一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置的制造方法
【專利摘要】一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置是鎖模脈沖激光器輸出并加載到全光開關控制信號輸入端，同時激光混沌熵源輸出連續(xù)混沌光信號由全光開關探測信號端輸入對混沌光信號下采樣，獲得混沌光脈沖序列，后經光帶通濾波器濾除閑散噪聲后，再經光耦合器分為兩路：一路經光纖延遲線注入快速光電探測器I再輸入到多位模數(shù)轉換器正端；另一路輸入快速光電探測器II再加載到多位模數(shù)轉換器負端；最后由多位模數(shù)轉換器的全部有效位并行輸出端口輸出多路高速實時真隨機密碼序列。本實時碼率高達百Gbps以上，極大地滿足了高速保密網絡通信的當前及未來需要。
【專利說明】
一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明與一種真隨機密碼產生裝置有關，尤其是一種下采樣多位真隨機密碼光學 產生裝置，適用于密碼學、信息安全等領域。
【背景技術】
[0002] 信息網絡安全直接關系到國家安全、商業(yè)機密、個人隱私等眾多方面。2013年美國 "棱鏡計劃"的曝光，揭秘了借助通信網絡技術可竊取他國核心機密；同時，也暴露出世界各 國在信息安全產品方面的技術短板。
[0003] 密碼是保障信息安全的最后屏障。目前國際上普遍采用基于算法的偽隨機密碼生 成技術，制造高速偽隨機密碼設備。但正如其名，它是偽隨機的，無法保證通信的絕對安全， 是近年來大規(guī)模密碼據(jù)泄露事件頻發(fā)的根源。與偽隨機技術不同，利用物理隨機過程作為 熵源，可產生無法被破解的真隨機密碼，從根本上杜絕信息泄露事件發(fā)生。然而，現(xiàn)有真隨 機密碼產品主要從熱噪聲、振蕩器抖動等中提取真隨機密碼，受限于熵源帶寬瓶頸，其碼率 處于Mb/s量級，無法滿足現(xiàn)代信息高速傳輸?shù)囊蟆?br>[0004] 混沌激光信號具有大幅隨機起伏特性，帶寬可高達GHz量級。采用激光混沌為物理 熵源，結合一定的隨機密碼提取方法有望構建高速真隨機密碼發(fā)生器，2008年以來獲得了 世界各國研究人員的廣泛關注。然而，除了在先技術1 [Nat. Photon., vol. 2，pp. 728-732，2008]和在先技術2 [Opt. Express, 21(17): 20452-20462，2013]等報道的真隨機 碼是實時產生之外，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。
[0005] 截至目前，本發(fā)明人所在課題組利用激光混沌所構建的真隨機密碼發(fā)生器(在先 技術2: [Opt. Express, 21(17): 20452-20462，2013])仍保持著當前國際上真隨機密碼 產生裝置的實時速率最快記錄一一4.5 Gb/s。限制當前真隨機密碼產生裝置實時碼率進一 步提升的核心技術瓶頸在于：電子ADC面臨的"電子瓶頸"。具體地，現(xiàn)有技術都是將連續(xù)混 沌光信號轉換為連續(xù)電信號，在全電域中利用電子ADC對混沌電信號進行采樣、量化及后續(xù) 處理等全部過程。電子ADC對信號進行采樣處理時，是通過采樣-保持電路來完成的，需要外 部電時鐘來驅動;而當前最尖端的電時鐘工作在MHz頻率范圍內時亦存在ps以上量級的大 幅度孔徑抖動，隨著工作頻率的升高，該抖動呈指密碼型惡化。這導致了當前電ADC的響應 速率多處于Gb/s以下的電子瓶頸。除此以外，現(xiàn)有真隨機密碼發(fā)生器均需采用后續(xù)處理過 程以保證其隨機質量，當工作于Mb/s時電時鐘抖動無足輕重。但是，想讓其工作于Gb/s工作 頻率時，電時鐘抖動的存在使得后續(xù)處理元件之間的時間同步成了難以逾越的技術鴻溝。
[0006] 當前通信速率已達10 Gb/s，40 Gb/s技術也正日趨成熟。根據(jù)香農的'一次一密' 加密理論，要確保當前信息傳輸?shù)慕^對安全要求速率與之相匹配的高速真隨機密碼的實 時、在線產生。遺憾的是，目前真隨機密碼產生技術已具備的實時碼率能力距此目標仍有相 當距離，不能保證當前通信絕對安全，更不足以滿足未來保密通信的安全需要。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明要解決的具體技術問題是現(xiàn)有真隨機密碼產生實時碼率不足的問題，并提 供一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置。
[0008] 為了解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案如下。
