基于垂直腔面发射激光器实时产生多路高速物理随机数的相关理论和技术探索

Physical random numbers (PRNs) generation is one of key techniques in information security field. At present, by taking distributed feedback semiconductor lasers (DFB-SLs) as entropy sources, although PRNs with a rate of ~Tb/s can be obtained via some subsequent processing techniques, real-time generated PRNs is still in a level of about several Gb/s and mostly outputs single channel. Therefore, it is very important to explore some new methods and technologies for real-time acquiring high speed PRNs. This project mainly includes following several aspects. At first, we will investigate nonlinear dynamics (including chaos) of a network system constituded by three vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) or above, and specially focus on such key issues as the interaction between two orthogonal polarization components of VCSELs, the physical suppression of time delay signatures of multiple chaos signals, and the elimination of relevance among these chaos signals. Next, we will present certain scheme to experimently real-time gain multiple-channel high-speed PRNs in parallel. Finally, we will exploit related techniques to extract multiple PRNs with higher rates through merging different channels PRNs. By carrying on this project, some new technologies of high-speed PRNs real-time generation may be independently mastered, which will afford some key technical supports for constructing information security system of our country.

物理随机数(PRNs)的获取是信息安全领域的关键技术之一。目前基于分布反馈半导体激光器(DFB-SLs)输出的混沌信号熵源所提取的PRNs速率尽管经过后续处理后已可达到Tb/s量级，但实时输出尚停留在几个Gb/s水平且多为单路，因此亟待研发更高速率的PRNs的实时获取技术。本项目拟开展以下工作：首先研究基于三个及以上垂直腔面发射激光器(VCSELs)构成的可多路并行输出的网络系统的非线性(尤其是混沌)动力学行为，重点关注VCSELs中两正交偏振分量之间的相互作用、各混沌信号延时特征的物理抑制以及彼此之间的关联性消除等关键问题；在此基础上，提出相关方案并实验实时获取并行产生的多路高速PRNs；最后，通过对不同通道的PRNs进行合并，提取出多个更高速率的PRNs。本项目研究可望自主研发并掌握高速PRNs实时获取的相关新技术，从而为构建我国的信息安全体系提供部分关键技术支持。

高速物理随机数(PRNs)的获取是信息安全领域的关键技术之一。目前，基于半导体激光器(SLs)的混沌输出作为熵源提取高速PRNs最具前景，但是所使用的SLs大多为分布反馈半导体激光器(DFB-SLs)且获取的PRNs多为单路。考虑到垂直腔面发射激光器(VCSELs)在合适的参数条件下有可能同时存在两个正交的偏振分量的特点，我们在基于VCSELs的混沌输出作为熵源获取多路高速PRNs方面开展了相关研究探索，完成的主要研究内容及取得的重要结果有：(1) 构建了合理描述不同外部扰动(光注入、光反馈、光电反馈等) VCSELs的动力学模型；探明了外部扰动下VCSELs呈现不同动力学状态(稳定态、单周期、倍周期、多周期、注入锁定、双稳、混沌等)的相关物理机理及其与各主要系统参量之间的关联；获得了在不同系统参量空间下外部扰动VCSELs输出的不同动力学状态分布图谱；(2) 摸索并掌握了使不同外部扰动下VCSELs实现混沌输出的相关参数设置及实验实现方案；(3) 在上述工作基础上，经过进一步优化，提出并实验验证了不同系统构架下基于VCSELs混沌熵源获取多路高速物理随机数的方案。通过该项目的实施，在外部扰动下VCSELs的非线性/混沌动力学的基础研究方面取得了一些突破和进展，在此基础上探索并掌握了高速多路物理随机数获取的实现方案。