基于混沌激光的多位物理隨機(jī)數(shù)高速產(chǎn)生技術(shù)研究.pdf

1、隨機(jī)數(shù)在科學(xué)計(jì)算、身份識別、雷達(dá)測距、信息安全等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。特別是在保密通信中，隨機(jī)數(shù)作為密鑰對明文信息進(jìn)行加密，其可靠性關(guān)系到國家安全、商業(yè)金融、個(gè)人隱私等諸多方面。根據(jù)信息論鼻祖香農(nóng)提出的“一次一密”理論，要保障通信的絕對安全，首先須產(chǎn)生不低于通信速率的真隨機(jī)數(shù)。
　　通常，以產(chǎn)生方式的不同將隨機(jī)數(shù)劃分為兩大類一偽隨機(jī)數(shù)和物理隨機(jī)數(shù)?；谒惴óa(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)速率可達(dá)數(shù)十Gbps，但是其固有周期性令它無法滿足絕對保密

2、通信的要求。自然界中無規(guī)律的物理隨機(jī)現(xiàn)象具有不可重復(fù)及不可預(yù)測的特性，是提取真正安全隨機(jī)數(shù)（物理隨機(jī)數(shù)）的理想熵源。已有物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)品所使用的熵源包括單光子、電阻熱噪聲、散彈噪聲、混沌電路、振蕩器抖動(dòng)等。然而，上述物理熵源的帶寬處于MHz水平，導(dǎo)致其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)速率受限于M bps量級，與當(dāng)前高速通信速率相去甚遠(yuǎn)。
　　混沌激光是一種具有寬頻譜特性的復(fù)雜信號，信號強(qiáng)度在時(shí)域上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)起伏變化，適用于高速物理隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生。目前

3、，基于混沌激光的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)普遍是利用光電探測器先將混沌激光轉(zhuǎn)化為電信號，而后在電域中由電時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)對混沌電信號進(jìn)行采樣、量化，結(jié)合后處理邏輯器件進(jìn)一步完成隨機(jī)數(shù)速率的提高和性能的優(yōu)化。大量理論證明顯示，采用這種技術(shù)產(chǎn)生的物理隨機(jī)數(shù)等效理論速率可達(dá)Tbps量級。然而，必須注意到的是，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，受限于電時(shí)鐘的“電子抖動(dòng)速率瓶頸”，基于混沌激光的物理隨機(jī)數(shù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生速率尚未突破5 Gbps。
　　針對這一問題

4、，我們提出全光采樣混沌激光結(jié)合多位比較量化的技術(shù)方案來產(chǎn)生高速物理隨機(jī)數(shù)。具體地，在全光域完成混沌激光的采樣過程，以主動(dòng)鎖模激光器輸出的超短光脈沖作為控制時(shí)鐘光，觸發(fā)太赫茲光非對稱解復(fù)用器(TOAD)結(jié)構(gòu)的全光采樣門，在時(shí)鐘到達(dá)時(shí)刻采樣混沌信號光，使連續(xù)的混沌信號光轉(zhuǎn)化為等間隔的混沌光脈沖序列。繼而，采用多位比較器（等同于不含“采樣-保持”電路的多位ADC)對采樣后的混沌脈沖進(jìn)行量化，通過合理選取量化結(jié)果的最低有效位數(shù)，可直接產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)物

5、理隨機(jī)數(shù)。本方法無需復(fù)雜的邏輯后處理過程，所得物理隨機(jī)數(shù)速率由光采樣率和所取量化結(jié)果有效位數(shù)的乘積決定。對于上述方案中的關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)行了如下研究工作：
　　1.為了優(yōu)化混沌激光熵源特性以產(chǎn)生高質(zhì)量的物理隨機(jī)數(shù)，實(shí)驗(yàn)分析了抑制混沌激光時(shí)延特征的關(guān)鍵參數(shù)，確定了單腔反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生混沌激光的最優(yōu)參數(shù)空間。進(jìn)一步，構(gòu)建了單反饋混沌激光注入從激光器結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了超寬帶、無時(shí)延特征的混沌激光。
　　2.搭建了 TOAD全

6、光采樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過探究大窗口及小窗口情況下的采樣狀態(tài)，確定了采樣窗口寬度的優(yōu)選范圍。實(shí)驗(yàn)上對不同波長的信號光進(jìn)行采樣，證實(shí)了采樣門良好的穩(wěn)定性和高線性度?；趯?shí)驗(yàn)獲取的TOAD最佳特性參數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了對帶寬6 GHz、11.9 G Hz混沌激光的5 GSa/s、10 G S a/s實(shí)時(shí)光采樣。
　　3.基于以上實(shí)驗(yàn)研究，對超寬帶混沌激光發(fā)生裝置、TOAD全光采樣系統(tǒng)進(jìn)行了集成，設(shè)計(jì)制作了混沌激光源及全光采樣器兩臺(tái)樣機(jī)。