一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及隨機(jī)碼發(fā)生方法及其裝置，具體為一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法及裝置。一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置包括連續(xù)激光器，光環(huán)形器，光放大器，光電探測(cè)器以及后續(xù)處理模塊。一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法包括以下步驟：將連續(xù)激光器發(fā)射的連續(xù)激光通過(guò)光纖連接到光環(huán)形器，激光在與光環(huán)行器的另一端相連接的光纖中發(fā)生散射后經(jīng)光放大器放大，最終在電域中由后續(xù)處理模塊提取出真隨機(jī)碼。本發(fā)明采用激光在光纖中發(fā)生后向瑞利散射后的激光的強(qiáng)度信號(hào)作為隨機(jī)碼源，該隨機(jī)碼源受外界環(huán)境影響極小，且隨機(jī)性好，無(wú)周期性，整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隨機(jī)碼發(fā)生裝置，具體為一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)碼已被廣泛地應(yīng)用到數(shù)值計(jì)算、蒙特卡羅模擬、保密通信等各個(gè)領(lǐng)域。特別在以密碼學(xué)為核心的信息安全領(lǐng)域中，隨機(jī)碼的質(zhì)量決定密匙的安全性從而決定了數(shù)據(jù)加密的安全性此外，用于保證數(shù)據(jù)傳輸安全性完整性的安全協(xié)議和數(shù)字簽名等手段都需要采用隨機(jī)碼。
[0003]隨機(jī)碼按產(chǎn)生方式可分為兩種:偽隨機(jī)碼和真隨機(jī)碼。偽隨機(jī)碼是采用確定性的數(shù)學(xué)算法生成的。當(dāng)兩個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器采用相同的初始條件和算法時(shí)其生成的隨機(jī)碼是完全一樣的。隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，偽隨機(jī)碼生成的密鑰有可能被擁有足夠運(yùn)算能力的攻擊者破解，從而難以滿足人們對(duì)信息安全的需求。真隨機(jī)碼是基于隨機(jī)的物理現(xiàn)象產(chǎn)生的，例如，放射性衰變、光的自發(fā)輻射噪聲、電子電路噪聲、量子隨機(jī)噪聲、混沌激光的振幅或相位等等。由于物理現(xiàn)象的不可預(yù)測(cè)性，所得真隨機(jī)碼往往隨機(jī)性能較好，且不可預(yù)測(cè)。因此真隨機(jī)碼扮演著往往比偽隨機(jī)碼更為重要的角色?，F(xiàn)在我們將真隨機(jī)碼的發(fā)展現(xiàn)狀簡(jiǎn)單作如下介紹:
1，辛茜等人在2004年設(shè)計(jì)了一種基于電阻熱噪聲的真隨機(jī)碼發(fā)生器，系統(tǒng)內(nèi)部集成了失調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz，并且進(jìn)行了仿真，最后輸出了 2Mbit/s的隨機(jī)碼。
[0004]2, Hong Guo等人于2010年發(fā)表的文章中提出了利用激光的相位噪聲來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)碼的方法，他們用單模垂直腔面激光器作為激光源，從激光器中發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)分束器后分為兩路，一路直接接到光電探測(cè)器，另外一路光經(jīng)過(guò)一定的延遲之后再連接到光電探測(cè)器。對(duì)兩路從光電探測(cè)器出來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行后續(xù)處理即可得到20Mbit/s的真隨機(jī)碼和長(zhǎng)度為14Gbit的隨機(jī)碼流。
[0005]3，日本的一個(gè)科研小組在2008年發(fā)表在nature上的文章中指出，利用雙路反饋產(chǎn)生的混沌激光分別通過(guò)光電探測(cè)器之后再進(jìn)行異或處理來(lái)可得到1.7Gbps的真隨機(jī)碼。
[0006]4, Apostolos Argyris等人用只有10350微米的外腔反饋來(lái)產(chǎn)生混沛光，混沛光通過(guò)光電探測(cè)器之后輸入示波器中直接輸出，最后得到140Gbps的隨機(jī)碼。其中示波器的采樣頻率是10GSa/s，示波器中有16位的DAC和8位的ADC，取輸出隨機(jī)碼16位中的低14 位。即:14*10=140Gbps。
[0007]上述現(xiàn)有的產(chǎn)生隨機(jī)碼的裝置由于所采用的物理噪聲源很容易受到溫度、壓力等環(huán)境因素的影響，抗干擾能力比較差，所以產(chǎn)生的隨機(jī)序列的均勻性和穩(wěn)定性都很難控制。并且由單反饋產(chǎn)生的混沌源往往具有周期性，對(duì)所產(chǎn)生的隨機(jī)碼有一定影響。因此需要一種抗外界干擾能力強(qiáng)、沒有周期性且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的真隨機(jī)碼的產(chǎn)生方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所述產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法，是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的:將一束連續(xù)激光入射至光環(huán)形器，連續(xù)激光被光環(huán)形器引入與光環(huán)形器第二端口相連接的第一光纖中，經(jīng)第一光纖后向瑞利散射后的激光被光環(huán)形器引入與光環(huán)形器第三端口相連接的光放大器，經(jīng)放大后進(jìn)入后續(xù)處理模塊，后續(xù)處理模塊將放大后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再將該電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，即得到真隨機(jī)碼。
