CN107203366B - 一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法 - Google Patents

一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种基于混沌激光产生全光高速随机数的产生方法是将产生的混沌激光利用基于半导体光放大器‑非线性偏振旋转效应（SOA‑NPR）的全光采样系统进行采样，然后利用基于非线性偏振旋转效应（NPR）的全光量化器对采样后的脉冲进行量化，在光域内获得随机数。本发明所述的装置包括激光混沌源、全光采样器及全光量化器。本发明完全在光域内进行，可突破电子瓶颈限制，实时产生全光高速随机码。产生的随机码可与光通信网络中的光信号直接兼容，满足现代高速通信安全的需要。

Description

一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法
技术领域
本发明涉及全光物理随机数，具体为一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置及方法，可用于统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域。
背景技术
在信息安全、复杂数值模拟、密码学及博彩等领域，随机数充当着一个重要的角色。特别是随着社会信息化程度的提高和光纤通信技术的不断发展，信息通信安全问题已经上升为关系国家安危的重要课题。目前单信道的传输速率已达到40Gbps，下一代光纤通信网络单信道的传输速率将达到100Gps，因此产生高速随机数是保密通信技术发展的必要条件。
按产生随机数的机理不同，随机数发生器可分为两大类：伪随机数发生器和物理真随机数发生器。
利用计算机，通过某些算法或组合可方便地获得伪随机数(PRNG)。随着算法的改进和计算机运算能力的提高，目前已可获得2800-1码长的PRNG。经过合理设计PRNG，可以在一定程度上保证攻击者在有限的计算资源下无法破译。但是，PRNG是由种子通过一个确定的算法生成的，并不是真正意义的随机数。然而，不管采用多么精巧的设计，伪随机数序列终究无法改变其确定性的本质。一旦生成最终结果的算法或种子被获取，或是攻击者有了更强的计算资源及破解算法，那么伪随机数序列的不确定性就会大幅降低，而基于伪随机数序列的安全防御就会出现严重的漏洞。随着计算机运算能力的不断提高，用伪随机数作为密钥被破解的事件也层出不穷。例如我国王小云教授曾先后破解了全球广泛用于计算机安全系统的MD5和SHA-1两大密码算法。
为了解决伪随机序列的周期性和确定性等问题，人们利用自然界物理现象提取产生无法复制、非周期、不可预测的真随机数。已用过物理现象也多种多样，比如早期的鼠标抖动，后来采用的大气噪声，电子噪声，频率抖动，辐射衰变，单光子发射/探测等等。此外，利用量子力学基本量的完全随机性以及采集生物的无规律行为也可以用作真随机数发生器的熵源。然而早期的研究成果受限于选用的物理熵源，或是采样提取手段，使得随机数序列的生成码率很低，无法适应实际需求。至2003年，通过采用高速电子振荡器的频率抖动作为物理熵源，实现了速率达到10Mbit/s的随机数序列产生，几乎已经达到了当时真随机数发生器速率的极限。
2007年申请人课题组首次提出用光反馈半导体激光器产生的宽带混沌激光作为真随机数发生器物理源，构造快速真随机数发生器。2008年开始,基于混沌激光产生的物理真随机数的速率能够达到Gbit/s的量级，随后以色列巴依兰大学I.Reider等人、香港城市大学陈仕俊小组、日本埼玉大学A.Uchida小组、希腊雅典大学A.Argyris小组、西南大学以及申请人课题组都对基于混沌激光产生高速的物理真随机数进行了大量研究。但是以上的混沌激光信号都在电域内进行量化处理，受“电子瓶颈”的限制，速率的提升空间有限。因此有必要开发一种速率不受电子瓶颈限制的随机数产生装置及方法。
发明内容
本发明为解决目前产生随机数的速率受“电子瓶颈”的限制，提供一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法。
