CN112579044B - 一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，利用非线性光纤的非线性扰动以及光电反馈的增益转换效应，使光电反馈半导体激光器输出的相邻混沌激光脉冲时间间隔呈现出随机起伏的混沌波动状态。进一步，通过时间幅度转换器将时间间隔混沌信号的随机时间信息转化为幅度信息后，利用模数转换器即可实现超快物理随机数的实时产生。本发明利用时间幅度转换器将随机时间信息转换为幅值信息，结合1‑bit ADC进行模数转换，实现随机数产生。最终产生的随机数的码率取决于半导体激光器的弛豫振荡频率，至少可达数十GHz。

Description

一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器
技术领域
本发明涉及一种物理随机数发生器，具体为一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，属于密码学、光通信、信息安全等领域。
背景技术
随机数（亦称密钥）是信息安全的基石。在当前数字通信时代，通常采用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只有密钥不被破解，才能保证所传输信息的安全。绝对安全保密通信的实现须采用“一次一密”（One-time Pad）加密方案。该方案要求大量、安全随机数的实时、快速产生，其码率不得低于当前通信传输速率。
目前，国际上普遍采用复杂算法来实时产生快速随机数，称作‘伪’随机数发生器。但是，伪随机数具有周期性，超过一定长度，将会完全重复，导致其存在被破解的风险。因此，它不满足绝对安全通信的要求，是近年来大规模数据泄露事件频发的根源。
利用物理随机现象作为熵源（即随机信号源），结合一定的随机数提取技术，可产生真正安全的物理随机数。常规的物理随机数产品采用电阻热噪声、振荡器频率抖动、混沌电路等作为熵源。但受限于熵源带宽瓶颈，传统物理随机数发生器码率处于百Mb/s 量级，无法满足现代信息高速传输的要求。
近年来，混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机数取得了突破性进展。通过对半导体激光器引入外部扰动，如光反馈、光注入或光电反馈等，可以实现混沌激光的产生。比如：2008年，日本内田淳夫课题组在国际知名期刊Nature Photonics上首次利用混沌激光的强度信息实现了1.7 Gb/s真随机码的在线、实时产生[Nature Photoics,vol. 2, no. 12, pp. 728-732, 2008]。2017年，本课题组利用激光混沌的相位信息作为物理熵源，实现了实时速率为14 Gb/s 的物理随机数实时产生[IEEE Photonics Journal,vol. 9, no. 2, 7201412 2017 ]。
现有的基于混沌激光的随机数发生器均利用混沌激光的幅值信息或者相位信息作为物理熵源，其随机数产生的实时速率已经无法满足现在通信速率的要求。
发明内容
本发明提供了一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，为超快物理随机数行业提供一种全新的物理熵源，丰富现有的超快物理随机数发生器的实现方法，鉴于当前随机噪声源（即随机数发生器）行业标准，要求同一产品中同时具备多种形式的熵源以增强通信安全性，本申请专利技术具有极大的应用前景。
本发明提供了一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，包括：半导体激光器，半导体光放大器，非线性光纤，光电探测器，3-dB功率分配器，电放大器，时间幅度转换器以及一位模数转换器（1-bit ADC）；
其中，半导体激光器输出的激光经过半导体光放大器后输入非线性光纤，经过非线性作用以及色散作用后，输入至光电探测器，转化为电信号；电信号输出至3-dB功率分配器分为两部分，3-dB功率分配器第一输出端输出的电信号经电放大器的放大作用后，与半导体激光器的原始偏置电流叠加，在正反馈的条件下注入半导体激光器；半导体激光器因非线性光纤中的非线性效应以及正反馈对半导体激光器造成的增益转换，可输出时间间隔随机起伏的混沌脉冲信号，再次经过半导体光放大器、非线性光纤、光电探测器、3-dB功率分配器后，从3-dB功率分配器的第二输出端输出，依序经过时间幅度转换器、一位模数转换器后输出。
其中，非线性光纤是光子晶体光纤、高非线性光纤以及其它非线性较强的特种光纤中的一种，其非线性系数大于10 W-1km-1。
其中，时间幅度转换器与一位模数转换器的时钟在同一速率下工作，利用时间幅度转换器可以将时间间隔混沌信号的时间信息转化为幅度信息，经过一位模数转换器的模数转换后输出随机数序列。
区别于现有技术，本发明的基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，利用非线性光纤的非线性扰动以及光电反馈的增益转换效应，使光电反馈半导体激光器输出的相邻混沌激光脉冲时间间隔呈现出随机起伏的混沌波动状态。进一步，通过时间幅度转换器将时间间隔混沌信号的随机时间信息转化为幅度信息后，利用模数转换器即可实现超快物理随机数的实时产生。本发明利用时间幅度转换器将随机时间信息转换为幅值信息，结合1-bit ADC进行模数转换，实现随机数产生。最终产生的随机数的码率取决于半导体激光器的弛豫振荡频率，至少可达数十GHz。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器中光电反馈半导体激光输出的时间间隔混沌的时序图。
