CN108628590A - 一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法，发生器包括物理熵源和后处理单元；物理熵源采用改进的外腔半导体激光器ECSL，在常规的反馈回路中加入相位调制器，并使其输出经过由啁啾布拉格光栅构成的色散单元，相位调制器的驱动信号由另一路的ECSL经过光电转换和放大产生。本发明能够将有效带宽提高至100GHz，利用光栅滤波效应控制混沌激光的有效带宽；消除了外腔半导体激光器由外腔反馈引起的时延特征，不会为产生的随机序列带来周期性，因此不需要复杂的后处理方法来消除周期性带来的影响；提出了一种简单的后处理的方法，通过多次方根运算可以改善抽样值分布的对称性，从而提高多位量化最低有效位的选取位数。

Description

一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法

技术领域

本发明属于物理随机数发生器技术领域，具体涉及一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法。

背景技术

随机数在蒙特卡洛模拟、扩频通信、码分多址、保密通信等领域中有着广泛的应用，尤其在保密通信领域，随机数更是扮演者极其重要的角色，在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就可以保证所传输信息的安全。香农的理论研究证明，只有保证所使用的密钥是完全随机的，长度不小于明文，且一次性地使用，这样的密钥才是完全不可破解、绝对安全的。对于当今高速、大容量的数字通信系统，“一次一密”技术实现的关键在于高速随机数的实时获取。

一切能产生随机数的装置统称作随机数发生器，按照其发生机制的不同，随机数发生器可分为两大类：伪随机数发生器和物理随机数发生器(真随机数发生器)。伪随机数发生器产生高速随机数，但其固有的周期性致使其长度有限，不能保证通信的绝对安全。物理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，它利用自然界物理熵源的随机过程(如电阻热噪声、振荡器频率抖动和量子随机性等)产生出非周期、无法预测、无法复制的真随机数。传统的物理随机数发生器受限于所采用常规物理熵源的带宽和随机数提取方法，其发生速率相对较低，典型码率仅仅处于Mbps量级。近年来，混沌激光因其高带宽和大幅度等特性，被用作新一代物理熵源以解决传统物理随机数发生器实时速率不足的问题。2008年日本Uchida课题组曾在研究中利用两路无关的混沌激光源分别经过1位模数转换器(ADC)和异或逻辑门(XOR)处理后，首次实时产生了1.7Gb/s的高速物理随机数，该方案标志着物理随机数发生器的速率可由Mb/s量级跃居到Gb/s量级。之后又出现了大量基于混沌激光的高速物理随机数产生方案，通过改善混沌激光的熵源特性以提高带宽，或改进后处理方法能产生更高速率的物理随机数。然而实现过程中必然遇到的“电子瓶颈”限制问题，如在超高速率条件下，实现各单元器件(如多位ADC、缓存器、异或门和并串转换等)的精确同步。因此，在实际应用中，应尽量简化后处理过程，增加随机数发生器熵源带宽是提高随机速率的关键。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法解决了现有物理随机数发生器熵源带宽低和时延标签难以消除的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，包括物理熵源和后处理单元；

所述物理熵源包括第一信号回路和第二信号回路；

所述第一信号回路和第二信号回路连接，第一信号回路与后处理单元连接；

所述第一信号回路和第二信号回路均包括顺次连接的DFB激光器、光环形器、光耦合器和光电探测器，且光耦合器的输出端与光环形器的输入端连接；

所述第一信号回路中光环形器和光耦合器之间还连接有相位调制器，且光耦合器的输出端通过啁啾布拉格光栅反射后与光电探测器连接，所述第一信号回路中光电探测器的输出端作为物理熵源的输出端与后处理单元连接；

