CN110795065A - 一种基于toad的全光随机数产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信息安全领域，具体为一种基于TOAD（太赫兹光非对称解复用器）的全光随机数产生装置。解决了传统随机数发生器的码率低，模数转换器件存在“电子瓶颈”的技术问题。本发明提出一种基于TOAD的全光随机数产生装置，能够解决传统随机数产生所遇到的随机数码率低、“电子瓶颈”限制等关键问题，有效提高随机数带宽，对保密通信系统等领域具有重要价值。该装置产生的混沌光信号，作为一种相位混沌信号，仅用光D触发器进行量化过程，实现全光随机数的产生。全光随机数产生装置可直接与光网络设备直接兼容，不需要添加任何额外的调制器，有效解决了现有随机数发生器应用于光通信网络所遇到的技术问题。

Description

一种基于TOAD的全光随机数产生装置
技术领域
本发明涉及信息安全领域，具体为一种基于TOAD（太赫兹光非对称解复用器）的全光随机数产生装置。
背景技术
随机数在蒙特卡洛模拟、统计抽样、储备池计算、信息安全等领域扮演重要角色。特别是在保密通信领域中，获得安全可靠的随机数（密钥），直接关系到国防安全、个人隐私等诸多方面。
目前，在信息安全领域中用到的随机数大多是伪随机数，其由一个随机种子通过复杂的数学算法运算产生。由于伪随机数具可复制性及可预测性，伪随机数变得越来越不安全。然而，真随机数具有随机性、不可预测性和不可复制性，其本质上是安全的。正因如此，真随机数在信息安全领域被广泛使用。而现实应用中，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产生的真随机数码率较低，显然无法满足高速保密通信网络对随机数码率的要求。
此外，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，特别适合作为真随机数的物理熵源，因而受到广泛关注。一般通过光电探测器将其发射的随机信号转换为电信号，利用电子模数转换器进行采样及量化后，最终产生真随机数。但该方法受“电子瓶颈”的限制，降低了有效带宽。
而太赫兹光非对称解复用器（TOAD）由于开关速度快，所需控制脉冲能量低，结构紧凑，易于集成，以及特有的环形结构带来的固有的稳定性，在全光信息处理中显示出明显的优势，有望在未来光子集成等领域中将发挥重要作用。
发明内容
本发明为解决传统随机数发生器的码率低，模数转换器件存在“电子瓶颈”的技术问题，提供一种基于TOAD的全光随机数产生装置。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于TOAD的全光随机数产生装置，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；还包括光环形器以及TOAD环（太赫兹光非对称解复用器）；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、第一光延时线、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光环形器的输入端相连接，光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，光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连接有全光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二光延时线和第三光延时线；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二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三光延时线的输出端相连接；全光D触发器在外部光时钟的触发下，其输出端口输出与光时钟速率相同的光随机码。
本发明的工作原理是利用半导体光放大器的交叉相位调制、交叉增益调制，及干涉原理实现全光随机数的产生。
在第二光延时线、第三光延时线时延差△x较大的情况下，第二半导体光放大器在环中心点位置，沿第二光延时线、第三光延时线的两路反馈光信号在不同时间经过第二半导体光放大器，且彼此的时延差为△t（△t=2△x / v g，v g为信号光在光纤环内的传输速度），从而使之前和之后通过第二半导体光放大器的光信号CW探测光和CCW探测光获得不同的相位变化，在第一50:50耦合器处进行干涉输出高功率光信号。输出信号经光环形器8至第一半导体光放大器9，大量消耗其载流子，此时，B端口输入的第二探测光信号在第一半导体光放大器9中发生交叉增益调制，经光环形器8和第二50:50耦合器后反馈一路低功率信号至第三50:50耦合器，依次循环，光D触发器输出周期性全光随机数；进一步调节第二光延时线、第三光延时线，使其时延差小于半导体光放大器载流子的恢复时间，从而导致第一50:50耦合器干涉输出的光信号作用在半导体光放大器载流子的恢复过程中，进而第二50:50耦合器输出不确定光信号，并依次重复，输出其幅值呈二值变化，相位呈混沌态的宽带光信号，输出至光D触发器数据端，经外部时钟触发输出全光随机数。
本发明提出一种基于TOAD的全光随机数产生装置，能够解决传统随机数产生所遇到的随机数码率低、“电子瓶颈”限制等关键问题，有效提高随机数带宽，对保密通信系统等领域具有重要价值。
该装置产生的混沌光信号，作为一种相位混沌信号，仅用光D触发器进行量化过程，实现全光随机数的产生。
全光随机数产生装置可直接与光网络设备直接兼容，不需要添加任何额外的调制器，有效解决了现有随机数发生器应用于光通信网络所遇到的技术问题。
附图说明
图1为一种基于TOAD的全光随机数产生装置。
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- 第一光延时线、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-光环形器、9-第一半导体光放大器、10-第二50:50耦合器、11-第三50:50耦合器、12-第二光延时线、13-第三光延时线、14-光D触发器。
