[发明专利]一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器

说明书

本发明属于保密通信领域，公开了一种基于单片集成混沌激光器的高速物理随机数发生器，包括半导体激光器、光纤耦合器、平衡探测器和随机数提取装置，所述半导体激光器为单片集成的互耦合四区半导体激光器，所述光纤耦合器具有两个输入端和两个输出端，所述半导体激光器的两个出射端分别连接至所述光纤耦合器的两个输入端；所述光纤耦合器的两个输出端通过光纤连接至所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至随机数提取装置。本发明具有结构简单，体积小巧的特点；且由于采用集成封装，对外部环境扰动不敏感，可以实现高速的物理随机数提取。

技术领域

本发明属于保密通信领域，具体涉及一种基于单片集成的混沌激光器的高速物理随机数发生器。

背景技术

随机数及其发生器在科学研究和日常生活中至关重要，例如在保密通信领域，随机数经常作为通信的密钥。根据Shannon提出的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足：（1）密钥的长度应不短于明文的长度；（2）密钥是完全随机的；（3）每个密钥只能使用一次，即密钥不能重复使用，因此在安全通信中的加密与解密过程将会依赖于大量、优质的随机数和高码率的随机数发生器。

物理随机数由于具有不可再现和无周期的特性在众多的应用领域发挥着重要的作用。物理随机数的产生主要依赖于自然界的随机现象。基于实际器件的热噪声的物理随机数发生器产生随机数的码率较低（通常只有Mbit/s），而且需要大功率宽带的噪声放大器，使得随机数发生器的成本升高，难以实用化；基于量子光学过程实现的物理随机数发生器（US2007/0127718A1和CN1558581A）通常需要复杂的单光子探测技术，受限于探测装置的限制，此种方法所产生的随机数速率也仅有Mbit/s；基于各种电路（CN1420431A和CN101477450A和CN1588304A）或振荡器(CN101162998A和CN1573681A和CN10290566A)实现的物理随机数受电路硬件的带宽限制，其所产生的随机数码率为Mbit/s量级。可见，在上述的产生物理随机数的方案中，随机数产生的速率较低为其主要的不足。基于上述问题，太原理工大学的研究者于2007年提出基于混沌激光的物理随机数发生器及其产生方法（CN101079615A），利用半导体激光器在适当条件下可产生80%能量带宽达数吉赫兹的混沌激光，并将所产生的混沌激光通过光电探测器转换为电信号，进行处理得到物理随机数输出。日本学者采用与上述专利（CN101079615A）相同的原理实现1.7Gbit/s的物理随机数的输出（Nature Photonics, 2(12):728-732, 2008）。之后，利用外光注入的光反馈半导体激光器实现混沌激光带宽增强的方案被提出并使物理随机数的产生速率提升至2.87Gbit/s（Chinese Optics Letters, 9(3):62-64，2011）。在上述报道的物理随机数发生器中，基于混沌激光的物理随机数发生器中的混沌激光源大多使用商用的半导体激光器，这意味着需要使用占据较大空间的光学平台来搭建相应的物理随机数发生器系统，而且混沌源的输出特性容易受到环境因素的影响，从而影响物理随机数发生器所产生随机数的质量。