[发明专利]一种全光真随机数发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种真随机数发生器，属于通信技术领域，它是一种无需采样及后续处理过程的高速、码率可调谐全光真随机数发生器，可广泛应用于蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络及保密通信。

技术背景

随机数在蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络等科学计算方面有着广泛的应用。尤其在保密通信领域，产生安全可靠的随机数（密钥），关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

随机数发生器可分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。

伪随机数发生器通过对一些确定性算法赋予不同的种子可以便捷地生成具有一定周期的、快速的随机数，如现代通信系统中最常用的DES算法、RSA算法等。但伪随机数发生器存在两个缺点：1、算法与种子是完全确定的，一旦算法与种子被破解，则密钥不仅可以复制、甚至可以预测； 2、产生的随机序列长度有限，存在周期性，并非真正随机的。随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，严重威胁着信息安全。例如2011年3月，世界知名的信息加密公司RSA（RSA加密算法的发明者）宣布该公司一些用SecurID技术加密的信息被窃取。

真随机数发生器可以保证科学计算的准确性及保密通信的安全性，利用自然界中的微观量子机制或宏观随机现象作为物理熵源可产生出无法预测、非周期的完全随机的真随机数。

传统的真随机数发生器所选用的物理熵源均属于连续时间随机系统，所发出的信号是连续模拟信号，如电阻或其他电子元件的热噪声、自发辐射噪声、核辐射衰变、振荡器的相位噪声、混沌电路、混沌激光等。为了产生高质量的真随机数，它们必须完成以下步骤：一是利用外部触发时钟采样并量化连续变化的熵源信号，产生原始的随机数序列；二是对原始的随机数序列进行后续处理（如异或逻辑运算及高阶差分处理），从而获得高质量的真随机数。整套装置由物理熵源、外部触发时钟、采样及量化装置、后续处理系统等四部分构成。

传统真随机数发生器的缺点在于：在模拟信号（即熵源信号）向离散信号（即真随机数）转换的过程中，由于外部触发时钟孔径抖动的存在，会严重劣化模数转换的精确度，降低系统的信噪比。同时，这也是这些随机数发生器需要后续处理的根本原因，而后续处理系统的存在会大大增加系统的复杂度。

最近，在先技术[Optics Express, Vol. 20, Issue 4, pp. 4297-4308 (2012)]提出了基于离散时间随机系统产生真随机数的方案，利用被动锁模光纤激光器发射的离散混沌脉冲信号作为物理熵源，无需采样过程及外部触发时钟，便可直接产生真随机数序列。整套装置仅由物理熵源和全光量化器两部分构成，结构简单，克服了传统真随机数发生器因“采样”导致的信号失真问题，且不需进一步的后续处理系统，降低了系统复杂度。然而，这个方案仍存在两个明显的不足，亟待改善：

一是被动锁模光纤激光器的重复速率过低（仅处于Mbps量级），无法实现高速率的真随机数输出，难以满足现代高速通信（信号传输速率高达Gbps）的安全需要。

二是该随机数发生器的码率完全由被动锁模光纤激光器的谐振腔长度决定，在实际应用中无法进行实时调谐，严重限制了其应用领域。

发明内容

本发明一种全光真随机数发生器的目的在于解决上述现有技术中存在的码率过低且不可调谐等问题，从而公开一种无需采样及后续处理系统的高速、码率可调谐全光真随机数发生器的技术方案，该装置能适应现代高速保密通信的安全需要。

本发明一种全光真随机数发生器，包括全光真随机数熵源；其所述全光真随机数熵源是将连续光激光器I 3的输出光经3dB光纤耦合器I 2和光衰减器I 4注入到两段式半导体激光器1，产生高速混沌自脉动信号，并通过调节光注入强度和频率失谐量控制混沌自脉动信号的重复速率。

本发明一种全光真随机数发生器所附加的技术特征在于所述连续光激光器I 3的输出光是强度恒定不变的光束；所述高速混沌自脉动信号是重复频率处于GHz量级的离散混沌信号；所述离散混沌信号是由重复频率恒定、强度随机起伏的脉冲序列构成；所述光注入强度是连续光激光器I 3的输出光强度与两段式半导体激光器 1的输出光强之比；所述光频率失谐量是连续光激光器I 3输出光的频率与两段式半导体激光器1输出光的频率之差；所述调节光注入强度是通过光衰减器I 4进行调控；所述调节光频率失谐量是通过连续光激光器I 3的温度调控。

本发明上述的一种全光真随机数发生器，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：