CN216286639U - 一种产生物理随机数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种产生物理随机数的装置，所述产生物理随机数的装置包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，混沌发生模块用于产生混沌激光，混沌激光经延时遮蔽模块遮掩时延特征后，进入干涉探测模块并添加相位信息，然后由模数转换模块将添加相位信息的混沌光信号转换为数字信号，经后处理模块处理后输出物理随机数。产生物理随机数的装置使用改进互耦分布式反馈激光器，消除了现有的物理随机数发生器混沌带宽低以及时延特征。

Description

一种产生物理随机数的装置

技术领域

本实用新型属于混沌加密技术领域，具体涉及一种产生物理随机数的装置，其仅为一种基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置。

背景技术

网络技术的发展提升了社会工作效率，提升社会生产力，尤其是5G时代的到来，更快的速度，更高的带宽，使人们之间的交流更加便捷且没有障碍。与信息速率提升同时而来的信息的安全性也受到了与日俱增的威胁。信息安全的加密离不开随机数，随机数分为真随机数和伪随机数。真随机数是从自然界中的物理熵源提取随机数，伪随机数是从固定的算法中提取接近于真实的随机数。从自然界的物理熵源提取的真随机数存在着速率低下的缺点，不适用于现在的大容量高速通信，所以高速的伪随机数产生方法成为研究的热点。

现在最前沿的研究集中于利用激光混沌来产生随机数，其优势在于激光产生的混沌具有高带宽的特性，可以用来解决随机数产生速率不足的问题，但是现有利用激光混沌来产生随机数的方式普遍存在时延特征，例如现有利用激光混沌来产生随机数的方式正是利用时延特征来解决随机数产生速率不足的问题。例如李念强、潘伟等人在2013年申请的专利《一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置》(专利公告号CN103455306B)通过简单的延迟反馈制造混沌随机数，有很明显的延迟特征。又如，目前普遍使用的产生激光混沌的外腔反馈激光器，其时延特征非常明显。

2005年Jon Paul等人在IEEE Photonics Technology Letters上发表“3.5-GHzSignal Transmission in an All-Optical Chaotic Communication Scheme Using1550-nm Diode Lasers”一文中证明了在引入外部反馈环路时会具有较为明显的时延特征，2006年V.S.Udaltsov等人在Bulletin of the Russian Academy of Sciences:Physics上发表了“Time delay identification in chaotic cryptosystems ruled bydelay-differential equations”证明了现有的混沌分析技术基于时延特征有重构延迟系统的可能性，并且有信息泄密的危险；更进一步地，时延特征所带来的较低带宽不利于产生超高速的随机数。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请人经过多次设计和研究，提供了一种产生物理随机数的装置，其为基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置，其解决了现有的物理随机数发生器混沌带宽低以及时延特征明显的缺点。

依据本实用新型的第一方面，提供一种产生物理随机数的装置，其包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，混沌发生模块用于产生混沌激光，混沌激光经延时遮蔽模块遮掩时延特征后，进入干涉探测模块并添加相位信息，然后由模数转换模块将添加相位信息的混沌光信号转换为数字信号，经后处理模块处理后输出物理随机数。

其中，混沌发生模块与延时遮掩模块相连，延时遮掩模块与干涉探测模块相连。干涉探测模块与模数转换模块相连，用于对混沌电信号进行采样并量化为8bit二进制数字信号；模数转换模块与后处理模块相连，将收到的8bit二进制信号相异或，取4位最低有效位作为物理随机数输出。

进一步地，延时遮蔽模块包括光隔离器、可调衰减器和啁啾布拉格光栅，可调衰减器将混沌光信号送入啁啾布拉格光栅，通过调节啁啾系数和啁啾布拉格光栅长度来达到遮蔽延时特征，提升混沌带宽的目标。

