CN106933532B - 一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器，包括激光器、耦合器、光电探测器、模数转换器和后处理模块；所述激光器产生连续光或脉冲光；所述连续光或脉冲光在耦合器处发生干涉，将相位噪声转换为强度信号；所述耦合器与光电探测器相连，所述强度信号经由光电探测器完成光电转换；所述光电探测器与模数转换器相连，模数转换器对光电探测器的输出电信号进行量化获得初始随机比特；所述后处理模块将初始随机比特进行随机性优化，从而获得最终的随机比特。与现有技术相比，输出结果稳定，不依赖偏振及相位补偿技术，且随机数产生速率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器，特别是涉及一种适用于随机数应用领域的小型化随机数发生器。
背景技术
随机数在博彩、统计抽样及计算科学等应用中扮演了重要角色，尤其是在密码学、信息安全、量子保密通信等领域起到举足轻重的作用。怎样安全而可靠地产生高速、高质量的随机数是密码学乃至信息安全的重要研究方向，是密钥安全保护的关键技术，具有重要的理论研究价值和实际应用需求。
依据其产生手段，当前随机数产生方案主要分为两种：伪随机数和物理随机数。伪随机数是利用确定性的计算机算法产生的统计上看起来随机的序列，其随机性完全取决于初始种子和产生算法，不是真正的不可预测的序列。特别是近年来，随着量子计算技术的飞速发展，使利用较短时间破译复杂数学算法成为可能。那么，采用伪随机数的通信系统将面临着重大安全隐患。基于观测物理随机过程产生的随机数称为真随机数，具有不可预测、可证随机性等性质，已在传统信息安全系统中得到了广泛应用。
其中，量子随机数发生器（QRNG）基于量子力学内在的随机性，是目前唯一可以在理论上严格证明安全性的随机数产生装置，是迄今为止最接近真随机的随机数发生器。此外，量子随机数发生器的产生速率可到G bits/s量级，远大于传统的物理随机数发生器（随机数产生速率10M bits/s量级）。
然而，现有的量子随机数发生器方案存在很多局限性，例如，基于真空相位噪声的随机数产生方案，系统较复杂，需要较多的控制补偿技术；基于单光子透射/反射的随机数产生方案，速度受限于单光子探测器的死时间及后脉冲等。而随机数在实际应用当中，应同时具备产生速度快，体积小，系统稳定等优异特点，因此，急需在真随机数发生器体积小型化、随机数产生速率高速化，系统稳定化方面有突破性进展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种随机数发生器体积小，随机数产生速率高，系统稳定的基于激光相位噪声的小型化随机数发生器。
本发明采用的技术方案如下：一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光电探测器、模数转换（ADC）器和后处理模块；所述激光器产生连续光或脉冲光；所述连续光或脉冲光在耦合器处发生干涉，将相位噪声转换为强度信号；所述耦合器与光电探测器相连，所述强度信号经由光电探测器完成光电转换；所述光电探测器与模数转换器相连，模数转换器对光电探测器的输出电信号进行量化获得初始随机比特；后处理模块将初始随机比特进行随机性优化，从而获得最终的随机比特。
还包括微波放大器，对光电探测器的输出结果进行放大，增加信噪比。
所述激光器，由激光二极管及其驱动电路组成，或为基于不同原理和不同封装结构的半导体激光器。
所述激光器的驱动电流大于等于其阈值电流的70%且小于等于其阈值电流的130%，从而保证激光器的随机相位噪声幅度足够强，以获得量化效果更好的初始随机比特。
所述耦合器采用从紫外到远红外波段的自由空间光学分/合束器、光纤耦合器或集成波导耦合器；所选光学分/合束器的工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。
所述耦合器采用2×2保偏光纤耦合器，将激光器产生的连续光或脉冲光耦合到所述2×2保偏光纤耦合器的一个输入端，并将一个输出端连接到光电探测器；所述2×2保偏光纤耦合器的另一个输入端和另一个输出端相连形成环路。
所述保偏耦合器的分光比为49:51到51:49之间或90:10，优选50:50。
所述光电探测器为高宽带光电探测器，采用紫外到远红外波段的分立元件或集成平衡光电探测器，工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。所述光电探测器由低噪声的PIN或APD光电二极管构成，其驱动电路可为普通型，TIA型或集成运放型。
所述模数转换器采用具有模数转换功能的电路或仪表，对光电探测器输出信号完成数字量化获得初始随机比特，可实现高速数据采样和量化。
所述后处理模块集成随机性提取算法，主要有截位异或算法或随机托普利兹矩阵随机性提取算法，可实现高效随机性提取。
所述激光器产生的为脉冲光时，根据随机数产生速率的不同要求，对激光器选择采用内调制或外调制方式产生不同重复频率的脉冲光作为光源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：结构简单，有利于小型化；输出结果稳定，不依赖偏振及相位补偿技术；随机数产生速率高；为高速小型化量子真随机数发生器提供了一种思路和解决方案，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的原理示意图。
图2为图1所示实施例中量子随机数发生器理论仿真与实验观测数据示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
具体实施例1
一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光电探测器、模数转换（ADC）器和后处理模块；所述激光器产生连续光或脉冲光；所述连续光或脉冲光在耦合器处发生干涉，将相位噪声转换为强度信号；所述耦合器与光电探测器相连，所述强度信号经由光电探测器完成光电转换；所述光电探测器与模数转换器相连，模数转换器对光电探测器的输出电信号进行量化获得初始随机比特；后处理模块将初始随机比特进行随机性优化，从而获得最终的随机比特。
