近年来,激光混沌信号由于带宽大和物理随机性好等特点,在安全保密通信、高速随机数生成、激光雷达以及光时域干涉仪等应用中得到了广泛研究和发展。其中,外腔反馈半导体激光器凭借其组成结构简单、易于实现、易于模块集成、以及在引入附加自由度情形下具有丰富的非线性动态特性等特点成为产生激光混沌信号常用的光源。然而,深入的研究也使得该激光器自身的缺陷暴露出来:一方面,由于半导体激光器外部光反馈所引起的驰豫振荡,造成输出激光混沌信号的频谱不平坦和带宽受限;另一方面,由于外部光反馈是一种线性反馈,导致输出的激光混沌信号暗含周期性,而这种周期性可以通过自相关函数、延时互信息和排列熵等方法提取出时延标签。激光混沌信号这两个缺陷的存在严重限制了其在各个领域的应用,例如,在安全保密通信应用中,其安全性降低且通信速率受限;在高速随机数生成应用中,随机数的随机性和提取速率降低;在激光雷达应用中,识别分辨率和准确度降低;在光时域干涉仪应用中,测量精度下降。因此,实现激光混沌信号的时延标签抑制和带宽增强技术具有重要的研究意义。针对传统外腔反馈半导体激光器的缺点,本文利用具有非线性滤波特性的微环谐振器取代反射镜,将半导体激光器与选取的单环谐振器、并联耦合双环谐振器和并联耦合三环谐振器这三种代表性结构构成外腔反馈半导体激光器,并详细研究了激光器的泵浦电流、反馈强度、反馈时延和微环谐振器的可控参数对输出混沌信号时延标签和带宽的影响。研究结果表明:基于微环滤波的外腔反馈半导体激光器可以在一个广泛的参数空间范围内同时实现激光混沌信号时延标签的完全抑制和有效带宽的增强。此外,将基于并联耦合三环谐振器的外腔反馈半导体激光器作为随机数物理熵源,研究分析了输出激光混沌信号在高速随机数生成方面的应用。通过单比特随机数提取和多比特随机数提取的后处理方法分别实现了3Gbit/s的实时随机数生成和200Gbit/s的离线随机数生成,并且全部通过NIST的15项测试,验证了该激光混沌系统用于产生高速随机数的可行性。