广东工业大学 物理与光电工程学院，广州 510006
针对传统Cascade算法协商效率低、吞吐量不高的问题，提出了一种面向共驱混沌同步密钥分发的Cascade-Biconf信息协商算法。该算法基于奇偶校验和二分法纠错算法的原理，将所得密钥进行置乱、分块并传输校验值用以二分法纠错。与传统Cascade算法不同，Cascade-Biconf信息协商算法通过优化分块的大小降低了协商过程中的交互次数和计算量。仿真结果表明：在通信双方初始密钥误码率为0.1的情况下，Cascade-Biconf信息协商算法可将传统Cascade算法的协商效率由0.76提升到0.84，总吞吐量提升27.9%。
信息协商 Cascade算法 密钥分发 混沌同步 保密通信 information reconciliation, Cascade algorithm, key
华东师范大学 通信与电子工程学院，上海 200241
针对自由空间光（FSO）通信系统易受大气湍流效应影响的问题，为降低系统在饱和湍流情况下的误码率（BER），并且考虑到实际工程中需要在有限信噪比（SNR）下得到最大的分集增益，需要对系统的分集性能进行研究，以得到分集增益与SNR和系统链路数量等参数的关系。文章选择采用多输入多输出（MIMO）技术，设计了基于正交振幅调制（QAM）的MIMO-FSO通信系统，分析了系统在负指数分布信道模型下的性能表现，推导出系统的BER计算公式与分集增益相关参数（如分集阶数（DO）、分集阶数增量（IDO）和收敛速度（SOC）等）的闭式表达式，并利用数学软件Matlab进行仿真实验，通过蒙特卡洛仿真来验证所推导公式的准确性。仿真结果表明，MIMO技术在不增加发射功率和接收孔径面积的情况下，可以大幅度降低FSO通信系统的BER，且在饱和湍流信道下，系统链路数量越多或湍流强度越低时，DO随SNR增长到理论最大值的速度越快。MIMO技术有效地抑制了大气湍流对系统的负面影响，大幅提高了系统性能。在条件允许的情况下，尽量使用多的发射机和接收机可以使得系统在有限SNR下获得的分集增益更高，但是也需要考虑到实际工程中的部署成本和安装难度来选择合适的链路数量。
自由空间光通信 正交振幅调制 多输入多输出技术 误码率 分集阶数 FSO communication QAM MIMO technology BER DO
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024
2 广东工业大学 信息工程学院，广州 510006
3 广东省光子学信息技术重点实验室，广州 510006
4 保密通信重点实验室，成都 610041
近年来，在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展，但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题，文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器（VCSEL）模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变，再由方波信号对注入电流进行调制，周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态，最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明，具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求，简化了当前随机数的产生结构，且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。
垂直腔面发射激光器 模式跳变 光反馈 随机数 VCSEL mode hopping optical feedback random number
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京 100083
面向混沌激光测距对大功率混沌激光的需求，利用半透半反镜提供光反馈，使波长1530 nm的宽脊大功率半导体激光器（SL）产生了大功率自由空间混沌激光。同时，正是由于其多横模光束，混沌激光的时延特征被抑制，消除了时延特征对混沌激光测距的干扰。随着SL驱动电流的增大，时延特征被逐步抑制，但是弛豫振荡特征只在一定的电流区间被抑制。然后，详细研究了不同透射/反射比例下，周期性特征抑制的电流区间和相应的输出激光功率，最终产生了平均功率为440 mW、自相关主峰半峰全宽为0.07 ns、旁瓣峰水平为-6.3 dB的混沌激光。该研究工作为混沌激光测距提供了一种结构简单、低成本、高性能的混沌激光光源。
激光光学 混沌激光 激光测距 大功率 抗干扰 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2114004
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024
2 上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
3 保密通信重点实验室，成都 610041
4 广东工业大学 信息工程学院，广州 510006
5 广东省光子学信息技术重点实验室，广州 510006
针对当前大多数随机数产生方案结构复杂和体积庞大的问题，文章从理论上提出并仿真论证了一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变直接产生全光物理随机数的技术方案。通过方波调制信号周期性重启工作在双稳区域的VCSEL，并利用自发辐射噪声平衡两个偏振模式出射的不对称，可以直接实现随机数的产生。仿真结果表明，该方法可以直接产生速率为2.5 Gbit/s且随机性得到验证的物理随机数。该方案主要包含一个VCSEL，结构简单，为随机数发生器的光子集成问题提供了新的解决方案。
光通信 全光物理随机数 模式跳变 垂直腔面发射激光器 optical communications all-optical physical random number mode hopping VCSEL
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
2 School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
3 Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks, Shanghai University, Shanghai 200444, China
4 School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
5 Science and Technology on Communication Security Laboratory, Institute of Southwestern Communication, Chengdu 610041, China
6 Department of Informatics and Computer Engineering, University of West Attica, Athens 12243, Greece
7 School of Electronic Engineering, Bangor University, Wales LL57 1UT, United Kingdom
All-optical analog-to-digital conversion is a paramount issue in modern science. How to implement real-time and ultrafast quantization to optical pulses with different intensities in an all-optical domain is a central problem. Here, we report a real-time demonstration of an all-optical quantization scheme based on slicing the supercontinuum in a nonlinear fiber. In comparison with previous schemes through off-line analysis of the power of different optical spectral components in the supercontinuum, this, to the best of our knowledge, is the first demonstration of such functionality online in the time domain. Moreover, the extinction ratio among the quantized outputs can exceed 10 dB, which further confirms the feasibility of the proposed quantization scheme. The current 3 bit resolution in the proof-of-principle experiment is limited by the current experimental condition, but it can be expected to be greatly enhanced through improving both the spectral width of the generated supercontinuum and the number of filtering channels used.
