基于色散曲线管理控制的全光混沌高速随机数发生方法与流程

本发明涉及安全通信领域，尤其涉及一种基于色散曲线管理控制的全光混沌高速随机数发生方法。

背景技术：

随机数分为两类，一类是基于特定算法，由初始种子迭代产生的伪随机数，另一类是基于物理随机过程产生的物理随机数。前者的非预测性差，而且存在一定的周期，后者更加具有非确定性，是一种趋于真随机数的随机数熵源。

高速物理随机数发生器涉及以下两方面的技术：

1、高带宽、高随机性的物理熵源；

2、合理的后处理方式。

一方面，传统的物理随机数发生器的熵源有以下几种：

1、电子器件的热噪声(cn85102755a)；

2、二极管的散射粒子噪声(wo03098428)；

3、放射源的衰减过程；

4、晶振的频率漂移；

5、量子运动方向，到达时间，极化状态；

6、混沌电路；

7、光混沌。

噪声源的随机性良好，但是信号较小，检测难度大，易受电器件的干扰，而且信号时间序列的产生速率一般在mbps，难以超过gbps，除了混沌熵源外，其他的物理熵源都难以直接产生gbps以上的信号时间序列，因此混沌物理过程作为实现高速随机数发生器的物理熵源广受关注。

混沌激光具有高带宽、类噪声、非预测性等优势，利用混沌激光作为物理熵源可实现gbps量级的随机数发生器，而且混沌激光的带宽可以通过改变外腔反馈腔长，多激光外注入等方式拓宽至30ghz，甚至更宽，因此其潜在能力相当巨大，甚至可以通过后处理的方式实现tbps量级的随机数发生器。

另一方面，虽然混沌激光作为随机数发生器的熵源具有类噪声、无法预测等良好的随机特性，但是其内在的相关性使其无法直接产生物理随机数，所以通常需要通过一定的信号处理方式来消除其相关性，同时满足随机数统计均匀的特性。

其中，可行的信号处理方式有：

1、通过光域处理来平坦信号的频谱，消除信号的相关性；

2、通过电域的后处理方式来消除信号的相关性，均匀化信号的统计分布。

现有技术多采用后者，即采用高带宽熵源和合理的后处理相结合的方式，虽然已经实现了tbps量级的随机数发生器，但是受限于电域器件的带宽和处理速度，这些方法一般都是通过离线处理的方式实现的，很难实现实时随机数发生器。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种通过光域处理来产生高随机性信号以减小电域后处理复杂度的方式来发生高速随机数的方法，并验证采用此方法实现实时随机数发生器的可行性。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何处理光域信号来平坦化信号频谱，减弱信号相关性，以及如何通过电域后处理的方式来优化信号的统计均匀性并消除相关性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于色散曲线管理控制的全光混沌高速随机数发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调节激光器的偏置电流使所述激光器进入工作状态；

步骤2、通过偏振控制器改变所述激光器产生激光的输出偏振态；

步骤3、通过光环型器将所述激光通过光隔离器注入色散曲线管理模块，然后将输出的光信号功分成两路，一路用于产生随机数信号，另一路用于形成外环反馈光；

步骤4、用于产生所述外环反馈光的支路通过所述光环行器自注入回所述激光器，激发出混沌激光信号，即产生原始全光混沌信号，并通过光衰减器调节所述外环反馈光的光强；

步骤5、用于产生随机数信号的支路通过信号检测器产生混沌电信号，然后通过高速示波器将所述混沌电信号检测出来并数字化，通过tcp/ip协议传输给电脑端；

步骤6、在所述电脑端通过串口协议来管理所述色散曲线管理模块的色散曲线，并对所述高速示波器传回的数据进行电域后处理，产生高速物理随机数序列；

进一步地，还包括：

步骤7、通过测试工具diehard套件检测所述高速物理随机数序列的随机特性以确定是否产生了合理的随机数。

进一步地，所述激光器为c波段无隔离器的直接调制分布反馈式激光器。

进一步地，所述色散曲线管理模块由gt腔级联构成，并设置有外置温度控制板，用于精确控制所述gt腔的工作温度，通过热胀冷缩的效应精确控制所述gt腔的平行腔面距离，导致所述gt腔的色散曲线发生波长方向的平移，因此通过多腔级联，叠加多个色散曲线，可以控制所述混沌激光信号的中心波长偏移和色散强度，从而减弱所述混沌激光信号的相关性，同时保证所述混沌激光信号的频谱较为平坦。

