一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器是將鎖模脈沖激光器輸出的超短光脈沖序列加載到全光開關(guān)的控制信號輸入端；同時激光混沌熵源輸出的連續(xù)混沌光信號由全光開關(guān)的探測信號端輸入，全光開關(guān)完成對混沌光信號的下采樣，輸出光脈沖序列；采樣后獲得混沌光脈沖序列濾除閑散噪聲后，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為混沌電脈沖序列加載到差分比較器的正極端；可調(diào)諧穩(wěn)壓源輸出的電壓信號作為比較電壓加載到差分比較器負極端；當混沌電脈沖峰值電壓大于比較電壓時，差分比較器輸出高電平‘1’碼；反之輸出低電平‘0’碼，此連續(xù)且隨機出現(xiàn)的高低電平構(gòu)成高速實時真隨機碼序列。本實時碼率高達10 Gb/s量級，極大地滿足了當前高速保密通信的需求。
【專利說明】
一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明與一種真隨機碼型發(fā)生器有關(guān)，尤其是一種用于信息安全及保密通信領(lǐng)域 的超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機碼在保密通信領(lǐng)域有著廣泛的應用。安全可靠隨機碼的產(chǎn)生關(guān)系到國防安 全、金融穩(wěn)定、商業(yè)機密以及個人隱私等眾多方面。
[0003] 在保密通信中，一般利用隨機碼作為密鑰對明文信息進行加密，以保證所傳輸信 息的安全可靠。絕對保密的通信必須依靠由Shannon提出的"一次一密"技術(shù)。其基本思想 是利用非決定性的隨機密碼對明文信息進行"一對一"甚至"多對一"的加密，要求該密碼只 被使用一次且長度不短于明文長度。換言之，絕對安全保密通信方式的實現(xiàn)，要求碼率不低 于通信速率的真隨機碼的大量、實時產(chǎn)生。
[0004] 利用算法可以產(chǎn)生快速隨機碼，但其具有周期性、可破解，是偽隨機碼，無法保證 信息的絕對安全。利用物理隨機過程作為熵源，可產(chǎn)生無法被破解的真隨機碼，可從根本上 杜絕信息泄露事件的發(fā)生。然而，現(xiàn)有真隨機碼產(chǎn)品多采用熱噪聲作為熵源，受限于傳統(tǒng)物 理熵源的帶寬瓶頸，其碼率處于Mb/s量級，與現(xiàn)代高速信息傳輸速率差距巨大。
[0005] 近年來，混沌激光這一新型寬帶物理熵源的出現(xiàn)，使得真隨機碼發(fā)生器在產(chǎn)生速 率方面獲得了突破性的發(fā)展。2008年，日本內(nèi)田淳夫課題組在國際知名期刊Nature Photonics上首次利用激光混純熵源，實現(xiàn)了1.7 Gb/s真隨機碼的在線、實時產(chǎn)生[Nat. Photon.，vol. 2，pp. 728-732，2008]。2013年，
【申請人】所在課題組利用混沌激光器成功 構(gòu)建了最快碼率達4.5 Gb/s的真隨機碼發(fā)生器[Opt. Express, 21(17): 20452-20462， 2013]〇
[0006] 然而，就發(fā)明人所知，除了上述兩個在先技術(shù)報道的實時隨機碼產(chǎn)生之外，大部分 研究更多的是理論探討，其方法都是通過對實驗采集得到的物理過程的時間序列進行離線 計算機處理而實現(xiàn)的。嚴格來講，這種離線處理方法只能得到隨機"數(shù)"，而不能產(chǎn)生實時連 續(xù)輸出的隨機碼。而隨機碼發(fā)生器的實時輸出是其在通信加密應用中的必要條件。截至目 前，發(fā)明人所在課題組利用激光混沌所構(gòu)建的真隨機碼發(fā)生器仍保持著當前國際上真隨機 碼產(chǎn)生裝置的實時速率最快記錄，即4.5 Gb/s。
