CN114024662B - 随机数发生器 - Google Patents

随机数发生器 Download PDF

Info

Publication number
CN114024662B
CN114024662B CN202111565961.3A CN202111565961A CN114024662B CN 114024662 B CN114024662 B CN 114024662B CN 202111565961 A CN202111565961 A CN 202111565961A CN 114024662 B CN114024662 B CN 114024662B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanolaser
signal
random number
chaotic
number generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111565961.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114024662A (zh
Inventor
穆鹏华
刘新田
房宝龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yuweng Information Technology Co ltd
Original Assignee
Yuweng Information Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yuweng Information Technology Co ltd filed Critical Yuweng Information Technology Co ltd
Priority to CN202111565961.3A priority Critical patent/CN114024662B/zh
Publication of CN114024662A publication Critical patent/CN114024662A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114024662B publication Critical patent/CN114024662B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
    • G06F7/588—Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0869—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords involving random numbers or seeds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本申请公开了一种随机数发生器。该随机数发生器包括：第一纳米激光器，用于接收反馈路径反馈的激光信号，并生成第一混沌信号；第二纳米激光器，用于接收第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，并通过第一信号处理电路将第二混沌信号处理为第一数字序列；第三纳米激光器，用于接收第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，并通过第二信号处理电路将第三混沌信号处理为第二数字序列；第三信号处理电路，分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路连接，接收第一数字序列和第二数字序列并生成随机数序列。通过本申请，解决了相关技术中混沌随机数发生器的体积大、且产生的随机数的质量低的问题。

Description

随机数发生器
技术领域
本申请涉及信息安全技术领域，具体而言，涉及一种随机数发生器。
背景技术
随着信息技术的迅速发展，信息在存储、传送、接收和处理过程中的安全问题已受到人们的广泛关注，而随机数和随机数发生器可以辅助数据加密工作，因而在信息安全系统中起着至关重要的作用。
随机数的产生方法主要有两种：一种是基于软件的方法，即采用一定的算法和种子生成伪随机码，可以快速的产生码率达数十Gbps的随机数序列，虽然成本低、易实现，但存在着被破解的风险。另一种是基于某些物理量固有的随机性来产生物理随机数，得到的随机数是毫无规律可循、无法预测、非周期的真随机数，即使窃取者获得了随机数发生器的相关参数，也无法预测之后的输出序列，保证了信息的安全性，但是，常规的物理随机数发生器受限于传统熵源的带宽，速率仅处于Mbps量级，无法满足现代高速保密通信的需求。
利用激光器产生的混沌信号具有带宽大、复杂度高、随机性强、易于实现等优点，但是，现有的混沌随机数发生器采用常规半导体激光器作为激光混沌信号熵源，例如，分布式反馈半导体激光器、垂直腔面发射激光器、环形半导体激光器、光纤激光器等，混沌随机数发生器体积较大，不利用片上集成系统的实现，且产生的混沌信号的质量难以控制，产生的随机数的质量难以得到保障。
针对相关技术中的混沌随机数发生器的体积大、且产生的随机数的质量低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请提供一种随机数发生器，以解决相关技术中混沌随机数发生器的体积大、且产生的随机数的质量低的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种随机数发生器。该随机数发生器包括：第一纳米激光器，以及第一纳米激光器发射的激光信号的反馈路径，第一纳米激光器接收反馈路径反馈的激光信号，并根据发射的激光信号和反馈的激光信号生成第一混沌信号；第二纳米激光器，以及与第二纳米激光器连接的第一信号处理电路，第二纳米激光器接收第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，第一信号处理电路将第二混沌信号处理为第一数字序列；第三纳米激光器，以及与第三纳米激光器连接的第二信号处理电路，第三纳米激光器接收第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，第二信号处理电路将第三混沌信号处理为第二数字序列；第三信号处理电路，分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路连接，接收第一数字序列和第二数字序列，并根据第一数字序列和第二数字序列生成随机数序列。
可选地，反馈路径中依次设置有第一光衰减器和反射镜，第一光衰减器反馈的信号的强度的取值范围为：35 ns-1至60 ns-1。
