JP6992819B2 - 乱数発生回路および乱数発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、乱数を発生する技術に関するものであり、特に、レーザーから出力する光を元に乱数を発生する技術に関するものである。

情報通信技術の発達とともに暗号化等において大きな数値の乱数を得る必要性が高くなっている。また、ビッグデータの解析技術やＡＩ（Artificial Intelligence）に関する技術の発達によって、予測や推測をされにくい乱数を得ることが重要になっている。また、暗号化等の処理が様々な装置において行われるようになっているため、乱数を発生する乱数発生回路は、小型でできるだけ簡略化された構成であることが望ましい。

予測や推測をされにくい乱数を得る方法として、擬似的に発生させた乱数ではなく、偶発性の高い自然現象から乱数を得る方法がある。自然現象を利用して乱数を得る技術の１つとして、レーザーから出力した光を元に、乱数を得る技術がある。そのような、レーザーから出力した光を元に乱数を取得する技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。

特許文献１の乱数発生回路は、レーザーと、鏡を備えるカオスレーザー発振器から出力された光を元に乱数を生成している。特許文献１のカオスレーザー発振器は、レーザーから出力された光を鏡によって反射させ、レーザーに入射することによって動作する。特許文献１の乱数発生回路は、カオスレーザー発振器から出力したパワーの変動を元に２値の乱数を生成している。

特開２００９－２３０２００号公報

しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の乱数発生回路では、カオスレーザーとしての機能を発現させるためレーザーから出力された光を鏡で反射してレーザーに入射する光学経路と、レーザーから出力された光を受光して電気信号に変換する光学経路を必要とする。よって、複雑な光学系を精度よく形成することが必要なために、乱数発生回路の構成が複雑化する恐れがある。そのため、特許文献１の技術は、予測が困難な乱数を、回路構成を複雑化することなく得るための技術としては十分ではない。

本発明は、上記の課題を解決するため、予測が困難な乱数を、回路構成を複雑化することなく得ることができる乱数発生回路を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の乱数発生回路は、光出力手段と、受光手段と、電流電圧変換手段と、比較手段と、サンプリング手段と、出力手段を備えている。光出力手段は、所定の波長の光を出力する。受光手段は、光を受光し、電流信号に変換する。電流電圧変換手段は、電流信号を電圧信号に変換する。比較手段は、基準電圧と比較して電圧信号を２値の信号に変換する。サンプリング手段は、光の雑音の周波数を基に設定された周期で、比較手段が変換した２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換する。出力手段は、ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力する。

本発明の乱数発生方法は、所定の波長の光を出力し、光を受光し、電流信号に変換し、電流信号を電圧信号に変換し、基準電圧と比較して電圧信号を２値の信号に変換する。本発明の乱数発生方法は、光の雑音の周波数を基に設定された周期で、変換した２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換し、ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力する。

本発明によると、予測が困難な乱数を、回路構成を複雑化することなく得ることができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の制御部の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の乱数発生システムの構成の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるレーザーダイオードが出力する光のパワーと電流の関係の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるフィルタ特性の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における電流電圧変換回路の特性の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるサンプリングのタイミングの例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における電圧信号の振幅と検出頻度の関係の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるサンプリング部の入力信号と出力信号の例を示す図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の乱数生成回路の構成の概要を示したものである。本実施形態の乱数発生回路は、光出力手段１と、受光手段２と、電流電圧変換手段３と、比較手段４と、サンプリング手段５と、出力手段６を備えている。光出力手段１は、所定の波長の光を出力する。受光手段２は、光を受光し、電流信号に変換する。電流電圧変換手段３は、電流信号を電圧信号に変換する。比較手段４は、基準電圧と比較して電圧信号を２値の信号に変換する。サンプリング手段５は、光の雑音の周波数を基に設定された周期で、比較手段４が変換した２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換する。出力手段６は、ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力する。

