CN110609673B - 一种基于toad环的真随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及真随机数发生器领域，具体为一种基于TOAD环的真随机数发生器。解决了现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽等技术问题。本发明所述的真随机数发生器仅使用高速D触发器结合外部时钟信号即可实现随机码的高速采样量化输出，避免了昂贵高速ADC的使用，解决了现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽的问题。所发明的真随机数产生装置基于TOAD环作为熵源，具有开关速度快，所需探测光能量低，结构紧凑，以及特有的环形结构带来的固有的稳定性等优势。本发明产生的真随机数具有随机性、不可预测性和不可复制性，可以应用在信息安全，加密算法等领域。

Description

一种基于TOAD环的真随机数发生器
技术领域
本发明涉及真随机数发生器领域，具体为一种基于TOAD环的真随机数发生器。
背景技术
随着通信技术和信息全球化的不断发展，人们对信息安全有着越来越高的要求。而在密码算法领域中，密钥的产生和管理、数字签名、保密通信、各种加密算法都需要用到随机数。在通信系统中常用的DES算法、AES算法密钥的产生和加密性很大程度取决于随机数序列的长度和随机性。所以随机数在保密通信、统计抽样、密码学、加密算法等领域都具有重要应用。
随机数可以分为二类：真随机数和伪随机数。伪随机数一般通过提供初始的种子在计算机上经过各种复杂算法的多次运行来产生，但是伪随机数具有一定的相关性，周期性，是可以被预测和复制的。而真随机数通过物理熵源的复杂、无规则现象实现的，这类随机数具有很强的随机性、不可预测、不可重现等特性。广泛应用于上述对随机数要求较高的安全领域中。
基于混沌光作为真随机数发生器的熵源，常用的随机数提取方法需要通过高速模数转换器（ADC）采样量化才可以实现随机数的高速产生。所以这些传统方法的缺点在于：产生的随机数受限于商用ADC的采样速率和位宽，不能满足现代通信需求。
发明内容
本发明为解决现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽等技术问题，提供一种基于TOAD环的真随机数发生器。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于TOAD环的真随机数发生器，包括分别注入有连续探测光的第一偏振控制器和第一半导体光放大器；还包括环形器以及TOAD环；所述TOAD环包括第一50：50耦合器、顺次连接在第一50：50耦合器两个输出端之间的第一波分复用器、光延时器、第二偏振控制器、第二半导体光放大器和第二波分复用器；第一偏振控制器的信号输出端与第一50：50耦合器的一个输入端相连接，第一半导体光放大器的信号输出端与环形器的输入端相连接，环形器的反射端与第一50：50耦合器的另一个输入端相连接，环形器的输出端连接有第二50：50耦合器；第二50：50耦合器的一个输出端通过高速光电探测器连接有D触发器的数据输入端，第二50：50耦合器的另一个输出端连接有第三50：50耦合器，第三50：50耦合器的两个输出端分别连接有第一光延时线和第二光延时线；第一波分复用器的一个输入端与第一50：50耦合器的一个输出端相连接，第一波分复用器的另一个输入端与第一光延时线的输出端相连接；第二波分复用器的一个输入端与第一50：50耦合器的另一个输出端相连接，第二波分复用器的另一个输入端与第二光延时线的输出端相连接；D触发器在外部高速时钟的触发下，其输出端口输出混沌光信号。
注入第一偏振控制器的探测光为第一外部探测光，注入第一半导体光放大器的探测光为第二外部探测光。第一外部探测光A的强度很弱，本身不会引起第一半导体光放大器的非线性变化，只探测由控制信号引起的SOA的变化。如果两路控制信号没有延时差，第一外部探测光A的CW（顺时针）和CCW（逆时针）两路信号光经过SOA将获得相同的增益，通过耦合器干涉相消，没有信号光输出。反之，如果两路控制信号存在延时差，CW和CCW经过半导体光放大器将获得不同的增益，从而产生相位差，经过第一50：50耦合器干涉输出信号光。
两路控制信号没有延时差时，第二外部探测光B,经过第二半导体光放大器的放大增益，变成高功率。同时该耦合器的输出信号分为2路，1路输出到输出端C,1路输出到环路中充当环路的控制信号。输出信号经过第三50：50耦合器等分成两路控制信号，分别经过波分复用器进入环路中，通过调节两条光延时线使两路信号光产生相位差，C端输出信号出现随机振荡，实现输出混沌光信号。
上述产生的混沌光是一种相位混沌信号，输出的混沌光信号输入到高速光电探测器在其内部将混沌光信号转换为电信号，而后 D 触发器在高速时钟控制下，不需要任何的ADC,就可以对混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。
进一步的技术特征如下：
所述C端输出信号的波长和第二外部探测光B的波长相同。
所述第一、第二外部探测光A、B,是连续且波长不相同的信号光。
所述第一、第二外部探测光A、B,功率都不超过1mW。
所述的两路光延时差小于半导体光放大器载流子的恢复时间。
本发明一种基于TOAD环真随机数发生装置和其他随机数发生装置相比有以下优势：
1、所发明的真随机数发生器仅使用高速 D 触发器结合外部时钟信号即可实现随机码的高速采样量化输出，避免了昂贵高速 ADC 的使用，解决了现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽的问题。
2、所发明的真随机数产生装置基于TOAD环作为熵源，具有开关速度快，所需探测光能量低，结构紧凑，以及特有的环形结构带来的固有的稳定性等优势。
3、本发明产生的真随机数具有随机性、不可预测性和不可复制性，可以应用在信息安全，加密算法等领域。
附图说明
图1为本发明的整体装置图。
A：第一外部探测光；1：第一偏振控制器；2：第一50：50耦合器；3：第一波分复用器；4：光延时器；5：第二偏振控制器；6：第二半导体光放大器；7: 第二波分复用器； 8：环形器；9：第一半导体光放大器；B：第二外部探测光；10：第二50：50耦合器；11：第三50：50耦合器；12：第一光延时线；13：第二光延时线；14：高速光电探测器；15：D触发器；16：高速时钟。
具体实施方式
为了使本发明的整体装置和原理叙述更加清晰，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的具体实施分为混沌光的采样和对混沌光信号的量化编码两个步骤。
1、对混沌光的采样具体步骤如下：
第一外部探测光A,经过第一偏振控制器1来控制探测光的偏振态。输入到第一50：50耦合器2平分成顺时针（CW）和逆时针（CCW）两路信号光。两个信号连接形成一个环路（TOAD环），同时该环路还包括光延时器4、第二半导体光放大器6、第二偏振控制器5、2个波分复用器3，7。由于探测信号强度很弱，经过第二半导体光放大器时，不会引起第二半导体光放大器6的非线性变化。所以CW和CCW两路信号光经过第二半导体光放大器获得相同的增益和相位变化，经历相同的放大增益两路信号光都变成高功率。然后两路信号光叠加在第一50：50耦合器2上，根据干涉相消，第一50：50耦合器2的端口没有信号输出。
第二外部探测光B,经过第一半导体光放大器9的放大增益，变成高功率。同时该耦合器的输出信号分为2路，1路输出到输出端C,1路输出到环路中充当环路的控制信号。输出信号经过第三50：50耦合器11等分成两路控制信号，分别经过波分复用器耦合3，7进入环路中。当较强的控制信号进入第二半导体光放大器时，会迅速消耗第二半导体光放大器的载流子，使载流子重新分布。如果两路控制信号的延时相同时，由于第二半导体光放大器的位置偏离中心点，所以CW和CCW通过第二半导体光放大器6时，将经历不同的增益和相位调制，使两路信号产生相位差，在第一50：50耦合器2输出为高功率。该输出信号经过环形器8进入第一半导体光放大器9大量消耗其载流子。此时通过第一半导体光放大器9的第二外部探测光B输出低功率信号。此时环路控制信号功率微弱，不足以引起第二半导体光放大器的非线性变化，重复上述过程，实现在C端输出周期信号。通过控制两路控制信号光的光延时线12，13，使两路控制信号光的延时差小于第一半导体光放大器9的恢复时间，使第一半导体光放大器不能完全恢复，实现了在C端出现随机振荡，实现输出混沌光信号。
2、对混沌光信号的量化编码实施方式如下：
如图1所示，把C端输出的混沌光信号输入到高速光电探测器14，在其内部将混沌光信号转换为电信号，而后 D 触发器15在高速时钟16控制下，不需要任何的ADC,就可以对混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。