可选地，第二纳米激光器的输入端和第一纳米激光器的输出端之间设置有第二光衰减器，第二光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
可选地，第三纳米激光器的输入端和第一纳米激光器的输出端之间设置有第三光衰减器，第三光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
可选地，第二纳米激光器和第三纳米激光器的工作频率的差值的绝对值小于等于30GHz。
可选地，第一混沌信号的输出特性由第一纳米激光器的腔内电场确定，第一纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
Figure 826308DEST_PATH_IMAGE002
为第一纳米激光器的电场速率，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第一纳米激光器腔内复电场强度，
Figure 962891DEST_PATH_IMAGE004
为第一纳米激光器腔内载流子密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为光限制因子，
Figure 802409DEST_PATH_IMAGE006
为腔内Purcell因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为自发 辐射因子，
Figure 202297DEST_PATH_IMAGE008
为载流子寿命，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为差分增益因子，
Figure 894310DEST_PATH_IMAGE010
为透明载流子数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为增益饱和因子，
Figure 58751DEST_PATH_IMAGE012
为光子寿命，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为反馈强度，
Figure 254240DEST_PATH_IMAGE014
是反馈时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为反馈相位。
可选地，第一信号处理电路将第二混沌信号的功率处理为第一数字序列，第二混沌信号的功率由第二纳米激光器的电场速率确定，第二纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 356188DEST_PATH_IMAGE016
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为第二纳米激光器的电场速率，
Figure 502873DEST_PATH_IMAGE018
为第二纳米激光腔内复电场强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为第二纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 715680DEST_PATH_IMAGE020
为第一纳米激光器对第二纳 米激光器的注入项，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为第一纳米激光器对第二纳米激光器的注入强度，
Figure 500096DEST_PATH_IMAGE022
为第一纳米激 光器对第二纳米激光器的注入信号的相位。
可选地，第二信号处理电路将第三混沌信号的功率处理为第二数字序列，第三混沌信号的功率由第三纳米激光器的电场速率确定，第三纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
式中，
Figure 743252DEST_PATH_IMAGE024
为第三纳米激光器的电场速率，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为第三纳米激光腔内复电场强度，
Figure 409857DEST_PATH_IMAGE026
为第三纳米激光器腔内载流子密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为第一纳米激光器对第三纳 米激光器的注入项，
Figure 331414DEST_PATH_IMAGE028
为第一纳米激光器对第三纳米激光器的注入强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为第一纳米 激光器对第三纳米激光器的注入信号的相位。
可选地，第一信号处理电路包括相连接的光电转换器和模数转换器，光电转换器用于将第二混沌信号转换为电信号，模数转换器用于将电信号的功率转换为数字，得到第一数字序列。
可选地，第二信号处理电路包括相连接的光电转换器和模数转换器，光电转换器用于将第三混沌信号转换为电信号，模数转换器用于将电信号的功率信号转换为数字，得到第二数字序列。
可选地，第三信号处理电路为异或电路。
本申请的随机数发生器包括：第一纳米激光器，以及第一纳米激光器发射的激光信号的反馈路径，第一纳米激光器接收反馈路径反馈的激光信号，并根据发射的激光信号和反馈的激光信号生成第一混沌信号；第二纳米激光器，以及与第二纳米激光器连接的第一信号处理电路，第二纳米激光器接收第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，第一信号处理电路将第二混沌信号处理为第一数字序列；第三纳米激光器，以及与第三纳米激光器连接的第二信号处理电路，第三纳米激光器接收第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，第二信号处理电路将第三混沌信号处理为第二数字序列；第三信号处理电路，分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路连接，接收第一数字序列和第二数字序列，并根据第一数字序列和第二数字序列生成随机数序列，解决了相关技术中混沌随机数发生器的体积大、且产生的随机数的质量低的问题。通过第一激光器纳米激光器生成第一混沌信号，并注入第二纳米激光器和第三纳米激光器，生成第二混沌信号和第三混沌信号，并通过第二混沌信号和第三混沌信号生成随机数序列，进而达到了降低混沌随机数发生器的体积、提高产生的随机数的质量的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的随机数发生器的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第二纳米激光器的输出混沌信号自相关函数示意图；
