CN105955707A - 一种过采样高速实时光学真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

一种过采样高速实时光学真随机数发生器是将锁模脉冲激光器输出超短光脉冲序列加载到全光开关的控制信号输入端，同时激光混沌熵源输出连续混沌光信号由全光开关的探测信号端输入对混沌光信号的过采样，获得混沌光脉冲序列经光带通滤波器滤除闲散噪声后，再经快速光电探测器转换为相应的混沌电脉冲信号，输入到八位模数转换器的正端；可调谐稳压源输出的电压信号作为比较电压加载到八位模数转换器的负端；最后由八位模数转换器的低四位最低有效位并行输出端口输出四路高速实时真随机数序列。本实时码率高达百Gbps以上量级，将现有真随机数发生器实时码率提高了2‑3个数量级，极大满足了高速保密网络通信的需求。

Description

一种过采样高速实时光学真随机数发生器

技术领域

本发明涉及一种真随机数发生器，尤其是一种用于蒙特卡洛模拟、统计抽样、人工神经网络及保密通信的过采样高速光学真随机数发生器。

背景技术

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。

信息论鼻祖香农证实：绝对安全的保密通信需采用“一次一密”加密理论。这就对随机数产生装置提出了三个条件：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。换言之，这就要求码率不低于通信速率的真随机数的大量、实时产生。

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多为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、混沌电路等。受限于传统物理熵源的带宽瓶颈，其码率处于Mb/s量级，与现代高速信息传输速率差距巨大。

近年来，混沌激光这一新型随机物理熵源的出现，使得真随机数在产生速率方面获得了突破性发展。2008年，日本内田淳夫课题组在国际知名期刊Nature Photonics上首次利用激光混沌熵源，实现了1.7 Gb/s真随机数的在线、实时产生 [Nat. Photon., vol.2, pp. 728-732, 2008]。2013年，申请人所在课题组利用混沌激光器成功构建了最快码率达4.5 Gb/s的真随机码发生器[Opt. Express, 21(17): 20452-20462, 2013]。

然而，现有基于混沌激光的真随机数实时产生技术均是采用光电探测器将其发射的连续混沌信号转换为电信号，在电域中利用ADC对相应电信号进行采样、量化处理，再结合一定的后续处理技术实现高速真随机码的产生。要想进一步提高当前真随机数产生装置的实时码率，面临严重的“电子速率瓶颈”。具体是电子ADC对混沌信号进行采样处理时，需要外部电时钟来驱动其前段的采样-保持电路；而目前最尖端的电时钟工作在MHz频率范围内时亦存在ps量级以上的大幅度孔径抖动，随着工作频率的升高，该时间抖动呈指数型恶化。这就导致了采样过程的严重信号失真，从而使当前电ADC的响应速率处于Gb/s以下的电子瓶颈。除此以外，现有真随机数发生器均需采用后续处理过程以保证其随机质量，电时钟抖动的存在给后续处理元件之间的严格同步带来了难以逾越的技术挑战。因此，当前国际上真随机数产生装置的实时速率最快记录仍是4.5 Gb/s，至今未被打破。

当前通信速率已达10 Gb/s，正朝向40 Gb/s发展。这就要求速率与之相匹配的高速真随机数的实时、在线产生，以确保当前信息传输的绝对安全。显然，目前的真随机数产生技术已具备的实时码率能力距此目标仍有相当距离，不足以彻底保证现代通信的绝对安全，发展与当前需求相匹配的高速、实时真随机数发生器迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种过采样高速实时光学真随机数发生器，用以解决上述现有真随机数产生技术中普遍存在着实时码率不足的问题，并用于现代密码学及保密通信等领域。

上述现有技术存在着实时码率不足的问题是通过以下技术方案解决的。

一种过采样高速实时光学真随机数发生器，包括锁模脉冲激光器、激光混沌熵源、全光开关、光带通滤波器、快速光电探测器、可调谐稳压源及八位模数转换器；其特征在于：锁模脉冲激光器输出高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列，加载到全光开关的控制信号输入端，控制全光开关的通断；同时激光混沌熵源输出的连续混沌光信号由全光开关的探测信号端输入，在控制信号的作用下，全光开关完成对混沌光信号的过采样，输出重复频率与超短脉冲序列频率f一致的、但峰值功率混沌起伏的光脉冲序列；采样后获得混沌光脉冲序列经光带通滤波器滤除闲散噪声后，经快速光电探测器转换为相应的混沌电脉冲信号，输入到八位模数转换器的正端；可调谐稳压源输出的电压信号作为比较电压加载到八位模数转换器的负端；最后由八位模数转换器的低四位最低有效位并行输出端口输出四路高速实时真随机数序列。

