CN106293612A - 一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器 - Google Patents

Abstract

一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，所述真随机码发生器是将超连续谱熵源信号输入3 dB耦合器，并等分为两路：一路依次经延时光纤、偏振控制器I和光电探测器I，进入差分比较器正输入端，另一路经偏振控制器II、光电探测器II，进入差分比较器负输入端；两路信号经差分比较器做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器输出端输出；其中超连续谱熵源是由锁模激光器、偏振控制器III、脉冲掺铒光纤放大器和高非线性光纤依次连接构成。本发生器保证了真随机码的优质实时快速产生，并提供无限数量的真随机码，其速率可到数十、乃至上百Gb/s，足以满足现代高速保密通信的需要。

Description

一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器

技术领域

本发明涉及一种真随机码发生器，特别是一种基于超连续谱的免后处理的实时光学真随机码发生器，属于信息安全及保密通信领域。

背景技术

计算机与网络技术的迅速发展，安全可靠的随机码产生技术已成为一个重要的研究方向，已被广泛应用于信息加密、身份认证、网上银行、在线购物等过程中，关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

现有随机码发生器有两种：伪随机码发生器和真随机码发生器。伪随机码发生器基于一定的算法(如现代通信系统中最常用的DES算法和RSA算法等)和种子，可便捷地产生速率达数十Gb/s的随机码序列，具有成本低、易实现等优势。但正如其名，它是伪随机的，不能保证通信安全。具体地，伪随机码发生器存在以下两个缺陷：第一、算法与种子是完全确定的，一旦算法与种子被破解，则生成的随机码不仅可以复制，甚至可以预测；第二、产生的随机序列长度有限，存在周期性，一旦超过码长，将完全重复出现。随着计算机计算能力的不断提高，基于伪随机码的系统安全漏洞不断凸显，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。

另一方面，真随机码发生器利用自然界的微观量子机制或宏观随机现象作为物理熵源，可产生出无法预测和复制的、非周期的真随机码，可保证科学计算的准确性及保密通信的安全性。常见的用于产生真随机码的物理熵源包括：热噪声、量子随机事件、核衰变过程、电混沌、激光混沌、ASE噪声等。但是现有的真随机码发生器存在两个问题：第一、所用熵源信号多是连续模拟信号，在从熵源信号向真随机码转换的过程中，需要采用外部电时钟驱动电子ADC对连续的熵源信号进行离散化及量化编码。然而，当前最尖端的电时钟即使在工作于MHz频率范围内时，都存在ps量级的大幅孔径抖动；而且随着工作频率的增高，该孔径抖动将呈现指数型增长，会严重劣化上述转换的精度。这也是造成目前报道的高速真随机码发生器需要复杂的离线后续处理（高阶差分、哈希变换等）过程来对所产生的随机码进行优化处理的根本原因。可是，现实高速保密通信需要的是高速真随机密码的“实时”产生，而不是“离线”的。第二、由于物理熵源信号幅值分布不对称，现有的为数不多的高速、实时真随机密码发生设备往往要通过不断调节电ADC的“鉴幅阈值”来消除偏差，这就很难保证实时产生随机码的质量。尤其是，不能保证所产生的随机码时刻都具有0/1无偏差的特性。

现有通信速率已达10 Gb/s，正朝向40 Gb/s和100 Gb/s发展，要求速率与之相匹配的优质、高速真随机码的“实时”产生，以确保信息传输的绝对安全。发展与当前需求相匹配的高速、实时真随机码发生器迫在眉睫，它是限制当前“一次一密”绝对安全保密通信实现的最主要困难。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是现有技术中不能保证优质随机码的实时产生须进行后续处理的问题，从而提供一种无须采样及后续处理的高速实时的真随机码发生器，以适应现有高速保密通信的需求。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，包括超连续谱熵源、3dB光纤耦合器、延时光纤、偏振控制器I、偏振控制器II、光电探测器I、光电探测器II及差分比较器；其特征在于：所述超连续谱熵源输出的信号进入3 dB耦合器的输入端，等分为两路：一路依次经延时光纤、偏振控制器I和光电探测器I，进入差分比较器正输入端，另一路经偏振控制器II、光电探测器II，进入差分比较器负输入端；两路信号经差分比较器做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器输出端输出；

