包括垂直腔面发射激光器的随机数生成器

本发明涉及根据权利要求1的包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)的随机数生成器和根据权利要求9的使用包括垂直腔面发射激光器的随机数生成器生成随机数的方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(在下文中称为VCSEL)在通信技术中是众所周知的。VCSEL是一种半导体激光二极管，其中从顶面之一垂直发射激光束或脉冲。这与通常的激光形成对比，在通常的激光中，从半导体激光器的边缘部分发射激光束。

在VCSEL中，激光谐振器通常设置有平行于包括有源区域(例如量子点或量子阱)的结构的两个分布器布拉格反射器(Bragg-reflector)。布拉格反射器具有带有交变折射率的层，其中这些层的厚度通常为反射器材料中激光波长的四分之一，从而实现高强度反射。

VCSEL通常包括模式抑制组件。该模式抑制组件被集成到VCSEL的腔中或VCSEL自身中，并且得到仅一个模式的激光束或激光脉冲被从VCSEL发射到周围环境中(即VCSEL的外部)。这样做是因为在通信技术中，仅要使用VCSEL的一个模式，并且如果在单个模式中累积激光束的强度是优选的。这可以通过例如应用特定的模式抑制组件来实现。

已知VCSEL工作在1MHz或甚至更高的、高达几GHz的高频，这在通信技术中特别有利，这是因为需要用于传输信息的高频。

目前，VCSEL用于千兆以太网和光纤信道的领域，并且提供从1GB/s至多于400GB/s的链路带宽，从而产生高传输速率。

有鉴于此，在短时间段内创建并输出大量信息是可能的。

近来，在物理随机数生成器领域有了发展，其利用系统的物理特性来创建真正的随机数。在该领域中还使用激光二极管，因为发射的激光脉冲的质量取决于激光器的量子物理特性。由于这些确实是不可预测的，因此所获得的随机数或随机位序列是高度可靠的，并且可以被用于例如加密安全相关数据、计算应用或游戏。

当构造物理随机数生成器时，集成水平、质量和实际操作的速度是重要的。目前为止，对于一些应用，特别是在大小必须非常小且成本保持低的情况下，很难以足够高的速度或足够高的速率获得随机数(或一般地，熵)。

问题

鉴于上述，本发明要解决的问题是提供一种随机数生成器，该随机数生成器针对每个时间段实现高的熵(即随机数)输出，同时优选地在生产中具有相对的成本效益，并且优选地大小较小并且在质量上具有独特的优势。

解决方案

该问题通过根据独立权利要求1的包括垂直腔面发射激光器的随机数生成器和根据独立权利要求9的使用利用垂直腔面发射激光器的随机数生成器生成随机数的方法来解决。在独立权利要求中提供了本发明的进一步优选实施例。

随机数生成器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、模式分离器和光电检测器，随机数生成器还包括用于以直接调制模式驱动所述VCSEL的电源，其中，所述VCSEL适于从发射部向VCSEL腔外部的空间中发射具有随机相对强度的两个不同激光模式的激光，该激光可以在远离发射部的传播方向上传播，模式分离器在光电检测器和VCSEL之间被布置在传播方向上，并且模式分离器被布置成将两个不同激光模式彼此分离且将不同激光模式之一传输到光电检测器。

在本发明的上下文中，模式分离器将被认为是能够将由VCSEL发射的第一模式与由VCSEL发射的第二模式分离的任何物理实体。例如，这可以包括滤波器或偏振滤波器等。这具体地涉及用于发射所分离的(例如，旋转约90°或空间分离等)不同激光模式的VCSEL。还包含分离模式的其他方式，例如，根据模式的频率来分离模式。本发明不限于特定种类的模式分离器。

