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随机数在科学研究及工程应用中占据着至关重要的地位。目前,随机数已被广泛应用于蒙特卡洛仿真、无线通信、博彩业、人工神经网络、雷达测距等多个领域。其中,真随机数(通常称为物理随机数)由于是利用自然界物理熵源的随机特性产生,具有较高的安全性能。因此,对物理随机数的研究一直是个日久弥新的课题。然而现有的基于振荡器抖动、热噪声采样等常规物理熵源生成的物理随机数的速率,通常会受到熵源本身带宽的限制(通常在Mbits量级)而无法满足现代通信技术的发展需要。近些年来,激光混沌由于具有高带宽、高混乱度等特性,已经成为构建安全、可靠、高速物理随机数发生器的理想熵源,获得了各国相关领域学者的高度关注。不过,目前的大多数利用激光混沌产生物理随机数的方案都是基于III-V族的材料器件(如InGaAsP),这种装置一般体积大,器件复杂,缺乏实用性。因此对光混沌物理随机数发生器的小型化研究成为近年研究的重要命题。基于此,本文提出了一种全新的利用硅基光子微腔谐振器作为混沌产生熵源获取物理随机比特序列的方案,并在实验上验证了该方案的可行性,实现了 Gbits速率的随机序列产生。主要工作内容有:1.理论研究了一种基于硅基光子器件产生光混沌并提取物理随机比特(Physical Random Bit,PRB)序列的方案。通过调节合适的外部激励参数,诱使硅基光子微腔产生高强度的局部光场,机械振荡和显著的双光子吸收效应,从而获得初始混沌输出。利用并行组合光路法对混沌信号进行后续处理并经过光电探测器转换为电信号,之后通过8位ADC转化为二进制比特序列,经由自延迟异或(XOR)和保留最低有效位(LSB)操作最终获得通过NISTSP800-22,Diehard随机性测试软件的PRB序列码。本文对由硅基光子器件产生的光混沌特性进行了理论研究同时对后续处理部分进行了定量分析。结果表明,初始混沌无法直接作为熵源产生PRB序列,需要选取合适的后续处理方法增加信号幅度的分布随机性和均匀性。我们从多个随机性参量角度定量分析了通过后续处理产生PRB的可行性,并最终实现了 200Mbits速率的高质量PRB序列产生。2.实验研究了 一种基于硅基光子器件产生Gbits速率的PRB序列发生器系统。我们在实验中真实获得了硅基光子微腔混沌输出,并对这种新型光混沌进行线下后续处理,实现了等效速率达Gbits量级的PRB序列产生。本文着重讨论了并行组合法和离散差分法两种后续处理方法在光混沌中提取PRB序列码上的差别。实验结果表明,并行组合光路法需要至少8路熵源信号的线性组合并选取4位最低有效位(Least significant bit,LSB)才可产生随机性合格的PRB序列码。离散差分法则需要进行5阶以上的高阶差分处理并保留5-LSB才能获得通过NIST标准套件全部测试项的PRB序列。