所述超连续谱熵源是由锁模激光器、偏振控制器III、脉冲掺铒光纤放大器和高非线性光纤依次连接构成。

在上述技术方案中，所述超连续谱熵源是将锁模激光器产生的光脉冲序列经偏振控制器III进入脉冲掺铒光纤放大器，被放大成具有高峰值功率的光脉冲序列；高峰值功率的光脉冲序列经高非线性光纤作用后形成大幅度随机起伏特的超连续谱光脉冲序列，并将超连续谱光脉冲序列经3dB光耦合器等分成两路光脉冲序列：一路经延时光纤、偏振控制器I进入光电探测器I转换为电脉冲信号，之后进入差分比较器正输入端，另一路经偏振控制器II进入光电探测器II亦转换为相应的电脉冲信号，之后进入差分比较器负输入端；调节延时光纤的长度，使两路信号之间的自相关系数为零；两路信号经差分比较器做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器输出端输出。

在上述技术方案中，所述真随机密码序列是由加载到差分比较器正、负两输入端的两路电脉冲峰值电压作差决定的：当输入差分比较器正的电脉冲峰值电压高于相应时刻负端电脉冲峰值电压时，输出高电平，编码为“1”码；反之，输出低电平，编码为“0”码。

实施上述本发明所提供的一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，与现有的真随机码产生技术相比，其优点与积极效果如下。

本发生器利用离散的超连续谱光脉冲作为物理熵源，不再需要采样步骤，避免了因电时钟抖动引起的信号失真问题，从而不再需要进行离线的后续处理，保证了真随机码的实时、快速产生；

本发生器在随机码量化产生过程中，采用了延迟做差的方法，不再涉及不断调节“鉴幅阈值”的问题，从而可保证实时产生出无偏差的优质真随机码；

本发生器所产生的真随机码序列，不存在周期性，克服了伪随机码发生器固有周期性限制，可提供无限数量的真随机码；

本发生器采用超连续谱熵源作为随机码的提取源，其速率可到数十、乃至上百Gb/s，足以满足现代高速保密通信的需要。

附图说明

图1是本发生器的结构示意图。

图中：1：超连续谱熵源；1a：锁模脉冲激光器；1b：偏振控制器III；1c：脉冲掺铒光纤放大器；1d：高非线性光纤；2：3-dB光纤耦合器；3：延时光纤；4：偏振控制器I；5：偏振控制器II；6：光电探测器I；7：光电探测器II；8：差分比较器。

图2是本发生器脉冲掺铒光纤放大器处输出的光脉冲波形图。

图3是本发生器高非线性光纤处输出的超连续谱熵源光脉冲波形图。

图4是本发生器产生的真随机码序列对应的点图。

图5是本发生器产生的真随机码序列对应的0/1统计分布图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明的技术方案和具体实施方式。

实施本发明上述所提供的一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，是由超连续谱熵源1、3dB光纤耦合器2、延时光纤3、偏振控制器I 4、偏振控制器II 5、光电探测器I6、光电探测器II 7及差分比较器8构成。其中超连续谱熵源1输出信号进入3 dB耦合器2输入端，等分为两路：一路依次经延时光纤3、偏振控制器I 4、光电探测器I 6，进入差分比较器8正输入端，另一路经偏振控制器II 5、光电探测器II 7，进入差分比较器8负输入端。两路信号经差分比较器8做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器8输出端输出。其中的超连续谱熵源1由锁模激光器1a、偏振控制器III 1b、脉冲掺铒光纤放大器1c和高非线性光纤1d依次连接构成。

上述一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，利用离散的超连续谱光脉冲作为物理熵源，不再需要采样步骤，避免了因电时钟抖动引起的信号失真问题，从而不再需要进行离线的后续处理，保证了真随机码的实时、快速产生；而且，在随机码量化产生过程中采用延迟做差的方法，不再涉及“鉴幅阈值”问题，从而可保证实时产生出无偏差的优质真随机码。

