一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法
【專利摘要】一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法是利用光學設(shè)備產(chǎn)生出超短脈沖序列，并進行光譜切割獲得窄帶超短脈沖序列，后進行功率調(diào)節(jié)使每路序列的平均功率相等，再轉(zhuǎn)換成不同脈沖狀態(tài)，然后對 N 路并行真隨機碼實施等差延時，使相鄰兩路真隨機脈沖序列之間存在相等延遲量，最后時分復用形成碼率為 N × f 的超快全光真隨機數(shù)序列。本方法采用時分復用技術(shù)產(chǎn)生高速真隨機數(shù)，降低了對熵源帶寬的要求，其速率可達Tbps量級，比現(xiàn)有真隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)的速率提高了3個數(shù)量級，滿足了現(xiàn)代高速保密通信安全的需要。
【專利說明】一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，屬于信息【技術(shù)領(lǐng)域】，它是一種產(chǎn)生超高碼率真隨機數(shù)序列的方法，主要應用在保密通信及大規(guī)模并行計算中，用來快速產(chǎn)生安全可靠的真隨機數(shù)或密鑰。

【背景技術(shù)】
[0002]在保密通信領(lǐng)域，快速產(chǎn)生安全可靠的隨機數(shù)(又稱為密鑰),關(guān)系到國防安全、金融穩(wěn)定、商業(yè)機密、個人隱私等眾多方面。
[0003]在保密通信中，一般利用隨機數(shù)作為密鑰對明文信息進行加密，只要密鑰不被破解，就保證了所傳輸信息的安全。根據(jù)香農(nóng)的“一次一密”理論，絕對安全的保密通信需滿足以下條件:(1)密鑰長度不短于明文長度:(2)密鑰是完全隨機的^3)密鑰不能重復使用。這就要求產(chǎn)生大量碼率不低于通信速率的真隨機數(shù)。
[0004]現(xiàn)有真隨機數(shù)產(chǎn)生方法一般采用寬帶光子源作為物理熵源，通過光電探測器將其發(fā)射的隨機信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化后，最終產(chǎn)生高速真隨機碼。常用的寬帶光子源包括:單光子、八32自發(fā)輻射噪聲、真空態(tài)以及混沌激光等。但是，截至目前，當前國際上真隨機數(shù)產(chǎn)生方法能實現(xiàn)的最高速率僅4.5 6131)82耶1~688，21(17):20452-20462，2013]——該方法是由發(fā)明人所在課題組實現(xiàn)。要進一步獲取更高速率的真隨機數(shù)，將需選用超高速的電八IX:進行量化編碼，這勢必面臨“電子速率瓶頸”的限制。目前響應帶寬最高的電八IX:當屬日本富士通公司的⑶^13八IX:，其帶寬可達15如2，已幾乎接近電子帶寬理論極限。也就意味著，利用上述傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置及其方法，技術(shù)上可實現(xiàn)的最快速率只能處于十(?%量級。
[0005]但是，現(xiàn)代高速通信已經(jīng)發(fā)展到了密集波分復用階段。密集波分復用系統(tǒng)的應用使得當前信號傳輸速率可達1 1^8，迫切需要發(fā)展與之相匹配的碼率處于1?%量級的真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，以確保信息傳輸?shù)慕^對安全。當前的真隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)距此碼率仍有相當距離，遠不足以保證現(xiàn)代通信的絕對安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的提供一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中普遍存在的碼率不足等問題，適用現(xiàn)代保密通信及大規(guī)模并行計算。
