CN104516713B - 一种全光真随机数产生装置 - Google Patents

Abstract

一种超快全光真随机数产生装置是在一保偏光纤中依次设置主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤，构成超连续谱熵源；所述超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，进入光衰减器阵列中进行调节，后经光纤与连续光激光器输出的连续光信号同时进入全光比较器阵列量化成高速真随机脉冲序列，并由光滤波器阵列滤出，然后进入光纤延迟线阵列，最后进入光耦合器中时分复用，形成超快全光真随机数序列。本发明首次采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率达到了Tbps量级，比现有真随机数产生速率提高了3个数量级，满足了现代高速保密通信的安全需要。

Description

一种全光真随机数产生装置

技术领域

本发明一种全光真随机数产生装置，属于信息技术领域，它是一种产生超高码率真随机数序列的装置，主要应用在保密通信及大规模并行计算中，用来快速产生安全可靠的真随机数或密钥。

背景技术

随机数在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，又称为密钥，关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就保证了所传输信息的安全。根据香农的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足以下条件：（1）密钥长度不短于明文长度；（2）密钥是完全随机的；（3）密钥不能重复使用。这就要求产生大量码率不低于通信速率的真随机数。

在现有技术中，一般利用带宽光子源作为物理熵源，通过光电探测器将其发射的随机信号转换为电信号，利用电子模数转换器进行采样及量化后，最终产生高速真随机码。常用的宽带光子源包括：单光子、ASE自发辐射噪声、真空态以及混沌激光等。截至目前，申请人所在课题组利用激光混沌作构建的真随机数发生器是当前国际上的实时速率最快的真随机数产生装置，其速率可达4.5 Gbps [Opt. Express, 21(17): 20452-20462,2013]。要获取更高速率的真随机数，将需选用超高速的电ADC进行量化编码，这势必面临“电子速率瓶颈”的限制。如，目前响应带宽最高的电ADC当属日本富士通公司的CHAIS ADC，其带宽可达15 GHz，已几乎接近电子带宽理论极限。这些都意味着，利用上述传统技术构建的真随机数产生装置，技术上可实现的最快速率只能处于几十个GHz量级。

但是，现代高速通信已经发展到了密集波分复用阶段。密集波分复用系统的应用使得当前信号传输速率可达1 Tbps量级。这就迫切需要发展与之相匹配的码率处于Tbps量级的真随机数产生装置，以确保信息传输的绝对安全。当前的真随机数产生技术距此码率仍有相当距离，远不足以保证现代通信的绝对安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种全光真随机数产生装置，以解决上述现有技术中普遍存在的码率不足等问题，从而公开一种可产生超高码率真随机数序列的技术方案，该装置适用于现代保密通信及大规模并行计算等领域。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种全光真随机数产生装置，其特征在于：

在一保偏光纤中依次设置主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤，构成超连续谱熵源；

所述超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，后进入光衰减器阵列中进行调节，后经N路光纤与连续光激光器输出的N路连续光信号同时进入全光比较器阵列量化成N路高速真随机脉冲序列，并由光滤波器阵列滤出，再经N路光纤进入光纤延迟线阵列作用，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进入N×1光耦合器中时分复用，形成码率为N×f的全光真随机数序列。

进一步的技术特征如下。

所述超连续谱熵源的脉冲序列的重复频率f = 10 GHz。

所述阵列波导光栅是由N个输出波长通道构成。

所述光衰减器阵列是由N个光衰减器并列构成。

所述全光比较器阵列是由N个相同的全光比较器并列构成。

所述光滤波器阵列是由N个相同的光滤波器并列构成。

所述N的取值是100。

实现本发明上述所提供的一种全光真随机数产生装置，与在先随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于：

第一，本发明首次采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率可达Tbps量级，比现有真随机数产生技术的速率高了3个数量级，满足了现代高速保密通信的安全需要。

