CN106293613B - 基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，所述装置是在超高频混沌激光脉冲源的输出端设置有3dB光耦合器，所述3dB光耦合器的两个输出端分别连接有所述光电平衡探测器的两个输入端，并在上一输入端上设置有可调谐延迟线，光电平衡探测器的输出端连接有限幅放大器的输入端。本装置利用主动锁模脉冲激光器克服了电子瓶颈问题，使用平衡光电探测器和限幅放大器作为量化模块解决了随机数速率低的问题，采用自延迟平衡探测技术自适应地完成真随机数的产生，克服了现有技术中需要设置和不断调节“鉴幅阈值”的技术缺陷。本装置结构简单，实用性强。

Description

基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置
技术领域
本发明涉及一种实时真随机数产生装置，尤其是一种利用超高频激光混沌的实时产生高速真随机数序列的装置，适用于保密通信、雷达系统、数字签名以及高速模拟等领域。
背景技术
随机数被广泛应用在保密通信、雷达系统、数字签名以及高速模拟等领域。
常见的随机数发生器有两种：一种是基于复杂算法的伪随机数发生器，另一种是基于某种随机现象的物理随机数发生器。伪随机数发生器利用复杂的计算机算法对系统加密，但它是完全确定的，一旦获知种子和算法，则可被预测、甚至完全复制，存在极大的安全隐患。物理随机数发生器从自然界物理随机现象中提取不可预测的随机数，因此又被称为真随机数发生器。优质随机数的特征在于不可预知性。特别是在保密通信领域，为了使攻击者无法进行任何有价值的预测，就需要产生大量码率不低于通信速率的真随机数。
传统的真随机数发生器利用热噪声、振荡器的相位噪声、放射性元素衰变、电路混沌等随机物理现象作为熵源来产生真随机数，可受限于熵源带宽，其实时产生速率有限，仅处于Mb/s量级，与现代保密通信速率之间存在巨大鸿沟。
近年来，随着光子信息技术、光电子技术以及光通信系统不断成熟和发展，采用宽带光子熵源（如激光混沌等）产生的高速、实时真随机数技术不断涌现。其随机数提取方法主要是通过光电探测器将宽带光子物理熵源发射的光信号转换为电信号，而后利用电子ADC在电域中对其进行采样及“鉴幅阈值”比较量化处理后，最终产生真随机数。典型的报道有：2008年，日本埼玉大学A. Uchida课题组利用混沌激光和1位ADC量化技术，实现了实时速率达1.7 Gb/s的物理随机序列的产生[Uchida A, Amano K, Inoue M, et al. Fastphysical random bit generation with chaotic semiconductor lasers. NaturePhotonics, 2008, 2(12): 728-732.]。2011年，该课题组又将此速率进一步提高至2.08Gb/s [Harayama T, Sunada S, Yoshimura K, et al. Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers. Physical Review A, 2011, 83(3):031803.]；2013年，发明人所在课题组利用混沌激光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 Gb/s [Wang A, Li P, Zhang J,et al. 4.5 Gbps high-speed real-time physical random bit generator. OpticsExpress, 2013, 21(17): 20452-20462.]。截至目前，4.5 Gb/s是当前真随机数发生器已实现的最快实时速率。
若要获取更高实时速率的真随机数，至少面临如下技术障碍：一是目前高速真随机数提取技术的核心器件是电子模数转换器（ADC）。受限于射频时钟的电子抖动和比较器模糊等‘电子速率瓶颈’，电子ADC物理带宽有限。例如，当前高端电子ADC供应商ADI公司出售的电子ADC的物理带宽也不足 1 GHz [http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html]。 二是物理熵源输出的随机信号受外界环境及内部噪声干扰，其幅值分布往往不对称，为了得到均衡的真随机数，在随机数提取过程中需要不断调节电子ADC“鉴幅阈值”的方法来消除偏差，但这样处理会使实时产生的随机数的质量无法保障，也不能保证设备的连续工作。