直接调制模式包括从低于激光阈值到高于激光阈值交替地驱动VCSEL，使得从VCSEL发射脉冲。根据本发明，低于激光阈值和高于激光阈值驱动VCSEL的持续时间不受限制，并且可以根据需要变化。为了获得足够数量的激光脉冲以获得随机数或位，高于激光阈值驱动VCSEL从而发射激光脉冲的频率可以被设置为例如高于1Hz或1GHz。然而，本发明不限于特定的脉冲频率(每秒脉冲数)，并且可以使用允许的或VCSEL可以工作的任何频率。

从一个脉冲到下一脉冲，激光的输出功率可以优选地几乎相同，但是在腔内生成的不同激光模式具有随机相对强度。通过阻止其中一个模式，剩余的光也将导致具有随机强度。然后，该随机强度可以用于从在光电检测器处检测到的信号中获得“随机”位信息。例如，如果未被模式分离器分离掉并因此传输到光电检测器的剩余激光模式的强度低于光电检测器的检测阈值，则不在该时间点在光电检测器处及时创建信号并且信号稍后可以被转换成“0”位。如果该剩余激光模式的强度高于光电检测器的检测阈值，则可以创建“1”位。由此，根据本发明的随机数生成器可以高效率地创建值为“0”和“1”的位的随机序列，同时其实现相对地有成本效益。

在一个实施例中，随机数生成器还包括连接到光电检测器的数字化单元，其中数字化单元适于对从光电检测器获得的信号进行数字化，使得如果光电检测器的信号高于阈值，则数字化单元可以输出第一值，并且如果光电检测器的信号低于阈值，则数字化单元可以输出与第一值不同的第二值。

由此，在光电检测器处检测到的信号可以被转换成数字信号，然后该数字信号可以例如由后续计算实体处理进一步处理以供加密通信。数字化单元可以被选择为能够以足够高的频率对信号进行数字化以使用VCSEL的全部潜力的数字化单元。

在更具体的实施例中，数字化单元是模数转换器。模数转换器可以以高效率和高处理速率将模拟信号转换成数字信号，这允许在高频下驱动根据上述实施例的随机数生成器，同时仍然使用数字化处理中的所有随机值。

在另一实施例中，VCSEL腔不包括用于抑制不同激光模式之一的模式抑制组件。通过不提供模式抑制组件，确保两个不同激光模式都可以离开VCSEL进入VCSEL腔外部的空间中。这通过使用进一步提供的模式分离器，使得这些模式的分离和使用模式之一以供在光电检测器处创建信号成为可能。

还可以规定阈值具有与VCSEL可以输出的最大能量的至少90％或至少75％或至少50％或至少25％相对应的值。应当理解，要由数字化单元使用的阈值可以是电压值或电流值。在这种背景下，而应当理解，术语“阈值与VCSEL可以输出的最大能量的百分比相对应”是指与光电检测器响应于接收到VCSEL可以输出的最大能量的激光脉冲而将生成的电压值或电流值的百分比相对应的阈值的电压值或电流值。由此，可以实现由光电检测器输出的信号的可靠数字化。

在另一实施例中，VCSEL包括量子点或量子阱作为用于生成激光的有源介质。

还可以规定模式分离器包括偏振分束器或滤波器或偏振相关光学隔离器。模式分离器的这些具体实现可以有利地根据不同激光模式彼此分离的环境和方式来实现。例如，如果基于模式的相对偏振来对模式进行分离更高效，则可以使用光栅或偏振相关光学隔离器。如果模式在构成模式的频率方面不同，但没有在大角度(例如90°)下相对于彼此偏振，则基于频率的分离可能更合适。

在另一实施例中，光学隔离器被布置在模式分离器和VCSEL的发射部之间和/或模式分离器和光电检测器之间。由此，可以抑制可能影响信号生成和光电检测器的噪声。

根据使用本发明的随机数生成器生成随机数的方法，随机数生成器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、模式分离器和光电检测器，并且随机数生成器还包括用于以直接调制模式驱动VCSEL的电源，其中VCSEL从发射部向VCSEL腔外部的空间中发射具有随机相对强度的两个不同激光模式的激光，该激光在远离发射部的传播方向上传播，模式分离器在光电检测器和VCSEL之间被布置在传播方向上，并且模式分离器将这两个不同激光模式彼此分离并将不同激光模式之一发射到光电检测器，其中，光电检测器根据从VCSEL经由模式分离器在光电检测器处接收到的激光的强度来输出信号。