更进一步地，干涉探测模块包括马赫曾德尔干涉仪和平衡光电探测器，模数转换模块包括200MHz带宽示波器和8bit模数转换器，200MHz带宽示波器取样频率为5Gs/s，将混沌电信号抽样，随后模数转换器将抽样信号转换为8bit二进制数字信号。

依据本实用新型的第二方面，提供一种产生物理随机数的装置，其为一种基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置，产生物理随机数的装置由结构一致且由功能相同的组件构成的两条支路组成，包括上支路和下支路，上支路和下支路均包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，上支路和下支路共用同一混沌发生模块和后处理模块。

其中，混沌发生模块采用两个分布式反馈激光器互耦作为物理熵源，延时遮蔽模块使用啁啾布拉格光栅，使混沌光信号经过啁啾布拉格光栅；干涉探测模块使用马赫曾德尔干涉仪，使经啁啾布拉格光栅反射出的混沌光信号经过马赫曾德尔干涉仪添加相位信息。

优选地，混沌发生模块包括激光驱动器、温度控制器、两个激光器、偏振控制器、可调衰减器和两个光环形器，光环形器产生的光信号传输给延时遮掩模块。

更优选地，激光器为分布式反馈激光器。

与现有技术相比，本实用新型的产生物理随机数的装置具有如下优点：

1、本实用新型通过啁啾布拉格光栅调整了耦合延迟，使延迟不是固定值，并且遮掩了延时特征峰，拓宽了带宽，有利于超高速随机数的产生。

2、本实用新型通过马赫曾德尔干涉仪为信号添加相位信息，可以不用复杂的后处理，减少了电子元器件的使用，有利于超高速随机数的产生。

附图说明

图1是依据本实用新型的产生物理随机数的装置的简化结构示意图。

图2是图1所示装置的详细结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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做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。另外地，不应当将本实用新型的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

本实用新型提供一种产生物理随机数的装置，所述产生物理随机数的装置包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，混沌发生模块用于产生混沌激光，混沌激光经延时遮蔽模块遮掩时延特征后，进入干涉探测模块并添加相位信息，然后由模数转换模块将添加相位信息的混沌光信号转换为数字信号，经后处理模块处理后输出物理随机数。

其中，混沌发生模块与延时遮掩模块相连，延时遮掩模块与干涉探测模块相连。干涉探测模块与模数转换模块相连，用于对混沌电信号进行采样并量化为8bit二进制数字信号；模数转换模块与后处理模块相连，将收到的8bit二进制信号相异或，取4位最低有效位作为物理随机数输出。延时遮蔽模块包括光隔离器、可调衰减器和啁啾布拉格光栅，可调衰减器将混沌光信号送入啁啾布拉格光栅，通过调节啁啾系数和啁啾布拉格光栅长度来达到遮蔽延时特征，提升混沌带宽的目标。进一步地，干涉探测模块包括马赫曾德尔干涉仪和平衡光电探测器，模数转换模块包括200MHz带宽示波器和8bit模数转换器，200MHz带宽示波器取样频率为5Gs/s，将混沌电信号抽样，随后模数转换器将抽样信号转换为8bit二进制数字信号

进一步地，本实用新型提供一种产生物理随机数的装置，其为一种基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置，所述产生物理随机数的装置由结构一致且由功能相同的组件构成的两条支路组成，即基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置包括上支路与下支路，所述上支路包括混沌发生模块、延时遮蔽模块1、干涉探测模块1、模数转换模块1和后处理模块，下支路包括混沌发生模块、延时遮蔽模块2、干涉探测模块2、模数转换模块2和后处理模块，上支路和下支路共用同一混沌发生模块和后处理模块。下面以上支路信号流通情况为例来说明信号在上支路流通的情况，下支路信号流通情况与上支路信号流通情况相同。

