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一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器

阅读：21发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，它是一种无需模数转换器就可以进行采样量化的真随机数发生器。尤其是一种应用于信息安全、密码学、保密通信等领域的真随机数发生器。装置由第一外部探测光、第一3dB 耦合器、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、第一环形器、第二环形器、第二3dB耦合器、第三环形器、第三半导体光放大器、第二外部探测光、1×3耦合器、第一光延时线、第二光延时线、高速光电探测器、D触发器、时钟信号组成。所述真随机数发生器仅使用高速D触发器结合外部时钟信号即可实现随机码的高速采样量化输出，避免了昂贵高速ADC的使用，解决了现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽的问题。，下面是一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，包括输入第一外部探测光的第一3dB耦合器（1），第一3dB耦合器（1）的两个信号输出端分别连接有第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（3），第一半导体光放大器（2）的信号输出端连接有第二环形器（5）的输入端，第二半导体光放大器（3）的信号输出端连接有第一环形器（4）的输入端，第一环形器（4）和第二环形器（5）的输出端共同连接有第二3dB耦合器（6），第二3dB耦合器（6）的输出端连接有第三环形器（7）的输入端，第三环形器（7）的反射端连接有第三半导体光放大器（8），第三半导体光放大器（8）输入有第二外部探测光；第三环形器（7）的输出端连接有
1×3耦合器（9），1×3耦合器（9）其中两个输出端分别连接有第一光延时线（10）和第二光延时线（11）；第一光延时线（10）的输出端与第二环形器（5）的反射端相连接，第二光延时线（11）的输出端与第一环形器（4）的反射端相连接；1×3耦合器（9）的第三个输出端连接有高速光电探测器（12），高速光电探测器（12）的信号输出端连接有D触发器（13），D触发器（13）在外部时钟信号（14）的触发下，对输入的混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。
2.如权利要求1所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，第一、第二外部探测光是连续，波长不相等的信号光。
3.如权利要求1所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，第一、第二外部探测光的功率都不超过1mW。
4.如权利要求1所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，第一、第二延迟光纤的延迟时间差小于第三半导体光放大器（8）载流子的恢复时间。
5.如权利要求1所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，1×3耦合器（9）的第三个输出端输出的是一种宽带、相位混沌信号，不需要任何的模数转换, D触发器（13）在高速时钟的控制下就可以对混沌电信号进行采样产生真随机码序列。
6.如权利要求1所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，其特征在于，高速光电探测器（12）和D触发器（13）组成熵提取器。

说明书全文

一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，它是一种无需模数转换器就可以进行采样量化的真随机数发生器。尤其是一种应用于信息安全、密码学、保密通信等领域的真随机数发生器。

背景技术

[0002] 随着计算机技术、通信技术的飞速发展，信息安全问题受到越来越多的重视。在信息安全领域中，TCP/IP序列号的生成、PSA加密方法、安全通信的会话密钥的产生都离不开随机数。序列加密算法是加密技术中的一种常见技术，该加密算法的安全性很大程度取决于随机数序列是否够乱，周期是否够长。随机数在信息安全、神经网络的计算、密码协议、统计模拟等领域也具有重要应用。

[0003] 人们希望在这些领域用到的随机数具有随机性、不可预测、不可重现等特性，所以这类随机数被称作真随机数。而伪随机数一般通过数学方法产生，利用计算机运行各种复杂的算法来产生随机数，而这些伪随机数具有一定的规律，具有相关性，是可以被预测的。所以在信息安全、密码协议等领域需要真随机数来保证数据的安全性。

[0004] 目前，一些真随机数发生器以混沌光为物理熵源，主要利用光注入、光反馈以及光电反馈结构的半导体激光器来产生混沌光。通过以上这些方法产生的混沌光需要经过高速模数转换器（ADC）采样量化才可以实现随机数序列的高速产生。所以这些传统方法的缺点在于：产生的随机数受限于商用ADC的采样速率和位宽，不能满足现代通信需求。

发明内容

[0005] 本发明提供一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，通过采用一种混沌光产生新原理，用来解决上述现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽的问题。

[0006] 本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，包括输入第一外部探测光的第一3dB耦合器，第一3dB耦合器的两个信号输出端分别连接有第一半导体光放大器和第二半导体光放大器，第一半导体光放大器的信号输出端连接有第二环形器的输入端，第二半导体光放大器的信号输出端连接有第一环形器的输入端，第一环形器和第二环形器的输出端共同连接有第二3dB耦合器，第二3dB耦合器的输出端连接有第三环形器的输入端，第三环形器的反射端连接有第三半导体光放大器，第三半导体光放大器输入有第二外部探测光；第三环形器的输出端连接有1×3耦合器，1×3耦合器其中两个输出端分别连接有第一光延时线和第二光延时线；第一光延时线的输出端与第二环形器的反射端相连接，第二光延时线的输出端与第一环形器的反射端相连接；1×3耦合器的第三个输出端连接有高速光电探测器，高速光电探测器的信号输出端连接有D触发器，D触发器在外部时钟信号的触发下，对输入的混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。

