一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置

摘要

一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置是驱动电流源将周期性电信号加载到垂直腔面激光器，并周期性地打开和关闭垂直腔面激光器得到周期性激光信号；噪声信号源将噪声信号加载到垂直腔面发射激光器，对周期性的电信号幅度形成微弱扰动，使垂直腔面发射激光器周期性地随机保持在x或y偏振模式上；垂直腔面发射激光器所发出的随机偏振激光经偏振控制器进入偏振分束器，调节偏振控制器使偏振激光与偏振分束器中晶体的两个正交基矢方向一致，偏振激光将以两个正交基矢方向为基准分为两路：一路输出x偏振激光，另一路输出y偏振激光，两路单一偏振模式的激光信号，即为两路互补的真随机密码序列。本装置响应时间高达100 fs，具有实时产生数十乃至数百Gbit/s的真随机密码能力，确保了数字通信安全。

说明书

技术领域

本发明与一种真随机密码发生装置有关，尤其是一种垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，适用于密码学、光通信、信息安全等领域。

背景技术

随着数字通信的高速发展，尤其是大数据时代的到来，信息被非法截取和数据库资料被窃的事件屡屡发生。如何保障通信安全变得异常重要，关系到国家安全、金融稳定、个人隐私等诸多方面。

信息论鼻祖香农(Shannon)的“一次一密”加密理论研究证明：只有保证密码是完全随机的，并与所要加密的信息长度一致，且只使用一次，那么该通信将是绝对安全的。在现代数字通信中，光纤通信波分复用(WDM)系统的广泛采用使得单信道数据传输速率已达10 Gb/s，并正向40 Gb/s 发展。要实现这种绝对安全的“一次一密”保密方案，就要求与通信速率相匹配的高速的、完全随机密码的“实时”产生。

按照产生机理，随机密码可分为伪随机密码和真随机密码两大类。伪随机密码是由一个初始种子经确定的算法迭代产生，速率可达数十Gbit/s，但是具有周期性。一旦获得了种子和算法，窃听者就可以对其进行预测、甚至复制，因此伪随机密码无法满足信息安全的需求。真随机密码则是从随机物理现象（又称物理熵源）中提取出来的，具有天然的完全不可预测性，能满足安全通信对随机码不可预测性的要求。然而，传统的真随机密码发生器所利用的物理熵源主要是单光子、电阻热噪声、散弹噪声等，受限于这些物理熵源带宽，其码率仅在 Mbit/s量级，距离现代高速通信的安全需求有很大差距。

近年来，具有高带宽特性的混沌激光、超辐射发光二极管等光子物理熵源受到了广泛关注，被用于产生高速真随机密码。基于这类新型物理熵源的真随机密码发生设备一般是通过光电探测器将光子物理熵源发出的光信号转换为电信号，继而在电域中利用1位或多位模数转换器（ADC）及逻辑器件等对信号进行采样、量化和复杂后处理来产生真随机密码。截至目前，本发明人所在课题组利用激光混沌所构建的速率达4.5 Gbit/s真随机密码发生器[Opt. Express, 21(17): 20452-20462, 2013]，是当前国际上“实时”速率最快的真随机密码产生装置。

要想利用现有技术产生更高速的真随机密码，势必会受到各种电子器件“速率瓶颈”的限制。例如，当前高端电子ADC供应商ADI公司出售的电子ADC的物理带宽多数处于5 GHz以下 [http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html]。第二，基于现有技术产生真随机密码的装置结构异常复杂，因而其稳定性受外界环境影响较大，不利于实际应用。例如，混沌激光器一般由DFB激光器、光偏振控制器、光反射镜、光耦合器、光环行器、光隔离器、恒定电流源和温度控制器等构建而成；进行随机密码提取时，装置中需要继续引入光电探测器、电ADC、电时钟、电触发器、电延迟线及异或门等；有些方案甚至需要用到FPGA、移位寄存器、缓存器等后续处理逻辑器件。第三，如此复杂的结构提高了整个装置的经济成本，并对硬件实现提出了极其严苛的要求。尤其，在Gbit/s量级的如此高的工作速率下，如何保持如此众多电子器件之间的严格同步是又一个技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，用于解决现有真随机密码产生技术的结构复杂和实时码率不足问题，用于现代密码学、高速光通信及保密通信等领域。

为了解决上述问题以及实现上述目的，本发明采取的措施如下。

一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，包括驱动电流源、噪声信号源、垂直腔面发射激光器、偏振控制器和偏振分束器；其特征在于：所述驱动电流源输出周期性电信号加载到所述垂直腔面激光器上，周期性地打开和关闭所述垂直腔面激光器，从而得到周期性激光信号；所述噪声信号源发出的电噪声信号亦加载到所述垂直腔面发射激光器上，对周期性电信号的幅度形成微弱扰动，使所述垂直腔面发射激光器周期性发射的激光每个周期内随机保持在x或y偏振模式上；所述垂直腔面发射激光器所发出的随机偏振激光经所述偏振控制器进入所述偏振分束器，调节所述偏振控制器使偏振激光与所述偏振分束器中晶体的两个正交基矢方向一致，从而所述垂直腔面发射激光器所发出的随机偏振激光将以两个正交基矢方向为基准分为两路：一路只输出x偏振激光，而另一路则输出y偏振激光，两路单一偏振模式的激光信号，即为两路互补的真随机密码序列。