该方法允许快速生成熵、因此快速生成随机数，同时减少成本。

在一个实施例中，随机数生成器还包括连接到光电检测器的数字化单元，其中数字化单元对从光电检测器输出的信号进行数字化，使得如果光电检测器的信号高于阈值，则数字化单元输出第一值，并且如果光电检测器的信号低于阈值，则数字化单元输出与第一值不同的第二值。由此，实现了对光电检测器的模拟信号的高效数字化。

在另一实施例中，阈值具有与可以由VCSEL输出的最大能量的至少90％或至少75％或至少50％或至少25％相对应的值。利用由数字化单元使用的该阈值，可以提高由数字化单元生成的随机位的可靠性。

在另一实施例中，直接调制模式的频率是由控制单元根据针对每个时间单位要生成的随机数的数量来调整的。在该背景下，“随机数的数量”可以被认为是每个时间单位要生成的随机位的数量。例如，如果每秒要生成40GB的随机位，则可以将直接调制模式的频率调整为40GHz。由于VCSEL可以在高频下使用，因此可以使用与直接调制模式被驱动的频率有关的几乎任意值。具体地，根据本发明的一些实施例，设想了从多个Hz直到大约10GHz的频率范围。这些边界之间的任何频率都可以实现，并且被本公开所包含。

在一个实施例中，根据上述实施例的系统在芯片上实现。利用该系统，根据上述实施例的随机数生成器也可以被用作例如计算系统(诸如个人计算机或智能电话等)中的集成电路。

在另一实施例中，根据上述任何实施例的多个随机数生成器被布置成阵列，其中系统包括针对所有随机数生成器的单个模式分离器、或者针对各个随机数生成器包括一个模式分离器；以及/或者，其中，系统包括针对所有随机数生成器的单个光学隔离器、或者针对各个随机数生成器包括一个光学隔离器。

这允许增加每时间单位生成的随机位的数量，同时减少随机数生成器的多重性的结构复杂性。此外，由于需要减少分离组件的数量，因此可以减少成本。

附图说明

图1示出根据一个实施例的包括垂直腔面发射激光器的随机数生成器的示意描绘。

图2a至图2c示出根据不同实施例的包括多个随机数生成器的系统的不同实施例

具体实施方式

图1示出根据本发明一个实施例的随机数生成器100的示意描绘。

原则上，随机数生成器包括四个组件。随机数生成器100包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)101、模式分离器102、光电检测器103和电源105，这些将在下面进一步详细说明。

如本领域技术人员已知的，VCSEL 101包括至少一个激光腔111，该激光腔111包括有源区域113。在两侧(在图1的描绘中，在左侧和右侧)，但是在任何情况下，在平行于激光腔111的平面中，布置可以一起实现布拉格反射器的多个镜114，其允许所生成的光的内部反射，以最终输出激光束。

另外，可以提供限制结构112，其允许聚焦从VCSEL的有源区域发射的激光120。VCSEL还包括发射部115，由VCSEL生成的激光实际上从该发射部115离开VCSEL进入外部空间。例如，外部空间可以是自由空间或被输入激光的光学隔离器，或者任何其他介质(如玻璃光纤或(透明)聚合物光纤或者一般“光学”光纤(其允许光信号(如激光脉冲)通过光学光纤而内部传播))。

在根据目前已知技术的VCSEL的结构中，将提供模式抑制组件，该模式抑制组件在VCSEL以特定方式被驱动时抑制在VCSEL中生成的激光的模式之一并且防止该模式离开VCSEL。具体地，这使得VCSEL的全部能量输出几乎完全以两个模式之一提供，而该模式然后离开VCSEL。