具体地，所述产生物理随机数的装置包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，混沌发生模块采用两个分布式反馈激光器互耦作为物理熵源，在回路中添加啁啾布拉格光栅，使混沌信号经过啁啾布拉格光栅，在回路中添加马赫曾德尔干涉仪，使经啁啾布拉格光栅反射出的混沌光经过马赫曾德尔干涉仪。本实用新型产生物理随机数的装置能够消除常规外腔反馈带来的延时特征峰的问题，提升混沌激光的带宽，不需要很复杂的后处理方法，有利于突破电子瓶颈，提升物理随机数产生效率。

下面结合附图1和图2来说明本实用新型的产生物理随机数的装置，本实用新型基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置中的上支路包括混沌发生模块、延时遮蔽模块1、干涉探测模块1、模数转换模块1和后处理模块，其中混沌发生模块产生混沌激光，经延时遮蔽模块1遮掩时延特征后，进入干涉探测模块1添加相位信息，然后由模数转换模块1转换为数字信号，经后处理模块处理后输出随机数。本实用新型遮掩了混沌信号时延特征，提升了混沌带宽，减少了后处理过程，有利于突破电子瓶颈。

如图1所示，进一步地，上支路中混沌发生模块与延时遮掩模块1相连，用于遮掩混沌光信号的时延特征，所述延时遮掩模块1与干涉探测模块1相连，用于对遮掩时延后的混沌光信号添加相位信息，增加混乱程度且生成混沌光信号，将添加相位的混沌光信号转换为混沌电信号，进入后处理过程。所述干涉探测模块1与模数转换模块1相连，用于对混沌电信号进行采样并量化为8bit二进制数字信号。模数转换模块1与后处理模块相连，将收到的两路8bit二进制信号进行相异或处理，随后取4位最低有效位作为物理随机数输出。

如图2所示，混沌发生模块包括激光驱动器、温度控制器、两个激光器、偏振控制器、可调衰减器和两个光环形器，激光器优选分布式反馈激光器，两个激光器包括激光器1和激光器2，两个光环形器包括光环形器1和光环形器2，光环形器1产生的光信号传输给延时遮掩模块1，光环形器2产生的光信号传输给延时遮掩模块2。在本实用新型中仅仅使用同一个激光驱动器、温度控制器、偏振控制器和可调衰减器，使得混沌发生模块更简单，器件之间几乎没有延迟产生。

光环形器1通过偏振控制器和可调衰减器连接到光环形器2，光环形器1通过光纤和激光器1连接，光环形器2通过光纤和激光器2连接，进而使得上支路的激光器1和下支路的激光器2形成耦合结构；使用激光驱动器和温度控制器控制激光器1和激光器2且使得激光器1和激光器2获得稳定的输出信号。本实用新型装置创建耦合结构，偏振控制器优选使用偏振片来控制偏振态匹配，使用可调衰减器控制耦合强度，进而在激光器1和激光器2之间引入耦合延迟τ。在适当的耦合参数下会产生复杂的混沌动力学，产生混沌激光，并将混沌激光发送至延时遮蔽模块。具体地，光环形器1将混沌激光传输给延时遮掩模块1，光环形器2将混沌激光传输给延时遮掩模块2。

优选地，所述激光驱动器用于驱动分布式反馈激光器发出稳定激光，温度控制器用于控制两个激光器(激光器1和激光器2)温度恒定，防止两个激光器频率失谐。更优选地，分布式反馈激光器为分布式反馈半导体激光器。

延时遮蔽模块1用于遮蔽延时特征提升混沌带宽，上支路的延时遮蔽模块1在接收到混沌发生模块发出的混沌激光后，通过光隔离器1和可调衰减器1，进入啁啾布拉格光栅1，反射出的混沌光进入干涉探测模块1。

