CN114579082B - 一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器 - Google Patents

Abstract

一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，属于量子安全通信技术领域，包括激光器、路径选择模块、干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与处理模块、模数转换器、第一温控模块以及稳相模块，所述干涉仪包括第一分束器、光纤延时线和双路稳相反射模块。与现有技术相比，本发明通过采用双路稳相反射模块，使沿干涉仪长短臂传播的两路光信号经过相同的反射器件，从而使得二者的偏振保持完全一致，进而提高干涉仪的干涉稳定性；使用两个光电探测器的电信号之差作为干涉仪相位补偿的反馈信号，同时将两个光电探测器的电信号之和作为激光器功率稳定控制的反馈信号，来对光学***进行整体的稳定控制，进一步提升***的稳定性和实用性。

Description

一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器

技术领域

本发明涉及量子安全通信技术领域，特别涉及一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器。

背景技术

在现代社会中，随机数被广泛使用在仿真模拟，密码学等诸多领域。依照生成原理不同，随机数可以分为伪随机数和真随机数两大类。由于伪随机数一般都是通过算法产生，随着量子计算的威胁日益紧迫，伪随机数的将变得可被预测，因此其安全性无法保证。量子随机数发生器（QRNG）是利用量子物理内秉特性生成物理真随机数的新型技术，如基于量子真空态噪声，激光自发辐射的量子相位噪声等量子光学原理实现的量子随机数发生器，其产生的随机数是完全无法预测的，因此具有真随机性，也是目前研究较多且较为成熟的量子随机数产生方案。

随机数产生速率及稳定性是QRNG能够实用化的核心指标。现有技术中，如IDQuantique公司的QRNG采用单光子分支路径探测的方案，随机数产生速率在Mpbs量级，应用场景有限。还有一些基于激光相位噪声的QRNG采用高速数字采用方案，速率可以大大提升，可达Gbps量级。然而这种方案需要使用干涉仪通过干涉把相位噪声转化成光强起伏，因此光源的光强稳定性、干涉仪的干涉稳定性至关重要。专利CN106843804A采用马赫曾德尔干涉仪（MZI），前者需要整个光学***采用全保偏光纤来保证两路干涉信号的偏振一致性，增加了***的成本；专利CN105022606A中采用法拉第迈克尔逊干涉仪（FMI），通过使用法拉第反射镜可以自动补偿长短臂的偏振变化，来保证两路干涉信号的偏振一致性，但是由于两个法拉第反射镜的偏振旋转角度误差不可能完全相同，因此偏振一致性会有所降低，从而影响干涉的稳定性。另外，该方案使用一路干涉信号作为相位补偿的反馈信号，激光器的光强涨落会影响相位的补偿过程，从而随机数的产生造成影响。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，包括激光器、路径选择模块、干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与处理模块、模数转换器、第一温控模块以及稳相模块，所述干涉仪包括第一分束器、光纤延时线和双路稳相反射模块；所述激光器的输出端口与路径选择模块的第一端口相连；所述路径选择模块的第三端口、第二端口分别连接第一光电探测器、第一分束器的第四端口；所述第一分束器的第一端口与第二光电探测器相连；所述第一分束器的第二端口通过光纤、光纤延时线与双路稳相反射模块的第一端口相连，构成干涉仪的长臂，其中，光纤、光纤延时线连接为长臂光纤L1；所述第一分束器的第三端口通过短臂光纤L2与双路稳相反射模块的第二端口相连，构成干涉仪的短臂；所述双路稳相反射模块用于将输入的光信号反射，并将偏振方向旋转90°；所述数据采集与处理模块的输入端分别连接第一光电探测器、第二光电探测器以及模数转换器的输出端，所述模数转换器的输入端连接第一光电探测器，所述数据采集与处理模块的输出端分别连接第一温控模块以及稳相模块的输入端，所述稳相模块的输出端连接双路稳相反射模块，所述激光器与第一温控模块连接，所述数据采集与处理模块用于采集第一光电探测器、第二光电探测器的输出电信号以及模数转换器将第一光电探测器输出模拟信号转换成的数字信号进行运算和后处理，并为第一温控模块和稳相模块提供反馈控制信号；所述第一温控模块用于稳定激光器的输出功率；所述稳相模块用于产生调相电压来控制双路稳相反射模块进行调相。

