基于混沌激光產生物理真隨機數的系統(tǒng)設計與優(yōu)化.pdf

1、隨機數在信息安全和計算領域具有廣泛的應用。在信息安全領域，隨機數可用于密鑰管理、數字簽名以及身份認證等眾多安全技術中，以確保信息的機密性、真實性和完整性;隨機數也可用于解決材料科學、生物物理學和金融業(yè)等領域的數值采樣計算問題。傳統(tǒng)的一些生成隨機數的方法中，使用計算機生成的快速隨機數序列，因通過確定的算法生成而不具有完全隨機性;現有基于熱噪聲、振蕩器采樣和混沌電路等物理熵源生成的真隨機數，受電子器件帶寬的限制無法適應現代高速通信的安全需要

2、。利用在外部擾動下的半導體激光器作為混沌熵源，可以產生速率為Gbit/s量級的高速真隨機數，在高速信息安全應用中顯示出潛在的優(yōu)勢，獲得了相關領域學者和業(yè)界人士的高度關注。
　　為了獲得高速率和高質量的物理真隨機數，本文利用混沌半導體激光器作為真隨機數發(fā)生器的物理熵源，實驗研究了一種速率達到640Gbit/s的物理真隨機數發(fā)生器，理論研究了光反饋強度對外腔反饋半導體激光器混沌熵源生成的隨機數序列性能的影響，具體研究工作如下:

3、　　(1)研究了一種基于帶寬增強混沌激光熵源產生高速真隨機數的方案。利用基于單主激光器的雙路光注入到副激光器所輸出的混沌激光作為真隨機數發(fā)生器的物理熵源，輸出光經過光電轉換后分為兩路，一路電信號經過8位ADC轉換為二進制碼序列，另一路延遲后經過8位ADC轉換，然后進行位反轉處理生成二進制碼序列，最終對兩路隨機碼序列進行異或處理，最終獲得了速率為640Gbit/s的8位二元碼隨機序列。經驗證該隨機數發(fā)生器生成的隨機序列能夠通過NIST S

4、pecialPublication800-22的全部測試項。本文對該系統(tǒng)的熵源特性進行了實驗研究，同時對后續(xù)處理部分進行了理論研究，研究結果表明:基于雙路光注入的混沌熵源所產生的混沌信號的帶寬要高于基于單路光注入的混沌熵源所產生的混沌信號的帶寬，同時前者能更好的隱藏外腔反饋延時特征，且在正的頻率失諧的情況下效果會更好;位反轉異或處理能在保持8位二進制碼位數不變的情況下，有效提高隨機序列分布的均勻性，最終產生高質量高速率的真隨機數。

5、>　　(2)外腔反饋半導體激光器在合適的反饋強度下將呈現混沌態(tài)，其輸出的激光混沌信號可作為物理熵源獲取物理隨機數序列。本文著重研究了外腔反饋強度對最后獲取的二元碼序列的隨機性的影響。數值仿真結果表明，隨著反饋強度的增加，外腔反饋半導體激光器輸出的混沌信號的延時時間特征峰值呈現先逐漸減小再逐漸增大的過程，而對應的排列熵特征值呈現先增大、后緩慢降低的過程，即存在一個優(yōu)化的反饋強度可使輸出的混沌信號的延時特征得到有效抑制且復雜度高。利用NIS