第二，本发明的真随机数产生装置中不包含采样模块，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题；

第三，本发明的真随机数产生装置的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了“电子瓶颈”的限制；

第四，本发明的真随机数产生装置可与光网络直接兼容，无需任何外部调制器，克服了现有随机数发生器应用于光通信网络时的技术局限。

附图说明

图1是本发明全光真随机数产生装置的结构示意图。

图2是本发明全光比较器阵列中任一单元模块的结构示意图。

图3是本发明超连续谱熵源产生的重复频率10 GHz、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列光谱图。

图4是本发明超连续谱熵源产生的重复频率10 GHz、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列三维时序图。

图5是本发明全光比较器单元的透射传递特性函数。

图6是本发明超连续谱脉冲序列经阵列波导光栅光谱切割后，产生的任意一路窄带子光脉冲序列经全光比较器阵列中相应单元模块，后产生的真随机码序列。

图7是本发明N路真随机码序列经过N×1光耦合器11时分复用后形成的全光真随机数序列，N取100。

图8是本发明图7的局部放大图。

图9是本发明全光真随机数产生方法的流程图。

图中：1：主动锁模脉冲激光器；2：脉冲光放大器；3：高非线性色散位移光纤；4：反常色散光纤；5：阵列波导光栅；6：光衰减器阵列；7：全光比较器阵列；7_1a：3dB耦合器I；7_1b：光隔离器I；7_1c：光隔离器II；7_1d：耦合器I；7_1e：耦合器II；7_1f ：波分复用器；7_1g：高非线性光子晶体光纤7_1h：3dB耦合器II；8：连续光激光器；9：光滤波器阵列；10：光延迟线阵列；11：N×1光耦合器。

具体实施方式

实施本发明上述提供的一种全光真随机数产生装置，是利用新型超连续谱熵源产生出高重复频率f、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列，采用光谱切割技术将其分割成N路独立、无关峰值功率大幅度随机起伏的窄带子光脉冲序列，经N个全光比较器量化成N路独立的高速真随机脉冲序列，最后通过时分复用技术实现超高速码率N×f的全光真随机码序列。

本发明所述的一种全光真随机数产生装置，是一种速率可达Tbps以上量级的全光真随机数发生器，整套装置由超连续谱熵源、阵列波导光栅5、光衰减器阵列6、全光比较器阵列7、连续光激光器8、光滤波器阵列9、光延迟线阵列10及N×1光耦合器11组成。超连续谱熵源输出的高重复频率f、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列经阵列波导光栅5光谱切割产生出N路峰值功率大幅度随机起伏的窄带子光脉冲序列，进入光衰减器阵列6中，被各个光衰减器单元（6₁、6₂、6₃、…、6 _N ）调节至平均功率一致，而后经N路光纤进入全光比较器阵列7，被各自对应的全光比较器单元（7₁、7₂、7₃、…、7 _N ）及连续光激光器8共同作用量化成N路独立的高速真随机脉冲序列，分别由光滤波器阵列9中各自对应的光滤波器单元（9₁、9₂、9₃、…、9 _N ）滤出，经N路等长的光纤进入光纤延迟线阵列10，被各自对应的光纤延迟线单元（10₁、10₂、10₃、…、10 _N ）作用，使得相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进入N×1光耦合器11中时分复用，形成码率为N×f的全光真随机数序列；所述超连续谱熵源由主动锁模脉冲激光器1、脉冲光放大器2、高非线性色散位移光纤3及反常色散光纤4构成的，各器件之间通过保偏光纤依次连接；所述超连续谱熵源输出的高重复频率f、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列中f取作10 GHz；所述阵列波导光栅5具有N个输出波长通道；所述光衰减器阵列6由N个光衰减器并列构成；所述全光比较器阵列7由N个相同的全光比较器并列构成；所述光滤波器阵列9由N个相同的光滤波器并列构成；所述N的取值是100。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步详细说明。

