CN111367498B - 一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法。该发明属于光信息处理技术领域，主要应用于光通信网络。所述的方法如附图所示，包括四个半导体激光器SL，三个可调光延时线VODL，十三个光耦合器OC，六个光电探测器PD，九个光隔离器ISO，三个光衰减器ATT，三个模数转换器ADC，三个二进制加法器XOR。通过三方信息协商后，每个RBG输出的二进制序列具有真随机数的特点。本发明在保证了产生真随机数的情况下，速率高，并且鲁棒性好，可以在三个用户间产生完全同步的随机数。

Description

一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法
技术领域
一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，属于光通信技术领域，具体涉及一种三方同步随机数产生器设计方法以及三方信息协商方法。
背景技术
相比于传统的随机数产生方式，基于半导体混沌激光器的随机数产生器，在产生速率和随机性方面有很大的优势。其中高速率是随机数在光通信中的关键需求之一。研究发现，混沌激光因其高带宽的特性，基于半导体混沌激光器可以用做物理熵源，以解决物理随机数实时生成速率不足的问题。
就目前的研究进展而言，随机数产生器主要是通过固定算法来产生的伪随机数，这种伪随机数并不是真正意义上的随机数。利用混沌半导体激光器作为物理熵源，利用模数转换器ADC采样后，可以得到物理意义上的真随机数。目前的基于半导体激光器的同步随机数产生器主要集中在双方同步随机数的产生，然而在实际通信或其他数学应用中，如核物理学中，通常需要多个同步的真随机数来满足需求。
发明内容
鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种能实现三方同步的随机数产生方法。
本发明的目的是通过如下手段来实现的。
一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，包括四个半导体激光器SL，三个可调光延时线VODL，十三个光耦合器OC，六个光电探测器PD，九个光隔离器ISO，三个光衰减器ATT，三个模数转换器ADC，三个二进制加法器XOR；该方法中的每个随机数产生器的内部构造完全相同，以RBG1为例，其特征在于，公共激光器Common SL的输出端和输入端与OC1的一端相连，OC1的另一端和OC2的一端相连；OC2的另一端分别连接到ISO1输入端和ISO2的输出端；ISO2的输入端与ATT的输出端相连；ATT的输入端与ISO1的输出端连接到OC3的一端；OC3的另一端和ISO3的输入端与OC4的一端相连；SL1的输入端和输出端与OC4的另外一端相连； ISO3的输出端与OC5的输入端相连；OC5输出端的两部分分别与PD1和VODL输入端相连；VODL的输出端与PD2的输入端相连；PD1，PD2的输出端与ADC的输入端相连；ADC的两个输出与二进制加法器XOR的两个输入端相连；XOR输出端经过信息协商方法后，得到最终的同步随机数SRB。
经以上设计后，三个随机数产生器RBG1，RBG2，RBG3输出完全同步的随机数SRB。
本发明基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法和已报道的随机数产生方法相比有如下优点：高鲁棒性，在三个激光器之间存在失谐时，仍然可以在较大参数范围内达到同步；随机数的随机性能好，经过信息协商后的随机数通过了NIST的十五项测试；随机数生成速率高，可以达到10 Gb/s的随机数生成速率；利用半导体激光器在三方实现同步生成的随机数，实用性更高。
附图说明
图1为本发明装置的系统框图；图2为SL1，SL2，SL3的输出时域图，采样产生的随机数RB1，RB2，RB3，以及三个随机数序列RB1，RB2，RB3的相关函数图； 图3为进行三方信息协商的方法图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