[0007]上述目的通過如下技術(shù)方案得以實現(xiàn)。
[0008]一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述方法是按下列步驟進行的:
(1)利用依次相連的主動鎖模脈沖激光器、脈沖光放大器、高非線性色散位移光纖和反常色散光纖產(chǎn)生出具有超寬光譜？、重復頻率/固定、峰值功率大幅度起伏的超短脈沖序列；
(2)利用陣列波導光柵對步驟一獲得的超短脈沖序列進行光譜切割，從而獲得#路獨立無關(guān)、重復頻率/'固定、峰值功率大幅度起伏的窄帶超短脈沖序列； (3)利用#個光強調(diào)節(jié)設(shè)備對步驟二中產(chǎn)生的#路窄帶超短脈沖序列進行功率上的調(diào)節(jié)，使每路序列的平均功率相等；
(4)利用#個全光編碼設(shè)備將步驟三中產(chǎn)生的#路窄帶短脈沖序列的峰值功率起伏轉(zhuǎn)換成不同脈沖狀態(tài):峰值功率大于平均功率的，有脈沖輸出，編碼為1 ；峰值功率低于平均功率的，無脈沖輸出，編碼為0。這樣就實現(xiàn)了重復頻率為/的#路并行全光真隨機碼的產(chǎn)生，經(jīng)#個光帶通濾波元件濾出。
[0009](5)利用#段延遲光纖對上述#路并行真隨機碼實施等差延時，使相鄰兩路真隨機脈沖序列之間存在相等延遲量1//見最后進時分復用形成碼率為1X7的超快全光真隨機數(shù)序列。
[0010]進一步的附加技術(shù)特征如下。
[0011]所述？的取值范圍為1300咖?200011111。
[0012]所述/的取值為10(^2。
[0013]所述#的取值為100。
[0014]實現(xiàn)本發(fā)明上述所提供的一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，與在先真隨機數(shù)產(chǎn)生方法相比，其優(yōu)點與積極效果在于:
第一，本發(fā)明首次采用時分復用技術(shù)產(chǎn)生高速真隨機數(shù)，降低了對熵源帶寬的要求，其速率可達1如8量級，比現(xiàn)有真隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)的速率高了 3個數(shù)量級，滿足了現(xiàn)代高速保密通信的安全需要。
[0015]第二，本發(fā)明的真隨機數(shù)產(chǎn)生方法中不包含采樣模塊，克服了現(xiàn)有技術(shù)因采樣過程導致的信號失真帶來的附加結(jié)構(gòu)問題。
[0016]第三，本發(fā)明的真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置的信號處理過程均在光域中進行，不需要任何光電轉(zhuǎn)換裝置及電子模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，突破了 “電子瓶頸”的限制。
[0017]第四，本發(fā)明的真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置可與光網(wǎng)絡(luò)直接兼容，無需任何外部調(diào)制器，克服了現(xiàn)有隨機數(shù)發(fā)生器應用于光通信網(wǎng)絡(luò)時的技術(shù)局限。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法的流程圖。
[0019]圖2是具體實施例中全光量化器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:1:主動鎖模脈沖激光器；2:脈沖光放大器；23:3(18耦合器I ；213:光隔離器I ；20:光隔離器I1:2(1:耦合器I ；26:耦合器11:2/:波分復用器；28:高非線性光子晶體光纖；211:3(18稱合器II。3:高非線性色散位移光纖；4:反常色散光纖；5:陣列波導光柵；6:光衰減器陣列；7:全光比較器陣列；8:連續(xù)光激光器；9:光濾波器陣列；10:光延遲線陣列；11 4X1光耦合器。

【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步的說明，但該實施實例不應理解為對本發(fā)明的限制。
