驱动的调制不稳定性将发挥主导作用，致使光脉冲信号峰值功率的稳定性将大幅劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的随机起伏。这就实现了本发明的第一个步骤。具体到本实施例，所产生的超宽光谱超短脉冲序列的光谱宽度F=1300nm、重复频率/MO GHz、脉宽约lps、峰值功率大幅度随机起伏。
[0022]步骤二、利用通道间隔为I nm、通道数1000路的阵列波导光栅对上述超短光脉冲序列进行光谱切割，分离出1000路的窄带超短脉冲序列。该序列遗传了第一步中所产生的超宽光谱脉冲序列的高重频及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之间相互独立。1000路的窄带超短脉冲序列相互之间完全独立的本质原因，在于超连续谱脉冲序列随机起伏起源于量子独立的激光自发辐射噪声且阵列波导光栅各个输出通道光谱上无重叠高重频、强度大幅度起伏的超连续谱熵源。这就实现了本发明的第二个步骤。具体到本实施例，此步骤产生的独立无关窄带超短脉冲序列的路数浪1000路；每路的重复频率/MO GHz、脉宽为2±0.05 ps且峰值功率大幅度随机起伏。
[0023]步骤三、引入浪1000段相同长度的色散补偿光纤对上述步骤二中浪1000路的窄带超短光脉冲序列脉宽进行时域上的展宽，使其脉冲宽度达40 ps以上。本发明步骤三存在的原因是，本发明中的随机数提取过程在电域中进行的，步骤二中的窄带超短光脉冲序列脉宽过窄(仅几个ps)，远远超出了后续处理流程中电子模数转换器器件的响应极限，必须进行时域展宽。
[0024]步骤四、利用由1000个相同的光电探测器并行构成光电探测器阵列对时域展宽后的浪1000路窄带子光脉冲序列实施光电转换，从而可得到相应的浪1000路电脉冲序列；接着通过浪1000路等长的电缆线进入到模数转换器阵列的浪1000个输入端(这里，模数转换器阵列由浪1000个、带宽均为1GHz的I位电子ADC构成)，调节模数转换器阵列的比较阈值使其与脉冲序列的平均功率相等，同时在外加重频为/MO GHz的同步电时钟信号触发下，可实现对上述每路电脉冲信号进行量化编码:当脉冲功率大于比较阈值时，输出高电平，编码为“I”;反之，输出低电平，编码为“O”。经此步骤，即可完成高质量并行真随机码的输出。具体到本实施例，所获独立真随机码的路数为N=100路、码率/MO GHz0
[0025]由以上论述可以看到，本发明的并行真随机数发生器单路码率由第一步中产生的超宽光谱超短脉冲序列的重复频率决定，同时受步骤四中模数转换器器件的响应速率制约。本实施例中，选用的超短脉冲的重复频率为10 GHz，主要是因为实施例中所选用的后续模数转换器阵列的响应带宽仅仅是10 GHz ;如果采用更高响应频率的模数转换器，例如:目前模数转换器产品的最快可达60 GHz以上，则可以实现单路码率达60 Gbps的并行真随机码输出。第二，本发明所产生的并行真随机数的路数Att步骤二中阵列波导光栅的通道间隔和步骤一中超宽光谱超短脉冲序列的光谱宽度F联合决定。本实施例中步骤一所产生超短脉冲序列的光谱宽度F=1300 nm、步骤二中选用的阵列波导光栅的通道间隔为I nm，因此，最大只能提取出浪1000多路的并行随机码(计算方法为1300 nm+lnm = 1300)。事实上，当前阵列波导光栅的技术水平已经发展到通道间隔可以达到0.2 nm甚至更低的水平。因此，如果选用通道间隔为0.2 nm的阵列波导光栅，则至少可以产生浪6500路的并行随机码(计算方法为1300 nm+0.2 nm = 6500)。此外,发明人在实验中发现，当继续增大步骤一中泵浦脉冲信号的功率至3 kW时，可进一步增大超连续谱的谱宽至2.0 μπι。在这种情况下，如果步骤二中选用通道间隔为0.2 nm的阵列波导光栅，则可以获得的并行真随机码路上将进一步提高，实现浪10000路的并行真随机码输出(2000 nm+0.2 nm = 10000)。
[0026]实现上述真随机数产生方法的并行真随机数产生器的直接构成关系如下:
如附图2所示，一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，该发生器是在一保偏光纤中，依次设置有主动锁模脉冲激光器1、脉冲光放大器2、高非线性色散位移光纤3和反常色散光纤4，构成一超连续谱熵源；
在一超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列输入到阵列波导光栅5被切割成城各窄带子光脉冲序列，再经Λ路保偏光纤进入到色散补偿光纤阵列6发生时域展宽，继而通过城各保偏光纤输入光电探测器阵列7被转换为相应的电脉冲序列，最后经Λ路电缆线进入模数转换器阵列8被量化成城各高速并行真随机码序列；
在上述发生器中，其阵列波导光栅5具有#输出波长通道；其色散补偿光纤阵列6是由Λ段相同的色散补偿光纤并列构成；其光电探测器阵列7是由Λ个相同的光电探测器并列构成；其模数转换器阵列8是由Λφ相同的I位电子ADC并列构成。其中，其Λβ勺取值范围在1000 ~ 10000之间，Λ路独立的高速并行真随机码序列的码率均与超连续谱熵源输出脉冲的重复频率一致，取值范围在10 GHz ~ 60 GHz之间。
【主权项】
1.一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述方法步骤如下: (1)利用光学设备产生出具有超宽光谱F、重复频率定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列； (2)利用阵列波导光栅对步骤(I)获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得城各独立无关、重复频率厢1定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列； (3)利用M色散光纤对步骤(2)中产生的Λ路窄带超短脉冲序列进行时域上的展宽，得到脉宽较宽的窄带短脉冲序列； (4)利用Λ?高带宽光电转换设备将步骤(3)中产生的Λ路窄带短脉冲序列转换为电信号，进而进入#高带宽电子模数转换器，通过设置电子模数转换器的比较阈值及同步时钟，将窄带脉冲序列的峰值功率起伏转换成相应的高、低电平，从而实现重复频率为/6勺Λ路独立真随机码产生。
2.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述光学设备是由保偏光纤依次串接主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤构成。
3.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述F的取值范围在1300~2000nm之间。
4.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述f的取值范围在10 GHz ~ 60 GHz之间。
5.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述Λβ勺取值范围在1000 ~ 10000之间。
【专利摘要】一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法是对光学设备产生的超短脉冲序列进行光谱切割，获得N路窄带超短脉冲序列，后进行时域展宽，得到脉宽较宽的窄带短脉冲序列，然后转换为电信号，进而进入模数转换器转换成相应的高低电平，从而实现重复频率为f的N路独立真随机码产生。本方法所产生的随机数序列不存在周期性，单路码率可达十 Gbps量级，并能同时输出至少N=1000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性至少提高了3~4个数量级，极大地满足了现代大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。
【IPC分类】H03K3-02, G06F7-58
【公开号】CN104615406
【申请号】CN201410830556
【发明人】王云才, 李璞, 张建国, 张建忠, 王安帮, 张明江, 王冰洁
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月29日