CN104536721B - 基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法及装置。装置包括：随机源，衰减器，光电探测器，示波器、计算机及稀疏波分复用器。方法包括以下步骤：一随机源产生一随机光信号；随机光信号通过一衰减器后注入一稀疏波分复用器中；稀疏波分复用器的每一路输出，都注入一光电探测器中；光电探测器将随机光信号转换为一模拟电信号；将所述各路模拟电信号注入一示波器，示波器将模拟电信号转换为数字信号并进行采集及存储后注入一计算机；计算机对数字信号进行后处理得到随机序列，并将其输出。能够保证最终输出序列的随机性和很小的关联性，也对光源的不同波长信号进行了充分的利用。

Description

基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法及装置

技术领域

本发明涉及真随机数发生技术领域，特别是一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法及装置。

背景技术

随机数发生器技术在许多领域，如统计采样、数值计算和数值模拟、博彩等领域，特别是在密码学领域有着广泛和重要的应用。随机数发生器是产生随机数序列的装置的统称。由于基于算法的伪随机数发生器有着天然的确定性和可预测性，导致在密码学中不符合安全性分析的基本前提，进一步提出基于此的攻击方案。因此在密码学领域，真随机数发生器具有不可替代的作用。目前在提升真随机数发生器的产生速率和稳定性的研究方面，仍有很大提升空间。自主研制高速真随机数发生器，具有非常重大的意义。

在真随机数发生器中，基于连续信号量子噪声源的真随机数发生器由于其工作条件稳定、结构简单、实验系统规模小、可控性好等优点，成为国内外研究热点。而作为输出噪声信号的随机源，是真随机数发生器中的核心部件。

现有技术实现基于量子随机源的连续真随机数发生器，主要采用的源有：VCSEL(垂直腔端面发光激光器)和SLED(超亮发光二极管)。VCSEL的优点在于可以实现基于其相位噪声和偏振模式分布噪声的两种方案，然而其相位噪声频谱带宽只有200MHz，偏振噪声频谱带宽也只有1GHz，带宽的限制成为提高随机数发生器产生速率的瓶颈。相比于垂直腔端面发光激光器，超亮发光二极管器件具有相近的体积，但噪声信号的频谱带宽和前者却有数量级的差别，因此是目前实现超高产生速率的真随机数发生器的最佳选择。

目前传统的基于光子可分辨性、或基于光子数测量结果的真随机数发生器，由于随机源的速率限制，随机序列的产生速率并不能满足应用的需求。而超亮发光二极管的放大自发辐射噪声的噪声频谱线宽通常在30-60nm(约为5-10THz)左右。理论上可以认为，基于超亮发光二极管的放大自发辐射噪声的真随机数发生器，其产生速率应能达到1Tbps量级。尽管现有的其余器件实际上限制了整个系统的信号带宽，采用超亮发光二极管仍然可以极大提高产生速率。

尽管理论上基于超亮发光二极管的随机数发生器可以达到很高的生成速率，但是具体的实现手段并不成熟，存在系统光源利用率低，工作稳定性不好，信号的带宽较小，生成速率不够高，后处理方案不够完善等问题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法及装置。具有光源利用率高，产生速率极高、序列相干性弱的特点。

