物理隨機(jī)數(shù)因具有不可復(fù)現(xiàn)、不可預(yù)測(cè)的特性使其在保密通信、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器在外部擾動(dòng)下能產(chǎn)生高帶寬、大幅度的激光混沌信號(hào),將這種混沌信號(hào)作為物理熵源來獲取隨機(jī)數(shù),與傳統(tǒng)的物理熵源相比,在生成隨機(jī)數(shù)的速率方面取得了進(jìn)一步發(fā)展。目前學(xué)者們已經(jīng)對(duì)基于激光混沌的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成方案做了大量的研究,但其中大部分方案都是關(guān)于分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB)產(chǎn)生單通道物理隨機(jī)數(shù)的研究。而在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下,垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)可以同時(shí)輸出兩個(gè)正交偏振分量,每個(gè)偏振分量都可能被用作產(chǎn)生物理隨機(jī)數(shù)的熵源,為開發(fā)多通道物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成方案提供了可能。因此,基于VCSEL的混沌熵源可能適用于多通道隨機(jī)數(shù)生成。本文提出基于正交互耦1550 nm垂直腔面發(fā)射激光器(1550 nm-VCSELs)在優(yōu)化條件下輸出的多路平均功率可比擬、延時(shí)特征(TDS)得到有效抑制的混沌信號(hào)作為混沌熵源,經(jīng)8位模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)量化和最低有效位(m-LSBs)后續(xù)處理獲取多路物理隨機(jī)數(shù)的方案,并研究了系統(tǒng)參量對(duì)最終獲取的比特序列隨機(jī)性的影響.首先,基于VCSELs的自旋反轉(zhuǎn)模型分析了耦合強(qiáng)度和頻率失諧對(duì)兩個(gè)正交互耦合1550 nm-VCSELs輸出動(dòng)力學(xué)的影響,初步確定了利用該系統(tǒng)產(chǎn)生四路平均功率可比擬、TDS得到抑制混沌信號(hào)所需的耦合強(qiáng)度和頻率失諧優(yōu)化范圍;在此基礎(chǔ)上,選擇一個(gè)耦合強(qiáng)度值,利用處于優(yōu)化范圍內(nèi)的不同頻率失諧下所獲取的四路混沌信號(hào)作為熵源,經(jīng)8位ADC量化和m-LSBs后續(xù)處理得到最終的比特序列;最后,采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)提供的NIST Special Publication 800-22統(tǒng)計(jì)測(cè)試套件對(duì)所獲取的最終比特序列的隨機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試,確定了同時(shí)獲取四路高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)所需的參數(shù)范圍。
【學(xué)位單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

圖 1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)化器數(shù)字化采樣示意圖[29]波器采樣器其基本性質(zhì)與模數(shù)轉(zhuǎn)化器相同，仍使用 ADC 采行采樣時(shí)，可以把信號(hào)采樣 ADC 和數(shù)據(jù)后續(xù)處理之中，而使用 ADC 采樣，采樣后的數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究進(jìn)展生器(RNGs)可分為兩類：一類是偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器]。通常對(duì)一些算法賦予不同的初始值，偽隨機(jī)數(shù)算出具有一定周期性的比特序列。并且隨著時(shí)代的大的提升，出現(xiàn)了作為密鑰的偽隨機(jī)數(shù)被破解的情洛數(shù)值模擬中，因?yàn)閭坞S機(jī)數(shù)的運(yùn)用，一系列潛在理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是以微觀的量子機(jī)制和宏觀的物理

僅 Virte 等人在比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)提出了通過使用自由運(yùn)行 VCSELs，將其偏振混沌輸出作為物理熵源，產(chǎn)生二進(jìn)制比特序列，利用多位 ADC 采樣和高階差分處理后通過計(jì)算機(jī)離線處理獲取速率達(dá) 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案從圖 1.4 所示；接著在 2016 年 Virte 等人相繼提出一個(gè)新的方案，可以獲取速率達(dá)100 Gbit/s 的 PRNs[61]，詳細(xì)地實(shí)驗(yàn)方案從圖 1.5 所示。這些研究結(jié)果都表明 VCSEL在隨機(jī)數(shù)領(lǐng)域有著誘人的前景。圖 1.4 Virte 小組基于 VCSELs 的偏振混沌系統(tǒng)來獲取高速隨機(jī)數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖[60]

為混沌物理熵源，為可以同步獲取雙路 PRNs 提供了可能性。當(dāng)前，盡管基于VCSELs 獲取 PRNs 已有部分的研究[32, 39-41,47]。比如，在白俄羅斯的 Chizhevsky 等人提出了使用調(diào)制雙穩(wěn)態(tài) VCSELs 來設(shè)計(jì)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，初步獲取了 2 Mbit/s 的PRNs[57]；接著在 2011 年，利用 VCSELs 的極化噪聲產(chǎn)生了速率為 4.5 Gbit/s 的PRNs[58]。2010年，北京大學(xué)郭弘小組基于單模VCSELs的相位噪聲作為物理熵源，經(jīng)過采樣和后續(xù)處理方法實(shí)驗(yàn)上獲得速率達(dá)20Mbit/s的PRNs[17]；隨后在2012年，該小組基于VCSELs的偏振模式噪聲實(shí)驗(yàn)上成功獲取了速率為40Gbit/s的PRNs[59]。但是基于 VCSELs 輸出的混沌信號(hào)作為熵源產(chǎn)生 PRNs 的報(bào)道還非常少。2014 年，僅 Virte 等人在比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)提出了通過使用自由運(yùn)行 VCSELs，將其偏振混沌輸出作為物理熵源，產(chǎn)生二進(jìn)制比特序列，利用多位 ADC 采樣和高階差分處理后通過計(jì)算機(jī)離線處理獲取速率達(dá) 560 Gbit/s 的 PRNs[60]，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案從圖 1.4 所示；接著在 2016 年 Virte 等人相繼提出一個(gè)新的方案，可以獲取速率達(dá)100 Gbit/s 的 PRNs[61]，詳細(xì)地實(shí)驗(yàn)方案從圖 1.5 所示。這些研究結(jié)果都表明 VCSEL在隨機(jī)數(shù)領(lǐng)域有著誘人的前景。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李璞;江鐳;孫媛媛;張建國(guó);王云才;;面向全光物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的混沌實(shí)時(shí)光采樣研究[J];物理學(xué)報(bào);2015年23期

2 李明月;何君;;國(guó)外軍用大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀[J];半導(dǎo)體技術(shù);2015年05期

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4 孫建偉,張勝利,王紹偉,謝亮,祝寧華;用白噪聲源實(shí)現(xiàn)高速真隨機(jī)碼[J];電子學(xué)報(bào);2003年08期

5 王德,李學(xué)千;半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J];光學(xué)精密工程;2001年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉鈺;連續(xù)源真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器研究[D];北京大學(xué);2013年

2 張建忠;基于寬帶混沌激光熵源實(shí)現(xiàn)高速真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生[D];太原理工大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2819735