all-optical analog-to-digital conversion photonic quantization all-optical signal processing supercontinuum generation Chinese Optics Letters
2021, 19(8): 081901
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 太原 030024
3 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006
针对当前量子随机数产生技术无法满足通信领域中安全性和高速率的问题, 文章提出了一种基于测量光场真空起伏产生量子真随机数的实验方案。与以往报道的实验方案所不同, 文章理论分析,量子随机数生成系统中量子正交分量测量中本底光增益对原始随机数中相对量子熵含量的影响, 在经典噪声完全被窃听方控制的最差情况假定下, 采用量子条件最小熵量化评估原始随机数的随机性。基于理论分析实验中通过相对增强本底光强的同时控制电子学增益, 经典电子噪声独立地放大真空噪声分量起伏, 提高了系统中量子噪声引入的最小熵含量, 同时, 基于真空量子噪声是宽带高斯白噪声, 有效提升频带提取带宽, 提高量子熵源的利用率,在提高量子随机数生成系统安全性的同时提高了量子随机数的产生速率。实验结果表明, 基于安全性信息论可证明的托普利茨-哈希(Toeplitz-hash)提取器, 实现了6.7 Gbit/s 的量子随机数产生, 同时利用 Nist、Diehard 和 TestU01-SmallCrush 3种随机数标准测试验证了该方案下生成的量子随机数的真随机性, 为真空量子随机数发生器产生速率的提高提供了新的途径。
量子随机数 光场真空噪声 量子条件最小熵 Toeplitz-hash提取器 quantum random number vacuum noise of optical field quantum conditional min-entropy Toeplitz-hash extractor
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院光电工程研究所, 山西 太原 030024
3 保密通信重点实验室, 四川 成都 610041
4 中国电子科技集团公司第三十研究所, 四川 成都 610041
实验从时域上研究了切割超连续谱实现实时、高速全光量化的方案。利用光滤波器件对不同强度的光采样脉冲产生的超连续谱进行光谱分割, 从而实现对光采样脉冲的实时量化。具体来讲, 重复频率为10 GHz的光采样脉冲经功率放大后耦合到400 m的高非线性光纤中产生超连续谱, 采用3个可调谐的光滤波器对其进行不同波长的光谱切割, 实现采样率为10 GSa/s、量化精度为2 bit的实时全光量化, 量化后脉冲时序的消光比可达10 dB以上。
信号处理 全光模数转换 光采样 光量化 超连续谱 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100701
1 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
2 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室, 山西 太原 030024
实验研究了滤波对光反馈混沌半导体激光器输出信号中时延特征的抑制。在100 MHz和500 MHz低通滤波条件下, 利用在反馈时延附近的自相关峰值和排列熵峰值量化提取混沌信号的时延特征。测量了不同偏置电流下时延特征随反馈强度的变化。结果表明,经过滤波, 在1.5Ith、-7.5 dB条件下, 时延附近的自相关从0.264降低到0.036, 排列熵从0.985上升到0.997, 同时随着反馈强度的增大, 反馈时延附近的自相关峰值与排列熵呈反比关系; 混沌激光的复杂度和混沌强弱随反馈强度的增大呈先增强后减弱的趋势。滤波作用使混沌复杂度在更低的反馈强度下趋于最大, 并随着反馈强度的增大保持混沌复杂度不变。此外, 在抑制时延特征的同时, 滤波作用有效改善了混沌信号强度分布的随机统计特性。
非线性光学 混沌 半导体激光器 光反馈 排列熵 中国激光
2018, 45(10): 1008001
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院光电工程研究所, 山西 太原 030024
论证了基于单个激光混沌信号作为物理熵源产生高速实时物理随机码的发生装置。搭建了全光纤结构的激光混沌源,输出强度随机起伏的光信号,经T型连接器分为两路,被差分ADC作用后,输出二进制比特流;利用延迟异或技术消除弱周期性后,可实时产生高质物理随机码序列,该序列码率达4.5 Gbit/s。后续分析表明,所获得的随机码是统计无偏且不相关的,并可成功通过随机数行业测试标准。
保密通信 混沌激光 随机码 物理熵源 半导体激光器 secure communication chaos laser random bits physical entropy source semiconductor laser