本发明所述一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置是采用以下技术方案实现的：一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置，包括一个混沌激光发射装置、与混沌激光发射装置输出端相连接的全光采样器以及与全光采样器输出端相连接的利用基于非线性偏振旋转效应(NPR)构建的全光量化器；
所述的全光量化器包括多个全光量化器单元；每个全光量化器单元包括第一偏振相关隔离器、第二偏振相关隔离器、第三偏振控制器、第四偏振控制器以及一段标准单模光纤；
每个全光量化器单元的第一偏振相关隔离器的输出端连接第三偏振控制器的输入端，第三偏振控制器的输出端连接标准单模光纤的输入端，标准单模光纤的输出端连接第四偏振控制器的输入端，第四偏振控制器的输出端连接第二偏振相关隔离器的输入端，第二偏振相关隔离器的输出端作为全光量化器单元的输出端；
全光量化器单元的个数以及偏振控制器的状态完全由脉冲的幅值分布决定，多个全光量化器单元顺次连接，位于前端的全光量化器单元的第一偏振相关隔离器的信号输入端与全光采样器的输出端相连接；位于末端的全光量化器单元的第二偏振相关隔离器的输出端作为全光量化器的输出端。
本发明所述一种基于混沌激光产生全光高速随机数的方法是采用以下技术方案实现的：一种基于混沌激光产生全光高速随机数的方法，将产生的混沌激光信号经过全光采样器进行采样形成强度呈随机数起伏的混沌脉冲序列，然后利用基于非线性偏振旋转效应的技术构建的全光量化器进行量化，最终实现“0”，“1”码均匀分布的随机码；所述量化过程如下：将强度呈随机数起伏的混沌脉冲序列输入到全光量化器，脉冲序列顺次经过第一偏振相关隔离器、第三偏振控制器、标准单模光纤、第四偏振控制器、第二偏振相关隔离器后，输出信号产生线性相移和非线性相移，当标准单模光纤长度、标准单模光纤参数及偏振控制器状态一定时，由全光量化器引起的线性相移为定值；而非线性相移是与混沌脉冲强度相关的函数，对于不同强度的混沌脉冲将产生不同的透过率；画出混沌脉冲相移和透过率的图像，将全光量化器单元分成前后两部分；通过控制前部的全光量化器单元光纤长度及混沌脉冲的偏振态，使位于前部的全光量化器单元工作在所述图像的正反馈区域内，起到类可饱和吸收体的作用；弱小的混沌脉冲被前部的全光量化器单元吸收直到小于阈值的混沌激光脉冲经过前部的全光量化器单元后被衰减为零，而强度较大的脉冲经过前部的全光量化器单元透过率较大；对混沌脉冲进行阈值判决，形成一系列的高低脉冲序列；为了获得“0”脉冲强度为零，“1”脉冲强度均衡的随机序列，经过阈值判决的高低脉冲序列通过后部的全光量化器单元，调节标准单模光纤长度及脉冲序列的偏振态，使后部的全光量化器单元工作在所述图像的负反馈区域内，起到光限幅的作用，使强度较大的脉冲透过率低，而强度较小的脉冲透过率高，直到最后一个全光量化器单元输出“1”脉冲强度均衡的随机序列，从而获得高速的全光随机码序列。
本发明提供一种基于混沌激光提取全光随机数的装置与方法，与现有技术相比，其速率不受电子瓶颈限制，克服了“电子瓶颈”对产生随机数速率的限制，只要熵源带宽足够高，速率可达数百Gbps，具有强大的发展前景。此外，利用这项技术产生的全光随机数可与光通信网络中的光信号直接兼容，促进网络信息安全的发展。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图2是本发明所述全光采样器的结构示意图。
图3是本发明所述全光量化器单元的结构示意图。
图4是本发明所述的全光量化器的结构示意图。
图5是本发明所述的全光量化器单元的传输曲线。
图中：1：混沌激光发射装置；2：全光采样器；3：全光量化器；2a：光时钟；2b：第一偏振控制器；2c：第一光纤耦合器；2d：半导体光放大器；2e：第二偏振控制器；2f：光带通滤波器；2g：偏振分束器；2h：第二光纤耦合器；3a：第一偏振相关隔离器；3b：第三偏振控制器；3c：标准单模光纤；3d：第四偏振控制器；3e：第二偏振相关隔离器。
具体实施方式
本发明所述的一种基于混沌激光提取全光随机数的方法是将混沌激光信号通过全光采样器进行采样获得幅值随机起伏的脉冲序列，然后利用全光量化器对幅值随机起伏的脉冲序列进行全光量化，获得“0”，“1”码均衡的随机码。本发明所述的装置包括混沌激光源、全光采样器及全光量化器。本发明所产生的全光随机数具有高速、与光网络兼容的特点。为更好的说明本发明的方法与装置，下面对本发明做进一步的详细描述。
