利用混沌激光脈沖在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生7 Gbit/s物理隨機(jī)數(shù)?

趙東亮李璞劉香蓮郭曉敏郭龑強(qiáng)張建國(guó)王云才

1)(太原理工大學(xué),新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

2)(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,光電工程研究所,太原 030024)

利用混沌激光脈沖在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生7 Gbit/s物理隨機(jī)數(shù)?

趙東亮1)2)李璞1)2)?劉香蓮1)2)郭曉敏1)2)郭龑強(qiáng)1)2)張建國(guó)1)2)王云才1)2)

1)(太原理工大學(xué),新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

2)(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,光電工程研究所,太原 030024)

(2016年9月30日收到;2016年12月2日收到修改稿)

提出了一種基于混沌激光的在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生高速物理隨機(jī)數(shù)的方法,通過(guò)對(duì)連續(xù)的混沌激光進(jìn)行光采樣得到離散的混沌激光脈沖序列,利用差分比較器對(duì)混沌脈沖序列進(jìn)行自延遲比較,在線實(shí)時(shí)輸出高速物理隨機(jī)數(shù).并以光反饋半導(dǎo)體激光器這一典型混沌激光產(chǎn)生裝置作為物理熵源,對(duì)所提方法進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)論證,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)速率為7 Gbit/s的物理隨機(jī)數(shù)在線產(chǎn)生,可成功通過(guò)隨機(jī)數(shù)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NIST SP 800-22).

混沌激光,物理隨機(jī)數(shù),光采樣,延時(shí)比較

1 引 言

隨機(jī)數(shù)在保密通信領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,常被用作密鑰對(duì)明文信息進(jìn)行加密.根據(jù)香農(nóng)(Shannon)的“一次一密”理論[1],為保證通信的絕對(duì)安全就要產(chǎn)生大量碼率不低于通信速率的隨機(jī)數(shù),且必須保證隨機(jī)數(shù)是不可預(yù)測(cè)的.

利用復(fù)雜算法可產(chǎn)生高速“偽”隨機(jī)數(shù),但它具有周期性,長(zhǎng)度有限,存在極大安全隱患[2].采用自然界隨機(jī)現(xiàn)象作為物理熵源,可產(chǎn)生無(wú)限長(zhǎng)度、不可預(yù)測(cè)的物理隨機(jī)數(shù)(又稱真隨機(jī)數(shù)),但受限于傳統(tǒng)熵源(如熱噪聲[3]、振蕩器抖動(dòng)[4]等)帶寬,碼率多處于Mbit/s量級(jí),距離現(xiàn)代通信速率有很大差距.

鑒于此,采用寬帶光子熵源——混沌激光[5?9]——產(chǎn)生高速物理隨機(jī)數(shù)在近年來(lái)獲得了廣泛關(guān)注.例如,日本埼玉大學(xué)Uchida等[10]利用兩路光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生互不相關(guān)的混沌激光,經(jīng)由1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和異或門(mén)處理,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)速率達(dá)1.7 Gbit/s的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生.但是,該方法需不斷調(diào)節(jié)ADC的判決閾值,以使產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)統(tǒng)計(jì)無(wú)偏,從而可通過(guò)隨機(jī)數(shù)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).Wang等[11]也利用1位ADC和異或門(mén)構(gòu)建出了實(shí)時(shí)速率可達(dá)4.5 Gbit/s物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置.此外,相關(guān)研究學(xué)者還陸續(xù)提出了多種利用多位ADC和復(fù)雜后續(xù)處理相結(jié)合的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案.例如,以色列巴伊蘭大學(xué)Reidler等[12]利用8位ADC對(duì)光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光進(jìn)行采集,離線證明了等效速率為12.5 Gbit/s的隨機(jī)數(shù)可行性.西南大學(xué)唐曦等[13]以互注入半導(dǎo)體激光器作為熵源,將8位ADC與離線邏輯異或處理和舍棄最高有效位操作相結(jié)合產(chǎn)生了速率為17.5 Gbit/s的隨機(jī)數(shù).最近,西南交通大學(xué)Li等[14]使用8位ADC和離線高階有限差分算法證實(shí)了利用光反饋混沌激光半導(dǎo)體激光器可產(chǎn)生速率為2.2 Tbit/s的隨機(jī)數(shù).然而,這些基于多位ADC的方案均是利用示波器將混沌信號(hào)波形存儲(chǔ)后進(jìn)行的離線處理,并未能實(shí)時(shí)在線產(chǎn)生隨機(jī)數(shù).