如技术人员已知的，VCSEL创建具有相对于彼此的随机相对强度的两个不同激光模式的、但是传播到相同方向或近似相同方向的激光。

通过抑制这些模式之一，VCSEL的发射部115将仅发射包括VCSEL的全部能量输出的激光束的一个模式。本发明的发现在于，在普通VCSEL中VCSEL内部的这种模式抑制防止了这些VCSEL在生成随机数领域中的应用。

因此，在本发明的优选实施例中，设想发射部115发射具有如示意图141所描绘的两个不同激光模式M1和M2的激光。这是通过提供没有模式抑制组件的VCSEL来实现的。离开发射部115的模式例如可以是偏振模式，使得第一模式M1相对于第二模式M2偏振例如90°或60°的角度或任何其他任意角度。可替代地或附加地，模式M1和M2可以包括不同的频率或相同频率的不同贡献，或者它们可以具有时间延迟或允许确定为这两个模式彼此不同但属于完全相同的激光脉冲的任何其他物理性质。由于VCSEL的量子力学特性，离开VCSEL的发射部115的两个不同模式的相对强度是任意的，因此对于各激光脉冲是随机的。

注意，在没有示出当两个模式在VCSEL腔的内部竞争时影响这两个模式的非线性效应的“完美系统”中，总是两个模式M1和M2中的仅一个将实际上离开VCSEL并带走激光脉冲的全部能量。然而，由于真正的VCSEL通常都具有非线性，诸如弛豫振荡、载流子动力学等，当在VCSEL腔的内部竞争时，这两个模式之间可能存在一些能量转移。这可能导致这两个模式都离开腔，在腔中，通常地，一些能量由其中一个模式携带，而大部分能量由另一模式携带。

当应用模式切换来驱动VCSEL时，针对各激光脉冲，在VCSEL的内部执行两个模式之间的竞争。结果(即哪个模式实际上带走大部分能量)在脉冲被发射之前是不知道的、并且是真正随机的。

鉴于上述，注意到本发明的发现在于，VCSEL中模式M1和M2的竞争导致以物理方式被数字化的信号(其中仅一个模式获胜，并且M1或M2离开VCSEL)，其中该信号本身已经在第一模式中完全(或几乎完全)或在第二模式中完全(或几乎完全)提供能量。本发明的发现在于，这可以与模式分离器结合使用，以利用简单的数字化处理(因为信号已经是数字的或几乎是数字的，并且没有由模数转换器添加的噪声)来创建随机位。

本发明的发现在于，利用该布置，可以通过下面讨论的进一步手段和过程来生成随机数。

在远离发射部115的激光脉冲的传播方向(如箭头所示)上，布置有模式分离器102。

该模式分离器102在其最一般的意义上适于将两个不同激光模式彼此分离，使得在模式分离器102之后，仅模式之一在箭头的方向上朝着光电检测器103进一步传播。这在图142中示出，图142仅包括激光模式M1但不再包括激光M2或至少抑制了激光模式M2的相当的部分。优选地，模式分离器将第二激光模式的传播抑制为防止由第二模式提供的能量的至少10％或至少45％或至少75％或至少90％在与第一激光模式M1的方向相同的方向上传播的程度。

模式分离器实现激光模式M1和M2彼此分离的方式不受限制，并且可以以任何合适的方式进行。当然，模式分离器102实际上能够作用于在已经离开发射部115之后到达模式分离器102的激光模式M1和M2的方式取决于不同激光模式M1和M2的物理特性和差异。