[0009]本發(fā)明所述的產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置，包括連續(xù)激光器以及與連續(xù)激光器出射端口通過(guò)光纖相連接的光環(huán)形器；光環(huán)形器的另外兩個(gè)端口分別連接有第一光纖和光放大器，光放大器通過(guò)光纖連接有后續(xù)處理模塊。
[0010]光纖中的散射過(guò)程可分為三種:一種是由于光纖介質(zhì)的不均勻性而引起的瑞利散射，一種是因熱振動(dòng)聲子而產(chǎn)生的布里淵散射；還有一種就是光纖內(nèi)部光子與光聲子的相互作用而引起的拉曼散射。其中，瑞利散射波長(zhǎng)不會(huì)變化，它在光纖中的傳播過(guò)程只存在強(qiáng)度的損耗。另外兩種散射，都伴隨著與聲子能量交換的過(guò)程，因此波長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生變化。激光發(fā)生瑞利散射后又沿原光路返回的現(xiàn)象稱為后向瑞利散射；光的后向瑞利散射光強(qiáng)度不是恒定的數(shù)值，而是有一定的起伏。因此我們可以根據(jù)光纖中后向瑞利散射光的強(qiáng)度起伏性來(lái)作為一種全新的隨機(jī)碼的源，并以此產(chǎn)生真隨機(jī)碼。理論上激光在光纖中還會(huì)發(fā)生布里淵散射和拉曼散射；但是當(dāng)注入光強(qiáng)沒有達(dá)到他們閾值的情況，自發(fā)的拉曼和布里淵影響可以忽略。后向瑞利散射光的強(qiáng)度依賴于光纖的長(zhǎng)度以及激光的強(qiáng)度，受外界環(huán)境影響極??；后向瑞利散射的激光強(qiáng)度一般較低，需要對(duì)其進(jìn)行放大；放大后的激光再通過(guò)后續(xù)處理裝置，最終可得到性能較好的隨機(jī)碼。所述的后續(xù)處理模塊作為將強(qiáng)度隨機(jī)起伏的信號(hào)轉(zhuǎn)換為真隨機(jī)碼的裝置，其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程為現(xiàn)有公知技術(shù)；將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為真隨機(jī)碼的技術(shù)也為現(xiàn)有公知技術(shù)，是易于實(shí)現(xiàn)的。
[0011]本發(fā)明采用在光纖中發(fā)生后向瑞利散射后的連續(xù)激光的強(qiáng)度信號(hào)作為隨機(jī)碼源，該隨機(jī)碼源受外界環(huán)境影響極小，且隨機(jī)性好，隨機(jī)碼的性能完全符合國(guó)際上通用的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的隨機(jī)碼測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，無(wú)周期性；整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置。
[0013]圖2是本發(fā)明基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的一個(gè)【具體實(shí)施方式】示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】示意圖。
[0015]1-半導(dǎo)體激光器,2-光環(huán)形器,3-第一光纖,4-光放大器,5-后續(xù)處理裝置，Ia-光電探測(cè)器,2a_模數(shù)轉(zhuǎn)換器,3a_時(shí)鐘，Ib-光稱合器，2b_光電探測(cè)器，3b_模數(shù)轉(zhuǎn)換器,4b-時(shí)鐘,5b_異或處理器件。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施方式一: 如圖2，是一種基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生隨機(jī)碼的一個(gè)具體結(jié)構(gòu)示意圖，其【具體實(shí)施方式】如下:
一種基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置，包括半導(dǎo)體激光器I，光環(huán)形器2,第一光纖3，光放大器4，光電探測(cè)器la，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2a，時(shí)鐘3a，其中后續(xù)處理裝置由光電探測(cè)器la，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2a，時(shí)鐘3a組成。
