초고속 병렬 물리 난수 생성기: SLED 기반 스펙트럼 분할 기술

초록

본 논문은 단일 초발광 다이오드(SLED)와 비중첩 스펙트럼 필터 두 개를 이용해 서로 독립적인 두 개의 10 Gb/s 물리 난수 스트림을 동시에 생성하고, 총 20 Gb/s의 난수 전송률을 달성한 시스템을 제시한다. 칩 기반 광전소자를 중심으로 설계되어 소형·경제적인 패키지 구현이 가능하며, 향후 다채널 확장과 집적화에 유리한 구조를 갖는다.

상세 분석

이 연구는 물리 난수 생성기의 확장성을 확보하기 위해 ‘스펙트럼 분할(parallel spectral division)’이라는 새로운 접근법을 도입하였다. 핵심 광원으로 사용된 초발광 다이오드(SLED)는 넓은 스펙트럼 대역폭(≈50 nm)과 높은 광출력을 제공함으로써, 파장별로 독립적인 잡음 신호를 추출할 수 있는 기반을 마련한다. 두 개의 비중첩 대역통과 필터를 SLED 출력에 직렬로 연결하면, 각각의 필터가 서로 다른 파장 구간을 선택하게 되고, 이 구간별로 발생하는 광학 잡음은 전자적으로 변환된 후 동일한 고속 아날로그‑디지털 변환기(ADC)와 포스트‑프로세싱 회로를 통해 10 Gb/s 비트 스트림으로 디코딩된다.

시스템 설계에서 눈에 띄는 점은 광전소자와 전자 회로가 모두 ‘칩 기반(Chip‑Scale)’이라는 점이다. SLED 자체가 패키지형 광원이며, 파장 필터는 얇은 필름 또는 파장 선택 파라미터가 집적된 포토닉 칩 형태로 구현될 수 있다. 이렇게 하면 광섬유 결합부와 같은 외부 부품을 최소화하면서도 고속 데이터 전송이 가능해진다. 또한, 두 스트림이 전기적으로 완전히 독립적이면서도 동일한 광원에서 파생되기 때문에, 시스템 전체의 동기화와 타이밍 관리가 크게 단순화된다.

무작위성 검증 측면에서는 NIST SP 800‑22와 Dieharder 테스트를 모두 통과했으며, 엔트로피 측정값이 0.999 bit/bit에 근접함을 보고한다. 이는 SLED 잡음이 양자역학적 광자 방출 과정에 의해 주도되며, 전통적인 레이저 기반 난수 발생기에서 발생할 수 있는 모드 락 현상이나 주파수 푸리에 성분에 비해 더욱 ‘화이트’한 스펙트럼을 제공한다는 점을 시사한다.

확장성에 대한 논의에서는 현재 두 채널을 10 Gb/s씩 구현했지만, 필터 대역폭과 SLED 출력이 충분히 넓다면 4채널, 8채널 등으로도 손쉽게 확장 가능하다고 제시한다. 다만, 채널 수가 증가할수록 각 채널당 신호‑대‑노이즈 비(SNR)가 감소할 위험이 있으며, 이를 보완하기 위해 고감도 PIN 포토다이오드 또는 APD(아발란체 포토다이오드)와 같은 고이득 검출기를 도입하거나, 디지털 후처리 단계에서 교차 상관을 최소화하는 알고리즘을 적용해야 한다.

마지막으로, 이 시스템은 기존 전자식 난수 발생기와 비교했을 때 전력 효율이 높고, 광학적 잡음에 기반하므로 전자기 간섭(EMI)에 강인한 특성을 가진다. 따라서 데이터 센터, 고속 통신, 양자 암호키 분배(QKD) 등 실시간 고대역폭 난수가 요구되는 분야에 직접 적용할 수 있는 실용적 기반을 제공한다.