CN102624365A - 一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置。通过将马赫增德尔调制器的输出光经过一段单模光纤传输得到延时后由光电探测器转换成电信号，再经由宽带微波放大器获得一定增益后反馈回马赫增德尔调制器的射频输入端口，从而构成光电延迟振荡环路，利用马赫增德尔调制器对射频输入电压的非线性响应，只需调节可调光衰减器，控制输入到马赫增德尔调制器的光功率，或者调节光电延迟振荡环路的链路增益，就能实现光电振荡器的混沌输出，再利用该混沌信号通过模数转换器和数字信号处理器实现高速二进制真随机码序列，因此得到了一种控制方法简单、且能利用现有常用的商用器件实现的高速二进制真随机码序列。

Description

一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置

技术领域

本发明涉及一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制随机码产生装置属于通信技术领域，具体涉及一种基于光电振荡器的随机码产生方法。

背景技术

随机数在通信领域有着广泛的应用，尤其是在保密通信、密码学、信息安全、雷达系统、数字通信编码以及量子密钥分配等领域。

随机码的产生方法主要有两种：一种是基于软件的方法，即通过数学的方法，采用特有的复杂算法生成高速伪随机码；另一种是基于某些物理量固有的随机性来产生真随机码，其随机性优于伪随机码。目前计算能力正在迅速地提高，所以基于特有的复杂算法产生的伪随机码已不能满足安全性要求。常见的物理熵源，即随机源，主要有：放射性衰变、电子电路热噪声、电子振荡器的频率抖动、电路混沌、量子随机事件等。基于电路系统的物理熵源，由于电子器件带宽的限制，目前已见报道的二进制真随机码的速率最高只在Mb/s量级，无法得到高速率的二进制真随机码。近年来，利用混沌激光器产生的混沌激光作为真随机码发生器的物理熵源得到了广泛的关注。宽带混沌激光的获得，突破了基于电路系统物理熵源的带宽限制，能实现Gb/s量级甚至上百Gb/s的高速二进制随机码。但是，目前常用的通信商用激光器大多内置光隔离器，不易实现激光器输出信号的光反馈，而且混沌激光的产生需要精密地调节反馈光才能实现，对相位敏感，不易控制。

发明内容

鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种能利用常见的通信商用器件来实现，且容易控制，又且能产生高速二进制真随机码的装置。

本发明的目的是通过如下手段来实现的。

一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制随机码产生装置，其特征在于是一种采用高速混沌电信号作为随机源，利用光电振荡器实现混沌电信号输出，通过模数转换器对输出的模拟混沌信号量化编码，在通过数据处理器实现二进制真随机码序列输出的产生装置；该装置包括：连续波激光器，可调光衰减器，以及由马赫增德尔调制器、单模光纤、光电探测器、功率分配器和宽带微波放大器构成的光电延迟振荡反馈环路，模数转换器和数字信号处理器；处理步骤包括：连续波激光器的输出光信号经过可调光衰减器后注入到马赫增德尔调制器的光输入端，马赫增德尔调制器的输出光通过一段单模光纤传输获得一定延时后输入到光电探测器转换成电信号，得到的电信号由功率分配器分成两路，其中一路经过宽带微波放大器后输入到马赫增德尔调制器的射频端口从而构成光电延迟振荡反馈环路，另外一路通过模数转换器、数据处理器后得到二进制真随机码序列。

经过以上设计后，通过合理地调节可调光衰减器控制输入到马赫增德尔调制器的输入光功率，或改变反馈环路的等效链路增益，可以使光电振荡器输出高速混沌电信号。利用该混沌信号通过模数转换，以及数字信号处理器即可实现高速真随机码输出。

本发明基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制随机码产生装置和已见报道的真随机码发生器相比有以下优点：

1.利用现有的常用通信系统用器件，低成本，易于实现。

2.非线性光电延迟振荡器对反馈信号的相位和偏振不敏感，稳定性高。

3.只需调节可调光衰减器，或改变反馈环路的等效链路增益，即可实现非线性光电延迟振荡器的混沌输出，易于控制。

4.能够产生高速二进制真随机码。

附图说明如下：

图1.本发明装置的系统框图。

图2.非线性光电延迟振荡器的混沌输出。

图3.非线性光电延迟振荡器产生的二进制随机码。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明装置由连续波激光器，可调光衰减器，以及由马赫增德尔调制器、单模光纤、光电探测器、功率分配器和宽带微波放大器构成的光电延迟振荡反馈环路，直流电源、模数转换器和数字信号处理器构成。