[0023]實施本發(fā)明上述提供的一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述方法是按下列步驟進行的:
步驟一、主動鎖模脈沖激光器輸出的脈寬約1.7%、重復頻率/ =10如2、波長為155011111的超短光脈沖序列，經(jīng)脈沖光放大器作用后，其峰值功率可以增大到2欣。以該超短脈沖信號作為泵浦源經(jīng)保偏光纖進入到一段長5 II1、非線性系數(shù)為25/1/匕高非線性色散位移光纖，零色散點位于1550 11111處，受高非線性色散位移光纖中自聚集、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻和受激拉曼散射等效應的共同作用，泵浦脈沖的光譜中會產(chǎn)生許多新的頻率成分，使得輸出脈沖序列的光譜寬度遠大于入射脈沖的譜寬，最終得到譜寬可達130011111的超短脈沖序列信號。
[0024]由于噪聲信號的存在，此時的超寬光譜？=1300 11111、重復頻率/=10如2的超短脈沖序列峰值強度會有微弱起伏，但遠不足以滿足后續(xù)量化系統(tǒng)的要求。為了進一步增強上述超短光脈沖峰值強度的起伏，這里引入了一段長10 III的反常色散光纖。超連續(xù)譜光脈沖信號在反常色散光纖傳輸過程中，噪聲驅(qū)動的調(diào)制不穩(wěn)定性將起主導作用，致使超連續(xù)譜光脈沖的穩(wěn)定性劣化，脈沖峰值強度呈現(xiàn)出強烈的起伏。這樣就實現(xiàn)了本發(fā)明的第一個步驟，獲得了具有超寬光譜？、重復頻率/固定、峰值功率大幅度起伏的超短脈沖序列(見圖0。具體到本實施例，此峰值功率大幅度起伏的超短脈沖序列中脈沖的寬度約1 %、5=1300 11111、
/=10 詘2。
[0025]步驟二、利用通道間隔為10鹽、通道數(shù)#=100路的陣列波導光柵對上述重復頻率10如2、峰值強度大幅度隨機起伏的超短光脈沖序列進行光譜切割，可分離出#=100路的窄帶超短脈沖序列。該序列遺傳了步驟一種超寬光譜超短脈沖序列的高重頻及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之間相互獨立。這里特別指出，#=100路窄帶超短脈沖序列相互之間完全獨立的本質(zhì)原因，在于步驟一中超寬光譜超短脈沖序列隨機起伏起源于量子獨立的激光自發(fā)輻射噪聲且步驟二中所選陣列波導光柵各個輸出通道光譜上無重疊。這就實現(xiàn)了本發(fā)明的第二個步驟(見圖0。具體到本實施例，此步驟產(chǎn)生的獨立無關(guān)、窄帶超短脈沖序列的路數(shù)#100路、每路的重復頻率/=10如2、脈寬為1.0 %且峰值功率大幅度隨機起伏。
[0026]步驟三、利用#個并行排列的光衰減器對步驟二產(chǎn)生的#=100路的獨立無關(guān)、窄帶超短脈沖序列進行光強的調(diào)節(jié)，使得各個脈沖序列的平均功率均相等，記作
[0027]步驟四、將步驟三中最終獲得的#=100路的超短脈沖序列作為子隨機數(shù)提取源，輸入各自對應的#=100個全光比較器，量化為#路獨立的高速真隨機脈沖序列，經(jīng)各自對應的#個光帶通濾波器濾出。本實施例中，#個全光比較器是完全相同的裝置，工作過程亦相同。因此，下面將隨機抽取其中一個全光比較器為例，對#路高速真隨機脈沖序列的產(chǎn)生過程予以詳細說明。
[0028]附圖2是本實施例中全光比較器的詳細結(jié)構(gòu)示意圖，其中XX為輸入端、8為輸出端。由八端口輸入的窄帶超短脈沖序列，作為控制光I經(jīng)過附圖2中的波分復用器2/進入環(huán)路。連續(xù)光激光器輸出的連續(xù)光信號作為探測光通過3(18耦合器I 23等分成兩路，分別稱其為上臂、下臂兩路。上臂連續(xù)光信號經(jīng)光隔離器I 26通過耦合器I 2(1分成兩路:一路連續(xù)光信號II通過耦合器I 2(1直通臂向前傳輸，另一路連續(xù)光信號III則通過耦合器I2(1的耦合臂進入高非線性光子晶體光纖況構(gòu)成的環(huán)路中，與控制光信號I同向傳輸。