一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置。通过在半导体环形激光器引入两路交叉反馈回路，合理地调节反馈时延与反馈强度，使得半导体环形激光器输出两路高维混沌信号并送入两个光电探测器；利用高速示波器采样两路混沌电信号，再转化为52(或更高)比特位分辨率的浮点数混沌信号；对两路混沌信号分别进行高阶差分处理并提取多位最低有效位，最终得到双路并行的高速随机数。本实用新型专利技术装置结构简单，易于控制，不需要复杂的后续处理就能生成Tb／s量级的随机数序列。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装
本技术涉及一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置，适用于保密通信、数字签名和计算机模拟等领域，具体涉及一种基于交叉反馈半导体环形激光器的随机码产生方法。
技术介绍
随机数有着广泛的运用背景，如在保密通信、随机模型、数字签名以及高速数值模拟等领域。常见的随机数生成器有两种:一种是基于确定性复杂算法的伪随机数生成器；另一种是基于某种随机现象的物理随机数生成器。前者速度快，但安全性低；后者安全性高，但速度只能达到Mb / s量级。已见报道表明激光混沌信号可作为物理熵源能生成高速物理随机数。基于此类激光混沌的物理随机数生成器同时具有安全可靠与高速的特点，其现有速度已可达几百Gb / S。其中，新型的半导体环形激光器具有独特的环形腔从而能够同时支持顺时针与逆时针两个方向发光。此外，半导体环形激光器具有体积小、成本低、集成度高等优点。因此，通过适当的反馈条件，半导体环形激光器能产生两路“近似独立”的激光混沌信号，进而作为优秀的物理熵源生成高速随机数。在先技术[1](参见R.M.Nguimdo，et al.Fastrandom bits generation based on a single chaotic semiconductor ring laser,Opt.Express2012)公开了一种利用自反馈半导体环形激光器产生高速物理随机数的方法。具体的，两路混沌信号通过采样，量化，编码，并提取4位最低有效位生成随机数，最后将两路随机数通过按位异或操作得到一路高品质的物理随机数。但是，一方面此方案后续处理复杂；另一方面，如果能够使得其两路混沌信号分别产生两路高速物理随机数将更充分有效地利用物理熵源，应用前景广阔。在先技术[2](参见Symmetrization of single-sidedor nonsymmetrical distributions:The way to enhance a generation rate of randombits from a physical source of randomness, Phys.Rev.E2010)公开了一种能够高效提取多位最低有效位的方法，其原理是将具有不对称概率分布的物理随机源数据转换成52位分辨率的浮点数，通过计算高阶差分，得到具有高度对称的概率分布的数据，从而对每个数据点提取45位最低有效位，最终生成随机数。其不足之处在于其相关噪声熵源带宽太低，使得最终的速度也只能达到Mb / s量级。而且，该方法未能对激光混沌物理熵源进行推广和验证。
技术实现思路
鉴于以上陈述的已有技术的不足，本技术旨在提供一种基于新型半导体环形激光器生成双路并行的高速随机数的装置及方法。本技术提供的一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置包括半导体环形激光器、半导体光放大器、光环形器、光耦合器、光纤延迟线、光电探测器、高速数字示波器。其中高速数字示波器可以用模数转换器替代。本技术是采用以下技术方案来实现的。—种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置，其特征在于采用高阶差分技术，进而允许高速率采样并且提取多位最低有效位，实现双路高速随机数产生，既能充分利用随机源又具有后续处理简单的特点。具体处理步骤包括:通过光纤延迟线与半导体光放大器引入两个交叉反馈回路，调节每个回路的光纤延迟线与半导体光放大器，使得半导体环形激光器分别在顺时针与逆时针方向输出两路“近似独立”的高维混沌信号；利用两个光电探测器分别检测两路混沌信号并送入高速数字示波器的两个通道；将从示波器得到的两路混沌信号转化为52比特位分辨率的浮点数并分别进行高阶差分运算；对每一路信号的数据点仅提取40位最低有效位组成随机数序列。