优选地，所述干涉仪的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为单模光纤；所述双路稳相反射模块包括光纤移相器、第一偏振分束器和第一法拉第旋转器；所述稳相模块为第一稳相电路，用于产生调相电压对光纤移相器进行调相；所述第一偏振分束器的第一端口与光纤移相器的一个端口相连；所述光纤移相器的另一个端口和第一偏振分束器的第四端口分别作为双路稳相反射模块的第一端口和第二端口；所述第一偏振分束器的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与第一法拉第旋转器的两个端口相连，构成第一萨格纳克环；所述第一法拉第旋转器的偏转角度为90°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。

优选地，所述干涉仪的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块包括第二偏振分束器和半波片；所述稳相模块包括第二稳相电路和第二温控模块，用于对光纤延时线温控来进行调相；所述第二偏振分束器的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块的第一端口和第二端口；所述第二偏振分束器的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与半波片的两个端口相连，构成第二萨格纳克环；所述半波片的主轴与保偏光纤慢轴夹角为45°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。。

优选地，所述干涉仪的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块包括第三偏振分束器和保偏光纤环；所述稳相模块包括第三稳相电路和第三温控模块，用于对所述保偏光纤环温控来进行调相；所述第三偏振分束器的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块的第一端口和第二端口；所述第三偏振分束器的第二端口和第三端口通过保偏光纤与保偏光纤环相连，构成第三萨格纳克环。

优选地，所述路径选择模块为环形器，所述环形器的第一端口至第三端口分别作为路径选择模块的第一端口至第三端口。

优选地，所述路径选择模块包括隔离器和第二分束器，所述第二分束器的第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第二端口和第三端口；所述第二分束器的第一端口与隔离器的一个端口相连；所述隔离器的另一个端口作为路径选择模块的第一端口。

优选地，所述路径选择模块为第四偏振分束器，所述第四偏振分束器的第一端口、第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第一端口、第二端口和第三端口。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，通过采用双路稳相反射模块，使沿干涉仪长短臂传播的两路光信号经过相同的反射器件，从而使得二者的偏振保持完全一致，进而提高干涉仪的干涉稳定性。另外，使用两个光电探测器的电信号之差作为干涉仪相位补偿的反馈信号，同时将两个光电探测器的电信号之和作为激光器功率稳定控制的反馈信号，来对光学***进行整体的稳定控制，从而可以进一步提升整个***的稳定性和实用性。

附图说明

图1为本发明基于激光相位噪声的量子随机数发生器结构原理框图；

图2为本发明基于激光相位噪声的量子随机数发生器实施例一的原理框图；

图3为本发明基于激光相位噪声的量子随机数发生器实施例二的原理框图；

图4为本发明基于激光相位噪声的量子随机数发生器实施例三的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，包括激光器1、路径选择模块2、干涉仪3、第一光电探测器4、第二光电探测器5、数据采集与处理模块6、模数转换器7、第一温控模块8以及稳相模块9，所述干涉仪3包括第一分束器3-1、光纤延时线3-2和双路稳相反射模块3-3；所述激光器1的输出端口与路径选择模块2的第一端口相连；所述路径选择模块2的第三端口、第二端口分别连接第一光电探测器4、第一分束器3-1的第四端口；所述第一分束器3-1的第一端口与第二光电探测器5相连；所述第一分束器3-1的第二端口通过光纤光纤延时线3-2与双路稳相反射模块3-3的第一端口相连，构成干涉仪3的长臂，其中，光纤、光纤延时线3-2连接为长臂光纤L1；所述第一分束器3-1的第三端口通过光纤L2与双路稳相反射模块3-3的第二端口相连，构成干涉仪3的短臂；所述双路稳相反射模块3-3用于将输入的光信号反射，并将偏振方向旋转90°；所述数据采集与处理模块6的输入端分别连接第一光电探测器4、第二光电探测器5以及模数转换器7的输出端，所述模数转换器7的输入端连接第一光电探测器4，所述数据采集与处理模块6的输出端分别连接第一温控模块8以及稳相模块9的输入端，所述稳相模块9的输出端连接双路稳相反射模块3-3，所述激光器1与第一温控模块8连接，所述数据采集与处理模块6用于采集第一光电探测器4、第二光电探测器5的输出电信号以及模数转换器7将第一光电探测器4输出模拟信号转换成的数字信号进行运算和后处理，并为第一温控模块8和稳相模块9提供反馈控制信号；所述第一温控模块8的反馈控制信号为第一光电探测器4、第二光电探测器5产生的电信号之和，用于稳定控制激光器1的输出功率；所述稳相模块9的反馈控制信号为第一光电探测器4、第二光电探测器5产生的电信号之差，用于产生调相电压来控制双路稳相反射模块进行调相。所述激光器1用于输出通信波段的激光信号，所述激光信号包含自发辐射的随机相位噪声；所述第一分束器3-1的分束比为50：50。