图3是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第三纳米激光器的输出混沌信号自相关函数示意图；
图4是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第二纳米激光器的输出混沌信号排列熵示意图；
图5是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第三纳米激光器的输出混沌信号排列熵示意图；
图6是根据本申请实施例提供的随机数发生器产生的随机数序列的性能测试图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本申请的实施例，提供了一种随机数发生器。
图1是根据本申请实施例的随机数发生器的示意图。如图1所示，该随机数发生器包括：
第一纳米激光器NL1，以及第一纳米激光器NL1发射的激光信号的反馈路径，第一纳米激光器NL1接收反馈路径反馈的激光信号，并根据发射的激光信号和反馈的激光信号生成第一混沌信号。
如图1所示，可以通过光纤耦合器FC1将第一纳米激光器NL1的输出分为注入路径和反馈路径，具体地，第一纳米激光器NL1输出的信号经过第一偏振控制器PC1之后到达第一光纤耦合器FC1，此时一部分信号进入反馈路径，另外一部分信号进入注入路径，反馈路径的信号再原路返回至第一纳米激光器NL1，通过调节反馈路径的反馈强度，可以使得第一纳米激光器NL1工作在混沌状态，从而生成第一混沌信号。
第二纳米激光器NL2，以及与第二纳米激光器NL2连接的第一信号处理电路，第二纳米激光器NL2接收第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，第一信号处理电路将第二混沌信号处理为第一数字序列。
第三纳米激光器NL3，以及与第三纳米激光器NL3连接的第二信号处理电路，第三纳米激光器NL3接收第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，第二信号处理电路将第三混沌信号处理为第二数字序列。
如图1所示，可以通过光纤耦合器FC2将注入路径的输出分为第一注入路径和第二注入路径，具体地，注入路径的信号从FC1输出到光隔离器OI（光隔离器OI的作用是保证注入路径上的信号单向传输）之后，信号经过第二光纤耦合器FC2分成两部分，一部分进入第一注入路径，另外一部分进入第二注入路径，通过控制第一注入路径和第二注入路径的信号注入强度，并控制第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3的频率失谐参数，使得第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3分别输出时延隐藏、带宽增强的第二混沌信号和第三混沌信号。
进一步地，第一信号处理电路将第二混沌信号转换为电信号，并将电信号的值与设定阈值比较，得到第一数字序列，第二信号处理电路将第三混沌信号转换为电信号，并将电信号的值与设定阈值比较，得到第二数字序列。
三信号处理电路，分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路连接，接收第一数字序列和第二数字序列，并根据第一数字序列和第二数字序列生成随机数序列。
具体地，第三信号处理电路可以为异或电路，第二纳米激光器和第三纳米激光器输出的两路混沌信号经过异或操作处理，可以得到码率高、随机性强的高质量随机数序列。
需要说明的是，本实施例的随机数发生器采用的激光器均为纳米激光器，相对于普通的半导体激光器，纳米激光器的腔长为纳米量级（0~100nm），调制带宽可达100GHz，使得随机数发生器尺寸小、功耗低、易于集成，且响应速度快。
本申请实施例提供的随机数发生器，通过第一纳米激光器NL1，以及第一纳米激光器NL1发射的激光信号的反馈路径，第一纳米激光器NL1接收反馈路径反馈的激光信号，并根据发射的激光信号和反馈的激光信号生成第一混沌信号；第二纳米激光器NL2，以及与第二纳米激光器NL2连接的第一信号处理电路，第二纳米激光器NL2接收第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，第一信号处理电路将第二混沌信号处理为第一数字序列；第三纳米激光器NL3，以及与第三纳米激光器NL3连接的第二信号处理电路，第三纳米激光器NL3接收第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，第二信号处理电路将第三混沌信号处理为第二数字序列；第三信号处理电路，分别与第一信号处理电路和第二信号处理电路连接，接收第一数字序列和第二数字序列，并根据第一数字序列和第二数字序列生成随机数序列，解决了相关技术中混沌随机数发生器的体积大、且产生的随机数的质量低的问题。通过第一激光器纳米激光器生成第一混沌信号，并注入第二纳米激光器和第三纳米激光器，生成第二混沌信号和第三混沌信号，并通过第二混沌信号和第三混沌信号生成随机数序列，进而达到了降低混沌随机数发生器的体积、提高产生的随机数的质量的效果。
为了使得第一纳米激光器NL1生成第一混沌信号，可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，反馈路径中依次设置有第一光衰减器VOA1和反射镜M，第一光衰减器VOA1反馈的信号的强度的取值范围为：35 ns-1至60 ns-1。
如图1所示，反馈回路信号从第一光纤耦合器FC1输出，经过第一光衰减器VOA1和反射镜M之后，再原路返回到第一纳米激光器NL1，即由M反射回的信号依次经过第一光衰减器VOA1、第一光纤耦合器FC1、第一偏振控制器PC1之后注入到第一纳米激光器NL1。
需要说明的是，反馈回路的反馈强度太高的情况下会损坏第一纳米激光器NL1，反馈回路的反馈强度太低的情况下则无法生成混沌信号，通过控制VOA1反馈的信号的强度位于35 ns-1至60 ns-1之间，使第一纳米激光器NL1工作在混沌振荡状态，从而使得第一纳米激光器NL1输出混沌信号。
为了减少反馈路径带来的信号时延，可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第二纳米激光器的输入端和第一纳米激光器的输出端之间设置有第二光衰减器，第二光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
为了减少反馈路径带来的信号时延，可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第三纳米激光器的输入端和第一纳米激光器的输出端之间设置有第三光衰减器，第三光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