限制高速率“實(shí)時(shí)”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的核心技術(shù)問(wèn)題在于:現(xiàn)有技術(shù)均使用電ADC(由采樣-保持電路、比較器和觸發(fā)器三部分構(gòu)成)對(duì)熵源信號(hào)進(jìn)行采樣和量化,繼而進(jìn)行后續(xù)處理.但是,電時(shí)鐘的孔徑抖動(dòng)限制了ADC的處理速度.并對(duì)ADC及后續(xù)處理涉及器件(如異或門(mén)、移位寄存器等)之間的同步提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

本文中,使用鎖模光脈沖在光域中對(duì)混沌激光進(jìn)行采樣,通過(guò)差分比較器對(duì)采樣得到的混沌激光脈沖序列進(jìn)行自延遲比較,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)物理隨機(jī)數(shù)的高速產(chǎn)生.該方法的整個(gè)信號(hào)處理過(guò)程無(wú)須電時(shí)鐘和后續(xù)處理器件參與,亦避免了判決閾值需不斷調(diào)諧的技術(shù)局限.并以光反饋半導(dǎo)體激光器這一典型混沌激光產(chǎn)生裝置作為物理熵源,對(duì)上述方法進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)論證,在線產(chǎn)生了實(shí)時(shí)速率為7 Gbit/s的物理隨機(jī)數(shù).該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率主要受限于所用混沌信號(hào)的帶寬,若采用更高帶寬的混沌激光,產(chǎn)生速率有望獲得進(jìn)一步提高.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于混沌激光在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生物理隨機(jī)數(shù)的裝置如圖1所示.混沌激光脈沖源(chaotic laser pulse source)輸出混沌激光脈沖序列,經(jīng)脈沖光放大器(PEDFA),由50:50光耦合器等分為兩路.這兩路混沌光脈沖由各自對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器(PD)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后,分別接入差分比較器(COM)的“+”,“?”輸入端.其中,在差分比較器的“+”輸入端的光電探測(cè)器前端置入一可調(diào)諧光延遲線(ODL),使進(jìn)入差分比較器的兩路脈沖之間存在一合適的延遲時(shí)間.當(dāng)“+”輸入端的混沌脈沖幅值與相應(yīng)“?”輸入端的脈沖幅值的差值大于零時(shí),比較器輸出高電平(編碼為“1”);反之,比較器輸出低電平(編碼為“0”).從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)混沌脈沖信號(hào)的自延遲比較,這些隨機(jī)出現(xiàn)的高、低電平,即為最終的實(shí)時(shí)物理隨機(jī)數(shù)序列.

圖1 在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生物理隨機(jī)數(shù)裝置圖 DFB-LD,半導(dǎo)體激光器;PC1,PC2,PC3,偏振控制器;VOA,可調(diào)光衰減器;FM,光纖反射鏡;MLL,鎖模脈沖激光器;WDM,波分復(fù)用器;SOA,半導(dǎo)體光放大器;BPF,光帶通濾波器;PEDFA,脈沖光放大器;ODL,可調(diào)諧光延遲線;PD,光電探測(cè)器;COM,差分比較器Fig.1.Schematic for online real-time physical random number generation.DFB-LD,distribute feedback laser diode;PC1,PC2,PC3,polarization controllers;VOA,variable optical attenuator;FM,fiber mirror;MLL,mode-locked laser;WDM,wavelength division multiplexer coupler;SOA,semiconductor optical amplifier;BPF,optical bandpass filter;PEDFA,Pulse optical amplifier;ODL,optical delay line;PD,photodetector;COM,differential comparator.

