面向全光物理隨機數(shù)發(fā)生器的混沌激光實時光采樣.pdf

1、隨機數(shù)在蒙特卡洛仿真、擴頻通信、光纖傳感、雷達測距、電子商務(wù)等領(lǐng)域已有重要應(yīng)用。尤其，在保密通信領(lǐng)域，隨著計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何保證信息安全顯得異常重要。香農(nóng)信息理論證明，為保證信息的絕對安全需采用“一次一密”的保密機制。因此，如何產(chǎn)生高速的、完全隨機的物理隨機數(shù)對信息安全具有至關(guān)重要的意義。
　　隨機數(shù)通常分為偽隨機數(shù)和物理隨機數(shù)兩大類。偽隨機數(shù)一般由初始種子經(jīng)過確定的算法迭代產(chǎn)生。這類方法往往可以產(chǎn)生數(shù)十Gbit/s

2、的隨機數(shù)，但是這類隨機數(shù)不僅具有周期性，而且還可以預(yù)測和復(fù)制，因此難以滿足信息安全的需求。而物理隨機數(shù)是利用自然界中物理熵源的隨機現(xiàn)象產(chǎn)生，它完全不可預(yù)測、不可再現(xiàn)。常用的物理熵源有電子電路熱噪聲、放射性衰變、電子振蕩器頻率噪聲、混沌電路等。然而受限于這些物理熵源的有效帶寬，產(chǎn)生的物理隨機數(shù)速率很難達到Gbit/s。
　　混沌激光具有超寬帶、強度隨機起伏以及對初值敏感等特性，是提取高速物理隨機數(shù)的理想熵源。針對這一特殊熵源，常用的

3、提取隨機數(shù)方法是將混沌激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電混沌信號，在電域中利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對混沌信號進行采樣、量化和編碼。基于這種光電子技術(shù)的方法產(chǎn)生高速隨機數(shù)，勢必會收到電子器件“電子速率瓶頸”的限制，目前實時速率還未達到5 Gbit/s。于是我們提出直接在光域中對混沌激光信號進行處理，來產(chǎn)生高速的全光物理隨機數(shù)，以滿足現(xiàn)代高速光通信的需求。
　　高速全光物理隨機數(shù)的產(chǎn)生，首先需要實現(xiàn)對混沌激光的全光采樣。本文以此為目標(biāo)，提出利用太赫茲

4、光非對稱解復(fù)用器(TOAD)構(gòu)建全光采樣門，以實現(xiàn)對光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光的全光采樣。具體工作如下:
　　1.概述了隨機數(shù)的研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀，指出全光物理隨機數(shù)研究的重要性，簡單介紹了本課題組提出的利用超寬帶混沌激光熵源、全光采樣器、全光比較器等構(gòu)建新一代高速物理隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)方案——高速全光物理隨機數(shù)發(fā)生器。
　　2.介紹了現(xiàn)有全光采樣技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，比較分析了各自的優(yōu)缺點。針對混沌激光相干性差和偏振態(tài)隨機

5、起伏等特點，提出利用偏振無關(guān)的半導(dǎo)體光放大器(SOA)構(gòu)建TOAD全光采樣門，以實現(xiàn)對混沌激光的全光采樣方案。首先實驗分析了TOAD相關(guān)參數(shù)（采樣脈沖功率、非對稱偏移量等）對全光采樣門性能的影響，以及TOAD全光采樣門的開關(guān)能量及線性度，得到了采樣門的最佳性能參數(shù)。并利用該采樣門對500 MHz正弦光信號進行了全光采樣實驗，驗證了該全光采樣門的可行性。
　　3.利用最佳性能參數(shù)條件下的TOAD全光采樣門實現(xiàn)了對6.4 GHz混沌激