CN103427801B - 一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及随机码发生方法及其装置，具体为一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法及装置。一种基于后向瑞利散射产生真随机码的装置包括连续激光器，光环形器，光放大器，光电探测器以及后续处理模块。一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法包括以下步骤：将连续激光器发射的连续激光通过光纤连接到光环形器，激光在与光环行器的另一端相连接的光纤中发生散射后经光放大器放大，最终在电域中由后续处理模块提取出真随机码。本发明采用激光在光纤中发生后向瑞利散射后的激光的强度信号作为随机码源，该随机码源受外界环境影响极小，且随机性好，无周期性，整个装置的结构也非常简单，易于实现。

Description

一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法及装置

技术领域

本发明涉及随机码发生装置，具体为一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法及装置。

背景技术

随着科学技术的发展，随机码已被广泛地应用到数值计算、蒙特卡罗模拟、保密通信等各个领域。特别在以密码学为核心的信息安全领域中，随机码的质量决定密匙的安全性从而决定了数据加密的安全性此外，用于保证数据传输安全性完整性的安全协议和数字签名等手段都需要采用随机码。

随机码按产生方式可分为两种：伪随机码和真随机码。伪随机码是采用确定性的数学算法生成的。当两个伪随机码发生器采用相同的初始条件和算法时其生成的随机码是完全一样的。随着量子计算技术的发展，伪随机码生成的密钥有可能被拥有足够运算能力的攻击者破解，从而难以满足人们对信息安全的需求。真随机码是基于随机的物理现象产生的，例如，放射性衰变、光的自发辐射噪声、电子电路噪声、量子随机噪声、混沌激光的振幅或相位等等。由于物理现象的不可预测性，所得真随机码往往随机性能较好，且不可预测。因此真随机码扮演着往往比伪随机码更为重要的角色。现在我们将真随机码的发展现状简单作如下介绍：

1，辛茜等人在2004年设计了一种基于电阻热噪声的真随机码发生器，系统内部集成了失调控制系统，系统时钟为4MHz，并且进行了仿真，最后输出了2Mbit/s的随机码。

2，HongGuo等人于2010年发表的文章中提出了利用激光的相位噪声来产生随机码的方法，他们用单模垂直腔面激光器作为激光源，从激光器中发出的激光经过分束器后分为两路，一路直接接到光电探测器，另外一路光经过一定的延迟之后再连接到光电探测器。对两路从光电探测器出来的电信号进行二进制转换后，进行后续处理即可得到20Mbit/s的真随机码和长度为14Gbit的随机码流。

3，日本的一个科研小组在2008年发表在nature上的文章中指出，利用双路反馈产生的混沌激光分别通过光电探测器之后再进行异或处理来可得到1.7Gbps的真随机码。

4，ApostolosArgyris等人用只有10350微米的外腔反馈来产生混沌光,混沌光通过光电探测器之后输入示波器中直接输出，最后得到140Gbps的随机码。其中示波器的采样频率是10GSa/s,示波器中有16位的DAC和8位的ADC,取输出随机码16位中的低14位。即：14*10=140Gbps。

上述现有的产生随机码的装置由于所采用的物理噪声源很容易受到温度、压力等环境因素的影响，抗干扰能力比较差，所以产生的随机序列的均匀性和稳定性都很难控制。并且由单反馈产生的混沌源往往具有周期性，对所产生的随机码有一定影响。因此需要一种抗外界干扰能力强、没有周期性且结构简单的真随机码的产生方法及装置。

发明内容

本发明所述产生真随机码的方法是采用如下技术方案实现的：一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法，是采用如下步骤实现的：将一束连续激光入射至光环形器，连续激光被光环形器引入与光环形器第二端口相连接的第一光纤中，经第一光纤后向瑞利散射后的激光被光环形器引入与光环形器第三端口相连接的光放大器，经放大后进入后续处理模块，后续处理模块将放大后的光信号转换成相应的电信号，再将该电信号转化为数字信号，即得到真随机码。

本发明所述的产生真随机码的装置是采用如下技术方案实现的：一种基于后向瑞利散射产生真随机码的装置，包括连续激光器以及与连续激光器出射端口通过光纤相连接的光环形器；光环形器的另外两个端口分别连接有第一光纤和光放大器，光放大器通过光纤连接有后续处理模块。

光纤中的散射过程可分为三种：一种是由于光纤介质的不均匀性而引起的瑞利散射，一种是因热振动声子而产生的布里渊散射；还有一种就是光纤内部光子与光声子的相互作用而引起的拉曼散射。其中，瑞利散射波长不会变化，它在光纤中的传播过程只存在强度的损耗。另外两种散射，都伴随着与声子能量交换的过程，因此波长都会发生变化。激光发生瑞利散射后又沿原光路返回的现象称为后向瑞利散射；光的后向瑞利散射光强度不是恒定的数值，而是有一定的起伏。因此我们可以根据光纤中后向瑞利散射光的强度起伏性来作为一种全新的随机码的源，并以此产生真随机码。理论上激光在光纤中还会发生布里渊散射和拉曼散射；但是当注入光强没有达到他们阈值的情况，自发的拉曼和布里渊影响可以忽略。后向瑞利散射光的强度依赖于光纤的长度以及激光的强度，受外界环境影响极小；后向瑞利散射的激光强度一般较低，需要对其进行放大；放大后的激光再通过后续处理装置，最终可得到性能较好的随机码。所述的后续处理模块作为将强度随机起伏的信号转换为真随机码的装置，其结构和工作过程为现有公知技术；将接收到的光信号转换为真随机码的技术也为现有公知技术，是易于实现的。