所述第二信号回路还包括电子放大器，所述电子放大器的输入端与所述第二信号回路的光电探测器连接，所述电子放大器的输出端输出电信号作为所述相位调制器的驱动信号。

进一步地，所述后处理单元功能模块包括A/D转换模块、多次方根运算模块和随机序列提取模块。

进一步地，所述物理熵源中的DFB激光器、光环形器、光耦合器、相位调制器、啁啾布拉格光栅、光电探测器和电子放大器之间均通过光纤进行连接；

所述第二回路中电子放大器和光电探测器通过射频线连接。

进一步地，两个所述DFB激光器的反馈回路均包括光环形器和光耦合器。

一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生方法，包括以下步骤：

S1、通过物理熵源产生扩频的混沌光信号；

S2、通过第一信号回路中的光电探测器将扩频的混沌光信号转化为混沌电信号；

S3、通过A/D转换模块对混沌电信号进行采样，并获得采样信号；

S4、对采样值进行多次方根运算，并将运算后的采样数值量化为8位二进制数据；

S5、选取8位二进制数据中的最低有效位产生最终的物理随机数序列。

进一步地，所述步骤S1具体为：

通过第一信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生混沌激光信号，第二信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生不相关的激光混沌信号，经过第二信号回路的光电探测器的光电转换和电子放大器的放大后电域混沌信号做为第一信号回路中相位调制器的驱动信号，通过相位调制器对混沌激光信号进行相位调制，将其输出的光信号注入啁啾布拉格光栅，并反射出扩频混沌光信号。

进一步地，所述第一或第二回路的DFB激光器及其反馈回路构成两个外腔半导体激光器，

所述外腔半导体激光器可用光反馈式的半导体激光器Lang—Kobayashi单模速率方程描述，

所述Lang—Kobayashi单模速率方程为：

式中，为DFB激光器的电场速率，i为复数的虚数单位，α线宽增强因子，G(t)为光场增益，E(t)和N(t)分别是激光器腔内复电场强度和载流子密度，k为DFB激光器的反馈强度，τ为反馈延时，ω₀为DFB激光器的输出角频率，β为自发辐射因子，χ为方差为1均值为0的高斯白噪声，τ_p为光子寿命；

所述DFB激光器中的载流子密度N(t)公式为：

式中，q为电荷电量，V为激光器的有源区体积，τ_n为载流子寿命，I半导体激光器的泵浦电流，

所述非线性增益G(t)为：

其中，N₀为透明载流子密度；ε为增益压缩因子；

所述反馈强度k为：

其中r₀和r分别是激光器输出端面和外部反射镜面的反射率；τ_in是光在激光器谐振腔内的往返周期；

经相位调制器调制后的光信号：

式中，E_out和E_in分别是相位调制器的输出和输入信号，为相移，K_PM为调制系数，G(|E|²)为放大后的混沌电信号，E为第二信号回路产生的相位调制驱动信号，V_π为相位调制器半波电压。

进一步地，通过改变啁啾布拉格光栅的参数来改变混沌光信号的有效带宽，

所述变啁啾布拉格光栅的参数包括长度和啁啾系数；

通过自相关函数、延时互信息和排列熵分析啁啾布拉格光栅反射出的扩频混沌光信号。

本发明的有益效果为：本发明提供的随机数发生器拥有高带宽的混沌激光熵源，能够将有效带宽提高至100GHz，并且能够利用光栅滤波效应控制混沌激光的有效带宽；消除了外腔半导体激光器由外腔反馈引起的时延特征，从而不会为产生的随机序列带来周期性，因此不需要复杂的后处理方法来消除周期性带来的影响；提出了一种简单的后处理的方法——多次方根运算，通过多次方根运算可以改善抽样值分布的对称性，从而提高多位量化最低有效位的选取位数。

附图说明

图1为本发明提供的实施例中基于激光混沌熵源的物理随机数发生器结构示意图。

图2为本发明提供的实施例中基于激光混沌熵源的物理随机数发生方法实现流程图。

图3为本发明提供的实施例中带宽增强效果图。

图4为本发明提供的实施例中时延标签隐藏效果图。

图5为本发明提供的实施例多次方根运算对初始分布的优化效果图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，包括物理熵源和后处理单元；物理熵源包括第一信号回路和第二信号回路；第一信号回路和第二信号回路连接，第一信号回路与后处理单元连接；第一信号回路和第二信号回路均包括顺次连接的DFB激光器、光环形器、光耦合器和光电探测器，且光耦合器的输出端与光环形器的输入端连接。