基于上述技术方案，进一步的技术特征如下。

所述驱动电流源输出的周期性信号是方波；所述周期性信号的幅度使垂直腔面发射激光器工作在偏振开关模式竞争区；所述垂直腔面发射激光器是量子点垂直腔面发射激光器。

所述真随机密码序列的码元宽度等于驱动电流源输出信号的一个周期。

所述真随机密码序列中有激光激射的码元规定为1码，无激光激射的码元规定为0码。

本发明上述所提供的一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，与在先真随机码产生技术相比，其优点与积极效果如下。

本装置首次将垂直腔面发射激光器的偏振开关模式竞争特性应用于真随机密码产生，开创了一个垂直腔面发射激光器的崭新应用领域。

本装置运行过程中不涉及电子ADC等用于采样、量化及编码的电子设备，有效规避了在先技术在随机密码产生过程中遭遇的“电子速率瓶颈”问题。

本装置仅由垂直腔面发射激光器、电流源、噪声源、偏振控制器和偏振分束器构成，结构简单、体积小、易于集成，大大降低了在先高速真随机密码发生系统的结构，且不再涉及在先技术中众多电子器件，如电ADC、电时钟、触发器、异或门、缓存器和移位寄存器等之间的同步难题。

本装置所采用的垂直腔面发射激光器是量子点垂直腔面发射激光器，响应时间可达100 fs，因此具有实时产生数十、乃至数百Gbit/s的真随机密码能力，可充分保障当前数字通信的绝对安全。

附图说明

图1是本装置的结构示意图。

1：驱动电流源；2：噪声信号源；3：垂直腔面发射激光器；4：偏振控制器；5：偏振分束器。

图2是本装置的偏振激光强度随归一化偏置电流的变化曲线。

图3是本装置中驱动电流源输出周期信号的波形图及最终由偏振分束器输出的两路互补的真随机密码序列的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

本发明上述所提供的一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，是利用输出周期性的方波信号的电流源驱动垂直腔面发射激光器，使其按照固定的周期出射和关闭激光。再通过外加的噪声信号对周期性电信号进行微扰，由于偏振模式竞争，垂直腔面发射激光器所发射出激光将随机的处于x偏振态或y偏振态。继而，利用偏振分束器将两偏振态分开，可得到两路互补的、重频一致的真随机密码序列。具体实施方案如下。

如附图1所示，实施一种基于垂直腔面发射激光器的真随机密码发生装置，包括驱动电流源1、噪声信号源2、垂直腔面发射激光器3、偏振控制器4和偏振分束器5；其构成在于驱动电流源1输出周期性电信号加载到垂直腔面激光器3上，周期性地打开和关闭垂直腔面激光器3，从而得到周期性激光信号；与此同时，噪声信号源2发出的电噪声信号亦加载到垂直腔面发射激光器3上，对周期性电信号的幅度形成微弱扰动，使得垂直腔面发射激光器3周期性发射的激光每个周期内随机保持在x或y偏振模式上；垂直腔面发射激光器3所发出的随机偏振激光经偏振控制器4进入偏振分束器5，调节偏振控制器4使偏振激光与偏振分束器5中晶体的两个正交基矢方向一致，从而垂直腔面发射激光器3所发出的随机偏振激光将以两个正交基矢方向为基准分为两路：一路只输出x偏振激光，而另一路则输出y偏振激光。这两路单一偏振模式的激光信号，即为两路互补的真随机密码序列。其中所述驱动电流源1输出的周期性信号是方波；所述驱动电流源1输出的周期性信号的幅度需保证垂直腔面发射激光器3工作在偏振开关模式竞争区；所述垂直腔面发射激光器3是量子点垂直腔面发射激光器；所述真随机密码序列的码元宽度等于驱动电流源1输出信号的一个周期；所述真随机密码序列中有激光激射的码元规定为1码；所述真随机密码序列中无激光激射的码元规定为0码。

本发明中采用的量子点垂直腔面发射激光器的输出特性可利用自旋反向模型(SFM)来详细描述如下：

其中，下标x、y>E>N>n>k>γ_N>γ_S>α>γ_a>γ_p>μ为归一化注入电流强度，β_sp>ξ_x,y>α>k>-1，γ_N>-1，γ_s>-1，γ_a=0.5>-1，γ_p =30>-1，β_sp>-6>-1。这些参数，均是从商用量子点垂直腔面发射激光器中提取所得。