傳輸過程中，連續(xù)光信號III相位受到信號線性相移，自相位調(diào)制以及與控制光之間的交叉相位調(diào)制的影響。連續(xù)光信號III在環(huán)路里傳輸一周后與信號II在耦合器I 2(1疊加形成新的光場信號IV ；同理，下臂連續(xù)信號經(jīng)光隔離器II 20通過耦合器26分成兩路:一路連續(xù)光信號V通過耦合器II 26的直通臂向前傳輸，另一路連續(xù)光信號VI高非線性光子晶體光纖28構(gòu)成的環(huán)路中，與控制光信號I逆向傳輸。此時連續(xù)光信號VI與控制光I之間的交叉相位調(diào)制效應可忽略，連續(xù)光信號VI相位只受到信號線性相移以及自相位調(diào)制的影響。連續(xù)光信號VI在環(huán)路里傳輸一周后與直通臂中的信號V在耦合器II 26疊加形成新的光場信號VII。最后，新生光場信號IV與信號VII在另一 3(18耦合器II 2卜處干涉由端口 8輸出。從而，實現(xiàn)對八端口輸入的窄帶子光脈沖序列的全光量化處理。
[0029]詳細的定量分析為:上、下臂連續(xù)光信號I1、III在高非線性光子晶體光纖環(huán)形腔中受到的非線性效應的差異會使得兩路光信號之間產(chǎn)生相位差。連續(xù)光信號II1、7與11、VI在光耦合器I 2(1、光耦合器II 26疊加產(chǎn)生新的光場IV、VII的相位分別可以表示為:0 0 0+6 31 /7^/ ^ ^ ^+4 31^ 4 ^ 少犯二少 0+6乂 6打。這里，少 0和』分別是上、下兩臂連續(xù)光信號的線性相移及波長，人仏及則是高非線性光子晶體光纖況構(gòu)成的環(huán)形腔的長度、非線性折射率及發(fā)生非線性效應的有效橫截面積?？紤]到光耦合器I 2(1和光耦合器II 26的耦合系數(shù)均為新生光場17111耦合輸出時的有效相位差八公#可以表達為:
從而，當新的光場IV、VII在3-(18耦合器II 2卜處干涉輸出時，透射率7將可以表達為7=0-008(八公砠”/2。合理選擇光耦合器2么26的耦合系數(shù)均為6可以使得有效相位差也實現(xiàn)了 “0”、“ 1 ”的跳變，由光路干涉透射率7^1-(308(八氣公式知，輸出端口8處的透射率將實現(xiàn)0和1之間的跳變:當透射率為0時，無脈沖輸出，產(chǎn)生“0”碼；當透射率為“ 1 ”時，有脈沖輸出且輸出脈沖功率恒定，產(chǎn)生“ 1 ”碼。
[0030]本實施例中，所選用的高非線性光子晶體光纖的長度八非線性折射率/及發(fā)生非線性效應的有效橫截面積兒打分別是0.2 111,4.95X 10—19 ^2/!和10 ^爪2，所選用的光耦合器2么26的耦合系數(shù)^均為0.99。此時，全光比較器的透射傳遞函數(shù)是一方波函數(shù)，具有陡峭的比較閾值1^=32 01。當八端口輸入的窄帶子光脈沖峰值功率大于該閾值時，8輸出端有脈沖輸出，編碼為“1”；反之，8輸出端口無脈沖輸出，編碼為“0”。最后，這些全光真隨機脈沖序列經(jīng)各自對應的#個相同的光帶通濾波器濾出。本實施例中，各個帶通濾波器的中心波長與連續(xù)光激光器一致。這里指出，經(jīng)過全光比較器單元作用后產(chǎn)生的重頻106取、脈寬1 的全光真隨機脈沖序列，該重復頻率由步驟一中的超短脈沖序列重復頻率/決定。
[0031]步驟五:利用延遲光纖陣列中的#段延遲光纖對上述真隨機脈沖序列進行等差延遲。這里指出，各個延遲光纖單元分別具有不同的延遲光纖長度，每段之間相差1/1/=1/(100^10 6^)=1 ？8。也就是說，第一段延遲光纖對應光纖的延遲時間為1 ？8，第二段延遲光纖的延遲時間為2 ？8，第三段延遲光纖延遲時間為3 1)8,……。以此類推，第#100段延遲光纖的延遲時間為100 口8。
[0032]上述#=100路、重頻率為/=10 (^、彼此之間時延差為1 %的全光真隨機脈沖序列進入1X1光耦合的#=100個輸入端，時分復用形成了 #/=100^ 10 6^=11?的超高速全光真隨機碼沖序列，由XX 1光|禹合的輸出端輸出。
