[發明專利]一種Tbps碼率全光真隨機數發生器

有效

• 申請號: 201210180896.7
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN102681817A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 李璞;王云才;王安幫;王文杰;梁麗萍
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58;H01S3/067
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 戎文華

技術領域

本發明與一種全光真隨機數發生器有關，尤其是一種超高速、碼率可調諧的全光真隨機數發生器，適用于保密通信及密碼學領域。

背景技術

隨著計算機技術、通信技術的迅猛發展，信息已成為當今社會的一種十分重要的財富。信息化社會的不斷發展使得人們的生活都與信息的產生、接收、存儲、處理和傳遞有著密切的聯系。商業、金融業與互聯網的結合以及現代通訊傳輸速率的大規模提高更是對密碼學和信息安全提出了巨大的挑戰。

隨機數在現代保密通信和密碼學領域有著非常重要的應用，是硬件加密系統的核心器件。隨機數發生器主要分為兩種：偽隨機數發生器和真隨機數發生器。偽隨機數發生器是利用確定性算法來獲得隨機序列的，其最主要的缺點是具有完全的確定性和周期性，如果攻擊者具有足夠的計算能力，則完全可以復制甚至預測偽隨機數。而真隨機數發生器是利用自然界中的隨機現象作為物理熵源產生出無法預測、完全隨機的真隨機數，能夠保證信息傳輸的絕對安全，適用于對信息安全要求較高的硬件實體中。

根據物理熵源的不同，真隨機數發生器可分為兩類：基于連續時間隨機系統的真隨機數發生器和基于離散時間隨機系統的隨機數發生器。

傳統的真隨機數發生器均屬于第一類真隨機數發生器，所選用的物理熵源均屬于連續時間隨機系統——所發出的信號是連續模擬信號，如電阻或其他電子元件的熱噪聲、自發輻射噪聲、核輻射衰變、振蕩器的相位噪聲、混沌電路、混沌激光等。為了產生真隨機數，它們必須完成以下步驟：一是利用外部觸發時鐘采樣并量化連續變化的熵源信號，產生二進制序列；二是對二進制隨機數序列進行后續處理，如異或邏輯運算及高階差分處理，從而獲得真隨機數。因此，傳統的真隨機數發生器通常由物理熵源、外部觸發時鐘、采樣系統、量化裝置、后續處理系統等五部分構成。但其不足之處在于：一是結構復雜：在模擬信號（即熵源信號）向離散信號（即真隨機數）轉換的過程中，需要采樣和量化兩個過程，由于外部觸發時鐘孔徑抖動的存在，會嚴重劣化模數轉換的精確度，降低系統的信噪比。二是這些隨機數發生器需要后續處理，而后續處理系統的存在則會進一步增加系統的復雜度和不穩定性。三是其信號處理過程均在電域中完成，其隨機數發生速率面臨“電子瓶頸”的限制，速率提升空間有限。目前響應帶寬最高的電ADC當屬日本富士通公司的?CHAIS?ADC，其帶寬可達?15?GHz，已幾乎接近硬件帶寬理論極限。

在先技術1?[Optics?Express,?Vol.?18,?Issue?19,?pp.?20360-20369?(2010)]提出了“一種新型的全光真隨機數發生器”，整個系統包含物理熵源、全光觸發時鐘、全光采樣器、全光量化器以及全光后續處理系統（全光異或門）。其信號處理均在光域中進行，可突破“電子瓶頸”的限制，產生了速率達10?Gbps的高速全光真隨機數。這個方案部分地克服了傳統隨機數發生器的第三個缺陷，然而前兩個技術缺陷卻依然存在。其根本原因是所用物理熵源是混沌激光，仍屬于基于連續時間隨機系統的真隨機數發生器，要產生隨機數序列，不可避免地需要采用外部觸發時鐘對其進行采樣以及量化。另外，需要特別指出的是，該方案并未發揮全光信號處理（即全光量化）的技術優勢——THz量級的超快響應速率，所產生的隨機數碼率僅為10?Gbps，這是所選用物理熵源的有限帶寬導致的——混沌激光信號的帶寬一般不超高20?GHz。

在先技術2?[Optics?Express,?Vol.?20,?Issue?4,?pp.?4297-?4308?(2012)]首次提出并論證了基于離散時間隨機系統的全光真隨機數發生器實現方案,?信號處理過程完全在光域中進行，利用被動鎖模光纖激光器發射的離散混沌脈沖信號作為物理熵源，無需采樣過程及外部觸發時鐘，便可直接產生真隨機數序列。整套裝置僅由物理熵源和全光量化器兩部分構成，結構簡單，完全克服了傳統真隨機數發生器的技術缺陷。但是，仍存在一個極明顯的問題亟待解決：該基于離散時間隨機系統的全光真隨機數發生器的碼率完全由被動鎖模激光器的光纖環長確定，理論上速率僅能達到Mbps量級，完全無法適應現代高速通信的安全需要。實現大容量高速光通信的絕對安全要求實時地產生不低于通信速率的高速真隨機數。