[0007] 限制其實時碼率進一步提升的根本技術(shù)原因在于：電ADC面臨的"電子抖動速率瓶 頸"。具體是電子ADC對信號進行采樣及量化處理時，均需要外部電時鐘的驅(qū)動。而當前最尖 端的電時鐘在工作于MHz頻率范圍內(nèi)時，存在ps量級以上的大幅孔徑抖動;并且隨著工作頻 率的升高，該時間抖動呈指數(shù)型惡化。這造成了當前電ADC的實時響應速率多處于5 Gb/s以 下。
[0008] 當前通信速率已達10 Gb/s，要求速率與之相匹配的高速真隨機碼的實時、在線產(chǎn) 生，以確保信息傳輸?shù)慕^對安全。目前的真隨機碼產(chǎn)生技術(shù)距此碼率仍有相當距離，不足以 徹底保證現(xiàn)代通信的絕對安全。因此，發(fā)展與當前需求相匹配的高速、實時真隨機碼型發(fā)生 器已迫在眉睫，它是限制當前絕對安全保密通信實現(xiàn)的最主要困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，用以解決上述現(xiàn)有真 隨機碼產(chǎn)生技術(shù)中普遍存在的實時碼率不足問題。
[0010] 為了解決上述問題以及實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的措施如下。
[0011] -種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，包括鎖模脈沖激光器、激光混沌熵源、全光 開關(guān)、光帶通濾波器、光電探測器、可調(diào)諧穩(wěn)壓源和差分比較器;其特征在于:鎖模脈沖激光 器輸出高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列，加載到全光開關(guān)的控制信號輸入 端，控制全光開關(guān)的通斷；同時激光混沌熵源輸出的連續(xù)混沌光信號由全光開關(guān)的探測信 號端輸入，在控制信號超短光脈沖序列的作用下，全光開關(guān)完成對混沌光信號的下采樣，輸 出重復頻率與超短脈沖序列頻率/?一致的、但峰值功率混沌起伏的光脈沖序列;采樣后獲得 混沌光脈沖序列經(jīng)光帶通濾波器濾除閑散噪聲后，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為相應的混沌電脈沖 序列，加載到差分比較器的正極端;可調(diào)諧穩(wěn)壓源輸出的電壓信號作為比較電壓加載到差 分比較器的負極端；當混沌電脈沖峰值電壓大于比較電壓時，差分比較器輸出為高電平'1' 碼;反之輸出低電平'〇'碼，此連續(xù)且隨機出現(xiàn)的高、低電平構(gòu)成高速實時真隨機碼序列。
[0012] 基于上述技術(shù)方案，進一步的技術(shù)特征如下。
[0013] 所述鎖模脈沖激光器輸出的高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列中/ 取作10 GHz。
[0014] 所述可調(diào)諧穩(wěn)壓源輸出的比較電壓等于混沌電脈沖序列的峰值電壓的中值。
[0015] 所述高速實時真隨機碼序列的碼率由鎖模脈沖激光器輸出的超短光脈沖序列的 重復頻率/決定，等于10 Gb/s。
[0016] 實現(xiàn)上述本發(fā)明所提供的一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器的技術(shù)方案，與在 先隨機碼產(chǎn)生技術(shù)相比，其優(yōu)點與積極效果在于： 第一，不存在周期性，可提供無限數(shù)量的真隨機碼，克服了偽隨機碼發(fā)生器固有周期性 限制。
[0017] 第二，實時碼率可達10 Gb/s量級，將現(xiàn)有真隨機碼發(fā)生器的實時碼率翻了 一番， 極大滿足了當前高速保密通信的需要。