[0017]半導(dǎo)體激光器I輸出的連續(xù)激光通過(guò)光環(huán)形器2的a端口進(jìn)入光環(huán)形器2，由a端口輸入的激光被環(huán)形器2引至b端口并進(jìn)入第一光纖3，經(jīng)第一光纖3后向瑞利散射后的激光通過(guò)光環(huán)形器2的c端口進(jìn)入光放大器4,光電探測(cè)器Ia將由光放大器4出射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)電信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器2a轉(zhuǎn)換為真隨機(jī)碼輸出，時(shí)鐘3a時(shí)鐘作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換過(guò)程，即打開時(shí)鐘開關(guān)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2a開始工作，關(guān)閉時(shí)鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2a則停止工作。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:
如圖3，是一種基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的另一個(gè)具體結(jié)構(gòu)示意圖，其【具體實(shí)施方式】如下:
一種基于光的后向瑞利散射產(chǎn)生隨機(jī)碼的裝置，包括半導(dǎo)體激光器I，光環(huán)形器2,第一光纖3，光放大器4，光耦合器lb，光電探測(cè)器2b，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b，時(shí)鐘4b，異或處理器件5b，其中后續(xù)處理模塊由光耦合器lb，光電探測(cè)器2b，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b，時(shí)鐘4b，異或處理器件5b組成。
[0019]半導(dǎo)體激光器I輸出的連續(xù)激光通過(guò)光環(huán)形器2的a端口進(jìn)入光環(huán)形器2，由a端口輸入的激光被環(huán)形器2引至b端口并進(jìn)入第一光纖3，經(jīng)第一光纖3后向散射后的激光通過(guò)光環(huán)形器2的c端口進(jìn)入光放大器4,光稱合器Ib將由光放大器4入射的光按照50:50的功率比分為兩路，分別進(jìn)入兩個(gè)性能參數(shù)均相同的光電探測(cè)器2b并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b在時(shí)鐘4b的控制下將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為真隨機(jī)碼，異或處理器件5b對(duì)兩路真隨機(jī)碼進(jìn)行異或處理得到隨機(jī)性能更加優(yōu)良的隨機(jī)碼輸出。時(shí)鐘4b作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b的開關(guān)，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換過(guò)程，即打開時(shí)鐘開關(guān)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b開始工作，關(guān)閉時(shí)鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3b則停止工作。
[0020]隨機(jī)碼的性能測(cè)試可通過(guò)國(guó)際上通用的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的隨機(jī)數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試，通過(guò)實(shí)施方式一和二產(chǎn)生的真隨機(jī)碼可以很好地滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。
[0021]這里需要指明的是第一光纖3可以是單模光纖、多模光纖或者光子晶體光纖中的任何一種。其作用是用于產(chǎn)生激光的后向瑞利散射。
【權(quán)利要求】
1.一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的方法，其特征在于，是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的:將一束連續(xù)激光入射至光環(huán)形器(2 )，連續(xù)激光被光環(huán)形器(2 )引入與光環(huán)形器(2 )第二端口相連接的第一光纖(3)中，經(jīng)第一光纖(3)后向瑞利散射后的激光被光環(huán)形器(2)引入與光環(huán)形器(2)第三端口相連接的光放大器(4)，經(jīng)放大后進(jìn)入后續(xù)處理模塊(5)，后續(xù)處理模塊(5 )將放大后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再將該電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，即得到真隨機(jī)碼。
2.一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置，其特征在于，包括連續(xù)激光器(I)以及與連續(xù)激光器(I)出射端口通過(guò)光纖相連接的光環(huán)形器(2);光環(huán)形器(2)的另外兩個(gè)端口分別連接有第一光纖(3 )和光放大器(4 )，光放大器(4 )通過(guò)光纖連接有后續(xù)處理模塊(5)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于后向瑞利散射產(chǎn)生真隨機(jī)碼的裝置，其特征在于，所述連續(xù)激光器(I)采用半導(dǎo)體激光器；所述第一光纖(3)采用單模光纖或多模光纖或光子晶體光纖。
【文檔編號(hào)】H03K3/42GK103427801SQ201310389250
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】王云才, 王安幫, 王冰潔, 張建忠, 苗豐沛 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)