专利名称：基于混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法
技术领域：
本发明涉及一种混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法，包括混沌激光发生器I ，
全光模数转换器i，混沌激光发生器n，全光模数转换器n以及全光异或逻辑门，也包括混 沌激光的真随机码发生方法。具体地说，是一种利用混沌激光实现的真随机码装置及其发生 方法，应用于军事、通信、遥感以及保密等领域。
背景技术：
随机码应用广泛。例如，随机序列用作雷达中的测距信号、通信测试、密码算法以及遥 控遥测中的测控信号，数字通信中加扰和解扰信号，码分多址中的地址码和扩频码等。
随机码分为伪随机码和真随机码，伪随机码产生由于其固有规律性，使得其不是真正意 义上的随机码。真随机码产生基于某些物理量的变化，其随机性取决于物理量的随机性。实 用安全的真随机码发生器通常利用自然界的物理现象来产生。产生真随机码的方法有多种，
例如
1) 基于放射源的随机放射特性(CN12227679A， US2003/0018674 Al)可实现真随机码 的产生，但由于数据采集难度大，速率低，不易集成、安全防护等原因，使得其应用受到局 限性。
2) 基于量子光学过程实现的真随机码发生器(US2007/ 0127718A1，CN1558581A)，这种方 法通过光量子的随机性实现真随机码产生，该真随机码的产生装置，尤其是后续的单光子探 测技术较为复杂，受探测装置的限制，随机数的速率通常在Mbit/s。
3) 通过构造各种电路产生随机数(CN1420431A， CN101477450A， CN1588304A)或基于各 种振荡器电路实现随机数发生器(CN101162998A CN1573681A，CN10290566A)。
真随机码发生器尽管有多种方法可以产生，但大都基于某些物理量的随机变化，其速率 低是其主要的不足。基于量子光学过程产生的随机码系统复杂，且不易操作。基于电路产生 的真随机码受电路硬件的带宽限制，使得现有基于电子硬件的真随机码发生器的码率均在 Mbit/s的量级。
在现有的真随机码发生器的技术方案中，利用混沌电路或其他随机物理现象可产生真随 机码，但产生过程中都是采用电路来进行数据的采集和编码，基于数字电子技术的电处理系 统已经逼近电子器件的处理上限，进一步提高设备处理信息的速率和容量的难度越来越大， 利用电子器件很难产生高速的真随机码，无法满足大容量高速通信等领域的需求。为了解决这一问题，与本发明密切相关的一种基于混沌激光的真随机码发生器及其产生 随机码的方法(CN101079615A)，利用半导体激光器在适当条件下可产生数GHz带宽的混沌激 光，提出利用混沌激光实现真随机码的产生，通过光电探测器将变成电信号，进行处理得到 真随机码输出。2008年12月，日本的内田淳夫报道了采用与相关专利(CN101079615A))相 同的原理实现了 1.7Gbit/s的真随机码。("Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers,〃 Nature Photonics, vol.2， no. 12， pp. 728-732 ， 2008)。 但是，这一方法仅仅利用了宽带混沌激光发生器，还需要进行光电转换，其模数转换和逻辑 门器件均釆用电子器件，受电子器件带宽瓶颈的影响，很难产生更高速度随机数。
发明内容
本发明提出的问题是基于混沌激光的真随机码发生装置，实现全光的真随机码，用以解 决现有电子硬件的真随机码的传输速率低以及应用受到局限的问题。其目的是提供一种基于 混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法。
本发明一种基于混沌激光的真随机码发生装置，包括混沌激光发生器，全光模数转换器 以及全光异或逻辑门，其构成在于由混沌激光发生器I发出的光信号传输到全光模数转换器
i;混沌激光发生器n发出的光信号传输到全光模数转换器n，全光模数转换器i和全光模 数转换器n发出的光信号传输到全光异或逻辑门构成基于混沌激光的真随机码发生装置。
本发明上述发生装置的技术方案所述的混沌激光发生器i和混沌激光发生器n发出的光
信号是混沌激光；所述的全光模数转换器i和全光模数转换器n发出的光信号是全光随机码；