具体实现过程如下：

所述激光器1工作在阈值电流附近，产生带有自发辐射相位噪声的连续光信号，首先进入路径选择模块2的第一端口，从第二端口出射，然后进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1和S2，分别从第一分束器3-1的第二端口和第三端口出射。其中S1沿长臂光纤L1经过光纤延时线3-2之后到达双路稳相反射模块3-3的第一端口，被反射后仍从其第一端口出射，此时S1的水平偏振分量被双路稳相反射模块3-3旋转反射之后变为竖直偏振分量，竖直偏振分量则相应地变为水平偏振分量。S1被反射后再次经过长臂光纤L1到达第一分束器3-1的第二端口，由于偏振旋转90°且往返两次经过长臂光纤L1，因此可以自动补偿长臂光纤L1的偏振扰动；S2沿短臂光纤L2到达双路稳相反射模块3-3的第二端口，被反射后仍从其第二端口出射，此时S2的水平偏振分量被双路稳相反射模块3-3旋转反射之后变为竖直偏振分量，竖直偏振分量则相应地变为水平偏振分量。S2被反射后再次经过短臂光纤L2到达第一分束器3-1的第三端口，同样可以自动补偿短臂光纤L2的偏振扰动。因此S1和S2再次分别回到第一分束器3-1的第二端口和第三端口时，二者的偏振均旋转了90°，因此仍保持一致。

S1和S2分别经过长短臂光纤L1和L2，再次到达第一分束器3-1的时间不同，时间差为长短臂光纤长度差对应的光传播时间的2倍，即为干涉仪的臂长差T，因此S1实际上是和S2之后T时刻的光信号S2’进行干涉。由于时间T较短且小于激光器1的相干时间，从激光1器出射的间隔为T的光信号偏振相同，并且经过光纤到达第一分束器3-1时偏振也相同，因此二者的干涉结果仅由相位差决定。通过控制干涉仪两臂相位差为(2m+1/2)π并用探测器测量干涉结果的光强，滤除干涉结果电信号中的直流分量，得到的结果仅与两个信号所携带自发辐射随机相位的差有关，通过探测器测量干涉的光强涨落即可得到的相位涨落，即为激光器的相位噪声。干涉结果从第一分束器3-1的第一端口和第四端口出射，前者直接到达第二光电探测器5，后者经过路径选择模块2到达第一光电探测器4。模数转换器7将第一光电探测器4产生的电信号进行模数转换，并通过数据采集与处理模块6进行高速采样，得到随机的原始数据后采样基于快速傅里叶变换的托普利兹矩阵算法进行数据后处理，从而得到最终的量子随机数。

由于长短臂存在相位漂移，需要对干涉仪进行稳相控制，即将干涉仪两臂相位差稳定在(2m+1/2)π。另外，由于激光器输出光强也会存在一定的波动，需要通过温控模块来稳定输出光功率。本发明采用第一光电探测器4和第二光电探测器5对两路干涉光强进行探测得到的电信号之差作为稳相控制的反馈信号，采用二者之和作为激光器1输出功率稳定控制的反馈信号。从第一分束器3-1的两个输出干涉结果可分别写为

其中，θ为干涉仪长短臂的相位差，QRNG工作时被设置为θ=(2m+1/2)π，

为相位 噪声（小量）。由于干涉仪存在相位漂移δ，QRNG工作时干涉仪长短臂的实际相位差为θ+δ，则 实际的干涉结果变为

则二者的和与差分别为

由上式的第一行可以看出，两个光电探测器的探测结果之和即为激光器输出的总 功率（已归一化），因此其值可以作为稳定激光器输出光强的反馈控制信号，以激光器的目 标功率为基准，通过PID控制算法控制温控模块的温度即可对激光器的输出功率进行温度 控制。由上式的第二行可知，两个光电探测器的探测结果之差为相位漂移δ和激光器相位噪 声

