CN108874366B - 一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，包括：熵源模块和后处理模块；所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路混沌信号之间的互相关性较低；所述后处理模块用于将该两路混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数。本发明与伪随机数发生器相比，生成的随机数不具有周期性，能够生成任意长度的不可复现的随机数；相比传统的物理随机数发生器，熵源带宽较大、高达数十GHz；能够获得码率达数百Gbits/s的高速物理随机数。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器。
背景技术
随着网络技术的迅速发展和广泛应用，人类社会已迈入信息时代。信息既是时间，也是财富，是国家发展的重要战略资源。然而信息在通信网络的传输过程中，随时都可能受到非授权的访问、篡改或破坏，必须加以保护。保障信息安全的核心技术是密码技术。而在密码学领域，无论是加密技术、数字签名、身份认证还是各种安全协议等都要用到随机数，因此随机数是密码学领域的基石，随机数的质量决定了密码技术的安全性。
目前，通信网络中用到的随机数大多是由确定性随机数发生器通过复杂的数学算法运算产生，这类随机数统称为伪随机数。然而随着攻击者计算能力的快速提升和攻击手段的多样化，伪随机数正变得越来越不安全。采集大量随机数的最好方法是选取真实世界的自然随机性。基于真实世界的物理熵源获取的随机数称为物理随机数。目前基于电阻器件中的热噪声、振荡器中的频率抖动等传统物理熵源所产生的随机数码率通常只能达到Mbits/s水平，显然无法满足高速保密通信网络对随机数码率的要求。
另一方面，基于半导体激光器产生的混沌激光因具有较高的带宽和较明显的光强随机起伏，特别适合作为物理熵源，因而受到广泛关注。最初的方案是利用两个分布反馈激光器(DFBSLs)产生的两路宽带混沌激光，分别经由1bitADC采样量化后，再经过高速异或门(XOR)进行后续逻辑处理，最终得到了码率高达1.7Gbits/s的物理随机数输出。随后，一系列针对随机数熵源或随机数后续处理技术的改进方案被逐年报道。比如，有针对系统的集成化和稳定性方面的采用光子集成技术的改进方案，有采用多位ADC采样量化方案以提升随机数码率的方案，有利用环形腔光纤激光器获取具有高维混沌特性的熵源信号的方案等等。
目前基于半导体激光器(SLs)混沌熵源的随机数发生器多采用DFBSLs，很少采用垂直腔面发射激光器(VCSELs)获取混沌熵源信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混沌光注入VCSEL获取宽带混沌熵源信号来产生随机数的发生器。
一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，包括：熵源模块和后处理模块；
所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路混沌信号之间的互相关系数小于0.2；
所述后处理模块用于将该两路混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数。
进一步地，如上所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，所述熵源模块为空间型熵源模块；
所述空间型熵源模块包括：第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器，第一分束镜、第二分束镜分束镜、第三分束镜分束镜，第一中性密度衰减片、第二中性密度衰减片，第一光隔离器、第二光隔离器，第一平面反射镜、第二平面反射镜，偏振分束器：
第一垂直腔面发射激光器输出的激光经由第一分束镜后分为两路，其中一路作为反馈光、经过第一中性密度衰减片后由可调光纤布拉格光栅反射后经过第一中性密度衰减片反馈回第一垂直腔面发射激光器，使第一垂直腔面发射激光器在平行光反馈的扰动下，两偏振模式同时激射并分别以混沌光输出；另一路经第二中性密度衰减片、第一光隔离器后由第二分束镜分束镜分为两路，其中一路直接通过第三分束镜分束镜注入到第二垂直腔面发射激光器中，另一路通过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二光隔离器和第三分束镜分束镜后注入到第二垂直腔面发射激光器中，第二垂直腔面发射激光器输出的混沌光经由第二分束镜分束镜、反射后进入偏振分束器中，偏振分束器将两偏振模式分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2。
进一步地，如上所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，所述熵源模块为光纤型熵源模块；
所述光纤型熵源模块包括：第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器，第一光环形器、第二光环形器和第三光环形器，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，可调光纤布拉格光栅，第一可调衰减器、第二可调衰减器，光纤延迟线，第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器，掺饵光纤放大器，偏振分束器；