本実施形態の乱数生成回路は、光出力手段１から出力した光を、受光手段２において受光して電流信号とし、電流電圧変換手段３において電圧信号に変換している。また、本実施形態の乱数生成回路は、サンプリング手段５において、比較手段４が電圧信号から変換した２値の信号を光の雑音の周波数を基に設定された周期でサンプリングしてビットデータに変換している。このように、本実施形態の乱数生成回路は、光から変換した電圧信号を光の雑音の周波数を基に設定された周期でサンプリングすることで、回路構成を複雑化することなく乱数を出力することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の乱数発生回路の構成の概要を示したものである。本実施形態の乱数発生回路１００は、光モジュール１０と、制御部２０と、比較部３１と、サンプリング部３２と、反転部３３と、電流電圧変換部３４と、Ａ／Ｄ変換部３５を備えている。また、乱数発生回路１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と接続され、ＣＰＵに生成した乱数のデータと乱数の元にした光の状態に関する情報が出力される。

光モジュール１０は、光出力部１１と、光波長フィルタ部１２と、受光部１３と、監視用受光部１４と、温度調整部１５と、温度監視部１６をさらに備えている。光モジュール１０の光出力部１１、光波長フィルタ部１２、受光部１３および監視用受光部１４は、同一の基板上に形成され、光学系にずれが生じないように固定されている。また、光モジュール１０の全ての部位は、筐体内に収納されている。

光出力部１１は、レーザーダイオードと、レーザーダイオードに電流を供給する電流源を備え、所定の波長の光を出力する。光出力部１１が出力する光のパワーは、電流源が供給する電流値によって制御される。電流源が供給する電流の電流値は、制御部２０から送られてくる電流制御信号Ｓ１１に基づいて設定される。光出力部１１から出力された光は、光波長フィルタ部１２に入力される。また、電流源が光モジュール１０の外部に備えられ、光モジュール１０の内部のレーザーダイオードに電流源から電流が供給される構成であってもよい。

光出力部１１が出力する光の波長は、監視用受光部１４で計測される光の波長を基に補正されてもよい。そのような構成とする場合には、光出力部１１には、波長が可変な光出力モジュールが用いられる。監視用受光部１４で計測される光の波長を基に光出力部１１が出力する光の波長を補正することで、経年変化や温度変化によって波長特性が変化した際にも、品質の高い乱数の取得を継続することができる。

光波長フィルタ部１２は、光出力部１１から入力される所定の波長の光を通過させるバンドパスフィルタとして備えられている。光波長フィルタ部１２は、例えば、誘電体多層膜フィルタを用いることができる。光波長フィルタ部１２においてフィルタ処理が施された光は、分岐されて受光部１３と監視用受光部１４に入力される。

受光部１３は、フォトダイオードを備え、光波長フィルタ部１２から入力される光を電流信号に変換する。フォトダイオードには、ＤＣバイアス回路が接続され、バイアス電圧が印加されている。受光部１３において光から変換された電流信号は、電流信号Ｓ１５として電流電圧変換部３４に入力される。また、光出力部１１の光の波長の補正が行われる構成の場合には、補正の状態を示す情報が制御部２０を介してＣＰＵに送られ、ＣＰＵに光出力部１１の機能の正常性が通知される。

監視用受光部１４は、光波長フィルタ部１２から入力される光の波長を計測し、光波長フィルタ部１２を通過した光の波長の設定値とのずれを監視するためのデータを取得する。監視用受光部１４は、モノクロメーターを備え、入力される光のスペクトルを計測する。監視用受光部１４において計測される光のスペクトルを基に、光のパワーがピークを示す波長を検出することで入力される光の波長が特定される。監視用受光部１４は、計測した光のスペクトルの情報を監視結果信号Ｓ１６として制御部２０に出力する。

温度調整部１５は、光モジュール１０内の温度を設定温度に保つ機能を有する。温度調整部１５は、ペルチェ素子を備え、光モジュール１０内の温度が設定温度になるように調整する。温度調整部１５は、制御部２０から送られてくる温度制御信号Ｓ１２に基づいて動作することで、光モジュール１０の筐体内部の加熱または冷却を行う。