混沌激光脈沖源(chaotic laser pulse source)是通過(guò)對(duì)混沌激光進(jìn)行全光采樣實(shí)現(xiàn)的.具體地,半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)輸出的激光通過(guò)60:40的光纖耦合器分為兩路,其中40%的一路由光纖反射鏡(FM)反饋回半導(dǎo)體激光器中.通過(guò)可調(diào)光衰減器(VOA)和偏振控制器(PC)調(diào)節(jié)反饋光強(qiáng)度和偏振狀態(tài),可使DFB-LD進(jìn)入混沌振蕩.所產(chǎn)生的混沌激光由上述光纖耦合器的60%端口輸出,進(jìn)入全光采樣門(mén),該采樣門(mén)是在光纖環(huán)中非對(duì)稱地放置一個(gè)非線性半導(dǎo)體光放大器(SOA)構(gòu)成的太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD)結(jié)構(gòu)[15,16].混沌激光作為信號(hào)光經(jīng)50:50光纖耦合器進(jìn)入TOAD環(huán),分別沿著順時(shí)針(CW)和逆時(shí)針(CCW)方向傳輸.與此同時(shí),鎖模脈沖激光器(MLL)輸出的鎖模光脈沖作為控制光,經(jīng)波分復(fù)用器(WDM)耦合進(jìn)入TOAD環(huán).當(dāng)有控制光脈沖到達(dá)SOA時(shí),會(huì)使SOA的非線性系數(shù)發(fā)生改變.由于SOA偏離環(huán)中心點(diǎn)位置?x,此時(shí)先后進(jìn)入SOA的CW和CCW兩路信號(hào)光會(huì)經(jīng)歷不同的相位調(diào)制,產(chǎn)生相位差.選擇合適的控制光功率,調(diào)節(jié)偏振控制器PC2和PC3可使該相位差等于π,兩路信號(hào)光會(huì)在50:50光纖耦合器另一輸出端干涉輸出.這樣,信號(hào)光(即混沌激光)隨著超短光脈沖的到來(lái)而周期性地輸出,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)混沌激光的全光采樣.最終,采樣得到的混沌激光脈沖通過(guò)帶通濾波器(BPF)濾出.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 混沌激光脈沖源特性

圖2(a)為利用頻譜分析儀(signal and spectrum analyzer,Rohde&Schwarz,FSW26)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的混沌激光的頻譜,而圖2(b)為混沌激光的時(shí)序圖.實(shí)驗(yàn)中,光反饋半導(dǎo)體激光器的偏置電流設(shè)置為37.4 mA,中心波長(zhǎng)為1554.13 nm.調(diào)節(jié)可調(diào)光衰減器,使反饋強(qiáng)度約為2.5%.按照頻譜能量計(jì)算[17],此時(shí)混沌激光的帶寬約7.5 GHz.

圖2(c)為鎖模脈沖激光器(MLL)發(fā)出的重復(fù)頻率為7 GHz鎖模光脈沖序列(控制光)波形圖,而圖2(d)則是經(jīng)光采樣得到的混沌激光脈沖時(shí)序圖.實(shí)驗(yàn)中,SOA偏置電流設(shè)置為300 mA,位于偏離環(huán)中心20 ps處.鎖模脈沖激光器發(fā)出的鎖模光脈沖序列的重復(fù)頻率為7 GHz,平均功率為?7.2 dBm.上述信號(hào)波形均是由80 GSa/s采樣率和36 GHz帶寬的示波器(OSC,Lecroy,LabMaster10-36Zi)記錄所得.通過(guò)對(duì)比圖2(b)和圖2(d),可以看出采樣后得到的混沌脈沖序列的峰值包絡(luò)與被采樣信號(hào)完全一致.這意味著利用鎖模光脈沖在光域中實(shí)現(xiàn)了對(duì)混沌激光的高保真全光采樣.

另外需要指出的是,該混沌激光脈沖源不會(huì)遺傳光反饋混沌激光固有的弱周期性[18].前期研究表明[19],當(dāng)光采樣門(mén)的采樣率低于混沌激光信號(hào)的帶寬且采樣周期不是外腔反饋時(shí)間的整數(shù)倍時(shí),混沌激光的弱周期性可以被抑制.因此,將光采樣門(mén)的采樣率設(shè)置為7 GSa/s(對(duì)應(yīng)采樣周期約為0.1428 ns),對(duì)帶寬為7.5 GHz的光反饋混沌激光進(jìn)行采樣.連續(xù)混沌激光信號(hào)自相關(guān)特性曲線如圖3(a)所示,可以看出外腔反饋時(shí)間為103.8 ns,與光采樣周期不成整數(shù)倍關(guān)系.圖3(b)則是實(shí)驗(yàn)中獲得的混沌脈沖信號(hào)幅值的自相關(guān)曲線,可以看出,與預(yù)期相符,混沌脈沖信號(hào)不再表現(xiàn)出弱周期性,這為下一步優(yōu)質(zhì)隨機(jī)數(shù)提取創(chuàng)造了有利條件.

