(57)【要約】【課題】従来よりも簡便な乱数発生技術を提供する。【解決手段】本発明の一態様による乱数発生装置は、増幅自然放出光を出力する光源と、光源からの光を分岐する分岐手段と、分岐した光の間に時間差を与える遅延手段と、時間差を与えられた光を合波する合波手段と、合波された光の強度を検出する検出手段と、検出された光の強度を閾値と比較して乱数を生成する閾値手段とを備える。これにより、電気雑音を利用する従来技術より３桁以上大きな揺らぎを持つ雑音信号を得ることができる。また、ＡＳＥ光源の光周波数帯域は１ＴＨｚ以上と広く、これにより、速い生成速度の乱数発生が可能となる。【選択図】図１
2011034397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乱数を発生させる装置であって、
増幅自然放出光を出力する光源と、
前記光源からの光を分岐する分岐手段と、
前記分岐した光の間に時間差を与える遅延手段と、
前記時間差を与えられた光を合波する合波手段と、
前記合波された光の強度を検出する検出手段と、
前記検出された光の強度を閾値と比較して乱数を生成する閾値手段と
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記分岐手段は、前記光源からの光を２つに分岐することを特徴とする装置。
【請求項３】
乱数を発生させる方法であって、
増幅自然放出光を分岐することと、
前記分岐した光の間に時間差を与えることと、
前記時間差を与えられた光を合波することと、
前記合波された光の強度を閾値と比較して乱数を生成することと
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乱数発生装置に関する。より詳しくは、本発明は、ランダムな「０」「１」のビット列を発生する乱数発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数は暗号システムや認証システムなどに用いられる基本要素であり、乱数発生器はこれらのシステムを構築するうえでの基本デバイスである。通常、乱数は｛０、１｝のランダムなビット列である。乱数を発生させる手法としては、大きく分けて、計算機上のアルゴリズムで作る算術的方法と物理現象を利用する方法があるが、真にランダムなビット列は後者により生成される。
【０００３】
物理的乱数発生法にもいろいろな手法がある。もっとも一般的であり製品化もされているのは、電気回路の雑音を利用する方法である（非特許文献１参照）。電子が導体内を粒子として移動する際、個々の電子に生じるランダムな運動が、電気的な雑音を引き起こす。そこで、この雑音信号を閾値回路に通し、あるレベル以上ならビット「１」、それ以下ならビット「０」を出力することにより、乱数を得る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】真性乱数（物理乱数）生成ＩＣ  ＲＰＧ１００／ＲＰＧ１００Ｂカタログ、［online］、２００５年９月、ＦＤＫ株式会社、［平成２１年７月１５日検索］、インターネット＜http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pdf/HM-RAJ001.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような電気的な雑音信号の振幅は一般に大きくはなく、数十μＶ程度である。これを閾値処理するためには、４〜５桁ほど増幅しなければならない。特に、速い速度で乱数を発生させたい場合、広帯域な回路及び増幅器が必要となり、回路規模や消費電力が大きくなる。そのため、より簡便な乱数発生器を得るためには、振幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させる手段が望まれる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来よりも簡便な乱数発生技術を提供することにある。特に、振幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させる手段を備えた乱数発生技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、乱数を発生させる装置であって、増幅自然放出光を出力する光源と、前記光源からの光を分岐する分岐手段と、前記分岐した光の間に時間差を与える遅延手段と、前記時間差を与えられた光を合波する合波手段と、前記合波された光の強度を検出する検出手段と、前記検出された光の強度を閾値と比較して乱数を生成する閾値手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の装置であって、前記分岐手段は、前記光源からの光を２つに分岐することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、乱数を発生させる方法であって、増幅自然放出光を分岐することと、前記分岐した光の間に時間差を与えることと、前記時間差を与えられた光を合波することと、前記合波された光の強度を閾値と比較して乱数を生成することとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
