基于集成硅光子器件的物理随机数发生器研究
发布时间：2022-01-26 06:14
随机数在科学研究及工程应用中占据着至关重要的地位。目前,随机数已被广泛应用于蒙特卡洛仿真、无线通信、博彩业、人工神经网络、雷达测距等多个领域。其中,真随机数（通常称为物理随机数）由于是利用自然界物理熵源的随机特性产生,具有较高的安全性能。因此,对物理随机数的研究一直是个日久弥新的课题。然而现有的基于振荡器抖动、热噪声采样等常规物理熵源生成的物理随机数的速率,通常会受到熵源本身带宽的限制（通常在Mbits量级）而无法满足现代通信技术的发展需要。近些年来,激光混沌由于具有高带宽、高混乱度等特性,已经成为构建安全、可靠、高速物理随机数发生器的理想熵源,获得了各国相关领域学者的高度关注。不过,目前的大多数利用激光混沌产生物理随机数的方案都是基于III-V族的材料器件（如InGaAsP）,这种装置一般体积大,器件复杂,缺乏实用性。因此对光混沌物理随机数发生器的小型化研究成为近年研究的重要命题。基于此,本文提出了一种全新的利用硅基光子微腔谐振器作为混沌产生熵源获取物理随机比特序列的方案,并在实验上验证了该方案的可行性,实现了 Gbits速率的随机序列产生。主要工作内容有:1.理论研究了一种基于硅基...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３上海交通大学利用离散混沌电路构建物理随机数发生器系统结构
国内外学者就已经发现在合适的外部干扰下，半导体激光器、光纤激光??器等器件可以产生高速率的激光混沌信号，但其应用范围一直在光学保密通信［５６＿??５７］和雷达探测［５８＿５９］等领域上。直到２００８年，如图１．５所示，日本琦玉大学Ａ．Ｕｃｈｉｄａ??教授带领的课题团队在Ｎａｔｕｒｅ期刊上首次提出利用光反馈混沌激光及１位ＡＤＣ，??通过合适的后续信号处理，可构建出速率达１．７Ｇｂｉｔ的物理随机数发生器，并在实??验上得到了验证［２２］。很快，以色列巴伊兰大学Ｉ．?Ｒｅｉｄｌｅｒ领导的课题组也先后提出??了基于混沌激光，采用多位ＡＤＣ和离散差分运算法，可获得１２．５Ｇｂｉｔ甚至更高速??率的物理随机数序列［３３］＿。２０１２年，中国香港城市大学陈仕俊教授则通过过采样??混沌激光信号，利用８位ＡＤＣ提取出了?１０Ｇｂｉｔ速率的物理随机数［６１］。２０１５年，??西南大学唐犧等人利用两个并行耦合的半导体激光器输出混沌激光，实现了?Ｔｂｉｔ??量级的超高速物理随机数产生［６２］。２０１６年
?Ｒａｎｄｏｍ??Ｂｉｔｓ??图１．４基于放大自发辐射噪声源和真空态散粒噪声源提取物理随机数方案图。（ａ）美国Ｒａｊａｒｓｈｉ??Ｒｏｙ等人构建的物理随机数发生器系统结构［５（）］，其中，ＡＳＥ：放大自发辐射光源；ＥＤＦＡ：掺??铒光纤放大器；ＰＤ：光电二极管；ＴＩＡ：互阻抗放大器；ＢＥＲＴ：误码率测试仪。（ｂ）国防科学??技术大学邹宏新等人提出的物理随机数发生器方案结构图［５？，其中，ＢＳ：分束器；Ｄｌ，２：光??子探测器；ＬＰＦ：低通滤波器；ＬＳＢ：提取最低有效位。??（３）混沌激光??混沌激光是由一系列强度不规律起伏、时间上随机出现的超窄脉冲组成的。在??很早之前，国内外学者就已经发现在合适的外部干扰下，半导体激光器、光纤激光??器等器件可以产生高速率的激光混沌信号，但其应用范围一直在光学保密通信［５６＿??５７］和雷达探测［５８＿５９］等领域上。直到２００８年，如图１．５所示，日本琦玉大学Ａ．Ｕｃｈｉｄａ??教授带领的课题团队在Ｎａｔｕｒｅ期刊上首次提出利用光反馈混沌激光及１位ＡＤＣ，??通过合适的后续信号处理，可构建出速率达１．７Ｇｂｉｔ的物理随机数发生器，并在实??验上得到了验证［２２］。很快
【参考文献】：
期刊论文
[1]A pseudo-random sequence generation scheme based on RNS and permutation polynomials[J]. Shang MA,Jianfeng LIU,Zeguo YANG,Yan ZHANG,Jianhao HU. Science China（Information Sciences）. 2018(08)
[2]基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数[J]. 姚晓洁,唐曦,吴正茂,夏光琼. 物理学报. 2018(02)
[3]光子集成研究进展[J]. 陈向飞,唐松. 电信科学. 2015(10)
[4]光子集成技术及产业发展研究[J]. 吴冰冰,赵文玉,张海懿. 电信科学. 2015(01)
[5]硅基光电子学的最新进展[J]. 王兴军,苏昭棠,周治平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(01)
[6]双光注入分布反馈半导体激光器的非线性动力学态实验研究[J]. 任小丽,吴正茂,樊利,夏光琼. 科学通报. 2014(03)
[7]基于互注入半导体激光器的混沌输出产生17.5Gbit/s随机码[J]. 唐曦,吴加贵,夏光琼,吴正茂. 物理学报. 2011(11)
[8]Multi-target real-time ranging with chaotic laser radar[J]. 王冰洁,王云才,孔令琴,王安帮. Chinese Optics Letters. 2008(11)
[9]基于振荡器的高性能真随机数发生器[J]. 邓焕,金荣华,陈俊,谢磊,曾晓洋,郭亚炜. 固体电子学研究与进展. 2007(03)
