一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器

摘要

本发明涉及一种基于反馈干涉原理的混沌光熵源，尤其是一种基于反馈干涉原理的全光随机数发生器，应用于保密通信和大规模计算中。一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器，包括第一3dB耦合器，第一3dB耦合器的输入端输入连续光，作为第一探测信号，第一3dB耦合器的一个输出端顺次连接有第一半导体光放大器和第一波分复用器，第一3dB耦合器的另一个输出端顺次连接有第二半导体光放大器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的一个输出端共同连接有第二3dB耦合器的两个输入端。本发明的真随机数产生装置中只需D触发器就可提取出随机码，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题，且突破了“电子瓶颈”的限制。

权利要求

1.一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器，其特征在于，包括第一3dB耦合器（1），第一3dB耦合器（1）的输入端输入连续光，作为第一探测信号，第一3dB耦合器（1）的一个输出端顺次连接有第一半导体光放大器（2）和第一波分复用器（4），第一3dB耦合器（1）的另一个输出端顺次连接有第二半导体光放大器（3）和第二波分复用器（5）；第一波分复用器（4）和第二波分复用器（5）的一个输出端共同连接有第二3dB耦合器（6）的两个输入端；还包括第三半导体光放大器（7）和环形器（8），第三半导体光放大器（7）的输入端输入作为第二探测信号的连续光，第三半导体光放大器（7）的输出端与环形器（8）的输入端相连接，环形器（8）的反射端与第二3dB耦合器（6）的输出端相连接，环形器（8）的输出端连接有1×3耦合器（9），1×3耦合器（9）的第一输出端连接有光D触发器（13），1×3耦合器（9）的第二、第三输出端分别连接有长度不同的第一延迟光纤（10）和第二延迟光纤（11），第二延迟光纤（11）的输出端与第一波分复用器（4）的另一个输入端相连接，第一延迟光纤（10）的输出端与第二波分复用器（5）的另一个输入端相连接；光D触发器（13）在光时钟（12）的触发下，在输出端口输出与光时钟（12）速率相同的光随机码；

第一探测信号和第二探测信号功率都不超过1mW；

两路延迟光纤时间差小于第三半导体光放大器（7）载流子恢复时间。

2.如权利要求1所述的一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器，其特征在于，第一探测信号和第二探测信号波长不相同。

说明书

一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于反馈干涉原理的混沌光熵源，尤其是一种基于反馈干涉原理的全光随机数发生器，应用于保密通信和大规模计算中。

背景技术

[0002] 随机数在蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络等科学计算方面有着广泛的应用。尤其，在保密通信领域，产生安全可靠的随机数（又称为密钥）关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

[0003] 信息论鼻祖香农提出：绝对安全的保密通信需采用“一次一密”加密理论。对随机数产生装置提出了三个条件：1）密钥长度不短于明文长度；2）密钥是完全随机的；3）密钥不能重复使用。这就要求码率不低于通信速率的真随机数的大量、实时产生。

[0004] 随机数发生器可分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器通过对一些确定性算法赋予不同的种子可以便捷地生成具有一定周期的、快速的随机数。随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，严重威胁着信息安全。

[0005] 真随机数发生器可以保证科学计算的准确性及保密通信的安全性，利用自然界中的微观量子机制或宏观随机现象作为物理熵源可产生出无法预测、非周期的完全随机的真随机数。传统的真随机数发生器所选用的物理熵源多为电阻或其他电子元件的热噪声、自发辐射噪声、核辐射衰变、振荡器的相位噪声、混沌电路等。受限于传统物理熵源的带宽瓶颈，其码率处于Mb/s量级，与现代高速信息传输速率差距巨大。

[0006] 近年来，混沌光这一新型随机物理熵源的出现，使得真随机数在产生速率方面获得了突破性发展。2008年，日本内田淳夫课题组在Nature Photonics上首次利用混沌光熵源，实现了1  .7 Gb/s真随机数的在线、实时产生 [Nat. Photon., vol  .2  , pp  . 728-732 , 2008]。2013年和2018年，申请人所在课题组利用混沌光成功构建了码率达4  .5 Gb/s和10Gb/s的真随机码发生器[Opt. Express, 21(17 ): 20452-20462  , 2013]、[J. Lightwave Technol., 36(12): 2531-2540 , 2018]。

[0007] 然而，现有基于混沌光的真随机数实时产生技术，一般采用光电探测器将其发射的混沌信号转换为电信号，在电域中利用ADC对相应电信号进行采样、量化处理，再结合一定的后处理技术实现高速真随机码的产生；或者在光域内完成对混沌信号的采样，后采用光电探测器转换为电脉冲信号，在电域中对相应的电采样信号进行量化、后处理，实现高速真随机码的产生。

