基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数的研究
发布时间：2020-09-16 10:14
物理随机数因具有不可复现、不可预测的特性使其在保密通信、统计分析、数值模拟等领域具有广泛的潜在应用。半导体激光器在外部扰动下能产生高带宽、大幅度的激光混沌信号,将这种混沌信号作为物理熵源来获取随机数,与传统的物理熵源相比,在生成随机数的速率方面取得了进一步发展。目前学者们已经对基于激光混沌的随机数发生器生成方案做了大量的研究,但其中大部分方案都是关于分布式反馈半导体激光器(DFB)产生单通道物理随机数的研究。而在适当的参数条件下,垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以同时输出两个正交偏振分量,每个偏振分量都可能被用作产生物理随机数的熵源,为开发多通道物理随机数发生器生成方案提供了可能。因此,基于VCSEL的混沌熵源可能适用于多通道随机数生成。本文提出基于正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)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位模数转化器(ADC)量化和最低有效位(m-LSBs)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VCSELs的自旋反转模型分析了耦合强度和频率失谐对两个正交互耦合1550 nm-VCSELs输出动力学的影响,初步确定了利用该系统产生四路平均功率可比拟、TDS得到抑制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所获取的四路混沌信号作为熵源,经8位ADC量化和m-LSBs后续处理得到最终的比特序列;最后,采用美国国家标准技术研究所(NIST)提供的NIST Special Publication 800-22统计测试套件对所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。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
图 1.1 模数转化器数字化采样示意图[29]波器采样器其基本性质与模数转化器相同，仍使用 ADC 采行采样时，可以把信号采样 ADC 和数据后续处理之中，而使用 ADC 采样，采样后的数据传输与储随机数发生器的研究进展生器(RNGs)可分为两类：一类是伪随机数发生器]。通常对一些算法赋予不同的初始值，伪随机数算出具有一定周期性的比特序列。并且随着时代的大的提升，出现了作为密钥的伪随机数被破解的情洛数值模拟中，因为伪随机数的运用，一系列潜在理随机数发生器是以微观的量子机制和宏观的物理
仅 Virte 等人在比利时布鲁塞尔自由大学提出了通过使用自由运行 VCSELs，将其偏振混沌输出作为物理熵源，产生二进制比特序列，利用多位 ADC 采样和高阶差分处理后通过计算机离线处理获取速率达 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，详细的实验方案从图 1.4 所示；接着在 2016 年 Virte 等人相继提出一个新的方案，可以获取速率达100 Gbit/s 的 PRNs[61]，详细地实验方案从图 1.5 所示。这些研究结果都表明 VCSEL在随机数领域有着诱人的前景。图 1.4 Virte 小组基于 VCSELs 的偏振混沌系统来获取高速随机数的实验装置图[60]
为混沌物理熵源，为可以同步获取双路 PRNs 提供了可能性。当前，尽管基于VCSELs 获取 PRNs 已有部分的研究[32, 39-41,47]。比如，在白俄罗斯的 Chizhevsky 等人提出了使用调制双稳态 VCSELs 来设计随机数发生器，初步获取了 2 Mbit/s 的PRNs[57]；接着在 2011 年，利用 VCSELs 的极化噪声产生了速率为 4.5 Gbit/s 的PRNs[58]。2010年，北京大学郭弘小组基于单模VCSELs的相位噪声作为物理熵源，经过采样和后续处理方法实验上获得速率达20Mbit/s的PRNs[17]；随后在2012年，该小组基于VCSELs的偏振模式噪声实验上成功获取了速率为40Gbit/s的PRNs[59]。但是基于 VCSELs 输出的混沌信号作为熵源产生 PRNs 的报道还非常少。2014 年，仅 Virte 等人在比利时布鲁塞尔自由大学提出了通过使用自由运行 VCSELs，将其偏振混沌输出作为物理熵源，产生二进制比特序列，利用多位 ADC 采样和高阶差分处理后通过计算机离线处理获取速率达 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，详细的实验方案从图 1.4 所示；接着在 2016 年 Virte 等人相继提出一个新的方案，可以获取速率达100 Gbit/s 的 PRNs[61]，详细地实验方案从图 1.5 所示。这些研究结果都表明 VCSEL在随机数领域有着诱人的前景。
