基于互耦垂直腔面发射激光器混沌熵源获取高速物理随机数

Random number is the cornerstone of modern cryptography technology. In recent years，important progresses have been made in the physical random numbers(PRNs) generation based on chaotic entropy sources of semiconductor lasers (SLs). However, distributed feedback semiconductor lasers (DFBSLs) are usually used as the SLs-Based chaotic entropy sources, meanwhile the generated PRNs are mostly a single channel. After taking into account the case that vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) can simultaneously realize the co-existed outputs of two polarization components under appropriate operation conditions, combined with our previous experiences in multiple channel PRNs generation based on the chaotic entropy sources of mutually coupled DFBSLs system, we propose this project to explore the related techniques of multi-set PRNs generation with a rate of tens of Gbits/s per channel by using mutually coupled VCSELs. Firstly, we will investigate the nonlinear dynamical characteristics of such mutually coupled VCSELs system and find out the dynamical evolution route to chaos for each polarization component. Secondly, we will try to master relevant key experimental technology on obtaining multi-set high quality chaotic entropy sources. Finally, we will optimize optoelectronic post-process methods to experimently gain multiple-channel high-speed PRNs in parallel. The implementation of this project is expected to provide some key technical supports in building a new information security system for our country.

随机数是现代密码技术基石。近年来基于半导体激光混沌熵源获取高速物理随机数(PRNs)取得重要进展，但熵源所采用的半导体激光器大多为分布反馈激光器(DFBSLs)且所产生的PRNs多为单路。考虑到垂直腔面发射激光器(VCSELs)在合适工作条件下可实现两个偏振分量的共存输出，结合我们前期在互耦DFBSLs混沌熵源获取高速PRNs方面所取得的实践经验，我们提出了本课题，旨在探索利用互耦VCSELs混沌熵源并行产生多路码高速PRNs的相关技术方案。拟开展的主要工作如下：(1)研究互耦VCSELs系统的非线性动力学特性，探明互耦VCSELs各偏振分量同时实现共存混沌输出的动力学路径；(2)掌握基于互耦VCSELs系统的多路高质量混沌熵源的关键实验获取技术；(3)通过优化后续相关光电处理方案最终实验并行获取多路高速PRNs。本项目的实施可望为我国构建信息安全保障新体系提供若干技术支持。

随机数是密码学领域的基石，无论是加密技术、数字签名、身份认证还是各种安全协议等都要用到随机数。随机数的质量决定了密码技术的安全性，从而决定了信息在传递过程中的安全性是否得到保障。传统的随机数发生器生成的随机数无论在质量上还是速率上都越加难以满足现代高速保密通信的需求。本项目主要基于半导体激光器在不同外部扰动下输出的混沌激光作为熵源，在优质高速随机数获取方面开展了相关理论和实验探索，并取得了一系列研究成果。首先, 理论和实验研究了垂直腔面发射激光器（VCSEL）在不同外部微扰下输出的混沌激光动力学特性，比较分析了在不同参数空间下VCSEL输出混沌信号的时延特征、带宽等的演化情况，掌握了获取优质混沌熵源信号的调控技术。其次，研究不同后处理方法对混沌熵源时域波形样本的振幅概率密度分布、自相关曲线及其时延特征峰值的影响，探索最优后续处理方案，并采用NIST统计检验套件等对最终输出的随机数性能进行评估，获得了高质量的速率达数十Gbits/s以上的物理随机数。最后，研究其他混沌激光熵源产生的技术方案，分析比较了不同方案的优劣所在，探索基于混沌激光熵源的随机数发生器最优技术方案。本项目建立了优质随机数生成的研究平台，自主探索和掌握了一系列相关关键技术，研究成果对高速物理随机数的生成和进一步应用有一定的参考价值。