CN102681816B - 一种全光真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

一种全光真随机数发生器，包括全光真随机数熵源；其所述全光真随机数熵源是将连续光激光器I的输出光经3dB光纤耦合器I和光衰减器I注入到两段式半导体激光器，产生高速混沌自脉动信号，并通过调节光注入强度和频率失谐量控制混沌自脉动信号的重复频率。本发明无需采样和后续处理，克服了现有因采样导致信号失真带来的附加问题，极大地降低了系统的复杂度，而且通过改变光注入强度及频率失谐量，可实现码率大范围调谐，码率高达Gbps，也可与光网络直接兼容。

Description

一种全光真随机数发生器

技术领域

本发明涉及一种真随机数发生器，属于通信技术领域，它是一种无需采样及后续处理过程的高速、码率可调谐全光真随机数发生器，可广泛应用于蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络及保密通信。

技术背景

随机数在蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络等科学计算方面有着广泛的应用。尤其在保密通信领域，产生安全可靠的随机数（密钥），关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

随机数发生器可分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。

伪随机数发生器通过对一些确定性算法赋予不同的种子可以便捷地生成具有一定周期的、快速的随机数，如现代通信系统中最常用的DES算法、RSA算法等。但伪随机数发生器存在两个缺点：1、算法与种子是完全确定的，一旦算法与种子被破解，则密钥不仅可以复制、甚至可以预测； 2、产生的随机序列长度有限，存在周期性，并非真正随机的。随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，严重威胁着信息安全。例如2011年3月，世界知名的信息加密公司RSA（RSA加密算法的发明者）宣布该公司一些用SecurID技术加密的信息被窃取。

真随机数发生器可以保证科学计算的准确性及保密通信的安全性，利用自然界中的微观量子机制或宏观随机现象作为物理熵源可产生出无法预测、非周期的完全随机的真随机数。

传统的真随机数发生器所选用的物理熵源均属于连续时间随机系统，所发出的信号是连续模拟信号，如电阻或其他电子元件的热噪声、自发辐射噪声、核辐射衰变、振荡器的相位噪声、混沌电路、混沌激光等。为了产生高质量的真随机数，它们必须完成以下步骤：一是利用外部触发时钟采样并量化连续变化的熵源信号，产生原始的随机数序列；二是对原始的随机数序列进行后续处理（如异或逻辑运算及高阶差分处理），从而获得高质量的真随机数。整套装置由物理熵源、外部触发时钟、采样及量化装置、后续处理系统等四部分构成。

传统真随机数发生器的缺点在于：在模拟信号（即熵源信号）向离散信号（即真随机数）转换的过程中，由于外部触发时钟孔径抖动的存在，会严重劣化模数转换的精确度，降低系统的信噪比。同时，这也是这些随机数发生器需要后续处理的根本原因，而后续处理系统的存在会大大增加系统的复杂度。

最近，在先技术[Optics Express, Vol. 20, Issue 4, pp. 4297-4308 (2012)]提出了基于离散时间随机系统产生真随机数的方案，利用被动锁模光纤激光器发射的离散混沌脉冲信号作为物理熵源，无需采样过程及外部触发时钟，便可直接产生真随机数序列。整套装置仅由物理熵源和全光量化器两部分构成，结构简单，克服了传统真随机数发生器因“采样”导致的信号失真问题，且不需进一步的后续处理系统，降低了系统复杂度。然而，这个方案仍存在两个明显的不足，亟待改善：

一是被动锁模光纤激光器的重复速率过低（仅处于Mbps量级），无法实现高速率的真随机数输出，难以满足现代高速通信（信号传输速率高达Gbps）的安全需要。

二是该随机数发生器的码率完全由被动锁模光纤激光器的谐振腔长度决定，在实际应用中无法进行实时调谐，严重限制了其应用领域。

发明内容

本发明一种全光真随机数发生器的目的在于解决上述现有技术中存在的码率过低且不可调谐等问题，从而公开一种无需采样及后续处理系统的高速、码率可调谐全光真随机数发生器的技术方案，该装置能适应现代高速保密通信的安全需要。

本发明一种全光真随机数发生器，包括全光真随机数熵源；其所述全光真随机数熵源是将连续光激光器I 3的输出光经3dB光纤耦合器I 2和光衰减器I 4注入到两段式半导体激光器1，产生高速混沌自脉动信号，并通过调节光注入强度和频率失谐量控制混沌自脉动信号的重复速率。

本发明一种全光真随机数发生器所附加的技术特征在于所述连续光激光器I 3的输出光是强度恒定不变的光束；所述高速混沌自脉动信号是重复频率处于GHz量级的离散混沌信号；所述离散混沌信号是由重复频率恒定、强度随机起伏的脉冲序列构成；所述光注入强度是连续光激光器I 3的输出光强度与两段式半导体激光器 1的输出光强之比；所述光频率失谐量是连续光激光器I 3输出光的频率与两段式半导体激光器1输出光的频率之差；所述调节光注入强度是通过光衰减器I 4进行调控；所述调节光频率失谐量是通过连续光激光器I 3的温度调控。