如图1所示，本发明方案由四个半导体激光器Common SL，SL1，SL2，SL3，三个可调光延时线VODL，十三个光耦合器OC，六个光电探测器PD，九个光隔离器ISO，三个光衰减器ATT，三个模数转换器ADC，三个二进制加法器XOR组成。所述的Common SL与三个激光器SL1，SL2，SL3非对称互注入，使得所有激光器产生混沌波形；SL1，SL2，SL3的输出通过OC后分为两部分；一部分直接进入ADC采样生成二进制序列；另一部分经过VODL后再进入ADC采样生成二进制序列；将两个二进制序列通过XOR输出随机序列RB1；同样的操作下可以得到随机序列RB2，RB3，经过信息协商后，三方得到三个完全同步的随机序列SRB。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一： 四个半导体激光器的波长为1550nm，可以存在一定的参数偏差。除OC1为1×3的规格外，其余OC均为1×2的规格。VODL的调谐范围为-500ps到500ps。ADC的采样频率为10GHz。
步骤二： 调节ATT的衰减系数为0.5，Common SL的偏置电流为30mA，SL1，SL2，SL3的偏置电流为20mA，互注入强度大小为 ，测量此时SL1，SL2，SL3的波形时域图如图2（a）-（c）所示。调整合适的VODL，如50ps，经过ADC采样与XOR模二加法操作后，得到随机二进制序列RB1，RB2，RB3的输出如图2（d）-（f）所示。
步骤三： 计算随机序列之间的互相关系数。当相关系数为1时，表示两个时间序列完全相同，据此得到随机序列RB1，RB2，RB3相关性图如图2（g）-（i）所示。
步骤四：将得到的RB1，RB2，RB3进行如图3所示的信息协商步骤，选定协商矩阵大小L为15，将随机比特序列放入协商矩阵中，按行，列，斜的顺序进行二进制加法，得到行，列，斜的二进制加法和的值R，C，D，三方通过在公共信道上对比各自的R，C，D的值，从而定位到错误比特的位置，将错误位置的比特进行删除操作后，得到最终输出。
步骤五：重复步骤四直到RB1，RB2，RB3之间没有错误比特，得到最终输出SRB。
综合以上陈述，本发明具有如下特征：1). 实现三方同步随机数的产生； 2). 随机数生成速率高；3). 利用半导体激光器作为物理熵源产生随机数，随机数的随机性能好。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换（比如适当改变协商矩阵大小，改变半导体激光器参数）也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，其特征在于，包括半导体激光器CommonSL，光耦合器OC1，随机数产生器RBG，其中：一个半导体激光器CommonSL的输出端和输入端与OC1的一端相连，OC1通过同样的连接方式分别连接三个内部构造相同的随机数产生器RBG；
所述连接方式包括：光耦合器OC1的另一端和光耦合器OC2的一端相连；光耦合器OC2的两个端分别连接到光隔离器ISO1输入端和光隔离器ISO2的输出端；光隔离器ISO2的输入端与光衰减器ATT的输出端相连；光衰减器ATT的输入端与光隔离器ISO1的输出端连接到光耦合器OC3的一端；光耦合器OC3的另一端连接随机数产生器RBG；
每个所述随机数产生器RBG包括：半导体激光器SL1，可调光延时线VODL，光耦合器OC4和光耦合器OC5，光电探测器PD1和光电探测器PD2，光隔离器ISO3，一个模数转换器ADC，一个二进制加法器XOR，其中：光隔离器ISO3的输入端和光耦合器OC4的一端，与光耦合器OC3相连；半导体激光器SL1的输入端和输出端与光耦合器OC4的另外一端相连；光隔离器ISO3的输出端与光耦合器OC5的输入端相连；光耦合器OC5输出端的两部分分别与光电探测器PD1和可调光延时线VODL输入端相连；可调光延时线VODL的输出端与光电探测器PD2的输入端相连；光电探测器PD1、光电探测器PD2的输出端与模数转换器ADC的输入端相连，得到两组二进制输出；模数转换器ADC的两个输出与二进制加法器XOR的两个输入端相连，得到两个序列模二加法操作后的随机比特序列输出RB；
三个随机数产生器RBG输出的三个RB通过三方用户信息协商后，得到最终的同步随机数SRB。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，其特征在于，所述的三个ADC分别输出高度相关的随机比特序列；经过信息协商过程后，三个随机比特序列达到完全同步；通过调整ADC采样间隔，得到不同速率大小的随机数产生器。
3.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，其特征在于，利用所提出的信息协商算法，最终得到完全相同随机数。
4.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的三方同步随机数产生方法，其特征在于，随机比特产生速率达到10Gb/s。
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