Claims (4)

1.一种基于TOAD环的真随机数发生器，其特征在于，包括分别注入有连续探测光的第一偏振控制器（1）和第一半导体光放大器（9）；其特征在于，还包括环形器（8）以及TOAD环；所述TOAD环包括第一50：50耦合器（2）、顺次连接在第一50：50耦合器（2）两个输出端之间的第一波分复用器（3）、光延时器（4）、第二偏振控制器（5）、第二半导体光放大器（6）和第二波分复用器（7）；第一偏振控制器（1）的信号输出端与第一50：50耦合器（2）的一个输入端相连接，第一半导体光放大器（9）的信号输出端与环形器（8）的输入端相连接，环形器（8）的反射端与第一50：50耦合器（2）的另一个输入端相连接，环形器（8）的输出端连接有第二50：50耦合器（10）；第二50：50耦合器（10）的一个输出端通过高速光电探测器（14）连接有D触发器（15）的数据输入端，第二50：50耦合器（10）的另一个输出端连接有第三50：50耦合器（11），第三50：50耦合器（11）的两个输出端分别连接有第一光延时线（12）和第二光延时线（13）；第一波分复用器（3）的一个输入端与第一50：50耦合器（2）的一个输出端相连接，第一波分复用器（3）的另一个输入端与第一光延时线（12）的输出端相连接；第二波分复用器（7）的一个输入端与第一50：50耦合器（2）的另一个输出端相连接，第二波分复用器（7）的另一个输入端与第二光延时线（13）的输出端相连接；D触发器（15）在外部高速时钟（16）的触发下，其输出端口输出混沌电信号；注入第一偏振控制器（1）和第一半导体光放大器（9）的探测光是连续且波长不同的信号光。
2.如权利要求1所述的一种基于TOAD环的真随机数发生器，其特征在于，第二50：50耦合器（10）的一个输出端输出的信号与注入第一半导体光放大器（9）的探测光的波长相同。
3.如权利要求1所述的一种基于TOAD环的真随机数发生器，其特征在于，注入第一偏振控制器（1）和第一半导体光放大器（9）的探测光功率都不超过1mW，不会引起半导体光放大器的非线性变化。
4.如权利要求1所述的一种基于TOAD环的真随机数发生器，其特征在于，不需要使用任何的模/数转换就可以完成对混沌光进行采样，量化。
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