[0018] 第三，信號處理過程中不再需電時鐘的參與，打破了電時鐘孔徑抖動造成的電ADC 的響應速率瓶頸。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中：1:鎖模脈沖激光器;2:激光混沌熵源;3:全光開關(guān);4:光帶通濾波器;5:光電 探測器;6:可調(diào)諧穩(wěn)壓源;7:差分比較器。
[0021] 圖2是本發(fā)明激光混沌熵源輸出的連續(xù)混沌信號時序圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明鎖模脈沖激光器輸出的超短脈沖序列時序圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明全光開關(guān)輸出的采樣后的混沌脈沖序列時序圖。
[0024] 圖5是本發(fā)明產(chǎn)生的超快實時真隨機碼序列波形圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步的說明。
[0026] 實施本發(fā)明上述所提供的一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，是在現(xiàn)有技術(shù)的 基礎上，利用鎖模激光器產(chǎn)生的高重頻、超低抖動(fs量級）的超短光脈沖序列取代孔徑抖 動極大(ps量級以上）的電時鐘，利用全光開關(guān)3在光域中完成對混沌光信號的超低抖動采 樣;繼而，利用電子差分比較器取代1位電子ADC作為量化器對其進行量化編碼，無需電時鐘 的驅(qū)動，即可產(chǎn)生出具有超快實時碼率的真隨機碼序列。
[0027]傳統(tǒng)意義或者常規(guī)方式上，真隨機密碼領(lǐng)域的技術(shù)人員采用的技術(shù)路線均是利用 光電探測器直接將連續(xù)的激光混沌信號轉(zhuǎn)換為電信號，繼而利用電時鐘作為觸發(fā)或誘導信 號，在電域中利用電ADC完成對其進行采樣、量化及后續(xù)處理等全部過程。這就導致整個信 號處理過程中，均須要電時鐘的參與，ps甚至ns量級以上孔徑抖動的存在嚴重限制了電子 ADC的響應速率，導致當前真隨機碼發(fā)生器最高實時速率不足5Gb/s。
[0028]本發(fā)明打破本領(lǐng)域研究人員采用電子ADC和電時鐘，完全在電域中對混沌信號進 行所有的信號處理過程（即采樣、量化及后續(xù)處理）的思維慣性和定式，將采樣和量化過程 剝離開來，采用全光開關(guān)在光域中完成對混沌光信號的直接采樣，而后再于電域中采用電 子差分比較器對其進行量化處理等，整個處理過程中無需電時鐘的參與，從而有效克服電 子時鐘抖動給真隨機碼產(chǎn)生技術(shù)設置的電子速率瓶頸。本發(fā)明將現(xiàn)有真隨機碼發(fā)生器的實 時碼率至少翻了一番，沒有想到也沒能預見到有如此顯著的效果，完全能夠滿足現(xiàn)代高速 保密通信的安全需要，極大地拓寬了隨機碼發(fā)生器的應用范圍。
[0029]本發(fā)明人所在課題組自2008年以來，長期關(guān)注著真隨機碼發(fā)生器研究方向的最新 研究進展。截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)有任何相關(guān)研究人員考慮到將全光開關(guān)與無需電時鐘驅(qū)動 的電子差分比較器應用于隨機碼型的產(chǎn)生。
[0030]本發(fā)明所公開的一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，是由鎖模脈沖激光器1、激 光混沌熵源2、全光開關(guān)3、光帶通濾波器4、光電探測器5、可調(diào)諧穩(wěn)壓源6及差分比較器7構(gòu) 成;鎖模脈沖激光器1輸出高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列，加載到全光開 關(guān)3的控制信號輸入端，從而控制全光開關(guān)3的通斷;激光混沌熵源2輸出的連續(xù)混沌光信號 