干涉探测模块1用于混沌信号添加相位信息，干涉探测模块1包括马赫曾德尔干涉仪1和平衡光电探测器1，马赫曾德尔干涉仪1由两个3dB耦合器和一段延迟光纤以及一段普通光纤组成，两个3dB耦合器分列于两端，两个3dB耦合器经由延迟光纤和普通光纤连接，具体地，左端3dB耦合器经由延迟光纤连接至右端3dB耦合器，左端3dB耦合器经由普通光纤连接至右端3dB耦合器，其中延迟光纤和普通光纤呈并联关系；光通过第一个3dB耦合器分为两路，一路进入延迟光纤，一路进入普通光纤，在第二个3dB耦合器处合束，并分为两路强度相同的光信号。平衡光电探测器1由两个光电探测器及一个差分器组成，两路强度相同的光信号分别进入两个光电探测器后转换成为电信号，再由差分器对两路电信号进行一阶差分，随后将一阶差分后得到的电信号发送至模数转换模块1。

模数转换模块1用于将模拟信号(即一阶差分后得到的电信号)转换为数字信号。模数转换模块1包括采样器1和模数转换器1，采样器1优选200MHz带宽示波器，其取样频率为5GS/s。模数转换器1优选为8bit模数转换器。模数转换模块1在接收到来自干涉探测模块1发出的电信号后，采样器1对电信号进行采样，随后模数转换器1对采样信号进行模数转换，转换为8bit二进制数字信号。随后传入后处理模块。

上支路与下支路有着上述相同的信号流程，下支路输出为8bit二进制数字信号。

后处理模块包括异或运算处理和最低有效位运算处理，最低有效位运算处理优选4位最低有效位提取处理，后处理模块将来自于上支路的8bit二进制数字信号和来自于下支路的8bit二进制数字信号进行异或运算处理，再将得到的异或运算处理结果截取最后四位作为物理随机数输出。

在本实用新型的又一实施例中，激光器为分布式反馈激光器，分布式反馈激光器用于产生激光，每个分布式反馈激光器由高稳定、低噪声的激光驱动器驱动；当温度控制不精确时会使两个激光器进入频率失谐，从而影响混沌激光的输出，一般频率失谐范围控制在-7.5GHz到7.5GHz，以防止激光器频率失谐过大导致系统的动力学特性从混沌态转为周期态。混沌激光输出至延时遮蔽模块，消除延时特征峰，保护信息不被泄漏。

当频率失谐大于7.5GHz时慢变化电场振幅E将会随时间周期起伏，平均载流子数N也将会随着时间规律变化，此时系统将从混沌态转化为周期态，将产生有规律的数字。同时，若注入载流子率与耦合率不匹配，也将会使系统进入周期态，从而无法产生随机数。

混沌激光的输出速率方程可以用下述速率方程来描述，慢变化电场振幅E和有源区中平均载流子数N可表示为：

式中，下标1,2分别代表激光器1和激光器2，γ是衰减常数，g是微分增益系数，κ是耦合率，τ是耦合时间，γ_e为载流子衰减率，N_t为透明载流子密度，ε为增益饱和系数，β为自发辐射率。σ为高斯白噪声，其方差为1，均值为零；Δf是两个激光器之间失谐的频率，τ_L是激光器内腔光子往返时间，q为电荷电量，v为激光器有源区体积，I为泵浦电流。G₁为激光器1的非线性增益，E'₁为激光器1的分布式反馈激光器的电场变化速率，G₂为激光器2的非线性增益，E'₂为激光器2的分布式反馈激光器的电场变化速率，E₁为激光器1的慢变化电场振幅，N₁为激光器1的有源区中平均载流子数，E₂为激光器2的慢变化电场振幅，N₂为激光器2的有源区中平均载流子数。t为系统运行时间，α为线宽增强因子，e为自然底数，f1，f2为激光器1与激光器2自由运行的频率。

激光器1产生的混沌激光进入光环形器1的第一端口，从光环形器1的第三端口进入延时遮蔽模块1，从第二端口经过偏振控制器和可调衰减器进入光环形器2的第二端口形成外腔反馈，同理，激光器2产生的的混沌激光进入光环形器2的第一端口，从光环形器2的第三端口进入下支路的遮掩延时征模块2，从光环形器2的第二端口经可调衰减器和偏振控制器进入光环形器1的第二端口形成外腔反馈。