在一个实施例中，不同激光模式沿着不同的轴被不同地偏振。例如，不同激光模式可以被偏振，使得这些不同激光模式之一被偏振到x方向，而另一激光模式被偏振到y方向。

这用坐标图144表示。激光脉冲的传播方向用k方向表示，并且偏振轴X和Y在与传播方向K垂直的平面上。

为了更容易地说明，假定第一模式M1例如相对于其电场分量沿x方向偏振，而另一模式M2例如相对于其电场分量沿y方向偏振。在这种情况下，适当的模式分离器102可以是滤波器或光栅，该滤波器或光栅被布置成使得模式M1可以通过滤波器，而模式M2不能通过滤波器。在这种情况下，由于第一模式M1和第二模式M2的偏振方向之间的角度为90°，因此模式分离器102将能够(几乎)完全消除第二模式M2或防止第二模式M2通过模式分离器，而第一模式M1能够(几乎)以其原始强度通过模式分离器102。

也可以考虑模式分离器的其他实现。

具体地，模式分离器可以被实现为偏振分束器，使得即使第一模式M1和第二模式M2彼此分离，它们中没有一个实际上被抑制。这允许将第二模式M2改变方向到另一传播方向。可替代地，也可以使用偏振相关光学隔离器，其允许第一模式M1通过偏振相关光学隔离器，而不允许第二模式M2通过偏振相关光学隔离器。

然而，本发明不限于模式分离器实际上是如何实现的，并且可以考虑允许将不同激光模式M1和M2彼此分离的任何实现。优选地，在模式之一与另一模式完全分离的意义上，分离是完全的或几乎完全的。

在模式分离器102之后在激光的传播方向上，布置光电检测器103。意图是，不管模式分离器102的实现如何，取决于模式分离器102实际上如何分离模式，模式M1和M2中仅一个模式在光电检测器103的方向上被传输并且实际上撞击光电检测器103。

在更现实的情况下，可能仍然是模式分离器没有完美地将模式M1和M2彼此分离开。即使在这种情况下，模式分离器(例如滤波器)将使得模式M1和M2在任何情况下具有可区分的强度。因此，即使在模式分离不完美的情况下，也可以在模式已经通过模式分离器之后将一个模式与另一模式区分开。

此外，如上所述，在许多情况下，激光脉冲的能量将几乎完全被模式M1和M2之一带走。即使模式分离器没有完美地分离这些模式，在一些实施例中，如果允许通过模式分离器102的模式携带脉冲的大部分能量，则在光电检测器处仅存在可检测的信号。相应地，如果意图被模式分离器102分离走以不撞击光电检测器的模式携带脉冲的大部分能量，则将没有信号。上面已经说明的这种自然数字化可以适当地与模式分离器一起使用，以实际产生随机位(即，例如，如果携带大部分脉冲能量的模式通过模式分离器，则为1，以及如果携带大部分脉冲能量的模式没有通过模式分离器，则为0)。这是因为被模式分离器分离走的模式将不会在光电检测器处产生可检测的信号(即使没有被完美地滤波或分离)，而通过模式分离器的模式当携带脉冲能量的重要部分时将在光电检测器处引起信号。即使模式分离器工作不完美，即仅分离模式之一而没有影响另一模式和完全分离模式，将是这种情况。

通过这种布置，并且由于从VCSEL发射的相应激光脉冲的第一模式M1和第二模式M2的相对强度由量子力学定律控制且因此是真正地随机的事实，到达光电检测器处的模式的强度是无法预测的且因此是真正地随机的。这使得光电检测器根据实际碰撞在光电检测器上的模式的强度来任意地检测光电信号。

这允许通过使用光电检测器的输出作为随机获得的模式M1的指示来生成随机数。

然而，对于一些实现，可能优选地获得随机的位序列或位流(0和1)。这可以使得在计算环境中应用随机数的情况下更方便地进一步处理由随机数生成器生成的随机值。

鉴于此，随机数生成器还可以包括连接到光电检测器103的数字化单元104。该数字化单元104可以适于对从光电检测器获得的信号进行数字化，并且可以例如被实现为模数转换器。