由全光開關(guān)3的探測信號端輸入，在控制信號(超短光脈沖序列）的作用下，全光開關(guān)3完成 對混沌光信號的下采樣，輸出重復頻率與超短脈沖序列頻率/一致的、但峰值功率混沌起伏 的光脈沖序列（混沌光脈沖序列）；采樣后獲得的混沌光脈沖序列經(jīng)光帶通濾波器4濾除閑 散噪聲后，經(jīng)光電探測器5轉(zhuǎn)換為相應的混沌電脈沖序列，加載到差分比較器7的正(+)端； 可調(diào)諧穩(wěn)壓源6輸出的電壓信號作為比較電壓加載到差分比較器7的負（-)端；當混沌電脈 沖峰值電壓大于比較電壓時，差分比較器7輸出為高電平（'1'碼），反之，輸出低電平（'0' 碼），這些連續(xù)且隨機出現(xiàn)的高、低電平構(gòu)成高速實時真隨機碼序列。其中所述的鎖模脈沖 激光器1輸出的高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列中/?取作10 GHz;所述的可 調(diào)諧穩(wěn)壓源6輸出的比較電壓等于混沌電脈沖序列的峰值電壓的中值;所述的高速實時真 隨機碼序列的碼率由鎖模脈沖激光器1輸出的超短光脈沖序列的重復頻率/決定，等于10 Gb/s。
[0031] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作出詳細說明。
[0032]如附圖1中所示，鎖模脈沖激光器1輸出重復頻率10 GHz、波長為1550 nm的超短光 脈沖序列（如附圖2所示），作為控制信號進入到全光開關(guān)3中。與此同時，激光混沌熵源2發(fā) 射的波長為1560 nm的連續(xù)混沌光信號（如附圖3所示）由全光開關(guān)3的探測信號端輸入。在 控制信號(超短光脈沖序列）的作用下，對應超短脈沖的時刻，全光開關(guān)3打開，相應時間的 混沌信號可輸出；反之，當沒有超短脈沖的時刻，全光開關(guān)3關(guān)閉，則無混沌信號輸出。這樣， 全光開關(guān)3就完成了對混沌光信號的下采樣，輸出重復頻率與超短脈沖序列頻率f=10 GHz 一致的、但峰值功率混沌起伏的光脈沖序列(如附圖4所示）。
[0033] 采樣后獲得的混沌光脈沖序列經(jīng)光帶通濾波器4濾除閑散噪聲后，經(jīng)光電探測器5 轉(zhuǎn)換為相應的混沌電脈沖序列，加載到差分比較器7的正(+)端?？烧{(diào)諧穩(wěn)壓源6輸出的電壓 信號作為比較電壓加載到差分比較器7的負（_)端。調(diào)節(jié)可調(diào)諧穩(wěn)壓源6的比較電壓大小，使 之等于混沌電脈沖序列的峰值電壓的中值，則：當混沌電脈沖峰值電壓大于比較電壓時，差 分比較器7輸出為高電平（'1'碼），反之，輸出低電平（'0'碼），這些連續(xù)且隨機出現(xiàn)的高、低 電平構(gòu)成高速實時真隨機碼型序列。圖5是所獲真隨機碼型圖：該高速實時真隨機碼序列的 碼率由鎖模脈沖激光器1輸出的超短光脈沖序列的重復頻率沒全決定，等于10 Gb/s。
[0034] 為了檢驗本發(fā)明所產(chǎn)生的真隨機碼的隨機質(zhì)量，發(fā)明人采用美國國家標準和技術(shù) 研究所(NIST)提供的Special Publication 800-22隨機數(shù)測試標準對所生成的隨機數(shù) 序列進行了測試。NIST隨機數(shù)測試標準是國際通用標準，共包含15項測試，每項測試結(jié)果 用殖表示。若P值大于顯著水平值f 0.01時，則表明所測隨機數(shù)序列通過了相應的測試。 進一步，計算了每項測試的通過率來進一步驗證序列隨機特性的有效性及正確性。當每項 測試的通過率大于
吋，認為所測隨機數(shù)具有良好的隨機性。這里，1- a