在图1中，连续波激光器为分布反馈式激光器，工作波长为λ＝1550nm，输出光功率为10mW，可调光衰减器的衰减值可调，马赫增德尔调制器的半波电压V_π为4V，通过设置调制器的偏置电压使得两臂的初始相位差为

由马赫增德尔调制器、单模光纤、光电探测器、功率分配器和宽带微波放大器构成的反馈环路中高频截止频率为f₁＝10GHz，低频截止频率为f₂＝20kHz，单模光纤长度为9m，反馈环路的等效链路增益

β的取值在0-5之间，其中S为光电探测器的响应度，G为宽带微波放大器的增益，P为马赫增德尔调制器的输入光功率，α为链路的总体等效损耗。对于特定的器件参数，只需合理地调节可调光衰减器的衰减值即控制输入到马赫增德尔调制器的光功率P，或调节光电延迟振荡反馈环路的等效链路增益，即可观察到非线性光电延迟振荡器的混沌输出。

功率分配器将光电探测器光电转换得到的电混沌信号按50:50一分为二，一路作为马赫增德尔调制器的调制电压，另外一路则用于生成二进制随机码。这里，由非线性光电延迟振荡器产生的混沌电信号生成二进制高速随机码的方法有两种，一种是通过模数转换器和数字信号处理器实现，数字信号处理器的功能是实现前后两个采样点的异或运算。另外一种是利用实验采集到的混沌电信号数据，利用离线系统软件实现模拟混沌信号的采样、量化、编码，并利用前后相邻采样点的数据做差分运算，实现二进制随机码输出。

图2为β＝3时非线性光电延迟振荡器的混沌电信号输出，其中

是归一化调制电压，是无维化变量，V(t)是输入到马赫增德尔调制器的调制电压。可以看出，非线性光电延迟振荡器实现了混沌输出。通过对混沌时间序列采样量化编码，并对前后相邻采样点的数据进行差分运算，得到二进制随机码序列，我们选择其中的79524位二进制随机码，如图3所示，其中1为黑色的点，0为白色的点，79524个点在图3中以从左到右，从下到上的顺序依次画出。这79524个二进制随机码中，1出现的概率为0.4955，0出现的概率为0.5045，熵值为0.9999，也就是基于非线性光电延迟振荡器的二进制随机码产生装置能得到随机性极好的随机码。所得到的高速二进制随机码成功通过了美国国家标准和技术研究所的随机数标准测试。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).基于基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置所用的器件都是目前商用通信系统中常用的器件，易于实现，成本低；2).只需通过调节可调光衰减器来控制输入到马赫增德尔调制器的光功率，或改变反馈环路的等效链路增益，即可实现非线性光电延迟振荡器的混沌输出，易于控制。

以上所陈述的仅仅是本发明装置的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改(比如改变光纤的长度，改变宽带放大器的工作频率范围，改变调制器两臂的初始相位差)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置，其特征在于是一种采用混沌光电振荡器作为随机源，利用非线性光电延迟振荡器实现混沌电信号输出，通过模数转换器对输出混沌电信号采样量化编码，再通过数据处理器实现二进制真随机码序列输出的产生装置；该装置包括：连续波激光器，可调光衰减器，以及由马赫增德尔调制器、单模光纤、光电探测器、功率分配器和宽带微波放大器构成的光电延迟振荡反馈环路，模数转换器和数字信号处理器；处理步骤包括：连续波激光器的输出信号经过可调光衰减器后注入到马赫增德尔调制器的光输入端，马赫增德尔调制器的偏置电压由一直流电源提供，马赫增德尔调制器的输出光通过单模光纤传输获得一定延时后输入到光电探测器转换成电信号，再由功率分配器分成两路，其中一路电信号经过宽带微波放大器获得一定增益后输入到马赫增德尔调制器的射频端口从而构成光电延迟振荡反馈环路，另外一路通过模数转换器、数据处理器后得到二进制真随机码。

2.实现权利要求1所述之基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置，其特征在于，混沌信号的产生是基于马赫增德尔调制器对射频输入电压的非线性响应，而该射频输入是由马赫增德尔调制器的输出光经过光纤延迟后再经过光电探测器转换，并经宽带微波放大器放大后的延迟反馈电信号。

3.实现权利要求1所述之基于非线性光电延迟振荡器的二进制真随机码产生装置，其特征在于，所述单模光纤的长度一般为几米到几十米。

4.实现权利要求1所述之基于非线性光电延迟振荡器的高速二进制真随机码产生装置，其特征在于，所述宽带微波放大器工作频率范围一般为几十kHz到几十GHz。

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