下面对本发明的具体实施方式进一步的详细说明。

本锁模脉冲激光器1a输出重复频率40 GHz、波长为1554 nm的光脉冲序列；光脉冲经偏振控制器III 1b后加载到脉冲掺铒光纤放大器1c 的输入端。脉冲掺铒光纤放大器1c实现光脉冲功率的放大，经放大后的超短光脉冲序列具有百瓦量级的高峰值功率，如附图2所示；该高峰值的光脉冲入射到1 km的高非线性光纤1d中，由于噪声驱动的调制不稳定性，可得到峰值功率发生显著的大幅度随机起伏的超连续谱光脉冲序列。图3是上述实验条件下获得的超连续谱脉冲时序。

所得的超连续谱光脉冲序列经3dB光耦合器2等分为上下两路：一路经延时光纤3、偏振控制器I 4进入光电探测器I 6转换为电脉冲信号，进入差分比较器8正输入端；另一路经偏振控制器II 5进入光电探测器II 7亦转换为相应的电脉冲信号，进入差分比较器8负输入端。调节延时光纤3的长度，使上述两路信号之间的自相关系数为零，在差分比较器8的做差作用下，输出端可得到无偏的二进制真随机密码序列。附图4是上述工作条件下，获得的真随机密码序列的点图，图中白色代表1码、黑色代表0码。这里，真随机密码序列是由加载到差分比较器8正、负两输入端的两路电脉冲序列峰值电压作差决定的：当输入差分比较器8正端的电脉冲峰值电压高于相应时刻负端的电脉冲峰值电压时，输出高电平，编码为“1”码；反之，输出低电平，编码为“0”码。

为了检验所得随机密码的是否无偏，这里对所得真随机密码序列中的0、1概率密度做了分析。如附图5所示，是对所获得真随机序列中的0码和1码统计之后获得的归一化分布密度图。由附图可见，所得真随机密码序列中0码和1码的出现概率均是50%，因此，它是统计无偏的。

最后，需要特别指出的是，本发明所产生的真随机码的码率完全由锁模脉冲激光器的重复频率决定，并与之保持一致。因此，通过控制这个参量可方便地对真随机码的码率进行实时调谐，速率可达数十Gb/s、乃至上百Gb/s，方便了不同规格通信网络的高效利用。

Claims (3)

1.一种基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，包括超连续谱熵源、3dB光纤耦合器、延时光纤、偏振控制器I、偏振控制器II、光电探测器I、光电探测器II及差分比较器；其特征在于：所述超连续谱熵源（1）输出的信号进入3 dB耦合器（2）的输入端，等分为两路：一路依次经延时光纤（3）、偏振控制器I（4）和光电探测器I（6），进入差分比较器（8）正输入端，另一路经偏振控制器II（5）、光电探测器II（7），进入差分比较器（8）负输入端；两路信号经差分比较器（8）做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器（8）输出端输出；

所述超连续谱熵源（1）是由锁模激光器（1a）、偏振控制器III（1b）、脉冲掺铒光纤放大器（1c）和高非线性光纤（1d）依次连接构成。

2.如权利要求1所述的基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，其特征在于：所述超连续谱熵源（1）是将锁模激光器（1a）产生的光脉冲序列经偏振控制器III（1b）进入脉冲掺铒光纤放大器（1c），被放大成具有高峰值功率的光脉冲序列；高峰值功率的光脉冲序列经高非线性光纤（1d）作用后形成大幅度随机起伏特的超连续谱光脉冲序列，并将超连续谱光脉冲序列经3dB光耦合器（2）等分成两路光脉冲序列：一路经延时光纤（3）、偏振控制器I（4）进入光电探测器I（6）转换为电脉冲信号，之后进入差分比较器（8）正输入端，另一路经偏振控制器II（5）进入光电探测器II（7）亦转换为相应的电脉冲信号，之后进入差分比较器（8）负输入端；调节延时光纤（3）的长度，使两路信号之间的自相关系数为零；两路信号经差分比较器（8）做差处理后得到真随机密码序列，由差分比较器（8）输出端输出。

3.如权利要求1所述的基于超连续谱的实时光学真随机码发生器，其特征在于：所述真随机密码序列是由加载到差分比较器（8）正、负两输入端的两路电脉冲峰值电压作差决定的：当输入差分比较器（8）正端的电脉冲峰值电压高于相应时刻负端的电脉冲峰值电压时，输出高电平，编码为“1”码；反之，输出低电平，编码为“0”码。