所述光纤型熵源模块中第一垂直腔面发射激光器输出的激光经由第一光环形器后通过掺饵光纤放大器放大后由光纤耦合器分为两路，其中一路作为反馈光，经过第二光环形器后由可调光纤布拉格光栅反射后经过偏第一偏振控制器、第一可调衰减器和第一光环形器后反馈回第一垂直腔面发射激光器，使第一垂直腔面发射激光器在平行光反馈的扰动下，两偏振模式同时激射并分别以混沌光输出；另一路的混沌输出经第二可调衰减器后由第二光纤耦合器分为两路，其中一路含有光纤延迟线，两路光的偏振方向分别由第二偏振控制器和第三偏振控制器控制，两路光随后通过第三光纤耦合器合并为一路再经过第三光环形器后注入到第二垂直腔面发射激光器中，通过调节第四偏振控制器使第二垂直腔面发射激光器两偏振模式的混沌输出通过偏振分束器分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2。
进一步地，如上所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，通过调节光纤布拉格光栅中心频率使两偏振模式的激射波长均处于TFBG反射谱的边带处。
进一步地，如上所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，所述后处理模块包括第一光电探测器、第二光电探测器，第一8位模数转换器、第二8位模数转换器以及用于优化随机数质量的高低位倒置处理模块、异或处理模块和截取最低有效位处理模块；
从熵源模块输出两路混沌信号经过第一光电探测器、第二光电探测器转化为电信号并分别经第一8位模数转换器和第二8位模数转换器采样量化为比特序列；其中一路比特序列经过高低位倒置处理后与另一路比特序列进行异或处理，随后生成的比特序列再经过截取最低有效位处理后即可生成高质量的随机数。
有益效果：
1、与伪随机数发生器相比，生成的随机数不具有周期性，能够生成任意长度的不可复现的随机数；
2、相比传统的物理随机数发生器，熵源带宽较大、高达数十GHz；
3、能够获得码率达数百Gbits/s的高速物理随机数。
附图说明
图1为本发明空间型熵源模块结构图；
图2为本发明光纤型熵源模块结构图；
图3为本发明后处理模块流程示意图；
图4为本发明VCSEL1两偏振模式混沌输出对应的时间序列图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图5为本发明VCSEL1两偏振模式混沌输出对应的功率谱图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图6为本发明VCSEL1两偏振模式混沌输出对应的自相关曲线图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图7为本发明VCSEL2两偏振模式混沌输出对应的功率谱图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图8为本发明VCSEL2两偏振模式混沌输出对应的自相关曲线图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图9为本发明VCSEL2两偏振模式混沌输出对应的时间序列图；其中左列对应X模式、右列对应Y模式；
图10为本发明随机数发生器给高低位倒置处理、异或处理和截取最低有效位处理的结果示意图；
图11为本发明实施例基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
众所周知，VCSELs在合适的参数条件下能同时输出两个正交的偏振分量，具有同时输出两路混沌熵源信号的能力，因此基于VCSELs的混沌熵源装置更适合诸如多路随机数产生等应用场景，大有潜力可挖。
本发明提供的一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，其分为两大模块：熵源模块和后处理模块。所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路混沌信号之间的互相关性较低；所述后处理模块用于将该两路混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数。其中，熵源模块可分为空间型熵源模块和光纤型熵源模块两种。
本发明提供的物理随机数发生器的基本原理：首先利用TFBG光反馈使VCSEL1两偏振模式共同激射出具有低时延特性的混沌激光信号，再将该混沌光信号注入到VCSEL2中，使VCSEL2两偏振模式均激射出时延特征基本被抑制、带宽明显增强的宽带混沌信号，且两偏振模式输出的混沌信号之间的互相关性较低，再通过光电探测器转换为电信号后由模数转换器采样量化得到两路初始随机序列。其中一路初始随机序列再经过高低位倒置处理后与另一路初始随机序列进行异或处理，随后输出的随机序列再进一步进行截取最低有效位处理最终得到高质量的高速随机数。
具体地，在由于光反馈会导致混沌信号中存在时延特性，这种特性会导致混沌信号中存在弱周期成分，这作为熵源来说是不利的，所以需要抑制时延特性；而混沌信号的带宽越大就越有利于提取高速随机数，所以增大带宽是获取高速随机数的渠道之一；两偏振模式生成的随机数可以通过合并技术生成更高速率的随机数，但合并后的随机数是否有足够好的质量主要取决于合并的这两路随机数的关联性，关联性越小越好，这要求两偏振模式输出的混沌信号的互相关性越低越好。