所述的光信号传输是光纤传输、自由空间传输或者是光纤和自由空间传输；所述的混沌激光
发生器i和混沌激光发生器n是半导体激光器或者是光纤激光器；所述的半导体激光器或光
纤激光器是光反馈半导体激光器、光注入半导体激光器或者是光纤激光器。
本发明一种用于上述基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，包括基于混沌激光
真随机码发生的方法，该方法在于混沌激光发生器i发出连续的混沌激光信号传输到全光模
数转换器i产生全光随机码；混沌激光发生器n发出连续的混沌激光信号传输到全光模数转
换器n产生全光随机码，全光模数转换器i和全光模数转换器n产生的全光随机码传输到全
光异或逻辑门，全光异或逻辑门发生全光真随机码。
本发明上述发生方法的技术方案所述的混沌激光发生器i和混沌激光发生器n是两个
互不相关的混沌激光；所述的混沌激光发生器i经过全光模数转换器i实现对混饨激光的采
样和量化，输出"i"或"o"的全光随机码；所述的混沌激光发生器n经过全光模数转换器
n实现对混沌激光的采样和量化，输出"r'或"o"的全光随机码；所述的全光模数转换
器i和全光模数转换器n输出的全光随机码，输入到全光异或逻辑门进行全光异或逻辑运算，全光异或逻辑运算增加系统随机码的随机性，发生全光真随机码。
本发明提出的一种基于混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法，与在先技术相比具 有以下的优点与积极效果-
本发明利用混沌激光信号作为真随机码产生的发生器，其中采用的混沌激光发生器、全 光模数转换器和全光异或逻辑门为全光器件，混沌激光发生器采用半导体激光器或光纤激光 器实现混沌激光的输出，输出的混沌激光具有平坦连续的频谱，其带宽可达几十GHz，其输 出为连续的随机信号，因而通过对混沌激光进行采样和量化得到Gbit/s高速的真随机码，相 对与采用电路产生的真随机码来说码率至少提高三个数量积。采用全光模数转换器件，将连 续的混沌激光通过采样和量化转变成数字光信号，通过采用全光异或逻辑门对两路数字信号 的异或逻辑运算，得到全光真随机码，全光的模数转换器和全光异或逻辑门采用全光处理信 息技术避免了数字电子技术的电信息处理的"电子瓶颈"，相对与电信号产生的真随机码具 有传输容量大和宽带宽的优良特性。全光真随机码发生器之间通过光纤或自由空间进行光信 号的传输，使得全光随机码装置具有极宽频带、抗电磁干扰、保密性强等优点。全光真随机 码在数字光通信中作为加扰和解扰信号，提高系统的抗干扰能力，应用于光扩频通信中作为 地址码和扩频码，使光扩频通信具有频率高、速度快、信息处理量大。
基于混沌激光的全光真随机码利用光信息处理技术完成光信号的转发和处理，发挥电信 息处理无以伦比的优势，随着全光器件逐步的发展和成熟，全光真随机码也必将在光通信、 光处理等信息领域发挥极其重要的作用。
图1是本发明的基于混沌激光的全光真随机码发生装置结构示意图； 图2是本发明的基于混沌激光的全光真随机码发生装置的一个具体结构示意图； 图3是本发明的基于混沌激光的全光真随机码发生装置的另一个具体结构示意图。 图中1:混沌激光发生器I; 2:全光模数转换器I ; 3:混沌激光发生器II; 4:全光 模数转换器Ih 5:全光异或逻辑门；6:混沌激光发生器A; 6a:半导体激光器；6b:光隔 离器；6c:耦合器；6d:光放大器；6e:光隔离器；6f:耦合器；6g:偏振控制器；7:全光 模数转换器A; 7a:光采样器；7b:光量化器；8:混沌激光发生器B; 8a:半导体激光器； 8b:环形器；8c:隔离器；8d:耦合器；8e:光衰减器；8f:偏振控制器；8g:光隔离器；9: 全光模数转换器B; 9a:光采样器；9b:光量化器；10:全光异或逻辑门A; 11:混沌激光发 生器C; lla:半导体激光器；lib:准直透镜；lie:分束器；lid:光衰减器；lie:偏振控 制器；llf:半导体激光器；12:全光模数转换器C; 12a:光采样器；12b:光量化器；13: 混沌激光发生器D; 13a:半导体激光器；13b:准直透镜；13c:分束器；13d:光衰减器；13e:反射镜；14:全光模数转换器D; 14a:光采样器；14b:光量化器；15:全光异或逻辑 门B。
具体实施例方式
在混沌激光用于产生全光的真随机码发生器中，用于产生随机码的混沌激光，可以通过 外光反馈、光电反馈、光注入到半导体激光器实现，也可通过单环或双环光纤激光器实现混 沌激光输出产生。
