一种超快全光真随机数产生方法
【专利摘要】一种超快全光真随机数产生方法是利用光学设备产生出超短脉冲序列，并进行光谱切割获得窄带超短脉冲序列，后进行功率调节使每路序列的平均功率相等，再转换成不同脉冲状态，然后对 N 路并行真随机码实施等差延时，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量，最后时分复用形成码率为 N × f 的超快全光真随机数序列。本方法采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率可达Tbps量级，比现有真随机数产生技术的速率提高了3个数量级，满足了现代高速保密通信安全的需要。
【专利说明】一种超快全光真随机数产生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种全光真随机数产生方法，属于信息【技术领域】，它是一种产生超高码率真随机数序列的方法，主要应用在保密通信及大规模并行计算中，用来快速产生安全可靠的真随机数或密钥。
【背景技术】
[0002]在保密通信领域，快速产生安全可靠的随机数(又称为密钥),关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。
[0003]在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就保证了所传输信息的安全。根据香农的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足以下条件:(1)密钥长度不短于明文长度:(2)密钥是完全随机的^3)密钥不能重复使用。这就要求产生大量码率不低于通信速率的真随机数。
[0004]现有真随机数产生方法一般采用宽带光子源作为物理熵源，通过光电探测器将其发射的随机信号转换为电信号，经电子模数转换器量化后，最终产生高速真随机码。常用的宽带光子源包括:单光子、八32自发辐射噪声、真空态以及混沌激光等。但是，截至目前，当前国际上真随机数产生方法能实现的最高速率仅4.5 6131)82耶1~688，21(17):20452-20462，2013]——该方法是由发明人所在课题组实现。要进一步获取更高速率的真随机数，将需选用超高速的电八IX:进行量化编码，这势必面临“电子速率瓶颈”的限制。目前响应带宽最高的电八IX:当属日本富士通公司的⑶^13八IX:，其带宽可达15如2，已几乎接近电子带宽理论极限。也就意味着，利用上述传统技术构建的真随机数产生装置及其方法，技术上可实现的最快速率只能处于十(?%量级。
[0005]但是，现代高速通信已经发展到了密集波分复用阶段。密集波分复用系统的应用使得当前信号传输速率可达1 1^8，迫切需要发展与之相匹配的码率处于1?%量级的真随机数产生装置，以确保信息传输的绝对安全。当前的真随机数产生技术距此码率仍有相当距离，远不足以保证现代通信的绝对安全。
【发明内容】
[0006]本发明的目的提供一种超快全光真随机数产生方法，以解决上述现有技术中普遍存在的码率不足等问题，适用现代保密通信及大规模并行计算。
[0007]上述目的通过如下技术方案得以实现。
[0008]一种超快全光真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的:
(1)利用依次相连的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产生出具有超宽光谱？、重复频率/固定、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一获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得#路独立无关、重复频率/'固定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列； (3)利用#个光强调节设备对步骤二中产生的#路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等；
(4)利用#个全光编码设备将步骤三中产生的#路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态:峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为1 ；峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为0。这样就实现了重复频率为/的#路并行全光真随机码的产生，经#个光带通滤波元件滤出。
[0009](5)利用#段延迟光纤对上述#路并行真随机码实施等差延时，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1//见最后进时分复用形成码率为1X7的超快全光真随机数序列。
[0010]进一步的附加技术特征如下。
[0011]所述？的取值范围为1300咖?200011111。
[0012]所述/的取值为10(^2。
[0013]所述#的取值为100。
[0014]实现本发明上述所提供的一种超快全光真随机数产生方法，与在先真随机数产生方法相比，其优点与积极效果在于:
第一，本发明首次采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率可达1如8量级，比现有真随机数产生技术的速率高了 3个数量级，满足了现代高速保密通信的安全需要。
[0015]第二，本发明的真随机数产生方法中不包含采样模块，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题。
[0016]第三，本发明的真随机数产生装置的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了 “电子瓶颈”的限制。
[0017]第四，本发明的真随机数产生装置可与光网络直接兼容，无需任何外部调制器，克服了现有随机数发生器应用于光通信网络时的技术局限。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明超快全光真随机数产生方法的流程图。