如图1所示，第一纳米激光器NL1平行注入到第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3，通过控制两个注入路径上的注入强度可以让第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3输出时延隐藏的宽带混沌信号。
具体地，第一注入路径的信号依次经过第二光衰减器VOA2、第二偏振控制器PC2之后注入到第二纳米激光器NL2中，通过控制VOA2调节第一注入路径上的注入强度大小，使得输出的信号的强度在100 ns-1至200 ns-1之间，从而保证NL2输出时延隐藏的混沌信号。
具体地，第一注入路径的信号依次经过第三光衰减器VOA3、第三偏振控制器PC3之后注入到第三纳米激光器NL3中，通过控制VOA3调节第二注入路径上的注入强度大小，使得输出的信号的强度在100 ns-1至200 ns-1之间，从而保证NL3输出时延隐藏的混沌信号。
为了提高第二混沌信号核第三混沌信号的带宽，可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3的工作频率的差值的绝对值小于等于30GHz。
具体地，除了改变第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3的信号注入强度，还可以通过改变第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3的工作温度来改变工作频率，从而调整第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3之间的频率失谐参数，使得第二纳米激光器NL2和第三纳米激光器NL3工作在高质量混沌输出状态，输出的混沌信号不仅没有明显时延特征，并且带宽大于100GHz，从而提高了产生随机数的码率和安全性，同时，参数便于调节，实现方式简单。
如图2所示，是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第二纳米激光器的输出混沌信号自相关函数示意图，如图3所示，是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第三纳米激光器的输出混沌信号自相关函数示意图，如图4所示，是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第二纳米激光器的输出混沌信号排列熵示意图，如图5所示，是根据本申请实施例提供的随机数发生器中第三纳米激光器的输出混沌信号排列熵示意图。
由图2、图3、图4和图5可看出，第二纳米激光器输出的混沌信号与第三纳米激光器输出的混沌信号的时延特征图上并没有明显的时延峰值，也就是说这两路信号的时延特征得到了很好的隐藏。即通过控制两个注入路径上的注入强度，可以保证NL2和NL3输出的信号时延特征得到有效隐藏。通过外腔反馈结构产生的混沌信号具有明显的时延特征，时延特征具有明显的周期性，会影响产生随机数的随机性，本发明提供的随机数发生器装置，消除了外腔反馈带来的时延特征，提高了随机数的性能。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第一混沌信号的输出特性由第一纳米激光器的腔内电场确定，第一纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 235917DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
Figure 210826DEST_PATH_IMAGE002
为第一纳米激光器的电场速率，
Figure 895885DEST_PATH_IMAGE003
为第一纳米激光器腔内复电场强度，
Figure 247232DEST_PATH_IMAGE004
为第一纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 773285DEST_PATH_IMAGE005
为光限制因子，
Figure 184674DEST_PATH_IMAGE006
为腔内Purcell因子，
Figure 91451DEST_PATH_IMAGE007
为自发 辐射因子，
Figure 980909DEST_PATH_IMAGE008
为载流子寿命，
Figure 922320DEST_PATH_IMAGE009
为差分增益因子，
Figure 973453DEST_PATH_IMAGE010
为透明载流子数，
Figure 600481DEST_PATH_IMAGE011
为增益饱和因子，
Figure 293631DEST_PATH_IMAGE012
为光子寿命，
Figure 89548DEST_PATH_IMAGE030
为反馈强度，
Figure 577161DEST_PATH_IMAGE014
是反馈时延，
Figure 458530DEST_PATH_IMAGE015
为反馈相位。
具体地，计算得到第一纳米激光器的电场速率之后，对第一纳米激光器的电场速率取模并求平方，得到第一混沌信号的功率。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第一信号处理电路将第二混沌信号的功率处理为第一数字序列，第二混沌信号的功率由第二纳米激光器的电场速率确定，第二纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 424212DEST_PATH_IMAGE016
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为第二纳米激光器的电场速率，
Figure 44942DEST_PATH_IMAGE018
为第二纳米激光腔内复电场强度，
Figure 969036DEST_PATH_IMAGE032
为第二纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 72121DEST_PATH_IMAGE020
为第一纳米激光器对第二纳 米激光器的注入项，
Figure 107073DEST_PATH_IMAGE021
为第一纳米激光器对第二纳米激光器的注入强度，
Figure 346425DEST_PATH_IMAGE022
为第一纳米激 光器对第二纳米激光器的注入信号的相位。