1、超连续谱熵源实现过程

这里，以重复频率为10 GHz的超连续谱熵源实现过程为例，予以说明。如附图1中所示，主动锁模脉冲激光器1输出的脉宽约1.7ps、重复频率10 GHz、波长为1550 nm的超短光脉冲序列，经脉冲光放大器2作用后，其峰值功率可以增大到2 kW。以该超短脉冲信号作为泵浦源经保偏光纤进入到一段长5 m、非线性系数为25/W/km高非线性色散位移光纤3，零色散点位于1550 nm处，受高非线性色散位移光纤3中自聚集、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等效应的共同作用，泵浦脉冲的光谱中会产生许多新的频率成分，使得输出脉冲序列的光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽，最终得到了谱宽可达1.3 μm的超连续谱光脉冲信号，如附图3所示。由于噪声信号的存在，此时的超连续谱光脉冲峰值强度会有微弱起伏，但远不足以满足后续量化系统的要求。为了进一步增强上述超连续谱光脉冲峰值强度的起伏，这里引入了一段长10 m的反常色散光纤4。超连续谱光脉冲信号在反常色散光纤4传输过程中，噪声驱动的调制不稳定性将起主导作用，致使超连续谱光脉冲的稳定性劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的起伏，如图4所示。这样就实现了本发明的高重频、强度大幅度起伏的超连续谱熵源。这里指出，此时超连续谱光脉冲序列中的脉宽约1 ps。

2、N路独立全光真随机脉冲序列产生过程

这里，以N=100路并行真随机码的产生为例予以说明。如附图1所示，超连续谱熵源产生的重复频率10 GHz、峰值强度大幅度随机起伏的超连续谱光脉冲序列经通道间隔为10nm、通道数N=100路的阵列波导光栅5光谱切割后，可分离出N=100路的窄带子光脉冲序列；这些序列遗传了超连续谱熵源产生的超连续谱脉冲序列的高重频及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之间相互独立。窄带子光脉冲序列相互之间完全独立的本质原因在于超连续谱脉冲序列随机起伏起源于量子独立的激光自发辐射噪声且阵列波导光栅5各个输出通道光谱上无重叠。

以上产生的N=100路的窄带子光脉冲序列被光衰减器阵列6中，光衰减器阵列6由N个光衰减器6₁、6₂、6₃、…、6 _N 并行构成，经各自对应的光衰减器单元（6₁、6₂、6₃、…、6 _N ）调节至平均功率一致后，被作为子随机数提取源，进入全光比较器阵列7中，经各自对应的全光比较器单元（7₁、7₂、7₃、…、7_N）及连续光激光器8共同作用量化成N路独立的高速真随机脉冲序列。全光比较器阵列7中的各个单元（7₁、7₂、7₃、…、7_N）是完全相同的装置，工作过程亦相同。因此，下面将随机抽取其中全光比较器单元7₁为例，对N路高速真随机脉冲序列的产生过程予以详细说明。

附图2是附图1中全光比较器阵列7中全光比较器单元7₁的详细结构示意图。输入端A、C以及输出端B分别与附图1中全光比较器阵列7中全光比较器单元7₁中A、B、C三端口一一对应。

由A端口输入的窄带子光脉冲序列，N=100路窄带子脉冲序列中对应全光比较器单元7₁的那一路，作为控制光I经过附图2中的波分复用器7_1f 进入环路。连续光激光器8输出的连续光信号作为探测光由输入端C进入全光比较器单元7₁，通过3dB耦合器I7_1a等分成两路，本发明中称其为上臂、下臂两路。上臂连续光信号经光隔离器I7_1b通过耦合器7_1d分成两路：一路连续光信号II通过耦合器I7_1d直通臂向前传输，另一路连续光信号III则通过耦合器I7_1d的耦合臂进入高非线性光子晶体光纤7_1g构成的环路中，与控制光信号I同向传输。传输过程中，连续光信号III相位受到信号线性相移，自相位调制以及与控制光之间的交叉相位调制的影响。连续光信号III在环路里传输一周后与信号II在耦合器I7_1d叠加形成新的光场信号IV；同理，下臂连续信号经光隔离器II7_1c通过耦合器II7_1e分成两路：一路连续光信号V通过耦合器II7_1e的直通臂向前传输，另一路连续光信号VI高非线性光子晶体光纤7_1g构成的环路中，与控制光信号I逆向传输。此时连续光信号VI与控制光I之间的交叉相位调制效应可忽略，连续光信号VI相位只受到信号线性相移以及自相位调制的影响。连续光信号VI在环路里传输一周后与直通臂中的信号V在耦合器II7_1e叠加形成新的光场信号VII。最后，新生光场信号IV与信号VII在另一3dB耦合器II7_1h处干涉由端口B输出。从而，实现对A端口输入的窄带子光脉冲序列的全光量化处理。