的函数，由于相位噪声

在较小的范围[-a,a]内随机变化，并且相位漂移δ是一 个缓变量，可以计算得到

的平均值为

当相位漂移为0时，两个光电探测器的探测结果之差的平均值为0，可以作为干涉仪相位的反馈控制信号。因此通过PID控制算法结合稳相模块来对双路稳相反射模块进行稳相调节，保持两个光电探测器的探测结果之差的平均值在0附近，即能够保证所调制的相位为(2m+1/2)π。

因此，通过使用两个光电探测器电信号的和与差分别作为稳定激光器输出功率和干涉仪相位差的反馈控制信号进行PID控制，相比于常规仅采用一个光电探测器的探测结果来对激光器输出功率和干涉仪相位差进行反馈控制的方案，具有更高的可靠性，大大提高了量子随机数发生器的稳定性。

如图2所示，本发明量子随机数发生器实施例一：

所述量子随机数发生器的结构为：所述干涉仪3的长短臂光纤L1和L2均为单模光纤；所述双路稳相反射模块3-3包括光纤移相器3-3-1、第一偏振分束器3-3-2和第一法拉第旋转器3-3-3；所述稳相模块9为第一稳相电路9-1，用于产生调相电压对光纤移相器3-3-1进行调相；所述第一偏振分束器3-3-2的第一端口与光纤移相器3-3-1的一个端口相连；所述光纤移相器3-3-1的另一个端口和第一偏振分束器3-3-2的第四端口分别作为双路稳相反射模块3-3的第一端口和第二端口；所述第一偏振分束器3-3-2的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与第一法拉第旋转器3-3-3的两个端口相连，构成第一萨格纳克环；所述第一法拉第旋转器3-3-3的偏转角度为90°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。所述路径选择模块2为环形器2-1，所述环形器2-1的第一端口至第三端口分别作为路径选择模块2的第一端口至第三端口。

实施例一具体过程包括为：

所述激光器1工作在阈值电流附近，产生带有自发辐射相位噪声的连续光信号，首先进入环形器2-1的第一端口，从第二端口出射，然后进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1和S2。经过时间T之后另一光信号也进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1’和S2’。由于参与干涉的光信号为S1和S2’，后续只描述二者的传播过程。S1和S2’分别从第一分束器3-1的第二端口和第三端口出射，其中S1沿长臂光纤L1经过光纤延时线3-2之后到达光纤移相器3-3-1，随后进入第一偏振分束器3-3-2的第一端口，被分成水平偏振分量S1H和竖直偏振分量S1V。

S1H从第一偏振分束器3-3-2的第三端口出射，在第一萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤慢轴传播，经过第一法拉第旋转器3-3-3之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤慢轴传播到达第一偏振分束器3-3-2的第二端口，随后从第一端口出射，变为竖直偏振，即偏振方向旋转了90°；S1V从第一偏振分束器3-3-2的第二端口出射，在第一萨格纳克环内顺时针沿保偏光纤慢轴传播，经过第一法拉第旋转器3-3-3之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤慢轴传播到达第一偏振分束器3-3-2的第三端口，随后从第一端口出射，变为水平偏振，偏振方向同样旋转了90°。二者由于经过了相同的光路，在第一偏振分束器3-3-2的第一端口处合成为一束，仍记为S1，偏振旋转了90°。S1被反射后再次经过光纤移相器和长臂光纤L1到达第一分束器3-1的第二端口，由于偏振旋转90°且往返两次经过长臂光纤L1，其作用与法拉第反射镜相同，因此可以自动补偿长臂光纤L1的偏振扰动。

S2’沿短臂光纤L2到达第一偏振分束器3-3-2的第四端口，被分成水平偏振分量S2H’和竖直偏振分量S2V’。其中S2H’从第一偏振分束器3-3-2的第三端口出射，在第一萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤快轴传播，经过第一法拉第旋转器3-3-3之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤快轴传播到达第一偏振分束器3-3-2的第二端口，随后从第四端口出射，变为竖直偏振，即偏振方向旋转了90°；S2V’从第一偏振分束器3-3-2的第二端口出射，在第一萨格纳克环内顺时针沿保偏光纤快轴传播，经过第一法拉第旋转器3-3-3之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤快轴传播到达第一偏振分束器3-3-2的第三端口，随后从第四端口出射，变为水平偏振，偏振方向同样旋转了90°。二者由于经过了相同的光路，在第一偏振分束器3-3-2的第一端口处合成为一束，仍记为S2’，偏振旋转了90°。S2’被反射后再次经过短臂光纤L2到达第一分束器3-1的第三端口，由于偏振旋转90°且往返两次经过短臂光纤L2，其作用与法拉第反射镜相同，因此可以自动补偿短臂光纤L2的偏振扰动。因此S1和S2再次分别回到第一分束器3-1的第二端口和第三端口时，二者的偏振均旋转了90°，因此仍保持一致。