温度監視部１６は、光モジュール１０内の温度を計測し、計測した温度データを制御部２０に温度計測信号Ｓ１３として送る。

制御部２０の構成について説明する。図３は、本実施形態の制御部２０の構成の概要を示したものである。制御部２０は、光出力制御部２１と、サンプリング制御部２２と、温度制御部２３と、比較検証部２４と、出力部２５を備えている。制御部２０の各部位間は、バスによって接続されている。また、制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの半導体装置によって構成されている。

光出力制御部２１は、受光部１３において受光される光のパワーの平均が設定値となるように光出力部１１から出力される光のパワーを制御する。光出力制御部２１は、Ａ／Ｄ変換部３５からデジタル変換信号Ｓ２２として入力される光のパワーの値を基に、受光部１３が受光する光のパワーが一定になるように、光出力部１１における電流値の増減値を判断する。光出力制御部２１は、受光部１３が受光する光のパワーが一定になるように設定した光出力部１１の電流値の情報を光出力部１１に電流制御信号Ｓ１１として送る。

サンプリング制御部２２は、比較部３１が「Ｌｏｗ」と「Ｈｉｇｈ」を判断する際の基準となる基準電圧のアナログ信号を閾値電圧信号Ｓ１４として比較部３１に送る。サンプリング制御部２２は、サンプリング結果信号Ｓ１９として入力される信号の「Ｌｏｗ」と「Ｈｉｇｈ」の割合が１：１になるように閾値となる基準電圧を判断する。また、サンプリング制御部２２は、サンプリング部３２におけるサンプリングの周期を示すクロックをサンプリング周期信号Ｓ１７としてサンプリング部３２に送る。

サンプリングの周期は、光出力部１１のレーザーダイオードから出力される光の雑音の周期と光／電気変換の回路周波数特性に応じて設定されている。サンプリングの周期は、サンプリング部３２でサンプリングされる「Ｌｏｗ」と「Ｈｉｇｈ」の信号の割合に応じて可変としてもよい。

温度制御部２３は、光モジュール１０内の温度が設定値になるように温度調整部１５を制御する。温度制御部２３は、温度監視部１６から温度計測信号Ｓ１３として送られてくる温度データを基に、温度の増減値を判断する。温度制御部２３は、温度の増減値を基に温度調整部１５の設定温度を示す信号を生成し温度制御信号Ｓ１２として温度調整部１５に送る。

比較検証部２４は、サンプリング部３２からサンプリング結果信号Ｓ１９として入力されるデータを監視し、生成された乱数が統計的に適しているかを判断し、判断結果の情報を品質データとして生成する。比較検証部２４は、例えば、米国商務省標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology：ＮＩＳＴ)が定めているＮＩＳＴ ＳＰ８００－２２に基づいた乱数検定を行うことで乱数としての品質を確認する。品質データは、例えば、乱数が統計的に適しているかを示す指数によって構成されている。

比較検証部２４は、監視用受光部１４から監視結果信号Ｓ１６として送られてくる光の波長のデータを基に、光出力部１１が出力する波長として設定されている所定の波長とのずれを監視する。比較検証部２４は、監視用受光部１４が受光した光の波長または所定の波長からのずれ量を品質データに付加して出力部２５に送る。

出力部２５は、乱数用のデータとして生成したビット列のデータを、乱数を用いた暗号化等の処理を行う外部のＣＰＵ等に出力信号Ｓ１００として出力する。また、比較検証部２４が生成した品質データを、ＣＰＵ等からの要求信号Ｓ２００として送られてくる要求に基づいてＣＰＵ等に出力信号Ｓ１００として出力する。

比較部３１は、入力された信号を比較し、比較結果を比較結果信号Ｓ１８として出力する機能を有する。比較部３１は、コンパレータを用いて形成されている。比較部３１は、サンプリング制御部２２から閾値電圧信号Ｓ１４として入力される信号の電圧と、電流電圧変換部３４から電圧信号Ｓ２１として入力される信号の電圧を比較する。比較部３１は、閾値電圧信号Ｓ１４よりも電圧信号Ｓ２１が大きいときは「Ｈｉｇｈ」の信号を比較結果信号Ｓ１８として出力する。また、比較部３１は、電圧信号Ｓ２１の電圧が閾値電圧信号Ｓ１４の電圧以下であるとき「Ｌｏｗ」の信号を比較結果信号Ｓ１８として出力する。比較部３１から出力された信号は２つの経路に分岐され、一方はサンプリング部３２に直接、入力され、もう一方は、反転部３３を介してサンプリング部３２に入力される。

