CN104516715B - 有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器是由保偏光纤依次串连有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤，构成一超连续谱熵源；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，进入光衰减器阵列进行调节，后经N路光纤进入全光比较器阵列被量化成N路高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列滤出。本发明单路码率高达Tbps量级，将现有并行真随机码发生器的单路速率提高了3个数量级；可扩放性超强，能同时输出至少10000路的独立、并行真随机码，极大地满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的当前需要。

Description

有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器

技术领域

本发明与一种并行真随机数发生器有关，尤其是一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，适用于并行蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域。

背景技术

并行蒙特卡罗（Monte Carlo）仿真在核物理、计算化学、生物医学、金融工程学、宏观经济学等领域有着重要应用。随机数是并行蒙特卡罗仿真的基石，其面临的首要问题就是多路并行随机数的高速产生，称作“并行随机数发生器”。

一个理想的并行随机数发生器需要满足以下条件：1）不含序列内相关性（intra-stream correlation）。即每个处理器上所用的随机数序列必须具有高质量的随机特性；2）不含序列间相关性（inter-stream correlation）。即多个并行处理器所用的多路随机数序列之间要相互独立；3）具有可扩放性（scalability）。即根据实际需要，随机数发生器可同时产生出任意N路独立的随机数序列。

利用计算机，通过一定的并行化算法可方便地获得并行随机数。该一类并行随机数发生器具有高速率、低成本、易构建等优点，但存在着众多显著问题。其中最致命的是，该类发生器是基于种子和确定性算法实现的，不可避免地存在周期性——这一“阿喀琉斯之踵”严重限制了其大量产生随机数的能力，局限了其在大规模并行计算领域的应用。因此，人们将这类并行随机数发生器称作 “并行伪随机数发生器”。

基于自然界随机现象构建并行随机数发生器，可提供非周期、不可预测、无限数量的真随机数，称作“并行真随机数发生器”。1986年，美国罗切斯特大学的J. Marron等人提出了首个并行真随机数发生器的雏形，是利用一个二维探测器阵列对激光器散斑分布进行探测和编码实现的[Appl. Opt. 25(1): 26-30 (1986)]。1987年，法国巴黎大学F. Devos进一步发展了这一技术[Opt. let. 12(3): 152-154 (1987)]。但遗憾的是，传统并行真随机数发生器受限于传统物理熵源（如热噪声、振荡器抖动等）带宽过低且可扩放性差，码率处于Mb/s量级，与实际需求相去甚远。

近年来，随着光子熵源的出现，串行真随机数发生器取得了跨越式发展，速率可达Gbps量级。典型的实现方法有：1）基于放大自发辐射光噪声（ASE）提取真随机数。如，美国C.R. S. Williams等人2010年利用铲杂光纤放大器中的ASE获得了12.5 Gbps的真随机数[Opt. Express 18(23), 23584–23597, 2010]。2）基于混沌激光提取真随机数。如，申请人所在课题组2013年利用混沌半导体激光器实验实现了4.5 Gbps真随机数的产生[Opt. Express, 21(17): 20452-20462,2013]。3）基于量子真空态获取真随机数。如，澳大利亚T.Symul等人2011年基于真空态构建了2 Gbps 随机数产生系统 [Appl. Phys. Lett. 98(23): 231103, 2011]。

但是，这些真随机数发生器却属于“串行”随机数发生器，只能输出一路随机码序列，不符合高质并行真随机数发生器的要求，无法应用于大规模蒙特卡洛仿真及并行计算领域。此外，这些随机数发生器提取随机数的过程均利用电子器件在电域中完成，其实时速率最终将面临“电子瓶颈”的限制，约几十个Gbps。

综上所述，并行伪随机数发生器能快速产生随机数（典型速率处于Gbps量级），但无法克服算法本身固有周期性的限制，不具备产生大量随机数的能力；传统并行真随机数发生器拥有产生大量无周期随机数的能力，但受限于随机数信号源带宽，无法实现真随机数的快速产生，典型速率低于100 Mbps；近年来发展起来的真随机数发生器已具有Gbps的快速随机数产生能力，但却只能输出一路随机数，可扩放性极差。

然而，蒙特卡罗仿真在并行环境中的计算量至少是串行情形下的10～10⁵倍，要求相应随机数的产生速度和数量均需大规模提升。根据2014年“国际 TOP 500组织”公布的最新全球超级计算机500强榜单，当前并行计算机已拥有并发执行数千、甚至上万只处理器的能力，要求具有与之相匹配的可扩性能力的并行真随机数发生器。因此，发展与当前需求相匹配、兼具可扩放性及快速产生大量随机数能力的并行真随机数发生器已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，以解决现有技术码率不足及可扩放性差的问题，从而公开一种同时具有超高码率和可扩放性的新型并行真随机数发生方案，以满足现代蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及网络安全通信等现实需求。

一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：

一保偏光纤中，依次设置有有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤，构成一超连续谱熵源；

一超连续谱熵源将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被量化成N路高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列滤出。