由于S1到达第一偏振分束器3-3-2比S2’提前了时间T，二者分别两次经过长短臂之后S1又比S2’延迟了时间T，所以二者同时到达第一分束器3-1，因此二者的干涉结果仅由相位差决定。通过控制干涉仪两臂相位差为(2m+1/2)π并用探测器测量干涉结果的光强，滤除干涉结果电信号中的直流分量，得到的结果仅与两个信号所携带自发辐射随机相位的差有关，通过探测器测量干涉的光强涨落即可得到的相位涨落，即为激光器的相位噪声。干涉结果从第一分束器3-1的第一端口和第四端口出射，前者直接到达第二光电探测器5，后者经过路径选择模块2到达第一光电探测器4。模数转换器7将第一光电探测器4产生的电信号进行模数转换，并通过数据采集与处理模块6进行高速采样，得到随机的原始数据后采样基于快速傅里叶变换的托普利兹矩阵算法进行数据后处理，从而得到最终的量子随机数。

通过使用两个光电探测器电信号的和与差分别作为稳定激光器输出功率和干涉仪相位差的反馈控制信号进行PID控制，可以大大提高了量子随机数发生器的稳定性。

如图3所示，本发明量子随机数发生器实施例二：

所述量子随机数发生器的结构为：所述干涉仪3的长短臂光纤L1和L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块3-3包括第二偏振分束器3-3-4和半波片3-3-5；所述稳相模块9包括第二稳相电路9-2和第二温控模块9-3，用于对光纤延时线3-2温控来进行调相；所述第二偏振分束器3-3-4的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块3-3的第一端口和第二端口；所述第二偏振分束器3-3-4的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与半波片3-3-5的两个端口相连，构成第二萨格纳克环；所述半波片3-3-5的主轴与保偏光纤慢轴夹角为45°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。所述路径选择模块2包括隔离器2-2和第二分束器2-3，所述第二分束器2-3的第二端口和第三端口分别作为路径选择模块2的第二端口和第三端口；所述第二分束器2-3的第一端口与隔离器2-2的一个端口相连；所述隔离器2-2的另一个端口作为路径选择模块2的第一端口。

实施例二具体过程包括为：

所述激光器1工作在阈值电流附近，产生带有自发辐射相位噪声的连续光信号，首先经过隔离器2-2进入第二分束器2-3的第一端口，从第二端口出射，然后进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1和S2。经过时间T之后另一光信号也进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1’和S2’。由于参与干涉的光信号为S1和S2’，后续只描述二者的传播过程。

S1和S2’分别从第一分束器3-1的第二端口和第三端口出射，其中S1水平偏振分量S1H和竖直偏振分量S1V分别沿长臂光纤L1、光纤延时线3-2的慢轴和快轴传播之后到达第二偏振分束器3-3-4的第一端口。S1H从第二偏振分束器3-3-4的第三端口出射，在第二萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤慢轴传播到达半波片3-3-5，由于半波片3-3-5的主轴与保偏光纤慢轴夹角为45°，其琼斯矩阵可写为

则水平偏振经过半波片3-3-5后会变成竖直偏振，因此S1H经过半波片3-3-5后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤慢轴传播到达第二偏振分束器3-3-4的第二端口，随后从第一端口出射，变为竖直偏振，即偏振方向旋转了90°，进入干涉仪3的长臂光纤L1，沿保偏光纤快轴传播；S1V从第二偏振分束器3-3-4的第二端口出射，在第二萨格纳克环内顺时针沿保偏光纤慢轴传播，经过半波片3-3-5之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤慢轴传播到达第二偏振分束器3-3-4的第三端口，随后从第一端口出射，变为水平偏振，偏振方向同样旋转了90°，进入干涉仪3的长臂光纤L1，沿保偏光纤慢轴传播。由于S1H和S1V在第二萨格纳克环内均沿保偏光纤慢轴传播，所经历的相位相同，并且二者在长臂光纤L1往返时均经历了保偏光纤的快轴和慢轴，因此具有相同的相位，到达第一分束器3-1合成的光信号偏振与入射时相比两个偏振分量相互交换，长臂光纤L1仅仅对S1增加了整体相位，因此可以自动补偿长臂光纤L1引起的偏振扰动。

