CN211015472U - 一种随机数产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种随机数产生装置，包括第一垂直腔面发射激光器VCSEL1和第二垂直腔面激光发生器VCSEL2。第一双光反馈结构的反馈信号和经过相同处理的第二垂直腔面激光发生器VCSEL2的信号平行注入至第一垂直腔面发射激光器VCSEL1中，使得第一垂直腔面发射激光器VCSEL1的两偏振模式均以混沌光输出，输出经过可调衰减器和偏振控制器后，由偏振分束器分为两路独立输出，对第二垂直腔面激光发生器VCSEL2进行相同处理能够得到四路独立随机数序列输出。本实用新型通过混沌光互注入，能够获得多路宽带混沌熵源信号，且系统性能优良。

Description

一种随机数产生装置

技术领域

本实用新型涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种随机数产生装置。

背景技术

随机数在科学计算、身份识别、信息安全等领域有着广泛而重要的应用。特别是在保密通信中，随机数用于生成密钥对明文信息进行加密，其可靠性关系到国家安全、商业金融、个人隐私等诸多方面。在基于混沌激光熵源产生随机数方面，目前常用边发射半导体激光器(DFB-SLs)来产生混沌光输出，而基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)的研究相对较为薄弱。VCSELs结构特性使其具有一系列独特的优势，如：(1)有源区体积小，光腔长度短；(2)出射光的方向和衬底表面垂直，使其易于实现横向光场的限制，为高密度二维阵列的制作提供了便利；(3)由于在垂直于衬底表面的方向上可并行放置多个激光器，所以使得VCSELs很适合运用于并行光传输和并行光互联的领域；(4)出射光束为圆形，发散角小，使其易于与光纤以及其他光学元件耦合，大大提升了耦合率；(5)由于VCSELs能与发光二极管很好的兼容，所以在制造工艺上大大地降低了其制造成本。特别值得注意的是VCSEL在较为合适的工作条件下能够同时输出两个正交的偏振分量，理论上这两个偏振分量均处于混沌振荡时，每一个偏振分量输出的混沌信号均可作为熵源来获取物理随机数，从而可以构建产生多路路随机数的系统。而当前，基于VCSELs中两偏振分量的混沌输出获取双路PRNs的方案还很少，其在随机数领域的应用仍具有诱人的前景。常见的基于光注入SL或互耦SLs系统获取的混沌熵源信号通常含有较为明显的时延特征(TDS)，即混沌信号含有弱周期振荡成分，因此需要尽可能抑制时延特征以提高熵源信号质量。此外，近年来，基于半导体激光器(SL)的激光混沌作为熵源来获取随机数的研究已经取得了很大的进展，但大部分研究成果都是基于边发射半导体激光器(EESLs)的混沌输出作为熵源获取随机数，而EESLs一般只有一个偏振模式激射，因此只能产生单路熵源，不利于并行产生多路随机数。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够产生多路高速物理随机数的产生装置。

一种随机数产生装置，包括第一垂直腔面发射激光器VCSEL1和第二垂直腔面激光发生器VCSEL2；

从所述第一垂直腔面发射激光器VCSEL1输出的激光依次经过光纤耦合器FC1、光纤耦合器FC3后分为两部分，一部分经过第一双光反馈结构后，反馈回第一垂直腔面激光发生器VCSEL1；另一部分经过可调衰减器VA2、光纤耦合器FC4后再次被分为两部分，一部分经过第二偏振控制器PC2调节偏振方向后，由偏振分束器PBS1分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2；另一部分经偏振控制器PC3调节偏振方向后，注入至第二垂直腔面激光发生器VCSEL2中，使VCSEL2在平行光注入的扰动下，X-PC偏振模式和Y-PC偏振模式同时激射并分别以混沌光输出；

从所述第二垂直腔面激光发生器VCSEL2输出的混沌光经光纤耦合器FC2分为两部分，一部分被光隔离器OI1隔离，另一部分由光纤耦合器FC5分为两部分，一部分经过与所述第一双光反馈结构结构相同的第二双光反馈结构后，反馈回第二垂直腔面激光发生器VCSEL2；另一部分经过可调衰减器VA4、光纤耦合器FC6后再次被分为两部分，一部分经过偏振控制器PC5调节偏振方向后，由偏振分束器PBS2分开为两路独立输出，作为熵源3和熵源4；另一部分由偏振控制器PC6调节偏振方向后，注入至第一垂直腔面激光发生器VCSEL1中,第一垂直腔面激光发生器VCSEL1输出的激光被光纤耦合器FC1分出的另一部分被光隔离器OI2隔离。