进一步的技术特征在于：所述超连续谱熵源输出的脉冲序列的重复频率f = 1THz；所述阵列波导光栅具有N个输出波长通道；所述光衰减器阵列是由N个光衰减器并列构成；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路高速真随机脉冲序列的码率是由超连续谱熵源输出脉冲的重复频率f决定，等于 1 Tbps；所述N的取值为10000。

实现上述本发明所提供的一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，与在先并行随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于：

第一，不存在周期性，可提供无限数量的真随机数序列，克服了并行伪随机数发生器固有周期性的局限；

第二，单路码率可达Tbps量级，将现有并行真随机码发生器的单路速率提高了3个数量级；

第三，可同时输出至少10000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性提高了3~4个数量级，极大满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的当前需要；

第四，本发明的并行真随机数发生器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。

附图说明

图1是本发明Tbps全光并行真随机数发生器的结构示意图。

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输出超连续谱脉冲序列的光谱图。

图4是本发明N路窄带窄带子光脉冲序列中任意一路的时序图。

图5是本发明全光比较器单元的透射传递特性函数。

图6是本发明任意一路全光真随机码时序图。

图7是本发明任意一路并行随机码的自相关图。

图8是本发明任意两路并行随机码的互相关图。

图9是实现本真随机数发生器的真随机数产生方法流程图。

图中：1：有理数谐波锁模光纤激光器；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。

具体实施方式

实施本发明上述所提供的一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，是由超连续谱熵源、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和光滤波器阵列9构成；其中，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。所述超连续谱熵源由有理数谐波锁模光纤激光器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1 THz；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路独立的高速并行真随机码序列的码率均由超连续谱熵源输出脉冲的重复频率f决定，等于1 Tbps；所述N的取值为10000。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

1、本发明超连续谱熵源的实现过程

如附图1中所示，有理数谐波锁模光纤激光器1输出脉宽1±0.05ps、重复频率1THz、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6kW。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，最终产生谱宽可达2.0 μm以上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信号峰值功率会有微弱起伏，但远不足以满足后续电子量化系统的要求；为了进一步增强上述超连续谱光脉冲峰值功率的起伏，本发明引入一段长10 m的反常色散光纤4；原始的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发挥主导作用，致使超连续谱光脉冲信号的稳定性大幅劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的随机起伏。这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。

2、本发明N路并行真随机码的提取过程

如附图1所示，超连续谱熵源产生的重复频率1 THz、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0.2 nm、通道数N=10000路的阵列波导光栅5光谱切割后，可分离出N=10000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。附图4是所产生的10000路窄带子光脉冲序列中任意一路的典型时序图：峰值功率大幅度随机起伏、重复频率固定为1THz。

以上产生的N=10000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。本发明全光比较器阵列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=10000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C端口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I7_1d、光耦合器II7_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I7_1d和光耦合器II7_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。由附图可见，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6是相应的经过全光比较器单元作用后产生的重频1 THz、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路并行真随机码的随机性检验

为了验证本发明并行随机数发生器的质量，本发明任意选取了N=10000路并行真随机码中的任意两路随机码信号进行了自相关和互相关分析。分析结果如附图7和附图8所示。附图7是任意一路随机码的自相关特性曲线，它呈现出类δ函数形状，这就意味着本发明产生的每路随机码序列内的码元是统计无关的，具有良好的随机特性；附图8是任意两路随机码的互相关特性曲线，互相关系数均在0附近，这就表明本发明任意两路并行随机码序列间是统计无关的。

此外，还利用国际随机数行业测试标准，Diehard统计测试包，对本发明所产生的随机码进行了系统测试，结果证明本发明产生的随机码可通过所有测试项，符合行业标准。表1是一典型测试结果。

基于上述真随机数发生器的真随机数的产生方法如下。

图9是实现本真随机数发生器的真随机数产生方法流程图，具体步骤为：

(1) 利用一保偏光纤依次串接有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及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；

(2) 利用阵列波导光栅对步骤(1)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；

(3) 利用N个光强调节设备对步骤(2)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；

(4) 利用N个全光编码设备将步骤(3)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，实现重复频率为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。

Claims (8)

1.一种具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：

一保偏光纤中，依次设置有有理数谐波锁模光纤激光器 (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)，构成一超连续谱熵源；

一超连续谱熵源将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，进入光衰减器阵列(6)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)被量化成N路高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列(9)滤出。

2.如权利要求1所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：所述超连续谱熵源输出的脉冲序列的重复频率f = 1 THz。

3.如权利要求1所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：所述阵列波导光栅(5)具有N个输出波长通道。

4.如权利要求1所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，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所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，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所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，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所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：所述N路高速真随机脉冲序列的码率是由超连续谱熵源输出脉冲的重复频率f决定，等于 1Tbps。

8.如权利要求1、3、4、5、6或7所述的具有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：所述N的取值为10000。