本發(fā)明涉及全光物理隨機數(shù)，具體為一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的裝置及方法，可用于統(tǒng)計抽樣、蒙特卡洛模擬、隨機模型、信息通信安全等諸多領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在信息安全、復(fù)雜數(shù)值模擬、密碼學(xué)及博彩等領(lǐng)域，隨機數(shù)充當(dāng)著一個重要的角色。特別是隨著社會信息化程度的提高和光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，信息通信安全問題已經(jīng)上升為關(guān)系國家安危的重要課題。目前單信道的傳輸速率已達到40gbps，下一代光纖通信網(wǎng)絡(luò)單信道的傳輸速率將達到100gps，因此產(chǎn)生高速隨機數(shù)是保密通信技術(shù)發(fā)展的必要條件。

按產(chǎn)生隨機數(shù)的機理不同，隨機數(shù)發(fā)生器可分為兩大類：偽隨機數(shù)發(fā)生器和物理真隨機數(shù)發(fā)生器。

利用計算機，通過某些算法或組合可方便地獲得偽隨機數(shù)(prng)。隨著算法的改進和計算機運算能力的提高，目前已可獲得2⁸⁰⁰-1碼長的prng。經(jīng)過合理設(shè)計prng，可以在一定程度上保證攻擊者在有限的計算資源下無法破譯。但是，prng是由種子通過一個確定的算法生成的，并不是真正意義的隨機數(shù)。然而，不管采用多么精巧的設(shè)計，偽隨機數(shù)序列終究無法改變其確定性的本質(zhì)。一旦生成最終結(jié)果的算法或種子被獲取，或是攻擊者有了更強的計算資源及破解算法，那么偽隨機數(shù)序列的不確定性就會大幅降低，而基于偽隨機數(shù)序列的安全防御就會出現(xiàn)嚴重的漏洞。隨著計算機運算能力的不斷提高，用偽隨機數(shù)作為密鑰被破解的事件也層出不窮。例如我國王小云教授曾先后破解了全球廣泛用于計算機安全系統(tǒng)的md5和sha-1兩大密碼算法。

為了解決偽隨機序列的周期性和確定性等問題，人們利用自然界物理現(xiàn)象提取產(chǎn)生無法復(fù)制、非周期、不可預(yù)測的真隨機數(shù)。已用過物理現(xiàn)象也多種多樣，比如早期的鼠標(biāo)抖動，后來采用的大氣噪聲，電子噪聲，頻率抖動，輻射衰變，單光子發(fā)射/探測等等。此外，利用量子力學(xué)基本量的完全隨機性以及采集生物的無規(guī)律行為也可以用作真隨機數(shù)發(fā)生器的熵源。然而早期的研究成果受限于選用的物理熵源，或是采樣提取手段，使得隨機數(shù)序列的生成碼率很低，無法適應(yīng)實際需求。至2003年，通過采用高速電子振蕩器的頻率抖動作為物理熵源，實現(xiàn)了速率達到10mbit/s的隨機數(shù)序列產(chǎn)生，幾乎已經(jīng)達到了當(dāng)時真隨機數(shù)發(fā)生器速率的極限。

2007年申請人課題組首次提出用光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的寬帶混沌激光作為真隨機數(shù)發(fā)生器物理源，構(gòu)造快速真隨機數(shù)發(fā)生器。2008年開始,基于混沌激光產(chǎn)生的物理真隨機數(shù)的速率能夠達到gbit/s的量級，隨后以色列巴依蘭大學(xué)i.reider等人、香港城市大學(xué)陳仕俊小組、日本埼玉大學(xué)a.uchida小組、希臘雅典大學(xué)a.argyris小組、西南大學(xué)以及申請人課題組都對基于混沌激光產(chǎn)生高速的物理真隨機數(shù)進行了大量研究。但是以上的混沌激光信號都在電域內(nèi)進行量化處理，受“電子瓶頸”的限制，速率的提升空間有限。因此有必要開發(fā)一種速率不受電子瓶頸限制的隨機數(shù)產(chǎn)生裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前產(chǎn)生隨機數(shù)的速率受“電子瓶頸”的限制，提供一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的裝置與方法。

本發(fā)明所述一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的裝置是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的裝置，包括一個混沌激光發(fā)射裝置、與混沌激光發(fā)射裝置輸出端相連接的全光采樣器以及與全光采樣器輸出端相連接的利用基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(npr)構(gòu)建的全光量化器；

所述的全光量化器包括多個全光量化器單元；每個全光量化器單元包括第一偏振相關(guān)隔離器、第二偏振相關(guān)隔離器、第三偏振控制器、第四偏振控制器以及一段標(biāo)準單模光纖；

每個全光量化器單元的第一偏振相關(guān)隔離器的輸出端連接第三偏振控制器的輸入端，第三偏振控制器的輸出端連接標(biāo)準單模光纖的輸入端，標(biāo)準單模光纖的輸出端連接第四偏振控制器的輸入端，第四偏振控制器的輸出端連接第二偏振相關(guān)隔離器的輸入端，第二偏振相關(guān)隔離器的輸出端作為全光量化器單元的輸出端；

