[发明专利]一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器

说明书

本发明提供一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，包括：熵源模块和后处理模块；所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路混沌信号之间的互相关性较低；所述后处理模块用于将该两路混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数。本发明与伪随机数发生器相比，生成的随机数不具有周期性，能够生成任意长度的不可复现的随机数；相比传统的物理随机数发生器，熵源带宽较大、高达数十GHz；能够获得码率达数百Gbits/s的高速物理随机数。

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器。

背景技术

随着网络技术的迅速发展和广泛应用，人类社会已迈入信息时代。信息既是时间，也是财富，是国家发展的重要战略资源。然而信息在通信网络的传输过程中，随时都可能受到非授权的访问、篡改或破坏，必须加以保护。保障信息安全的核心技术是密码技术。而在密码学领域，无论是加密技术、数字签名、身份认证还是各种安全协议等都要用到随机数，因此随机数是密码学领域的基石，随机数的质量决定了密码技术的安全性。

目前，通信网络中用到的随机数大多是由确定性随机数发生器通过复杂的数学算法运算产生，这类随机数统称为伪随机数。然而随着攻击者计算能力的快速提升和攻击手段的多样化，伪随机数正变得越来越不安全。采集大量随机数的最好方法是选取真实世界的自然随机性。基于真实世界的物理熵源获取的随机数称为物理随机数。目前基于电阻器件中的热噪声、振荡器中的频率抖动等传统物理熵源所产生的随机数码率通常只能达到Mbits/s水平，显然无法满足高速保密通信网络对随机数码率的要求。

另一方面，基于半导体激光器产生的混沌激光因具有较高的带宽和较明显的光强随机起伏，特别适合作为物理熵源，因而受到广泛关注。最初的方案是利用两个分布反馈激光器(DFBSLs)产生的两路宽带混沌激光，分别经由1bitADC采样量化后，再经过高速异或门(XOR)进行后续逻辑处理，最终得到了码率高达1.7Gbits/s的物理随机数输出。随后，一系列针对随机数熵源或随机数后续处理技术的改进方案被逐年报道。比如，有针对系统的集成化和稳定性方面的采用光子集成技术的改进方案，有采用多位ADC采样量化方案以提升随机数码率的方案，有利用环形腔光纤激光器获取具有高维混沌特性的熵源信号的方案等等。

目前基于半导体激光器(SLs)混沌熵源的随机数发生器多采用DFBSLs，很少采用垂直腔面发射激光器(VCSELs)获取混沌熵源信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混沌光注入VCSEL获取宽带混沌熵源信号来产生随机数的发生器。

一种基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，包括：熵源模块和后处理模块；

所述熵源模块用于激射出时延特征能够被抑制、带宽能够增强的两路宽带混沌信号，且该两路混沌信号之间的互相关系数小于0.2；

所述后处理模块用于将该两路混沌信号转化为数字信号后并经过处理最终得到高速随机数。

进一步地，如上所述的基于混沌激光熵源的高速物理随机数发生器，所述熵源模块为空间型熵源模块；

所述空间型熵源模块包括：第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器，第一分束镜、第二分束镜分束镜、第三分束镜分束镜，第一中性密度衰减片、第二中性密度衰减片，第一光隔离器、第二光隔离器，第一平面反射镜、第二平面反射镜，偏振分束器：