[0009] -種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，包括鎖模脈沖激光器、激光混沌熵 源、全光開關、光帶通濾波器、3-dB光耦合器、光纖延遲線、快速光電探測器I、快速光電探 測器II及多位模數(shù)轉換器;其特征在于： 所述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 光開關的控制信號輸入端，控制全光開關的通斷；同時激光混沌熵源輸出的連續(xù)混沌光信 號由全光開關的探測信號端輸入，在控制信號作用下，全光開關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光帶通濾波器濾除閑散噪聲后，經3-dB光耦合器分為兩路:一路 經光纖延遲線注入快速光電探測器I轉換為電信號，輸入到多位模數(shù)轉換器的正端;另一路 直接輸入快速光電探測器II轉換為電信號，加載到多位模數(shù)轉換器的負端;然后由多位模 數(shù)轉換器的全部有效位并行輸出端口 H必、…42、c/63輸出多路高速實時真隨機密碼序 列。
[0010] 上述技術方案的附加技術特征如下。
[0011] 所述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中/?小 于激光混沌熵源輸出混沌信號的80%帶寬。
[0012] 所述光纖延遲線的時間長度是重頻f對應周期的整數(shù)倍。
[0013] 所述多位模數(shù)轉換器是不含采樣-保持電路的并行輸出型多位模數(shù)轉換器，其并 行輸出型8位、16位、32位和64位模數(shù)轉換器中的一種。
[0014] 所述高速實時真隨機密碼序列的實時碼率由多位模數(shù)轉換器的全部有效位數(shù)和 重頻/前乘積決定。 實現(xiàn)上述本發(fā)明所提供的一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，與現(xiàn)有隨機碼產 生技術相比，其優(yōu)點與積極效果如下。
[0015] 第一，不存在周期性，克服了偽隨機碼發(fā)生器固有周期性導致的信息泄露難題。
[0016] 第二，實時碼率高達百Gbps以上量級，將現(xiàn)有真隨機密碼發(fā)生器實時碼率提高了 兩個數(shù)量級，極大地滿足了高速保密網絡通信的當前及未來的需求。
[0017] 第三，本發(fā)明的真隨機碼發(fā)生器的采樣及量化過程分別在光域和電域進行，不需 孔徑抖動嚴重的電時鐘參與，從而克服了電ADC面臨的電子抖動速率瓶頸。
[0018] 第四，本發(fā)明的多位真隨機碼發(fā)生器量化過程中可保留全部有效位，直接輸出優(yōu) 質真隨機密碼，不再像現(xiàn)有同類技術所必須的繁雜后續(xù)處理過程和丟棄最高有效位的技術 缺陷，有效避免了后續(xù)處理過程中高速電子元件之間的同步難題，適用于現(xiàn)代密碼學及保 密通信等領域。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明裝置的結構示意圖。
[0020] 圖中：1:鎖模脈沖激光器;2:激光混沌熵源;3:全光開關;4:光帶通濾波器;5:3-dB 光耦合器;6:光纖延遲線;7:快速光電探測器1;8:快速光電探測器II;9:并行輸出型多位模 數(shù)轉換器。
[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)明全光開關輸出的采樣后的混沌脈沖序列時序圖。
[0024] 圖5是本發(fā)明高速實時真隨機密碼序列二維點圖。
【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)明一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，是利用鎖模激光器產生的 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的電子時鐘作為觸發(fā)信 號，利用全光開關在全光域中完成對混沌光信號的采樣;繼而，利用不含采樣-保持電路的 并行輸出型模密碼轉換器作對其進行自延遲量化編碼，產生出具有高速實時速率的真隨機 密碼。
[0027]傳統(tǒng)意義或者常規(guī)方式上，相關領域的技術人員都是利用電子時鐘作為觸發(fā)信 號，在全電域中利用電子ADC對混沌電信號進行采樣、量化及后續(xù)處理等全部過程。由于電 時鐘孔徑抖動(ps量級以上）的存在，電子ADC的前端采樣-保持電路存在嚴重電子抖動，導 致當前真隨機碼發(fā)生器的實時速率處于5Gb/s以下。
