光纤通信经过50多年的发展,已经成为互联网时代信息传输的主要手段之一,随着宽带互联网的普及以及综合业务数字网的高速发展,人们对信息的需求呈爆炸式增长,藉此带来的信息安全问题也愈发严重。基于半导体激光器(SL)的激光混沌保密技术,因其以硬件设备做为信息加密的密钥,可以与目前应用的全光通信网络相融合,在信息保密领域引起了国内外学者们浓厚的兴趣和广泛的研究。通常情况下,SL输出稳定。但在引入附加自由度后,激光器器件振荡和输出特性发生变化,激光器的输出呈现出复杂的非线性动态特性。在合适的条件下,可以产生高维宽带混沌输出,广泛应用于保密通信、随机数发生器以及混沌雷达等领域。同时激光混沌信号因其高带宽和随机特性等优点,成为研制随机数发生器的良好熵源。但是,外部扰动的加入,会带来诸多不利因素,比如外腔反馈引入的时延特征,会使输出信号具有弱周期性,通过对时延信息(时延大小、反馈腔长、反馈强度等)的提取,可以获得通信系统的密钥参数,实现对混沌保密系统的重构,进而威胁整个系统的安全性。同时,时延特征的引入也会破坏随机数发生器的随机性能。本论文立足于信息保密和网络空间安全建设的国际前沿研究热点以及国家安全需求,对基于SL的混沌注入系统的时延特征以及带宽特性进行了详尽的分析,旨在通过系统结构设计以及参数选择,提高系统的混沌输出带宽并隐藏其时延特征,拓展SL在激光保密通信以及随机数发生器等领域的应用,具有重要的理论研究意义和实用价值。本论文针对SL的时延特征和带宽特性进行了探讨,并完成了基于激光混沌的随机数序列的提取。主要工作如下:1.数值分析了相位共轭反馈(PCF)系统的时延特征以及带宽特性,通过与传统外腔光反馈(COF-ECSL)系统进行对比,分析了两个系统随反馈强度变化时的混沌动力学行为差异,发现在相同的参数条件下,PCF-ECSL有更小的时延特征值,同时输出带宽更大;建立了相位共轭反馈混沌光注入(PCF-OICS)系统模型,相比较传统的OICS系统,在更大的参数空间范围内可以得到时延隐藏的宽带混沌输出。通过对参数的研究,确定了PCF-OICS系统的设计指标,具有一定的实际应用价值。2.研究了双通道光注入激光混沌系统(DPOI-SL)的带宽特性,分析了注入参数对带宽性能的影响,得到了三倍于单通道光注入系统带宽的混沌输出;分析了系统的同步原理,并通过对系统结构的改良,实现了从激光器间的混沌同步;对改进后DPOI-SL系统参数失配对同步性能的影响进行研究,发现该该系统具有较好的鲁棒性。实验中对DPOI-SL两种改良结构的同步特性进行了研究,发现当从激光器共用同一条注入路径时,系统更容易实现混沌同步,同时在从激光器中实现了时延抑制;基于主被动分解法(APD),研究了激光混沌单向注入双路以及多路复用系统的同步特性。通过对传统复用系统的相干性分析,发现其虽可以保证配对主从激光器间的完全同步,但并不能避免相邻信道间的信息串扰。通过对系统的优化,得到了频谱叠加且无信道串扰的混沌复用系统。通过对系统时延特性的分析,发现该系统比传统系统具有更复杂的时延特征,提高了系统的安全性能。3.研究了激光混沌注入系统的时延特征,设计了双混沌单向光注入系统的仿真模型和实验方法。针对注入参数对系统时延特征的影响进行了数值分析和实验验证,在该系统中实现了单个时延隐藏和双个时延同时隐藏,获得了时延抑制的宽带混沌信号输出。同时利用该实验系统做为物理随机数发生器熵源,提取了160 Gbit/s高速物理随机数序列,并通过了NIST(SP 800-22)测试。数值分析了激光混沌互注入系统的时延特性,研究了激光器本身特征参数(线宽增强因子与增益饱和系数)对时延特征的影响,揭示了激光器时延特征与非线性特性的内在联系。研究发现:适当增大激光器线宽增强因子可有效降低时延峰值,甚至抑制时延,而增益饱和系数的引入对时延特征有着显著的增强作用。4.对自由运行垂直腔面发射激光器(Free-running VCSEL)以及注入系统的混沌动态特性进行了数值分析,引入0-1混沌测试和排列熵(PE),对激光器的混沌输出以及复杂度进行了量化,研究结果表明:选择合适的SL参数,Free-running VCSEL可以输出高不可预测度的混沌信号。在注入系统中实现了从激光器的高复杂度的宽带信号输出,同时针对主从激光器间不能实现同步的问题,对系统进行改良,构建两个SSL的注入系统,并实现了两个SSL间的完全同步,同时输出高带宽、高复杂度的混沌信号。