下面结合附图用具体实施方式
对本发明提出的一种基于混沌激光的真随机码发生装置及 其发生方法作进一步的详细描述，本领域的技术人员在阅读了具体实施方式
后，能够理解和 实施本发明，其所述的有益效果也能够通过具体实施方式
得到体现。 实施方式1
如图2是本发明全光真随机码发生器的一个具体结构示意图。
具体实施方式
如下-
基于混沌激光的全光真随机码发生器包括混沌激光发生器A6，全光模数转换器A7，混沌 激发生器B8，全光模数转换器B9，全光异或逻辑门AIO。
其中，混沌激光发生器A6，由半导体激光器6a，光隔离器6b，耦合器6c，光放大器6d， 光隔离器6e，耦合器6f和偏振控制器6g构成，且它们之间依次通过光纤进行连接。其中光 隔离器6b的作用为阻止光反馈回半导体激光器6a，耦合器6c的作用为将半导体激光器导入 到光纤环内。光放大器6d的作用是提供增益调制，光隔离器6e的作用为使得光纤环内的激 光单向运行，偏振控制器6g的作用为调节光纤环内的偏振状态，耦合器6f作用为将光纤环 内的光输出到全光模数转换器A7。耦合器6f与全光模数转换器A7通过光纤连接。
全光模数转换器A7，由光采样器7a，光量化器7b。且它们之间通过光纤依次连接。光 采样器7a作用为将连续的混沌激光进行采样，使其成为脉冲信号。光量化器7b对经过采样 的信号进行量化或编码，使得其输出为数字光信号，输出的序列为全光随机码。
混沌激光发生器B8，由半导体激光器8a,环形器8b，隔离器8c，耦合器8d，光衰减器 8e，偏振控制器8f构成，且它们之间依次通过光纤进行连接，环形器8b的作用为将半导体 激光器8a输出的光导入光纤环内，经过在光纤环内的单行运行后，再导入到半导体激光器中。 隔离器8c的作用为使得光纤环内的激光单向运行，耦合器8d的作用为将光纤环内的一部分 光导出光纤环，光衰减器8e的作用为调节腔内反馈回半导体激光器8a的光的强度，偏振控 制器8f的作用为为调节光纤环内光的偏振状态。耦合器8d与光隔离器8g通过光纤进行连接。 光隔离器8g与全光模数转换器B9通过光纤进行连接。
全光模数转换器B9，由光采样器9a，光量化器9b构成，且它们之间依次通过光纤连接。 光采样器9a作用为将连续的混沌激光进行釆样，使其成为脉冲信号。光量化器9b对经过采
6样的信号进行量化或编码，使得其输出为数字光信号，输出的序列为全光随机码。
全光模数转换器A7和全光模数转换器B9通过光纤与全光异或逻辑门A10连接。光异或 逻辑门A10的作用是将全光模数转换器A7和全光模数转换器B9输出的全光的随机码进行异 或逻辑运算，增加全光模数转换器A7和全光模数转换器B9输出的全光的随机码的随机性， 得到全光真随机码。
本发明采用上述基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，是半导体激光器产生混 沌激光实现全光真随机码输出，混沌激光发生器A6由半导体激光器6a输出的光，经光隔离 器6b后，通过耦合器6c进入到由光放大器6d、光隔离器6e、耦合器6f、偏振控制器6g组 成的光纤环中，通过光纤环的调制，在6f耦合器端口输出连续的混沌激光，连续的混饨激光 的输出是通过调节半导体激光器6a的抽运电流，光放大器6d的抽运电流、偏振控制器6g的 调节来实现的。混沌激光发生器A6通过光纤连接到全光模数转换器A7。
全光模数转换器A7通过对混沌激光发生器A6输出的光进行采样和量化后，输出全光随 机码。
混沌激光发生器B8，由半导体激光器8a输出的光通过环形器8b进入光纤环，光通过隔 离器8c进入耦合器8d、光衰减器8e和偏振控制器8f ，最后通过光环形器进入半导体激光器 8a，通过调节偏振控制器8f和光衰减器8e，最终实现混沌激光输出，混沌激光的输出是通 过通过调节半导体激光器8a抽运电流、偏振控制器8f和光衰减器8e实现的。通过光隔离器 8g进入全光模数转换器B9。
全光模数转换器B9对混沌激光发生器的输出的混沌激光进行采样和量化后，输出全光随 机码。
全光模数转换器A7和全光模数转换器B9输出的全光随机码通过全光异或逻辑门AIO， 完成对全光模数转换器A7和全光模数转换器B9输出的数字信号进行异或运算，这样做的目 的是为了实现数字信号出现"1"码或"O"码的概率相等，增加随机码的随机性。全光异或 逻辑门B15可通过半导体光放大器、全光光纤环、全光干涉仪实现，最终实现全光真随机码 全光异或逻辑门A10输出即为系统输出的全光的真随机码。