本发明的目的之一在于提供一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生装置，包括：

一随机源，用以产生一随机光信号；

与随机源连接的一衰减器；

与衰减器连接的一稀疏波分复用器(CWDM)，具有若干输出端，用以将不同波长的随机光信号分离输出；

与所述稀疏波分复用器的每一路输出端连接的一光电探测器，选用PIN型高速光电探测器，用以将随机光信号转换为模拟电信号；

与所述光电探测器连接的一示波器，用以将模拟电信号转换为对应的数字信号；

与所述示波器连接的一计算机，用以对数字信号进行后处理。

具体地，所述后处理包括先对数字信号进行XOR处理，再进行取8-LSB操作。

进一步地，所述随机源与衰减器之间、衰减器与光电探测器之间通过光纤器件连接。

进一步地，所述光纤器件为保偏器件。

进一步地，所述的随机源为中心波长为800nm-1600nm的超亮发光二极管。

进一步地，所述光电探测器与示波器之间设有一射频放大器，用以对模拟电信号在射频放大器带宽之内的频率分量进行可调增益放大。

进一步地，所述示波器还用以对数字信号进行采集及存储。

进一步地，所述存储的长度为1.6Gbit以上。

在上述的真随机数发生装置的基础上，本发明的另一目的在于提供一种基于超亮发光二极管的真随机数发生方法，包括以下步骤：

1)一随机源产生一随机光信号；

2)随机光信号通过一衰减器后注入一稀疏波分复用器(CWDM)中；

3)稀疏波分复用器的每一路输出，都注入一光电探测器中；

4)光电探测器将随机光信号转换为一模拟电信号；

5)将所述各路模拟电信号注入一示波器，示波器将模拟电信号转换为数字信号并进行采集及存储后注入一计算机；

6)计算机对数字信号进行后处理得到随机序列，并将其输出。

进一步地，所述后处理为数字信号先进行XOR处理，再进行取8-LSB操作。

如上述，随机源为超亮发光二极管(SLED)，利用放大自发辐射效应产生强度随机的噪声光信号，即随机光信号。随机光信号通过光纤依次传输到衰减器、CWDM和光电探测器。衰减器将随机光信号光的功率降低至光电探测器工作范围。CWDM将随机光信号中包含的不同波长成分的光分离出来，得到多束波长不同的随机光信号。每一路光信号都注入光电探测器中。光电探测器将光信号转换为模拟电信号后，通过射频放大器增益并注入示波器。其中，光电探测器选用PIN型高速光电探测器以提高整体系统的最小带宽，射频放大器可以实现可调增益的电信号放大，示波器对多路信号都进行数字信号的模数转换、采集和存储。计算机同时处理示波器输入的多路数字信号，通过后处理程序提高数字信号的随机性，并实现多路随机序列的最终输出。

相较于现有的基于超亮发光二极管的随机数发生器，本发明采用CWDM对随机光信号进行波分复用，将SLED中不同波长成分的光分离出来，得到多路信号，分别进行处理。这样提高了光源利用率，只需利用1个SLED，可以得到多路输出。采用PIN型高速光电探测器，提高了整体系统的最小带宽。利用示波器进行高速采样，提高了系统的随机数生成速率。在后处理过程中，先对数据进行XOR处理，再进行取8-LSB操作，使得数据具有更好的随机性，并能通过各随机性检验包的检验。能够实现基于超亮发光二极管的超高产生速率，弱相干性的随机序列输出，并通过随机性检验包的检验。

附图说明

图1为本发明实施例中基于超亮发光二极管的真随机数发生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中基于超亮发光二极管的真随机数发生方法的流程示意图。

图中：1.随机源，2.衰减器，3.稀疏波分复用器4、5.光电探测器，6、7.射频放大器，8.示波器，9.计算机。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

实施例：如图1及图2所示，随机源1为中心波长为1550nm的超亮发光二极管，即SLED，用以发出的随机光信号。根据工作需求的不同，超亮发光二极管的中心波长的可选范围在800nm-1600nm之间，为更好地配合CWDM的使用，选用中心波长为1550nm的SLED。SLED的控制驱动电流略高于阈值，可认为处于工作区间的下限(因此输出功率不至于太大)。其中阈值表示在当驱动电流处于该阈值以上时，超亮发光二极管可以正常工作。阈值是由器件本身的特性决定的，在本例中，大约为100mA，而驱动电流可取为120mA。

随机光信号通过选用保偏器件的光纤器件注入衰减器2，随后注入CWDM 3。实验中选用的CWDM，可以将中心波长为1550nm的SLED发出的光信号，分为波长为的1530nm和1570nm的2组信号。CWDM的两路输出，分别注入探测波长范围均为1100nm-1600nm的光电探测器4、5。调节衰减器2的输出功率，使每一路CWDM的输出信号，其功率都处于光电探测器的额定功率以下。。此处的光电探测器的中心波长也相应的与随机源1的中心波长相对应。所述输出功率和额定功率与光电探测器的型号的具体选取有关，本例中可选额定功率为2mW的PIN型高速光电探测器，进而将衰减器2的输出功率调节为1mW。光电探测器4、5用以将随机光信号转化为模拟电信号，并将其输出的模拟电信号注入射频放大器6、7，通过调整射频放大器6、7的增益，使前述模拟电信号接近示波器8的测量范围上限。示波器8将模拟电信号转化为数字信号，并以10G Sample/s的速率采集数字信号，并存入其内部存储器，每个数字信号占据32bit长度。计算机9对每一个数字信号进行后处理，即先进行XOR(Exclusive OR，异或)操作，随后进行取8-LSB(Least Significant Bit，最低有效位)操作，即得到产生速率为40Gbps的真随机数序列，序列的真随机性由通过随机性检验包保证。