具体实施例2
在具体实施例1的基础上，还包括微波放大器，对光电探测器的输出结果进行放大，增加信噪比。
具体实施例3
在具体实施例1或2的基础上，所述激光器，由激光二极管及其驱动电路组成，或为基于不同原理和不同封装结构的半导体激光器。
具体实施例4
在具体实施例1到3之一的基础上，所述激光器的驱动电流大于等于其阈值电流的70%且小于等于其阈值电流的130%，从而保证激光器的随机相位噪声幅度足够强，以获得量化效果更好的初始随机比特。
具体实施例5
在具体实施例1到4之一的基础上，所述耦合器采用从紫外到远红外波段的自由空间光学分/合束器、光纤耦合器或集成波导耦合器；所选光学分/合束器的工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。
具体实施例6
在具体实施例1到5之一的基础上，所述耦合器采用2×2保偏光纤耦合器，将激光器产生的连续光或脉冲光耦合到所述2×2保偏光纤耦合器的一个输入端，并将一个输出端连接到光电探测器；所述2×2保偏光纤耦合器的另一个输入端和另一个输出端相连形成环路。
具体实施例7
在具体实施例6的基础上，所述保偏耦合器的分光比为49:51到51:49之间或90:10，优选50:50。在本具体实施例中，所述保偏耦合器的分光比为50:50。
具体实施例8
在具体实施例1到7之一的基础上，所述光电探测器为高宽带光电探测器，采用紫外到远红外波段的分立元件或集成平衡光电探测器，工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。所述光电探测器由低噪声的PIN或APD光电二极管构成，其驱动电路可为普通型，TIA型或集成运放型。
具体实施例9
在具体实施例1到8之一的基础上，所述模数转换器采用具有模数转换功能的电路或仪表，对光电探测器输出信号完成数字量化获得初始随机比特，可实现高速数据采样和量化。
具体实施例10
在具体实施例1到9之一的基础上，所述后处理模块集成随机性提取算法，主要有截位异或算法或随机托普利兹矩阵随机性提取算法，可实现高效随机性提取。
具体实施例11
在具体实施例1到10之一的基础上，所述激光器产生的为脉冲光时，根据随机数产生速率的不同要求，对激光器选择采用内调制或外调制方式产生不同重复频率的脉冲光作为光源。
具体实施例12
在具体实施例1到11之一的基础上，在本具体实施例中，如图1所示，采用的激光器为DFB激光二极管，波长为1550.12nm，采用Thorlabs公司的二极管驱动器使其输出连续光，驱动电流稍高于DFB激光器的阈值电流；采用的保偏光纤耦合器分光比为50:50，尾纤长度1m，构成的回绕环路长度2m，延时约为10ns；采用的光电探测器为带宽为10GHz的探测器；采集部分采用的是内置8bit采样，带宽为8GHz的示波器。如图2所示，为本具体实施例中，量子随机数发生器理论仿真与实验观测数据示意图，给出了探测器完成光电转换后经示波器采集到的初始随机序列直方图统计结果。
Claims (9)
1.一种基于激光相位噪声的小型化随机数发生器，其特征在于：包括激光器、耦合器、光电探测器、模数转换器和后处理模块；所述激光器产生连续光或脉冲光；所述连续光或脉冲光在耦合器处发生干涉，将相位噪声转换为强度信号；所述耦合器与光电探测器相连，所述强度信号经由光电探测器完成光电转换；所述光电探测器与模数转换器相连，模数转换器对光电探测器的输出电信号进行量化获得初始随机比特；所述后处理模块将初始随机比特进行随机性优化，从而获得最终的随机比特；
所述耦合器采用2×2保偏光纤耦合器，将激光器产生的连续光或脉冲光耦合到所述2×2保偏光纤耦合器的一个输入端，并将一个输出端连接到光电探测器；所述2×2保偏光纤耦合器的另一个输入端和另一个输出端相连形成环路。
2.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：还包括微波放大器，对光电探测器的输出结果进行放大，增加信噪比。
3.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述激光器，由激光二极管及其驱动电路组成。
4.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述激光器的驱动电流大于等于其阈值电流的70%且小于等于其阈值电流的130% 。
5.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述耦合器的工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。
6.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述保偏光纤 耦合器的分光比为49:51到51:49之间或90:10。
7.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述光电探测器采用紫外到远红外波段的分立元件或集成平衡光电探测器，工作波长范围与激光器的波长范围保持一致。
8.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述模数转换器采用具有模数转换功能的电路或仪表。
9.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于：所述激光器产生的为脉冲光时，根据随机数产生速率的不同要求，对激光器选择采用内调制或外调制方式产生不同重复频率的脉冲光作为光源。
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