当前通信速率已达10 Gb/s，并朝向40 Gb/s以上速率快速发展，要求更快真随机数的实时、在线产生。因此，电子ADC面临的“电子速率瓶颈”和“鉴幅阈值”须不断调节问题成为制约目前高速、实时真随机数发生器的最主要技术难题。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中普遍存在的“电子速率瓶颈”和“鉴幅阈值”须不断调节的问题，从而提供一种基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，包括超高频混沌激光脉冲源，3dB光耦合器，可调谐延迟线，光电平衡探测器和限幅放大器；其特征在于：所述超高频混沌激光脉冲源的输出端设置有3dB光耦合器，所述3dB光耦合器的两个输出端分别连接有所述光电平衡探测器的“-”输入端和 “+”输入端，并在所述光电平衡探测器的“+”输入端与3dB耦合器之间连接一可调谐延迟线；所述光电平衡探测器的输出端连接有限幅放大器的输入端；
所述超高频混沌激光脉冲源是由主动锁模脉冲激光器的输出端连接有全光采样器的输入端，所述全光采样器的输出端连接有脉冲光放大器的输入端，混沌激光器的输出端连接有所述全光采样器的控制端，各器件之间由光纤连接。
上述基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置是通过全光采样器将混沌激光幅度信息加载到主动锁模脉冲激光器输出的光脉冲序列上，形成超高频混沌激光脉冲源，所述超高频混沌激光脉冲源输出的混沌激光脉冲序列经3dB光耦合器平均分为两路，一路直接接入光电平衡探测器的“-”输入端，另一路先接入可调谐光延迟线再接入光电平衡探测器的“+”输入端，两路混沌激光脉冲序列经光电平衡探测器光电转换和作差处理后形成由正、负脉冲构成的真随机电脉冲序列，再由限幅放大器整形，形成高速真随机数序列。
上述目的实现的技术方案，与现有随机数产生技术相比，具有以下特点：
本真随机数产生装置利用主动锁模脉冲激光器在光域中完成对混沌激光信号的采样，不再涉及电“采样”过程和射频时钟。主动锁模激光器的时延抖动仅fs量级，这就克服了射频时钟抖动ps以上量级导致的信号失真问题及电子瓶颈问题。
本真随机数产生装置中不再涉及电子ADC，而使用了平衡光电探测器和限幅放大器作为量化模块来完成随机数的提取。这类器件的物理带宽可达40 GHz以上，远超过现有的模数转换器的物理带宽，有效解决了现有模数转换器物理带宽不足导致随机数速率较低的问题。
本真随机数产生装置中采用自延迟平衡探测技术来完成对随机信号的判决量化，不再需要设置、更不用调节“鉴幅阈值”，可自适应地完成真随机数的产生，克服了现有真随机数提取技术中需要设置和不断调节“鉴幅阈值”的技术缺陷。
附图说明
图1是本装置的结构示意图。
图中：1：超高频混沌激光脉冲源；1a：主动锁模脉冲激光器；1b：全光采样器；1c：混沌激光器；1d：脉冲放大器；2：3dB光耦合器；3：可调谐光延迟线；4：光电平衡探测器；5：限幅放大器。
图2是本装置的超高频混沌激光脉冲源输出的重复频率为10 GHz的混沌激光脉冲时序图。
图3是本装置的光电平衡探测器输出的重复频率为10 GHz的由正、负脉冲构成的真随机电脉冲序列的时序图。
具体实施方式
实施本发明上述所提供的一种基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，是利用超高频混沌激光脉冲源产生出混沌激光脉冲序列，经3dB光耦合器等分为两路后通过光电平衡探测器作差处理获得真随机电脉冲序列，最后通过限幅放大器整形，输出高速真随机数序列。
本装置是由超高频混沌激光脉冲源1、3dB光耦合器2、可调谐光延迟线3、平衡光电探测器4、限幅放大器5构成。混沌激光脉冲源输出的超高重频、强度随机起伏的混沌光脉冲序列经3dB光耦合器2分为两路，其中一路经可调谐光延迟线3延迟一段时间后，接入光电平衡探测器4的“+”输入端，另一路则直接接入光电平衡探测器4“-”输入端，经过光电平衡探测器4作差处理生成真随机电脉冲序列，继而接入限幅放大器5，经限幅放大后形成双极性真随机数序列；所述超高频混沌激光脉冲源1由主动锁模脉冲激光器1a，全光采样器1b，混沌激光器1c和脉冲光放大器1d连接构成。
下面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）超高频混沌激光脉冲源实现过程