具体地，计算得到第二纳米激光器的电场速率之后，对第二纳米激光器的电场速率取模并求平方，得到第二混沌信号的功率。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第二信号处理电路将第三混沌信号的功率处理为第二数字序列，第三混沌信号的功率由第三纳米激光器的电场速率确定，第三纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 644682DEST_PATH_IMAGE023
；
式中，
Figure 999178DEST_PATH_IMAGE024
为第三纳米激光器的电场速率，
Figure 978766DEST_PATH_IMAGE025
为第三纳米激光腔内复电场强度，
Figure 338203DEST_PATH_IMAGE026
为第三纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 338520DEST_PATH_IMAGE027
为第一纳米激光器对第三纳 米激光器的注入项，
Figure 476302DEST_PATH_IMAGE028
为第一纳米激光器对第三纳米激光器的注入强度，
Figure 118636DEST_PATH_IMAGE029
为第一纳米 激光器对第三纳米激光器的注入信号的相位。
具体地，计算得到第三纳米激光器的电场速率之后，对第三纳米激光器的电场速率取模并求平方，得到第三混沌信号的功率。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第一信号处理电路包括相连接的光电转换器PD1和模数转换器ADC1，光电转换器PD1用于将第二混沌信号转换为电信号，模数转换器ADC1用于将电信号的功率转换为数字，得到第一数字序列。
具体地，在电信号的功率值大于等于阈值的情况下，模数转换器ADC1输出数字1，在电信号的功率值小于阈值的情况下，模数转换器ADC1输出数字0，从而得到第一数字序列。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第二信号处理电路包括相连接的光电转换器PD2和模数转换器ADC2，光电转换器PD2用于将第三混沌信号转换为电信号，模数转换器ADC2用于将电信号的功率信号转换为数字，得到第二数字序列。
具体地，在电信号的功率值大于等于阈值的情况下，模数转换器ADC2输出数字1，在电信号的功率值小于阈值的情况下，模数转换器ADC2输出数字0，从而得到第二数字序列。
可选地，在本申请实施例提供的随机数发生器中，第三信号处理电路为异或电路XOR。
具体地，异或电路XOR可以为进行一位异或运算的电路，也可以为进行多位异或运算的电路，通过异或电路XOR对第一数字序列和第二数字序列进行异或运算，可以得到高速随机数序列。
如图6所示，是根据本申请实施例提供的随机数发生器产生的随机数序列的性能测试图，采用点图形式印证随机数的随机性，其中黑色点表示“0”，白色点表示“1”，随机性的输出在二维平面上，通过图6可以看出，本实施例提供的随机数发生器可以随机的输出“0”和“1”，输出的随机数序列具有良好的随机性。
如表1所示，为本发明实施例中基于NIST SP 800-22的产生随机数序列的性能测试表。采用美国国家技术标准研究所提供的NIST SP 800-22标准包进行检测。共进行15项测试，对1000个1Mbit的随机数样本进行随机性测试，若p-value（P值）大于0.0001且Proportion（概率）介于[0.99-0.0094392,0.99+0.0094392]区间时，说明该项随机性测试通过。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE033
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种随机数发生器，其特征在于，包括：
第一纳米激光器，以及所述第一纳米激光器发射的激光信号的反馈路径，所述第一纳米激光器接收所述反馈路径反馈的激光信号，并根据所述发射的激光信号和所述反馈的激光信号生成第一混沌信号；
第二纳米激光器，以及与所述第二纳米激光器连接的第一信号处理电路，所述第二纳米激光器接收所述第一混沌信号中的部分信号，生成第二混沌信号，所述第一信号处理电路将所述第二混沌信号处理为第一数字序列；
第三纳米激光器，以及与所述第三纳米激光器连接的第二信号处理电路，所述第三纳米激光器接收所述第一混沌信号中的部分信号，生成第三混沌信号，所述第二信号处理电路将所述第三混沌信号处理为第二数字序列；
第三信号处理电路，分别与所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路连接，接收所述第一数字序列和所述第二数字序列，并根据所述第一数字序列和所述第二数字序列生成随机数序列。
2.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述反馈路径中依次设置有第一光衰减器和反射镜，所述第一光衰减器反馈的信号的强度的取值范围为：35 ns-1至60 ns-1。
3.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第二纳米激光器的输入端和所述第一纳米激光器的输出端之间设置有第二光衰减器，所述第二光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
4.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第三纳米激光器的输入端和所述第一纳米激光器的输出端之间设置有第三光衰减器，所述第三光衰减器输出的信号的强度的取值范围为：100 ns-1至200 ns-1。
5.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第二纳米激光器和所述第三纳米激光器的工作频率的差值的绝对值小于等于30GHz。
6.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第一混沌信号的输出特性由所述第一纳米激光器的腔内电场确定，所述第一纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 378168DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
Figure 234129DEST_PATH_IMAGE002
为所述第一纳米激光器的电场速率，
Figure 72772DEST_PATH_IMAGE003
为所述第一纳米激光器腔内复电场 强度，
Figure 432209DEST_PATH_IMAGE004
为所述第一纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 698105DEST_PATH_IMAGE005
为光限制因子，
Figure 274318DEST_PATH_IMAGE006
