基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置

摘要

一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置是超连续谱随机起伏脉冲熵源输出的随机起伏光脉冲序列经3dB光耦合器分为两路，一路直接接入光电平衡探测器负端，另一路先接入可调谐光延迟线后再接入光电平衡探测器正端，两路具有相对延迟的随机起伏光脉冲信号在光电平衡探测器的作用下实现减法运算，得到真随机电脉冲序列由光电平衡探测器输出，再由限幅放大器对真随机电脉冲序列进行限幅放大整形后，获得实时高速真随机数序列。本装置采用两路超连续谱随机起伏脉冲延迟后通过光电平衡探测器完成减法运算，可自适应产生无偏置真随机数，不需要设置及调节“鉴幅阈值”，通过控制参量对真随机数的码率进行实时调整，方便了不同规格通信网络的高效利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速实时真随机数产生装置，尤其是一种基于超连续谱随机起伏的自适应、高速实时真随机数产生装置。

背景技术

随机数的不可预测性在信息安全领域有着重要的应用，常应用于保密通信、身份认证以及数字签名等。另外，商业上的彩票博彩机也同样需要随机数来实现不可预测性。随机数在信息安全中的应用，本质上是以一个随机数发生器产生的随机数作为密钥，利用这个密钥序列来对明文进行加密，若这些随机数被窃听者破解，通讯双方通过公共信道传输的密文则存在被完全破解的风险。

利用算法可以产生伪随机数，但其长度有限，具有周期性；一旦采用的随机数长度过高，则会出现重复。因此，基于算法的伪随机数发生器是可预测、甚至复制的，给其在安全领域的应用带来了严重漏洞，造成信息泄露。与之不同，真随机数发生器利用物理随机现象的随机性来产生不可预测的真随机数。它是自然界随机物理过程的反映，即使提取真随机数的方法被暴露，也无法猜测其结果，从而使窃听者无法根据随机数产生机制来对随机数进行窃取，通信安全得以保证。

随着信息科学的发展，特别是激光和半导体等经典技术的不断突破，人们对于基于光学系统实现真随机数产生的方案进行了深入的研究。目前普遍采用的方法是利用宽带光源作为物理熵源，然后通过光电探测器将光源信号转换为电信号，利用电ADC在电域中对电信号进行“采样”和“量化”。通过设置一个“鉴幅阈值”，采样得到的信号的幅值高于规定的“鉴幅阈值”，输出1；否则，输出0。

常用的宽带光源包括：单光子、ASE自发辐射噪声、真空态以及混沌激光等。例如：2008年，日本埼玉大学A. Uchida课题组利用混沌激光和1位ADC量化技术，实现了实时速率达1.7 Gbps的物理随机序列的产生[Uchida A, Amano K, Inoue M, et al. Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers[J]. Nature Photonics, 2008, 2(12): 728-732.]。申请人所在课题组也在此方法基础上利用激光混沌作构建了速率可达4.5 Gbps的实时真随机数发生器 [Wang A, Li P, Zhang J, et al. 4.5 Gbps high-speed real-time physical random bit generator[J]. Optics express, 2013, 21(17): 20452-20462.]。这也是截至目前为止，已实现的实时速率最快的真随机数发生器。

随后人们提出了利用多位ADC产生真随机数的方案，产生速率推进至几百Gbps、甚至Tbps量级。例如：2009年，以色列巴伊兰大学I. Kanter课题组利用激光混沌熵源和8位ADC量化技术，产生了12.5 Gbps的随机数 [Reidler I, Aviad Y, Rosenbluh M, et al. Ultrahigh-speed random number generation based on a chaotic semiconductor laser[J]. Physical review letters, 2009, 103(2): 024102.)；2010年，该课题组将速率提高至300 Gbps [Kanter I, Aviad Y, Reidler I, et al. An optical ultrafast random bit generator[J]. Nature Photonics, 2010, 4(1): 58-61.)。2015年，日本埼玉大学A. Uchida课题组利用两路带宽增强型混沌激光和8位ADC量化技术将速率进一步提升1 Tbps [Sakuraba R, Iwakawa K, Kanno K, et al. Tb/s physical random bit generation with bandwidth-enhanced chaos in three-cascaded semiconductor lasers.[J]. Optics Express, 2015, 23(2):1470-1490. ]。然而, 这些基于多位ADC的方案在实现过程中是将熵源信号的波形存储下来而后，经过离线的后续处理算法（如高阶差分等）所得到的理论预期，并未能够实时产生。