接下来给出定量分析：上、下臂连续光信号II、III在高非线性光子晶体光纤环形腔中受到的非线性效应的差异会使得两路光信号之间产生相位差。连续光信号III、V与Ⅱ、VI在光耦合器I 7_1d、光耦合器II 7_1e叠加产生新的光场IV、VII的相位分别可以表示为：Φ _IV=Φ ₀+6πn ₂ lP ₁/λA _eff+4πn ₂ lP ₀/λA _eff和Φ _VII=Φ ₀+6πn ₂ lP ₁/λA _eff。这里，Φ ₀和λ分别是上、下两臂连续光信号的线性相移及波长，l _、 n ₂及A _eff则是高非线性光子晶体光纤7_1g构成的环形腔的长度、非线性折射率及发生非线性效应的有效横截面积。

考虑到光耦合器I 7_1d和光耦合器II 7_1e的耦合系数均为r，新生光场IV、VII耦合输出时的有效相位差ΔΦ _eff可以表达为：

ΔΦ _eff= arc tan[(1+r ²)tan(Φ _IV/2)/(1-r ²)]

－arc tan[(1+r ²)tan(Φ _VII/2)/( 1-r ²)]

从而，当新的光场IV、VII在3-dB耦合器II7_1h处干涉输出时，透射率T将可以表达为T=[1-cos(ΔΦ _eff)]/2。合理选择光耦合器7_1d、7_1e的耦合系数均为r，可以使得有效相位差也实现了“0”、“π”的跳变，由光路干涉透射率T=[1-cos(ΔΦ _eff)]/2公式知，输出端口B处的透射率将实现0和1之间的跳变：当透射率为0时，无脉冲输出，产生“0”码；当透射率为“1”时，有脉冲输出且输出脉冲功率恒定，产生“1”码。

附图5是获得的全光比较器单元的透射传递函数。所选用的高非线性光子晶体光纤7_1g的长度l、非线性折射率n ₂及发生非线性效应的有效横截面积A _eff分别是0.2 m、4.95×10^-19 m²/W和10 μm²，所选用的光耦合器7_1d、7_1e的耦合系数r均为0.99。由图可见，全光比较器阵列7中每个全光比较器单元的投射传递函数是一方波函数，具有陡峭的比较阈值Pth。当A端口输入的窄带子光脉冲峰值功率大于该阈值时，B输出端有脉冲输出，编码为“1”；反之，B输出端口无脉冲输出，编码为“0”。最后，这些全光真随机脉冲序列进入光滤波器阵列9中的各个子单元模块滤出。这里指出，光滤波器阵列9由N个相同的光滤波器并列形成，中心波长与连续光激光器8完全对应。附图7是相应的经过全光比较器单元作用后产生的重频10GHz、脉宽约1 ps的全光真随机脉冲序列，该重复频率由超连续谱熵源发射的超连续谱脉冲序列重复频率f决定。

3、 N路独立全光真随机脉冲序列复用成全光真随机数的实现

经过上述过程后，可获得N=100路独立的全光真随机脉冲序列，由光滤波器阵列9的N个端口输出，进入延迟光纤阵列10中的延迟光纤单元（10₁、10₂、10₃、…、10_N）中，发生延迟，具体装置如附图1中10所示。这里指出，各个延迟光纤单元分别具有不同的延迟光纤长度，每段之间相差1/Nf=1/(100×10 GHz)=1 ps。也就是说，延迟光纤单元10₁对应光纤的延迟时间为1 ps，延迟光纤单元10₂中延迟光纤的延迟时间为2 ps，延迟光纤单元10₃中延迟光纤的延迟时间为3 ps，… …。以此类推，延迟光纤单元10_N=100中延迟光纤的延迟时间为100ps。

