基于混沌半導體激光器產(chǎn)生隨機數(shù)的方案優(yōu)化.pdf

1、隨機數(shù)已廣泛應用于保密通信、蒙特卡羅模擬、數(shù)值仿真等多個領域。在雷達測試、遙控遙測、數(shù)字通信、碼分多址系統(tǒng)以及密碼學等重要科學技術領域隨機數(shù)也起到了重要的作用。它可作為測距信號應用于雷達中，作為測控信號應用于遙控遙測中，作為同步和加密解密信號應用于數(shù)字通信中，作為擴頻或地址碼應用于碼分多址中以及作為密鑰應用于密碼學中。此外在網(wǎng)絡中，許多數(shù)字簽名或密碼協(xié)議也都要求使用隨機數(shù)。隨著近年來的發(fā)展，隨機數(shù)發(fā)生器被應用到越來越廣泛的領域中，對隨機

2、數(shù)的碼率和隨機性的要求也越來越高，而目前隨機數(shù)產(chǎn)品的碼率很低，嚴重阻礙了隨機數(shù)的應用?？梢?，高速率、高質量隨機數(shù)的研究對于國家科技發(fā)展和信息安全戰(zhàn)略具有至關重要的意義。
　　 而半導體激光在光反饋或者光注入的情況下能夠產(chǎn)生帶寬為幾個GHz到幾十個GHz的幅值隨機的混沌激光信號，并且其具備幅值大，頻譜類噪聲等特性，可以作為快速隨機數(shù)發(fā)生器的熵源。因此基于混沌激光產(chǎn)生高速的物理隨機數(shù)已經(jīng)成為一個研究熱點。眾所周知，激光器在光反饋的情

3、況下產(chǎn)生的混沌激光輸出對初始條件極其敏感，任何初始條件，比如注入電流，反饋強度，外腔長度等初值稍有變化，混沌的輸出就會發(fā)生巨大的變化，產(chǎn)生幅值的波動，這對隨機數(shù)發(fā)生器來說是非常不利的，會影響生成的隨機序列的隨機性。另外，光反饋、光電反饋以及光注入產(chǎn)生的混沌信號都帶有一定的周期性，使得產(chǎn)生的隨機序列也帶有相應的周期性。因此，在基于混沌激光產(chǎn)生隨機數(shù)的系統(tǒng)中，穩(wěn)定性已經(jīng)成為隨機數(shù)產(chǎn)品化的一個阻礙；而如何消除混沌激光的周期性已成為一個科學的命

4、題。
　　 本文是以帶有外腔反饋的半導體激光器產(chǎn)生的混沌激光作為物理熵源，以模擬和實驗相結合的方法，研究了隨機數(shù)發(fā)生器的狀態(tài)特性，對于混沌激光器對初值敏感這一條件提出相應的解決方案，基于模擬信號差分方法，提出了魯棒的隨機數(shù)發(fā)生器的方案；基于數(shù)字信號的處理，提出了循環(huán)異或處理方法，消除了由于混沌半導體激光器的外腔引入到隨機序列中的周期性。具體工作如下：
　　 1.在課題組現(xiàn)有成果的基礎上，分析了半導體激光器的在不同外界條件

5、下的動態(tài)特性變化趨勢，比如信號的頻譜隨注入電流的變化，信號的頻譜隨反饋強度的變化，確定了用來產(chǎn)生隨機數(shù)的混沌激光的最佳條件，結果表明：在狀態(tài)允許的條件下，注入電流和反饋強度越大所產(chǎn)生的混沌信號頻譜越平坦，相應產(chǎn)生的隨機數(shù)的更加容易通過隨機數(shù)統(tǒng)計測試標準。
　　 2.確定了混沌激光時序時間相關性，在相關時間之外，利用模擬信號差分的方法，消除了混沌時序的波動對隨機序列的影響，也就是說此方法可以抵抗各種外界條件對混沌時序的干擾，進而提