[论文解读] Fast all-optical random number generator

Jiamin Zhao, Pu Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Optical Network Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种利用双模垂直腔面发射激光器（VCSEL）在双稳态下工作的全光随机数发生器，通过周期性重启引发由自发辐射噪声引起的随机模式跃迁。该方法实现了经验证的连续2.5 Gb/s随机比特流，提供了一种完全单片集成的全光解决方案，适用于高速随机数生成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无电子瓶颈的高速全光随机数发生器。
• 利用双稳态双模激光器中的自发辐射噪声实现真正的随机性。
• 在数据速率超过2.5 Gb/s的条件下实现连续随机比特流生成。
• 提供仅使用光学元件的完全单片解决方案，以实现可扩展性和集成性。

提出的方法

• 使用工作在双稳态下的双模垂直腔面发射激光器（VCSEL），具有两个正交偏振模式。
• 施加周期性光泵浦以重启激光状态，诱导在两种模式之间的随机跃迁。
• 利用模式切换期间的自发辐射噪声作为内在随机性来源。
• 采用简单的全光控制机制触发重启周期，无需电子信号处理。
• 使用速率方程模型对双模VCSEL的动力学进行仿真，以描述系统行为。
• 通过数值仿真和生成比特流的统计测试验证随机性。

实验结果

研究问题

• RQ1 双稳态双模VCSEL中的自发辐射噪声是否可被利用以生成真正随机的比特流？
• RQ2 该方法在全光随机数生成中可实现的最大数据速率是多少？
• RQ3 该系统能否在无电子干预的情况下维持连续、高速的随机比特流生成？
• RQ4 周期性重启对生成随机数的统计质量与熵有何影响？
• RQ5 所提出的方案是否完全单片化，适用于片上集成？

主要发现

• 所提出的方法成功实现了2.5 Gb/s的连续随机比特流生成。
• 通过数值仿真和统计测试验证了生成比特流的随机性。
• 该系统完全依赖光学元件，无需电子信号处理或后处理。
• 利用自发辐射噪声作为熵源，确保了真正的随机性。
• 该方案完全单片化，可实现紧凑且可扩展的单芯片集成。
• 处于双稳态的双模VCSEL为高速随机数生成提供了稳定且可重复的平台。