基于混沌激光的多位物理隨機數(shù)高速產(chǎn)生技術(shù)研究.pdf

1、隨機數(shù)在科學計算、身份識別、雷達測距、信息安全等領域有著廣泛而重要的應用。特別是在保密通信中，隨機數(shù)作為密鑰對明文信息進行加密，其可靠性關(guān)系到國家安全、商業(yè)金融、個人隱私等諸多方面。根據(jù)信息論鼻祖香農(nóng)提出的“一次一密”理論，要保障通信的絕對安全，首先須產(chǎn)生不低于通信速率的真隨機數(shù)。
　　通常，以產(chǎn)生方式的不同將隨機數(shù)劃分為兩大類一偽隨機數(shù)和物理隨機數(shù)。基于算法產(chǎn)生的偽隨機數(shù)速率可達數(shù)十Gbps，但是其固有周期性令它無法滿足絕對保密

2、通信的要求。自然界中無規(guī)律的物理隨機現(xiàn)象具有不可重復及不可預測的特性，是提取真正安全隨機數(shù)（物理隨機數(shù)）的理想熵源。已有物理隨機數(shù)產(chǎn)品所使用的熵源包括單光子、電阻熱噪聲、散彈噪聲、混沌電路、振蕩器抖動等。然而，上述物理熵源的帶寬處于MHz水平，導致其產(chǎn)生的隨機數(shù)速率受限于M bps量級，與當前高速通信速率相去甚遠。
　　混沌激光是一種具有寬頻譜特性的復雜信號，信號強度在時域上呈現(xiàn)強烈的隨機起伏變化，適用于高速物理隨機數(shù)的產(chǎn)生。目前

3、，基于混沌激光的隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)普遍是利用光電探測器先將混沌激光轉(zhuǎn)化為電信號，而后在電域中由電時鐘驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)對混沌電信號進行采樣、量化，結(jié)合后處理邏輯器件進一步完成隨機數(shù)速率的提高和性能的優(yōu)化。大量理論證明顯示，采用這種技術(shù)產(chǎn)生的物理隨機數(shù)等效理論速率可達Tbps量級。然而，必須注意到的是，在實際實現(xiàn)過程中，受限于電時鐘的“電子抖動速率瓶頸”，基于混沌激光的物理隨機數(shù)實時產(chǎn)生速率尚未突破5 Gbps。
　　針對這一問題

4、，我們提出全光采樣混沌激光結(jié)合多位比較量化的技術(shù)方案來產(chǎn)生高速物理隨機數(shù)。具體地，在全光域完成混沌激光的采樣過程，以主動鎖模激光器輸出的超短光脈沖作為控制時鐘光，觸發(fā)太赫茲光非對稱解復用器(TOAD)結(jié)構(gòu)的全光采樣門，在時鐘到達時刻采樣混沌信號光，使連續(xù)的混沌信號光轉(zhuǎn)化為等間隔的混沌光脈沖序列。繼而，采用多位比較器（等同于不含“采樣-保持”電路的多位ADC)對采樣后的混沌脈沖進行量化，通過合理選取量化結(jié)果的最低有效位數(shù)，可直接產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)物

5、理隨機數(shù)。本方法無需復雜的邏輯后處理過程，所得物理隨機數(shù)速率由光采樣率和所取量化結(jié)果有效位數(shù)的乘積決定。對于上述方案中的關(guān)鍵技術(shù)問題，進行了如下研究工作：
　　1.為了優(yōu)化混沌激光熵源特性以產(chǎn)生高質(zhì)量的物理隨機數(shù)，實驗分析了抑制混沌激光時延特征的關(guān)鍵參數(shù)，確定了單腔反饋半導體激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生混沌激光的最優(yōu)參數(shù)空間。進一步，構(gòu)建了單反饋混沌激光注入從激光器結(jié)構(gòu)，實驗產(chǎn)生了超寬帶、無時延特征的混沌激光。
　　2.搭建了 TOAD全

6、光采樣實驗系統(tǒng)。通過探究大窗口及小窗口情況下的采樣狀態(tài)，確定了采樣窗口寬度的優(yōu)選范圍。實驗上對不同波長的信號光進行采樣，證實了采樣門良好的穩(wěn)定性和高線性度。基于實驗獲取的TOAD最佳特性參數(shù)，分別實現(xiàn)了對帶寬6 GHz、11.9 G Hz混沌激光的5 GSa/s、10 G S a/s實時光采樣。
　　3.基于以上實驗研究，對超寬帶混沌激光發(fā)生裝置、TOAD全光采樣系統(tǒng)進行了集成，設計制作了混沌激光源及全光采樣器兩臺樣機。