韩韬;刘香莲;李璞;郭晓敏;郭龑强;王云才
【摘 要】基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.%Random numbers play an important role in many fields, including information security, testing and engineering practice. Especially in information security, generation of secure and reliable random numbers, they have a significant influence on national security, financial stability, trade secrets and personal privacy. Generally, random number generators can be classified as two main types: pseudo random number generators and physical random number generators. Pseudo random num bers with high speed are generated by software algorithms, but the inherent periodicity will cause serious hidden dangers when they are used in information security. Random numbers based on physical entropy sources (such as electronic thermal noise, frequency jitter of oscillator, quantum randomness) can produce reliable random numbers. However, due to the limitation of traditional physical source bandwidth, their generation speeds are at a level of Mbit/s typically, which cannot meet the needs of the current high-speed and large-capacity communication. In 2008, Uchida et al. (2008 Nat. Photon. 2728) realized the physical random number of 1.7 Gbit/s by using a wideband chaotic laser for the first time. The emergence of wideband physical entropy sources such as chaotic laser greatly promote the rapid development of the physical random number generators. As far as we know, a semiconductor laser can generate wideband chaotic signals under external disturbances such as optical feedback, optical injection or photoelectric feedback. However, compared with the structures of other two lasers, the structure of the optical feedback semiconductor laser is simple and easy to integrate. Therefore, chaotic signals have received great attention to produce high-speed physical random number extracted f
rom the optical feedback semiconductor laser. In the reported schemes, a variety of post-processing methods are used to improve the speed and randomness of random numbers. Besides, optimizing the chaotic entropy source can also improve the performance of random number. So far, the influence of internal parameters on the dynamic characteristics of semiconductor lasers has attracted wide attention. The linewidth enhancement factor is one of the key parameters for a semiconductor laser. The values of linewidth enhancement factor are different, depending on the type of semiconductor laser. The existence of linewidth enhancement factor results in a large number of unstable dynamic characteristics of semiconductor lasers. Therefore, it is of great significance for studying the influence of the linewidth enhancement factor on performance of random numbers. In this paper, we focus on the influence of the linewidth enhancement factor on the randomness of the obtained random numbers. The time delay characteristics and complexity are two important parameters to measure the quality of chaotic signals. The simulation results show that with the increase of the linewidth enhancement factor, the time delay characteristic peak of the chaotic signal from an optic
al feedback semiconductor laser decreases gradually, meanwhile, the maximum Lyapunov exponent of chaotic signal increases gradually. The randomness of random numbers, generated by the chaotic signal from the optical feedback semiconductor laser under different linewidth enhancement factors, is tested by NIST SP 800-22. The test results show that semiconductor laser with larger linewidth enhancement factor is chosen as a physical entropy source to generate random numbers with high quality.
【期刊名称】《物理学报》
恶臭污染物排放标准【年(卷),期】2017(066)012
【总页数】10页(P153-162)
戴维宁定理【关键词】光反馈半导体激光器;线宽增强因子;混沌;随机数
【作 者】韩韬;刘香莲;李璞;郭晓敏;郭龑强;王云才
拓扑优化【作者单位】太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原
理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024;太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024;太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024;太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024;太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024;太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024;太原理工大学物理与光电工程学院, 光电工程研究所, 太原 030024
【正文语种】中 文
基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐
warp
渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.
在信息安全、测试及工程实践等领域,随机数扮演着重要的角[1].在信息安全领域,随机数可应用于密钥管理、数字签名、身份认证、安全协议、网上银行、在线购物和信息加密等方面的众多安全技术中,以确保信息的机密性;在测试领域,随机数可通过眼图和误码率的测试来检测通讯系统的传输质量;在工程实践领域,雷达的测距信号、光时域反射仪的探测信号、遥控遥测中的测控信号、数字通信中的同步、码分多址中的地址码和扩频码都应用了随机数.