一种基于混沌激光提取全光随机数的装置如图1所示，包括混沌激光发射装置1、全光采样器2及全光量化器3。
其中，混沌源为任意能够产生宽带混沌的激光源。基于半导体光放大器-非线性偏振旋转效应(SOA-NPR)的全光采样器2由一个光时钟2a，一个半导体光放大器2d，两个偏振控制器，一个光带通滤波器2f，两个光纤耦合器以及一个偏振分束器2g组成；具体连接关系为，如图2所示，全光采样器2的光时钟2a的输出端与第一偏振控制器2b的输入端连接，第一偏振控制器2b的输出端连接第一光纤耦合器2c的输入端，所述第一光纤耦合器2c的输出端连接半导体光放大器2d的输入端，所述半导体光放大器2d的输出端连接第二偏振控制器2e的输入端，所述第二偏振控制器2e的输出端连接光带通滤波器2f的输入端，所述光带通滤波器2f的输出端连接偏振分束器2g的输入端，所述偏振分束器2g的输出端连接第二光纤耦合器2h的输入端，所述第二光纤耦合器2h的输出端作为全光采样器2的输出端。
全光量化器3由若干个全光量化器单元组成，其中每个全光量化器单元由两个偏振相关隔离器、两个偏振控制器及一段标准的单模光纤组成，具体连接关系如图3所示。全光量化器单元的第一偏振相关隔离器3a的输出端连接第三偏振控制器3b的输入端，第三偏振控制器3b的输出端连接标准单模光纤3c的输入端，标准单模光纤3c的输出端连接第四偏振控制器3d的输入端，第四偏振控制器3d的输出端连接第二偏振相关隔离器3e的输入端，第二偏振相关隔离器3e的输出端作为全光量化器单元的输出端。全光量化器的结构如图4所示，是由多个全光量化器单元组成。全光量化器单元的个数以及偏振控制器的状态完全由脉冲的幅值分布决定。
全光量化器的工作原理如下：
本发明所使用的全光量化器的原理如下：全光量化器是由多个如图3所示的单元组成，每个单元由两个偏振相关隔离器、两个偏振控制器和一段光纤组成。
采样后的混沌脉冲序列输入到全光量化器，首先经过第一偏振相关隔离器变成线偏振光，调节第一偏振控制器使线偏振光变为椭圆偏振光，该椭圆偏振光与光纤快轴之间的夹角为α1，沿光纤的x、y轴方向把此椭圆偏振光分解为频率相同、偏振方向垂直的两个线偏振光，电场矢量为：
Ex(t)＝E(t)cosα1 Ey(t)＝E(t)sinα1
经过长度为L的光纤后，两偏振矢量的场变为：
E＇x(t)＝E(t)cosα1exp(-jφx)
E＇y(t)＝E(t)sinα1exp(-jφx)exp[-j(ΔφL+ΔφNL)]
其中：
Figure BDA0001359954420000051
DfL＝(ny-nx)bL
Figure BDA0001359954420000052
β为传播常数，γ为光纤的非线性系数，P为入射信号的瞬时功率，nx与ny为光纤的线性双折射系数，
Figure BDA0001359954420000053
为光纤的非线性双折射系数，非线性双折射系数与入射信号的强度有关。ΔφL称为线性相移，ΔφNL称为非线性相移。
当入射信号到达第二偏振相关隔离器时，与光纤快轴之间的夹角为α2，输出信号为：
Figure BDA0001359954420000061
透过率系数为：
Figure BDA0001359954420000062
当光纤长度、光纤参数及偏振控制器状态一定时，由全光量化器引起的线性相移为定值；而非线性相移是与强度相关的函数，因此对于不同强度的混沌脉冲将产生不同的透过率。混沌脉冲经过全光量化器单元后的传输曲线如图5所示。
合理控制全光量化器光纤长度及混沌脉冲的偏振态，使位于前部的全光量化器单元工作在如图5所示的AB正反馈区域内(正反馈区指入射光的透过率与入射功率成正比)，起到类可饱和吸收体的作用；弱小的混沌脉冲被量化器吸收直到小于阈值的混沌激光脉冲经过全光量化器后被衰减为零，而强度较大的脉冲经过量化器透过率较大。对混沌脉冲进行阈值判决，形成一系列的高低脉冲序列。经过阈值判决的混沌脉冲序列通过与图3类似结构的实验装置(后部的全光量化器单元)，适当调节光纤长度及脉冲序列的偏振态，使后部的全光量化器工作在如图所示的BC负反馈区域内(负反馈区指入射光的透过率与入射功率成反比)，起到光限幅的作用，直到大于阈值的混沌激光脉冲经过全光量化器输出功率均衡的激光脉冲，获得高速的全光随机码序列。

Claims (3)