S2’的水平偏振分量S2H’和竖直偏振分量S2V’分别沿短臂光纤L2的慢轴和快轴传播之后到达第二偏振分束器3-3-4的第四端口。其中S2H’从第二偏振分束器3-3-4的第三端口出射，在第二萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤快轴传播，经过半波片3-3-5之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤快轴传播到达第二偏振分束器3-3-4的第二端口，随后从第四端口出射，变为竖直偏振，即偏振方向旋转了90°；S2V’从第二偏振分束器3-3-4的第二端口出射，在第二萨格纳克环内顺时针沿保偏光纤快轴传播，经过半波片3-3-5之后偏振旋转90°，仍沿保偏光纤快轴传播到达第二偏振分束器3-3-4的第三端口，随后从第四端口出射，变为水平偏振，偏振方向同样旋转了90°。由于S2H’和S2V’在第二萨格纳克环内均沿保偏光纤快轴传播，所经历的相位相同，并且二者在短臂光纤L2往返时均经历了保偏光纤的快轴和慢轴，因此具有相同的相位，到达第一分束器3-1合成的光信号偏振与入射时相比两个偏振分量相互交换，短臂光纤L2仅仅对S2’增加了整体相位，因此可以自动补偿短臂光纤L2引起的偏振扰动。当S1和S2’同时回到第一分束器3-1的第二端口和第三端口时，二者的偏振仍保持一致。

通过第二稳相电路9-2和第二温控模块9-3对光纤延时线3-2进行温度控制将干涉仪两臂的相位差调节为(2m+1/2)π，并用探测器测量干涉结果的光强，滤除干涉结果电信号中的直流分量，得到的结果仅与两个信号所携带自发辐射随机相位的差有关，通过探测器测量干涉的光强涨落即可得到的相位涨落，即为激光器的相位噪声。干涉结果从第一分束器3-1的第一端口和第四端口出射，前者直接到达第二光电探测器5，后者经过第二分束器2-3被分成两路幅度相同的分量，其中一个分量从第二分束器2-3的第三端口出射，到达第一光电探测器4；另一个分量从第二分束器2-3的第一端口出射，由于存在隔离器2-2的存在，其会被损耗掉，不会进入激光器。模数转换器7将第一光电探测器4产生的电信号进行模数转换，并通过数据采集与处理模块6进行高速采样，得到随机的原始数据后采样基于快速傅里叶变换的托普利兹矩阵算法进行数据后处理，从而得到最终的量子随机数。

通过使用两个光电探测器电信号的和与差分别作为稳定激光器输出功率和干涉仪相位差的反馈控制信号进行PID控制，可以大大提高了量子随机数发生器的稳定性。

如图4所示，本发明量子随机数发生器实施例三：

所述量子随机数发生器的结构为：所述干涉仪3的长短臂光纤L1和L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块3-3包括第三偏振分束器3-3-6和保偏光纤环3-3-7；所述稳相模块9包括第三稳相电路9-4和第三温控模块9-5，用于对上述保偏光纤环3-3-7温控来进行调相；所述第三偏振分束器3-3-6的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块3-3的第一端口和第二端口；所述第三偏振分束器3-3-6的第二端口和第三端口通过保偏光纤与保偏光纤环3-3-7相连，构成第三萨格纳克环。所述路径选择模块2为第四偏振分束器2-4，所述第四偏振分束器2-4的第一端口、第二端口和第三端口分别作为路径选择模块2的第一端口、第二端口和第三端口。

实施例三具体过程包括为：

所述激光器1工作在阈值电流附近，产生带有自发辐射相位噪声的连续光信号，为水平偏振，首先进入第四偏振分束器2-4透射，由于第四偏振分束器2-4的第二端口与第一分束器3-1的第四端口之间为保偏光纤连接，光信号从第四偏振分束器2-4的第二端口出射沿保偏光纤慢轴传播，随后进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1和S2。经过时间T之后另一光信号也进入第一分束器3-1的第四端口，被分为幅度相等、偏振相同的两路光信号S1’和S2’。由于参与干涉的光信号为S1和S2’，后续只描述二者的传播过程。