これまで述べてきたように、本発明によれば、揺らぎ幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させることができる。これにより、従来よりも簡便な乱数発生器を提供することができる。より具体的には、本発明によれば、電気雑音を利用する従来技術より３桁以上大きな揺らぎを持つ雑音信号を得ることができる。また、光周波数の帯域が広いＡＳＥ光源を使用することにより、速い生成速度の乱数発生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による乱数発生器の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に、本発明の一実施形態による乱数発生器の基本構成を示す。乱数発生器１００は、増幅自然放出（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＥＳ）光を発生する光源１０１と、ＡＥＳ光源１０１の出力と結合された光カップラ１０２と、光カップラ１０２の一方の出力と結合された遅延手段１０３と、光カップラ１０２の他方の出力および遅延手段１０３の出力と結合された光カップラ１０４と、光カップラ１０４の出力と結合された光強度検出器１０５と、光強度検出器１０５の出力と接続された閾値回路１０６とを備えている。
【００１３】
ＡＳＥ光源１０１は、増幅自然放出（ＡＥＳ）光を発生する。具体的には、信号光が入力されていない光増幅器やスーパールミネッセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ：ＳＬＤ）などがこれにあたる。ＡＳＥ光源からの出力光は、光カップラ１０２により２分岐され、一方に対して遅延手段１０３により時間遅延が与えられた後、光カップラ１０４により再び合波される。合波された光は、光強度検出器１０５により電気信号に変換され、光強度検出器からの電気信号は、閾値回路１０６により電気信号のレベルに応じてビットが判定される。そして、閾値回路１０６からのビット列は、乱数発生器１００の出力となる。なお、光強度検出器１０５からの電気信号は、必要に応じて増幅器により増幅してもよい。
【００１４】
このような構成における信号の流れを、式を使用して説明する。
【００１５】
まず、ＡＳＥ光源からは広い波長範囲にわたって位相がランダムな光（自然放出光）が出力される。出力光の波長範囲を微小単位の波長域に区切り、ｋ番目の波長域の出力光をＡkｅｘｐ［ｉ（ωkｔ＋θk）］と表わすと、全出力光はそれらの足し合わせとして次のように表される。
【００１６】
【数１】
2011034397.tif 000003
【００１７】
ここで、ωkはｋ番目波長域の光の角周波数、θkはその位相、Ａkはその振幅であり、ΣはＡＳＥ光源の出力波長範囲の和を表す。Ａkは時間的に一定である一方、位相θkはランダムに変動する。
【００１８】
ＡＳＥ光源からの出力は２分岐され、一方に遅延時間τが与えられた後に再び合波される。合波後の光は次のように表わされる。
【００１９】
【数２】
2011034397.tif 000004
【００２０】
第１項が短い経路を経た光、第２が長い経路を経た光を表わしている。長い経路を経た光は、遅延を受けた分、時間がτだけシフトしている。
【００２１】
合波後の光は光強度検出器により電気信号に変換される。この電気信号は、次のように表わされる。
【００２２】
【数３】
2011034397.tif 000005
【００２３】
各微小波長域の位相θkは、時間的にランダムに変動し、また異なる波長域間の相対位相（θk−θk'）もランダムである。したがって、式（１）の第２〜４項はランダムに変動する。そこで、この電気信号を閾値回路に入力し、あるレベル以上ならビット「１」、それ以下ならビット「０」とすれば、乱数を得ることができる。
【００２４】
式（１）において、第１項以外は全てランダムに変動する項となっている。各項の大きさはほぼ同じオーダーである。したがって、式（１）で表わされる電気信号は、信号全体が大きく変動する。ところで、一般的な光強度検出器であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の光-電気変換効率は、１Ａ／Ｗ程度である。つまり、数ｍＷの光信号から数ｍＡの電気信号が発生する。これは、５０Ω回路系では１００ｍＶ以上に相当する。また、光増幅器やスーパールミネッセントダイオードから数ｍＷ程度のＡＳＥ光を得るのは容易である。これらのことより、本実施形態では、電気雑音を利用する従来技術より３桁以上大きな揺らぎを持つ雑音信号が得られることが分かる。
【００２５】
さらに帯域についてみてみると、式（１）の信号の周波数帯域は、ＡＳＥ光の光周波数帯域にわたっている。上記ＡＳＥ光源の光周波数帯域は１ＴＨｚ以上であり、式（１）の信号周波数帯域も同じ程度と考えられる。これを利用すると、速い生成速度の乱数発生が可能である。
【００２６】
以上、本発明について、特定の実施形態について具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１００  乱数発生器
１０１  ＡＥＳ光源
１０２  光カップラ
１０３  遅延手段
１０４  光カップラ
１０５  光強度検出器
１０６  閾値回路
【図１】
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