基于超輻射發(fā)光二極管的物理隨機(jī)碼發(fā)生器.pdf

1、通信安全在當(dāng)今高度信息化的社會(huì)中占據(jù)著重要的地位，受到人們極大的關(guān)注。在安全通信中，隨機(jī)數(shù)作為密鑰被廣泛用于信息的加密與解密，同時(shí)隨機(jī)數(shù)在蒙特卡羅仿真、數(shù)值計(jì)算等領(lǐng)域也有著普遍的應(yīng)用。因此，在目前的信息社會(huì)中，隨機(jī)數(shù)占據(jù)著不可或缺的一部分。
　　隨機(jī)數(shù)根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理可分為偽隨機(jī)數(shù)與物理隨機(jī)數(shù)。偽隨機(jī)數(shù)采用一定的種子和算法生成，可以實(shí)現(xiàn)快速大量的產(chǎn)生。但是它是確定的且有周期性，一旦竊聽者獲取種子或算法，就很有可能破解所生成的偽隨機(jī)數(shù)

2、。因此，偽隨機(jī)數(shù)并不是完全隨機(jī)的，以它作為密鑰難以保證信息的安全性。
　　物理隨機(jī)數(shù)基于自然界中的物理隨機(jī)過程產(chǎn)生，它的不可預(yù)測與不可復(fù)制性從原理上保證了信息的絕對安全。傳統(tǒng)物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器多利用電阻熱噪聲、振蕩器的頻率抖動(dòng)、混沌電路等來實(shí)現(xiàn)，但是這些熵源信號(hào)的帶寬低，因而最終產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)速率一般在Mbit/s的量級(jí)，無法滿足現(xiàn)代通信的需求。
　　自2008年A.Uchida等人證實(shí)利用混沌激光可產(chǎn)生Gbit/s的高速物理

3、隨機(jī)數(shù)以來，大量基于類噪聲、大幅度的寬帶混沌激光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方案陸續(xù)出現(xiàn)。
　　與此同時(shí)，超輻射發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的放大自發(fā)輻射噪聲是另一得到廣泛關(guān)注的寬帶物理熵源。超輻射發(fā)光二級(jí)管具有寬光譜、高功率和較小的發(fā)散角等特性，其發(fā)出的光的自發(fā)輻射噪聲源于量子機(jī)制，保證了真隨機(jī)性，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)速率可達(dá)Gbit/s。本論文利用超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的放大自發(fā)輻射噪聲作為高速隨機(jī)數(shù)的物理熵源，進(jìn)行了相關(guān)研究，主要完成了下列具體研究工作:
　

4、　1.利用超輻射發(fā)光二極管產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射噪聲信號(hào)作為物理隨機(jī)碼發(fā)生器的物理熵源，通過鎖存比較器及異或等處理后，最終可實(shí)時(shí)產(chǎn)生3Gbit/s的真隨機(jī)碼。與隨機(jī)數(shù)不同，隨機(jī)碼具有真實(shí)波形，可以直接應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)中，并且產(chǎn)生的隨機(jī)碼通過了NIST的全部測試項(xiàng)。另外，該系統(tǒng)具有很好的魯棒性以及可拓展性，能同時(shí)產(chǎn)生多路物理隨機(jī)碼，進(jìn)一步提高碼率，滿足現(xiàn)代高速通信的需要。
　　2.由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，3 Gbit/s的隨機(jī)碼發(fā)生器可產(chǎn)生更

5、高速率的隨機(jī)數(shù)。本文提出利用超輻射發(fā)光二極管和波分復(fù)用器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，16位ADC反轉(zhuǎn)異或的后續(xù)離線處理方式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終可產(chǎn)生四路并行的640 Gb/s高速物理隨機(jī)數(shù)。對16位反轉(zhuǎn)異或的后續(xù)處理方法進(jìn)行了分析。這種方法可以使最終產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列的離散概率分布更加均勻，使16位01碼序列中每個(gè)有效位的偏置度更低。這樣的后續(xù)處理可以使序列中的16個(gè)有效位都用于最后的隨機(jī)數(shù)中，大大提高隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生速率。
　　3.對產(chǎn)生64