总之，截至目前为止，真随机数发生器的实时产生速率最快仅仅为4.5 Gbps。

限制真随机数发生器实时产生速率提高的主要因素来自于两个方面。第一，其随机数提取用的核心器件——电ADC——需要外部射频时钟的激励，但受限于射频时钟的电子抖动和比较器模糊，电ADC的物理带宽偏低。例如，当前高端电子供应商ADI公司出售的电ADC的物理带宽也不足 1 GHz [http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html]；第二，物理界随机信号受环境噪声影响，其幅值分布往往不对称，现有随机数提取过程中一般通过不断调节“鉴幅阈值”的方法来消除偏差，这就很难保证实时产生随机数的质量。

然而现代高速通信的通信速率已达10 Gbps，并朝着40 Gbps和100 Gbps发展，现有实时真随机码发生器的产生速率距此数据传输速率仍有相当距离，不足以彻底保证现代通信的绝对安全（注，香农的“一次一密”绝对安全保密通信要求所产生的真随机数速率不得低于通信速率）。因此，发展与当前需求相匹配的高速、实时真随机数发生器有着重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有实时真随机数技术中普遍存在的码率不足和“鉴幅阈值”需不断调节的问题，从而提供一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置。

一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置，包括超连续谱随机起伏脉冲熵源、3dB光耦合器、可调谐延迟线、光电平衡探测器和限幅放大器；其特征在于：所述超连续谱随机起伏脉冲熵源输出的随机起伏光脉冲序列经3dB光耦合器分为两路，一路直接接入光电平衡探测器负端，另一路先接入可调谐光延迟线后再接入光电平衡探测器正端，两路具有相对延迟的随机起伏光脉冲信号在光电平衡探测器的作用下实现减法运算，得到真随机电脉冲序列由光电平衡探测器输出，再由限幅放大器对真随机电脉冲序列进行限幅放大整形后，获得实时高速真随机数序列；

所述超连续谱随机起伏脉冲熵源是由主动锁模脉冲激光器、偏振控制器、脉冲光放大器、光子晶体光纤模块及光子噪声源依次通过光纤连接构成。

上述技术方案所述的一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置与现有真随机数产生技术相比，其优点与积极效果如下：

第一，本发明的真随机数产生装置以超连续谱随机起伏脉冲作为新型物理熵源，不再是传统的ASE噪声、混沌激光等。

第二，本发明的真随机数产生装置的随机数提取技术，不再涉及“采样”过程和射频时钟，从而克服了射频时钟抖动过大导致的“电子瓶颈”问题。

第三，本发明的真随机数产生装置中使用光电平衡探测器和限幅放大器来提取随机数，不再涉及电比较器和ADC。由于目前商用的平衡探测器和限幅放大器均有40GHz以上的带宽，有效解决了电子比较器和ADC面临的物理带宽过低的问题——该问题限制了真随机数的实时产生速率。

第四，本发明的真随机数产生装置采用两路超连续谱随机起伏脉冲延迟后通过光电平衡探测器完成减法运算，可自适应产生无偏置真随机数，不需要设置、更不用调节“鉴幅阈值”。

附图说明

图1是本装置的结构示意图。

图中：1：超连续谱随机起伏脉冲熵源；1a：主动锁模脉冲激光器；1b：偏振控制器；1c：脉冲光放大器；1d：光子晶体光纤模块；1e：光子噪声源；2：3dB光耦合器；3：可调谐光延迟线；4：光电平衡探测器；5：限幅放大器。

图2是本装置的脉冲光放大器处输出的光脉冲波形图和超连续谱随机起伏脉冲熵源产生的随机起伏脉冲序列的波形图。

图3是本装置的光电平衡探测器输出的真随机电脉冲序列的波形图。

具体实施方式

实施本发明上述所提供的一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置，利用超连续谱随机起伏脉冲这一新型物理熵源产生出高重复频率的超连续谱随机起伏脉冲序列，经3dB光耦合器等分为两路，通过光电平衡探测器对这两路具有相对延迟的随机起伏脉冲序列进行减法运算获得真随机电脉冲，最后通过限幅放大器整形输出高速真随机数序列，具体实施方式如下：