进一步地，附加技术方案如下。

所述锁模脉冲激光器输出的高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列中f高于激光混沌熵源输出混沌信号80%带宽的四倍。

所述八位模数转换器是不含采样-保持电路的并行输出型八位模数转换器。

所述高速实时真随机数序列的实时码率由模数转换器的低四位最低有效位和重频f决定，等于4×f。

实现本发明上述的一种过采样高速实时光学真随机数发生器，与在先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码，克服了伪随机码发生器固有周期性的局限。

第二，实时码率可达百Gbps以上量级，将现有真随机数发生器实时码率提高了2~3个数量级，极大满足了高速保密网络通信的当前需要。

第三，本发明的真随机码发生器的采样及量化过程分别在光域和电域进行，均不再需要孔径抖动严重的电时钟参与，突破了电子ADC面临的电子时钟抖动速率瓶颈。

第四，本发明的真随机码发生器量化过程中通过保留4位最低有效位，直接输出高质量真随机数，无须现有同类技术所必须的繁杂后续处理过程，有效规避了后续处理过程中高速电子元件之间的同步难题。

附图说明

图1是本发明一种过采样高速实时光学真随机数发生器的结构示意图。

图中：1：锁模脉冲激光器；2：激光混沌熵源；3：全光开关；4：光带通滤波器；5：快速光电探测器；6：可调谐稳压源；7：八位模数转换器。

图2是本发明八位模数转换器输出保留1位最低有效位的分布图。

图3是本发明八位模数转换器输出保留2位最低有效位的分布图。

图4是本发明八位模数转换器输出保留3位最低有效位的分布图。

图5是本发明八位模数转换器输出保留4位最低有效位的分布图。

图6是本发明八位模数转换器输出保留5位最低有效位的分布图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施本发明上述所提供的一种过采样高速实时光学真随机数发生器的技术方案，是在激光混沌熵源的基础上，利用锁模激光器产生的高重频、超低抖动（fs量级）的超短光脉冲序列取代孔径抖动极大的电子时钟作为触发信号，利用全光开关在全光域中完成对混沌光信号的过采样；继而，利用不含采样-保持电路的并行输出型模数转换器作对其进行量化编码，产生出具有高速实时速率的真随机数。

传统意义或者常规方式上，相关领域的技术人员都是利用电子时钟作为触发信号，在全电域中利用电子ADC对混沌电信号进行采样、量化及后续处理等全部过程。由于电时钟孔径抖动（ps量级以上）的存在，电子ADC受限于电子抖动，导致当前真随机码发生器最快实时速率处于仅仅4.5 Gb/s。

本发明跳出本领域研究人员采用电子ADC在全电域中对混沌信号进行采样、量化处理的思维定式，将全光开关与无需电子时钟驱动的并行输出型多位ADC应用于随机数的高速实时产生，结合过采样技术，将现有真随机码发生器的实时码率提高了两个数量级，没有想到也没能预见到有如此显著的效果，完全能够满足现代高速保密通信的安全需要，可极大拓宽了随机数发生器的应用范围。

本发明所公开的一种过采样高速实时光学真随机数发生器，其特征在于由锁模脉冲激光器1、激光混沌熵源2、全光开关3、光带通滤波器4、快速光电探测器5、可调谐稳压源6、八位模数转换器7构成；其中，锁模脉冲激光器1输出高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列，加载到全光开关3的控制信号输入端，从而控制全光开关3的通断；与此同时，激光混沌熵源2输出的连续混沌光信号由全光开关3的探测信号端输入，在控制信号（超短光脉冲序列）的作用下，全光开关3可完成对混沌光信号的过采样，输出重复频率与超短脉冲序列频率f一致的、但峰值功率混沌起伏的光脉冲序列；采样后获得的混沌光脉冲序列经光带通滤波器4滤除闲散噪声后，经快速光电探测器5转换为相应的混沌电脉冲信号，输入到八位模数转换器7的正（+）端；可调谐稳压源6输出的电压信号作为比较电压加载到八位模数转换器7的负（-）端；最终，由八位模数转换器7的低4位最低有效位（LSB）并行输出端口（d ₀、d ₁、d ₂、d ₃）输出4路高速实时真随机数序列；所述锁模脉冲激光器1输出的高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列中f高于激光混沌熵源2输出混沌信号80%带宽的4倍；所述八位模数转换器7是不含采样-保持电路的并行输出型八位模数转换器；所述高速实时真随机数序列的实时码率由模数转换器7的低4位最低有效位（LSB）和重频f决定，等于4× f。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

