本发明涉及光电子，具体是一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器及发生方法。
背景技术：
1、随机数发生器是一种用于生成随机数的设备，广泛应用于密码学、通信系统、数值模拟、统计分析等领域。然而在实际应用中，现有随机数发生器由于自身原理所限，一方面生成速率较低，另一方面生成的随机数熵值较低，因此无法很好地满足实际应用需求。基于此，有必要发明一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器及发生方法，以解决现有随机数发生器生成速率较低、生成的随机数熵值较低的问题。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有随机数发生器生成速率较低、生成的随机数熵值较低的问题，提供了一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器及发生方法。
2、本发明是采用如下技术方案实现的：
3、一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，包括半导体激光器、聚焦镜、分束合束器、反射镜、第一耦合棱镜、第二耦合棱镜、晶体谐振腔、第一聚焦光纤、第二聚焦光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、信号处理单元、示波器；
4、其中，半导体激光器的光口通过聚焦镜与分束合束器的第一端口连接；
5、分束合束器的第二端口与第一耦合棱镜的第一面连接；第一耦合棱镜的第二面与晶体谐振腔耦合；第一耦合棱镜的第三面通过第一聚焦光纤与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的信号输出端分别与信号处理单元的信号输入端、示波器的信号输入端连接；
6、分束合束器的第三端口通过反射镜与第二耦合棱镜的第一面连接；第二耦合棱镜的第二面与晶体谐振腔耦合；第二耦合棱镜的第三面通过第二聚焦光纤与第二光电探测器的入射端连接；第二光电探测器的信号输出端与示波器的信号输入端连接。
7、进一步地，所述信号处理单元包括模数转换模块、数字信号处理模块、随机性增强算法模块；模数转换模块的信号输入端作为信号处理单元的信号输入端；模数转换模块的信号输出端与数字信号处理模块的信号输入端连接；数字信号处理模块的信号输出端与随机性增强算法模块的信号输入端连接；随机性增强算法模块的信号输出端作为信号处理单元的信号输出端。
8、进一步地，还包括风冷箱、稳压电源；半导体激光器位于风冷箱内；稳压电源的输出端分别与风冷箱的供电端、半导体激光器的供电端连接。
9、进一步地，所述半导体激光器的波长为193nm或450nm或532nm或680nm或808nm或980nm或1064nm或1310nm或1550nm；所述半导体激光器的芯片为fp激光芯片或vcsel激光芯片或dfb激光芯片；所述晶体谐振腔的材料为氟化钙或氟化镁或氧化铝或铌酸锂或钽酸锂。
10、进一步地，所述晶体谐振腔采用如下步骤制备而成：首先，采用金刚石刀具对表面粗糙的光学晶体材料进行抛圆预处理，得到厚度为0.2mm、直径为7mm的圆盘形光学晶体；然后，依次采用粗糙度为9nm、5nm、3nm、1nm、0.5nm、0.3nm、0.1nm的抛光纸和抛光液对圆盘形光学晶体进行抛光处理，使得圆盘形光学晶体的表面粗糙度优于1nm、直径为6.6mm±0.1mm，由此得到晶体谐振腔。
11、一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生方法，该方法是基于本发明所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器实现的，该方法是采用如下步骤实现的：
12、首先，控制随机数发生器进入工作模式；工作模式具体为：
13、半导体激光器输出的光经聚焦镜入射到分束合束器，并经分束合束器分为两路光：第一路光入射到第一耦合棱镜，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔内进行正向传播；第二路光经反射镜入射到第二耦合棱镜，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔内进行反向传播；
14、在正向传播过程中，第一路光的一部分作为第一路反馈光进入第二耦合棱镜，并依次经第二耦合棱镜、反射镜、分束合束器、聚焦镜反馈到半导体激光器，由此与半导体激光器输出的光发生干涉；在反向传播过程中，第二路光的一部分作为第二路反馈光进入第一耦合棱镜，并依次经第一耦合棱镜、分束合束器、聚焦镜反馈到半导体激光器，由此与半导体激光器输出的光发生干涉；在两路反馈光的共同作用下，半导体激光器进入混沌状态；
15、在正向传播过程中，第一路光的另一部分作为第一路输出光进入第一耦合棱镜，并依次经第一耦合棱镜、第一聚焦光纤入射到第一光电探测器，然后经第一光电探测器转换为第一路电信号后传输至信号处理单元和示波器；在反向传播过程中，第二路光的另一部分作为第二路输出光进入第二耦合棱镜，并依次经第二耦合棱镜、第二聚焦光纤入射到第二光电探测器，然后经第二光电探测器转换为第二路电信号后传输至示波器；信号处理单元对第一路电信号进行处理后生成随机数；示波器对两路电信号进行监视；