反転部３３は、比較結果信号Ｓ１８として入力される信号を反転して出力する。反転部３３は、インバータを用いて形成されている。反転部３３は、「Ｈｉｇｈ」の入力信号を「Ｌｏｗ」の信号に変換し、「Ｌｏｗ」の入力信号を「Ｈｉｇｈ」にそれぞれ変換して反転信号Ｓ２０として出力する。反転部３３は、反転した信号を反転信号Ｓ２０としてサンプリング部３２に送る。

電流電圧変換部３４は、入力される電流信号Ｓ１５を電圧信号に変換して電圧信号Ｓ２１として出力する電流電圧変換回路として形成されている。

Ａ／Ｄ変換部３５は、電流電圧変換部３４から電圧信号Ｓ２１として入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル変換信号Ｓ２２として制御部２０に出力する。Ａ／Ｄ変換部３５は、電流電圧変換部３４から入力される電圧信号Ｓ２１の電圧値の情報を、デジタル信号の形式でデジタル変換信号Ｓ２２として制御部２０に出力する。

図４は、本実施形態の乱数発生回路１００と、ＣＰＵ２００を用いて形成された乱数発生システムの構成の例を示したものである。ＣＰＵ２００は、乱数発生回路１００に乱数のデータまたは乱数の発生状況の情報を要求する信号を要求信号Ｓ２００として送る。乱数発生回路１００は、要求信号Ｓ２００への応答として、乱数のデータまたは乱数の発生状況の情報を出力信号Ｓ１００として送る。ＣＰＵ２００は、乱数発生回路１００から取得したビット列のデータを乱数として用いて暗号化等の各処理を実行する。また、ＣＰＵ２００は、品質データを乱数発生回路１００に要求し、応答として品質データを受け取ることで、乱数発生回路１００における乱数の発生状況を監視する。

本実施形態の乱数発生回路の動作について説明する。乱数発生回路１００が動作を開始すると、制御部２０の光出力制御部２１は、電流源がレーザーダイオード供給する電流値を示す信号を電流制御信号Ｓ１１として、光モジュール１０の光出力部１１に送る。電流源がレーザーダイオードに供給する電流値の初期値は、あらかじめ設定されている。電流源がレーザーダイオードに供給する電流値の初期値には、前回、動作していた際に設定されていた値が記憶されて用いられてもよい。

電流制御信号Ｓ１１を受け取ると、光出力部１１は、電流制御信号Ｓ１１に示されている電流値の電流を電流源からレーザーダイオードに供給し、あらかじめ設定された波長の連続光を出力する。図５は、光出力部１１のレーザーダイオードに流れる電流と出力される光のパワーの関係の例を示したものである。

光出力部１１から出力された光は、光波長フィルタ部１２に入力される。光が入力されると、光波長フィルタ部１２は、フィルタ処理を施して設定された帯域の光のみを通過させる。また、光波長フィルタ部１２は、フィルタ処理を施した光を２つに分岐し、受光部１３と、監視用受光部１４にそれぞれ出力する。

図６は、光波長フィルタ部１２のフィルタ特性の例を示したものである。図６の横軸は、光の周波数、縦軸は、周波数ごとの光の透過率を示している。光波長フィルタ部１２が透過する光の波長は、光出力部１１が出力する光の波長に合わせて設定されている。

監視用受光部１４に光が入力されると、監視用受光部１４は、入力された光のスペクトルを計測し、計測結果を監視結果信号Ｓ１６として制御部２０の比較検証部２４に送る。

受光部１３に入力された光は、フォトダイオードによって電流信号に変換され電流信号Ｓ１５として電流電圧変換部３４に送られる。

電流信号Ｓ１５が入力されると、電流電圧変換部３４は、入力された電流信号を電圧信号に変換し、変換した電圧信号を電圧信号Ｓ２１として出力する。電流電圧変換部３４から出力された電圧信号Ｓ２１は、２つの経路に分岐されて、比較部３１と、Ａ／Ｄ変換部３５にそれぞれ送られる。