[0028] 本發(fā)明跳出本領域研究人員采用在全電域中對混沌信號進行采樣、量化處理的思 維定式，將全光開關與無需電子時鐘驅動的并行輸出型多位ADC應用于隨機密碼的高速實 時產生，將現(xiàn)有真隨機碼發(fā)生器的實時碼率提高了至少兩個量級，沒有想到也沒能預見到 有如此顯著的效果。本發(fā)明人所在課題組十年來一直密切關注著真隨機密碼發(fā)生器研究領 域的研究進展及前沿技術，截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)有任何相關研究人員考慮到將全光開關與 不含采樣-保持電路、無需電時鐘誘導的并行輸出型多位ADC應用于隨機碼的高速實時產 生。
[0029] 本發(fā)明所提供的一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于由鎖模脈 沖激光器1、激光混沌熵源2、全光開關3、光帶通濾波器4、3-dB光耦合器5、光纖延遲線6、快 速光電探測器I 7、快速光電探測器II 8、多位模數(shù)轉換器9構成;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3的控制信號輸入端，從而 控制全光開關3的通斷；與此同時，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3可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光帶通濾波器4濾除閑散噪聲后，經3-dB光耦合器5等分為兩路:一路經光纖延遲線6注入快速光電探測器I 7轉換為電信號，輸入 到多位模數(shù)轉換器9的正(+)端；另一路則直接輸入快速光電探測器II 8轉換為電信號，加 載到多位模數(shù)轉換器9的負（_)端；最終，由多位模數(shù)轉換器9的全部有效位并行輸出端口 (c/o、d、必、…▲、如)輸出多路高速實時真隨機密碼序列。其中，所設計的鎖模脈沖激光器 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f不高于激光混沌熵源2輸出混 沌信號的80%帶寬;所設計的光纖延遲線6的時間長度為重頻f對應周期的整數(shù)倍;所設計的 多位模數(shù)轉換器9是不含采樣-保持電路的并行輸出型多位模數(shù)轉換器;所設計的多位模數(shù) 轉換器9是并行輸出型8位、16位、32位、64位模數(shù)轉換器中的一種;所設計的高速實時真隨 機密碼序列的實時碼率由模數(shù)轉換器9的全部有效位數(shù)和重頻f前乘積決定。
[0030] 下面將結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作出詳細說明。
[0031] 如附圖1中所示，鎖模脈沖激光器1輸出重復頻率/(以10 GHz為例）、波長為1550 rim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3關閉，則無混沌信號輸 出。這樣，全光開關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/ =10 GHz-致的、但峰值功率混沌起伏的光脈沖序列（如附圖4所示）。
[0032] 采樣后獲得的混沌光脈沖序列經光帶通濾波器4濾除閑散噪聲后，經3-dB光耦合 器等分為兩路:一路經光纖延遲線6注入快速光電探測器I 7轉換為電信號，輸入到多位模 數(shù)轉換器9的正(+)端；另一路則直接輸入快速光電探測器II 8轉換為電信號，加載到多位 模數(shù)轉換器9的負(-)端;最終，由多位模數(shù)轉換器9的全部并行輸出端口（c/〇、c/l、c/2、…42、 成3)輸出多路高速實時真隨機密碼序列。這里需要指出的是為了使得進入多位模數(shù)轉換器9 正、負兩端的信號須嚴格同步，光纖延遲線6的時間長度要為重頻GHz對應周期的整數(shù) 倍。這里，該光延遲線的時間長度被設置為了600 ps= 6X100 ps，多位模數(shù)轉換器9選用的 64位模數(shù)轉換器。
[0033] 最終所獲真隨機密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/?決定和64位模數(shù)轉換器9的全部位數(shù)64決定，等于640 Gb/s= 64X10 Gb/s。附圖5 是該高速實時真隨機密碼序列的二維點圖。由附圖可見，所產生的真隨機密碼序列〇、1分布 均勻且不含任何周期性。
[0034] 為了檢驗本發(fā)明所產生的真隨機密碼的隨機質量，發(fā)明人采用美國國家標準和技 術研究所(NIST)提供的Special Publication 800-22隨機密碼測試標準對所生成的隨 機密碼序列進行了測試。NIST隨機密碼測試標準是國際通用標準，共包含15項測試，每項 測試結果用P值表示。若P值大于顯著水平值$ 0.01時，則表明所測隨機密碼序列通過了 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