16、在工作模式下，通过调节第一耦合棱镜与晶体谐振腔的耦合间距，可以调节第二路反馈光的强度；通过调节第二耦合棱镜与晶体谐振腔的耦合间距，可以调节第一路反馈光的强度；通过调节两路反馈光的强度，可以调节半导体激光器与晶体谐振腔之间的频率失谐量，由此调节半导体激光器的混沌状态，从而调节随机数的熵值。
17、进一步地，信号处理单元对第一路电信号的处理具体包括：模数转换模块对第一路电信号进行采样、数字信号处理模块对第一路电信号进行量化、随机性增强算法模块对第一路电信号进行随机性增强。
18、进一步地，在工作模式下，风冷箱持续对半导体激光器进行冷却，稳压电源持续对风冷箱、半导体激光器进行供电。
19、进一步地，在工作模式下，耦合间距的调节方式为三维位移台调节或pzt应力调节或热调节或电调节。
20、与现有随机数发生器相比，本发明所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器及发生方法通过采用全新原理，实现了高效、可靠地生成随机数，其一方面显著提高了生成速率，另一方面显著提高了生成的随机数熵值，因此能够很好地满足实际应用需求。
21、本发明有效解决了现有随机数发生器生成速率较低、生成的随机数熵值较低的问题，适用于密码学、通信系统、数值模拟、统计分析等领域。
1.一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，其特征在于：包括半导体激光器（1）、聚焦镜（2）、分束合束器（3）、反射镜（4）、第一耦合棱镜（5）、第二耦合棱镜（6）、晶体谐振腔（7）、第一聚焦光纤（8）、第二聚焦光纤（9）、第一光电探测器（10）、第二光电探测器（11）、信号处理单元（12）、示波器（16）；
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，其特征在于：所述信号处理单元（12）包括模数转换模块（13）、数字信号处理模块（14）、随机性增强算法模块（15）；模数转换模块（13）的信号输入端作为信号处理单元（12）的信号输入端；模数转换模块（13）的信号输出端与数字信号处理模块（14）的信号输入端连接；数字信号处理模块（14）的信号输出端与随机性增强算法模块（15）的信号输入端连接；随机性增强算法模块（15）的信号输出端作为信号处理单元（12）的信号输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，其特征在于：还包括风冷箱（17）、稳压电源（18）；半导体激光器（1）位于风冷箱（17）内；稳压电源（18）的输出端分别与风冷箱（17）的供电端、半导体激光器（1）的供电端连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，其特征在于：所述半导体激光器（1）的波长为193nm或450nm或532nm或680nm或808nm或980nm或1064nm或1310nm或1550nm；所述半导体激光器（1）的芯片为fp激光芯片或vcsel激光芯片或dfb激光芯片；所述晶体谐振腔（7）的材料为氟化钙或氟化镁或氧化铝或铌酸锂或钽酸锂。
5.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器，其特征在于：所述晶体谐振腔（7）采用如下步骤制备而成：首先，采用金刚石刀具对表面粗糙的光学晶体材料进行抛圆预处理，得到厚度为0.2mm、直径为7mm的圆盘形光学晶体；然后，依次采用粗糙度为9nm、5nm、3nm、1nm、0.5nm、0.3nm、0.1nm的抛光纸和抛光液对圆盘形光学晶体进行抛光处理，使得圆盘形光学晶体的表面粗糙度优于1nm、直径为6.6mm±0.1mm，由此得到晶体谐振腔（7）。
6.一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生器实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
7.根据权利要求6所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生方法，其特征在于：信号处理单元（12）对第一路电信号的处理具体包括：模数转换模块（13）对第一路电信号进行采样、数字信号处理模块（14）对第一路电信号进行量化、随机性增强算法模块（15）对第一路电信号进行随机性增强。
8.根据权利要求6所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生方法，其特征在于：在工作模式下，风冷箱（17）持续对半导体激光器（1）进行冷却，稳压电源（18）持续对风冷箱（17）、半导体激光器（1）进行供电。
9.根据权利要求6所述的一种基于晶体谐振腔光混沌的随机数发生方法，其特征在于：在工作模式下，耦合间距的调节方式为三维位移台调节或pzt应力调节或热调节或电调节。