図７は、乱数発生回路１００の電流電圧変換部３４における電流電圧変換回路の特性の例を示した図である。図７は、電流から電圧への変換効率を周波数ごとに示した図である。図７の横軸は、電気信号の周波数、縦軸は、入力される電流信号の電流値が同一であるとした場合における電流から電圧への変換効率を示している。

Ａ／Ｄ変換部３５に電圧信号Ｓ２１として入力された信号は、デジタル信号に変換され、入力された電圧信号Ｓ２１の電圧値の情報がデジタル変換信号Ｓ２２として制御部２０の光出力制御部２１に入力される。

比較部３１に電圧信号Ｓ２１が入力されると、比較部３１は、電圧信号Ｓ２１の電圧と、制御部２０のサンプリング制御部２２から基準電圧を示す信号として入力される閾値電圧信号Ｓ１４の電圧を比較する。

基準電圧よりも電圧信号Ｓ２１の電圧が高いとき、比較部３１は「Ｈｉｇｈ」の信号を出力する。電圧信号Ｓ２１の電圧が基準電圧以下であったとき、比較部３１は「Ｌｏｗ」の信号を比較結果信号Ｓ１８として出力する。比較部３１から出力された比較結果信号Ｓ１８は、２つに分岐され、一方は、サンプリング部３２に直接、入力され、もう一方は、反転部３３に入力される。

図８は、比較部３１のコンパレータに入力される信号の例を示したものである。図８のＶｃｏｍｐは、基準電圧を示している。また、図８の横軸は、サンプリングが行われる時間、縦軸は、入力される信号の電圧を示している。

図９は、サンプリング部３２の入力信号の振幅と、振幅ごとの出現頻度の関係を示したものである。図９の「Ｈ出力」は、「Ｈｉｇｈ」の信号に相当し、「Ｌ出力」は、「Ｌｏｗ」の信号に相当する。図９に示すように、基準電圧であるＶｃｏｍｐを適正に設定することで、「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」がほぼ等しい頻度で検出されることが期待される。

比較結果信号Ｓ１８が入力されると、反転部３３は、入力された信号の電位の「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」を反転し、反転した信号を反転信号Ｓ２０としてサンプリング部３２に出力する。

比較結果信号Ｓ１８と反転信号Ｓ２０が入力されると、サンプリング部３２は、入力された信号のサンプリングを行う。サンプリング部３２は、比較結果信号Ｓ１８と反転信号Ｓ２０から入力されるそれぞれの信号の「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」を判別し、比較結果信号Ｓ１８と反転信号Ｓ２０から入力される信号を交互にサンプリングする。サンプリング部３２は、制御部２０からサンプリング周期信号Ｓ１７として送られてくるサンプリングのタイミングを示す信号に基づいて入力された信号のサンプリングを行う。

図１０は、比較結果信号Ｓ１８と反転信号Ｓ２０の状態と、サンプリング部３２から出力される信号の関係を示したものである。図１０の「比較部出力」は、比較部３１からサンプリング部３２に入力される比較結果信号Ｓ１８の信号の状態を示している。また、図１０の「反転部出力」は、反転部３３からサンプリング部３２に入力される反転信号Ｓ２０の信号の状態を示している。図１０の「サンプリング部の出力」は、サンプリング部３２から出力されるサンプリング結果信号Ｓ１９の信号の状態を示している。図１０では、比較結果信号Ｓ１８と反転信号Ｓ２０が交互にサンプリングされ、サンプリング部３２から出力されている。