[0019]图2是具体实施例中全光量化器的结构示意图。
[0020]图3是本发明超快全光真随机数产生装置的结构示意图。
[0021]图中:1:主动锁模脉冲激光器；2:脉冲光放大器；23:3(18耦合器I ；213:光隔离器I ；20:光隔离器I1:2(1:耦合器I ；26:耦合器11:2/:波分复用器；28:高非线性光子晶体光纤；211:3(18稱合器II。3:高非线性色散位移光纤；4:反常色散光纤；5:阵列波导光栅；6:光衰减器阵列；7:全光比较器阵列；8:连续光激光器；9:光滤波器阵列；10:光延迟线阵列；11 4X1光耦合器。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明，但该实施实例不应理解为对本发明的限制。
[0023]实施本发明上述提供的一种超快全光真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的:
步骤一、主动锁模脉冲激光器输出的脉宽约1.7%、重复频率/ =10如2、波长为155011111的超短光脉冲序列，经脉冲光放大器作用后，其峰值功率可以增大到2欣。以该超短脉冲信号作为泵浦源经保偏光纤进入到一段长5 II1、非线性系数为25/1/匕高非线性色散位移光纤，零色散点位于1550 11111处，受高非线性色散位移光纤中自聚集、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等效应的共同作用，泵浦脉冲的光谱中会产生许多新的频率成分，使得输出脉冲序列的光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽，最终得到谱宽可达130011111的超短脉冲序列信号。
[0024]由于噪声信号的存在，此时的超宽光谱？=1300 11111、重复频率/=10如2的超短脉冲序列峰值强度会有微弱起伏，但远不足以满足后续量化系统的要求。为了进一步增强上述超短光脉冲峰值强度的起伏，这里引入了一段长10 III的反常色散光纤。超连续谱光脉冲信号在反常色散光纤传输过程中，噪声驱动的调制不稳定性将起主导作用，致使超连续谱光脉冲的稳定性劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的起伏。这样就实现了本发明的第一个步骤，获得了具有超宽光谱？、重复频率/固定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列(见图0。具体到本实施例，此峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列中脉冲的宽度约1 %、5=1300 11111、
/=10 诎2。
[0025]步骤二、利用通道间隔为10鹽、通道数#=100路的阵列波导光栅对上述重复频率10如2、峰值强度大幅度随机起伏的超短光脉冲序列进行光谱切割，可分离出#=100路的窄带超短脉冲序列。该序列遗传了步骤一种超宽光谱超短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。这里特别指出，#=100路窄带超短脉冲序列相互之间完全独立的本质原因，在于步骤一中超宽光谱超短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步骤二中所选阵列波导光栅各个输出通道光谱上无重叠。这就实现了本发明的第二个步骤(见图0。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#100路、每路的重复频率/=10如2、脉宽为1.0 %且峰值功率大幅度随机起伏。
[0026]步骤三、利用#个并行排列的光衰减器对步骤二产生的#=100路的独立无关、窄带超短脉冲序列进行光强的调节，使得各个脉冲序列的平均功率均相等，记作
[0027]步骤四、将步骤三中最终获得的#=100路的超短脉冲序列作为子随机数提取源，输入各自对应的#=100个全光比较器，量化为#路独立的高速真随机脉冲序列，经各自对应的#个光带通滤波器滤出。本实施例中，#个全光比较器是完全相同的装置，工作过程亦相同。因此，下面将随机抽取其中一个全光比较器为例，对#路高速真随机脉冲序列的产生过程予以详细说明。
[0028]附图2是本实施例中全光比较器的详细结构示意图，其中XX为输入端、8为输出端。由八端口输入的窄带超短脉冲序列，作为控制光I经过附图2中的波分复用器2/进入环路。连续光激光器输出的连续光信号作为探测光通过3(18耦合器I 23等分成两路，分别称其为上臂、下臂两路。上臂连续光信号经光隔离器I 26通过耦合器I 2(1分成两路:一路连续光信号II通过耦合器I 2(1直通臂向前传输，另一路连续光信号III则通过耦合器I2(1的耦合臂进入高非线性光子晶体光纤况构成的环路中，与控制光信号I同向传输。传输过程中，连续光信号III相位受到信号线性相移，自相位调制以及与控制光之间的交叉相位调制的影响。连续光信号III在环路里传输一周后与信号II在耦合器I 2(1叠加形成新的光场信号IV ；同理，下臂连续信号经光隔离器II 20通过耦合器26分成两路:一路连续光信号V通过耦合器II 26的直通臂向前传输，另一路连续光信号VI高非线性光子晶体光纤28构成的环路中，与控制光信号I逆向传输。此时连续光信号VI与控制光I之间的交叉相位调制效应可忽略，连续光信号VI相位只受到信号线性相移以及自相位调制的影响。连续光信号VI在环路里传输一周后与直通臂中的信号V在耦合器II 26叠加形成新的光场信号VII。最后，新生光场信号IV与信号VII在另一 3(18耦合器II 2卜处干涉由端口 8输出。从而，实现对八端口输入的窄带子光脉冲序列的全光量化处理。
[0029]详细的定量分析为:上、下臂连续光信号I1、III在高非线性光子晶体光纤环形腔中受到的非线性效应的差异会使得两路光信号之间产生相位差。连续光信号II1、7与11、VI在光耦合器I 2(1、光耦合器II 26叠加产生新的光场IV、VII的相位分别可以表示为:0 0 0+6 31 /7^/ ^ ^ ^+4 31^ 4 ^ 少犯二少 0+6乂 6打。这里，少 0和』分别是上、下两臂连续光信号的线性相移及波长，人仏及则是高非线性光子晶体光纤况构成的环形腔的长度、非线性折射率及发生非线性效应的有效横截面积。考虑到光耦合器I 2(1和光耦合器II 26的耦合系数均为新生光场17111耦合输出时的有效相位差八公#可以表达为:
