[發明專利]一種基于時間間隔混沌的超快物理隨機數發生器

有效

• 申請號: 202011419940.6
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112579044B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 李璞;李偉;蔡強;徐兵杰;王子箬
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58;G06N7/08;H04L9/00;H04L9/06
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 王軍

本發明涉及一種基于時間間隔混沌的超快物理隨機數發生器，利用非線性光纖的非線性擾動以及光電反饋的增益轉換效應，使光電反饋半導體激光器輸出的相鄰混沌激光脈沖時間間隔呈現出隨機起伏的混沌波動狀態。進一步，通過時間幅度轉換器將時間間隔混沌信號的隨機時間信息轉化為幅度信息后，利用模數轉換器即可實現超快物理隨機數的實時產生。本發明利用時間幅度轉換器將隨機時間信息轉換為幅值信息，結合1?bit ADC進行模數轉換，實現隨機數產生。最終產生的隨機數的碼率取決于半導體激光器的弛豫振蕩頻率，至少可達數十GHz。

技術領域

本發明涉及一種物理隨機數發生器，具體為一種基于時間間隔混沌的超快物理隨機數發生器，屬于密碼學、光通信、信息安全等領域。

背景技術

隨機數（亦稱密鑰）是信息安全的基石。在當前數字通信時代，通常采用隨機數作為密鑰對明文信息進行加密，只有密鑰不被破解，才能保證所傳輸信息的安全。絕對安全保密通信的實現須采用“一次一密”（One-time Pad）加密方案。該方案要求大量、安全隨機數的實時、快速產生，其碼率不得低于當前通信傳輸速率。

目前，國際上普遍采用復雜算法來實時產生快速隨機數，稱作‘偽’隨機數發生器。但是，偽隨機數具有周期性，超過一定長度，將會完全重復，導致其存在被破解的風險。因此，它不滿足絕對安全通信的要求，是近年來大規模數據泄露事件頻發的根源。

利用物理隨機現象作為熵源（即隨機信號源），結合一定的隨機數提取技術，可產生真正安全的物理隨機數。常規的物理隨機數產品采用電阻熱噪聲、振蕩器頻率抖動、混沌電路等作為熵源。但受限于熵源帶寬瓶頸，傳統物理隨機數發生器碼率處于百Mb/s 量級，無法滿足現代信息高速傳輸的要求。

近年來，混沌激光由于帶寬優勢，以其作為物理熵源產生真隨機數取得了突破性進展。通過對半導體激光器引入外部擾動，如光反饋、光注入或光電反饋等，可以實現混沌激光的產生。比如：2008年，日本內田淳夫課題組在國際知名期刊Nature Photonics上首次利用混沌激光的強度信息實現了1.7 Gb/s真隨機碼的在線、實時產生[Nature Photoics,vol. 2, no. 12, pp. 728-732, 2008]。2017年，本課題組利用激光混沌的相位信息作為物理熵源，實現了實時速率為14 Gb/s 的物理隨機數實時產生[IEEE Photonics Journal,vol. 9, no. 2, 7201412 2017 ]。

現有的基于混沌激光的隨機數發生器均利用混沌激光的幅值信息或者相位信息作為物理熵源，其隨機數產生的實時速率已經無法滿足現在通信速率的要求。

發明內容

本發明提供了一種基于時間間隔混沌的超快物理隨機數發生器，為超快物理隨機數行業提供一種全新的物理熵源，豐富現有的超快物理隨機數發生器的實現方法，鑒于當前隨機噪聲源（即隨機數發生器）行業標準，要求同一產品中同時具備多種形式的熵源以增強通信安全性，本申請專利技術具有極大的應用前景。

本發明提供了一種基于時間間隔混沌的超快物理隨機數發生器，包括：半導體激光器，半導體光放大器，非線性光纖，光電探測器，3-dB功率分配器，電放大器，時間幅度轉換器以及一位模數轉換器（1-bit ADC）；

其中，半導體激光器輸出的激光經過半導體光放大器后輸入非線性光纖，經過非線性作用以及色散作用后，輸入至光電探測器，轉化為電信號；電信號輸出至3-dB功率分配器分為兩部分，3-dB功率分配器第一輸出端輸出的電信號經電放大器的放大作用后，與半導體激光器的原始偏置電流疊加，在正反饋的條件下注入半導體激光器；半導體激光器因非線性光纖中的非線性效應以及正反饋對半導體激光器造成的增益轉換，可輸出時間間隔隨機起伏的混沌脈沖信號，再次經過半導體光放大器、非線性光纖、光電探測器、3-dB功率分配器后，從3-dB功率分配器的第二輸出端輸出，依序經過時間幅度轉換器、一位模數轉換器后輸出。