图3是本发明提供的一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器中时间幅度转换器的输出结果以及1-bit ADC量化示意图。
其中，1：半导体激光器；2：半导体光放大器；3：非线性光纤；4：光电转换器；5：3-dB功率分配器；6：电放大器；7：时间幅度转换器；8：一位模数转换器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，包括半导体激光器1，半导体光放大器2，非线性光纤3，光电探测器4，3-dB功率分配器5，电放大器6，时间幅度转换器7以及一位模数转换器8。
其中，半导体激光器1输出的激光经过半导体光放大器2后输入非线性光纤3，该激光经过各种非线性效应以及色散等作用后，经光电探测器4转化为电信号，该电信号被3-dB功率分配器5分为两部分。一部分电信号经电放大器6放大后与半导体激光器的原始偏置电流叠加，在正反馈的条件下注入半导体激光器。由于激光在非线性光纤中3的非线性效应以及正反馈对半导体激光器造成的增益转换，光电反馈半导体激光器的输出会进入混沌脉冲状态，从3-dB功率分配器的另一端口输出。在时序上，其输出的混沌脉冲不仅在幅值上随机起伏，该激光脉冲出现的时间间隔长短也呈现出随机状态，称为时间间隔混沌状态。进一步地，利用时间幅度转换器将时间间隔混沌脉冲的随机时间间隔信息转换为幅度信息，并利用一位模数转换器8对其进行模数转换，即可实现超快物理随机数的产生。
具体实施时，半导体激光器1输出的中心波长为1551.50 nm的激光，经过半导体光放大器2放大到0.5 W时输入长度1 km，非线性系数为10 W-1km-1，零色散波长为1550 nm的高非线性光纤3，由于激光器输出的中心波长位于高非线性光纤3的反常色散区，放大后的激光会在高非线性光纤3中发生一系列非线性效应以及色散作用。经非线性扰动的激光经光电探测器4转化为电信号，经3-dB功率分配器5后，50%的电信号在放大后与半导体激光器1的原始偏置电流叠加，在正反馈的条件下注入半导体激光器1。由于高非线性光纤中的非线性效应以及正反馈对半导体激光器造成的增益转换，光电反馈激光器的产生的信号从3-dB功率分配器5的另一输出端口输出。其输出的混沌脉冲不仅在幅度上随机起伏，同时可以发现混沌激光脉冲出现的时间间隔Δt也呈现出随机状态，如图2所示。进一步，利用时间幅度转换器7将混沌脉冲的随机时间间隔信息转换为幅度信息后利用1-bit ADC 8对其进行模数转换，即可实现超快物理随机数的实时产生，如图3所示。
实现上述本发明所提供的一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，其积极效果在于：
第一：利用非线性光纤的非线性扰动可以使光电反馈后产生的随机脉冲的时间间隔波动更加随机，有利于更加高质量的物理随机数产生；
第二：通过时间幅度转换器可以将随机时间间隔混沌信号提取出来，并转化为随机起伏的电平信号用于随机数产生；
第三：本发明提出利用随机时间间隔混沌作为熵源实现超快随机数产生，为现有的物理随机数发生器提供一种全新的熵源信号。
需要特别之指出的是，光电反馈半导体激光器输出的时间间隔混沌中随机脉冲出现时间间隔与光电反馈延时时间有关，其反比与延迟时间的整数倍。同时，输出的时间间隔混沌的时间间隔Δt在半导体激光器的弛豫振荡时间附近波动，因此，最终产生随机数的速率取决于半导体激光器的弛豫振荡频率，至少可达数十GHz。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，其特征在于，包括：半导体激光器，半导体光放大器，非线性光纤，光电探测器，3-dB功率分配器，电放大器，时间幅度转换器以及一位模数转换器（1-bit ADC）；
其中，半导体激光器输出的激光经过半导体光放大器后输入非线性光纤，经过非线性作用以及色散作用后，输入至光电探测器，转化为电信号；电信号输出至3-dB功率分配器分为两部分，3-dB功率分配器第一输出端输出的电信号经电放大器的放大作用后，与半导体激光器的原始偏置电流叠加，在正反馈的条件下注入半导体激光器；半导体激光器因非线性光纤中的非线性效应以及正反馈对半导体激光器造成的增益转换，可输出时间间隔随机起伏的混沌脉冲信号，再次经过半导体光放大器、非线性光纤、光电探测器、3-dB功率分配器后，从3-dB功率分配器的第二输出端输出，依序经过时间幅度转换器、一位模数转换器后输出。
2.根据权利要求1所述的基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，其特征在于，非线性光纤是光子晶体光纤、高非线性光纤以及其它非线性较强的特种光纤中的一种，其非线性系数大于10 W-1km-1。
3.根据权利要求1所述的基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，其特征在于，时间幅度转换器与一位模数转换器的时钟在同一速率下工作，利用时间幅度转换器可以将时间间隔混沌信号的时间信息转化为幅度信息，经过一位模数转换器的模数转换后输出随机数序列。
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