本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，尤其是一種利用超高頻激光混沌的實(shí)時(shí)產(chǎn)生高速真隨機(jī)數(shù)序列的裝置，適用于保密通信、雷達(dá)系統(tǒng)、數(shù)字簽名以及高速模擬等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨機(jī)數(shù)被廣泛應(yīng)用在保密通信、雷達(dá)系統(tǒng)、數(shù)字簽名以及高速模擬等領(lǐng)域。

常見(jiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器有兩種：一種是基于復(fù)雜算法的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，另一種是基于某種隨機(jī)現(xiàn)象的物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法對(duì)系統(tǒng)加密，但它是完全確定的，一旦獲知種子和算法，則可被預(yù)測(cè)、甚至完全復(fù)制，存在極大的安全隱患。物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器從自然界物理隨機(jī)現(xiàn)象中提取不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)數(shù)，因此又被稱(chēng)為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。優(yōu)質(zhì)隨機(jī)數(shù)的特征在于不可預(yù)知性。特別是在保密通信領(lǐng)域，為了使攻擊者無(wú)法進(jìn)行任何有價(jià)值的預(yù)測(cè)，就需要產(chǎn)生大量碼率不低于通信速率的真隨機(jī)數(shù)。

傳統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用熱噪聲、振蕩器的相位噪聲、放射性元素衰變、電路混沌等隨機(jī)物理現(xiàn)象作為熵源來(lái)產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，可受限于熵源帶寬，其實(shí)時(shí)產(chǎn)生速率有限，僅處于Mb/s量級(jí)，與現(xiàn)代保密通信速率之間存在巨大鴻溝。

近年來(lái)，隨著光子信息技術(shù)、光電子技術(shù)以及光通信系統(tǒng)不斷成熟和發(fā)展，采用寬帶光子熵源（如激光混沌等）產(chǎn)生的高速、實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。其隨機(jī)數(shù)提取方法主要是通過(guò)光電探測(cè)器將寬帶光子物理熵源發(fā)射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而后利用電子ADC在電域中對(duì)其進(jìn)行采樣及“鑒幅閾值”比較量化處理后，最終產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)。典型的報(bào)道有：2008年，日本埼玉大學(xué)A. Uchida課題組利用混沌激光和1位ADC量化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)速率達(dá)1.7 Gb/s的物理隨機(jī)序列的產(chǎn)生[Uchida A, Amano K, Inoue M, et al. Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers. Nature Photonics, 2008, 2(12): 728-732.]。2011年，該課題組又將此速率進(jìn)一步提高至2.08 Gb/s [Harayama T, Sunada S, Yoshimura K, et al. Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers. Physical Review A, 2011, 83(3): 031803.]；2013年，發(fā)明人所在課題組利用混沌激光作構(gòu)建的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是當(dāng)前國(guó)際上的實(shí)時(shí)速率最快的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，其速率可達(dá)4.5 Gb/s [Wang A, Li P, Zhang J, et al. 4.5 Gbps high-speed real-time physical random bit generator. Optics Express, 2013, 21(17): 20452-20462.]。截至目前，4.5 Gb/s是當(dāng)前真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器已實(shí)現(xiàn)的最快實(shí)時(shí)速率。

若要獲取更高實(shí)時(shí)速率的真隨機(jī)數(shù)，至少面臨如下技術(shù)障礙：一是目前高速真隨機(jī)數(shù)提取技術(shù)的核心器件是電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。受限于射頻時(shí)鐘的電子抖動(dòng)和比較器模糊等‘電子速率瓶頸’，電子ADC物理帶寬有限。例如，當(dāng)前高端電子ADC供應(yīng)商ADI公司出售的電子ADC的物理帶寬也不足 1 GHz [http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html]。 二是物理熵源輸出的隨機(jī)信號(hào)受外界環(huán)境及內(nèi)部噪聲干擾，其幅值分布往往不對(duì)稱(chēng)，為了得到均衡的真隨機(jī)數(shù)，在隨機(jī)數(shù)提取過(guò)程中需要不斷調(diào)節(jié)電子ADC“鑒幅閾值”的方法來(lái)消除偏差，但這樣處理會(huì)使實(shí)時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量無(wú)法保障，也不能保證設(shè)備的連續(xù)工作。

當(dāng)前通信速率已達(dá)10 Gb/s，并朝向40 Gb/s以上速率快速發(fā)展，要求更快真隨機(jī)數(shù)的實(shí)時(shí)、在線產(chǎn)生。因此，電子ADC面臨的“電子速率瓶頸”和“鑒幅閾值”須不斷調(diào)節(jié)問(wèn)題成為制約目前高速、實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的最主要技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中普遍存在的“電子速率瓶頸”和“鑒幅閾值”須不斷調(diào)節(jié)的問(wèn)題，從而提供一種基于超高頻激光混沌的自適應(yīng)實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種基于超高頻激光混沌的自適應(yīng)實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，包括超高頻混沌激光脈沖源，3dB光耦合器，可調(diào)諧延遲線，光電平衡探測(cè)器和限幅放大器；其特征在于：所述超高頻混沌激光脈沖源的輸出端設(shè)置有3dB光耦合器，所述3dB光耦合器的兩個(gè)輸出端分別連接有所述光電平衡探測(cè)器的“-”輸入端和 “+”輸入端，并在所述光電平衡探測(cè)器的“+”輸入端與3dB耦合器之間連接一可調(diào)諧延遲線；所述光電平衡探測(cè)器的輸出端連接有限幅放大器的輸入端；