全光量化器單元的個數(shù)以及偏振控制器的狀態(tài)完全由脈沖的幅值分布決定，多個全光量化器單元順次連接，位于前端的全光量化器單元的第一偏振相關(guān)隔離器的信號輸入端與全光采樣器的輸出端相連接；位于末端的全光量化器單元的第二偏振相關(guān)隔離器的輸出端作為全光量化器的輸出端。

本發(fā)明所述一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的方法是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于混沌激光產(chǎn)生全光高速隨機數(shù)的方法，將產(chǎn)生的混沌激光信號經(jīng)過全光采樣器進行采樣形成強度呈隨機數(shù)起伏的混沌脈沖序列，然后利用基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的技術(shù)構(gòu)建的全光量化器進行量化，最終實現(xiàn)“0”，“1”碼均勻分布的隨機碼；所述量化過程如下：將強度呈隨機數(shù)起伏的混沌脈沖序列輸入到全光量化器，脈沖序列順次經(jīng)過第一偏振相關(guān)隔離器、第三偏振控制器、標(biāo)準單模光纖、第四偏振控制器、第二偏振相關(guān)隔離器后，輸出信號產(chǎn)生線性相移和非線性相移，當(dāng)標(biāo)準單模光纖長度、標(biāo)準單模光纖參數(shù)及偏振控制器狀態(tài)一定時，由全光量化器引起的線性相移為定值；而非線性相移是與混沌脈沖強度相關(guān)的函數(shù)，對于不同強度的混沌脈沖將產(chǎn)生不同的透過率；畫出混沌脈沖相移和透過率的圖像，將全光量化器單元分成前后兩部分；通過控制前部的全光量化器單元光纖長度及混沌脈沖的偏振態(tài)，使位于前部的全光量化器單元工作在所述圖像的正反饋區(qū)域內(nèi)，起到類可飽和吸收體的作用；弱小的混沌脈沖被前部的全光量化器單元吸收直到小于閾值的混沌激光脈沖經(jīng)過前部的全光量化器單元后被衰減為零，而強度較大的脈沖經(jīng)過前部的全光量化器單元透過率較大；對混沌脈沖進行閾值判決，形成一系列的高低脈沖序列；為了獲得“0”脈沖強度為零，“1”脈沖強度均衡的隨機序列，經(jīng)過閾值判決的高低脈沖序列通過后部的全光量化器單元，調(diào)節(jié)標(biāo)準單模光纖長度及脈沖序列的偏振態(tài)，使后部的全光量化器單元工作在所述圖像的負反饋區(qū)域內(nèi)，起到光限幅的作用，使強度較大的脈沖透過率低，而強度較小的脈沖透過率高，直到最后一個全光量化器單元輸出“1”脈沖強度均衡的隨機序列，從而獲得高速的全光隨機碼序列。

本發(fā)明提供一種基于混沌激光提取全光隨機數(shù)的裝置與方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其速率不受電子瓶頸限制，克服了“電子瓶頸”對產(chǎn)生隨機數(shù)速率的限制，只要熵源帶寬足夠高，速率可達數(shù)百gbps，具有強大的發(fā)展前景。此外，利用這項技術(shù)產(chǎn)生的全光隨機數(shù)可與光通信網(wǎng)絡(luò)中的光信號直接兼容，促進網(wǎng)絡(luò)信息安全的發(fā)展。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述全光采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述全光量化器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明所述的全光量化器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明所述的全光量化器單元的傳輸曲線。

圖中：1：混沌激光發(fā)射裝置；2：全光采樣器；3：全光量化器；2a：光時鐘；2b：第一偏振控制器；2c：第一光纖耦合器；2d：半導(dǎo)體光放大器；2e：第二偏振控制器；2f：光帶通濾波器；2g：偏振分束器；2h：第二光纖耦合器；3a：第一偏振相關(guān)隔離器；3b：第三偏振控制器；3c：標(biāo)準單模光纖；3d：第四偏振控制器；3e：第二偏振相關(guān)隔離器。

具體實施方式

本發(fā)明所述的一種基于混沌激光提取全光隨機數(shù)的方法是將混沌激光信號通過全光采樣器進行采樣獲得幅值隨機起伏的脈沖序列，然后利用全光量化器對幅值隨機起伏的脈沖序列進行全光量化，獲得“0”，“1”碼均衡的隨機碼。本發(fā)明所述的裝置包括混沌激光源、全光采樣器及全光量化器。本發(fā)明所產(chǎn)生的全光隨機數(shù)具有高速、與光網(wǎng)絡(luò)兼容的特點。為更好的說明本發(fā)明的方法與裝置，下面對本發(fā)明做進一步的詳細描述。