图2为输入至光D触发器数据端的布尔混沌光信号。
图3为外部输入时钟频率为5GHz时的输出码型。
图4为外部输入时钟频率为10GHz时的输出码型。
具体实施方式
本发明提出一种基于TOAD的全光随机数产生装置，该装置包括：偏振控制器（PC）、50:50耦合器、波分复用器（WDM）、半导体光放大器（SOA）、光延时线（ODL）、光环形器、光D触发器。
如图1所示，具体连接方式如下：第一连续探测光由A端注入，经第一偏振控制器1，连接至第一50:50耦合器2的输入端；光信号经第一50:50耦合器2分两路输出，分别沿TOAD环顺时针（CW）和逆时针（CCW）连接至第一波分复用器3和第二波分复用器7的输入端；在TOAD环中，按照输入输出端依次连接第一波分复用器3、第一光延时线4、第二偏振控制器5、第二半导体光放大器6、第二波分复用器7；第一50:50耦合器2另一输出端连接至光环形器8的输入端；第二连续探测光由B端注入，经第一半导体光放大器9连接至光环形器8的输入端；光环形器8的输出端连接至第二50:50耦合器10的输入端；第二50:50耦合器10的输出端分两路，一路连接至第三50:50耦合器11的输入端，经第三50:50耦合器11分为两路，分别经由第二光延时线12、第三光延时线13反馈至第一波分复用器3、第二波分复用器7的另一输入端，另一路连接至光D触发器14的数据输入端，在外部光时钟的触发下，C端口输出与光时钟速率相同的光随机码。
具体工作流程如下：以功率0.5mW、波长1550nm的连续光作为第一连续探测光，由A端注入，经第一50:50耦合器2分两路，分别沿TOAD环顺时针（CW）和逆时针（CCW）传输，CW光（顺时针光）经第一波分复用器3、第一光延时线4、第二偏振控制器5、第二半导体光放大器6、第二波分复用器7回至3dB的第一50:50耦合器2；CCW光（逆时针光）经第二波分复用器7、第二半导体光放大器6第二偏振控制器5、第一光延时线4、第一波分复用器3、回至第一50:50耦合器2。由于第一50:50耦合器2、第一波分复用器3、第一光延时线4、第二偏振控制器5、第二半导体光放大器6、第二波分复用器7构成一个TOAD。在初始情况下，无高功率反馈信号通过第一波分复用器3和第二波分复用器7注入TOAD，两束探测信号经历相同的增益与相位变化，故干涉相消，输出低功率光信号，输出信号经光环形器8至第一半导体光放大器9，不消耗其载流子。与此同时，B端口输入功率0.5mW、波长1554nm的连续光作为第二连续探测光，该探测光经第一半导体光放大器9产生交叉增益调制效应，经第二50:50耦合器10输出高功率光信号。第二50:50耦合器10分两路输出，一路作为反馈信号，经第三50:50耦合器11分两路输出，分别经第二光延时线12、第三光延时线13作用于第一波分复用器3、第二波分复用器7进行波分复用反馈至TOAD；另一路光信号作为光D触发器数据端输入。
这里应指出，第二光延时线12和第三光延时线13的长度不一致。因此，两路反馈信号到达第二半导体光放大器6的时间不相同，顺、逆时针探测信号经历不同的相位差，致使第一50:50耦合器2干涉相长，输出信号经环形器8至第一半导体光放大器9，大量消耗其载流子。导致此时B端口输入的第二连续探测光信号，经第一半导体光放大器9输出低功率连续光，后经第二50:50耦合器10分为两路，其中一路连接第三50:50耦合器作为反馈，另一路连接至光D触发器14的数据输入端。
由于第二光延时线12和第三光延时线13之间的延时差小于所用SOA（第一半导体光放大器9）的载流子恢复时间，使得SOA增益恢复不完全，TOAD干涉输出非正常信号。该过程依次循环，进而第二50:50耦合器10处输出混沌光信号，如附图2所示。后经光D触发器，在外部光时钟的触发下，C端口输出与光时钟速率相同的光随机码，如附图3和附图4所示。

Claims (4)

1.一种基于TOAD的全光随机数产生装置，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，还包括光环形器（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（1）、第一光延时线（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）的信号输出端与光环形器（8）的输入端相连接，光环形器（8）的反射端与第一50:50耦合器（2）的另一个输入端相连接，光环形器（8）的输出端连接有第二50:50耦合器（10）；第二50:50耦合器（10）的一个输出端连接有全光D触发器（14）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长度不同的第二光延时线（12）和第三光延时线（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二光延时线（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三光延时线（13）的输出端相连接；全光D触发器（14）在外部光时钟的触发下，其输出端口输出与光时钟速率相同的光随机码。
2.如权利要求1所述的一种基于TOAD的全光随机数产生装置，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）的探测光波长不同。
3.如权利要求1所述的一种基于TOAD的全光随机数产生装置，其特征在于第三50:50耦合器（11）输出的两反馈回路中时延差小于第一半导体光放大器（9）载流子恢复时间。
4.如权利要求1所述的一种基于TOAD的全光随机数产生装置，其特征在于第二偏振控制器（5）的作用是调节探测光两个分量的偏振态，使其回到第一50:50耦合器（2）时能够发生干涉。
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