基于高非线性光纤中的非线性效应产生全光随机数

摘要

随机数在信息安全、科学计算、商业金融等领域都有着广泛的应用，尤其是在以密码学为核心的信息安全领域，随机数的质量直接关系着信息的安全传输。随机数按其产生方式可分为:伪随机数和物理随机数。伪随机数是由种子通过一定的确定性算法软件处理生成的。物理随机数是应用自然界的物理熵源，如电阻热噪声、振荡器的频率抖动、光子噪声，放大的自发辐射噪声、混沌激光等，经过电子器件处理实现的。其中，混沌激光由于对初始条件的高度敏感、高带宽等因素，受到了广泛的关注。混沌激光作为物理熵源，采用多位模数转换以及后续串并的方式可以得到上百Gbit/s的物理真随机数，但其后续操作采用软件处理实现，单路速率仍受限于电子器件瓶颈限制，且面对目前高速发展的全光通信网络，应用过程中需要光-电、电-光转换，严重影响信息处理速度、工程成本高。我们实验小组针对电子瓶颈这一问题提出了全光随机数产生方案，可以更好的兼容于高速全光通信网络，且方案中采用的是1位模数转换方式，随机数速率最高为10Gbit/s。
　　 本文的主要内容概括如下:
　　 1.首先主要介绍随机数的应用以及随机数发生器的研究进展，分析目前已有随机数发生器的优缺点，指明研究全光随机数的重要性和意义;其次着重介绍我们课题组近年来提出的全光随机数方案;最后介绍目前已有的全光采样技术，并结合混沌激光特性，对混沌激光全光采样的可行性进行分析。
　　 2.针对混沌光信号偏振态随机起伏以及相干性差，提出了基于高非线性光纤中四波混频效应实现对混沌激光偏振不敏感的采样方案。结合混沌源的特性以及四波混频的相位匹配条件，理论分析并确定抽运光的波长、功率、重复速率、光纤长度等参数，使得四波混频采样效率达到最佳。并对波长1550nm，功率范围0-10mw的混沌激光进行采样，实现对混沌激光的四波混频偏振不敏感采样，采样速率为5Gbit/s，该结果为实验上进一步实现混沌激光的采样提供了一定的理论依据。
　　 3.提出一种基于高非线性光纤中的非线性效应产生全光随机数的新方案，并数值实现真随机数的产生。该方案主要采用超宽带混沌激光作为物理熵源，利用高非线性光纤中的四波混频效应和交叉相位调制对混沌激光进行全光采样，全光比较和全光异或处理，最终数值产生10Gbit/s的真随机数，并通过了NIST测试标准。整个方案都是在全光领域中进行，克服了电子器件的瓶颈问题，更好的兼容于目前高速全光通信网络。
　　 4.总结和对未来工作的展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 随机数简介

1．1．1 伪随机数发生器介绍

1．1．2 真随机数发生器介绍及分类

1．2 基于混沌激光产生物理随机数研究进展

1．2．1 混沌激光特性

1．2．2 基于混沌激光产生电随机数研究进展

1．2．3 基于混沌光的全光随机数发生器研究进展

1．3 全光采样技术分析

1．4 本文的研究目标和主要内容

第二章 基于高非线性光纤中的四波混频效应实现对混沌信号的全光采样

2．1 引言

2．2 采样原理

2．3 宽带混沌信号的严生

2．4 混沌光的四波混频采样

2．4．1 四波混频原理

2．4．2 数值模拟与结果

2．5 本章小结

第三章 基于光纤非线性效应产生全光随机数

3．1 引言

3．2 全光随机数发生器原理

3．3 全光比较原理

3．4 全光异或原理

3．5 仿真结果与随机数测试

3．6 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文