S1从第一分束器3-1的第二端口出射，其中S1沿长臂光纤L1、光纤延时线3-2的慢轴传播之后到达第三偏振分束器3-3-6的第一端口，从其第三端口出射，在第三萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤环3-3-7的慢轴传播到达第三偏振分束器3-3-6的第二端口，随后从第一端口出射，偏振方向旋转了90°，进入干涉仪3的长臂光纤L1和光纤延时线3-2沿保偏光纤快轴传播，最后到达第一分束器3-1的第二端口。

S2’从第一分束器3-1的第三端口出射，沿短臂光纤L2的慢轴传播之后到达第三偏振分束器3-3-6的第四端口，从其第三端口出射，在第三萨格纳克环内逆时针沿保偏光纤环3-3-7的快轴传播，到达第三偏振分束器3-3-6的第二端口，随后从第四端口出射，偏振方向旋转了90°，沿短臂光纤L2的保偏光纤快轴传播，最后到达第一分束器3-1的第二端口。

当S1和S2’同时回到第一分束器3-1的第二端口和第三端口时，二者均沿保偏光纤快轴传播，因此偏振仍保持一致。

通过第三稳相电路9-4和第三温控模块9-5对保偏光纤环3-3-7进行温度控制将干涉仪两臂的相位差调节为(2m+1/2)π，保偏光纤环3-3-7的长度为L，则光信号在其慢轴和快轴传播时经历的相位分别为

其中，

分别为保偏光纤慢轴和快轴的折射率，λ为光信号的波长。由于走长 臂光纤L1和短臂光纤L2的光信号在保偏光纤环3-3-7内分别沿慢轴和快轴传播，因此S1和 S2’ 同时回到第一分束器3-1的第二端口和第三端口时在干涉仪内所经历的相位差为

其中，θ为干涉仪长短臂光纤的相位差，B为保偏光纤的快慢轴折射率差。上式可以写成关于温度的函数形式

其中，ΔT为温度变化量，

为双折射的温度系数，

为光纤长度的温度系数。当保偏光纤环3-3-7的长度L=3m时，在 温度变化1℃的情况下其所引入的相位差变化超过2.28π，已经能够覆盖一个相位变化周 期，因此可以补偿干涉仪不等臂所引入的相位差，同时可以通过精确的温度控制来进行相 位补偿。

用探测器测量干涉结果的光强，滤除干涉结果电信号中的直流分量，得到的结果仅与两个信号所携带自发辐射随机相位的差有关，通过探测器测量干涉的光强涨落即可得到的相位涨落，即为激光器的相位噪声。干涉结果从第一分束器3-1的第一端口和第四端口出射，前者直接到达第二光电探测器5，后者到达第四偏振分束器2-4的第二端口，由于沿保偏光纤快轴传播，被其反射到第三端口，到达第一光电探测器4进行探测。模数转换器7将第一光电探测器4产生的电信号进行模数转换，并通过数据采集与处理模块6进行高速采样，得到随机的原始数据后采样基于快速傅里叶变换的托普利兹矩阵算法进行数据后处理，从而得到最终的量子随机数。

通过使用两个光电探测器电信号的和与差分别作为稳定激光器输出功率和干涉仪相位差的反馈控制信号进行PID控制，可以大大提高了量子随机数发生器的稳定性。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，通过采用双路稳相反射模块，使沿干涉仪长短臂传播的两路光信号经过相同的反射器件，从而使得二者的偏振保持完全一致，进而提高干涉仪的干涉稳定性。另外，使用两个光电探测器的电信号之差作为干涉仪相位补偿的反馈信号，同时将两个光电探测器的电信号之和作为激光器功率稳定控制的反馈信号，来对光学***进行整体的稳定控制，从而可以进一步提升整个***的稳定性和实用性。

Claims (7)