1.一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置，其特征在于，包括一个混沌激光发射装置（1）、与混沌激光发射装置（1）输出端相连接的全光采样器（2）以及与全光采样器（2）输出端相连接的利用基于非线性偏振旋转效应构建的全光量化器（3）；
所述的全光量化器（3）包括多个全光量化器单元；每个全光量化器单元包括第一偏振相关隔离器（3a）、第二偏振相关隔离器（3e）、第三偏振控制器（3b）、第四偏振控制器（3d）以及一段标准单模光纤（3c）；
每个全光量化器单元的第一偏振相关隔离器（3a）的输出端连接第三偏振控制器（3b）的输入端，第三偏振控制器（3b）的输出端连接标准单模光纤（3c）的输入端，标准单模光纤（3c）的输出端连接第二偏振控制器（3d）的输入端，第四偏振控制器（3d）的输出端连接第二偏振相关隔离器（3e）的输入端，第二偏振相关隔离器（3e）的输出端作为全光量化器单元的输出端；
全光量化器单元的个数以及偏振控制器的状态完全由混沌激光发射装置（1）输出的混沌脉冲的幅值分布决定，多个全光量化器单元顺次连接，位于前端的全光量化器单元的第一偏振相关隔离器（3a）的信号输入端与全光采样器（2）的输出端相连接；位于末端的全光量化器单元的第二偏振相关隔离器（3e）的输出端作为全光量化器的输出端。
2.如权利要求1所述的一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置，其特征在于：所述全光采样器（2）是基于半导体光放大器-非线性偏振旋转效应的全光采样器，包括一个光时钟（2a）、半导体光放大器（2d）、第一偏振控制器（2b）、第二偏振控制器（2e）、光带通滤波器（2f），第一光纤耦合器（2c）、第二光纤耦合器（2h）以及偏振分束器（2g）；光时钟（2a）的输出端与第一偏振控制器（2b）的输入端连接，第一偏振控制器（2b）的输出端连接第一光纤耦合器（2c）的输入端，所述第一光纤耦合器（2c）的输出端连接半导体光放大器（2d）的输入端，所述半导体光放大器（2d）的输出端连接第二偏振控制器（2e）的输入端，所述第二偏振控制器（2e）的输出端连接光带通滤波器（2f）的输入端，所述光带通滤波器（2f）的输出端连接偏振分束器（2g）的输入端，所述偏振分束器（2g）的输出端连接第二光纤耦合器（2h）的输入端，所述第二光纤耦合器（2h）的输出端作为全光采样器（2）的输出端。
3.一种基于混沌激光产生全光高速随机数的方法，采用如权利要求1或2所述的装置来实现，其特征在于，将产生的混沌激光信号经过全光采样器（2）进行采样形成强度呈随机数起伏的混沌脉冲序列，然后利用基于非线性偏振旋转效应的技术构建的全光量化器（3）进行量化，最终实现“0”，“1”码均匀分布的随机码；所述量化过程如下：将强度呈随机数起伏的混沌脉冲序列输入到全光量化器（3），脉冲序列顺次经过第一偏振相关隔离器（3a）、第三偏振控制器（3b）、标准单模光纤（3c）、第四偏振控制器（3d）、第二偏振相关隔离器后（3e）后，输出信号产生线性相移和非线性相移，当标准单模光纤（3c）长度、标准单模光纤（3c）参数及偏振控制器状态一定时，由全光量化器（3）引起的线性相移为定值；而非线性相移是与混沌脉冲强度相关的函数，对于不同强度的混沌脉冲将产生不同的透过率；画出混沌脉冲相移和和透过率的图像，将全光量化器单元分成前后两部分；通过控制前部的全光量化器单元光纤长度及混沌脉冲的偏振态，使位于前部的全光量化器单元工作在所述图像的正反馈区域内，起到类可饱和吸收体的作用；弱小的混沌脉冲被前部的全光量化器单元吸收直到小于阈值的混沌激光脉冲经过前部的全光量化器单元后被衰减为零，而强度较大的脉冲经过前部的全光量化器单元透过率较大；对混沌脉冲进行阈值判决，形成一系列的高低脉冲序列；为了获得“0”脉冲强度为零，“1”脉冲强度均衡的随机序列，经过阈值判决的高低脉冲序列通过后部的全光量化器单元，调节标准单模光纤（3c）长度及脉冲序列的偏振态，使后部的全光量化器单元工作在所述图像的负反馈区域内，起到光限幅的作用，使强度较大的脉冲透过率低，而强度较小的脉冲透过率高，直到最后一个全光量化器单元输出“1”脉冲强度均衡的随机序列，从而获得高速的全光随机码序列。
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