圖2 混沌脈沖源的工作特性 (a)混沌激光的頻譜;(b)混沌激光時(shí)序;(c)控制光脈沖時(shí)序;(d)混沌脈沖序列Fig.2.Characteristics of the chaotic laser pulse source:(a)Frequency spectrum of the optical feedback chaotic laser;(b)waveforms of the chaotic laser;(c)waveforms of the optical control pulses;(d)chaotic pulse sequences.

圖3 (a)混沌激光的自相關(guān)特性曲線;(b)混沌脈沖的自相關(guān)特性曲線Fig.3.(a)Autocorrelation curves of the optical feedback chaotic laser;(b)autocorrelation curves of the chaotic pulses.

3.2 隨機(jī)數(shù)實(shí)時(shí)提取

3.2.1 自延遲比較分析

混沌激光不對(duì)稱的幅值分布是一個(gè)不利于產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)隨機(jī)數(shù)的因素.圖4(a)為實(shí)驗(yàn)中混沌激光脈沖信號(hào)峰值的幅值概率密度分布曲線,可以看出混沌脈沖信號(hào)的幅值概率分布呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性.這也是采用單一閾值進(jìn)行比較提取隨機(jī)數(shù)時(shí)[10],需要不斷調(diào)諧才可產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)無(wú)偏隨機(jī)數(shù)的根本原因.

圖4 (a)和(b)分別為作差運(yùn)算前、后混沌激光脈沖峰值的幅值分布Fig.4.(a)and(b)are Normalized distributions of the peak amplitudes of chaotic pulses before and after the differential operation.

本方法中采用的自延遲比較技術(shù),是對(duì)輸入到差分比較器的兩路自延遲混沌脈沖進(jìn)行作差運(yùn)算,從而確定隨機(jī)數(shù)序列中的“0”和“1”碼,無(wú)須設(shè)置閾值即可獲得統(tǒng)計(jì)無(wú)偏的優(yōu)質(zhì)隨機(jī)數(shù).這個(gè)結(jié)論可以在理論上分析混沌脈沖作差運(yùn)算前、后的幅值概率分布得到證明.設(shè)輸入到差分比較器的混沌脈沖信號(hào)s(t)與其延遲信號(hào)s(t+τ)幅值概率密度函數(shù)分別是f(x)和f(y),聯(lián)合概率密度函數(shù)是f(x,y).混沌脈沖信號(hào)s(t)與其延遲信號(hào)s(t+τ)作差后的信號(hào)用g(t)表示,于是有g(shù)(t)=s(t)?s(t+τ).它的幅值分布函數(shù)用F(z)表示:

做變量代換x=u+y,可得

對(duì)(2)式求導(dǎo)可得到幅值概率密度函數(shù)為

若s(t)和s(t+τ)相互獨(dú)立,則有f(x,y) =f(x)f(y).代入(3)式中可得

令v=?z+y,有

由(4)式和(6)式可以得到

由(7)式可知,經(jīng)過(guò)延遲作差運(yùn)算后的混沌脈沖信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)服從對(duì)稱分布,為使用自延遲比較技術(shù)獲得統(tǒng)計(jì)無(wú)偏的隨機(jī)數(shù)提供了理論支持.

從上述理論分析中可以看出,自延遲比較技術(shù)的前提是保證自延遲的兩路混沌脈沖信號(hào)不相關(guān).根據(jù)圖3(b)的插圖,實(shí)驗(yàn)中選擇了一個(gè)脈沖重復(fù)周期整數(shù)倍的延遲時(shí)間0.714 ns.在此延遲時(shí)間下,混沌脈沖的自相關(guān)系數(shù)降低到0.004以下,可以認(rèn)為兩路混沌脈沖信號(hào)是不相關(guān)的.進(jìn)一步,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)中的混沌脈沖序列峰值進(jìn)行了延遲作差分析.圖4(b)是延遲時(shí)間為0.714 ns時(shí),兩路自延遲混沌脈沖信號(hào)作差運(yùn)算后的幅值概率分布曲線.通過(guò)對(duì)比圖4(a)和圖4(b),可以發(fā)現(xiàn)作差運(yùn)算后的曲線呈現(xiàn)出高度對(duì)稱的分布,這就實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用自延遲比較技術(shù)確實(shí)可以消除混沌脈沖信號(hào)的幅值概率不對(duì)稱分布,從而獲取統(tǒng)計(jì)無(wú)偏的隨機(jī)數(shù).