本文编号：2819735
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
图 1.1 模数转化器数字化采样示意图[29]波器采样器其基本性质与模数转化器相同，仍使用 ADC 采行采样时，可以把信号采样 ADC 和数据后续处理之中，而使用 ADC 采样，采样后的数据传输与储随机数发生器的研究进展生器(RNGs)可分为两类：一类是伪随机数发生器]。通常对一些算法赋予不同的初始值，伪随机数算出具有一定周期性的比特序列。并且随着时代的大的提升，出现了作为密钥的伪随机数被破解的情洛数值模拟中，因为伪随机数的运用，一系列潜在理随机数发生器是以微观的量子机制和宏观的物理
仅 Virte 等人在比利时布鲁塞尔自由大学提出了通过使用自由运行 VCSELs，将其偏振混沌输出作为物理熵源，产生二进制比特序列，利用多位 ADC 采样和高阶差分处理后通过计算机离线处理获取速率达 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，详细的实验方案从图 1.4 所示；接着在 2016 年 Virte 等人相继提出一个新的方案，可以获取速率达100 Gbit/s 的 PRNs[61]，详细地实验方案从图 1.5 所示。这些研究结果都表明 VCSEL在随机数领域有着诱人的前景。图 1.4 Virte 小组基于 VCSELs 的偏振混沌系统来获取高速随机数的实验装置图[60]
为混沌物理熵源，为可以同步获取双路 PRNs 提供了可能性。当前，尽管基于VCSELs 获取 PRNs 已有部分的研究[32, 39-41,47]。比如，在白俄罗斯的 Chizhevsky 等人提出了使用调制双稳态 VCSELs 来设计随机数发生器，初步获取了 2 Mbit/s 的PRNs[57]；接着在 2011 年，利用 VCSELs 的极化噪声产生了速率为 4.5 Gbit/s 的PRNs[58]。2010年，北京大学郭弘小组基于单模VCSELs的相位噪声作为物理熵源，经过采样和后续处理方法实验上获得速率达20Mbit/s的PRNs[17]；随后在2012年，该小组基于VCSELs的偏振模式噪声实验上成功获取了速率为40Gbit/s的PRNs[59]。但是基于 VCSELs 输出的混沌信号作为熵源产生 PRNs 的报道还非常少。2014 年，仅 Virte 等人在比利时布鲁塞尔自由大学提出了通过使用自由运行 VCSELs，将其偏振混沌输出作为物理熵源，产生二进制比特序列，利用多位 ADC 采样和高阶差分处理后通过计算机离线处理获取速率达 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，详细的实验方案从图 1.4 所示；接着在 2016 年 Virte 等人相继提出一个新的方案，可以获取速率达100 Gbit/s 的 PRNs[61]，详细地实验方案从图 1.5 所示。这些研究结果都表明 VCSEL在随机数领域有着诱人的前景。
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 李璞;江镭;孙媛媛;张建国;王云才;;面向全光物理随机数发生器的混沌实时光采样研究[J];物理学报;2015年23期
2 李明月;何君;;国外军用大功率半导体激光器的发展现状[J];半导体技术;2015年05期
3 颜森林;;外部光注入空间耦合半导体激光器高维混沌系统的增频与控制研究[J];物理学报;2012年16期
4 孙建伟,张胜利,王绍伟,谢亮,祝宁华;用白噪声源实现高速真随机码[J];电子学报;2003年08期
5 王德,李学千;半导体激光器的最新进展及其应用现状[J];光学精密工程;2001年03期
相关博士学位论文 前2条
1 刘钰;连续源真随机数发生器研究[D];北京大学;2013年
2 张建忠;基于宽带混沌激光熵源实现高速真随机数的产生[D];太原理工大学;2012年
本文编号：2819735
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