1.一种基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，包括激光器（1）、路径选择模块（2）、干涉仪（3）、第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）、数据采集与处理模块（6）、模数转换器（7）、第一温控模块（8）以及稳相模块（9），所述干涉仪（3）包括第一分束器（3-1）、光纤延时线（3-2）和双路稳相反射模块（3-3）；所述激光器（1）的输出端口与路径选择模块（2）的第一端口相连；所述路径选择模块（2）的第三端口、第二端口分别连接第一光电探测器（4）、第一分束器（3-1）的第四端口；所述第一分束器（3-1）的第一端口与第二光电探测器（5）相连；所述第一分束器（3-1）的第二端口通过光纤、光纤延时线（3-2）与双路稳相反射模块（3-3）的第一端口相连，构成干涉仪（3）的长臂，其中，光纤、光纤延时线（3-2）连接为长臂光纤L1；所述第一分束器（3-1）的第三端口通过短臂光纤L2与双路稳相反射模块（3-3）的第二端口相连，构成干涉仪（3）的短臂；所述双路稳相反射模块（3-3）用于将输入的光信号反射，并将偏振方向旋转90°；所述数据采集与处理模块（6）的输入端分别连接第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）以及模数转换器（7）的输出端，所述模数转换器（7）的输入端连接第一光电探测器（4），所述数据采集与处理模块（6）的输出端分别连接第一温控模块（8）以及稳相模块（9）的输入端，所述稳相模块（9）的输出端连接双路稳相反射模块（3-3），所述激光器（1）与第一温控模块（8）连接，所述数据采集与处理模块（6）用于采集第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）的输出电信号以及模数转换器（7）将第一光电探测器（4）输出模拟信号转换成的数字信号进行运算和后处理，并为第一温控模块（8）和稳相模块（9）提供反馈控制信号；所述第一温控模块（8）的反馈控制信号为第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）产生的电信号之和，用于稳定控制激光器（1）的输出功率；所述稳相模块（9）的反馈控制信号为第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）产生的电信号之差，用于产生调相电压来控制双路稳相反射模块进行调相。

2.如权利要求1所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉仪（3）的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为单模光纤；所述双路稳相反射模块（3-3）包括光纤移相器（3-3-1）、第一偏振分束器（3-3-2）和第一法拉第旋转器（3-3-3）；所述稳相模块（9）为第一稳相电路（9-1），用于产生调相电压对光纤移相器（3-3-1）进行调相；所述第一偏振分束器（3-3-2）的第一端口与光纤移相器（3-3-1）的一个端口相连；所述光纤移相器（3-3-1）的另一个端口和第一偏振分束器（3-3-2）的第四端口分别作为双路稳相反射模块（3-3）的第一端口和第二端口；所述第一偏振分束器（3-3-2）的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与第一法拉第旋转器（3-3-3）的两个端口相连，构成第一萨格纳克环；所述第一法拉第旋转器（3-3-3）的偏转角度为90°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。

3.如权利要求1所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉仪（3）的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块（3-3）包括第二偏振分束器（3-3-4）和半波片（3-3-5）；所述稳相模块（9）包括第二稳相电路（9-2）和第二温控模块（9-3），用于对光纤延时线（3-2）温控来进行调相；所述第二偏振分束器（3-3-4）的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块（3-3）的第一端口和第二端口；所述第二偏振分束器（3-3-4）的第二端口和第三端口分别通过保偏光纤与半波片（3-3-5）的两个端口相连，构成第二萨格纳克环；所述半波片（3-3-5）的主轴与保偏光纤慢轴夹角为45°，并且两个端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。

4.如权利要求1所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉仪（3）的长臂光纤L1和短臂光纤L2均为保偏光纤；所述双路稳相反射模块（3-3）包括第三偏振分束器（3-3-6）和保偏光纤环（3-3-7）；所述稳相模块（9）包括第三稳相电路（9-4）和第三温控模块（9-5），用于对所述保偏光纤环（3-3-7）温控来进行调相；所述第三偏振分束器（3-3-6）的第一端口和第四端口分别作为双路稳相反射模块（3-3）的第一端口和第二端口；所述第三偏振分束器（3-3-6）的第二端口和第三端口通过保偏光纤与保偏光纤环（3-3-7）相连，构成第三萨格纳克环。

5.如权利要求1或2或3或4所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述路径选择模块（2）为环形器（2-1），所述环形器（2-1）的第一端口至第三端口分别作为路径选择模块（2）的第一端口至第三端口。

6.如权利要求1或2或3或4所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述路径选择模块（2）包括隔离器（2-2）和第二分束器（2-3），所述第二分束器（2-3）的第二端口和第三端口分别作为路径选择模块（2）的第二端口和第三端口；所述第二分束器（2-3）的第一端口与隔离器（2-2）的一个端口相连；所述隔离器（2-2）的另一个端口作为路径选择模块（2）的第一端口。

7.如权利要求1或2或3或4所述的基于激光相位噪声的量子随机数发生器，其特征在于，所述路径选择模块（2）为第四偏振分束器（2-4），所述第四偏振分束器（2-4）的第一端口、第二端口和第三端口分别作为路径选择模块（2）的第一端口、第二端口和第三端口。

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