一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置，是由超连续谱随机起伏脉冲熵源1、3dB光耦合器2、可调谐光延迟线3、光电平衡探测器4、限幅放大器5构成。超连续谱随机起伏脉冲熵源1输出的高重复频率的超连续谱随机起伏光脉冲序列经过3dB光耦合器2分为两路，一路直接接入光电平衡探测器4负端，即“-”输入口，另一路先接入可调谐光延迟线3后接入光电平衡探测器4正端，即“+”输入口，这两路具有相对延迟的随机起伏光脉冲信号在光电平衡探测器4的作用下实现减法运算，得到的真随机电脉冲序列由平衡探测器4输出端输出，再由限幅放大器5对真随机电脉冲序列进行限幅放大整形后，可获得最终的实时高速真随机数序列。其中的超连续谱随机起伏脉冲熵源1由主动锁模脉冲激光器1a、偏振控制器1b、脉冲光放大器1c、光子晶体光纤模块1d及光子噪声源1e构成，各器件之间依次通过光纤连接。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

如附图1所述，本发明所采用的超连续谱随机起伏脉冲熵源1是主动锁模脉冲激光器1a发射的光时钟脉冲序列经偏振控制器1b后加载到脉冲光放大器1c的输入端，通过脉冲光放大器1c对光脉冲功率放大。如附图2（a）所述，是放大后的光时钟脉冲的波形图，经放大后的光时钟脉冲序列将具有高达百瓦量级的峰值功率。该高峰值功率的光时钟脉冲序列进一步入射到长度为1 km的光子晶体光纤模块1d中，由于光子晶体光纤模块1d中各种非线性效应（尤其指四波混频效应）及色散的联合作用，光时钟脉冲序列的光谱中会出现新的光谱成份，光时钟脉冲序列的光谱上将呈现强力展宽现象，即称为超连续谱。进一步，在光子噪声源1e所发射的光噪声亦注入到光子晶体光纤模块1d中，驱动出显著的调制不稳定性，经过这1 km光子晶体光纤的有效传输并增强，最终将形成频率固定、强度大幅度起伏的超连续谱随机起伏脉冲序列。如附图2（b）所述，是选取主动锁模激光器工作于重复频率40 GHz、波长为1554 nm时，所获得的最终的超连续谱随机起伏脉冲波形图。

上述超连续谱随机起伏脉冲熵源1产生的重复频率为40 GHz、峰值功率大幅度随机起伏的超连续谱随机起伏光脉冲序列经3dB光耦合器2平均分为两路，其中一路直接接入光电平衡探测器4的负端，即“-”输入口，另一路接入可调谐延迟线3然后接入光电平衡探测器4的正端，即“+”输入口，调节可调谐延迟线3使进入光电平衡探测器4的两路超连续谱随机起伏光脉冲序列之间相差15个周期间隔，所述的一个周期间隔等于超连续谱随机脉冲序列重复频率的倒数。这样，当“+”输入口的脉冲幅值大于相应的“-”输入口的脉冲幅值时，光电平衡探测器4输出正脉冲，编码为1；反之，当“+”输入口的脉冲幅值小于“-”输入口的脉冲幅值时，光电平衡探测器4输出负脉冲，编码为0。附图3所述，是光电平衡探测器4输出的真随机电脉冲序列的波形图。光电平衡探测器4输出的重复频率为40 GHz的真随机电脉冲序列，经过限幅放大器5整形，将得到幅度统一的、实时速率为40 Gbps的真随机码。这里特别指出，光电平衡探测器的引入，不再需要单独设置“鉴幅阈值”，直接解决了传统随机数提取技术中采用电ADC须设置和不断调节“鉴幅阈值”的弊端。

综上所述，实施本发明一种基于超连续谱随机起伏的自适应实时真随机数产生装置，在其运行过程中不再涉及“采样”过程和射频时钟，从而克服了射频时钟抖动过大导致的“电子瓶颈”问题；使用光电平衡探测器和限幅放大器来提取随机数，不再涉及电子比较器和ADC；有效解决了电子比较器和ADC物理带宽过低的问题，该问题限制了真随机数的实时产生速率；本发明的真随机数产生装置采用两路超连续谱随机起伏脉冲延迟后通过光电平衡探测器完成随机数的抽取，可自适应产生无偏置真随机数，不需要设置、更不用调节“鉴幅阈值”，直接解决了传统随机数提取技术中采用电ADC须设置和不断调节“鉴幅阈值”的弊端。

另外，需要指出的是，本发明所产生的真随机数的码率完全由主动锁模脉冲激光器的重复频率决定，并与之保持一致。因此，通过控制这个参量可方便地对真随机数的码率进行实时调整，方便了不同规格通信网络的高效利用。