实施方式2
图3是本发明全光真随机码发生器的另一个具体结构示意图。
具体实施方式
如下 基于混沌激光的全光真随机码发生器，由混沌激光发生器Cll，全光模数转换器C12，混 沌激光发生器D13,全光模数转换器D14，全光异或逻辑门B15构成。
其中，混沌激光发生器Cll，由半导体激光器lla，准直透镜llb，分束器llc，光衰减器lld，偏振控制器lle和半导体激光器llf构成，且各构成元件之间自由空间光传输依次连 接。准直透镜lib的作用是将半导体激光器lla输出的光进行准直，变成平行光。分束器lie 的作用为将半导体激光器lla输出的光分成两束一束作为输出光， 一束光注入到半导体激光 器llf，光衰减器lid的作用为调节注入到半导体激光器llf的光的功率，偏振控制器lie 的作用为调节注入光的偏振状态使得与半导体激光器llf反馈回的光的偏振状态相匹配。
全光模数转换器C12，由光釆样器12a和光量化器12b构成，且各构成元件之间在自由 空间状态下进行光信号传输依次连接。全光模数转换器c12通过对混沌激光发生器cll输出 的光进行釆样和量化后，输出全光随机码。光采样器12a作用为将连续的混沌激光进行采样， 使其成为脉冲信号。光量化器12b对经过采样的信号进行量化或编码，使得其输出为数字光 信号，输出的序列为全光随机码。
混沌激发生器D13，由半导体激光器13a、准直透镜13b、分束器13c、光衰减器13d和 反射镜13e构成，且它们之间自由空间光传输依次连接。准直透镜13b的作用是将半导体激 光器13a输出的光进行准直，变成平行光。分束器13c的作用为将半导体激光器13a输出的 光分成两束一束作为输出光， 一束入射到反射镜13e，光衰减器lid的作用为调节注入到半 导体激光器13a的光的功率，反射镜13e的作用为将入射光反射回半导体激光器13a。混沌 激光发生器D13通过自由空间光传输连接到全光模数转换器D14。
全光模数转换器D14由光采样器14a和光量化器14b构成。且它们之间通过自由空间光 传输依次连接。全光模数转换器D14通过对混沌激光发生器D13输出的光进行采样和量化后， 输出全光随机码。光采样器14a作用为将连续的混沌激光进行采样，使其成为脉冲信号。光 量化器14b对经过采样的信号进行量化或编码，使得其输出为数字光信号，输出的序列为全 光随机码。
全光模数转换器C12与全光模数转换器D14通过自由空间光传输与全光异或逻辑门B15 连接，全光异或逻辑门B15完成对全光模数转换器C12和全光模数转换器D14输出的数字信 号进行异或运算，这样做的目的是为了实现数字信号出现"1"码或"0"码的概率相等，增 加随机码的随机性。全光异或逻辑门A10输出即为系统输出的全光的真随机码。全光异或逻 辑门B15可通过半导体光放大器、全光光纤环、全光干涉仪实现，最终实现全光真随机码。
本发明采用上述基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，
混沌激光发生器Cll由半导体激光器lla输出的光，经准直透镜llb准直后，通过光束 器llc分成两束， 一路作为混沌激光输出通道， 一路通过光衰减器lld后，通过偏振控制器 lie,注入到半导体激光器llf后，反射回半导体激光器lla，光衰减器lld用来调整反馈光 的强度，最终实现混沌激光输出。芏尤悮数抟侠器(J匸通辽对y昆沌微尤友生器Cll 前出的光迸仃米样和量化，湔出全光随机码。
混沌激光发生器D13由半导体激光器13a输出的光，经准直透镜13b准直后，通过光束 器13c分成两束， 一路作为混沌激光输出通道， 一路通过光衰减器13d后，通过反射镜13e 反射回半导体激光器13a，光衰减器13d用来调整反馈光的强度，最终实现混沌激光输出。
全光模数转换器D14对混沌激光发生器D13输出的混沌激光进行采样和量化，实现全光 随机码，全光模数转换器C12和全光模数转换器D14输出的随机码通过全光异或逻辑门B15,
全光异或逻辑门B15完成对全光模数转换器12和全光模数转换器D14输出的全光随即 码进行异或运算，这样做的目的就是为了实现数字信号出现"1"或"0"码的概率相等。全 光异或逻辑门B15可通过半导体光放大器、全光光纤环、全光干涉仪实现，最终实现全光真 随机码全光异或逻辑门B15输出即为系统输出的全光的真随机码。
9
权利要求