为腔内Purcell因 子，
Figure 916652DEST_PATH_IMAGE007
为自发辐射因子，
Figure 661754DEST_PATH_IMAGE008
为载流子寿命，
Figure 98551DEST_PATH_IMAGE009
为差分增益因子，
Figure 663525DEST_PATH_IMAGE010
为透明载流子数，
Figure 843971DEST_PATH_IMAGE011
为增益 饱和因子，
Figure 178000DEST_PATH_IMAGE012
为光子寿命，
Figure 785699DEST_PATH_IMAGE013
为反馈强度，
Figure 103548DEST_PATH_IMAGE014
是反馈时延，
Figure 323570DEST_PATH_IMAGE015
为反馈相位。
7.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第一信号处理电路将所述第二混沌信号的功率处理为第一数字序列，所述第二混沌信号的功率由所述第二纳米激光器的电场速率确定，所述第二纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 777685DEST_PATH_IMAGE016
；
式中，
Figure 556285DEST_PATH_IMAGE017
为所述第二纳米激光器的电场速率，
Figure 95851DEST_PATH_IMAGE018
为所述第二纳米激光腔内复电场强 度，
Figure 618099DEST_PATH_IMAGE019
为所述第二纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 926721DEST_PATH_IMAGE020
为所述第一纳米激光 器对所述第二纳米激光器的注入项，
Figure 876222DEST_PATH_IMAGE021
为所述第一纳米激光器对所述第二纳米激光器的 注入强度，
Figure 637505DEST_PATH_IMAGE022
为所述第一纳米激光器对所述第二纳米激光器的注入信号的相位。
8.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第二信号处理电路将所述第三混沌信号的功率处理为第二数字序列，所述第三混沌信号的功率由所述第三纳米激光器的电场速率确定，所述第三纳米激光器的电场速率由以下公式确定：
Figure 461979DEST_PATH_IMAGE023
；
式中，
Figure 625107DEST_PATH_IMAGE024
为所述第三纳米激光器的电场速率，
Figure 745510DEST_PATH_IMAGE025
为所述第三纳米激光腔内复电场强 度，
Figure 259668DEST_PATH_IMAGE026
为所述第三纳米激光器腔内载流子密度，
Figure 123719DEST_PATH_IMAGE027
为所述第一纳米激 光器对所述第三纳米激光器的注入项，
Figure 141353DEST_PATH_IMAGE028
为所述第一纳米激光器对所述第三纳米激光器 的注入强度，
Figure 432657DEST_PATH_IMAGE029
为所述第一纳米激光器对所述第三纳米激光器的注入信号的相位。
9.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第一信号处理电路包括相连接的光电转换器和模数转换器，所述光电转换器用于将所述第二混沌信号转换为电信号，所述模数转换器用于将所述电信号的功率转换为数字，得到所述第一数字序列。
10.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第二信号处理电路包括相连接的光电转换器和模数转换器，所述光电转换器用于将所述第三混沌信号转换为电信号，所述模数转换器用于将所述电信号的功率信号转换为数字，得到所述第二数字序列。
11.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第三信号处理电路为异或电路。
CN202111565961.3A 2021-12-21 2021-12-21 随机数发生器 Active CN114024662B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111565961.3A CN114024662B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 随机数发生器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111565961.3A CN114024662B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 随机数发生器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114024662A CN114024662A (zh) 2022-02-08
CN114024662B true CN114024662B (zh) 2022-05-24

Family

ID=80069319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111565961.3A Active CN114024662B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 随机数发生器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114024662B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114995788A (zh) * 2022-08-04 2022-09-02 威海天航信息技术有限公司 物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1055941A2 (en) * 1999-05-28 2000-11-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Coherent laser radar apparatus and radar/optical communication system
US6263146B1 (en) * 1998-11-12 2001-07-17 Communications Research Laboratory Ministry Of Posts And Telecommunications Apparatus for optically generating chaotic random numbers