在使用CWDM进行波分复用时，需要十分仔细地选择波长间隔。因为当波长间隔不合适时，可能由于信号间的关联性太强，导致生成的两路随机序列之间，存在较强的关联性，导致这两路输出序列不再是独立的两组随机序列。而当波长间隔过大时，又会导致两组输出信号的功率太弱，使得后续的放大部分和采样部分很难正常工作，达不到充分利用光源的目的。所以合理地选择CWDM的输出波长是一个十分重要而困难的问题。本实验通过大量的尝试和分析，选用输出波长为与中心波长间隔为20nm的CWDM器件，能够保证最终输出序列的随机性和很小的关联性，也对光源的不同波长信号进行了充分的利用。

在选择具体输出波长时，为了达到良好的效果，我们进行了大量的实验。在实验中，发现当波长距离中心波长每间隔10nm，其光强会产生约1dB的衰减。因此如果选择的输出波长与中心波长间隔超过30nm时，光强会衰减一半以上，使得数据采集时存在困难。而针对如何在30nm的范围内选择波长间隔，然后以5nm为单位，选用不同的CWDM器件，检测输出序列的随机性(以序列的二阶自相关系数为标准)。实验中发现，当所选输出波长为与中心波长间隔为20nm时，例如，中心波长为1550nm，选取输出波长为1530nm和1570nm，输出序列的随机性相对较好，其二阶自相关系数小于0.8×10^-4,符合随机数检验标准。由于器件和实验条件的限制，仅采用2路输出的CWDM进行实验。如果采用多路输出的CWDM，也可以按上述方法选出合适的输出波长，得到随机性较好的随机序列。本发明对此并不做限定。

关于后处理部分的说明：因为当进行高速采样时，由于数据点之间的采样间隔较小，所以其数据之间的关联性会较大。另外，由于示波器存储位数不会太长，导致码长有限，也会进一步影响随机性。为了减弱关联性，提升随机性，需要进行后处理，而后处理的具体方法就十分关键。现有的后处理方法都存在一定问题，无法在高速的情形下，有效提高数据的随机性。例如采用von Neumann方法，会损失大部分的原始数据，不适用于高速情况。而直接采用m-LSB的方法，则导致数据的随机性不够好。实验中发现，数据的高阶自相关系数将有可能高于标准随机数模型的上限。因此如何利用后处理有效地提高数据的随机性是一个困难。经过尝试，本发明中采用现有的技术，在实验中测得输出序列的至少100阶自相关系数都小于标准随机数模型的上限，因此这种后处理方法确保了序列在高速采样，并且码长有限的情况下也具有良好的随机性。

经过实验验证：本发明可以稳定输出产生2路速率均为40Gbps的真随机数序列。且全部通过NIST-STS和DIEHARD随机性检验包的检验。

Claims (5)

1.一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生装置，包括：

一随机源，用以产生一随机光信号；

与随机源连接的一衰减器；

与衰减器连接的一稀疏波分复用器，具有若干输出端，用以将不同波长的随机光信号分离输出，各输出的波长与中心波长间隔为20nm；

所述稀疏波分复用器的每一输出端连接一光电探测器，用以将随机光信号转换为模拟电信号；

与所述光电探测器连接的一示波器，用以将模拟电信号转换为对应的数字信号；

与所述示波器连接的一计算机，用以对数字信号进行后处理；

所述随机源与衰减器之间、衰减器与光电探测器之间通过光纤器件连接；

所述光纤器件为保偏器件；

所述示波器用以对数字信号进行模数转换、采集及存储；

所述存储的长度为1.6Gbit以上。

2.如权利要求1所述的基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生装置，其特征在于，所述的随机源为中心波长为800nm-1600nm的超亮发光二极管。

3.如权利要求1所述的基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生装置，其特征在于，所述光电探测器为PIN型高速光电探测器。

4.如权利要求1所述的基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生装置，其特征在于，所述光电探测器与示波器之间设有一射频放大器，用以对模拟电信号在射频放大器带宽之内的频率分量进行可调增益放大。

5.一种基于超亮发光二极管的多路真随机数序列发生方法，包括以下步骤：

1)一随机源产生一随机光信号；

2)随机光信号通过一衰减器后注入一稀疏波分复用器中；

3)稀疏波分复用器的每一路输出，都注入一光电探测器中，各输出的波长与中心波长间隔为20nm；

4)光电探测器将随机光信号转换为一模拟电信号；

5)将所述各路模拟电信号注入一示波器，示波器将模拟电信号转换为数字信号并进行采集及存储后注入一计算机；

6)计算机对数字信号进行后处理得到随机序列，并将其输出；所述后处理为数字信号先进行XOR处理，再进行取8-LSB操作。