上述N=100路、重频率为f=10 GHz、彼此之间时延差为1 ps的全光真随机脉冲序列进入N×1光耦合11的N个输入端，这里，N=100，将时分复用形成了Nf=100×10 GHz=1THz的超高速全光真随机码冲序列，由N×1光耦合11的输出端输出。附图7是最终获得的重复频率为1THz的超高速全光真随机脉冲序列典型时序图。为了方便观察，对附图7进行局部放大，得到附图8。由附图8可见，该超高速全光真随机脉冲序列是由100路独立、无关的10 GHz全光真随机码冲序列复用形成。图8中0 ns 和0.1 ns对应的正是图6中全光比较器单元6₁输出的那路10 GHz全光真随机脉冲序列中的0和0.1 ns处的脉冲。

4、随机性分析

为了衡量所得全光真随机码的质量，采用国际通用的随机数测试标准NIST统计测试套件和Diehard统计测试包来对随机数序列进行系统检测。被测试对象包括两个：一是全光比较器阵列7输出的100路10 GHz全光真随机码序列，二是复用形成的1THz超高速全光真随机码序列。测试结果显示它们均可通过随机数测试标准NIST统计测试套件和Diehard统计测试包。由于测试结果众多，若一一列出，将至少有101个表格之多。这里为了简明起见，仅仅给出了复用形成的1THz超高速全光真随机码序列的典型测试结果，如表1所示。

最后，需要特别指出的是，并非随意两个随机码序列进行时分复用获得的高速随机码，均是真随机码。只有满足互不相关和统计独立的多个真随机码序列时分复用后得到的超高速随机码序列才能通过随机数行业测试。。本实施例中获得的这100路全光真随机码序列能够满足互不相关和统计独立条件，主要得益于所采用的物理熵源是超连续谱熵源。每一路随机码对应着超连续谱脉冲的不同频谱成分，这些频谱成分彼此之间不重叠，均起源于量子不确定性的的自发辐射噪声，因而它们彼此之间完全独立、互不相关。

基于上述真随机数发生器，实现其真随机数产生的方法如下：

图9是本发明全光真随机数产生方法的流程图，其所述一种全光真随机数产生方法是按下列步骤进行的：

步骤一、利用依次相连的主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤产生出具有超宽光谱F、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列；

步骤二、利用阵列波导光栅对步骤一获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得N路独立无关、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列；

步骤三、利用N个光强调节设备对步骤二中产生的N路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等；

步骤四、利用N个全光编码设备将步骤三中产生的N路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态：峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为1；峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为0。这样就实现了重复频率为f的N路并行全光真随机码的产生，经N个光带通滤波元件滤出。

步骤五、利用N段延迟光纤对上述N路并行真随机码实施等差延时，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进时分复用形成码率为N×f的全光真随机数序列。

在上述技术方案中，所述F的取值范围为1300 nm~2000nm；所述f的取值为10 GHz；所述N的取值为100。

Claims (7)

1.一种全光真随机数产生装置，其特征在于：

在一保偏光纤中依次设置主动锁模脉冲激光器(1)、脉冲光放大器(2)、高非线性色散位移光纤(3)和反常色散光纤(4)，构成超连续谱熵源；

所述超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅(5)被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，后进入光衰减器阵列(6)中进行调节，后经N路光纤与连续光激光器(8)输出的N路连续光信号同时进入全光比较器阵列(7)量化成N路高速真随机脉冲序列，并由光滤波器阵列(9)滤出，再经N路光纤进入光纤延迟线阵列(10)作用，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进入N×1光耦合器(11)中时分复用，形成码率为N×f的超快全光真随机数序列。

2.如权利要求1所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述超连续谱熵源的脉冲序列的重复频率f = 10 GHz。

3.如权利要求1所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述阵列波导光栅(5)是由N个输出波长通道构成。

4.如权利要求1所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述光衰减器阵列(6)是由N个光衰减器并列构成。

5.如权利要求1所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述全光比较器阵列(7)是由N个相同的全光比较器并列构成。

6.如权利要求1所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述光滤波器阵列(9)是由N个相同的光滤波器并列构成。

7.如权利要求1、3、4、5或6所述的全光真随机数产生装置，其特征在于：所述N的取值是100。