一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置。通過在半導體環形激光器引入兩路交叉反饋回路，合理地調節反饋時延與反饋強度，使得半導體環形激光器輸出兩路高維混沌信號并送入兩個光電探測器；利用高速示波器采樣兩路混沌電信號，再轉化為52(或更高)比特位分辨率的浮點數混沌信號；對兩路混沌信號分別進行高階差分處理并提取多位最低有效位，最終得到雙路并行的高速隨機數。本實用新型專利技術裝置結構簡單，易于控制，不需要復雜的后續處理就能生成Tb／s量級的隨機數序列。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝
本技術涉及一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置，適用于保密通信、數字簽名和計算機模擬等領域，具體涉及一種基于交叉反饋半導體環形激光器的隨機碼產生方法。
技術介紹
隨機數有著廣泛的運用背景，如在保密通信、隨機模型、數字簽名以及高速數值模擬等領域。常見的隨機數生成器有兩種:一種是基于確定性復雜算法的偽隨機數生成器；另一種是基于某種隨機現象的物理隨機數生成器。前者速度快，但安全性低；后者安全性高，但速度只能達到Mb / s量級。已見報道表明激光混沌信號可作為物理熵源能生成高速物理隨機數。基于此類激光混沌的物理隨機數生成器同時具有安全可靠與高速的特點，其現有速度已可達幾百Gb / S。其中，新型的半導體環形激光器具有獨特的環形腔從而能夠同時支持順時針與逆時針兩個方向發光。此外，半導體環形激光器具有體積小、成本低、集成度高等優點。因此，通過適當的反饋條件，半導體環形激光器能產生兩路“近似獨立”的激光混沌信號，進而作為優秀的物理熵源生成高速隨機數。在先技術[1](參見R.M.Nguimdo，et al.Fastrandom bits generation based on a single chaotic semiconductor ring laser,Opt.Express2012)公開了一種利用自反饋半導體環形激光器產生高速物理隨機數的方法。具體的，兩路混沌信號通過采樣，量化，編碼，并提取4位最低有效位生成隨機數，最后將兩路隨機數通過按位異或操作得到一路高品質的物理隨機數。但是，一方面此方案后續處理復雜；另一方面，如果能夠使得其兩路混沌信號分別產生兩路高速物理隨機數將更充分有效地利用物理熵源，應用前景廣闊。在先技術[2](參見Symmetrization of single-sidedor nonsymmetrical distributions:The way to enhance a generation rate of randombits from a physical source of randomness, Phys.Rev.E2010)公開了一種能夠高效提取多位最低有效位的方法，其原理是將具有不對稱概率分布的物理隨機源數據轉換成52位分辨率的浮點數，通過計算高階差分，得到具有高度對稱的概率分布的數據，從而對每個數據點提取45位最低有效位，最終生成隨機數。其不足之處在于其相關噪聲熵源帶寬太低，使得最終的速度也只能達到Mb / s量級。而且，該方法未能對激光混沌物理熵源進行推廣和驗證。
技術實現思路
鑒于以上陳述的已有技術的不足，本技術旨在提供一種基于新型半導體環形激光器生成雙路并行的高速隨機數的裝置及方法。本技術提供的一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置包括半導體環形激光器、半導體光放大器、光環形器、光耦合器、光纖延遲線、光電探測器、高速數字示波器。其中高速數字示波器可以用模數轉換器替代。本技術是采用以下技術方案來實現的。—種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置，其特征在于采用高階差分技術，進而允許高速率采樣并且提取多位最低有效位，實現雙路高速隨機數產生，既能充分利用隨機源又具有后續處理簡單的特點。具體處理步驟包括:通過光纖延遲線與半導體光放大器引入兩個交叉反饋回路，調節每個回路的光纖延遲線與半導體光放大器，使得半導體環形激光器分別在順時針與逆時針方向輸出兩路“近似獨立”的高維混沌信號；利用兩個光電探測器分別檢測兩路混沌信號并送入高速數字示波器的兩個通道；將從示波器得到的兩路混沌信號轉化為52比特位分辨率的浮點數并分別進行高階差分運算；對每一路信號的數據點僅提取40位最低有效位組成隨機數序列。