サンプリングの周期は、光出力部１１における光のパワーの制御の周期および受光部１３や電流電圧変換部３４の特性等に基づいて設定されている。サンプリングの周期は、光出力部１１の光のパワーの制御の周期に影響されないように、例えば、サンプリングの周期の方が短くなるように設定される。また、サンプリングの周期は、受光部１３における光／電気変換が反応できる周期の範囲内および電流電圧変換部３４の周波数特性の範囲内で設定される。サンプリングの周期は、乱数の発生状況に基づいて可変に設定される構成としてもよい。そのような構成とする場合に、制御部２０は、例えば、サンプリング制御部２２において基準電圧を設定する際に、「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」の発生率を基にサンプリング周期を判断する構成とすることができる。

サンプリング部３２は、サンプリングしたビットデータを、サンプリングした順に並べたビット列のデータを生成し、制御部２０の比較検証部２４にサンプリング結果信号Ｓ１９として送る。

サンプリング結果信号Ｓ１９を受け取ると、制御部２０の出力部２５は、受け取ったビット列のデータを乱数のデータとしてＣＰＵ２００に出力する。

また、制御部２０の比較検証部２４は、サンプリング結果信号Ｓ１９を解析し、乱数のデータとしての生成された乱数が統計的に適しているかを判断し、判断結果の情報を品質データとして生成する。制御部２０は、ＣＰＵ２００の要求に基づいて、生成した品質データをＣＰＵ２００に送る。以上の動作を繰り返すことで、乱数発生回路１００は、乱数発生用のデータをＣＰＵ２００に供給することができる。

また、上記の乱数発生用のデータの生成を行っている際に、制御部２０の光出力制御部２１は、光出力部１１から出力される光のパワーの制御を行う。制御部２０は、デジタル変換信号Ｓ２２として入力される受光部１３における光のパワーの情報を基に、受光部１３が受光する光のパワーの平均値が一定となるように光出力部１１から出力されている光のパワーを制御する。受光部１３が受光する光のパワーの平均値が設定値となるように制御することで、光のパワーのゆらぎを基に品質の高い乱数を生成することができる。制御部２０は、光波長フィルタ部１２のフィルタ特性および分岐比の情報と、受光部１３における光のパワーの変化量と、光出力部１１が出力する光のパワーの調整量の関係を示す情報をあらかじめ記憶している。制御部２０は、光出力部１１が出力する光のパワーを調整する制御信号を生成し、生成した制御信号を電流制御信号Ｓ１１として光出力部１１に送る。制御部２０は、受光部１３において受光される光のパワーの平均値があらかじめ設定された基準値となるように、ＡＰＣ（Automatic Power Control）によって光出力部１１を制御する。光出力部１１が電流制御信号Ｓ１１に基づいて出力する光のパワーを調整することで、受光部１３において受光される光のパワーは一定に保たれる。

また、上記の乱数発生用のデータの生成を行っている際に、制御部２０の温度制御部２３は、光モジュール１０内の温度の制御を行う。乱数発生回路１００が動作しているとき、光モジュール１０の温度監視部１６は、光モジュール１０内の温度を計測し、計測した温度の情報を温度計測信号Ｓ１３として制御部２０の温度制御部２３に送る。温度制御部２３は、温度監視部１６から温度計測信号Ｓ１３として入力される光モジュール１０内の温度の情報を基に、光モジュール１０内の温度が設定値となるように温度調整部１５の制御を行う。温度制御部２３は、温度調整部１５の温度の調整量を示す制御信号を温度制御信号Ｓ１２として温度調整部１５に送る。温度調整部１５は、温度制御信号Ｓ１２に基づいて、ペルチェ素子の温度を変化させ、光モジュール１０内の温度を調整する。温度調整部１５が光モジュール１０内の温度を設定値に保つことで、光出力部１１の出力する光の波長およびパワーが安定化する。