所述超高頻混沌激光脈沖源是由主動(dòng)鎖模脈沖激光器的輸出端連接有全光采樣器的輸入端，所述全光采樣器的輸出端連接有脈沖光放大器的輸入端，混沌激光器的輸出端連接有所述全光采樣器的控制端，各器件之間由光纖連接。

上述基于超高頻激光混沌的自適應(yīng)實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置是通過(guò)全光采樣器將混沌激光幅度信息加載到主動(dòng)鎖模脈沖激光器輸出的光脈沖序列上，形成超高頻混沌激光脈沖源，所述超高頻混沌激光脈沖源輸出的混沌激光脈沖序列經(jīng)3dB光耦合器平均分為兩路，一路直接接入光電平衡探測(cè)器的“-”輸入端，另一路先接入可調(diào)諧光延遲線再接入光電平衡探測(cè)器的“+”輸入端，兩路混沌激光脈沖序列經(jīng)光電平衡探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換和作差處理后形成由正、負(fù)脈沖構(gòu)成的真隨機(jī)電脈沖序列，再由限幅放大器整形，形成高速真隨機(jī)數(shù)序列。

上述目的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，與現(xiàn)有隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

本真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置利用主動(dòng)鎖模脈沖激光器在光域中完成對(duì)混沌激光信號(hào)的采樣，不再涉及電“采樣”過(guò)程和射頻時(shí)鐘。主動(dòng)鎖模激光器的時(shí)延抖動(dòng)僅fs量級(jí)，這就克服了射頻時(shí)鐘抖動(dòng)ps以上量級(jí)導(dǎo)致的信號(hào)失真問(wèn)題及電子瓶頸問(wèn)題。

本真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置中不再涉及電子ADC，而使用了平衡光電探測(cè)器和限幅放大器作為量化模塊來(lái)完成隨機(jī)數(shù)的提取。這類(lèi)器件的物理帶寬可達(dá)40 GHz以上，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的物理帶寬，有效解決了現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器物理帶寬不足導(dǎo)致隨機(jī)數(shù)速率較低的問(wèn)題。

本真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置中采用自延遲平衡探測(cè)技術(shù)來(lái)完成對(duì)隨機(jī)信號(hào)的判決量化，不再需要設(shè)置、更不用調(diào)節(jié)“鑒幅閾值”，可自適應(yīng)地完成真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，克服了現(xiàn)有真隨機(jī)數(shù)提取技術(shù)中需要設(shè)置和不斷調(diào)節(jié)“鑒幅閾值”的技術(shù)缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1：超高頻混沌激光脈沖源；1a：主動(dòng)鎖模脈沖激光器；1b：全光采樣器；1c：混沌激光器；1d：脈沖放大器；2：3dB光耦合器；3：可調(diào)諧光延遲線；4：光電平衡探測(cè)器；5：限幅放大器。

圖2是本裝置的超高頻混沌激光脈沖源輸出的重復(fù)頻率為10 GHz的混沌激光脈沖時(shí)序圖。

圖3是本裝置的光電平衡探測(cè)器輸出的重復(fù)頻率為10 GHz的由正、負(fù)脈沖構(gòu)成的真隨機(jī)電脈沖序列的時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施本發(fā)明上述所提供的一種基于超高頻激光混沌的自適應(yīng)實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，是利用超高頻混沌激光脈沖源產(chǎn)生出混沌激光脈沖序列，經(jīng)3dB光耦合器等分為兩路后通過(guò)光電平衡探測(cè)器作差處理獲得真隨機(jī)電脈沖序列，最后通過(guò)限幅放大器整形，輸出高速真隨機(jī)數(shù)序列。

本裝置是由超高頻混沌激光脈沖源1、3dB光耦合器2、可調(diào)諧光延遲線3、平衡光電探測(cè)器4、限幅放大器5構(gòu)成。混沌激光脈沖源輸出的超高重頻、強(qiáng)度隨機(jī)起伏的混沌光脈沖序列經(jīng)3dB光耦合器2分為兩路，其中一路經(jīng)可調(diào)諧光延遲線3延遲一段時(shí)間后，接入光電平衡探測(cè)器4的“+”輸入端，另一路則直接接入光電平衡探測(cè)器4“-”輸入端，經(jīng)過(guò)光電平衡探測(cè)器4作差處理生成真隨機(jī)電脈沖序列，繼而接入限幅放大器5，經(jīng)限幅放大后形成雙極性真隨機(jī)數(shù)序列；所述超高頻混沌激光脈沖源1由主動(dòng)鎖模脈沖激光器1a，全光采樣器1b，混沌激光器1c和脈沖光放大器1d連接構(gòu)成。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