上述第一信号回路中光环形器和光耦合器之间还连接有相位调制器，且光耦合器的输出端通过啁啾布拉格光栅反射后与光电探测器连接，第一信号回路中光电探测器的输出端作为物理熵源的输出端与后处理单元连接；第二信号回路还包括电子放大器，电子放大器的输入端与第二信号回路的光电探测器连接，电子放大器的输出端输出电信号作为相位调制器的驱动信号。

上述物理熵源中的DFB激光器、光环形器、光耦合器、相位调制器、啁啾布拉格光栅、光电探测器和电子放大器之间均通过光纤进行连接；第二回路中电子放大器和光电探测器通过射频线连接。两个DFB激光器的反馈回路均包括光环形器和光耦合器；上述后处理单元的功能模块包括A/D转换模块、多次方根计算模块和随机序列提取模块。

如图2所示，一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生方法，包括以下步骤：

S1、通过物理熵源产生扩频的混沌光信号；

上述步骤S1具体为：

通过第一信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生混沌激光信号，第二信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生不相关的激光混沌信号，经过第二信号回路的光电探测器的光电转换和电子放大器的放大后电域混沌信号做为第一信号回路中相位调制器的驱动信号，通过相位调制器对混沌激光信号进行相位调制，将其输出的光信号注入啁啾布拉格光栅，并反射出扩频混沌光信号。其有效带宽主要受限于啁啾布拉格光栅的滤波效应，可以通过改变啁啾布拉格光栅的参数来改变混沌光信号的有效带宽，上述变啁啾布拉格光栅的参数包括长度和啁啾系数等。

可以通过自相关函数、延时互信息和排列熵分析啁啾布拉格光栅反射出的扩频混沌光信号，验证混沌时延标签的消除性能。

对于上述啁啾布拉格光纤光栅，可以采用传输矩阵法进行分析。传输矩阵法首先将非均匀光栅等效为M段均匀光栅，然后用一个2×2的传输矩阵表征第i段光纤光栅的传输特性，把M个矩阵相乘得到整个光栅的传输方程。第i段光纤光栅的前向波和后向波的振幅可用矩阵表示为：

式中，R_i和S_i表示通过第i段光纤光栅的前向波和后向波的振幅，F_i是一个表示第i段光纤光栅传输特性的2×2的矩阵；

对于反射式光纤光栅；

式中κ、γ_B分别是在第i段均匀光栅中的常数值，γ_B是第i段光栅的长度。

整个光栅的传输方程为：

其中F＝F_M·F_M-1……F_i……F₁。

上述第一或第二回路的DFB激光器及其反馈回路构成两个外腔半导体激光器，外腔半导体激光器可用光反馈式的半导体激光器Lang—Kobayashi单模速率方程描述，即：

式中，为DFB激光器的电场速率，i为复数的虚数单位，α线宽增强因子，G(t)为光场增益，E(t)和N(t)分别是激光器腔内复电场强度和载流子密度，k为DFB激光器的反馈强度，τ为反馈延时，ω₀为DFB激光器的输出角频率，β为自发辐射因子，χ为方差为1均值为0的高斯白噪声，τ_p为光子寿命；

DFB激光器中的载流子密度N(t)公式为：

式中，q为电荷电量，V为激光器的有源区体积，τ_n为载流子寿命，I半导体激光器的泵浦电流；

非线性增益G(t)为：

其中，N₀为透明载流子密度；ε为增益压缩因子；

反馈强度k为：

其中r₀和r分别是激光器输出端面和外部反射镜面的反射率；τ_in是光在激光器谐振腔内的往返周期；

经相位调制器调制后的光信号：

式中，E_out和E_in分别是相位调制器的输出和输入信号，为相移，K_PM为调制系数，G(|E|²)为放大后的混沌电信号，E为第二信号回路产生的相位调制驱动信号，V_π为相位调制器半波电压；