[0007] 通过依次设置外部探测光、多个耦合器、多个半导体光放大器、多个环形器、光延时线，构成了混沌光熵源，产生新型混沌光信号。

[0008] 在外部输入探测光，利用耦合器将探测光等分成上下两路信号，上下两路信号光分别经过相同的半导体光放大器获得相同的增益。再利用1×3耦合器将输出分为三路，其中二路反馈到上下两路作自身输入，剩下一路作为输出。通过调节光延时线，作用在两路反馈光路上，利用两路信号的延时差小于半导体光放大器的恢复时间，根据交叉增益调制原理和相位变化，最终实现输出新型混沌光信号。

[0009] 所述新型混沌光输入到熵提取器，经过高速光电探测器将混沌光信号转换为电信号，再用高速 D 触发器结合外部时钟信号，对混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。

[0010] 本发明一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器和其他随机数发生器相比有以下优势：1、所发明的真随机数发生器仅使用高速 D 触发器结合外部时钟信号即可实现随机码的高速采样量化输出，避免了昂贵高速 ADC 的使用，解决了现有真随机数发生器受限于商用ADC的采样速率和位宽的问题。

[0011] 2、所发明的真随机数发生器用到的混沌光熵源是一种混沌光产生新原理，产生出一种宽带、相位混沌信号的混沌光信号，为以后解决随机数速率问题提供了一种可能性。

[0012] 3、本发明产生的真随机数具有随机性、不可预测性和不可复制性，可以应用在信息安全，加密技术等领域。附图说明

[0013] 图1为本发明一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器的结构示意图。

[0014] A:第一外部探测光；1：第一3dB耦合器；2：第一半导体光放大器；3：第二半导体光放大器；4：第一环形器；5：第二环形器；6：第二3dB耦合器；7：第三环形器；8：第三半导体光放大器；B：第二外部探测光；9：1×3耦合器；10：第一光延时线；11：第二光延时线；12：高速光电探测器；13：D触发器；14：时钟信号。

[0015] 图2为本发明产生混沌光信号的时序图。

[0016] 图3为本发明产生混沌光信号抖动的频率分布直方图。

具体实施方式

[0017] 第一、第二外部探测光是连续，波长不相等的信号光。

[0018] 第一、第二外部探测光的功率都不超过1mW。

[0019] 第一、第二延迟光纤的延迟时间差小于半导体光放大器载流子的恢复时间。

[0020] 1×3耦合器9的第三个输出端输出的是一种宽带、相位混沌信号，不需要任何的模数转换， D触发器在高速时钟的控制下就可以对混沌电信号进行采样产生真随机码序列。

[0021] 高速光电探测器12和D触发器13组成熵提取器。

[0022] 为使本发明的原理、整体方案和特点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0023] 本发明所述的一种基于自反馈混沌光的真随机数发生器，是一种基于混沌光新的产生原理构成的真随机数发生器。整套装置由第一外部探测光A、第一3dB耦合器1、第一半导体光放大器2、第二半导体光放大器3、第一环形器4、第二环形器5、第二3dB耦合器6、第三环形器7、第三半导体光放大器8、第二外部探测光B、1×3耦合器9、第一光延时线10、第二光延时线11、高速光电探测器12、D触发器13、时钟信号14组成。下面将结合附图对本发明的具体实施方式做出详细说明。

[0024] 首先输入第一外部输入探测光A,由一个第一3dB耦合器1(50:50)将输入光等分成上下两路信号光。上下两路信号光经过各自光路上的第一半导体光放大器2 和第二半导体光放大器3获得相同增益，两路信号光经过放大增益变成高功率，此时两路光信号经过第二3dB耦合器6，根据相位变化干涉相消，信号光输出为低功率。而且该信号光进入第三半导体光放大器8时，不消耗其载流子，同时输入第二外部输入探测光B,经过第三半导体光放大器
8根据交叉增益调制原理，光信号经过1×3耦合器9，最终在C端输出为高功率。

[0025] 如图1所示，把C端输出分为三路。其中两路反馈到上下两路作为自身输入，剩下一路作为输出。同时两路反馈完全等长，保证了反馈信号可以同时到达上下两路。通过调节光延时线，使反馈光路不相等，B的光信号不能同时到达上下两路。假设上路光信号变成了高功率，因为存在延时下路光信号依然为低功率，使上下两路信号产生相位差。上述过程循环执行，实现了在C端输出周期信号。当两路信号变化频率小于半导体光放大器SOA（第三半导体光放大器）的载流子恢复时间，使SOA的载流子不能恢复完全，可以在C端输出介于高低功率的“非正常信号”。通过调节光延时线，使两路反馈延时差小于SOA的恢复时间，同时反馈回上下两路，重复上述步骤，多次循环执行后，可以发现在C端出现随机振荡，输出混沌光，如图2所示为混沌光的时序图。同时对混沌光这一信号的抖动进行分析，如图3所示，总体呈泊松分布。

[0026] 通过下面具体步骤对混沌光信号进行采样，来产生出真随机码序列。如图1所示由混沌光熵源发出的混沌光经光纤输入熵提取器，在其内部经高速光电探测器12将新型混沌光转换为电信号，而后 D 触发器13在高速时钟14控制下，不需要任何的ADC（数模转换）,就可以对混沌电信号进行采样产生出真随机码序列。

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