进一步地，如上所述的随机数产生装置，对于反馈时间，存在以下条件：

另一个外腔的反馈时间

其中，τ₁为一个双光反馈结构的外腔的反馈时间，τ₂为另一个双光反馈结构的外腔的反馈时间，τ_RO＝2π(2κγ_e(μ-1))^-1/2为激光器的驰豫振荡周期，κ代表光场衰减率，γ_e代表总的载流子衰减率。

进一步地，如上所述的随机数产生装置，所述第一双光反馈结构包括：光环行器OC1、掺铒光纤放大器EDFA1、两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第一光反馈系统、偏振控制器PC1、可调衰减器VA1；

从光纤耦合器FC3分出的一部分激光依次经过光环行器OC1、掺铒光纤放大器EDFA1放大后，通过所述两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的光反馈系统，后通过偏振控制器PC1、可调衰减器VA1和光环行器OC1后，反馈回第一垂直腔面激光发生器VCSEL1；

所述第二双光反馈结构包括：光环行器OC4、掺铒光纤放大器EDFA2、两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第二光反馈系统、偏振控制器PC4、可调衰减器VA3；

从光纤耦合器FC5分出的一部分激光依次经过光环行器OC4、掺铒光纤放大器EDFA2放大后，通过所述两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第二光反馈系统，后通过偏振控制器PC4、可调衰减器VA3和光环行器OC4后，反馈回第二垂直腔面激光发生器VCSEL2。

进一步地，如上所述的随机数产生装置，所述第一垂直腔面激光发生器VCSEL1输出的熵源1、熵源2、所述第二垂直腔面激光发生器VCSEL2输出的熵源3、熵源4作为数据采集模块的通道CH1、通道CH2、通道CH3、通道CH4，经过任一的排列组合后，能够产生多路随机数序列。

进一步地，如上所述的随机数产生装置，还包括后处理模块，所述后处理模块包括：示波器OSC、延时器、减法器、模数转换器、LSBs截取模块、异或运算模块；

由所述数据采集模块得到的多路随机数序列经过示波器OSC后，由示波器所得的电信号被分为两部分，其中一部分经过时间T的延迟处理，原始数据减去延迟数据得到差异数据，然后将差异数据经过8位模数转换器采样量化为比特序列，最后将比特序列进行最低有效位截取和异或处理生成随机数。

本实用新型垂直腔面激光发生器VCSELs在合适的外部扰动下，两个正交的偏振分量均可输出混沌信号，因而可以同时提取两路混沌信号作为熵源来并行产生随机数。本实用新型采用两个垂直腔面激光发生器互耦结构输出混沌信号，能够产生四路混沌输出，而四路混沌输出经过适当处理后，能够得到多路随机数序列。

有益效果：

一、系统性能优良，结构对称。

具体地，首先，本实用新型的反馈结构采用外腔反馈结构，该结构设计较为简单，易于实现，且容易产生混沌振荡；本实用新型采用VCSELs混沌光互注入，通过调节两激光器的频率失谐，能够展宽熵源带宽，提高熵源质量；其次，本实用新型基于啁啾光纤布拉格光栅组成反馈回路，能够有效抑制混沌激光的时延特性；而且，本实用新型采用的后处理法同样能够抑制输出混沌信号的时延特性，获得高速物理随机数。

二、通过混沌光互注入，能够获得多路宽带混沌熵源信号。

具体地，本实用新型通过混沌光互注入，使得垂直腔面激光发生器1、2的两偏振模式均能够以混沌光输出，做为混沌熵源获得随机数。混沌光互注入系统在适当参量条件下，能够展宽混沌光带宽，提高熵源质量。

三、能够并行输出多路随机数。

具体地，本实用新型设计为互耦系统，采用对称结构有助于两VCSEL均输出动态特性相似的混沌信号，即无论带宽还是时延特征都比较近似的混沌信号，这样采用这些性质相似的混沌信号作为熵源有助于后续随机数的产生。

