CN113595729A - 一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法及系统。通过在传统外腔半导体激光器中引入光电反馈环和并行滤波，同时产生多路互不相关、高带宽、功率谱平坦、以及时延标签隐藏的激光混沌信号，将其作为物理熵源并结合简单有效的后处理技术从中提取出多路高速物理随机数。本发明不仅能改善物理随机数发生器有限的熵源带宽和随机性，而且能并行产生多路互不相关的高速物理随机数，使得产生的随机数速率得到极大地提升。

Description

一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法及系统
技术领域
本发明涉及一种物理随机数产生方法，具体涉及一种基于高带宽和时延标签隐藏激光混沌熵源的多路高速随机数产生方法及系统。
技术背景
随机数作为一种不可预测、统计独立、统计均匀分布的序列，被广泛应用于数值仿真、密码学、扩频通信、保密通信系统、人工神经网络等诸多领域。尤其在信息安全领域，随机数更是扮演着极其重要的角色。在保密通信中，随机数作为密钥对明文信息进行加密和解密，从而保证传输信息的安全。信息论之父香农提出“一次一密”这种加密方式，证明了当同时保证所用密钥是完全随机的、长度不小于明文、以及一次性地使用，那么这种加密就是绝对安全的。对于当今高速发展的大容量数字通信系统，“一次一密”技术实现的关键在于实时获取高速、大量的随机数。
随机数根据产生方式划分可以分为两类：一类是基于特定算法，由初始种子迭代产生的伪随机数；另一类是基于物理随机过程产生的物理随机数。前者的非预测性差，而且存在一定的周期，其随机性不理想。相比而言，基于真实世界中随机现象产生的物理随机数更加具有非确定性，是一种趋于真随机数的随机数熵源。传统方案中，用于提取物理随机数的物理随机过程有电阻的热噪声、晶振的频率抖动、光子运动状态、元素衰变过程等，但是由以上随机过程产生的随机数受限于物理源的带宽，速率难以超过Gbps量级。
近年来，基于外腔半导体激光器的激光混沌信号因其高带宽、大幅度和类噪声振荡等特性，被用作新一代物理熵源以解决物理随机数实时生成速率不足的问题，受到了国际、国内学者的广泛关注。如图1所示，日本Uchida课题组在文献[Uchida A,Amano K,etal.“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”.Nature Photonics,2008,2(12):728-732]中，采用两个独立的混沌激光器作为物理熵源，通过1位模数转换器(ADC)采样量化与异或逻辑门(XOR)处理之后，实时产生了1.7Gb/s的物理随机数，标志着物理随机数发生器的速率可由Mb/s量级跃居到Gb/s量级。然而,经过深入研究后，学者们发现外腔半导体激光器产生的混沌激光存在两个方面缺陷，一方面外腔半导体激光器具有明显的弛豫振荡,导致混沌激光的主要能量集中于弛豫振荡频率附近,因此限制了功率谱的有效带宽和平坦度；另一方面，由于外腔谐振的存在，导致产生的混沌信号自相关曲线在外腔周期处出现明显的相关峰,这种特征被称为时延标签。这些缺陷的存在限制了激光混沌在物理随机数产生中的应用，有限的熵源带宽限制了产生的物理随机数的速率，时延标签恶化了0、1比特的随机性与均衡比,需要利用复杂的后续处理进行优化。此外，如何同时并行产生多路高速物理随机数，也是现阶段面临的一项技术难点。
发明内容
针对上述问题,本发明目的在于，设计一种激光混沌熵源，同时产生多路互不相关、高带宽、功率谱平坦和时延标签隐藏的混沌信号，在此基础上结合现有简单有效的后处理技术，从中提取出多路不相关的高速物理随机数。
为实现上述发明目的，本发明提出一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法：首先采用带光反馈结构的传统外腔半导体激光器作为初始混沌源，产生初始窄带混沌信号并输入至由相位调制器、色散模块、光耦合器、光电探测器和射频放大器构成的光电反馈环，以同时实现初始混沌信号的频谱展宽及时延标签隐藏；然后将光电反馈环的输出由光耦合器分为多路相同的光，每一路加入一个独立的可调光滤波器，并将各路中的滤波器设置为不同中心波长，从而并行产生多路不相关的混沌光信号；最后通过光电探测器和模数转换器将混沌光转换为数字信号，并结合现有简单有效的后处理技术，并行提取多路高速物理随机数。在后处理过程中，由于本发明采用的物理熵源没有时延标签引入的周期性，因此我们仅采用8比特量化的方法以提高信息利用率，该方法将每个采样值量化为8位二进制数，通过选取最低有效位获得最终的随机数序列。