本技術提出的一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置與在先技術比較，具有以下優點:1.利用一個半導體環形激光器以及現有的常用通信系統用器件，低成本，易于實現。2.后續處理簡單，僅包括高階差分運算和最低有效位提取。3.對系統參數具有高度魯棒性，允許高速率采樣。4.能夠產生雙路并行的高速隨機數。【附圖說明】圖1為本技術的雙路高速隨機數裝置的系統框圖。圖2為其中一路隨機數序列的二維圖示。圖3為其中一路IOGb隨機數序列的統計偏差(左)與序列相關系數(右)。【具體實施方式】如附圖1所示，是本技術的基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置的系統框圖，該裝置能實現兩路并行高速隨機數的生成，其合成速率可達Tb / s量級。在圖1中，一個半導體環形激光器通過兩條交叉反饋回路實現兩路混沌信號輸出，即順時針方向模反饋到逆時針方向模，同時逆時針方向模反饋到順時針方向模；每條反饋回路包含了光纖延遲線、一個環形器、有一個半導體光放大器，其中半導體光放大器用于調節反饋強度。通過合適的光纖延遲線及合理調節反饋強度，兩路混沌信號相關程度很小，可看做“近似獨立”的物理熵源。首先，兩路混沌信號分別送入兩個高速的光電探測器，再將光電探測器光電轉化得到的兩路混沌電信號送入高速數字示波器的兩個通道，采樣速率為20GHz。其次，將示波器采樣并模數轉換得到的信號轉化為52比特位分辨率的浮點數混沌信號，其中一路混沌信號進行45階的差分處理，另一路混沌信號進行47階的差分處理；兩路混沌信號采用不同階數的差分處理以進一步降低兩路信號的相關性。最后，兩路信號分別提取40位最低有效位生成高速隨機數，其中每一路隨機數序列的速率為800Gb / S。因此，雙路并行隨機數的合成有效速率為1.6Tb / S。圖2為其中一路隨機數序列的二維分布圖。我們選擇一路隨機數序列中連續的90000位二進制隨機碼作圖，其中I為黑色的點，O為白色的點，90000個點在圖2中以從左到右，從下到上的順序依次畫出。這90000個二進制隨機碼中，I出現的概率為0.4991，0出現的概率為0.5009。利用本技術介紹的方法產生的隨機數能過通過現有的隨機數測試包，并且統計偏差與序列相關系數限定在可以忽略的范圍。如圖3所示，IOGb的隨機數的統計偏差(左)與序列相關系數(右)滿足三倍標準差的條件，其中σΒ=0.5Ν_°_5，Oc=N-0-5,N=IOGb為隨機數序列長度。以上所陳述的僅僅是本技術裝置的一種實施方式，應當指出，在不脫離本技術裝置實質的前提下，在實際實施中可以做出若干更改(比如僅實現單路交叉反饋的單路混沌熵源，利用集成芯片電路，采用更高階的差分處理，采用更高速率的模數轉換器)也應包含在本技術的保護范圍以內。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置，由半導體環形激光器、半導體光放大器、光環形器、光耦合器、光纖延遲線、光電探測器和高速數字示波器構成，其中高速數字示波器可以用模數轉換器替代，其特征在于用于通過光纖延遲線與半導體光放大器引入兩個交叉反饋回路，調節每個回路的光纖延遲線與半導體光放大器，使得半導體環形激光器分別在順時針與逆時針方向輸出兩路“近似獨立”的高維混沌信號；利用兩個光電探測器分別檢測兩路混沌信號并送入高速數字示波器的兩個通道；將從示波器得到的兩路混沌信號轉化為52比特位分辨率的浮點數混沌信號并分別進行高階差分處理；對每一路信號的數據點僅提取40位最低有效位最終生成隨機數序列。

【技術特征摘要】
1.一種基于半導體環形激光器的雙路并行高速隨機數產生裝置，由半導體環形激光器、半導體光放大器、光環形器、光耦合器、光纖延遲線、光電探測器和高速數字示波器構成，其中高速數字示波器可以用模數轉換器替代，其特征在于用于通過光纖延遲線與半導體光放大器引入兩個交叉反饋回路，調節每個回路的光纖延遲線與半導體光放大器，使得半導體環形激光器分別在順時針與逆時針方向輸出兩路“近似獨立”的高維混沌信號；利用兩個光電探測器分別檢測兩路混沌信號并送入高速數字示波器的兩個通道；將從示波器得到的兩路混沌信號轉化為52比特位分辨率的浮點數混沌信號并分別進行高階差分處理；對每一路信號的數據點...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李念強，潘煒，項水英，朱宏娜，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：實用新型
國別省市：