由光电检测器输出并由数字化单元获得的信号通常或一般是电流信号或电压信号，该信号可以取与光电检测器的噪声相对应的最小值和至少与针对每个脉冲的VCSEL的最大能量输出相对应的最大值之间的任何值。为了对这些信号进行数字化，可以规定数字化单元适于将从光电检测器获得的信号(例如，电压信号或电流信号)与参考信号进行比较。如果从光电检测器获得的信号高于该参考信号，则数字化单元的输出可以是1。如果光电检测器的信号低于该参考信号，则数字化单元的输出可以是0。当然也可以反过来。

因此，数字化单元104通过比较操作对从光电检测器获得的信号进行数字化。数字化单元的一个优选实施例可以是模数转换器，这是因为这些转换器具有成本效益并且可以在高频下进行将模拟信号(诸如从光电检测器获得的电流信号等)转换成数字值(0和1)。因此，可以确保所有熵(即，由光电检测器输出的各个值或每个值)可以被转换成数字值。

提供给数字化单元或由数字化单元使用的参考信号可以被称为阈值或阈值信号。基本上，阈值或阈值信号可以具有任何值。然而，在一些实施例中，基于VCSEL针对每个激光脉冲而输出的能量来设置阈值。

例如，对于第一激光脉冲，总能量输出的50％可以在第一模式M1中提供，并且另外50％可以在第二模式M2中提供。当假定模式分离器102将第一模式M1与第二模式M2完美地分离并且仅允许第一模式在光电检测器103的方向上进一步传播时，具有等于VCSEL的总输出的50％的能量的模式M1撞击光电检测器103并且能够在光电检测器103处生成信号。在一些实施例中，该信号可以被转换成电流，然后被提供给数字化单元，在数字化单元中，该信号与参考信号进行比较，以对该信号进行数字化。当考虑第二激光脉冲时，在第二激光脉冲中，在第二模式M2内提供VCSEL的总能量输出的多于50％(例如90％)，并且在第一模式M1中提供能量的仅10％，模式分离器仍然将第二模式M2与第一模式M1分离，使得VCSEL的能量的总输出的仅10％在第一模式M1中被提供并且撞击光电检测器103。然后，该信号同样由光电检测器103转换成电信号(如电流信号)，并被提供给数字化单元进行数字化。优选地，数字化单元允许对到达光电检测器的信号进行数字化，使得表示大部分能量由模式之一携带的信号实现将光电检测器处获得的信号被数字化为1或0(这取决于哪个模式携带更多的能量)。

本发明的发现(见上文)在于，在大多数情况下，激光脉冲的几乎所有能量将由两个模式之一携带。这可以有利地用于选择用于数字化单元的阈值。因此，通过将参考信号设置为与针对每个脉冲由VCSEL输出的最大能量的至少25％或至少50％或至少75％或甚至90％相对应的值(也称为阈值)，以如下的方式进行数字化，即光电检测器103的仅指示通过模式分离器102的模式携带由VCSEL发射的脉冲的几乎全部能量的信号被计为第一数字值(例如1)，并且低于该阈值的所有信号被确定为第二数字值(例如0)。

通常，即使光电检测器与VCSEL和模式分离器一起被隔离，光电检测器也将不仅接收具有任意强度的模式M1而且将接收来自周围环境的其他信号。这例如来自热波动等，并且在从可信处理生成随机数(如本发明中描述的VCSEL效应)的意义上被称为“噪声”或“不可信信号”。

然而，本发明不限于阈值的上述示例性值，并且也可以选择其他值。例如，阈值可以正好与VCSEL可以输出的最大能量的90％或95％相对应，从而确保仅在模式M1携带由VCSEL针对激光部分输出的几乎所有能量的情况下才生成信号。具体地，由于模式之一中的能量分布通常接近100％(意味着在大多数脉冲中，能量几乎完全在一个或另一模式中提供)，因此在一些实施例中，使用高阈值可能是有利的。

为了驱动VCSEL 101以产生激光脉冲，随机数生成器100还可以包括用于以直接调制模式驱动VCSEL的电源105。为了在该直接调制模式下驱动VCSEL，电源105可以适于产生电流信号(如图1中的描绘143所示)，其中电流I在最大值I1和最小值I2之间变化，其中I1高于描绘143中用L表示的激光阈值，并且I2低于VCSEL的激光阈值，使得激光的时间段与非激光的时间段交替。