EP1276269A2 (en) * 2001-07-10 2003-01-15 Nortel Networks Limited All optical clock recovery
EP2017980A1 (en) * 2006-05-11 2009-01-21 Hitachi Communication Technologies, Ltd. Optical electric field receiver, optical multilevel signal receiver, and optical transmission system
JP2012242603A (ja) * 2011-05-19 2012-12-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法
CN107591678A (zh) * 2017-09-08 2018-01-16 太原理工大学 一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法
CN108199259A (zh) * 2017-12-25 2018-06-22 武汉光迅科技股份有限公司 一种联合扰动式混沌激光信号发生器及其使用方法
CN108628590A (zh) * 2018-05-09 2018-10-09 电子科技大学 一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法
CN108667596A (zh) * 2018-03-21 2018-10-16 杭州电子科技大学 具有数字秘钥的时延签名隐藏电光反馈的混沌保密通信系统
CN108874366A (zh) * 2018-09-06 2018-11-23 西南大学 一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器
CN109672533A (zh) * 2019-01-28 2019-04-23 西南大学 一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置
CN110112646A (zh) * 2019-04-17 2019-08-09 电子科技大学 一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法及系统
CN110768668A (zh) * 2019-10-18 2020-02-07 广东工业大学 光子噪声信号发生器及其信号发生方法
CN111176612A (zh) * 2020-03-10 2020-05-19 西南大学 一种随机数产生装置
CN211015472U (zh) * 2020-03-10 2020-07-14 西南大学 一种随机数产生装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6822987B2 (en) * 2000-11-22 2004-11-23 Optical Communication Products, Inc. High-speed laser array driver
CN100568726C (zh) * 2007-06-08 2009-12-09 太原理工大学 一种基于混沌激光的真随机码发生器及其产生随机码的方法
CN101621287A (zh) * 2009-08-10 2010-01-06 太原理工大学 基于混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法
CN102123026A (zh) * 2011-04-12 2011-07-13 南开大学 基于混沌与超混沌的两层次视频流媒体加密方法
CN102280815B (zh) * 2011-07-16 2012-08-08 太原理工大学 一种光反馈混沌激光器
CN108139888A (zh) * 2015-07-29 2018-06-08 洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司 量子随机数生成器
CN109933302B (zh) * 2019-01-29 2021-04-20 华中科技大学 一种基于金刚石生成随机数的方法及装置

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6263146B1 (en) * 1998-11-12 2001-07-17 Communications Research Laboratory Ministry Of Posts And Telecommunications Apparatus for optically generating chaotic random numbers
EP1055941A2 (en) * 1999-05-28 2000-11-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Coherent laser radar apparatus and radar/optical communication system
EP1276269A2 (en) * 2001-07-10 2003-01-15 Nortel Networks Limited All optical clock recovery
EP2017980A1 (en) * 2006-05-11 2009-01-21 Hitachi Communication Technologies, Ltd. Optical electric field receiver, optical multilevel signal receiver, and optical transmission system
JP2012242603A (ja) * 2011-05-19 2012-12-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 高速カオス光信号生成光回路および高速カオス光信号生成方法
CN107591678A (zh) * 2017-09-08 2018-01-16 太原理工大学 一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法
CN108199259A (zh) * 2017-12-25 2018-06-22 武汉光迅科技股份有限公司 一种联合扰动式混沌激光信号发生器及其使用方法
CN108667596A (zh) * 2018-03-21 2018-10-16 杭州电子科技大学 具有数字秘钥的时延签名隐藏电光反馈的混沌保密通信系统