[0008] 随着光通信速率的增加，这种光-电-光产生随机数的方式势必受到“电子瓶颈”的制约。且目前随机数码产生的采样、量化装置复杂，还需进行后处理才能得到随机性良好的随机码。

发明内容

[0009] 本发明为解决现有全光随机数都需经过光-电-光的转换，满足不了现代光通讯系统的要求，且采样、量化装置复杂，还需进行后处理才能得到随机性良好的随机码的技术问题，提供一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器。

[0010] 本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器，包括第一3dB耦合器，第一3dB耦合器的输入端输入连续光，作为第一探测信号，第一3dB耦合器的一个输出端顺次连接有第一半导体光放大器和第一波分复用器，第一3dB耦合器的另一个输出端顺次连接有第二半导体光放大器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的一个输出端共同连接有第二3dB耦合器的两个输入端；还包括第三半导体光放大器和环形器，第三半导体光放大器的输入端输入作为第二探测信号的连续光，第三半导体光放大器的输出端与环形器的输入端相连接，环形器的反射端与第二3dB耦合器的输出端相连接，环形器的输出端连接有1×3耦合器，1×3耦合器的第一输出端连接有光D触发器，1×3耦合器的第二、第三输出端分别连接有第一延迟光纤和第二延迟光纤，第二延迟光纤的输出端与第一波分复用器的另一个输入端相连接，第一延迟光纤的输出端与第二波分复用器的另一个输入端相连接；光D触发器在光时钟的触发下，在输出端口输出与光时钟速率相同的光随机码。

[0011] 将第一探测光信号由A端输入经第一3dB耦合器1分为两路，上路经第一半导体光放大器2和第一波分复用器4进入第二3dB耦合器6；下路经第二半导体光放大器3、第二波分复用器5进入第二3dB耦合器6。由于第一3dB耦合器1、第一半导体光放大器2、第二半导体光放大器3、第一波分复用器4、第二波分复用器5、第二3dB耦合器6构成一个SOA-MZI（基于半导体光放大器的马赫曾德尔干涉仪）。在无高功率反馈信号注入第一半导体光放大器2与第二半导体光放大器3消耗其载流子的情况下，两束连续光经历相同的增益与相位变化，故干涉相消，输出信号经环形器8至第三半导体光放大器7，不消耗其载流子。B端口输入连续光作为第二探测光信号，经第三半导体光放大器7输出高功率连续光，经环形器8和1×3耦合器9分为三路，一路经第一延迟光纤10、第二波分复用器5反馈至第二半导体光放大器3；一路经第二延迟光纤11、第一波分复用器4反馈至第一半导体光放大器2。

[0012] 这里应指出，第一延迟光纤10和第二延迟光纤11的长度不一致。因此，两路反馈信号到达第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3的时间不相同，上下两臂探测信号经历不同的相位差，致使第二3dB耦合器6干涉相长，输出信号经环形器8至第三半导体光放大器7，大量消耗其载流子。导致此时B端口输入的第二探测光信号，经第三半导体光放大器7输出低功率连续光，后经1×3耦合器9分为三路，其中两路作为反馈，另一路连接至光D触发器13的数据输入端。

[0013] 由于第一延迟光纤10和第二延迟光纤11之间的延时差小于所用SOA（第三半导体光放大器）的载流子恢复时间，使得SOA增益恢复不完全，SOA-MZI干涉输出非正常信号。该过程依次循环，进而1×3耦合器9处输出混沌光信号，后经光D触发器，在光时钟的触发下，C端口输出与光时钟速率相同的光随机码。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 第一，本发明的真随机数产生装置中只需D触发器就可提取出随机码，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题；

[0016] 第二，本发明的真随机数产生装置的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了“电子瓶颈”的限制；

[0017] 第三，本发明的真随机数产生装置可与光网络直接兼容，无需任何外部调制器，克服了现有随机数发生器应用于光通信网络时的技术局限。

附图说明

[0018] 图1 本发明结构示意图。

[0019] 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、第一波分复用器；5、第二波分复用器；6、第二3dB耦合器；7、第三半导体光放大器； 8、环形器；9、1×3耦合器；10、第一延迟光纤；11、第二延迟光纤；12、光时钟；13、光D触发器。