1.一种基于混沌激光的真随机码发生装置，包含有混沌激光发生器，全光模数转换器以及全光异或逻辑门，其特征在于由混沌激光发生器I(1)发出的光信号传输到全光模数转换器I(2)；混沌激光发尘器II(3)发出的光信号传输到全光模数转换器II(4)，全光模数转换器I(2)和全光模数转换器II(4)发出的光信号传输到全光异或逻辑门(5)构成基于混沌激光的真随机码发生装置。
2. 权利要求1所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置，其特征在于混沌激光发生 器I (l)和混沌激光发生器II (3)发出的光信号是混沌激光。
3. 权利要求1所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置，其特征在于全光模数转换器i (2)和全光模数转换器n (4)发出的光信号是全光随机码。
4. 权利要求1、 2或3所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置，其特征在于光信 号传输是光纤传输、自由空间传输或者是光纤和自由空间传输。
5. 权利要求1或2所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置，其特征在于混沌激光 发生器I (l)和混沌激光发生器II (3)是半导体激光器或者是光纤激光器。
6. 权利要求5所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置，其特征在于半导体激光器 或光纤激光器是光反馈半导体激光器、光注入半导体激光器或者是光纤激光器。
7. —种用于权利要求1所述的基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，包括基于 混沌激光真随机码发生的方法，其特征在于混沌激光发生器I (l)发出连续的混沌激光信号传 输到全光模数转换器I (2)产生全光随机码；混沌激光发生器II(3)发出连续的混沌激光信号 传输到全光模数转换器II (4)产生全光随机码，全光模数转换器I (2)和全光模数转换器n (4) 产生的全光随机码传输到全光异或逻辑门(5)，全光异或逻辑门(5)发生全光真随机码。
8. 权利要求7所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，其特征在于混 沌激光发生器I (l)和混沌激光发生器II (3)是两个互不相关的混沌激光。
9. 权利要求7所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，其特征在于混 沌激光发生器I (l)经过全光模数转换器I (2)实现对混沌激光的采样和量化，输出"1"或"0"的全光随机码。
10. 权利要求7所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，其特征在于混 沌激光发生器II (3)经过全光模数转换器II (4)实现对混沌激光的采样和量化，输出"1"或"0"的全光随机码。
11. 权利要求7所述的一种基于混沌激光的真随机码发生装置的发生方法，其特征在于全 光模数转换器I (2)和全光模数转换器II(4)输出的全光随机码，输入到全光异或逻辑门(5) 进行全光异或逻辑运算，全光异或逻辑运算增加系统随机码的随机性，发生全光真随机码。
全文摘要
一种基于混沌激光的真随机码发生装置及其发生方法是由混沌激光发生器I和混沌激光发生器II发出的光信号分别传输到全光模数转换器I和全光模数转换器II，全光模数转换器I和全光模数转换器II发出的光信号传输到全光异或逻辑门构成全光真随机码发生装置；其发生方法是混沌激光发生器I和混沌激光发生器II发出连续的混沌激光信号分别传输到全光模数转换器I和全光模数转换器II产生全光随机码，全光模数转换器I和全光模数转换器II产生的全光随机码传输到全光异或逻辑门发生全光真随机码。本发明产生的全光真随机码带宽可达几十GHz，具有极宽频带、抗电磁干扰、保密性强等优点，应用于数字光通信中作为加扰信号，提高了系统的抗干扰能力。
文档编号H03K3/42GK101621287SQ20091007513
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者张明江, 杨玲珍, 媛 武, 王云才 申请人:太原理工大学