CN108628590A (zh) * 2018-05-09 2018-10-09 电子科技大学 一种基于激光混沌熵源的物理随机数发生器及发生方法
CN108874366A (zh) * 2018-09-06 2018-11-23 西南大学 一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器
CN109672533A (zh) * 2019-01-28 2019-04-23 西南大学 一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置
CN110112646A (zh) * 2019-04-17 2019-08-09 电子科技大学 一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法及系统
CN110768668A (zh) * 2019-10-18 2020-02-07 广东工业大学 光子噪声信号发生器及其信号发生方法
CN111176612A (zh) * 2020-03-10 2020-05-19 西南大学 一种随机数产生装置
CN211015472U (zh) * 2020-03-10 2020-07-14 西南大学 一种随机数产生装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《激光杂志》2005年第26卷总目次;《激光杂志》;20051215(第06期);全文 *
A pseudo-random sequence generation scheme based on RNS and permutation polynomials;Shang MA等;《Science China(Information Sciences)》;20180725(第08期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114024662A (zh) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Harayama et al. Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers
JP7264949B2 (ja) 量子乱数ジェネレータ
Ugajin et al. Real-time fast physical random number generator with a photonic integrated circuit
CN109830888B (zh) 一种基于硅基微腔混沌产生物理随机数装置
CN108874366B (zh) 一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器
Yamazaki et al. Performance of random number generators using noise-based superluminescent diode and chaos-based semiconductor lasers
JP6945539B2 (ja) マルチモードレーザキャビティにおける量子乱数生成のための方法
CN109240645A (zh) 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法
JP2013503374A (ja) ネットワーク分散量子乱数発生
CN209103272U (zh) 一种量子随机数发生器
CN107368284B (zh) 利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置
CN114024662B (zh) 随机数发生器
Zhao et al. Synchronized random bit sequences generation based on analog-digital hybrid electro-optic chaotic sources
Li et al. Numerical study of statistical properties for semiconductor laser chaos by exploring the injection parameter space
Xiang et al. Randomness-enhanced chaotic source with dual-path injection from a single master laser
Li et al. Statistical properties of an external-cavity semiconductor laser: Experiment and theory
Tang et al. Multi-channel physical random bits generation using a vertical-cavity surface-emitting laser under chaotic optical injection
Xiang et al. Effect of gain nonlinearity on time delay signature of chaos in external-cavity semiconductor lasers
CN108923251B (zh) 一种真随机码光子集成芯片
CN115599344A (zh) 基于放大自发辐射噪声的光电集成量子随机数发生器芯片
CN110795065B (zh) 一种基于toad的全光随机数产生装置
Lu et al. High-speed physical random number generation using self-chaotic broad-area VCSEL
Wang et al. Post-processing-free multi-bit extraction from chaotic laser diode with CFBG feedback
Wang et al. Post-processing-free 400 gb/s true random number generation using optical heterodyne chaos
Sun et al. Secure Key Distribution based on Chaos Synchronization of VCSELs and Optical Spectrum Spreading

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant