随着网络技术的迅速发展和广泛应用,人类社会已迈入信息时代。信息既是时间,也是财富,是国家发展的重要战略资源。然而信息在通信网络的传输过程中,随时都可能受到非授权的访问、篡改或破坏,必须加以保护。保障信息安全的核心技术是密码技术。而在密码学领域,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,因此随机数是密码学领域的基石,随机数的质量决定了密码技术的安全性。按随机数的产生方法可以将随机数发生器划分为两大类:伪随机数发生器和物理随机数发生器。伪随机数发生器利用种子序列和确定性算法通过计算机能方便地产生速率达Gbits/s的随机数序列。由于这种发生器具有成本低廉、输出速率主要受限于处理器主频速率瓶颈较易打破、序列统计特性优良等优点使其广泛应用于蒙特卡洛模拟、统计抽样等科学计算领域。然而这种发生器的确定性本质使其输出随机序列存在不可避免的周期性、可用的序列长度有限,本质上不具有真正的随机性。这种特征使得伪随机数发生器用于保密通信领域时存在安全隐患,且随着量子计算、云计算等领域的快速发展,计算资源的快速提升使得基于计算复杂度的伪随机数发生器越来越难以保障信息安全的需求。事实上,正如著名应用密码学家Schneier所说:采集大量随机数的最好方法是选取真实世界的自然随机性。物理随机数发生器正是基于真实物理世界中的随机现象作为熵源来产生随机数。这种随机数发生器产生的随机数是非周期性、不可预测的,具有真正的随机性。然而,受限于选用的物理机制,传统的物理随机数发生器的典型速率仅为Mbits/s量级,无法满足面向未来的高速保密通信网络的速率需求。近年来,基于半导体激光混沌熵源的随机数发生器方案受到了人们的广泛关注。半导体器件输出的宽带混沌激光信号带宽能可达到几个GHz以上,且具有大范围的强度起伏,易于提取,非常适合用于产生速率达Gbits/s量级以上的高速随机数,在高速保密通信领域展现出了巨大的应用潜力。本论文围绕半导体激光混沌熵源获取高速物理随机数的课题开展研究工作,主要研究内容及结论如下:1.提出基于互耦分布反馈式半导体激光器（DFB-SLs）系统输出的混沌激光产生多路随机数的技术方案。首先,基于Lang-Kobayashi速率方程对该互耦DFB-SLs系统进行建模。利用四阶Runge-Kutta法求解速率方程,并通过适当选取合理的耦合强度和耦合延迟时间让系统输出信号处于混沌态。数值模拟了系统在不同参数条件下输出的时间序列,并利用相关函数、互信息对互耦DFB-SLs系统中两激光器混沌输出的时延特征进行提取和量化评估。在固定耦合延迟时间条件下,分析了在不同耦合强度下两激光器混沌输出时间序列的自相关函数时延特征峰值的演变规律,以及频率失谐对系统输出时延特征的影响。以上述理论研究为基础,构建互耦DFB-SLs实验系统,首先通过时延特征抑制技术获取到两组时延特征得到充分抑制的高质量混沌熵源信号,以欠采样的方式通过8位模数转换器（ADC）对熵源进行采样量化,通过简单后处理得到两路通过NIST统计检验套件全部项目检测的速率达50Gbits/s的随机数以及合并得到100Gbits/s的随机数。随后,实验研究了系统输出光谱、频谱和混沌信号带宽随耦合强度变化的演化情况。评估了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随耦合强度变化的演化趋势。以过采样的方式对熵源进行采样量化,并通过复杂后处理方法最终获得双路符合严苛质量评估标准且速率达0.48Tbits/s的随机数,并通过按位交错合并处理得到速率达0.96 Tbits/s的随机数。2.提出基于主从垂直腔面发射激光器（VCSEL）系统获取多路随机数的技术方案。首先搭建了基于光纤环形外腔反馈混沌光注入VCSEL实验系统。通过引入平行光反馈并优选反馈参数,使主VCSEL的两正交偏振模式同时激发并处于混沌态,再将主VCSEL输出的两路混沌光注入到从VCSEL中使从VCSEL的两正交偏振模式也被激发到混沌态。研究了注入功率和频率失谐对从VCSEL两偏振模式输出混沌信号的有效带宽、排列熵以及最大互相关系数的影响情况。在最佳参数条件,将从VCSEL两偏振模式输出的混沌信号分别作为熵源来产生随机数。比较了采用不同后处理方法对输出序列统计特性、时延特征等的影响,最终得到两路速率为160Gbits/s的随机数。针对上述实验方案进行改进,提出了基于光纤布拉格光栅（FBG）外腔混沌光注入VCSEL获取多路随机数的方案。首先基于自旋反转模型对系统进行建模,利用四阶Runge-Kutta法求解速率方程,理论研究了FBG外腔反馈强度、FBG与主VCSEL的频率失谐对主VCSEL两正交偏振模式输出信号的有效带宽、时延特征等的影响,分析了双路偏振保持混沌光注入下从VCSEL输出偏振分解混沌信号带宽的分布情况。在理论分析的基础上搭建相应的实验系统,在双模共存条件下研究了FBG外腔反馈强度对主VCSEL两偏振模式混沌输出的有效带宽和时延特征的影响。在双路平行光注入下研究了从VCSEL两偏振模式混沌输出的时延特征、有效带宽随频率失谐和注入强度的变化情况。在优选参数条件下提取的两路混沌熵源经并行提取结合交错合并等后处理技术,最终生成20路符合NIST检验标准的速率达160Gbits/s的随机数。3.提出基于FBG外腔弱谐振腔法布里-珀罗激光器（WRC-FPLD）获取高速随机数的技术方案。通过数字示波器、光谱仪和电谱分析仪对滤波反馈下WRC-FPLD的时间序列、光谱和功率谱进行采集和分析,实验研究了WRC-FPLD输出的动力学演化路径。随着反馈功率的增大,WRC-FPLD输出呈现由稳态、过渡到单周期、再进入混沌、最后回到稳态的演化过程。评估了滤波带宽分别在60GHz、80GHz、100GHz的3种情况下,20nm波长范围内35个纵模各自输出的混沌信号有效带宽随反馈功率的变化情况。分析表明,在3种滤波带宽下,通过调节FBG的中心波长并合理地选择反馈功率均可以使WRC-FPLD的35个纵模分别进入混沌态,且随着滤波带宽的增大,纵模输出混沌信号带宽也会有所增强。在100GHz的滤波带宽下,各个纵模的混沌信号有效带宽均可达20GHz以上且频谱较为平坦。选取有效带宽为23.9GHz的混沌输出作为熵源,通过适当的后续处理获得了符合严苛质量评估标准且速率达240Gbits/s的随机数。