利用混沌激光多位量化实时产生14 Gb/s的物理随机数

提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源,通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化,生成6位有效位的二进制随机比特,然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理,获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

基于混沌激光产生1 Gbit/s的随机数

利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数发生器的物理熵源,通过8位 ADC将熵源信息转化为二进制码,并经后续差分运算处理改善其随机性,最终获得了1 Gbit/s的随机数.所产生的随机数通过了NIST Special Publication 800-22的全部测试项. 关键词： 混沌激光 随机数发生器 半导体激光器 模数转换     

利用混沌激光脉冲在线实时产生7 Gbit/s物理随机数

提出了一种基于混沌激光的在线实时产生高速物理随机数的方法,通过对连续的混沌激光进行光釆样得到离散的混沌激光脉冲序列,利用差分比较器对混沌脉冲序列进行自延迟比较,在线实时输出高速物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型混沌激光产生装置作为物理熵源,对所提方法进行了原理性实验论证,实现了实时速率为7 Gbit/s的物理随机数在线产生,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

线宽增强因子对光反馈半导体激光器混沌信号生成随机数性能的影响

基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.     

基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数

提出将正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSEL)在优化条件下输出的多路平均功率可比拟、延时特征(TDS)得到有效抑制的混沌信号作为混沌熵源,经8位模数转换器(ADC)量化和最低有效位(m-LSB)后续处理获取多路物理随机数的方案,并研究了系统参量对最终获取的比特序列随机性的影响.首先,基于VCSEL的自旋反转模型分析耦合强度和频率失谐对两个正交互耦合1550 nm-VCSEL输出动力学的影响,初步确定利用该系统产生四路平均功率可比拟、TDS得到抑制的混沌信号所需的耦合强度和频率失谐优化范围;在此基础上,选择一个耦合强度值,利用处于优化范围内的不同频率失谐下获取的四路混沌信号作为熵源,经8位ADC量化和m-LSB后续处理得到最终的比特序列;最后,采用NIST Special Publication800-22统计测试套件对获取的最终比特序列的随机性能进行测试,确定了同时获取四路高质量随机数所需的参数范围.     

反馈强度对外腔反馈半导体激光器混沌熵源生成的随机数序列性能的影响

外腔反馈半导体激光器在合适的反馈强度下将呈现混沌态, 其输出的激光混沌信号可作为物理熵源获取物理随机数序列. 着重研究了外腔反馈强度对最后获取的二元码序列的随机性的影响. 数值仿真结果表明, 随着反馈强度的增加, 外腔反馈半导体激光器输出的混沌信号的延时时间特征峰值呈现先逐渐减小再逐渐增大的过程, 而对应的排列熵特征值呈现先增大、后缓慢降低的过程, 即存在一个优化的反馈强度可使输出的混沌信号的延时特征得到有效抑制且复杂度高. 利用NIST Special Publication 800-22软件对基于不同反馈强度下外腔半导体激光器输出的混沌信号所产生的二元码序列的随机性进行了相关测试, 并讨论了反馈强度的大小对测试结果的影响.     

外腔半导体激光器随机数熵源的腔长分析

利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数熵源,详细研究了混沌源外腔长度对500Mbit/s随机数特性的影响.研究表明:在单路混沌源情况下,外腔反馈引起的谐振会使产生的随机序列具有弱周期性,且当外腔反馈时间与采样时间的比值为整数时,产生序列的随机性最差,仅能通过NIST统计测试2,3项;在两路混沌源情况下,当混沌源的外腔长不相等且不成比例时,通过两路异或处理可消除由外腔反馈引起的弱周期性,产生的随机序列能够通过NIST的全部统计测试项.     

基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速产生技术研究

提出一种基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速提取方法.该方法在光域中利用锁模激光器作为光时钟,通过太赫兹光非对称解复用器完成对混沌激光的超低抖动光采样,无需射频时钟及后续逻辑处理过程的参与,经多位比较量化可直接产生优质物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型的混沌激光产生装置作为熵源对所提方法进行了原理性实验论证.结果显示,光反馈半导体激光器产生的6 GHz混沌激光经5 GSa/s实时、低抖动光采样后,利用并行输出型多位比较器对所获混沌脉冲序列进行量化处理,选取最低有效位4位,可直接产生速率达20 Gb/s的随机数.该随机数速率由选取的量化结果最低有效位数和光采样率联合决定,而当前光采样率受限于所用混沌激光熵源的带宽.本文工作可为硬件上实现更高速物理随机数的实时、在线产生提供有力的技术和理论支撑.     

