[发明专利]一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器

说明书

本发明涉及一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，利用非线性光纤的非线性扰动以及光电反馈的增益转换效应，使光电反馈半导体激光器输出的相邻混沌激光脉冲时间间隔呈现出随机起伏的混沌波动状态。进一步，通过时间幅度转换器将时间间隔混沌信号的随机时间信息转化为幅度信息后，利用模数转换器即可实现超快物理随机数的实时产生。本发明利用时间幅度转换器将随机时间信息转换为幅值信息，结合1‑bit ADC进行模数转换，实现随机数产生。最终产生的随机数的码率取决于半导体激光器的弛豫振荡频率，至少可达数十GHz。

技术领域

本发明涉及一种物理随机数发生器，具体为一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，属于密码学、光通信、信息安全等领域。

背景技术

随机数（亦称密钥）是信息安全的基石。在当前数字通信时代，通常采用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只有密钥不被破解，才能保证所传输信息的安全。绝对安全保密通信的实现须采用“一次一密”（One-time Pad）加密方案。该方案要求大量、安全随机数的实时、快速产生，其码率不得低于当前通信传输速率。

目前，国际上普遍采用复杂算法来实时产生快速随机数，称作‘伪’随机数发生器。但是，伪随机数具有周期性，超过一定长度，将会完全重复，导致其存在被破解的风险。因此，它不满足绝对安全通信的要求，是近年来大规模数据泄露事件频发的根源。

利用物理随机现象作为熵源（即随机信号源），结合一定的随机数提取技术，可产生真正安全的物理随机数。常规的物理随机数产品采用电阻热噪声、振荡器频率抖动、混沌电路等作为熵源。但受限于熵源带宽瓶颈，传统物理随机数发生器码率处于百Mb/s 量级，无法满足现代信息高速传输的要求。

近年来，混沌激光由于带宽优势，以其作为物理熵源产生真随机数取得了突破性进展。通过对半导体激光器引入外部扰动，如光反馈、光注入或光电反馈等，可以实现混沌激光的产生。比如：2008年，日本内田淳夫课题组在国际知名期刊Nature Photonics上首次利用混沌激光的强度信息实现了1.7 Gb/s真随机码的在线、实时产生[Nature Photoics,vol. 2, no. 12, pp. 728-732, 2008]。2017年，本课题组利用激光混沌的相位信息作为物理熵源，实现了实时速率为14 Gb/s 的物理随机数实时产生[IEEE Photonics Journal,vol. 9, no. 2, 7201412 2017 ]。

现有的基于混沌激光的随机数发生器均利用混沌激光的幅值信息或者相位信息作为物理熵源，其随机数产生的实时速率已经无法满足现在通信速率的要求。

发明内容

本发明提供了一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，为超快物理随机数行业提供一种全新的物理熵源，丰富现有的超快物理随机数发生器的实现方法，鉴于当前随机噪声源（即随机数发生器）行业标准，要求同一产品中同时具备多种形式的熵源以增强通信安全性，本申请专利技术具有极大的应用前景。

本发明提供了一种基于时间间隔混沌的超快物理随机数发生器，包括：半导体激光器，半导体光放大器，非线性光纤，光电探测器，3-dB功率分配器，电放大器，时间幅度转换器以及一位模数转换器（1-bit ADC）；

其中，半导体激光器输出的激光经过半导体光放大器后输入非线性光纤，经过非线性作用以及色散作用后，输入至光电探测器，转化为电信号；电信号输出至3-dB功率分配器分为两部分，3-dB功率分配器第一输出端输出的电信号经电放大器的放大作用后，与半导体激光器的原始偏置电流叠加，在正反馈的条件下注入半导体激光器；半导体激光器因非线性光纤中的非线性效应以及正反馈对半导体激光器造成的增益转换，可输出时间间隔随机起伏的混沌脉冲信号，再次经过半导体光放大器、非线性光纤、光电探测器、3-dB功率分配器后，从3-dB功率分配器的第二输出端输出，依序经过时间幅度转换器、一位模数转换器后输出。