上記の乱数発生用のデータの生成を行っている際に、サンプリング制御部２２は、サンプリング結果信号Ｓ１９を基にサンプリングされたビット列のデータを監視する。サンプリング制御部２２は、監視結果を基に比較部３１における基準電圧を決定する。サンプリング制御部２２は、「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」の発生率が１：１となるように基準電圧を調整する。サンプリング制御部２２は、所定の時間または所定のデータ量のデータを基に、「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」の発生率を算出する。「Ｈｉｇｈ」の発生率が高いときに、サンプリング制御部２２は、基準電圧が高くなるように設定する。また、「Ｌｏｗ」の発生率が高いときに、サンプリング制御部２２は、基準電圧が低くなるように設定する。サンプリング制御部２２は、あらたな基準電圧を設定すると、あらたに設定した基準電圧を示す信号を閾値電圧信号Ｓ１４として、比較部３１に出力する。閾値電圧信号Ｓ１４は、アナログ信号に変換して出力される。アナログ信号への変換部は、制御部２０の外に備えられていてもよい。

また、上記の乱数発生用のデータの生成を行っている際に、制御部２０の比較検証部２４は、乱数用のデータの品質データの生成の他に、光出力部１１から出力される光の監視を行う。比較検証部２４は、監視結果信号Ｓ１６に含まれる光の波長と、あらかじめ設定されている光の波長とのずれを監視し、波長のずれの情報を生成する。また、比較検証部２４は、監視結果信号Ｓ１６に含まれる光のパワーの情報を抽出する。比較検証部２４は、光の波長のずれとパワーの情報を出力部２５に送る。出力部２５は、ＣＰＵ２００の要求に応じて光の波長のずれとパワーの情報をＣＰＵ２００に出力信号Ｓ１００として送信する。

本実施形態の乱数発生回路１００は、サンプリング部３２において光出力部１１から出力される光の雑音の周期に基づいたサンプリング周期で、光から変換された電圧信号のサンプリングを行っている。また、サンプリングを行う際の基準電圧を、「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」の検出割合が１：１となるように設定しているので、光の雑音を元にしたランダム性の高い乱数を得ることができる。

本実施形態の乱数発生回路１００は、比較部３１のコンパレータからの出力を２つに分岐し、一方を反転部３３のインバータにおいて反転している。また、本実施形態の乱数発生回路１００は、２つに分岐した信号についてサンプリング部３２において、反転していない信号と反転した信号を交互にサンプリングしている。そのような方法でサンプリングすることで、サンプリングされた信号の「Ｈｉｇｈ」と「Ｌｏｗ」の割合は、より１：１に近づくため乱数としての品質が向上する。

また、本実施形態の乱数発生回路１００は、乱数の品質を検証し、検証結果と、乱数の元にした光の状態の情報をＣＰＵ２００に出力している。乱数の品質の検証結果を出力することで、乱数を利用するＣＰＵ２００は、乱数の品質と乱数の発生源である光出力部１１の健全性を把握して暗号化等の処理に用いることができる。

また、本実施形態の乱数発生回路１００において、比較検証部２４で得られた乱数列に線形帰還シフトレジスタ等でスクランブルをかけてもよい。そのような構成とすることで、さらにランダム性が向上し安定した品質の乱数を得ることができる。

以上より、本実施形態の乱数発生回路１００は、回路構成を複雑化することなく、自然現象を元にした予測が困難な乱数を、乱数の品質の検証結果とともに提供することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１７年１１月２８日に出願された日本出願特願２０１７－２２８２９９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 光出力手段
２ 受光手段
３ 電流電圧変換手段
４ 比較手段
５ サンプリング手段
６ 出力手段
１０ 光モジュール
１１ 光出力部
１２ 光波長フィルタ部
１３ 受光部
１４ 監視用受光部
１５ 温度調整部
１６ 温度監視部
２０ 制御部
２１ 光出力制御部
２２ サンプリング制御部
２３ 温度制御部
２４ 比較検証部
２５ 出力部
３１ 比較部
３２ サンプリング部
３３ 反転部
３４ 電流電圧変換部
３５ Ａ／Ｄ変換部
１００ 乱数発生回路
２００ ＣＰＵ
Ｓ１１ 電流制御信号
Ｓ１２ 温度制御信号
Ｓ１３ 温度計測信号
Ｓ１４ 閾値電圧信号
Ｓ１５ 電流信号
Ｓ１６ 監視結果信号
Ｓ１７ サンプリング周期信号
Ｓ１８ 比較結果信号
Ｓ１９ サンプリング結果信号
Ｓ２０ 反転信号
Ｓ２１ 電圧信号
Ｓ２２ デジタル変換信号
Ｓ１００ 出力信号
Ｓ２００ 要求信号