[0020] 图2为输入至光D触发器数据端的布尔混沌光信号。

[0021] 图3为外部输入时钟频率为10GHz时的输出码型。

具体实施方式

[0022] 第一探测光信号和第二探测光信号波长不相同。

[0023] 第一延迟光纤10和第二延迟光纤11长度不相同。

[0024] 第一探测光信号和第二探测光信号功率都不超过1mW。

[0025] 两路延迟光纤时间差小于半导体光放大器载流子恢复时间。

[0026] 如附图1所述，以功率0.5mW、波长1550nm的连续光作为第一探测信号光，由A端输入经第一3dB耦合器1分为两路，上路经第一半导体光放大器2和第一波分复用器4进入第二3dB耦合器6；下路经第二半导体光放大器3、第二波分复用器5进入第二3dB耦合器6。由于第一3dB耦合器1、第一半导体光放大器2、第二半导体光放大器3、第一波分复用器 4、第二波分复用器 5、第二3dB耦合器6构成一个SOA-MZI。在无高功率反馈信号注入第一半导体光放大器2与第二半导体光放大器3消耗其载流子的情况下，两束连续光经历相同的增益与相位变化，故干涉相消，输出信号经环形器8至第三半导体光放大器7，不消耗其载流子。B端口输入功率0.5mW、波长1554nm的连续光作为第二探测光信号，经第三半导体光放大器7输出高功率连续光，经环形器8和1×3耦合器9分为三路，一路经第一延迟光纤10、第二波分复用器
5反馈至第二半导体光放大器3；一路经第二延迟光纤11、第一波分复用器4反馈至第一半导体光放大器2。

[0027] 这里应指出，第一延迟光纤10和第二延迟光纤11的长度不一致。因此，两路反馈信号到达第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3的时间不相同，上下两臂探测信号经历不同的相位差，致使第二3dB耦合器6干涉相长，输出信号经环形器8至第三半导体光放大器7，大量消耗其载流子。导致此时B端口输入的第二探测光信号，经第三半导体光放大器7输出低功率连续光，后经1×3耦合器9分为三路，其中两路作为反馈，另一路连接至光D触发器13的数据输入端。

[0028] 由于第一延迟光纤10和第二延迟光纤11之间的延时差小于所用SOA（第三半导体光放大器）的载流子恢复时间，使得SOA增益恢复不完全，SOA-MZI干涉输出非正常信号。该过程依次循环，进而1×3耦合器9处输出混沌光信号，如附图2所示。后经光D触发器，在10GHz光时钟的触发下，C端口输出与光时钟速率相同的光随机码，如附图3所示。

[0029] 具体分析SOA-MZI的传输方程可表示为：TMZI = [PSOA2+PSOA3-2(PSOA2PSOA3)1/2cos(ΦSOA2-ΦSOA3)]/4。这里PSOA2 、PSOA3、ΦSOA2、ΦSOA3分别表示上下两路探测信号经过第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3引起的功率和相位变化；TMZI的含义就是：探测光信号经过SOA-MZI的输出功率和在其中相位、功率发生变化的公式。

[0030] 当第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3无外部反馈光注入时，只对上下两路探测信号进行放大作用，对其相位差无影响，SOA-MZI干涉相消，输出信号进入第三半导体光放大器7。此时，B端口反向输入的第二探测光信号在第三半导体光放大器7中发生交叉增益调制，经环形器8和1×3耦合器后反馈两路高功率信号。

[0031] 当第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3只有一路外部高功率反馈光注入时，有高功率反馈光注入那一路，对探测信号进行交叉相位调制，无高功率反馈光注入那一路，对探测信号进行放大作用，两路产生“π”的相位差，SOA-MZI干涉相长，输出信号进入第三半导体光放大器7。此时，B端口反向输入的第二探测信号在第三半导体光放大器7中发生交叉增益调制，经环形器8和1×3耦合器后反馈两路低功率信号。

[0032] 当第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3都有外部高功率反馈光注入时，只对两路探测信号进行相同的交叉相位调制作用，两路无相位差， SOA-MZI干涉相消，输出信号进入第三半导体光放大器7。此时，B端口反向输入的第二探测光信号在第三半导体光放大器7中发生交叉增益调制，经环形器8和1×3耦合器后反馈两路高功率信号。

[0033] 由于第一延迟光纤10和第二延迟光纤11之间的延时差，小于所用SOA（第三半导体光放大器）的载流子恢复时间，使得SOA增益恢复不完全，SOA-MZI干涉输出非正常信号。该过程依次循环，进而1×3耦合器9处输出混沌光信号，后经光D触发器，在光时钟的触发下，C端口输出与光时钟速率相同的光随机码。