[10]基于混沌系统的真随机数发生器芯片设计和实现[J]. 张亮,戎蒙恬,诸悦,吕永其. 上海交通大学学报. 2006(03)
博士论文
[1]信息安全中随机序列研究及小波分析的应用[D]. 苏桂平.中国科学院研究生院（电子学研究所） 2002
硕士论文
[1]基于混沌激光产生物理真随机数的系统设计与优化[D]. 杨海波.西南大学 2015
[2]半导体激光器非线性动态行为的研究[D]. 孔慧君.西南大学 2007
本文编号：3609969
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３上海交通大学利用离散混沌电路构建物理随机数发生器系统结构
国内外学者就已经发现在合适的外部干扰下，半导体激光器、光纤激光??器等器件可以产生高速率的激光混沌信号，但其应用范围一直在光学保密通信［５６＿??５７］和雷达探测［５８＿５９］等领域上。直到２００８年，如图１．５所示，日本琦玉大学Ａ．Ｕｃｈｉｄａ??教授带领的课题团队在Ｎａｔｕｒｅ期刊上首次提出利用光反馈混沌激光及１位ＡＤＣ，??通过合适的后续信号处理，可构建出速率达１．７Ｇｂｉｔ的物理随机数发生器，并在实??验上得到了验证［２２］。很快，以色列巴伊兰大学Ｉ．?Ｒｅｉｄｌｅｒ领导的课题组也先后提出??了基于混沌激光，采用多位ＡＤＣ和离散差分运算法，可获得１２．５Ｇｂｉｔ甚至更高速??率的物理随机数序列［３３］＿。２０１２年，中国香港城市大学陈仕俊教授则通过过采样??混沌激光信号，利用８位ＡＤＣ提取出了?１０Ｇｂｉｔ速率的物理随机数［６１］。２０１５年，??西南大学唐犧等人利用两个并行耦合的半导体激光器输出混沌激光，实现了?Ｔｂｉｔ??量级的超高速物理随机数产生［６２］。２０１６年
?Ｒａｎｄｏｍ??Ｂｉｔｓ??图１．４基于放大自发辐射噪声源和真空态散粒噪声源提取物理随机数方案图。（ａ）美国Ｒａｊａｒｓｈｉ??Ｒｏｙ等人构建的物理随机数发生器系统结构［５（）］，其中，ＡＳＥ：放大自发辐射光源；ＥＤＦＡ：掺??铒光纤放大器；ＰＤ：光电二极管；ＴＩＡ：互阻抗放大器；ＢＥＲＴ：误码率测试仪。（ｂ）国防科学??技术大学邹宏新等人提出的物理随机数发生器方案结构图［５？，其中，ＢＳ：分束器；Ｄｌ，２：光??子探测器；ＬＰＦ：低通滤波器；ＬＳＢ：提取最低有效位。??（３）混沌激光??混沌激光是由一系列强度不规律起伏、时间上随机出现的超窄脉冲组成的。在??很早之前，国内外学者就已经发现在合适的外部干扰下，半导体激光器、光纤激光??器等器件可以产生高速率的激光混沌信号，但其应用范围一直在光学保密通信［５６＿??５７］和雷达探测［５８＿５９］等领域上。直到２００８年，如图１．５所示，日本琦玉大学Ａ．Ｕｃｈｉｄａ??教授带领的课题团队在Ｎａｔｕｒｅ期刊上首次提出利用光反馈混沌激光及１位ＡＤＣ，??通过合适的后续信号处理，可构建出速率达１．７Ｇｂｉｔ的物理随机数发生器，并在实??验上得到了验证［２２］。很快
【参考文献】：
期刊论文
[1]A pseudo-random sequence generation scheme based on RNS and permutation polynomials[J]. Shang MA,Jianfeng LIU,Zeguo YANG,Yan ZHANG,Jianhao HU. Science China（Information Sciences）. 2018(08)
[2]基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数[J]. 姚晓洁,唐曦,吴正茂,夏光琼. 物理学报. 2018(02)
[3]光子集成研究进展[J]. 陈向飞,唐松. 电信科学. 2015(10)
[4]光子集成技术及产业发展研究[J]. 吴冰冰,赵文玉,张海懿. 电信科学. 2015(01)
[5]硅基光电子学的最新进展[J]. 王兴军,苏昭棠,周治平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(01)
[6]双光注入分布反馈半导体激光器的非线性动力学态实验研究[J]. 任小丽,吴正茂,樊利,夏光琼. 科学通报. 2014(03)
[7]基于互注入半导体激光器的混沌输出产生17.5Gbit/s随机码[J]. 唐曦,吴加贵,夏光琼,吴正茂. 物理学报. 2011(11)
[8]Multi-target real-time ranging with chaotic laser radar[J]. 王冰洁,王云才,孔令琴,王安帮. Chinese Optics Letters. 2008(11)
[9]基于振荡器的高性能真随机数发生器[J]. 邓焕,金荣华,陈俊,谢磊,曾晓洋,郭亚炜. 固体电子学研究与进展. 2007(03)
[10]基于混沌系统的真随机数发生器芯片设计和实现[J]. 张亮,戎蒙恬,诸悦,吕永其. 上海交通大学学报. 2006(03)
博士论文
[1]信息安全中随机序列研究及小波分析的应用[D]. 苏桂平.中国科学院研究生院（电子学研究所） 2002
硕士论文
[1]基于混沌激光产生物理真随机数的系统设计与优化[D]. 杨海波.西南大学 2015
[2]半导体激光器非线性动态行为的研究[D]. 孔慧君.西南大学 2007
本文编号：3609969
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