在后处理阶段，高低位倒置后异或处理能大大优化随机序列的均衡性，使随机序列中0、1的比例几无偏差。截取最低有效位处理的方法从概率分布函数的角度讲是对不同的取值区间进行合并，从而使得合并后的概率分布更趋向于均匀。这些后处理方法都是为了优化随机数的统计特性。
如图1所示，所述空间型熵源模块由第一垂直腔面发射激光器VCSEL1和第二垂直腔面发射激光器VCSEL2，第一分束镜BS1、第二分束镜BS2、第三分束镜分束镜BS3，第一中性密度衰减片NDF1、第二中性密度衰减片NDF2，第一光隔离器OI1、第二光隔离器OI2，第一平面反射镜M1、第二平面反射镜M2，偏振分束器PBS组成。
具体地，空间型熵源模块中第一垂直腔面发射激光器VCSEL1(其温度和电流分别由高精度温控源(精度±0.01k)和超低噪声电流源控制)输出的激光经由第一分束镜BS1后分为两路，其中一路作为反馈光，经过第一中性密度衰减片NDF1后由可调光纤布拉格光栅TFBG反射后经过第一分束镜BS1反馈回第一垂直腔面发射激光器VCSEL1，从而使第一垂直腔面发射激光器VCSEL1在平行光反馈的扰动下，两偏振模式(x-PC模式和y-PC模式)同时激射并分别以混沌光输出。此处需注意的是，需通过调节TFBG中心频率使两偏振模式的激射波长均处于TFBG反射谱的边带处，以抑制由光反馈引入的第一垂直腔面发射激光器VCSEL1双模混沌输出的时延特征。第一中性密度衰减片NDF1用于调节反馈光强度。如图4所示，经过适当调控系统参数，第一垂直腔面发射激光器VCSEL1能够双模共存输出带宽达9GHz以上、时延特征被抑制的混沌信号。第一垂直腔面发射激光器VCSEL1的混沌输出第二中性密度衰减片NDF2、第一光隔离器OI1后由第二分束镜分束镜BS2分为两路，其中一路直接通过第三分束镜分束镜BS3注入到VCSEL2中，另一路通过M1、M2、OI2和BS3后注入到第二垂直腔面发射激光器VCSEL2中，这两路注入光具有不同的时延。其中第二中性密度衰减片NDF2用于调节注入光强度，第一光隔离器OI1、第二光隔离器OI2用于隔离第二垂直腔面发射激光器VCSEL2的输出光使之不能沿相应光路传播。第二垂直腔面发射激光器VCSEL2在双路平行光注入下其两偏振模式均能激射以混沌光输出。第二垂直腔面发射激光器VCSEL2输出的混沌光经由第二分束镜BS2反射后进入偏振分束器PBS中。PBS将两偏振模式分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2。
如图2所示，光纤型熵源模块由第一垂直腔面发射激光器VCSEL1和第二垂直腔面发射激光器VCSEL2，第一光环形器OC1、第二光环形器OC2和第三光环形器OC3，第一光纤耦合器FC1、第二光纤耦合器FC2和第三光纤耦合器FC3，可调光纤布拉格光栅TFBG，第一可调衰减器VA1、第二可调衰减器VA2，光纤延迟线DL1，第一偏振控制PC1、第二偏振控制器PC2、第三偏振控制器PC3和第四偏振控制器PC4，掺饵光纤放大器EDFA，偏振分束器PBS组成。
光纤型熵源模块中第一垂直腔面发射激光器VCSEL1(其温度和电流分别由高精度温控源(精度±0.01k)和超低噪声电流源控制)输出的激光经由第一光环形器OC1后通过掺饵光纤放大器EDFA放大后由光纤耦合器分为两路，其中一路作为反馈光，经过第二光环形器OC2后由可调光纤布拉格光栅TFBG反射后经过第一偏振控制PC1、第一可调衰减器VA1和第一光环形器OC1后反馈回第一垂直腔面发射激光器VCSEL1，从而使第一垂直腔面发射激光器VCSEL1在平行光反馈的扰动下，两偏振模式(x-PC模式和y-PC模式)同时激射并分别以混沌光输出。此处需注意的是，需通过调节TFBG中心频率使两偏振模式的激射波长均处于TFBG反射谱的边带处，以抑制由光反馈引入的第一垂直腔面发射激光器VCSEL1双模混沌输出的时延特征。第一偏振控制PC1用于调节达到平行光反馈，第一可调衰减器VA1用于调节反馈光强度。如图2所示，经过适当调控系统参数，第一垂直腔面发射激光器VCSEL1能够双模共存输出带宽达9GHz以上、时延特征被抑制的混沌信号。第一垂直腔面发射激光器VCSEL1的混沌输出经第二可调衰减器VA2后由第二光纤耦合器FC2分为两路，其中一路含有光纤延迟线DL1，两路光的偏振方向分别由第二偏振控制器PC2和第三偏振控制器PC3控制，两路光随后通过第三光纤耦合器FC3合并为一路再经过第三光环形器OC3后注入到第二垂直腔面发射激光器VCSEL2中。其中第二垂直腔面发射激光器VCSEL2用于调节注入光强度，第二偏振控制器PC2、第三偏振控制器PC3用于调节使两支路的光均达到平行光注入。VCSEL2在双路平行光注入下其两偏振模式均能激射以混沌光输出。通过调节第四偏振控制器PC4使第二垂直腔面发射激光器VCSEL2两偏振模式的混沌输出通过偏振分束器PBS分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2。
如图3所示，后处理模块包括第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2，第一8位模数转换器ADC1、第二8位模数转换器ADC2以及用于优化随机数质量的高低位倒置处理模块、异或处理模块和截取最低有效位处理模块；