进一步地，所述色散曲线管理模块被设置为通过外部软件将所述中心波长偏移参数和所述色散强度参数相应的指令经过rs232串口协议发送给所述外置温度控制板，从而选择对应的色散曲线来实现级联的所述gt腔的色散曲线管理，参数重置后所述色散曲线管理模块的状态稳定需要的时间不超过2分钟。

其中，所述gt腔为gires-tournois腔。所述混沌激光信号的内在相关性在频域上体现为存在周期性频谱包络，其周期与所述激光器的外腔腔长相关。利用所述色散曲线管理的方法，可以在某一色散曲线下，对所述外环反馈光引入时延，表现为引入色散强度及引入注入相位差从而扰乱所述激光器内所述混沌激光信号的相位并在所述激光器的内外谐振腔的共同作用下使所述混沌激光信号产生频谱搬移现象，即所述混沌激光信号的中心波长偏移。所以，利用所述色散曲线管理的方法可以扰乱所述混沌激光信号的周期性频谱，从而降低所述混沌激光信号的相关性。但是因为所述混沌激光信号的相关性的优化趋势与其统计均匀性的优化趋势在绝大多数色散曲线状态下呈相反关系，所以需要选择合理色散曲线来提升所述混沌激光信号的统计均匀性，即频谱展宽并抬升信号的低频部分，也即平坦化，同时减弱所述混沌激光信号的相关性。

由于所述色散曲线管理模块的使用只能有效降低所述混沌激光信号的相关性，但是无法完全消除其相关性，所以仍需要一定电域的后处理来完全消除其相关性。

进一步地，所述信号检测器为光电检测器。

进一步地，所述高速示波器通过高速采样模数转换器实现所述混沌电信号的数字化(0和1)。

进一步地，所述高速采样模数转换器采用单一判决点来产生二进制序列。

进一步地，所述高速采样模数转换器的采样精度为12比特。

进一步地，所述电域后处理为电域延时异或处理。

技术效果：

1、本发明利用色散曲线管理模块在全光混沌的外腔反馈环中引入特殊的色散曲线，通过该色散曲线可以降低混沌激光信号的相关性，并抬升信号的低频部分，平坦频谱，从而在光域上优化信号的随机性，这样的做法保证了高质量，高带宽的信号输出，因此可以通过电域延时异或这种简单的后处理产生高速随机数；

2、该方法降低了电域采样模数转换器的精度要求，并降低了电域器件对信号处理的复杂度，是一种可以用于产生实时高速随机数的方法。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明提供的基于色散曲线管理控制的全光混沌高速随机数发生方法的原理图；

图2为本发明提供的随外环反馈光的光强的变化混沌激光信号演变过程的光谱图；

图3为本发明提供的通过色散曲线管理方法，在不同色散曲线下高速示波器采集的数据的相关性分布图；

图4为本发明提供的通过色散曲线管理方法，在不同色散曲线下高速示波器采集的数据的偏度的分布图；

图5为本发明提供的通过色散曲线管理方法，在不同色散曲线下通过diehard测试工具的情况分布图；

图6为本发明提供的完全通过diehard测试的表格图。

具体实施方式

本发明利用色散曲线管理模块在全光混沌的外腔反馈环中引入特殊的色散曲线，通过该色散曲线降低混沌信号的相关性，并抬升信号的低频部分，平坦频谱，从而在光域上优化信号的随机性，保证了高质量，高带宽的信号输出，因此可以通过电域延时异或这种简单的后处理产生高速随机数。

如图1所示，在本发明的较佳实施方式中，具体包括以下步骤：

步骤1、调节激光器1的偏置电流使激光器1进入工作状态；其中，激光器1为c波段无隔离器的直接调制分布反馈式激光器；

步骤2、通过偏振控制器2改变激光器1产生激光的输出偏振态；

步骤3、通过光环型器3将激光通过光隔离器4注入色散曲线管理模块5，然后将输出的光信号通过功分器6功分成两路，一路用于产生随机数信号，另一路用于形成外环反馈光；

步骤4、用于产生外环反馈光的支路经光纤7通过光环行器3自注入回激光器1，激发出混沌激光信号，即产生原始全光混沌信号，并通过光衰减器8调节外环反馈光的光强；其中，混沌激光信号的中心波长为1545nm，带宽为18ghz，通过调节其偏置电流使激光器1输出功率约为9.8dbm；