S2、通过第一信号回路中的光电探测器将扩频的混沌光信号转化为混沌电信号；

S3、通过A/D转换模块对混沌电信号进行采样，并获得采样信号；

S4、对采样值进行多次方根运算，并将运算后的采样数值量化为8位二进制数据；

S5、选取8位二进制数据中的最低有效位产生最终的物理随机数序列。

上述步骤S3-S5的后处理过程中，由于物理熵源没有周期性，因此仅采用8位量化的方法提高信息的利用率，将每个采样值量化为8位二进制数，通过选取最低有效位获得最终的随机数序列，而最低有效位的选取由初始幅值分布的对称性所决定，初始分布越对称则越容易获得高的最低有效位，通过多次方根运算，以改善初始分布的对称性。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，展示了混沌激光熵源带宽增强的实现，采用频谱功率的80％作为有效带宽，一般的外腔半导体激光器的频率成分集中在驰豫振荡频率附近，有效带宽通常只有10GHz左右，本发明提出的物理随机数发生方法能够将有效带宽提高到103.5GHz，此外，有效带宽主要受限于啁啾布拉格光栅的滤波效应。因此，可以通过改变光栅的参数(如长度、啁啾系数等)来改变有效带宽。

如图4所示展示了通过本发明提供的方法实现了混沌时延标签消除的实现，采用自相关函数(ACF)、延时互信息(DMI)和排列熵(PE)来对比消除的结果，对于一般的外腔半导体激光器，在反馈延时处出现了明显峰值，这种有外腔反馈产生的延时会引入周期性，而这一周期性会遗传给提取出的随机序列，本发明提供的物理随机数发生方案，消除了外腔反馈的时延特征，并且排列熵数值的增加揭示了激光混沌熵源复杂性的提升。

如图5所示，对采样信号进行4次方根运算，改善初始分布的对称性，形成对称的类高斯分布，从而将最低的有效位选取提高到5位。最终产生的随机数的速率为A/D转换模块的采样率与最低有效位(LSB)选取位数的乘积。由于本发明提供的物理熵源为超过100GHz的高带宽激光混沌熵源，A/D转换模块的采样率可设置为200G以上，结合多位LSB最终能产生比特率达Tbps量级的物理随机数。

为了验证上述所获随机数的性能，采用随机数行业标准NIST SP800-22对其进行随机性测试，测试选用1000组1M比特的随机数样本，显著水平设置为0.01。所以当每个子测试的P值大于0.0001且样本通过率在范围内时，说明NIST SP800-22测试通过。

如表1所示，对200GS/s采样率和5位LSB条件下的随机数序列进行测试，结果能通过NIST标准测试，产生的随机数速率为1Tbps。进一步结合过采样技术，在500GS/s采样率和4位LSB条件下进行测试，结果同样能通过了NIST标准测试，产生的随机数速率达到2Tbps；

表1：NIST测试结果表

本发明的有益效果为：本发明提供的随机数发生器拥有高带宽的混沌激光熵源，能够将有效带宽提高至100GHz，并且能够利用光栅滤波效应控制混沌激光的有效带宽；消除了外腔半导体激光器由外腔反馈引起的时延特征，从而不会为产生的随机序列带来周期性，因此不需要复杂的后处理方法来消除周期性带来的影响；提出了一种简单的后处理的方法——多次方根运算，通过多次方根运算可以改善抽样值分布的对称性，从而提高多位量化最低有效位的选取位数。

Claims (8)

