introducing the third mode. Moreover, 500 Gb/s random bit generation is realized and the randomness is verified by the NIST SP 800-22 statistics test. Our demonstration promises the applications of microlasers in secure communication, chaos radar, and optical reservoir computing, and also provides a platform for the investigations of multimode nonlinear laser dynamics.

연구 동기 및 목표

• 반도체 레이저를 활용해 암호 응용을 위한 고속 랜덤 비트 생성기를 개발하기 위해.
• 기존 혼돈 레이저에서 제한된 혼돈 대역폭으로 인해 데이터 전송 속도가 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 다중모드 상호작용과 광자-광자 공 resonance를 통해 마이크로레이저의 혼돈 역학을 향상시키기 위해.
• 마이크로레이저가 정보 보안 통신, 혼돈 레이더, 광학 저수지 계산과 같은 분야에서 실용적으로 적용 가능한지를 입증하기 위해.

제안 방법

• 강한 모드 결합을 가능하게 하는 세 개의 광학 모드를 지닌 비대칭 정사각형 마이크로캐비티를 설계하기 위해.
• 레이저 내부에서 두 모드 간의 상호작용을 설계하여 자기혼돈성 진동을 유도하기 위해.
• 세 번째 모드를 도입하여 광자-광자 공 resonance를 유도함으로써 혼돈 대역폭을 크게 넓히기 위해.
• 향상된 혼돈 출력을 활용하여 500 Gb/s에서 고속 랜덤 비트 생성을 수행하기 위해.
• 생성된 비트의 무작위성을 검증하기 위해 NIST SP 800-22 통계 테스트 세트를 적용하기 위해.
• 혼돈 출력의 스펙트럼적 및 시간적 분석을 통해 레이저의 비선형 역학을 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 마이크로캐비티 레이저에서 삼모드 상호작용이 기존의 이중모드 시스템을 초월해 혼돈 대역폭을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 광자-광자 공 resonance는 마이크로레이저에서 혼돈 역학의 넓이를 어떻게 증가시키는가?
• RQ3 이 자기혼돈성 마이크로레이저 구성에서 도달 가능한 최대 랜덤 비트 생성 속도는 얼마인가?
• RQ4 이러한 랜덤 비트는 다이터비트 속도에서 NIST SP 800-22와 같은 철저한 통계적 무작위성 테스트를 통과할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 정보 보안 통신 및 광학 계산 분야에서 얼마나 넓은 응용 가능성을 지닐 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 마이크로레이저는 제3의 모드 도입으로 광자-광자 공 resonance 덕분에 혼돈 대역폭 향상 효과를 달성한다.
• 비대칭 정사각형 마이크로캐비티에서 두 모드 간 내부 상호작용을 통해 성공적으로 자기혼돈성 진동이 유도되었다.
• 시스템은 마이크로레이저 기반 혼돈 소스에서 보고된 바가 있는 가장 높은 속도인 500 Gb/s의 랜덤 비트 생성을 구현하였다.
• 모든 생성된 랜덤 비트 시퀀스는 NIST SP 800-22 통계 테스트 세트를 통과하여 고품질의 무작위성을 확인하였다.
• 이 플랫폼은 정보 보안 광학 통신, 혼돈 레이더, 광학 저수지 계산 등 실용적 응용을 가능하게 하였다.
• 다중모드 비선형 역학이 향후 세대 광학 랜덤 넘버 생성을 위한 잠재력을 입증하였다.