時，認為所測隨機密碼具有良好的隨機性。這 里，P = 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)明人的測試結果表明本發(fā)明所產生的各 種速率下的全光真隨機密碼均具有高質量的隨機特性，皆能成功通過NIST隨機密碼測試標 準。附表1給出了對本發(fā)明所產生真隨機密碼進行NIST測試的一個最差的測試結果，但是各 項測試P值依然均大于〇. 01，各項測試通過率均大于〇. 9806，達到了隨機密碼測試標準，證 明本發(fā)明產生的真隨機碼隨機性良好。
[0036] 由以上論述可以看到，本發(fā)明的一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置在整個 信號處理中，不需要電時鐘參與，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。具體地，本發(fā)明采用全光開關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，利用無需電時鐘驅動的、不含采樣-保持電路的并行輸出型多位ADC對混 沌脈沖進行量化處理，產生百Gb/s量級的真隨機碼序列，將現(xiàn)有技術的碼率提高了至少兩 個數(shù)量級。
[0037] 另外，需要特別指出的是，本發(fā)明所產生的真隨機密碼的碼率由鎖模脈沖激光器 的重復頻率和多位ADC的全部有效位數(shù)決定。本發(fā)明的真隨機碼發(fā)生器由于采用了自延遲 量化技術，使得量化過程中可保留全部有效位，直接輸出高質量真隨機密碼，無須現(xiàn)有同類 技術所必須的繁雜后續(xù)處理過程和丟棄最高有效位(MSB)的技術缺陷，有效避免了后續(xù)處 理過程中高速電子元件之間的同步難題。
【主權項】
1. 一種下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，包括鎖模脈沖激光器、激光混沌熵源、全 光開關、光帶通濾波器、3-dB光耦合器、光纖延遲線、快速光電探測器I、快速光電探測器II 及多位模數(shù)轉換器;其特征在于： 所述鎖模脈沖激光器（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(3)的控制信號輸入端，控制全光開關(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(3)的探測信號端輸入，在控制信號作用下，全光開關(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光帶通濾波器(4)濾除閑散噪聲后，經3-dB光 耦合器(5)分為兩路:一路經光纖延遲線(6)注入快速光電探測器1(7)轉換為電信號，輸入 到多位模數(shù)轉換器(9)的正端;另一路直接輸入快速光電探測器11(8)轉換為電信號，加載 到多位模數(shù)轉換器(9)的負端;然后由多位模數(shù)轉換器(9)的全部有效位并行輸出端口輸出 多路高速實時真隨機密碼序列。2. 如權利要求1所述的下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于:所述鎖模脈 沖激光器（1)輸出高重頻八時間抖動處于f s量級的超短光脈沖序列中/小于激光混沌熵源 (2 )輸出混沌信號的80%帶寬。3. 如權利要求1所述的下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于:所述光纖延 遲線(6 )的時間長度是重頻f對應周期的整數(shù)倍。4. 如權利要求1所述的下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于:所述多位模 數(shù)轉換器(9)是不含采樣-保持電路的并行輸出型多位模數(shù)轉換器。5. 如權利要求1或4所述的下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于:所述多 位模數(shù)轉換器(9)是并行輸出型8位、16位、32位和64位模數(shù)轉換器中的一種。6. 如權利要求1所述的下采樣多位真隨機密碼光學產生裝置，其特征在于:所述高速實 時真隨機密碼序列的實時碼率由多位模數(shù)轉換器(9)的全部有效位數(shù)和重頻f前乘積決定。
【文檔編號】H04L9/00GK105959094SQ201610270695
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】王云才, 李璞, 孫媛媛, 劉香蓮, 易小剛
【申請人】太原理工大學