利用四阶龙格库塔法对上述速率方程进行数值求解，可以得到量子点垂直腔面发射激光器在恒定电流驱动下，输出两偏振模式激光信号的功率与驱动电流μ的变化关系，如附图2所示。由附图2可见，当驱动电流μ处于1.1到1.12之间时，该垂直腔面发射激光器输出的激光信号会发生偏振模式竞争，由于激光器中固有噪声的存在，最终x模式或者y模式偏振激光将胜出，并一直维持下去。上述驱动电流范围，称为偏振开关模式竞争区。

为实现真随机密码的产生，本装置采用的驱动电流源1是一个周期性方波信号，这样垂直腔面发射激光器将周期性地发射激光。驱动电流源1输出的信号幅度μ应控制在阈值电流和偏振开关模式竞争区之间，即附图2中1.0<μ>μ使总驱动电流控制在偏振开关模式竞争区，即附图2中的1.1<>μ>μ<1.12范围。这样，一个驱动电流周期到来，垂直腔面发射激光器3发一次光；继而关闭，等待下一个驱动电流周期的到来，再发光。每次垂直腔面发射激光器3发光时，由于噪声信号源2的存在，垂直腔面发射激光器3都将发生偏振模式竞争效应，最终所辐射出光的偏振模式会随机保持在y或x偏振模式上。

接着，将垂直腔面发射激光器所发射激光接入偏振控制器4，使垂直腔面发射激光器所发射激光的x和y偏振方向分别于偏振分束器5中晶体的基矢方向一致，即可将上述x和y偏振光分别提取出来，得到了两路互补的真随机密码序列，如附图3（b）和附图3（c）所示。这里，真随机密码序列的码元宽度等于驱动电流源1输出信号的一个周期，如附图3中虚线网格所示；该真随机密码序列中有激光激射的码元规定为1码；所述真随机密码序列中无激光激射的码元规定为0码。

上述实施的技术方案，与现有真随机密码产生技术相比，本发明具有三个突出的特点：第一，现有高速真随机密码产生技术先通过光电探测器将连续的随机光信号转化为电信号，然后在电域中利用电ADC对信号进行采样、量化和编码，为实现光信号的无失真转换，需要高带宽的光电探测器和电ADC，因而需要较高成本，且其实时速率受到电ADC “电子瓶颈”的限制，难以匹配当前高速通信速率。而本发明随机数提取过程中无需光电探测器和电ADC，直接在光域中，利用低成本的偏振控制器和偏振分束器等光学元件即可实现随机密码的提取，因而，完全不受电子瓶颈的影响。第二，基于现有技术产生真随机密码的装置结构复杂。例如，目前真随机数实时产生速率最快的在先技术[Opt. Express, 21(17): 20452-20462, 2013]中采用的物理熵源（即混沌激光器）一般由DFB激光器、光反射镜、光耦合器、光环行器、光隔离器、光偏振控制器、电流源和温度控制器等构建而成；随机数提取装置中需要用到光电探测器、电ADC、电触发器、电时钟、电延迟线及异或门；有些方案甚至需要用到FPGA、移位寄存器、缓存器等后续处理逻辑器件。而本发明装置，仅需要激光器、周期性电流源、噪声源、偏振控制器和偏振分束器，结构极其简单。第三，现有技术如此复杂的结构除了提高了整个装置的经济成本，而且对硬件实际构建提出了严苛的要求。特别是，在高达Gbit/s量级的工作速率下，如何保持各电子器件之间的严格同步和长时间稳定工作是一个难以逾越的技术障碍。而本发明的真随机密码提取过程中仅用到了光偏振控制器和光偏振分束器，不涉及在先技术中如此众多电子器件（如电ADC、电时钟、触发器、异或门、缓存器和移位寄存器等）之间的同步难题。

除此以外，本发明采用的物理熵源——垂直腔面发射激光器在光纤通信网络、光发射机、高速数据传输、光信息处理、光互联、光交换、光计算、处理器的快速寻址等领域具有众多应用，是当前光通信领域的主要商用光源之一，具有调制带宽高、成本低、制备技术成熟等优势。例如：美国CoreTek、Bandwidth9、UCSB、圣巴巴拉大学和加利福尼亚大学、普林斯顿光子公司，日本NTT、日立等公司是该类激光器的主要设备商。

此外，特别要指出的是：本发明打破垂直腔面发射激光器研究人员追求稳定工作的思维惯性和定式，利用垂直腔面发射激光器拥有两个偏振模式（x和y模式）和天然地偏振模式竞争特性，创新地将垂直腔面发射激光器的应用拓展到了真随机密码产生领域。

本装置结构简单，可实时产生高速真随机密码的装置，解决了现有真随机密码产生技术的结构复杂造成的同步难题和实时码率不足问题。考虑到所采用量子点垂直腔面发射激光器拥有极快的响应时间（100 fs），因此，本发明的真随机密码速率可达数十、乃至数百 Gbit/s，可充分满足现代密码学、高速光通信及保密通信等应用的需要。