本发明采用在光纤中发生后向瑞利散射后的连续激光的强度信号作为随机码源，该随机码源受外界环境影响极小，且随机性好，随机码的性能完全符合国际上通用的美国国家标准与技术研究所（NIST）的随机码测试标准的相关要求，无周期性；整个装置的结构也非常简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明基于光的后向瑞利散射产生真随机码的装置。

图2是本发明基于光的后向瑞利散射产生真随机码的一个具体实施方式示意图。

图3是本发明基于光的后向瑞利散射产生真随机码的另一个具体实施方式示意图。

1-半导体激光器，2-光环形器，3-第一光纤，4-光放大器，5-后续处理装置，1a-光电探测器，2a-模数转换器，3a-时钟，1b-光耦合器，2b-光电探测器，3b-模数转换器，4b-时钟，5b-异或处理器件。

具体实施方式

实施方式一：

如图2，是一种基于光的后向瑞利散射产生随机码的一个具体结构示意图，其具体实施方式如下：

一种基于光的后向瑞利散射产生真随机码的装置，包括半导体激光器1，光环形器2，第一光纤3，光放大器4，光电探测器1a，模数转换器2a，时钟3a，其中后续处理装置由光电探测器1a，模数转换器2a，时钟3a组成。

半导体激光器1输出的连续激光通过光环形器2的a端口进入光环形器2，由a端口输入的激光被环形器2引至b端口并进入第一光纤3，经第一光纤3后向瑞利散射后的激光通过光环形器2的c端口进入光放大器4，光电探测器1a将由光放大器4出射的光信号转换为电信号，此时电信号进入模数转换器2a转换为真随机码输出，时钟3a时钟作为模数转换器的开关，用于控制模数转换器的信号采集与转换过程，即打开时钟开关，模数转换器2a开始工作，关闭时钟，模数转换器2a则停止工作。

具体实施方式二：

如图3，是一种基于光的后向瑞利散射产生真随机码的另一个具体结构示意图，其具体实施方式如下：

一种基于光的后向瑞利散射产生随机码的装置，包括半导体激光器1，光环形器2，第一光纤3，光放大器4，光耦合器1b，光电探测器2b，模数转换器3b，时钟4b，异或处理器件5b，其中后续处理模块由光耦合器1b，光电探测器2b，模数转换器3b，时钟4b，异或处理器件5b组成。

半导体激光器1输出的连续激光通过光环形器2的a端口进入光环形器2，由a端口输入的激光被环形器2引至b端口并进入第一光纤3，经第一光纤3后向散射后的激光通过光环形器2的c端口进入光放大器4，光耦合器1b将由光放大器4入射的光按照50:50的功率比分为两路，分别进入两个性能参数均相同的光电探测器2b并被转换为电信号，模数转换器3b在时钟4b的控制下将电信号转换为真随机码，异或处理器件5b对两路真随机码进行异或处理得到随机性能更加优良的随机码输出。时钟4b作为模数转换器3b的开关，用于控制模数转换器的信号采集与转换过程，即打开时钟开关，模数转换器3b开始工作，关闭时钟，模数转换器3b则停止工作。

随机码的性能测试可通过国际上通用的美国国家标准与技术研究所（NIST）的随机数测试标准来测试，通过实施方式一和二产生的真随机码可以很好地满足该标准的要求。

这里需要指明的是第一光纤3可以是单模光纤、多模光纤或者光子晶体光纤中的任何一种。其作用是用于产生激光的后向瑞利散射。

Claims (3)

1.一种基于后向瑞利散射产生真随机码的方法，其特征在于，是采用如下步骤实现的：将一束连续激光入射至光环形器（2），连续激光被光环形器（2）引入与光环形器（2）第二端口相连接的第一光纤（3）中，经第一光纤（3）后向瑞利散射后的激光被光环形器（2）引入与光环形器（2）第三端口相连接的光放大器（4），经放大后进入后续处理模块（5），后续处理模块（5）将放大后的光信号转换成相应的电信号，再将该电信号转化为数字信号，即得到真随机码；所述的后续处理模块（5）由光耦合器（1b），一对光电探测器（2b），一对模数转换器（3b），时钟（4b）以及异或处理器件（5b）组成；光耦合器（1b）将由光放大器（4）入射的光按照50:50的功率比分为两路，分别进入两个性能参数均相同的光电探测器（2b）并被转换为电信号，模数转换器（3b）在时钟（4b）的控制下将电信号转换为真随机码，异或处理器件（5b）对两路真随机码进行异或处理得到随机性能更加优良的随机码输出；时钟（4b）作为模数转换器（3b）的开关，用于控制模数转换器（3b）的信号采集与转换过程。

2.一种基于后向瑞利散射产生真随机码的装置，其特征在于，包括连续激光器（1）以及与连续激光器（1）出射端口通过光纤相连接的光环形器（2）；光环形器（2）的另外两个端口分别连接有第一光纤（3）和光放大器（4），光放大器（4）通过光纤连接有后续处理模块（5）；所述后续处理模块（5）由光耦合器（1b），一对光电探测器（2b），一对模数转换器（3b），时钟（4b）以及异或处理器件（5b）组成；光放大器（4）的输出端与光耦合器（1b）的输入端相连接，光耦合器（1b）输出端分为两路且分别与一个光电探测器（2b）连接，两个光电探测器（2b）分别与一个模数转换器（3b）连接，两个模数转换器（3b）的信号输出端共同连接异或处理器件（5b）的信号输入端；时钟（4b）作为两台模数转换器（3b）的开关；光耦合器（1b）输出端的两路光功率相同。

3.如权利要求2所述的一种基于后向瑞利散射产生真随机码的装置，其特征在于，所述连续激光器（1）采用半导体激光器；所述第一光纤（3）采用单模光纤或多模光纤或光子晶体光纤。