随机数一般分为两种:伪随机数和真随机数.其中伪随机数是由初始种子经过一个确定算法生成的.伪随机数发生器具有易构建、速率高的特点,但其获取的随机数有限且存在周期性,如果被应用于信息系统会造成极大的安全事故.真随机数则是由物理熵源产生的,与伪随机数相比,真随机数具有不可预测性,因而具有更高的安全性.真随机数采用过的物理熵源的种类繁多,像早期的鼠标抖动,以及后来采用的电子噪声[2,3]、频率抖动[4]、辐射衰变[5]、单光子
现代化史观肝脓疡发射/探测[6−8]等.此外,利用量子力学基本量的完全随机性以及采集生物的无规律行为也可以用作真随机数发生器的熵源[9−11].但是由于熵源带宽的限制,这些真随机数发生器产生随机数的速率多处于Mbit/s量级,无法满足当前高速大容量通信的需要.
在光反馈、光注入或光电反馈等外部扰动下,半导体激光器可以产生宽带混沌激光信号.与光注入、光电反馈相比,光反馈半导体激光器的光源结构简单且易于集成.最近,基于光反馈半导体激光器的宽带混沌信号[12,13]作为物理熵源生成的高速物理随机数引起了世界各国研究者的关注.例如,2008年开始,基于混沌激光产生的物理随机数的速率能够达到Gbit/s的量级[14],随后以列巴依兰大学Reider等[15,16]、中国香港城市大学的Li和Chan[17,18]、希腊雅典大学Argyris等[19]、国内西南大学[20,21]、西南交通大学[22]以及太原理工大学的课题组[23]都对基于光反馈混沌激光产生高速的物理随机数进行了大量研究.在已报道的混沌激光随机数方案中,可采用延迟异或[23]、多级差分[16]等后处理方法来提高随机数的速率和随机性,另外也可以通过优化混沌熵源来改善随机数的性能.
近些年来,反馈强度、外腔长度、激光器的偏置电流等混沌熵源外部参量对基于光反馈半导体激光器的混沌信号产生的随机数性能方面的影响已有报道[24−28].此外,激光器的内部参
量对半导体激光器动态特性的影响也引起了各国研究者的广泛关注.例如,Hwang和Liu[29]分别探究了载流子寿命、光子寿命和微分增益系数对半导体激光器动态特性的影响;Hwang和Liang[30]以及张明江等[31]也分别分析了线宽增强因子对激光器单周期振荡的影响;Wieczorek课题组研究了线宽增强因子与倍周期分叉动态特性的关系[32],并讨论比较了不同类型激光器的线宽增强因子对本身动力学特性的影响[33];Pochet等[34]研究了线宽增强因子对量子点激光器的二倍周期及混沌特性的影响.但是,激光器的内部参量对随机数性能有何影响尚未进行深入研究.在激光器内部参量中,由于线宽增强因子对半导体激光器的动态特性有很大的影响[33,35],因此深入研究线宽增强因子对基于半导体激光器系统产生随机数性能的影响具有重要的意义.
利用外腔光反馈半导体激光器产生宽带混沌信号作为物理熵源生成高速的物理随机数的系统方案如图1所示.分布式反馈半导体激光器(DFB)输出的光通过偏振控制器(PC)控制光的偏振态,经过光纤耦合器(OC)分成两路.其中一路光经由可调光衰减器(VOA)控制光的强度,并经光纤反射镜(FM)反馈回DFB;另一路光通过光隔离器(OI)输出作为提取随机数的物理熵源.OI确保混沌激光单向传输,以免DFB损伤.通过OI的混沌激光信号经过光电探测器(PD),将光信号转换为电信号,并去除直流分量,然后经过8位模数转换器(ADC)转换输出8位二进制信
号.从8位二进制信号中提取后m最低有效位(LSBs),并利用缓冲器对该m位二进制信号进行延迟异或(XOR),得到最终的二进制码.利用NIST SP 800-22测试软件对最终得到的二进制码进行随机性认证,如果所有的测试项都能通过,那么所得到的二进制码为物理真随机数.
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