Claims (10)

1. 所定の波長の光を出力する光出力手段と、
   前記光を受光し、電流信号に変換する受光手段と、
   前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、
   基準電圧と比較して前記電圧信号を２値の信号に変換する比較手段と、
   前記光の雑音の周波数を基に設定された周期で、前記比較手段が変換した前記２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換するサンプリング手段と、
   前記ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力する出力手段と、
   前記比較手段が変換した前記２値の信号を第１の経路と第２の経路とに分岐する分岐手段と、
   前記第２の経路の前記２値の信号の電位を反転して出力する反転手段と
   を備え、
   前記サンプリング手段は、前記サンプリングを、前記第１の経路から入力される前記２値の信号と反転されて前記第２の経路から入力される前記２値の信号とに対して交互に行うことを特徴とする乱数生成回路。
2. 所定の波長の光を出力する光出力手段と、
   前記光を受光し、電流信号に変換する受光手段と、
   前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、
   基準電圧と比較して前記電圧信号を２値の信号に変換する比較手段と、
   前記光の雑音の周波数を基に設定された周期で、前記比較手段が変換した前記２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換するサンプリング手段と、
   前記ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力する出力手段と
   前記サンプリング手段が前記サンプリングした前記ビットデータの２値の比率を基に、前記基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、
   を備えることを特徴とする乱数生成回路。
3. 前記サンプリング手段が前記サンプリングした前記ビットデータの２値の比率を基に、前記基準電圧を設定する基準電圧設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の乱数生成回路。
4. 前記サンプリング手段が前記サンプリングした前記ビットデータがランダムに生成されているかを監視する監視手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の乱数生成回路。
5. 前記光出力手段が出力する前記光を監視する光監視手段と、
   前記光のパワーが一定になるように前記光出力手段を制御する制御手段と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の乱数生成回路。
6. 前記出力手段は、外部からの要求に基づいて、前記ビット列の乱数としての状態の情報を要求元に出力することを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の乱数生成回路。
7. 請求項１から６いずれかに記載の乱数生成回路と、
   前記ビット列のデータを乱数として処理を実行する演算処理装置と
   を備え、
   前記演算処理装置は、前記乱数生成回路から取得する前記ビット列のデータを乱数として用いた処理を実行することを特徴とする乱数発生システム。
8. 光出力手段が、所定の波長の光を出力し、
   受光手段が、前記光を受光し、電流信号に変換し、
   電流電圧変換手段が、前記電流信号を電圧信号に変換し、
   比較手段が、基準電圧と比較して前記電圧信号を２値の信号に変換し、
   サンプリング手段が、前記光の雑音の周波数を基に設定された周期で、変換した前記２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換し、
   出力手段が、前記ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力し、
   変換した前記２値の信号を第１の経路と第２の経路とに分岐し、
   前記第２の経路の前記２値の信号の電位を反転し、
   前記第１の経路から入力される前記２値の信号と反転されて前記第２の経路から入力される前記２値の信号を交互にサンプリングすることを特徴とする乱数生成方法。
9. 光出力手段が、所定の波長の光を出力し、
   受光手段が、前記光を受光し、電流信号に変換し、
   電流電圧変換手段が、前記電流信号を電圧信号に変換し、
   比較手段が、基準電圧と比較して前記電圧信号を２値の信号に変換し、
   サンプリング手段が、前記光の雑音の周波数を基に設定された周期で、変換した前記２値の信号をサンプリングしてビットデータに変換し、
   出力手段が、前記ビットデータを変換された順に並べたビット列のデータを出力し、
   基準電圧設定手段が、前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記ビットデータの２値の比率を基に、前記基準電圧を設定する
   することを特徴とする乱数生成方法。
10. 基準電圧設定手段が、前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記ビットデータの２値の比率を基に、前記基準電圧を設定することを特徴とする請求項８に記載の乱数生成方法。

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