（1）超高頻混沌激光脈沖源實(shí)現(xiàn)過(guò)程

這里，以重復(fù)頻率為10 GHz的超高頻混沌激光脈沖源實(shí)現(xiàn)過(guò)程為例，予以說(shuō)明。如附圖1中所示，主動(dòng)鎖模脈沖激光器1a輸出的重復(fù)頻率10 GHz、波長(zhǎng)為1550 nm的超短光脈沖序列，接入全光采樣器1b的信號(hào)輸入端，混沌激光器1c輸出的幅度連續(xù)隨機(jī)起伏、帶寬 12 GHz的混沌激光作為控制信號(hào)加載到全光采樣器1b的控制端，利用全光采樣器1b可將混沌激光幅度信息加載到主動(dòng)鎖模脈沖激光器輸出的光脈沖序列上，形成混沌激光脈沖序列，然后經(jīng)過(guò)脈沖光放大器1d對(duì)混沌激光脈沖序列的功率放大，可得到重復(fù)頻率10 GHz、 強(qiáng)度隨機(jī)起伏的超高頻混沌激光脈沖序列，如附圖2所示。這樣就實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的超高頻混沌激光脈沖源。

（2）高速真隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生過(guò)程

如附圖1所示，超高頻混沌激光脈沖源1產(chǎn)生的重復(fù)頻率10 GHz、強(qiáng)度隨機(jī)起伏的超高頻混沌激光脈沖序列經(jīng)3dB光耦合器2平均分為兩路，其中一路經(jīng)可調(diào)諧延遲線3后，接入光電平衡探測(cè)器4的“+”輸入端，另一路則直接接入光電平衡探測(cè)器4的“-”輸入端。調(diào)節(jié)可調(diào)諧延遲線3使進(jìn)入平衡光電探測(cè)器4的兩路混沌激光脈沖序列相差5個(gè)周期（注：這里，一個(gè)周期間隔等于混沌激光脈沖序列重復(fù)頻率的倒數(shù)）。當(dāng)“+”輸入端的混沌脈沖幅值大于相應(yīng)的“-”輸入端的混沌脈沖幅值時(shí)，光電平衡光電探測(cè)器4輸出正脈沖（編碼為1）；反之，當(dāng)+”輸入端的脈沖幅值小于“-”輸入端的脈沖幅值時(shí)，光電平衡光電探測(cè)器4輸出負(fù)脈沖（編碼為0）。這樣就獲得了重頻為10 GHz的真隨機(jī)電脈沖序列，如附圖3所示。

此時(shí)的真隨機(jī)電脈沖中0碼（負(fù)脈沖）和1碼（正脈沖）雖可以作為隨機(jī)數(shù)使用，但存在正、負(fù)脈沖幅值不統(tǒng)一（即不等高）的瑕疵。將光電平衡光電探測(cè)器4輸出的重復(fù)頻率為10 GHz的真隨機(jī)電脈沖序列，接入限幅放大器5，經(jīng)過(guò)限幅放大器5的整形后，將得到幅度統(tǒng)一的、實(shí)時(shí)速率為10 Gb/s的真隨機(jī)數(shù)序列。

綜上所述，本發(fā)明基于超高頻激光混沌的自適應(yīng)實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，在整套裝置中使用全光采樣器作為采樣模塊，平衡光電探測(cè)器和限幅放大器作為量化模塊，沒(méi)有用到電子時(shí)鐘和電子ADC，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)遭遇的“電子瓶頸”問(wèn)題，更有效地提高實(shí)時(shí)真隨機(jī)數(shù)的速率。尤其需要指出的是，光電平衡探測(cè)器的引入，不再需要單獨(dú)設(shè)置“鑒別閾值”，直接解決了傳統(tǒng)隨機(jī)數(shù)提取技術(shù)中采用電ADC須設(shè)置和不斷調(diào)節(jié)“鑒別閾值”的弊端。另外需要特別說(shuō)明的是，本實(shí)施例中雖然以10 Gb/s真隨機(jī)數(shù)序列的產(chǎn)生為例來(lái)詳細(xì)闡述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，但考慮到平衡探測(cè)器帶寬遠(yuǎn)不止于此（可達(dá)數(shù)十、甚至上百GHz），因此，只要混沌激光信號(hào)的帶寬足夠?qū)?，本發(fā)明具有產(chǎn)生數(shù)十、甚至上百Gb/s真隨機(jī)數(shù)序列的能力。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程完全類(lèi)似，只需將主動(dòng)鎖模激光器的重復(fù)頻率進(jìn)一步增大即可實(shí)現(xiàn)，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，這里不再贅述。