同时本发明还提出一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生系统，所述系统包括初始混沌源、多路混沌信号产生模块和后处理模块。
本发明所提出的物理随机数产生方法有以下益处：(1)能同时产生多路拥有高带宽、功率谱平坦、以及时延特征隐藏的激光混沌信号，并且各路输出信号的带宽灵活可调；(2)产生的多路宽带混沌信号之间具有低相关性；(3)将产生的多路宽带混沌信号作为随机数发生器的物理熵源，能并行提取出多路速率超过百Gbps的超高速物理随机数，并且不需要复杂的后处理方法来提升其随机性。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
图2初始混沌源和多路混沌信号产生模块各路输出信号的时域波形、功率谱和自相关曲线。
图3第一路和第二路输出信号的互相关曲线；第一路和第三路输出信号的互相关曲线；以及第二路和第三路输出信号的互相关曲线。
图4随机性测试结果(NIST SP800-22)。
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，下面结合附图，对本发明的方案作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明提出的方案包括初始混沌源、多路混沌信号产生和后处理。其中初始混沌源为光反馈结构的传统外腔半导体激光器，具体包括：分布反馈(DFB)激光器、光纤耦合器(FC1)、可调光衰减器(VOA1)和光纤反射镜(M)。所述DFB激光器的输出由光纤耦合器FC1分为两路，其中一路连接可调光衰减器VOA1和光纤反射镜M，形成反馈光回路；另一路光信号作为初始混沌源的输出信号，注入至多路混沌信号产生模块。
所述多路混沌信号产生模块包括相位调制器(PM)、色散模块(DC)、光纤耦合器(FC2)、可调光衰减器(VOA2)、光电探测器(PD)和射频放大器 (Amp)。初始混沌源的输出光依次经过PM和DC后由FC2分为两路，其中一路依次经过VOA2、PD和Amp后作为PM的驱动信号；另一路由FC3分为相同的3路，然后分别经过3个独立的可调光滤波器OTF1、OTF2和OTF3，并行输出3路独立的混沌信号，作为提取随机数的物理熵源注入至后处理单元。所述可调光滤波器的中心波长分别设置为不同值。
所述后处理单元包括模数转换器(ADC)和随机数提取模块。其中ADC将产生的多路混沌信号采样并转换为数字信号，随机数提取模块将采样值量化为8 位二进制数，并选取4位最低有效位(LSB)得到最终的随机数序列。
所述相位调制器为电光相位调制器或马赫-曾德尔(MZ)调制器，所述色散模块为单模光纤、色散补偿光纤或色散光栅。所述色散模块可以替换为延时干涉仪和Sagnac干涉仪。
图2展示了初始混沌源的输出信号和多路混沌信号产生模块的3路输出信号的时域波形、功率谱和自相关曲线。我们采用频谱能量的80％作为有效带宽来衡量带宽性能。如图2(a)所示，由传统光反馈结构产生的初始混沌信号，一方面，其主要的频率成分集中在弛豫震荡频率附近，经计算有效带宽只有6.5GHz；另一方面，其自相关曲线在反馈延时对应的位置存在有明显的相关峰(TDS)，这种时延特征将影响产生物理随机数的随机性。相比而言，由本发明所提出方案产生的3路混沌信号，不仅功率谱明显被展宽且非常平坦，经计算有效带宽由 6.5GHz提升至13.8GHz，而且在相位调制和色散非线性效应的共同作用下，反馈延时处的时延特征也被有效消除，在自相关曲线上看不到明显的相关峰。此外，该方案产生的多路混沌信号的带宽灵活可调，可以通过改变可调光滤波器的带宽进行调节。
图3展示了本发明所提出方案产生的多路混沌信号之间的相关性，从左到右分别为第一路和第二路输出信号、第一路和第三路输出信号、以及第二路和第三路输出信号的互相关曲线。通常采用自相关曲线在零延时处的数值，即互相关系数作为衡量相关性的指标，经计算这3路信号之间的互相关系数分别为0.18、0.09 和0.12，相关系数低于0.2表明了它们之间具有很低的相关性。