电源105优选地适于改变频率，在该频率下，VCSEL以直接调制模式被驱动。例如，电源可以适于改变从低于10Hz直到几十或几百GHz到达激光阈值的频率。根据需要，这可以允许创建任意数量的随机数或随机位序列。此外，不会生成比必要的更多的熵，从而减少了对VCSEL的压力。

在图1中，存在其他组件131和132。组件131和132仅仅是可选的，并且示出了光学隔离器。光学隔离器131被放置在VCSEL的发射部115和模式分离器102之间，并且位于激光部分120的传播的区域内。

光学隔离器131允许防止来自外部的散射光进入系统，并且可以增加能够生成随机数的高效性和可靠性。具体地，可以通过应用这种光学隔离器131来减少在光电检测器处获得的随机信号的噪声。

如图1所描绘的，不一定是光学隔离器被放置在发射部115和模式分离器102之间的情况，而是光学隔离器132也可以或可替代地被放置在模式分离器102和光电检测器103之间。由于模式分离器优选地不允许散射光通过，而仅允许模式之一通过模式分离器102，因而在该点处已经减少了噪声量。因此，可能仅需要在模式分离器102和光电检测器103之间减少其他噪声。

图1中的系统到目前为止被描述为包括特定的组件，而没有进一步详细讨论关于组件的尺寸或组件的实际布置。

优选地，规定随机数生成器100被集成到芯片中，这意味着VCSEL和其他组件、特别是光电检测器和数字化单元以及电源被布置在芯片上，并且优选地被小型化到小于1cm的尺寸。然而，本发明不限于这样的尺寸，并且还可以考虑整个系统的多个厘米级的更大实现。

本发明的实施例的一个优点在于，可以在大的频率范围内几乎任意地调整可以生成(从光电检测器发射的)随机信号的随机位的频率。然而，一些应用可能需要针对每个时间单位生成更多的随机数。

在这种情况下，不可能使用由模式分离器所分离、并且原则上可能被传播到第二光电检测器的第二模式，因为该模式将仅代表冗余信息。这是因为当已经检测到第一模式时，第二模式不提供任何进一步的熵。虽然由模式分离器102分离的第二模式M2(如果没有完全消除)可以被用作控制信号，但是第二模式M2不提供进一步的随机性，因此不构成真正的熵。然而，在一些实施例中，也可以使用例如第二光电检测器和可选地与该光电检测器相关联的其他数字化单元来检测第二模式。这在评估由数字化单元获得的随机值的可靠性方面是有利的。例如，可以判断第二模式是否确实携带少于脉冲能量的50％。可以规定，在该位的值与对第二模式的信号进行数字化的数字化单元生成的位的值之和等于1的情况下，仅进一步使用由数字化单元104生成的位，或者仅输出由数字化单元104生成的位。

为了增加使用VCSEL和模式分离器以及光电检测器生成随机数的速率，图2a至图2c描绘了示出包括多个随机数生成器的系统的集成解决方案。

在图2a的实施例中，系统201包括四个随机数生成器261至264。

为了用这些随机数生成器各自真正地生成随机数，各个随机数生成器包括仅针对特定的随机数生成器创建激光束或激光脉冲的隔离或分离的VCSEL 211至214。此外，各个随机数生成器包括其自己的光电检测器251至254。

虽然这里没有描绘，但是在一些实施例中，以下情况是可能的：所有随机数生成器共享连接到各个随机数生成器的单个电源，使得所有随机数生成器在相同时间且以相同频率接收相同的电流信号，从而导致激光脉冲的同步生成。代替提供相同的电流信号，一些实施例包括调谐被提供给特定VCSEL的电流信号。例如，在维持发出电流信号时的定时和频率关系相同的同时，可以调整被提供给多个VCSEL中的特定VCSEL的电流(即电流量)。因此，所有VCSEL在相同时间且以相同频率被提供电流信号，而针对VCSEL其中至少之一，实际被提供的电流可以不同于提供给其他VCSEL的电流。这还包含被提供给各个VCSEL的电流不同于提供给其他VCSEL的电流。此外，在一些实施例中，提供给VCSEL的电流或电流信号可以独立于提供给其他VCSEL的电流信号而针对脉冲组或甚至单个脉冲可调整。