步骤5、用于产生随机数信号的支路通过光电检测器9，产生混沌电信号，然后通过高速示波器10将混沌电信号检测出来并数字化，通过tcp/ip协议传输给电脑端11；其中，光电检测器的带宽为20ghz，高速示波器通过高速采样模数转换器实现混沌电信号的数字化(0和1)，高速采样模数转换器采用单一判决点来产生二进制序列，采样率为40gs/s，采样精度为12比特；

步骤6、在电脑端11通过串口协议来管理色散曲线管理模块5的色散曲线，并对高速示波器传回的数据进行电域延时异或处理，产生高速物理随机数序列；

步骤7、通过测试工具diehard套件检测高速物理随机数序列的随机特性以确定是否产生了合理的随机数。

其中，色散曲线管理模块5由16个gt腔(gires-tournois腔)级联构成，并设置有外置温度控制板，用于精确控制16个gt腔的工作温度，通过热胀冷缩的效应精确控制16个gt腔的平行腔面距离，导致每个gt腔的色散曲线发生波长方向的平移，因此通过多腔级联，叠加多个色散曲线，可以控制所述混沌激光信号的中心波长偏移和色散强度，从而减弱混沌激光信号的相关性，同时保证混沌激光信号的频谱较为平坦。中心波长偏移，在频域上表现为中心频率偏移，该色散曲线管理模块5可调偏移范围为[-99,99]ghz，另外，色散强度的可调范围为[-2100,2100]ps/nm。通过电脑端11的软件将合理的中心波长偏移参数和色散强度参数相应的指令经过rs232串口协议发送给gt腔的温控板，从而实现16个级联的gt腔的色散曲线管理，这些合理的参数组成了一个合理设置区间12，参数重置后色散曲线管理模块5的状态稳定需要的时间不超过2分钟。

如图2所示，随着外环反馈光的光强的减小混沌激光信号的带宽开始减小，并且当外环反馈光的光强小于一定程度后，混沌激光信号开始产生多峰现象并且多峰开始减少，直至变为单频光谱。其中，为了区分不同反馈光的波长-功率曲线，按反馈光的光强减弱的顺序，从下到上排列了8组曲线，即曲线1到曲线8，图示坐标系为曲线1的本征坐标，曲线2到曲线8的坐标系的纵轴零点以曲线1的坐标系为参照，沿纵轴向上方向等步长加10dbm地平移排开。由于降低外环反馈光的光强会减弱混沌激光信号的相关性，但是当外环反馈光的光强低于某个阈值的时候，混沌激光信号将无法产生而且其相关性也将急剧增大，并且失去混沌信号的类噪声及不可预测的特性，而且当外环反馈光的光强小于另一个阈值时系统也容易受电噪声和数模转换器的判决误差的影响，因此需要选择一个合适的反馈强度，上述步骤4中外环反馈光的反馈功率为-3.8dbm，反馈系数为4.3％。

图3横轴为色散强度值(0：100：2100)ps/nm，纵轴为中心频率偏移(0：2：98)ghz，色度条的不同颜色对应信号的自相关系数值，图4横轴为色散强度值(0：100：2100)ps/nm，纵轴为中心频率偏移(0：2：98)ghz，色度条的不同颜色对应信号的偏度值。如图4及图5所示，由于不同的中心波长偏移和色散强度对应的色散曲线会对信号的相关性和信号统计分布的偏度产生非同一规律的影响，所以通过均衡两者的影响选择合理的参数对应的色散曲线才能够产生物理随机数，这些合理的参数组成的集合亦即上述合理设置区间12，在图中为用实线多边形围起来的区域。

如图5所示，在色散曲线管理模块5的不同参数下，通过电脑端11的处理后产生的随机数序列通过diehard测试套件测试后的测试数量通过的分布图中，通过diehard测试所有19组测试的色散曲线参数区间13完全包含上述合理设置区间12，验证了本发明利用色散曲线管理的方法得到的高速随机数为合理的随机数。

如图6所示，在中心频率偏移量为46ghz，色散强度值为600时产生的数字01序列通过diehard测试套件测试的结果中，该组序列通过了所有的测试情况，因此为物理随机数，验证了基于色散曲线管理控制的全光混沌高速随机数发生方法作为实时高速随机数方案的可行性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。