如图4所示，为了验证所获随机数的性能，我们采用随机数行业测试标准NISTSP800-22对其进行了随机性测试，该测试包含15个子测试项，如果对应项的显著水平P-value和比例Proportion均通过测试，则在结果Result中显示 Success，当15个子项都通过时表明随机性测试通过。我们对100GS/s采样率和 4位LSB条件下的100组1Mb随机数序列进行测试，该条件下3路随机数的生成速率均为400GS/s。结果显示，由3路混沌熵源产生的高速随机数均能通过随机性标准测试。
综上所述，本发明所提出的物理随机数产生方案有以下益处：(1)能同时产生多路拥有高带宽、功率谱平坦、以及时延特征隐藏的激光混沌信号，并且各路输出信号的带宽灵活可调；(2)产生的多路宽带混沌信号之间具有低相关性； (3)将产生的多路宽带混沌信号作为随机数发生器的物理熵源，能并行提取出多路速率超过百Gbps的超高速物理随机数，并且不需要复杂的后处理方法来提升其随机性。此外，本发明所提出的多路宽带混沌信号产生方案，还能应用于保密通信中，以提高传统混沌光通信的传输速率和混沌载波的安全性；采用该宽带混沌信号还能提升混沌激光雷达探测的距离分辨率，同时时延特征的消除提高了雷达系统的安全性与抗干扰能力。

Claims (7)

1.一种基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法，其特征在于，采用带光反馈结构的传统外腔半导体激光器作为初始混沌源，产生所述初始窄带混沌信号并输入至由相位调制器、色散模块、光耦合器、光电探测器和射频放大器构成的光电反馈环，以同时实现初始混沌信号的频谱展宽及时延标签隐藏；然后将光电反馈环的输出由光耦合器分为多路相同的光，每一路加入一个独立的可调光滤波器，并将各路中的滤波器设置为不同中心波长，从而并行产生多路不相关的混沌光信号；最后通过光电探测器和模数转换器将混沌光转换为数字信号，并结合现有简单有效的后处理技术，并行提取多路高速物理随机数。
2.根据权利要求1所述的一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，其特征在于，所述初始混沌源为带光反馈结构的传统外腔半导体激光器，具体包括：分布反馈(DFB)激光器、光纤耦合器(FC1)、可调光衰减器(VOA1)和光纤反射镜(M)；所述DFB激光器的输出由光纤耦合器FC1分为两路，其中一路连接可调光衰减器VOA1和光纤反射镜M，形成反馈光回路；另一路光信号作为初始混沌源的输出信号，注入至多路混沌信号产生模块。
3.根据权利要求1所述的一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，其特征在于，所述多路混沌信号产生模块包括相位调制器(PM)、色散模块(DC)、光纤耦合器(FC2)、可调光衰减器(VOA2)、光电探测器(PD)和射频放大器(Amp)；初始混沌源的输出光依次经过PM和DC后由FC2分为两路，其中一路依次经过VOA2、PD和Amp后作为PM的驱动信号；另一路由光纤耦合器(FC3)分为相同的3路，然后分别经过3个独立的可调光滤波器OTF1、OTF2和OTF3，并行输出3路独立的混沌信号，作为提取随机数的物理熵源注入至后处理单元；所述可调光滤波器的中心波长分别设置为不同值。
4.根据权利要求1所述的一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，其特征在于，所述后处理单元包括模数转换器(ADC)和随机数提取模块；其中ADC将产生的多路混沌信号采样并转换为数字信号，随机数提取模块将采样值量化为8位二进制数，并选取4位最低有效位(LSB)得到最终的随机数序列。
5.根据权利要求1所述的一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，其特征在于，所述相位调制器为电光相位调制器或马赫-曾德尔(MZ)调制器，所述色散模块为单模光纤、色散补偿光纤或色散光栅。
6.根据权利要求1所述的一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，其特征在于，所述色散模块可以替换为延时干涉仪或Sagnac干涉仪。
7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的基于宽带激光混沌源的多路物理随机数产生方法的多路物理随机数产生系统，其特征在于，所述系统包括初始混沌源、多路混沌信号产生模块和后处理模块。
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