附图说明

图1为本实用新型光纤型熵源模块结构图；

图2(a)为数据采集模块结构图一；

图2(b)为数据采集模块结构图二；

图2(c)为数据采集模块结构图三；

图2(d)为数据采集模块结构图四；

图2(e)为数据采集模块结构图五；

图2(f)为数据采集模块结构图六；

图2(g)为数据采集模块结构图七；

图2(h)为数据采集模块结构图八；

图2(i)为数据采集模块结构图九；

图2(j)为数据采集模块结构图十；

图3为后处理模块流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1所示的是本实用新型实施例提供的光纤型熵源模块结构图，如图1所示，第一垂直腔面发射激光器VCSEL1输出的激光由光纤耦合器FC1分为两部分，一部分经光环行器OC1和掺铒光纤放大器EDFA1放大后，通过两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的光反馈系统，后通过偏振控制器PC1、可调衰减器VA1和光环行器OC1，构成双光反馈系统1，反馈回第一垂直腔面激光发生器VCSEL1；另一部分经过可调衰减器VA2，由光纤耦合器FC4后再次被分为两部分，一部分经过偏振控制器PC2调节偏振方向后，由偏振分束器分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2；另一部分经三偏振控制器PC3调节偏振方向后，注入至第二垂直腔面激光发生器VCSEL2中，使VCSEL2在平行光注入的扰动下，两偏振模式(X-PC模式和Y-PC模式)同时激射并分别以混沌光输出。VCSEL2输出的混沌光经光纤耦合器FC2分为两部分，一部分被光隔离器OI1隔离，另一部分由光纤耦合器FC5分为两部分，一部分经过与上述相同的双光反馈结构2，反馈回第二垂直腔面激光发生器VCSEL2；另一部分经过可调衰减器VA4，由光纤耦合器FC6后再次被分为两部分，一部分经过偏振控制器PC5调节偏振方向后，由偏振分束器分开为两路独立输出，作为熵源3和熵源4；另一部分由偏振控制器PC6调节偏振方向后，注入至第一垂直腔面激光发生器VCSEL1中。第一垂直腔面激光发生器VCSEL1输出的激光被光纤耦合器FC1分出的另一部分被光隔离器OI2隔离。所述可调衰减器VA1、可调衰减器VA3用于调节反馈强度，偏振控制器PC1、偏振控制器PC4用于调节反馈光的偏振态，偏振控制器PC3、偏振控制器PC6用于调节注入光的偏振态，使得两个激光器能够在平行光的扰动下激射输出。可调衰减器VA2、可调衰减器VA4用于调节互耦强度。

本实用新型中，反馈结构采用双外腔反馈结构。外腔反馈结构能够实现混沌态振荡，并且结构简单，易于集成，直接调制速率高。采用啁啾光纤布拉格光栅能够有效抑制反馈光的时间延迟特性。

双腔反馈相较于单腔反馈，可以使VCSELs产生更多更复杂的动态特性。双腔反馈能够提高混沌的复杂度，抑制混沌的低频起伏，使激光器能够产生更稳定的混沌输出。同时能够抑制反馈外腔的延时特性，提高混沌信号质量。外腔反馈结构简单，易于集成，直接调制速率高。外腔反馈作用相当于在自再现条件中增加一个增益因子和一个相位因子，从而改变了激光器的振荡阈值和频率，使得激光器更容易实现混沌态振荡。

优选地，当另一个外腔的反馈时间

(其中τ₁为一个外腔的反馈时间，τ_RO＝2π(2κγ_e(μ-1))^-1/2为激光器的驰豫振荡周期)时，可达到较好的外腔特征抑制效果，从而使得系统性能更加优良。

具体地，由于目前基于SLs或互耦SLs系统获取的混沌熵源信号通常含有明显的时间延迟特性(TDS)，即混沌信号含有弱周期振荡成分。因此，抑制或消除混沌激光的时延特性有助于提升熵源质量，从而有利于多比特随机数的提取，不需要复杂的后处理技术，即可获得高质量的随机数。

图2(a)-图2(j)所示的是本实用新型的数据采集模块。VCSEL1、2输出的熵源1至4(X₁、Y₁、X₂、Y₂)可作为通道1,2,3和4(CH1，CH2，CH3，CH4)；通道五(CH5)可由熵源1和熵源3组合输出，通道六(CH6)由熵源1和熵源4组合输出，通道七(CH7)由熵源2和熵源3组合输出，通道八(CH8)由熵源2和熵源4组合输出；通道九(CH9)由熵源1,2,和3组合输出，通道十(CH10)由熵源1,2,和4组合输出，通道十一(CH11)由熵源1,3,和4组合输出，通道十二(CH12)由熵源2,3,和4组合输出；通道十三(CH13)由熵源1、2、3、4共同组合输出。每组信号通过离线减法组合，如CH5的组合输出为X₁-X₂，而CH9的组合输出为X₁+Y₁-X₂，CH13的组合输出为(X₁-X₂)-(Y₁-Y₂)。VCSEL1、2输出的熵源1至4(X₁、Y₁、X₂、Y₂)通过光电探测器由光信号转化为电信号，经过上述所述组合得到各个通道的输出(减号表示减法，即X₁的信号减去X₂的信号)。

具体地，由于仅通过光电转换器将输出信号转化为电信号后就进行后处理，只能得到四路随机数序列。而经过不同的数据采集方式后，不仅能够增加随机数序列输出，还能够提高随机数质量，因此，本实用新型数据采集采用信号相减获得多路通道输出，在必要情况下，通过改变信号之间相减顺序能够得到新的通道输出。

