基于双光反馈垂直腔面发射激光器获取双路高速随机数的研究

发布时间：2017-09-18 09:15

  本文关键词：基于双光反馈垂直腔面发射激光器获取双路高速随机数的研究

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【摘要】：随机数因其具有不可预测、不可复现的特性使其在安全通信、随机建模和蒙特?卡罗计算方法等科学技术领域具有广泛的应用。基于传统电子电路领域中的热噪声、振荡器的频率抖动和混沌电路等方式获取的类高斯分布的熵源信号虽能获得随机数序列,但受电子带宽瓶颈等因素的限制,这些随机数发生器的码率通常都在Mbits/s量级,不能满足现代信息通信的要求。近年来,基于半导体激光器(SL)的激光混沌作为熵源来获取随机数的研究已经取得了很大的进展,但大部分研究成果都是基于边发射半导体激光器(EESLs)的混沌输出作为熵源获取随机数。由于EESLs一般只有一个偏振模式激射,因此只能产生一路随机数序列。而对于垂直腔面发射激光器(VCSELs),在合适的外部扰动条件下两个正交的偏振分量均可输出混沌信号,用其作为混沌熵源,有望获得双路随机数序列。本文提出基于双光反馈VCSELs的两个正交偏振分量的混沌输出以同时获取两路高速随机数的方案。采用自旋反转模型(SFM),首先对不同反馈强度下VCSELs中两个偏振分量的混沌输出进行了研究,接着重点介绍了后续比特序列的产生方法,最后在理论上数值分析了基于不同的反馈强度时,两偏振分量所获取的最终比特序列的随机性能。研究结果表明:在合适的反馈参量下,VCSELs中的两个正交偏振分量均可呈现混沌振荡,且随着反馈强度的增加,两偏振分量混沌信号的延时特征峰值和带宽总体呈现增加的趋势;将VCSELs两偏振分量输出的两路混沌信号作为熵源,分别经8位模数转换器(ADC)量化、比特序列按位反转、异或(XOR)运算和m位最低有效位(m-LSBs)截取等后续处理后,得到了最终的比特序列;通过NIST SP 800-22统计测试套件对不同反馈强度下VCSELs所产生的混沌信号所获取的最终比特序列的随机性能进行测试,初步确定了可通过NIST SP 800-22统计测试的两路随机数所需的反馈强度的范围,并在优化的反馈强度下,理论上成功获得了两路高速的随机数序列。
【关键词】：垂直腔面发射激光器 双光反馈 混沌熵源 随机数
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 引言10
• 1.2 随机数及其产生方法10-13
• 1.2.1 手工方法10-11
• 1.2.2 数学方法11-12
• 1.2.3 物理方法12-13
• 1.3 随机数的分类13
• 1.4 国内外研究现状13-16
• 1.4.1 基于边发射DFB激光器的随机数生成方案13-15
• 1.4.2 基于VCSELs的随机数生成方案15-16
• 1.5 小结16-17
• 1.6 本论文研究的内容与意义17-19
• 第2章 垂直腔面发射激光器的基本理论及其理论模型19-28
• 2.1 垂直腔面发射激光器的发展过程19-21
• 2.2 垂直腔面发射激光器的结构21-22
• 2.3 垂直腔面发射激光器的理论模型22-25
• 2.3.1 扩展的L-K模型22-23
• 2.3.2 自旋反转模型（SFM）23-25
• 2.4 基于SFM的VCSELs在外部扰动下的速率方程25-27
• 2.4.1 光注入扰动下VCSELs的速率方程25-26
• 2.4.2 光反馈扰动下VCSELs的速率方程26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 双光反馈的VCSELs在不同反馈强度下的动力学特性28-33
• 3.1 引言28
• 3.2 系统模型28-29
• 3.3 理论模型29-30
• 3.4 结果与讨论30-32
• 3.5 结论32-33
• 第4章 基于双光反馈垂直腔面发射激光器获取双路高速随机数的研究33-41
• 4.1 引言33-34
• 4.2 系统结构34-35
• 4.3 理论模型35-36
• 4.4 结果与讨论36-40
• 4.4.1 两路混沌熵源的获取36-38
• 4.4.2 比特序列的产生和测试结果分析38-40
• 4.5 结论40-41
• 第5章 结束语41-43
• 参考文献43-51
• 致谢51-52
• 在读期间发表和录用的论文52

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本文编号：874650