基于驱动响应VCSELs混沌系统获取高速同步物理随机数

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随着现代互联网和相关计算机技术的飞速发展,信息安全技术变得越来越重要。随机数的生成作为信息安全的核心技术之一引起了人们的广泛关注。通常随机数发生器(RBG)分为两类:伪随机数发生器和物理随机数发生器。其中,物理随机数由于具有非确定性、不可复现、不可预测等特性而被广泛应用。然而,传统的物理随机数发生器因为带宽的限制,生成的速率被限制在Mbits/s量级,无法满足高速保密通信网络的速率需求。垂直腔面发射激光器(VCSELs)可以在适当的参数条件下同时输出两个正交偏振分量,且在适当的外部扰动下可获得宽带宽的混沌信号,利用这个宽带宽混沌信号作为熵源可以获得高速物理随机数。因此,基于VCSELs混沌输出的高速物理随机数的获取具有重要的研究价值。本文利用两个具有光注入和偏振旋转光反馈的VCSELs作为终端合法用户,提出并数值模拟了一种高速同步随机比特序列(SRBS)的获取方案。一个具有偏振旋转光反馈的注入VCSEL(I-VCSEL)输出的混沌信号被强注入到驱动VCSEL(D-VCSEL)中以获得具有两种共存正交极化模式的带宽增强的混沌信号。利用D-VCSEL输出的宽带混沌信号分别注入两个合法VCSELs(A-VCSEL和B-VCSEL)中。通过分析两个合法VCSELs的混沌输出的同步性能对注入强度和频率失谐的依赖性,确定了一个优化的注入参数空间。利用两个合法VCSELs的同步混沌输出作为物理熵源,并采用8位ADC逻辑异或(XOR)处理提取m个最低有效位(m-LSB)之后即可获得高速的SRBS。两个合法用户生成SRBS的误码率(BER)在最佳参数区域内小于0.01,可以有效保证两个合法用户之间生成同步随机比特序列的安全性。利用该方案生成的SRBS速率可以达到400Gbit/s,且生成的随机比特序列可以通过所有15项NIST统计测试。此外,可以通过A-VCSEL和B-VCSEL之间的高质量同步而D-VCSEL和A-VCSEL之间的相对低质量的同步进一步确保本方案的安全性。
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