如附图1中所示，锁模脉冲激光器1输出重复频率f（这里取作40 GHz）、波长为1550nm的超短光脉冲序列，作为控制信号进入到全光开关3中。与此同时，激光混沌熵源2发射的波长为1560 nm的连续混沌光信号由全光开关3的探测信号端输入。附图3是该混沌信号的频谱图，经计算其80%约5 GHz。在控制信号（超短光脉冲序列）的作用下，对应超短脉冲的时刻，全光开关3打开，相应时间的混沌信号可输出；反之，当没有超短脉冲的时刻，全光开关3关闭，则无混沌信号输出。这样，全光开关3就完成了对混沌光信号的过采样，输出重复频率与超短脉冲序列频率f=40 GHz一致的、但峰值功率混沌起伏的光脉冲序列。

采样后获得的混沌光脉冲序列经光带通滤波器4滤除闲散噪声后，经快速光电探测器5转换为电信号，输入到八位模数转换器7的正（+）端；可调谐稳压源6输出的电压信号作为比较电压加载到八位模数转换器7的负（-）端。调节可调谐恒压源6的电压大小，使之等于混沌电脉冲序列的峰值电压的中值。这样，每一个混沌电脉冲将会被编码为8个bit，分别由八位模数转换器7的8个输出端口（d ₀、d ₁、d ₂、d ₃、d ₄、d ₅、d ₆、d ₇）输出。附图2是1位最低有效位d ₀的分布图。附图3是2位最低有效位d ₀、d ₁的分布图。附图4是3位最低有效位d ₀、d ₁、d ₂的分布图。附图5是4位最低有效位d ₀、d ₁、d ₂、d ₃的分布图。附图6是本发明8位模数转换器输出保留5位最低有效位d ₀、d ₁、d ₂、d ₃、d ₄的分布图。

理想的真随机数序列应该满足‘0’和‘1’均匀分布和无偏置特性，因此，本发明只保留4个最低有效位作为真随机数输出。此时，该高速实时真随机数序列的实时码率由模数转换器7的低4位最低有效位（LSB）和重频f的乘积联合决定，等于4×f=4×40=160 Gb/s。

理想的真随机数序列除了分布均匀外，还应具有相互独立性。为了检验本发明所产生的真随机数的随机质量，发明人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。

具体地，发明人分别采集了1000 组容量为1 Mbit 的真随机码序列进行 NIST测试。 这时，要求每项测试的通过率大于0.9806。发明人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，但是各项测试P值依然均大于0.01，各项测试通过率均大于0.9806，达到了随机数测试标准，证明本发明产生的真随机码随机性良好。

由以上论述可以看到，本发明的高速实时真随机码发生器在整个信号处理中，并不需要电时钟和后续处理的参与，从而有效避免了由电子时钟抖动导致的电子ADC速率瓶颈问题。本发明采用全光开关利用超低抖动的超短光脉冲在全光域中对混沌信号进行超低抖动采样，将过采样技术和无须电时钟触发的、不含采样-保持电路的并行输出型8位ADC对混沌脉冲进行量化处理，产生百 Gb/s量级的真随机码序列，将现有技术的码率提高了至少两个数量级。另外，本发明的真随机码发生器，无须同类技术所必须的繁杂后续处理过程，有效避免了后续处理过程中高速电子元件之间的同步难题。

Claims (4)

1.一种过采样高速实时光学真随机数发生器，包括锁模脉冲激光器、激光混沌熵源、全光开关、光带通滤波器、快速光电探测器、可调谐稳压源及八位模数转换器；其特征在于：

锁模脉冲激光器（1）输出高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列，加载到全光开关（3）的控制信号输入端，控制全光开关（3）的通断；同时激光混沌熵源（2）输出的连续混沌光信号由全光开关（3）的探测信号端输入，在控制信号作用下，全光开关（3）完成对混沌光信号的过采样，输出重复频率与超短脉冲序列频率f一致的、但峰值功率混沌起伏的光脉冲序列；采样后获得混沌光脉冲序列经光带通滤波器（4）滤除闲散噪声后，经快速光电探测器（5）转换为相应的混沌电脉冲信号，输入到八位模数转换器（7）的正极端；可调谐稳压源(6)输出的电压信号作为比较电压加载到八位模数转换器（7）的负极端；最后由八位模数转换器（7）的低四位最低有效位并行输出端口输出四路高速实时真随机数序列。

2.如权利要求1所述的过采样高速实时光学真随机数发生器，其特征在于：所述锁模脉冲激光器(1)输出的高重频f、时间抖动处于fs量级的超短光脉冲序列中f高于激光混沌熵源(2)输出混沌信号80%带宽的四倍。

3.如权利要求1所述的过采样高速实时光学真随机数发生器，其特征在于：所述八位模数转换器（7）是不含采样-保持电路的并行输出型八位模数转换器。

4.如权利要求1所述的过采样高速实时光学真随机数发生器，其特征在于：所述高速实时真随机数序列的实时码率由模数转换器（7）的低四位最低有效位和重频f决定，等于4× f。