图3所示的是本实用新型后处理模块流程示意图。由数据采集模块得到的十三个通道输出经过示波器后，由示波器所得的电信号(图中用A表示)被分为两部分，其中一部分经过时间T的延迟处理，原始数据减去延迟数据得到差异数据(图中用B表示)。然后将差异数据经过8位模数转换器采样量化为比特序列(初始随机序列)。最后将比特序列进行最低有效位(m-LSBs)截取和异或处理生成高质量的随机数。(LSBs截取和异或处理可通过FPGA芯片实现，或者在示波器中利用其CPU编程运算实现)

具体地，四路混沌输出经过图2(a)-图2(j)的数据采集和图3的后处理后，即可得到多路高速物理随机数序列。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种随机数产生装置，其特征在于，包括第一垂直腔面发射激光器VCSEL1和第二垂直腔面激光发生器VCSEL2；

从所述第一垂直腔面发射激光器VCSEL1输出的激光依次经过光纤耦合器FC1、光纤耦合器FC3后分为两部分，一部分经过第一双光反馈结构后，反馈回第一垂直腔面激光发生器VCSEL1；另一部分经过可调衰减器VA2、光纤耦合器FC4后再次被分为两部分，一部分经过第二偏振控制器PC2调节偏振方向后，由偏振分束器PBS1分开为两路独立输出，作为熵源1和熵源2；另一部分经偏振控制器PC3调节偏振方向后，注入至第二垂直腔面激光发生器VCSEL2中，使VCSEL2在平行光注入的扰动下，X-PC偏振模式和Y-PC偏振模式同时激射并分别以混沌光输出；

从所述第二垂直腔面激光发生器VCSEL2输出的混沌光经光纤耦合器FC2分为两部分，一部分被光隔离器OI1隔离，另一部分由光纤耦合器FC5分为两部分，一部分经过与所述第一双光反馈结构结构相同的第二双光反馈结构后，反馈回第二垂直腔面激光发生器VCSEL2；另一部分经过可调衰减器VA4、光纤耦合器FC6后再次被分为两部分，一部分经过偏振控制器PC5调节偏振方向后，由偏振分束器PBS2分开为两路独立输出，作为熵源3和熵源4；另一部分由偏振控制器PC6调节偏振方向后，注入至第一垂直腔面激光发生器VCSEL1中,第一垂直腔面激光发生器VCSEL1输出的激光被光纤耦合器FC1分出的另一部分被光隔离器OI2隔离。

2.根据权利要求1所述的随机数产生装置，其特征在于，对于反馈时间，存在以下条件：

另一个外腔的反馈时间

其中，τ₁为一个双光反馈结构的外腔的反馈时间，τ₂为另一个双光反馈结构的外腔的反馈时间，τ_RO＝2π(2κγ_e(μ-1))^-1/2为激光器的驰豫振荡周期，κ代表光场衰减率，γ_e代表总的载流子衰减率。

3.根据权利要求1所述的随机数产生装置，其特征在于，所述第一双光反馈结构包括：光环行器OC1、掺铒光纤放大器EDFA1、两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第一光反馈系统、偏振控制器PC1、可调衰减器VA1；

从光纤耦合器FC3分出的一部分激光依次经过光环行器OC1、掺铒光纤放大器EDFA1放大后，通过所述两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的光反馈系统，后通过偏振控制器PC1、可调衰减器VA1和光环行器OC1后，反馈回第一垂直腔面激光发生器VCSEL1；

所述第二双光反馈结构包括：光环行器OC4、掺铒光纤放大器EDFA2、两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第二光反馈系统、偏振控制器PC4、可调衰减器VA3；

从光纤耦合器FC5分出的一部分激光依次经过光环行器OC4、掺铒光纤放大器EDFA2放大后，通过所述两个由光环行器和啁啾光纤布拉格光栅组成的第二光反馈系统，后通过偏振控制器PC4、可调衰减器VA3和光环行器OC4后，反馈回第二垂直腔面激光发生器VCSEL2。

4.根据权利要求1所述的随机数产生装置，其特征在于，所述第一垂直腔面激光发生器VCSEL1输出的熵源1、熵源2、所述第二垂直腔面激光发生器VCSEL2输出的熵源3、熵源4作为数据采集模块的通道CH1、通道CH2、通道CH3、通道CH4，经过任一的排列组合后，能够产生多路随机数序列。

5.根据权利要求4所述的随机数产生装置，其特征在于，还包括后处理模块，所述后处理模块包括：示波器OSC、延时器、减法器、模数转换器、LSBs截取模块、异或运算模块；

由所述数据采集模块得到的多路随机数序列经过示波器OSC后，由示波器所得的电信号被分为两部分，其中一部分经过时间T的延迟处理，原始数据减去延迟数据得到差异数据，然后将差异数据经过8位模数转换器采样量化为比特序列，最后将比特序列进行最低有效位截取和异或处理生成随机数。

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