本发明上述的一种全光真随机数发生器，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：

1、首次提出并利用混沌自脉动信号作为物理熵源产生高速真随机数，其速率高达Gbps量级，足以满足现代高速保密通信的需要；

2、所提出的真随机数发生器无需“采样”和“后续处理”过程，克服了现有技术因“采样”导致的信号失真带来的附加问题，极大地降低了系统复杂度；

3、所提出的真随机数发生器不仅码率高，还可通过改变光注入强度及频率失谐，实现码率的大范围调谐；

4、本发明所提出的真随机数发生器，其信号处理均在光域中进行，突破了“电子瓶颈”的限制；

5、本发明产生的真随机数可与光网络直接兼容，无需任何外部调制器，可克服传统随机数发生器应用于光网络时的技术局限。

附图说明

图1是本发明全光真随机数发生器的结构示意图。

1：两段式半导体激光器；2：3dB光纤耦合器Ⅰ；3：连续光激光器I；4：光衰减器Ⅰ；5：3dB光纤耦合器II；6:光放大器Ⅰ；7：光放大器II；8：光衰减器II；9：光衰减器III；10：连续光激光器II；11：WDM光纤耦合器；12：光纤延迟线；13：光环形器；14：四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器；15：光滤波器。

图2是本发明全光真随机数熵源产生的重复频率10 GHz的混沌自脉动信号。

图3是本发明注入四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器左侧的set信号。

图4是本发明注入四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器右侧的reset信号。

图5是本发明产生的10 Gbps的全光真随机数信号。

图6是本发明全光随机数码率随着光注入强度增大的变化情况。

具体实施方式

实施本发明一种全光真随机数发生器，是在现有技术基础之上，利用光注入两段式半导体激光器产生的高重复频率混沌自脉动信号取代被动锁模光纤激光器发射的混沌脉冲信号作为全光真随机数熵源，进而利用四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器等构建全光量化器对其进行量化编码，产生出全光真随机数序列。

本发明一种全光真随机数发生器，是一种无需采样及后续处理系统的高速、码率可调谐全光真随机数发生装置，整套装置由全光真随机数熵源及全光量化器构成。其所述装置为了实现将全光真随机数熵源信号量化成随机码的目的的全光量化器由四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14、3dB光纤耦合器II 5、光衰减器II 8、光衰减器III 9、光放大器Ⅰ6、光放大器II 7、连续光激光器II 10、WDM光纤耦合器11、光纤延迟线12、光环形器13和光滤波器15构成。实现高速且码率可调谐的目标采用的全光真随机数熵源由两段式半导体激光器1、连续光激光器I 3、3dB光纤耦合器I 2以及光衰减器I 4组成。

下面将结合附图1对本发明的具体实施方式作出详细说明。

首先，两段式半导体激光器1由增益区和饱和区构成，两者的偏置电流分别为J_a和J_b。J_a取为阈值电流的1.5倍，约15mA；J_b低于阈值电流，约8mA之间。这时，饱和区中的可饱和吸收体主要提供一种反馈机制，促使受激辐射的快速形成，进而导致增益区中增益介质的漂白，引起受激辐射，两段式半导体激光器1导通，产生脉冲；随着载流子的消耗，可饱和吸收体恢复正常工作，两段式半导体激光器1的腔内损耗进一步增强，受激辐射关闭。循环往复，两段式半导体激光器1最终输出重复速率恒定、强度恒定的自脉动信号。

接着，连续光激光器I 3输出强度恒定的光束，经3dB光纤耦合器Ⅰ2和光衰减器I 4注入到两段式半导体激光器1，与自脉动信号发生非线性作用，在适当的光注入强度K及频率失谐量ω条件下，两段式半导体激光器1将发射出混沌自脉动信号。该高速混沌自脉动信号是一种离散混沌信号，由重复频率处于GHz、强度随机起伏的光脉冲序列构成。相比于现有技术，其重复频率提高了3个数量级，适于现代高速通信的需要。这里，光注入强度K定义为连续光激光器I的输出光强度与两段式半导体激光器1的输出光强之比，可利用光衰减器I 4方便地调节；而频率失谐量ω则是指连续光激光器I输出光的频率与两段式半导体激光器1输出光的频率之差，可通过改变连续光激光器I 3的温度进行调控。

继而，混沌自脉动光信号被另一3dB光纤耦合器II 5分为两束，分别作为set和reset信号注入四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14的两侧，控制四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14的输出状态。这里，set和reset信号之间有着一定的时间延迟，由光纤延迟线12控制，它们的功率分别光放大器Ⅰ6、光放大器II 7、光衰减器II 8、光衰减器III 9联合调控。与此同时，另一连续光激光器II 10输出的连续光经WDM光纤耦合器11亦注入四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14，起到“保持光”的作用。这样，四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14起到全光触发器的作用，当混沌自脉动信号的功率大于触发阈值时，四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14激射关闭，不发光；反之，当混沌自脉动信号功率小于触发阈值时，四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14正常激射，发光；这样便可实现了对混沌自脉动信号的触发量化，产生出高速全光真随机数序列，由光滤波器15滤出。