[0033]最后，需要特別指出的是，并非隨意兩個隨機碼序列進行時分復用獲得的高速隨機碼，均是真隨機碼。只有滿足互不相關(guān)和統(tǒng)計獨立的多個真隨機碼序列時分復用后得到的超高速隨機碼序列才能通過隨機數(shù)行業(yè)測試。本實施例中獲得的這100路全光真隨機碼序列能夠滿足互不相關(guān)和統(tǒng)計獨立條件，主要得益于步驟一。每一路隨機碼對應著超寬光譜脈沖的不同頻譜成分，這些頻譜成分彼此之間不重疊，均起源于量子不確定性的的自發(fā)輻射噪聲，因而它們彼此之間完全獨立、互不相關(guān)。
[0034]實現(xiàn)上述全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法的全光真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置的直接構(gòu)成關(guān)系如下:
一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生裝置如圖3所示，該裝置是在一保偏光纖中依次設(shè)置有主動鎖模脈沖激光器1、脈沖光放大器2、高非線性色散位移光纖3和反常色散光纖4，構(gòu)成超連續(xù)譜熵源；
所述超連續(xù)譜熵源輸出的重復頻率為/的脈沖序列經(jīng)陣列波導光柵5被切割產(chǎn)生出#路窄帶子光脈沖序列，后進入光衰減器陣列6中進行調(diào)節(jié)，后經(jīng)#路光纖與連續(xù)光激光器8輸出的#路連續(xù)光信號同時進入全光比較器陣列7量化成#路高速真隨機脈沖序列，并由光濾波器陣列9濾出，再經(jīng)#路光纖進入光纖延遲線陣列10作用，使相鄰兩路真隨機脈沖序列之間存在相等延遲量1//見最后進入1X1光耦合器11中時分復用，形成碼率為1X7的超快全光真隨機數(shù)序列。
[0035]在上述技術(shù)方案中，所述超連續(xù)譜熵源的脈沖序列中的/ = 10如2；所述陣列波導光柵5是由#個輸出波長通道構(gòu)成；所述光衰減器陣列6是由#個光衰減器并列構(gòu)成；所述全光比較器陣列7是由#個相同的全光比較器并列構(gòu)成；所述光濾波器陣列9是由#個相同的光濾波器并列構(gòu)成；所述#的取值是100。
【權(quán)利要求】
1.一種超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述方法是按下列步驟進行的: (1)利用依次相連的主動鎖模脈沖激光器、脈沖光放大器、高非線性色散位移光纖和反常色散光纖產(chǎn)生出具有超寬光譜F、重復頻率/固定、峰值功率大幅度起伏的超短脈沖序列； (2)利用陣列波導光柵對步驟一獲得的超短脈沖序列進行光譜切割，從而獲得#路獨立無關(guān)、重復頻率f固定、峰值功率大幅度起伏的窄帶超短脈沖序列； (3)利用#個光強調(diào)節(jié)設(shè)備對步驟二中產(chǎn)生的#路窄帶超短脈沖序列進行功率上的調(diào)節(jié)，使每路序列的平均功率相等； (4)利用#個全光編碼設(shè)備將步驟三中產(chǎn)生的#路窄帶短脈沖序列的峰值功率起伏轉(zhuǎn)換成不同脈沖狀態(tài):峰值功率大于平均功率的，有脈沖輸出，編碼為I ;峰值功率低于平均功率的，無脈沖輸出，編碼為O ;這樣就實現(xiàn)了重復頻率為/的#路并行全光真隨機碼的產(chǎn)生，經(jīng)#個光帶通濾波元件濾出； (5)利用#段延遲光纖對上述#路并行真隨機碼實施等差延時，使相鄰兩路真隨機脈沖序列之間存在相等延遲量卿,最后進時分復用形成碼率為證的超快全光真隨機數(shù)序列。
2.如權(quán)利要求1所述的超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述F的取值范圍為1300nm?2000nm。
3.如權(quán)利要求1所述的超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述/的取值為10GHz0
4.如權(quán)利要求1所述的超快全光真隨機數(shù)產(chǎn)生方法，其所述#的取值為100。
【文檔編號】G06F7/58GK104461455SQ201410829731
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】王云才, 李璞, 王冰潔, 張建忠, 張明江, 王安幫, 張建國 申請人:太原理工大學