如图11所示，由光纤型熵源模块输出两路混沌信号(熵源1和熵源2)经过第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2转化为电信号并分别经第一8位模数转换器ADC1和第二8位模数转换器ADC2采样量化为比特序列(初始随机序列)。其中一路比特序列经过高低位倒置处理后与另一路比特序列进行异或处理，随后生成的比特序列再经过截取最低有效位处理后即可生成高质量的随机数。由空间型熵源模块输出的两路混沌信号其处理过程类似，此处不再赘述。
图4-6给出了VCSEL1在TFBG平行光反馈下两偏振模式输出的时间序列、功率谱和自相关曲线。可以看到此时两偏振模式均处于混沌态、带宽达9GHz以上且两偏振模式的时延特征均被抑制(时延处峰值小于0.1)。
图7-9给出了VCSEL2在平行光注入下两偏振模式输出的时间序列、功率谱和自相关曲线。可以看到此时两偏振模式均处于混沌态、带宽显著增强(高达35GHz以上)且时延特征被完全抑制。这种高带宽、无时延特征的混沌信号有利于获取高质量的随机数。
图10给出了通过8位模数转换器采样量化，每一个采样点量化为8比特数据后对应的高低位倒置处理、异或处理和截取最低有效位处理的范例。其中最低有效位处理以保留4位最低有效位为例进行说明。
考虑到混沌熵源的带宽能达到35GHz以上，可选用采样率为100GS/s的ADC进行采样量化，异或处理后的比特序列最终做保留5位最低有效位处理，则能够获得码率为100×5＝500Gbits/s的物理随机数输出。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，其特征在于，包括：熵源模块和后处理模块；
所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路宽带混沌信号之间的互相关系数小于0.2；
所述后处理模块用于将该两路宽带混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数；
所述熵源模块为空间型熵源模块；
所述空间型熵源模块包括：第一垂直腔面发射激光器(VCSEL1)和第二垂直腔面发射激光器(VCSEL2)，第一分束镜(BS1)、第二分束镜(BS2)、第三分束镜(BS3)，第一中性密度衰减片(NDF1)、第二中性密度衰减片(NDF2)，第一光隔离器(OI 1)、第二光隔离器(OI2)，第一平面反射镜(M1)、第二平面反射镜(M2)，偏振分束器(PBS)：
第一垂直腔面发射激光器(VCSEL1)输出的激光经由第一分束镜(BS1)后分为两路，其中一路作为反馈光、经过第一中性密度衰减片(NDF1)后由可调光纤布拉格光栅(TFBG)反射后经过第一中性密度衰减片(NDF1)反馈回第一垂直腔面发射激光器(VCSEL1)，使第一垂直腔面发射激光器(VCSEL1)在平行光反馈的扰动下，两偏振模式同时激射并分别以混沌光输出；另一路经第二中性密度衰减片(NDF2)、第一光隔离器(OI 1)后由第二分束镜(BS2)分为两路，其中一路直接通过第三分束镜(BS3)注入到第二垂直腔面发射激光器(VCSEL2)中，另一路通过第一平面反射镜(M1)、第二平面反射镜(M2)、第二光隔离器(OI 2)和第三分束镜(BS3)后注入到第二垂直腔面发射激光器(VCSEL2)中，第二垂直腔面发射激光器(VCSEL2)输出的混沌光经由第二分束镜(BS2)反射后进入偏振分束器(PBS)中，偏振分束器(PBS)将两偏振模式分开为两路独立输出，作为第一熵源和第二熵源；
所述后处理模块包括第一光电探测器(PD1)、第二光电探测器(PD2)，第一8位模数转换器(ADC1)、第二8位模数转换器(ADC2)以及用于优化随机数质量的高低位倒置处理模块、异或处理模块和截取最低有效位处理模块；
从熵源模块输出两路混沌信号经过第一光电探测器(PD1)、第二光电探测器(PD2)转化为电信号并分别经第一8位模数转换器(ADC1)和第二8位模数转换器(ADC2)采样量化为比特序列；其中一路比特序列经过高低位倒置处理后与另一路比特序列进行异或处理，随后生成的比特序列再经过截取最低有效位处理后即可生成高质量的随机数。
2.根据权利要求1所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，其特征在于，通过调节光纤布拉格光栅(TFBG)中心频率使两偏振模式的激射波长均处于光纤布拉格光栅(TFBG)反射谱的边带处。
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Application publication date: 20181123 Assignee: CHONGQING JIAJING ELECTRONIC EQUIPMENT Co.,Ltd. Assignor: SOUTHWEST University Contract record no.: X2024980021346 Denomination of invention: A high-speed physical random number generator based on chaotic laser entropy source Granted publication date: 20240130 License type: Common License Record date: 20241119 |