图2给出了本发明全光真随机数熵源实验产生的重复速率达10 Gbps的混沌自脉动信号。此时，装置中的频率失谐量ω为 0.5，而光注入强度K为0.6。图3和图4是利用图2情况下产生的混沌自脉动信号经3dB耦合器II分束后形成的set和reset信号，分别注入四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14的两侧。可以清楚地看到，set与reset信号在波形上是一致的，但是两者之间存在着一个100 ps的延迟。经光放大器Ⅰ6、光放大器II 7、光衰减器II 8及光衰减器III 9的联合控制，可将set和reset信号的平均功率调节到0.1 mW，与全光触发器的触发阈值相等。这样，通过与触发阈值的比较，可实现对熵源信号的量化。图5是经四分之一波长相移型分布反馈式半导体激光器14量化编码后，所获得10 Gbps的全光真随机数序列。波形上的凹陷处，编码为0；反之，编码为1。

下面进一步说明本发明产生的全光真随机数发生器不仅速率高（处于Gbps量级），而且其码率可实现大范围地可调谐。图6给出了在上述条件下，固定频率失谐量ω= 0.5不变，通过调节光注入强度K，本发明产生的全光真随机数序列码率的变化情况。可以很明显地看到，当频率失谐量固定时，随着光注入强度K由0.2向0.7递增，本发明所产生随机数的码率会由5 Gbps连续升高至10 Gbps以上。也就意味着，本发明全光真随机数发生器的码率，在频率失谐固定时，可通过调节光注入强度实现大范围的调谐。

为了检验本发明所产生的全光真随机数的质量，我们采用美国国家标准和技术研究所（NIST）提供的 Special Publication 800—22 随机数测试标准对所生成的随机数序列进行了测试。NIST随机数测试标准是国际通用标准，共包含15 项测试，每项测试结果用 P值表示。若P值大于显著水平值α= 0.01时，则表明所测随机数序列通过了相应的测试。进一步，计算了每项测试的通过率来进一步验证序列随机特性的有效性及正确性。当每项测试的通过率大于                                                时，认为所测随机数具有良好的随机性。这里，p= 1- α。

对于不同速率下的全光真随机数发生器，我们分别采集了1000 组容量为1 Mbit 的真随机数序列进行 NIST测试。 这时，要求每项测试的通过率大于0. 9806。我们的测试结果表明本发明所产生的各种速率下的全光真随机数均具有高质量的随机特性，皆能成功通过NIST随机数测试标准。附表1给出了对本发明所产生真随机数进行NIST测试的一个最差的测试结果，各项测试P值均大于0.01，各项测试通过率均大于0.9806，达到了随机数测试标准，随机性良好。

 表 1. 本发明全光随机数发生器的NIST测试结果：各项测试P值大于显著性水平0.01，通过比例大于0.9806时，表明随机性良好，满足随机数测试标准.

由以上论述可以看到，本发明的全光真随机数发生器在整个信号处理中，并不需要“采样”及“后续处理”过程的参与，从而有效避免了由采样过程所导致的信号失真问题，降低了系统的复杂度。而且，本发明的信号处理过程均在光域中完成，不涉及电子器件，克服了电子瓶颈的限制；所产生的真随机数本身就是光信号，因而能与光网络直接兼容，不需要任何外部调制器。

另外，需要特别指出的是，本发明所产生的真随机数的码率完全由混沌自脉动信号的重复频率决定，并与之保持一致。混沌自脉动信号的重复频率又由光注入强度K及频率失谐量ω直接决定，因此，通过控制这两个参量方便地对真随机数码率进行实时的大范围调谐。这是现有技术所无法克服的又一技术障碍。而在许多应用中（如保密通信、人工神经网络等），真随机数码率的可调谐是极其重要和必需的。

Claims (5)

1.一种全光真随机数发生器，包括全光真随机数熵源；其所述全光真随机数熵源是将连续光激光器I（3）的输出光首先经过光衰减器 I （ 4 ），之后经过 3dB 光纤耦合器 I （ 2 ）再注入到两段式半导体激光器（ 1 ），产生10 GHz高速混沌自脉动信号，并通过调节光注入强度和光频率失谐量控制混沌自脉动信号的重复频率；

所述连续光激光器I（3）的输出光是强度恒定不变的光束；

所述高速混沌自脉动信号是重复频率处于GHz量级的离散混沌信号；所述离散混沌信号是由重复频率恒定、强度随机起伏的脉冲序列构成。

2.如权利要求1所述的全光真随机数发生器，其所述光注入强度是连续光激光器I（3）的输出光强度与两段式半导体激光器（1）的输出光强度之比。

3.如权利要求1所述的全光真随机数发生器，其所述光频率失谐量是连续光激光器I（3）输出光的频率与两段式半导体激光器（1）输出光的频率之差。

4.如权利要求1所述的全光真随机数发生器，其所述调节光注入强度是通过光衰减器I（4）进行调控。

5.如权利要求1所述的全光真随机数发生器，其所述调节光频率失谐量是通过连续光激光器I（3）的温度调控。