一种高速随机数发生器制造技术

本发明专利技术提供一种高速随机数发生器，包括主激光器和从激光器；所述主激光器发出的光通过光纤分束器分为两部分，一部分光进入多路径光反馈后再回到主激光器，最终主激光器在反馈光的扰动下进入混沌态输出；另一部分光作为从激光器的注入种子光,通过多路径光注入所述从激光器，从激光器在注入光的扰动下也进入混沌态，最终从激光器发出的带宽增强且无时延特征的混沌光作为随机数发生器的混沌熵源，经过采样量化和后处理优化后能够输出符合NIST统计检验套件检测标准的随机数序列。本发明专利技术提供的高速随机数发生器，能提供大带宽，时延特性被充分消除的混沌熵源，较易产生高速率、高质量的随机数序列且结构相对简单。的随机数序列且结构相对简单。的随机数序列且结构相对简单。

【技术实现步骤摘要】
一种高速随机数发生器


[0001]本技术涉及信息处理
，尤其涉及一种高速随机数发生器。

技术介绍

[0002]半导体激光器(SLs)在光反馈、光注入和光电反馈等各种外部扰动下，能够产生宽带混沌激光信号。这种混沌激光信号由于具有大带宽、高强度起伏的类噪声特性，能够较为容易的提取作为高速随机数发生器的熵源。在这些混沌激光熵源中，外腔半导体激光器因其结构简单、动态特性丰富以及与易于与光纤通信系统兼容而受到广泛关注。然而，外腔半导体激光器产生的混沌信号具有明显的时延特征(TDS)，这将导致输出混沌激光信号存在一定的弱周期性，从而影响熵源的统计特性，不利于随机数的生成。要削弱外腔半导体激光器系统输出信号的TDS的最简单方法是降低外光反馈强度。然而，在低反馈强度下，系统产生的混沌信号的复杂度和带宽相对较低。
[0003]早年，日本埼玉大学Uchida等人[A.Uchida,K.Amano,M.Inoue et al.,“Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers,”Nature Photon.2,728
‑
732]利用两个独立的外腔半导体激光器产生的两路宽带混沌激光，分别经由1bit ADC采样量化后，再经过高速异或门(XOR)进行后续逻辑处理，最终得到了码率达1.7Gbits/s的随机比特序列输出。但报道结果中获取的混沌时间序列对应的自相关曲线存在明显的由于外部光反馈引入的时延特征峰值，需要抛弃较多的原始数据以消除熵源中的弱周期成分。为了解决这种外腔反馈系统存在的由普通单外光反馈引入的时延特征问题，有人提出了一种基于两个外腔的方案，即增加一个外腔。对于具有适当反馈强度的两个外部腔体，当两个外部腔体之间的差值等于弛豫振荡周期的一半时，可以成功地抑制产生的混沌信号的TDS。但这种改进方案需要精确控制两个外腔中的其中一个腔的长度，这无疑会增加系统实现的难度。
[0004]综上，目前普通外腔半导体激光器输出的混沌信号存在较为明显的时延特征且带宽受限于激光器的弛豫振荡频率通常仅为几个GHz。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于多路径光反馈下的主从激光器系统产生的时延特征被充分消除且带宽增强的混沌激光信号作为熵源来产生高速随机数的发生器。
[0006]一种高速随机数发生器，包括主激光器和从激光器，所述主激光器和从激光器通过激光器控制器控制该两个激光器的偏置电流和工作温度；
[0007]所述主激光器发出的光通过光纤第一分束器分为两部分，一部分光进入多路径光反馈模块后再回到主激光器，最终主激光器在反馈光的扰动下进入混沌态输出；所述多路径光反馈模块用于光在回到主激光器之前经过多次不同的反馈路径，并且调整部分反馈路径的延迟时间；
[0008]另一部分光作为从激光器的注入种子光，通过多路径光注入所述从激光器，从激光器在注入光的扰动下也进入混沌态，最终从激光器发出的混沌光经过采样量化和后处理优化后输出高速率、高质量的随机数序列。
[0009]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，所述多路径光反馈环路由第一光环形器、光纤第二分束器、第一光延迟线、第一偏振控制器和第一可调衰减器组成；
[0010]所述第一光环形器一端与光纤第二分束器、第一偏振控制器和第一可调衰减器相连组成主反馈环路；
[0011]光纤第二分束器的其中一个输入输出端分别与第一光延迟线某一端相连组成额外的反馈环路从而构成多路径光反馈。
[0012]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，从光纤第二分束器输出的光进入主反馈环路后，还经过了第一偏振控制器和第一可调衰减器；通过第一偏振控制器调节反馈光的偏振态；通过第一可调衰减器适当调节反馈光的强度使得主激光器在反馈光的扰动下进入混沌态输出且时延特征被充分抑制。
[0013]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，从光纤第一分束器输出的另一部分光作为从激光器的注入种子光，经过掺铒光纤放大器放大光功率后再通过第二可调衰减器、第三分束器、第四分束器、第二偏振控制器和第二光环形器后注入到所述从激光器中；通过第二偏振控制器调节注入光的偏振态；通过第二可调衰减器适当调节注入光的强度使得从激光器在注入光的扰动下进入混沌态输出。
