面向全光物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的混沌激光實(shí)時(shí)光采樣.pdf

1、隨機(jī)數(shù)在蒙特卡洛仿真、擴(kuò)頻通信、光纖傳感、雷達(dá)測(cè)距、電子商務(wù)等領(lǐng)域已有重要應(yīng)用。尤其，在保密通信領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何保證信息安全顯得異常重要。香農(nóng)信息理論證明，為保證信息的絕對(duì)安全需采用“一次一密”的保密機(jī)制。因此，如何產(chǎn)生高速的、完全隨機(jī)的物理隨機(jī)數(shù)對(duì)信息安全具有至關(guān)重要的意義。
　　隨機(jī)數(shù)通常分為偽隨機(jī)數(shù)和物理隨機(jī)數(shù)兩大類(lèi)。偽隨機(jī)數(shù)一般由初始種子經(jīng)過(guò)確定的算法迭代產(chǎn)生。這類(lèi)方法往往可以產(chǎn)生數(shù)十Gbit/s

2、的隨機(jī)數(shù)，但是這類(lèi)隨機(jī)數(shù)不僅具有周期性，而且還可以預(yù)測(cè)和復(fù)制，因此難以滿足信息安全的需求。而物理隨機(jī)數(shù)是利用自然界中物理熵源的隨機(jī)現(xiàn)象產(chǎn)生，它完全不可預(yù)測(cè)、不可再現(xiàn)。常用的物理熵源有電子電路熱噪聲、放射性衰變、電子振蕩器頻率噪聲、混沌電路等。然而受限于這些物理熵源的有效帶寬，產(chǎn)生的物理隨機(jī)數(shù)速率很難達(dá)到Gbit/s。
　　混沌激光具有超寬帶、強(qiáng)度隨機(jī)起伏以及對(duì)初值敏感等特性，是提取高速物理隨機(jī)數(shù)的理想熵源。針對(duì)這一特殊熵源，常用的

3、提取隨機(jī)數(shù)方法是將混沌激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電混沌信號(hào)，在電域中利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼?；谶@種光電子技術(shù)的方法產(chǎn)生高速隨機(jī)數(shù)，勢(shì)必會(huì)收到電子器件“電子速率瓶頸”的限制，目前實(shí)時(shí)速率還未達(dá)到5 Gbit/s。于是我們提出直接在光域中對(duì)混沌激光信號(hào)進(jìn)行處理，來(lái)產(chǎn)生高速的全光物理隨機(jī)數(shù)，以滿足現(xiàn)代高速光通信的需求。
　　高速全光物理隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，首先需要實(shí)現(xiàn)對(duì)混沌激光的全光采樣。本文以此為目標(biāo)，提出利用太赫茲

4、光非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD)構(gòu)建全光采樣門(mén)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光的全光采樣。具體工作如下:
　　1.概述了隨機(jī)數(shù)的研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀，指出全光物理隨機(jī)數(shù)研究的重要性，簡(jiǎn)單介紹了本課題組提出的利用超寬帶混沌激光熵源、全光采樣器、全光比較器等構(gòu)建新一代高速物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案——高速全光物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
　　2.介紹了現(xiàn)有全光采樣技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，比較分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)混沌激光相干性差和偏振態(tài)隨機(jī)

5、起伏等特點(diǎn)，提出利用偏振無(wú)關(guān)的半導(dǎo)體光放大器(SOA)構(gòu)建TOAD全光采樣門(mén)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混沌激光的全光采樣方案。首先實(shí)驗(yàn)分析了TOAD相關(guān)參數(shù)（采樣脈沖功率、非對(duì)稱偏移量等）對(duì)全光采樣門(mén)性能的影響，以及TOAD全光采樣門(mén)的開(kāi)關(guān)能量及線性度，得到了采樣門(mén)的最佳性能參數(shù)。并利用該采樣門(mén)對(duì)500 MHz正弦光信號(hào)進(jìn)行了全光采樣實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該全光采樣門(mén)的可行性。
　　3.利用最佳性能參數(shù)條件下的TOAD全光采樣門(mén)實(shí)現(xiàn)了對(duì)6.4 GHz混沌激