依据上述可以知道，光环形器1分为三个端口，分布式反馈激光器1发出的激光进入光环形器1的第一端口，将分布式反馈激光器1发出的激光分为两路，一路从第三端口射出，进入上支路的延时遮蔽模块1，一路从第二端口射出，经过偏振控制器和可调衰减器进入光环形器2的第二端口。

进一步的，所述可调衰减器用于控制耦合强度，耦合强度定义为：

p2为激光器1或者激光器2无互耦时的输出功率，p1为耦合光功率。

优选地，延时遮蔽模块首先使用光隔离器隔离不必要的外部反馈，再使用可调衰减器控制功率，随后激光进入啁啾布拉格光栅进行调制，通过改变啁啾布拉格光栅的长度和啁啾系数来消除外腔反馈引起的延时特征，并提升频带宽度。

优选地，模数转换模块，是由200MHz的带宽示波器对获得的信号进行采样和数据存储，采样频率使用5Gs/s，随后进入8bit模数转换器转换为8bit二进制信号。

基于本实用新型的技术方案，可以通过啁啾布拉格光栅调整了耦合延迟，使延迟不是固定值，并且遮掩了延时特征峰，拓宽了带宽，有利于超高速随机数的产生。本实用新型通过马赫曾德尔干涉仪为信号添加相位信息，可以不用复杂的后处理，减少了电子元器件的使用，有利于超高速随机数的产生。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (9)

1.一种产生物理随机数的装置，其特征在于，其包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，混沌发生模块用于产生混沌激光，混沌激光经延时遮蔽模块遮掩时延特征后，进入干涉探测模块并添加相位信息，然后由模数转换模块将添加相位信息的混沌光信号转换为数字信号，经后处理模块处理后输出物理随机数。

2.根据权利要求1所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，混沌发生模块与延时遮掩模块相连，延时遮掩模块与干涉探测模块相连。

3.根据权利要求2所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，干涉探测模块与模数转换模块相连，用于对混沌电信号进行采样并量化为8bit二进制数字信号；模数转换模块与后处理模块相连，将收到的8bit二进制信号相异或，取4位最低有效位作为物理随机数输出。

4.根据权利要求2所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，延时遮蔽模块包括光隔离器、可调衰减器和啁啾布拉格光栅，可调衰减器将混沌光信号送入啁啾布拉格光栅，通过调节啁啾系数和啁啾布拉格光栅长度来达到遮蔽延时特征，提升混沌带宽的目标。

5.一种产生物理随机数的装置，其特征在于，其为一种基于改进互耦分布式反馈激光器产生物理随机数的装置，产生物理随机数的装置由结构一致且由功能相同的组件构成的两条支路组成，包括上支路和下支路，上支路和下支路均包括混沌发生模块、延时遮蔽模块、干涉探测模块、模数转换模块和后处理模块，上支路和下支路共用同一混沌发生模块和后处理模块。

6.根据权利要求5所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，混沌发生模块采用两个分布式反馈激光器互耦作为物理熵源，延时遮蔽模块使用啁啾布拉格光栅，使混沌光信号经过啁啾布拉格光栅。

7.根据权利要求5所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，干涉探测模块使用马赫曾德尔干涉仪，使经啁啾布拉格光栅反射出的混沌光信号经过马赫曾德尔干涉仪添加相位信息。

8.根据权利要求5所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，混沌发生模块包括激光驱动器、温度控制器、两个激光器、偏振控制器、可调衰减器和两个光环形器，光环形器产生的光信号传输给延时遮掩模块。

9.根据权利要求8所述的产生物理随机数的装置，其特征在于，激光器为分布式反馈激光器。

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