1.一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，其特征在于，包括物理熵源和后处理单元；

所述物理熵源包括第一信号回路和第二信号回路；

所述第一信号回路和第二信号回路连接，第一信号回路与后处理单元连接；

所述第一信号回路和第二信号回路均包括顺次连接的DFB激光器、光环形器、光耦合器和光电探测器，且光耦合器的输出端与光环形器的输入端连接；

所述第一信号回路中光环形器和光耦合器之间还连接有相位调制器，且光耦合器的输出端通过啁啾布拉格光栅反射后与光电探测器连接，所述第一信号回路中光电探测器的输出端作为物理熵源的输出端与后处理单元连接；

所述第二信号回路还包括电子放大器，所述电子放大器的输入端与所述第二信号回路的光电探测器连接，所述电子放大器的输出端输出电信号作为所述相位调制器的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，其特征在于，所述后处理单元的功能模块包括A/D转换模块、多次方根计算模块和随机序列提取模块。

3.根据权利要求1所述的基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，其特征在于，所述物理熵源中的DFB激光器、光环形器、光耦合器、相位调制器、啁啾布拉格光栅、光电探测器和电子放大器之间均通过光纤进行连接；

所述第二回路中电子放大器和光电探测器通过射频线连接。

4.根据权利要求1所述的基于激光混沌熵源的物理随机数发生器，其特征在于，两个所述DFB激光器的反馈回路均包括光环形器和光耦合器。

5.一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过物理熵源产生扩频的混沌光信号；

S2、通过第一信号回路中的光电探测器将扩频的混沌光信号转化为混沌电信号；

S3、通过A/D转换模块对混沌电信号进行采样，并获得采样信号；

S4、对采样值进行多次方根运算，并将运算后的采样值量化为8位二进制数据；

S5、选取8位二进制数据中的最低有效位产生最终的物理随机数序列。

6.根据权利要求5所述的激光混沌熵源的物理随机数发生方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

通过第一信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生激光混沌信号，第二信号回路的DFB激光器及其反馈回路产生不相关的激光混沌信号，经过第二信号回路的光电探测器的光电转换和电子放大器的放大后电域混沌信号作为第一信号回路中相位调制器的驱动信号，通过相位调制器对混沌激光信号进行相位调制，将其输出的光信号注入啁啾布拉格光栅，并反射出扩频混沌光信号。

7.根据权利要求6所述的激光混沌熵源的物理随机数发生方法，其特征在于，所述第一或第二回路的DFB激光器及其反馈回路构成两个外腔半导体激光器，

所述外腔半导体激光器可用光反馈式的半导体激光器Lang—Kobayashi单模速率方程描述，

所述Lang—Kobayashi单模速率方程为：

式中，为DFB激光器的电场速率，i为复数的虚数单位，α为线宽增强因子，G(t)为光场增益，E(t)和N(t)分别是激光器腔内复电场强度和载流子密度，k为DFB激光器的反馈强度，τ为反馈延时，ω₀为DFB激光器的输出角频率，β为自发辐射因子，χ为方差为1均值为0的高斯白噪声，τ_p为光子寿命；

所述DFB激光器中的载流子密度N(t)公式为：

式中，q为电荷电量，V为激光器的有源区体积，τ_n为载流子寿命，I为半导体激光器的泵浦电流；

所述非线性增益G(t)为：

其中，N₀为透明载流子密度；ε为增益压缩因子；

所述反馈强度k为：

其中r₀和r分别是激光器输出端面和外部反射镜面的反射率；τ_in是光在激光器谐振腔内的往返周期；

经相位调制器调制后的光信号：

式中，E_out和E_in分别是相位调制器的输出和输入信号，为相移，K_PM为调制系数，G(|E|²)为放大后的混沌电信号，E为第二信号回路产生的相位调制驱动信号，V_π为相位调制器半波电压。

8.根据权利要求7所述的基于激光混沌熵源的物理随机数发生方法，其特征在于，通过改变啁啾布拉格光栅的参数来改变混沌光信号的有效带宽，

所述变啁啾布拉格光栅的参数包括长度和啁啾系数；

通过自相关函数、延时互信息和排列熵分析啁啾布拉格光栅反射出的扩频混沌光信号。