一種基于混沌激光提取全光隨機數(shù)的裝置如圖1所示，包括混沌激光發(fā)射裝置1、全光采樣器2及全光量化器3。

其中，混沌源為任意能夠產(chǎn)生寬帶混沌的激光源?；诎雽?dǎo)體光放大器-非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(soa-npr)的全光采樣器2由一個光時鐘2a，一個半導(dǎo)體光放大器2d，兩個偏振控制器，一個光帶通濾波器2f，兩個光纖耦合器以及一個偏振分束器2g組成；具體連接關(guān)系為，如圖2所示，全光采樣器2的光時鐘2a的輸出端與第一偏振控制器2b的輸入端連接，第一偏振控制器2b的輸出端連接第一光纖耦合器2c的輸入端，所述第一光纖耦合器2c的輸出端連接半導(dǎo)體光放大器2d的輸入端，所述半導(dǎo)體光放大器2d的輸出端連接第二偏振控制器2e的輸入端，所述第二偏振控制器2e的輸出端連接光帶通濾波器2f的輸入端，所述光帶通濾波器2f的輸出端連接偏振分束器2g的輸入端，所述偏振分束器2g的輸出端連接第二光纖耦合器2h的輸入端，所述第二光纖耦合器2h的輸出端作為全光采樣器2的輸出端。

全光量化器3由若干個全光量化器單元組成，其中每個全光量化器單元由兩個偏振相關(guān)隔離器、兩個偏振控制器及一段標(biāo)準的單模光纖組成，具體連接關(guān)系如圖3所示。全光量化器單元的第一偏振相關(guān)隔離器3a的輸出端連接第三偏振控制器3b的輸入端，第三偏振控制器3b的輸出端連接標(biāo)準單模光纖3c的輸入端，標(biāo)準單模光纖3c的輸出端連接第四偏振控制器3d的輸入端，第四偏振控制器3d的輸出端連接第二偏振相關(guān)隔離器3e的輸入端，第二偏振相關(guān)隔離器3e的輸出端作為全光量化器單元的輸出端。全光量化器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，是由多個全光量化器單元組成。全光量化器單元的個數(shù)以及偏振控制器的狀態(tài)完全由脈沖的幅值分布決定。

全光量化器的工作原理如下：

本發(fā)明所使用的全光量化器的原理如下：全光量化器是由多個如圖3所示的單元組成，每個單元由兩個偏振相關(guān)隔離器、兩個偏振控制器和一段光纖組成。

采樣后的混沌脈沖序列輸入到全光量化器，首先經(jīng)過第一偏振相關(guān)隔離器變成線偏振光，調(diào)節(jié)第一偏振控制器使線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，該橢圓偏振光與光纖快軸之間的夾角為α1，沿光纖的x、y軸方向把此橢圓偏振光分解為頻率相同、偏振方向垂直的兩個線偏振光，電場矢量為：

ex(t)＝e(t)cosα1ey(t)＝e(t)sinα1

經(jīng)過長度為l的光纖后，兩偏振矢量的場變?yōu)椋?/p>

e＇x(t)＝e(t)cosα1exp(-jφx)

e＇y(t)＝e(t)sinα1exp(-jφx)exp[-j(δφl+δφnl)]

其中：dfl＝(ny-nx)bl

β為傳播常數(shù)，γ為光纖的非線性系數(shù)，p為入射信號的瞬時功率，nx與ny為光纖的線性雙折射系數(shù)，為光纖的非線性雙折射系數(shù)，非線性雙折射系數(shù)與入射信號的強度有關(guān)。δφl稱為線性相移，δφnl稱為非線性相移。

當(dāng)入射信號到達第二偏振相關(guān)隔離器時，與光纖快軸之間的夾角為α2，輸出信號為：

透過率系數(shù)為：

當(dāng)光纖長度、光纖參數(shù)及偏振控制器狀態(tài)一定時，由全光量化器引起的線性相移為定值；而非線性相移是與強度相關(guān)的函數(shù)，因此對于不同強度的混沌脈沖將產(chǎn)生不同的透過率?；煦缑}沖經(jīng)過全光量化器單元后的傳輸曲線如圖5所示。

合理控制全光量化器光纖長度及混沌脈沖的偏振態(tài)，使位于前部的全光量化器單元工作在如圖5所示的ab正反饋區(qū)域內(nèi)(正反饋區(qū)指入射光的透過率與入射功率成正比)，起到類可飽和吸收體的作用；弱小的混沌脈沖被量化器吸收直到小于閾值的混沌激光脈沖經(jīng)過全光量化器后被衰減為零，而強度較大的脈沖經(jīng)過量化器透過率較大。對混沌脈沖進行閾值判決，形成一系列的高低脈沖序列。經(jīng)過閾值判決的混沌脈沖序列通過與圖3類似結(jié)構(gòu)的實驗裝置(后部的全光量化器單元)，適當(dāng)調(diào)節(jié)光纖長度及脈沖序列的偏振態(tài)，使后部的全光量化器工作在如圖所示的bc負反饋區(qū)域內(nèi)(負反饋區(qū)指入射光的透過率與入射功率成反比)，起到光限幅的作用，直到大于閾值的混沌激光脈沖經(jīng)過全光量化器輸出功率均衡的激光脈沖，獲得高速的全光隨機碼序列。