基于主副垂直腔面发射激光器混沌系统获取双路高速物理随机数的研究

论文摘要

物理随机数由于具有非确定性、不可预测、不可复现等特性而被广泛的运用在计算及安全通信等领域中。基于电阻热噪声的直接放大、亚稳定性及频率抖动等为熵源的传统物理随机数发生器由于受到电子带宽的限制,其生成随机数速率在Mbit/s量级,与现行光通信系统信息的传输速率尚有很大的差距。然而,半导体激光器在光注入、光反馈及光电反馈等外部扰动下可输出宽带宽混沌信号,基于混沌信号为熵源可提取高速物理随机数。基于宽带宽半导体激光器混沌信号获取高速物理随机数已得到学者们广泛的研究,其关键技术之一在于获取具有随机性好、带宽大及周期性弱等特性的高质量混沌信号。到目前为止,大部分研究都是基于分布式反馈半导体激光器（DFB-SL）获取的单路随机数。相比于DFB-SL,垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有阈值电流低、单纵模输出、易集成等优势。特别的,在合适的参数条件与外部扰动下,VCSEL可同时输出两个偏振分量（X-PC与Y-PC）的混沌信号,基于两偏振分量混沌信号可同时提取双路高速物理随机数。双路随机数可通过交叉合并处理,获取双倍速率的高速随机比特序列,也可直接运用于多信道通信保密中。本文提出并数值研究了基于主副垂直腔面发射激光器（M-VCSEL与S-VCSEL）系统的混沌输出作为熵源提取双路高速物理随机数的方案。首先,在合适的反馈参量下,可使在光纤布拉格光栅（FBG）偏振保持光反馈下的M-VCSEL的两个线性偏振模式X-PC及Y-PC同时输出平均功率可比拟、延时特征（TDS）得到有效抑制的混沌信号;然后,将主激光器的X-PC与Y-PC输出混沌信号分别分为两部分以不同的延迟时间偏振保持注入到S-VCSEL中,S-VCSEL的X-PC及Y-PC可同时输出带宽提升的混沌信号,混沌信号经8位模数转换器（ADC）量化、m bit最低有效位（m-LSBs）截取和异或运算（XOR）后续处理后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统计测试套件对最终比特序列的随机性能进行测试。研究结果表明,可获得双路速率为500 Gbit/s的随机数,进一步通过交叉合并技术可将随机数速率提升为1 Tbit/s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 随机数及其特性
•   1.3 随机数的提取与后处理方法
•     1.3.1 随机数的提取方法
•     1.3.2 后处理方法
•   1.4 随机数的检测
•   1.5 随机数研究进展
•     1.5.1 基于物理噪声熵源的随机数发生器
•     1.5.2 基于混沌激光器提取高速物理随机数研究进展
•   1.6 本论文研究的内容及意义
• 第2章 VCSELS理论模型
•   2.1 VCSELs的理论模型
•     2.1.1 L-K速率方程
•     2.1.2 自旋反转模型（Spin-Flip Model,SFM）
•   2.2 在外部扰动下的VCSELs理论模型
•     2.2.1 光注入下VCSELs系统结构与速率方程
•     2.2.2 光反馈下VCSELs系统结构与速率方程
•   2.3 总结
• 第3章 主副VCSELS系统动力学特征
•   3.1 引言
•   3.2 光纤布拉格光栅反馈垂直腔面发射激光器动力学特征
•     3.2.1 系统结构及速率方程
•     3.2.2 数值模拟结果
•   3.3 主副VCSELs系统动力学特征
•     3.3.1 单路混沌信号注入垂直腔面发射激光器动力学特征
•     3.3.2 双路混沌信号注入垂直腔面发射激光器动力学特征
•   3.4 结论
• 第4章 基于主副VCSELS混沌系统获取双路高速物理随机数的研究
•   4.1 引言
•   4.2 系统结构
•   4.3 混沌熵源的选取
•   4.4 比特序列的产生与测试结果分析
•   4.5 结论
• 第5章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冉灿

导师: 夏光琼

关键词: 垂直腔面发射激光器,双路偏振保持光注入,混沌信号,双路高速物理随机数

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 西南大学

分类号: TP309;TN248;O415.5

总页数: 58

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