本技术提出的一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置与在先技术比较，具有以下优点:1.利用一个半导体环形激光器以及现有的常用通信系统用器件，低成本，易于实现。2.后续处理简单，仅包括高阶差分运算和最低有效位提取。3.对系统参数具有高度鲁棒性，允许高速率采样。4.能够产生双路并行的高速随机数。【附图说明】图1为本技术的双路高速随机数装置的系统框图。图2为其中一路随机数序列的二维图示。图3为其中一路IOGb随机数序列的统计偏差(左)与序列相关系数(右)。【具体实施方式】如附图1所示，是本技术的基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置的系统框图，该装置能实现两路并行高速随机数的生成，其合成速率可达Tb / s量级。在图1中，一个半导体环形激光器通过两条交叉反馈回路实现两路混沌信号输出，即顺时针方向模反馈到逆时针方向模，同时逆时针方向模反馈到顺时针方向模；每条反馈回路包含了光纤延迟线、一个环形器、有一个半导体光放大器，其中半导体光放大器用于调节反馈强度。通过合适的光纤延迟线及合理调节反馈强度，两路混沌信号相关程度很小，可看做“近似独立”的物理熵源。首先，两路混沌信号分别送入两个高速的光电探测器，再将光电探测器光电转化得到的两路混沌电信号送入高速数字示波器的两个通道，采样速率为20GHz。其次，将示波器采样并模数转换得到的信号转化为52比特位分辨率的浮点数混沌信号，其中一路混沌信号进行45阶的差分处理，另一路混沌信号进行47阶的差分处理；两路混沌信号采用不同阶数的差分处理以进一步降低两路信号的相关性。最后，两路信号分别提取40位最低有效位生成高速随机数，其中每一路随机数序列的速率为800Gb / S。因此，双路并行随机数的合成有效速率为1.6Tb / S。图2为其中一路随机数序列的二维分布图。我们选择一路随机数序列中连续的90000位二进制随机码作图，其中I为黑色的点，O为白色的点，90000个点在图2中以从左到右，从下到上的顺序依次画出。这90000个二进制随机码中，I出现的概率为0.4991，0出现的概率为0.5009。利用本技术介绍的方法产生的随机数能过通过现有的随机数测试包，并且统计偏差与序列相关系数限定在可以忽略的范围。如图3所示，IOGb的随机数的统计偏差(左)与序列相关系数(右)满足三倍标准差的条件，其中σΒ=0.5Ν_°_5，Oc=N-0-5,N=IOGb为随机数序列长度。以上所陈述的仅仅是本技术装置的一种实施方式，应当指出，在不脱离本技术装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改(比如仅实现单路交叉反馈的单路混沌熵源，利用集成芯片电路，采用更高阶的差分处理，采用更高速率的模数转换器)也应包含在本技术的保护范围以内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置，由半导体环形激光器、半导体光放大器、光环形器、光耦合器、光纤延迟线、光电探测器和高速数字示波器构成，其中高速数字示波器可以用模数转换器替代，其特征在于用于通过光纤延迟线与半导体光放大器引入两个交叉反馈回路，调节每个回路的光纤延迟线与半导体光放大器，使得半导体环形激光器分别在顺时针与逆时针方向输出两路“近似独立”的高维混沌信号；利用两个光电探测器分别检测两路混沌信号并送入高速数字示波器的两个通道；将从示波器得到的两路混沌信号转化为52比特位分辨率的浮点数混沌信号并分别进行高阶差分处理；对每一路信号的数据点仅提取40位最低有效位最终生成随机数序列。

【技术特征摘要】
1.一种基于半导体环形激光器的双路并行高速随机数产生装置，由半导体环形激光器、半导体光放大器、光环形器、光耦合器、光纤延迟线、光电探测器和高速数字示波器构成，其中高速数字示波器可以用模数转换器替代，其特征在于用于通过光纤延迟线与半导体光放大器引入两个交叉反馈回路，调节每个回路的光纤延迟线与半导体光放大器，使得半导体环形激光器分别在顺时针与逆时针方向输出两路“近似独立”的高维混沌信号；利用两个光电探测器分别检测两路混沌信号并送入高速数字示波器的两个通道；将从示波器得到的两路混沌信号转化为52比特位分辨率的浮点数混沌信号并分别进行高阶差分处理；对每一路信号的数据点...

【专利技术属性】
技术研发人员：李念强，潘炜，项水英，朱宏娜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：实用新型
国别省市：