有可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器制造技术

一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器是由保偏光纤依次串连有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤，构成一超连续谱熵源；超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器是由保偏光纤依次串连有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤，构成一超连续谱熵源；超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出 N 路窄带子光脉冲序列，进入光衰减器阵列进行调节，后经 N 路光纤进入全光比较器阵列被量化成 N 路高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列滤出。本专利技术单路码率高达Tbps量级，将现有并行真随机码发生器的单路速率提高了3个数量级；可扩放性超强，能同时输出至少10000路的独立、并行真随机码，极大地满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的当前需要。【专利说明】具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器
本专利技术与一种并行真随机数发生器有关，尤其是一种具有超强可扩放性的Tbps 全光并行真随机数发生器，适用于并行蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域。
技术介绍
并行蒙特卡罗（MonteCarlo)仿真在核物理、计算化学、生物医学、金融工程学、宏 观经济学等领域有着重要应用。随机数是并行蒙特卡罗仿真的基石，其面临的首要问题就 是多路并行随机数的高速产生，称作"并行随机数发生器"。 -个理想的并行随机数发生器需要满足以下条件：1)不含序列内相关性 (intra-streamcorrelation)。即每个处理器上所用的随机数序列必须具有高质量的随机 特性；2)不含序列间相关性（inter-streamcorrelation)。即多个并行处理器所用的多路 随机数序列之间要相互独立；3)具有可扩放性（scalability)。即根据实际需要，随机数发 生器可同时产生出任意N路独立的随机数序列。 利用计算机，通过一定的并行化算法可方便地获得并行随机数。该一类并行随机 数发生器具有高速率、低成本、易构建等优点，但存在着众多显著问题。其中最致命的是，该 类发生器是基于种子和确定性算法实现的，不可避免地存在周期性一这一 "阿喀琉斯之 踵"严重限制了其大量产生随机数的能力，局限了其在大规模并行计算领域的应用。因此， 人们将这类并行随机数发生器称作"并行伪随机数发生器"。 基于自然界随机现象构建并行随机数发生器，可提供非周期、不可预测、无限数量 的真随机数，称作"并行真随机数发生器"。1986年，美国罗切斯特大学的J.Marron等人提 出了首个并行真随机数发生器的雏形，是利用一个二维探测器阵列对激光器散斑分布进行 探测和编码实现的。1987年，法国巴黎大学F.Devos 进一步发展了这一技术。但遗憾的是，传统并行真随 机数发生器受限于传统物理熵源（如热噪声、振荡器抖动等）带宽过低且可扩放性差，码率 处于Mb/s量级,与实际需求相去甚远。 近年来，随着光子熵源的出现，串行真随机数发生器取得了跨越式发展，速率可达Gbps量级。典型的实现方法有：1)基于放大自发辐射光噪声（ASE)提取真随机数。如，美 国C.R.S.Williams等人2010年利用铲杂光纤放大器中的ASE获得了 12. 5Gbps的真 随机数。2)基于混沌激光提取真随机数。 如， 申请人:所在课题组2013年利用混沌半导体激光器实验实现了 4. 5Gbps真随机数的产 生。3)基于量子真空态获取真随机数。如， 澳大利亚T.Symul等人2011年基于真空态构建了 2Gbps随机数产生系统/--?. Lett.98(23): 231103, 2011] 〇 但是，这些真随机数发生器却属于"串行"随机数发生器，只能输出一路随机码序 列，不符合高质并行真随机数发生器的要求，无法应用于大规模蒙特卡洛仿真及并行计算 领域。此外，这些随机数发生器提取随机数的过程均利用电子器件在电域中完成，其实时速 率最终将面临"电子瓶颈"的限制，约几十个Gbps。 综上所述，并行伪随机数发生器能快速产生随机数(典型速率处于Gbps量级)，但 无法克服算法本身固有周期性的限制，不具备产生大量随机数的能力；传统并行真随机数 发生器拥有产生大量无周期随机数的能力，但受限于随机数信号源带宽，无法实现真随机 数的快速产生，典型速率低于1〇〇Mbps;近年来发展起来的真随机数发生器已具有Gbps的 快速随机数产生能力，但却只能输出一路随机数，可扩放性极差。 然而，蒙特卡罗仿真在并行环境中的计算量至少是串行情形下的10?IO5倍，要 求相应随机数的产生速度和数量均需大规模提升。根据2014年"国际TOP500组织"公布 的最新全球超级计算机500强榜单，当前并行计算机已拥有并发执行数千、甚至上万只处 理器的能力，要求具有与之相匹配的可扩性能力的并行真随机数发生器。因此，发展与当前 需求相匹配、兼具超强可扩放性及快速产生大量随机数能力的并行真随机数发生器已迫在 眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器， 以解决现有技术码率不足及可扩放性差的问题，从而公开一种同时具有超高码率和超强可 扩放性的新型并行真随机数发生方案，以满足现代蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及网络 安全通信等现实需求。 一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于： 一保偏光纤中，依次设置有有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散 位移光纤及反常色散光纤，构成一超连续谱熵源； 一超连续谱熵源将输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出靡各窄带子光脉冲 序列，进入光衰减器阵列进行调节，后经靡各光纤与连续光激光器输出的靡各连续光信号同 时进入全光比较器阵列被量化成靡各高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列滤出。 进一步的技术特征在于：所述超连续谱熵源输出的脉冲序列的重复频率/= 1THz;所述阵列波导光栅具有#输出波长通道；所述光衰减器阵列是由#光衰减器并列 构成；全光比较器阵列是由A个相同的全光比较器并列构成；所述光滤波器阵列是由外 相同的光滤波器并列构成；所述靡各高速真随机脉冲序列的码率是由超连续谱熵源输出脉 冲的重复频率/7夬定，等于ITbps;所述_取值为10000。 实现上述本专利技术所提供的一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生 器，与在先并行随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于： 第一，不存在周期性，可提供无限数量的真随机数序列，克服了并行伪随机数发生器固 有周期性的局限； 第二，单路码率可达Tbps量级，将现有并行真随机码发生器的单路速率提高了 3个数 量级； 第三，可同时输出至少10000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的 可扩放性提高了 3~4个数量级，极大满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的当前需 要； 第四，本专利技术的并行真随机数发生器的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光 电转换装置及电子模数转换设备，突破了"电子瓶颈"的限制。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术Tbps全光并行真随机数发生器的结构示意图。 图2是本专利技术全光比较器阵列中任一单元模块的结构示意图。 图3是本专利技术超连续谱熵源输出超连续谱脉冲序列的光谱图。 图4是本专利技术靡各窄带窄带子光脉冲序列中任意一路的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器，其特征在于：一保偏光纤中，依次设置有有理数谐波锁模光纤激光器 (1)、脉冲光放大器 (2)、高非线性色散位移光纤 (3)及反常色散光纤 (4)，构成一超连续谱熵源；一超连续谱熵源将输出的脉冲序列经阵列波导光栅(5)被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，进入光衰减器阵列(6)进行调节，后经N路光纤与连续光激光器(8)输出的N路连续光信号同时进入全光比较器阵列(7)被量化成N路高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列(9)滤出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李璞，王云才，张建忠，张建国，王冰洁，王安帮，张明江，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14