这里，以重复频率为10 GHz的超高频混沌激光脉冲源实现过程为例，予以说明。如附图1中所示，主动锁模脉冲激光器1a输出的重复频率10 GHz、波长为1550 nm的超短光脉冲序列，接入全光采样器1b的信号输入端，混沌激光器1c输出的幅度连续随机起伏、带宽12 GHz的混沌激光作为控制信号加载到全光采样器1b的控制端，利用全光采样器1b可将混沌激光幅度信息加载到主动锁模脉冲激光器输出的光脉冲序列上，形成混沌激光脉冲序列，然后经过脉冲光放大器1d对混沌激光脉冲序列的功率放大，可得到重复频率10 GHz、强度随机起伏的超高频混沌激光脉冲序列，如附图2所示。这样就实现了本发明的超高频混沌激光脉冲源。
（2）高速真随机数序列产生过程
如附图1所示，超高频混沌激光脉冲源1产生的重复频率10 GHz、强度随机起伏的超高频混沌激光脉冲序列经3dB光耦合器2平均分为两路，其中一路经可调谐延迟线3后，接入光电平衡探测器4的“+”输入端，另一路则直接接入光电平衡探测器4的“-”输入端。调节可调谐延迟线3使进入平衡光电探测器4的两路混沌激光脉冲序列相差5个周期（注：这里，一个周期间隔等于混沌激光脉冲序列重复频率的倒数）。当“+”输入端的混沌脉冲幅值大于相应的“-”输入端的混沌脉冲幅值时，光电平衡光电探测器4输出正脉冲（编码为1）；反之，当+”输入端的脉冲幅值小于“-”输入端的脉冲幅值时，光电平衡光电探测器4输出负脉冲（编码为0）。这样就获得了重频为10 GHz的真随机电脉冲序列，如附图3所示。
此时的真随机电脉冲中0码（负脉冲）和1码（正脉冲）虽可以作为随机数使用，但存在正、负脉冲幅值不统一（即不等高）的瑕疵。将光电平衡光电探测器4输出的重复频率为10GHz的真随机电脉冲序列，接入限幅放大器5，经过限幅放大器5的整形后，将得到幅度统一的、实时速率为10 Gb/s的真随机数序列。
综上所述，本发明基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，在整套装置中使用全光采样器作为采样模块，平衡光电探测器和限幅放大器作为量化模块，没有用到电子时钟和电子ADC，从而解决了现有技术遭遇的“电子瓶颈”问题，更有效地提高实时真随机数的速率。尤其需要指出的是，光电平衡探测器的引入，不再需要单独设置“鉴别阈值”，直接解决了传统随机数提取技术中采用电ADC须设置和不断调节“鉴别阈值”的弊端。另外需要特别说明的是，本实施例中虽然以10 Gb/s真随机数序列的产生为例来详细阐述本发明的实现过程，但考虑到平衡探测器带宽远不止于此（可达数十、甚至上百GHz），因此，只要混沌激光信号的带宽足够宽，本发明具有产生数十、甚至上百Gb/s真随机数序列的能力。具体实现过程完全类似，只需将主动锁模激光器的重复频率进一步增大即可实现，为简明起见，这里不再赘述。

Claims (2)

1.一种基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，包括超高频混沌激光脉冲源、3dB光耦合器、可调谐延迟线、光电平衡探测器和限幅放大器；其特征在于：所述超高频混沌激光脉冲源（1）的输出端设置有3dB光耦合器，所述3dB光耦合器（2）的两个输出端分别连接有所述光电平衡探测器（4）的“-”输入端和 “+”输入端，并在所述光电平衡探测器（4）的“+”输入端与3dB耦合器（2）之间连接一可调谐延迟线（3）；所述光电平衡探测器（4）的输出端连接有限幅放大器（5）的输入端；
所述超高频混沌激光脉冲源（1）是由主动锁模脉冲激光器（1a）的输出端连接有全光采样器（1b）的输入端，所述全光采样器（1b）的输出端连接有脉冲光放大器（1d）的输入端，混沌激光器（1c）的输出端连接有所述全光采样器（1b）的控制端，各器件之间由光纤连接。
2.如权利要求1所述的基于超高频激光混沌的自适应实时真随机数产生装置，其特征在于：所述自适应实时真随机数产生装置是通过全光采样器（1b）将混沌激光幅度信息加载到主动锁模脉冲激光器输出的光脉冲序列上，形成超高频混沌激光脉冲源（1），所述超高频混沌激光脉冲源（1）输出的混沌激光脉冲序列经3dB光耦合器（2）平均分为两路，一路直接接入光电平衡探测器（4）的“-”输入端，另一路先接入可调谐光延迟线（3）再接入光电平衡探测器（4）的“+”输入端，两路混沌激光脉冲序列经光电平衡探测器光电转换和作差处理后形成由正、负脉冲构成的真随机电脉冲序列，再由限幅放大器整形，形成高速真随机数序列。
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