混沌半导体激光器的弛豫振荡频率对随机序列速率的影响

利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数发生器的物理熵源, 分析了混沌信号自相关系数与随机序列游程数之间的联系, 在此基础上研究了激光器的弛豫振荡频率f_r与随机序列速率f_n在不同比值时, 序列游程数的变化情况. 研究发现, 当f_r/f_n=(2k+1)/4时, 随机序列的游程数容易满足NIST SP800-22随机数测试标准的要求. 当k=1时, 得到随机序列最大速率为f_n=4f_r/3.     

基于互注入半导体激光器的混沌输出产生17.5 Gbit/s随机码

采用两个借助光纤连接的相互注入半导体激光器,实验获取了10 GHz超宽带混沌种子信号.通过8-bit模数转换器将混沌信号转换为二进制数据流,并进行进一步的逻辑异或处理和舍弃最高有效位操作,最终获得了能顺利通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standard and Technology,简记为NIST)800-22标准测试以及Diehard测试,速率达17.5 Gbit/s的高速随机码. 关键词： 随机码 混沌激光 互注入半导体激光器     

基于GaAs/Al_(0.45)Ga_(0.55)As超晶格芯片自发混沌振荡的8 Gb/s物理真随机数实现

物理真随机数发生器对密码学和保密通信至关重要.现有随机数发生器,或者复杂庞大,或者受限于器件带宽,不能很好地满足现代高速通信系统的需要.本文提出了一种基于超晶格(superlattices,SLs)芯片的全固态实时高速物理真随机数发生器.通过选取合适直流偏置电压对SLs芯片进行激发,从而产生高频混沌振荡信号作为物理熵源,利用采样频率为2 GHz的多位模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)进行量化,生成12位的二进制随机比特,然后使用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)抽取最低4位为有效位并进行比特反转以改善其随机性,最终获得了实时速率为8 Gbit/s的随机数.经验证,该发生器产生的随机数通过了随机数行业标准(NIST SP 800-22)的测试,具备优良的统计特性,有望小型化集成到高速通信设备之上.     

一类可以产生独立同分布密钥流的混沌系统

构造了一类与帐篷映射拓扑同构的混沌系统, 并根据拓扑共轭变换关系给出了此类混沌系统产生独立、均匀分布密钥流序列的采样规则. 理论证明和数值模拟, 均验证了结论的有效性. 本文为产生独立同分布密钥流提供了更多的非线性系统选择. 实验结果证明利用本文定理产生的密钥流能够通过美国信息技术管理改革法案的随机数检测标准(FIPS PUB 140-2)和美国国家标准与技术研究院安全检测标准(NIST SP800-22), 符合密钥流的选取标准. 关键词： 独立同分布 混沌系统 帐篷映射 拓扑同构     

基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发

随机源对于信息理论安全的密钥分发至关重要,本文提出了一种基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发方案.首先基于单向注入的方式产生无时延特征的激光混沌信号,并通过单向注入驱动两个从激光器产生带宽增强的混沌同步信号.然后经过采样、量化以及异或等后处理,生成密钥流.数值仿真结果表明,在单阈值情况下,合法用户之间的误比特率低至1%左右,合法用户与窃听者之间的误比特率都高于10%;在双阈值情况下,误比特率可以低至10^-6.最后,对生成的密钥流进行了NIST随机性测试.该方案有效地增强了密钥分发的安全性.     