3.2.2 比較器輸出結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中基于自延遲比較技術(shù)的隨機(jī)數(shù)提取(extraction of random number)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示,這里不再贅述.圖5(a)為差分比較器(ADI,HMC675LP3E)輸出的隨機(jī)數(shù)時(shí)序圖.由圖可見(jiàn),所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列屬于非歸零碼(NRZ).進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn),該隨機(jī)數(shù)序列的實(shí)時(shí)速率由鎖模脈沖激光器的重復(fù)頻率直接決定,為7 Gbit/s,峰峰值電壓為400 mV.圖5(b)為差分比較器輸出的隨機(jī)數(shù)序列的自相關(guān)曲線.可以看出隨機(jī)數(shù)序列不包含任何混沌信號(hào)的時(shí)延特性.圖5(c)為產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列所轉(zhuǎn)換成的二維黑白點(diǎn)圖,隨機(jī)數(shù)序列中的“0”和“1”碼分別對(duì)應(yīng)隨機(jī)點(diǎn)圖中的白點(diǎn)和黑點(diǎn).點(diǎn)圖中沒(méi)有任何明顯的圖樣,說(shuō)明隨機(jī)數(shù)序列中“0”和“1”碼的分布是均勻的.

圖5 比較器輸出的隨機(jī)數(shù)序列的特性 (a)時(shí)序圖;(b)自相關(guān)圖;(c)隨機(jī)點(diǎn)圖Fig.5.Characteristics of real-time output random bit sequences:(a)Waveforms of the random sequences;(b)autocorrelation curves of the random sequences;(c)a random dot diagram of the random sequences.

3.3 隨機(jī)數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所獲隨機(jī)數(shù)的性能,我們采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)提供的15項(xiàng)統(tǒng)計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NIST SP800-22)[20],對(duì)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行測(cè)試.NIST測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包含15項(xiàng)測(cè)試,每項(xiàng)測(cè)試結(jié)果用P值來(lái)表示.若P值大于顯著水平α=0.01,則說(shuō)明該隨機(jī)數(shù)序列通過(guò)了相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng).進(jìn)一步,為了驗(yàn)證序列的隨機(jī)特性的有效性及正確性,NIST測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求在1000組1 Mbit的隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)試中,每項(xiàng)測(cè)試的通過(guò)率須大于0.9806.圖6是本實(shí)驗(yàn)所得隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果.其中,圖6(a)和圖6(b)分別為每個(gè)子測(cè)試項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P值和通過(guò)率,橫坐標(biāo)軸上的數(shù)字1—15代表NIST測(cè)試的15個(gè)測(cè)試項(xiàng),分別為頻率、塊內(nèi)頻數(shù)、累積和、游程、塊內(nèi)最長(zhǎng)游程、矩陣秩、離散傅里葉變換、非重疊模塊匹配、重疊模塊匹配、通用統(tǒng)計(jì)、近似熵、隨機(jī)游動(dòng)、隨機(jī)游動(dòng)變量、串行和線性復(fù)雜度測(cè)試.由圖6可見(jiàn),所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)可通過(guò)NIST SP800-22中的全部15項(xiàng)測(cè)試.

圖6 NIST測(cè)試結(jié)果 (a)各測(cè)試項(xiàng)的P值;(b)各測(cè)試項(xiàng)的通過(guò)率Fig.6.Results of NIST statistical test:(a)P-value of each test item;(b)pass rate of each test item.

4 討 論

本文圖1中ODL的延遲量對(duì)隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量有比較大的影響.延遲量的選擇取決于相應(yīng)延遲量下混沌脈沖的自相關(guān)系數(shù)[見(jiàn)圖3(b)].大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)選取的延遲量對(duì)應(yīng)的混沌脈沖自相關(guān)系數(shù)低于0.004時(shí),產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)可通過(guò)NIST測(cè)試,如圖7所示.本方案中,選擇了自相關(guān)系數(shù)為0.004時(shí)所對(duì)應(yīng)的ODL延遲量0.714 ns.