[0014]进一步地，光纤第四分束器的其中一个输入输出端分别与第二光延迟线某一端相连组成额外的注入路径从而构成多路径光反馈，以扩大从激光器获得大带宽混沌信号的参数范围。
[0015]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，从所述从激光器发出的混沌光通过所述第二光环形器后由第五分束器分为功率均衡的两路，其中一路光通过第三光延迟线后与另一路光一起进入到光电平衡探测器对混沌电信号进行一级优化；经过优化的混沌电信号通过模数转换器采样量化为初始的数字比特序列，随后通过可编程逻辑器件FPGA中嵌入的后处理程序模块对序列进行二级优化，最终输出高速率、高质量的随机数序列。
[0016]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，在所述光纤第一分束器的输出端连接有用于监控反馈光强度的第一光功率计；在所述第三分束器的输出端连接有用于监控注入光强度的第二光功率计。
[0017]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，所述光纤第一分束器的功率分配为1:9；其中，90％功率的光进入了多路径光反馈模块；10％功率的光作为激光器的注入种子光。
[0018]进一步地，如上所述的高速随机数发生器，所述光纤第二分束器、第三分束器、第四分束器和第五分束器的功率分配为1:1。
[0019]有益效果：
[0020]本技术提供的高速随机数的发生器，能够提供大带宽，无时延特性的混沌熵源，有利于产生高速高质量的随机数且结构相对简单；利用本技术提供的发生器能够生成速率达80Gbits/s(20GS/s
×
4bits)的达到NIST检验标准的高质量随机数序列。本技术解决了单外腔反馈半导体激光器输出混沌信号存在明显时延特征不利于用来产生高速随机数的痛点，并且并未明显提升系统的复杂度和实现难度，是一种高效、经济的解决方
案。
附图说明
[0021]图1为本技术随机数发生器装置示意图；
[0022]图2为主从激光器输出特性图；其中，(a1)为主激光器在单外腔反馈下输出的混沌时间序列图；(a2)为主激光器在单外腔反馈下输出的光谱图；(a3)为主激光器在单外腔反馈下输出的功率谱图；(a4)为主激光器在单外腔反馈下输出混沌时间序列对应的自相关曲线图；
[0023](b1)为主激光器在多路径光反馈下输出的混沌时间序列图；(b2)为主激光器在多路径光反馈下输出的光谱图；(b3)为主激光器在多路径光反馈下输出的功率谱图；(b4)为主激光器在多路径光反馈下输出混沌时间序列对应的自相关曲线图；
[0024](c1)为从激光器在光注入下输出的混沌时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速随机数发生器，其特征在于，包括主激光器(1)和从激光器(3)，所述主激光器(1)和从激光器(3)通过激光器控制器(2)控制该两个激光器的偏置电流和工作温度；所述主激光器(1)发出的光通过光纤第一分束器(4)分为两部分，一部分光进入多路径光反馈后再回到主激光器(1)，最终主激光器(1)在反馈光的扰动下进入混沌态输出；所述多路径光反馈用于光在回到主激光器(1)之前经过多次不同的反馈路径，并且调整部分反馈路径的延迟时间；另一部分光作为从激光器(3)的注入种子光，通过多路径光注入所述从激光器(3)，从激光器(3)在注入光的扰动下也进入混沌态，最终从激光器(3)发出的混沌光经过采样量化和后处理优化后输出高速率、高质量的随机数序列；所述多路径光注入用于光在注入到从激光器(3)之前经过多次不同的注入路径，并且调整部分注入路径的延迟时间。2.根据权利要求1所述的高速随机数发生器，其特征在于，所述多路径光反馈由第一光环形器(51)、光纤第二分束器(52)、第一光延迟线(53)、第一偏振控制器(54)和第一可调衰减器(55)成；所述光纤第二分束器(52)的其中一个输入端和第一光延迟线(53)相连后再和光纤第二分束器(52)的一个输出端连接构成闭环，从而形成额外的反馈光路；所述第一光环形器(51)的一个端子与光纤第二分束器(52)的另一个输入端相连，并通过光纤第二分束器(52)的另一个输出端与第一偏振控制器(54)和第一可调衰减器(55)相连后再与第一光环形器(51)的另一个端子连在一起连接在一起组成了主反馈环路。3.根据权利要求1所述的高速随机数发生器，其特征在于，从光纤第二分束器(52)输出的光进入主反馈回路后，经过了第一偏振控制器(54)和第一可调衰减器(55)；通过第一偏振控制器(54)调节反馈光的偏振态，通过第一可调衰减器(55)适当调节反馈光的强度使得主激光器(1)在反馈光的扰动下进入混沌态输出且时延特征被充分抑制。...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐曦，吴加贵，邓涛，樊利，林晓东，高子叶，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：新型
国别省市：