基于生成对抗网络的混沌激光同步优化

提出并验证了一种基于深度学习的混沌激光同步优化方案,在共同外腔半导体激光器驱动注入同步系统中,引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化。所提方案的主要优点在于：实现了混沌信号的时延标签抑制和复杂度提升;显著改善了混沌信号幅值分布的对称性;大幅降低了驱动端和本地端的相关性,提升了同步系统的私密性。此外,将优化后的混沌信号应用于物理熵源,在高质量混沌同步的基础上,验证了速率高达4.1 Gbit/s、误码率低于10-3的高速同步物理随机数产生。     

基于混沌系统互扰的流密码设计

提出了一种新的流密码设计方案,利用两个混沌系统产生的序列进行序列值和控制参数的互扰,得到新的密钥流序列.对互扰序列和Logistic序列进行NIST测试,证明新的流密码设计方案产生的互扰序列的密码学特性要好于单一混沌系统产生的密钥流序列;提出适用于混沌伪随机序列稳定性测试的k错近似熵定义,并将其应用于测试互扰序列及Logistic序列,结果显示,互扰序列的稳定性要好于Logistic序列.将互扰序列用作图像的加密和解密,仿真结果显示,互扰序列能够有效且安全地掩盖明文信息. 关键词： 混沌系统 互扰序列 密钥流     

基于光子间隙随机分布的真随机数源

提出了利用模数转换器提高真随机数源速率的方案, 该方案基于衰减脉冲激光光子间隙随机分布, 可使随机数的产生速率提高十几倍.实验中将时间幅度转换仪与16位模数转换器相结合, 产生的各比特位随机数序列顺利通过了国际通用的随机数检测程序统计测试标准, 该方案实验装置简单, 增强了系统的抗干扰能力. 关键词： 衰减式单光子源 模数转换 延时符合 随机数检测     

光注入掺铒光纤激光器的混沌特性

对光注入情况下混沌光纤激光器的输出特性进行实验研究.混沌光纤激光器采用环形腔结构,利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光.主激光器产生的混沌激光通过光隔离器和光纤耦合器注入到混沌掺铒光纤激光器实现外光注入.将主激光器产生的不同功率的混沌信号注入从激光器,研究光注入后从激光器混沌信号时序、频谱、自相关以及稳定性与复杂度等特性.结果 表明,光注入后的混沌信号时序随机且幅度频数呈高斯分布,频谱无明显的周期特性,自相关特性优良.光注入掺铒光纤激光器混沌输出在保证混沌源高复杂度的同时提高了混沌源的稳定性.     

面向全光物理随机数发生器的混沌实时光采样研究

基于混沌激光实现全光物理随机数发生器的物理基础是完成对混沌光信号的高速实时全光采样. 本文利用偏振无关的SOA构建出TOAD全光采样门, 以光反馈半导体激光器产生混沌激光, 对混沌激光的全光采样可行性进行了原理性实验论证, 实现了对光反馈半导体激光器产生的6.4 GHz带宽的混沌激光5 GSa/s的实时、高保真全光采样. 进一步研究显示, 光采样周期与外腔反馈时间成比例与否对混沌信号弱周期性的抑制水平影响显著. 当两者不成比例时, 可有效消除原始混沌信号的弱周期性, 有利于高质量物理随机数的产生.     

链式互耦合半导体激光器的实时混沌同步

通过在互耦合外腔半导体激光器之间增加中继激光器,建立了一种链式互耦合半导体激光器混沌同步系统模型.理论分析了系统的实时混沌同步条件,数值研究了注入电流、互耦合条件、反馈条件等对系统实时混沌同步品质的影响,揭示了同步质量在反馈强度和互耦合强度二维参数空间的分布规律.结果表明:注入电流较大时,满足互耦合强度和反馈强度相同,互耦合延时和反馈延时相等,系统中所有激光器之间可同时实现稳定高品质实时混沌同步;中心激光器和边激光器之间的稳定实时混沌同步分布在在互耦合强度和反馈强度较小的区域以及互耦合强度和反馈强度相近的区域;边激光器之间由于同时接收到中心激光器实施的相同注入,能够较容易的实现稳定高品质的实时混沌同步.该系统可进一步扩展成为实现远距离的双向实时混沌同步或阵列激光器系统的实时混沌同步.     

波长可调谐混沌产生和同步的实验研究

分析了掺铒光纤环形激光器中非线性高频混沌产生和同步的基本原理. 提出了高频波长可调谐光混沌产生的实验方案，实验实现了不同波长高频混沌的产生. 实验获得了高频混沌在传输1 km后与接收机激光器产生混沌的同步，为构建高速动态保密光混沌通信网络扫清障碍. 关键词： 保密通信 掺铒光纤环形激光器 混沌 同步