圖7 不同的混沌脈沖自相關(guān)系數(shù)下,通過(guò)NIST測(cè)試的項(xiàng)數(shù)變化情況Fig.7.The number of passed tests for NIST at different chaotic pulse autocorrelation coefficients.

在本文所述原理性論證實(shí)驗(yàn)中,使用差分比較器對(duì)采樣得到的混沌脈沖序列進(jìn)行自延遲比較,實(shí)時(shí)在線產(chǎn)生的物理隨機(jī)碼屬于NRZ碼.若要產(chǎn)生RZ碼,只需要在差分比較器后添加一NRZRZ轉(zhuǎn)換器即可.目前市場(chǎng)上NRZ-RZ轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品成熟,比如,ADI公司生產(chǎn)的型號(hào)為HMC706的NRZ-RZ轉(zhuǎn)換器,速率可達(dá)13 Gbps.

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于混沌激光的在線實(shí)時(shí)產(chǎn)生高速物理隨機(jī)數(shù)的方法,并對(duì)其進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)論證.利用鎖模脈沖激光器產(chǎn)生的光脈沖作為控制光信號(hào)控制全光采樣門(mén),實(shí)現(xiàn)了對(duì)光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的帶寬為7.5 GHz的混沌激光的7 GSa/s實(shí)時(shí)全光采樣,有效抑制了光反饋混沌激光固有的弱周期性.繼而使用差分比較器對(duì)采樣得到的重復(fù)頻率為7 GHz的混沌脈沖序列進(jìn)行自延遲比較,消除了統(tǒng)計(jì)偏差的影響,實(shí)時(shí)在線產(chǎn)生了碼率為7 Gbit/s的物理隨機(jī)數(shù),可以通過(guò)隨機(jī)數(shù)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NIST SP 800-22)中的全部15項(xiàng)測(cè)試.該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率主要受限于所用混沌信號(hào)的帶寬,若采用更高帶寬的混沌激光,有望獲得進(jìn)一步提高.

[1]Shannon C E 1949Bell Syst.Tech.J.28 656

[2]Aaldert C 1991Am.J.Phys.59 700

[3]Xu P,Wong Y L,Horiuchi T K,Abshire P A 2006Electron.Lett.42 1346

[4]Bucci M,Germani L,Luzzi R,Trifiletti A,Varanonuovo M 2003IEEE Trans.Comput.52 403

[5]Wang A B,Wang Y C,He H C 2008IEEE Photonics Technol.Lett.20 1633

[6]Uchida A,Heil T,Liu Y,Davis P,Aida T 2003IEEE J.Quantum Electron.39 1462

[7]Zhang M J,Liu T G,Wang A B,Zheng J Y,Meng L N,Zhang Z X,Wang Y C 2011Opt.Lett.36 1008

[8]Zhao Q C,Yin H X 2013Laser Optoelectron.Prog.50 23(in Chinese)[趙清春,殷洪璽 2013激光與光電子學(xué)進(jìn)展50 23]

[9]Soriano M C,Garcíaojalvo J,Mirasso C R,Fischer I 2013Rev.Mod.Phys.85 421

[10]Uchida A,Amano K,Inoue M,Hirano K,Naito S,Someya H,Oowada I,Kurashige T,Shiki M,Yoshimori S,Yoshimura K,Davis P 2008Nat.Photonics2 728

[11]Wang A B,Li P,Zhang J G,Zhang J Z,Li L,Wang Y C 2013Opt.Express21 20452

[12]Reidler I,Aviad Y,Rosenbluh M,Kanter I 2009Phys.Rev.Lett.103 024102

[13]Tang X,Wu J G,Xia G Q,Wu Z M 2011Acta Phys.Sin.60 110509(in Chinese)[唐曦,吳加貴,夏光瓊,吳正茂2011物理學(xué)報(bào)60 110509]

[14]Li N Q,Kim B,Chizhevsky V N,Locquet A,Bloch M,Citrin D S,Pan W 2014Opt.Express22 6634