从而，当新的光场IV、VII在3-(18耦合器II 2卜处干涉输出时，透射率7将可以表达为7=0-008(八公砠”/2。合理选择光耦合器2么26的耦合系数均为6可以使得有效相位差也实现了 “0”、“ 1 ”的跳变，由光路干涉透射率7^1-(308(八气公式知，输出端口8处的透射率将实现0和1之间的跳变:当透射率为0时，无脉冲输出，产生“0”码；当透射率为“ 1 ”时，有脉冲输出且输出脉冲功率恒定，产生“ 1 ”码。
[0030]本实施例中，所选用的高非线性光子晶体光纤的长度八非线性折射率/及发生非线性效应的有效横截面积儿打分别是0.2 111,4.95X 10—19 ^2/!和10 ^爪2，所选用的光耦合器2么26的耦合系数^均为0.99。此时，全光比较器的透射传递函数是一方波函数，具有陡峭的比较阈值1^=32 01。当八端口输入的窄带子光脉冲峰值功率大于该阈值时，8输出端有脉冲输出，编码为“1”；反之，8输出端口无脉冲输出，编码为“0”。最后，这些全光真随机脉冲序列经各自对应的#个相同的光带通滤波器滤出。本实施例中，各个带通滤波器的中心波长与连续光激光器一致。这里指出，经过全光比较器单元作用后产生的重频106取、脉宽1 的全光真随机脉冲序列，该重复频率由步骤一中的超短脉冲序列重复频率/决定。
[0031]步骤五:利用延迟光纤阵列中的#段延迟光纤对上述真随机脉冲序列进行等差延迟。这里指出，各个延迟光纤单元分别具有不同的延迟光纤长度，每段之间相差1/1/=1/(100^10 6^)=1 ？8。也就是说，第一段延迟光纤对应光纤的延迟时间为1 ？8，第二段延迟光纤的延迟时间为2 ？8，第三段延迟光纤延迟时间为3 1)8,……。以此类推，第#100段延迟光纤的延迟时间为100 口8。
[0032]上述#=100路、重频率为/=10 (^、彼此之间时延差为1 %的全光真随机脉冲序列进入1X1光耦合的#=100个输入端，时分复用形成了 #/=100^ 10 6^=11?的超高速全光真随机码冲序列，由XX 1光|禹合的输出端输出。
[0033]最后，需要特别指出的是，并非随意两个随机码序列进行时分复用获得的高速随机码，均是真随机码。只有满足互不相关和统计独立的多个真随机码序列时分复用后得到的超高速随机码序列才能通过随机数行业测试。本实施例中获得的这100路全光真随机码序列能够满足互不相关和统计独立条件，主要得益于步骤一。每一路随机码对应着超宽光谱脉冲的不同频谱成分，这些频谱成分彼此之间不重叠，均起源于量子不确定性的的自发辐射噪声，因而它们彼此之间完全独立、互不相关。
[0034]实现上述全光真随机数产生方法的全光真随机数产生装置的直接构成关系如下:
一种超快全光真随机数产生装置如图3所示，该装置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，构成超连续谱熵源；
所述超连续谱熵源输出的重复频率为/的脉冲序列经阵列波导光栅5被切割产生出#路窄带子光脉冲序列，后进入光衰减器阵列6中进行调节，后经#路光纤与连续光激光器8输出的#路连续光信号同时进入全光比较器阵列7量化成#路高速真随机脉冲序列，并由光滤波器阵列9滤出，再经#路光纤进入光纤延迟线阵列10作用，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1//见最后进入1X1光耦合器11中时分复用，形成码率为1X7的超快全光真随机数序列。
[0035]在上述技术方案中，所述超连续谱熵源的脉冲序列中的/ = 10如2；所述阵列波导光栅5是由#个输出波长通道构成；所述光衰减器阵列6是由#个光衰减器并列构成；所述全光比较器阵列7是由#个相同的全光比较器并列构成；所述光滤波器阵列9是由#个相同的光滤波器并列构成；所述#的取值是100。
【权利要求】
1.一种超快全光真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的: (1)利用依次相连的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产生出具有超宽光谱F、重复频率/固定、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一获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得#路独立无关、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列； (3)利用#个光强调节设备对步骤二中产生的#路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等； (4)利用#个全光编码设备将步骤三中产生的#路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态:峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为I ;峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为O ;这样就实现了重复频率为/的#路并行全光真随机码的产生，经#个光带通滤波元件滤出； (5)利用#段延迟光纤对上述#路并行真随机码实施等差延时，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量卿,最后进时分复用形成码率为證的超快全光真随机数序列。
2.如权利要求1所述的超快全光真随机数产生方法，其所述F的取值范围为1300nm?2000nm。
3.如权利要求1所述的超快全光真随机数产生方法，其所述/的取值为10GHz0
4.如权利要求1所述的超快全光真随机数产生方法，其所述#的取值为100。
【文档编号】G06F7/58GK104461455SQ201410829731
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】王云才, 李璞, 王冰洁, 张建忠, 张明江, 王安帮, 张建国 申请人:太原理工大学