[0035] 具體地，發(fā)明人分別采集了1000組容量為1 Mbit的真隨機碼序列進行NIST測 試。這時，要求每項測試的通過率大于0.9806。發(fā)明人的測試結(jié)果表明本發(fā)明所產(chǎn)生的各 種速率下的全光真隨機數(shù)均具有高質(zhì)量的隨機特性，皆能成功通過NIST隨機數(shù)測試標準。 附表1給出了對本發(fā)明所產(chǎn)生真隨機數(shù)進行NIST測試的一個最差的測試結(jié)果，但是各項測 試P值依然均大于0.01，各項測試通過率均大于0.9806,達到了隨機數(shù)測試標準，證明本發(fā) 明產(chǎn)生的真隨機碼隨機性良好。
[0036] 由以上論述可以看到，本發(fā)明的高速實時真隨機碼發(fā)生器在整個信號處理中，并 不需要電子時鐘和電子ADC的參與，從而有效避免了由電子時鐘抖動導致的電子ADC速率瓶 頸問題。本發(fā)明采用全光開關(guān)利用超低抖動的超短光脈沖在全光域中對混沌信號進行超低 抖動采樣，利用無需電時鐘驅(qū)動的差分比較器對混沌脈沖進行量化處理，產(chǎn)生10 Gb/s量級 的真隨機碼序列，將現(xiàn)有技術(shù)的碼率至少翻了一番。
[0037] 另外，需要特別指出的是，本發(fā)明所產(chǎn)生的真隨機數(shù)的碼率完全由鎖模脈沖激光 器的重復頻率決定，并與之保持一致。因此，通過控制這個參量可方便地對真隨機數(shù)碼率進 行實時的〇~10 Gb/s的大范圍調(diào)諧，方便了不同規(guī)格通信網(wǎng)絡的高效利用。
【主權(quán)項】
1. 一種超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，包括鎖模脈沖激光器、激光混沌熵源、全光開 關(guān)、光帶通濾波器、光電探測器、可調(diào)諧穩(wěn)壓源和差分比較器;其特征在于:鎖模脈沖激光器 (1)輸出高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列，加載到全光開關(guān)(3)的控制信號 輸入端，控制全光開關(guān)(3)的通斷；同時激光混沌熵源(2)輸出的連續(xù)混沌光信號由全光開 關(guān)(3)的探測信號端輸入，在控制信號超短光脈沖序列的作用下，全光開關(guān)(3)完成對混沌 光信號的下采樣，輸出重復頻率與超短脈沖序列頻率/一致的、但峰值功率混沌起伏的光脈 沖序列；采樣后獲得混沌光脈沖序列經(jīng)光帶通濾波器(4)濾除閑散噪聲后，經(jīng)光電探測器 (5)轉(zhuǎn)換為相應的混沌電脈沖序列，加載到差分比較器(7)的正極端;可調(diào)諧穩(wěn)壓源(6)輸出 的電壓信號作為比較電壓加載到差分比較器(7)的負極端；當混沌電脈沖峰值電壓大于比 較電壓時，差分比較器(7)輸出為高電平'1'碼;反之輸出低電平'0'碼，此連續(xù)且隨機出現(xiàn) 的高、低電平構(gòu)成高速實時真隨機碼序列。2. 如權(quán)利要求1所述的超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，其特征在于:所述鎖模脈沖激 光器(1)輸出的高重頻八時間抖動處于fs量級的超短光脈沖序列中/取作10 GHz。3. 如權(quán)利要求1所述的超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，其特征在于:所述可調(diào)諧穩(wěn)壓 源(6)輸出的比較電壓等于混沌電脈沖序列的峰值電壓的中值。4. 權(quán)利要求1所述的超快實時光學真隨機碼型發(fā)生器，其特征在于:所述高速實時真隨 機碼序列的碼率由鎖模脈沖激光器（1)輸出的超短光脈沖序列的重復頻率/決定，等于10 Gb/s 〇
【文檔編號】G06F7/58GK105930131SQ201610270693
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】李璞, 王云才, 張建國, 劉香蓮, 易小剛
【申請人】太原理工大學