这不妨碍随机数的生成，因为由相应随机数生成器的相应VCSEL输出的第一模式和第二模式之间的相对强度完全是任意的，所以由VCSEL 211输出的激光脉冲的模式的相对强度将在几乎每个情况下不同于在相同时间但是由VCSEL 212输出的激光脉冲的模式的相对强度。相应地，在光电检测器251至254处检测到的信号将通常彼此不同。

如图2a的实施例所示，各个随机数生成器包括其自己的模式分离器231至234和可选地包括相应的光学隔离器221至224和/或241至244。不同的随机数生成器可以集成在单个芯片上，并且可以规定针对各个随机数生成器存在一个数字化单元，以允许相应信号的可靠数字化。然而，还可以规定针对所有随机数生成器提供单个数字化单元。在仅提供单个数字化单元的情况下，可以优选地首先聚合所有光电检测器的输出，并将聚合的输出提供给数字化单元。如果以不同的频率或定时驱动VCSEL，使得VCSEL不在相同时间发射脉冲，则可能不需要对光电检测器的输出进行聚合，并且各个光电检测器可以连接到数字化单元的输入端口。在给定的时间，来自仅一个光电检测器的仅一个信号将到达数字化单元，从而确保清晰的信号分离。由于数字化单元不需要感知或知道哪个光电检测器实际上提供了信号，这可以是成本效益的实现，而不会对随机数的生成产生不利影响。

尽管图2a以及图2b和图2c示出了四个随机数生成器，但是本实施例在这方面不受限制，并且还可以提供任何其他任意数量的随机数生成器。在这个意义上，可以提供每个阵列例如多达20个、或多达50个或多达100个VCSEL的VCSEL阵列(连同相关联的组件，如光学隔离器、模式分离器和光电检测器)。

在图2b的实施例中，系统202包括四个随机数生成器261至264。虽然这些随机数生成器的结构原则上与关于图2a描述的结构相同，但是本实施例包括针对所有随机数生成器的单个模式分离器230。例如，该模式分离器可以通过光栅或滤波器或偏振相关光学隔离器来实现，该光栅或滤波器或偏振相关光学隔离器在所有随机数生成器的VCSEL的激光脉冲在相应光电检测器251至254的方向上行进的区域上扩展。

这减少了需要采用的单个组件的数量，并且可以便于系统的集成。

在图2c的实施例中，在甚至进一步的程度上，除了单个模式分离器230之外，还提供光学隔离器220和/或光学隔离器240作为一起针对所有随机数生成器的单个光学隔离器220或240。因此，需要相对于其他组件进行调整和布置的分离和独立组件的数量进一步减少。

代替光电检测器251至254，一些实施例包括：针对所有VCSEL或者包括多于一个VCSEL但少于VCSEL总数的至少一组VCSEL提供仅单个光电检测器。

由VCSEL输出的信号可以例如借助于(一个或多于一个)模式分离器被引导到单个光电检测器以供检测。

如果以相同的频率但以小的时间延迟驱动VCSEL，使得不在相同时间发射不同VCSEL的信号，并且在光电检测器和/或相关联的数字化单元处对隔离信号的分离是可能的，则本实施例可能是特别有利的。

在具有针对多个VCSEL的单个光电检测器的实施例中或者甚至在本文提到的其他实施例中(特别是在提供多个光电检测器的情况下)，还可以提供多位数字化单元，优选地多位模数转换器，以供转换从(一个或多于一个)光电检测器接收的(一个或多于一个)信号。