[15]Jiang L,Li P,Zhang J Z,Sun Y Y,Hu B,Wang Y C 2015Acta Phys.Sin.64 154213(in Chinese)[江鐳,李璞,張建忠,孫媛媛,胡兵,王云才2015物理學(xué)報(bào)64 154213]

[16]Li P,Jiang L,Zhang J G,Zhang J Z,Wang Y C 2015IEEE Photonics J.7 7801108

[17]Lin F Y,Liu J M 2003Opt.Commun.221 173

[18]Zhang J B,Zhang J Z,Yang Y B,Liang J S,Wang Y C 2010Acta Phys.Sin.59 7679(in Chinese)[張繼兵, 張建忠,楊毅彪,梁君生,王云才2010物理學(xué)報(bào)59 7679]

[19]Li P,Sun Y Y,Liu X L,Yi X G,Zhang J G,Guo X M,Guo Y Q,Wang Y C 2016Opt.Lett.41 3347

[20]National Institute of Standard and Technology Special Publication 800-22 Revision1a,2010 http://csrc.nist.gov/groups/ST/toolkit/rng/documents/SP800-22rev1a.pdf

PACS:05.45.Vx,05.45.Gg DOI:10.7498/aps.66.050501

Online real-time 7 Gbit/s physical random number generation utilizing chaotic laser pulses?

Zhao Dong-Liang1)2)Li Pu1)2)?Liu Xiang-Lian1)2)Guo Xiao-Min1)2)Guo Yan-Qiang1)2)Zhang Jian-Guo1)2)Wang Yun-Cai1)2)

1)(Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Eduction and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)
2)(Institute of Optoelectronic Engineering,College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

30 September 2016;revised manuscript

2 December 2016)

Random numbers are used to encrypt the information in the field of secure communications.According to“one-time pad”theory found by Shannon,the absolute security of the high-speed communication requires the ultrafast reliable random numbers to be generated in real-time.

Using complex algorithms can generate pseudorandom numbers,but they can be predicted due to their periodicity.Random numbers based on physical stochastic phenomena(such as electronic noise,frequency jitter of oscillator)can provide reliable random numbers.However,their generation rates are at a level of Mbit/s typically,limited by the bandwidth of traditional physical sources.

In recent years,high-speed physical random number generation based on chaotic laser has attracted much attention.Common methods of extracting random numbers are to sample and quantitate the chaotic signal in electronic domain with a 1-bit or multi-bit analog-to-digital converter(ADC)triggered by an RF clock and then post-process the original binary sequences into random numbers.However,the large jitter of the RF clock severely restricts the speed of ADC.Moreover,the existence of the subsequent post-processing process put a huge challenge to how the synchronization is kept among all the devices(e.g.,XOR gates,memory buffers,parallel serial converters)by using an RF clock.Thus,to our knowledge,the fastest real-time speed of the reported physical random number generator is less than 5 Gbit/s.

In this paper,we propose a novel method of generating the real-time physical random numbers by utilizing chaotic laser pulses.Through sampling the chaotic laser in all-optical domain by using a mode-locked pulsed laser,chaotic laser pulse sequences can be obtained.Then,real-time physical random numbers are obtained directly by self-delay comparing the chaotic pulse sequences with no need of RF clock nor any post-processing.

Furthermore,a proof-of-principle experiment is carried out,in which an optical feedback chaotic semiconductor laser is employed as an entropy source.Experimental results show that the real-time random number sequences at rates of up to 7 Gbit/s can be achieved.The real-time speed is mainly limited by the bandwidth of the applied chaotic signal.If the chaotic laser with a higher bandwidth is adopted,the real-time generation rate can be further enhanced.

chaotic laser,physical random numbers,optical sampling,delay compare

PACS:05.45.Vx,05.45.Gg

10.7498/aps.66.050501

?國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專(zhuān)款項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):61227016)、國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61505137,61405138,51404165)、國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2014DFA50870)、山西省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2015021088)和山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2015122)資助的課題.

?通信作者.E-mail:lipu@tyut.edu.cn

*Project supported by the Special Fund for Basic Research on Scientific Instruments of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61227016),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61505137,61405138,51404165),the Funds for International Cooperation and Exchange of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.2014DFA50870),the Natural Science Foundation of Shanxi Province,China(Grant No.2015021088),and the Scientific and Technological Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi Province,China(Grant No.2015122).

?Corresponding author.E-mail:lipu@tyut.edu.cn