混沌理论的发现被称为20世纪物理学中继相对论和量子力学理论以来的第三次革命,掀起了科学家们的广泛的研究兴趣。而激光混沌的发现则为混沌的发展带来了重要影响,激光混沌由于其具有的某些光的特性在某些具体的应用场合表现得更加优秀,如产生物理随机数时具有的高带宽。随着互联网的快速发展,人们对隐私的保护以及隐私的私密性的要求越来越高,基于混沌同步的光通信由于其严格的保密性给通信的私密性带来了新的方向,混沌保密通信作为两大基于物理形式的保密方式在某些通信场合具有独特的天然优势。值得注意的是,基于激光混沌能产生高速随机比特,这些随机比特同样可以作为密钥对通信进行加密,这就完成了从密钥产生到通信的一个完整的过程,给混沌保密通信带来了新的优势。同时,随着集成技术的日益进步,对产生混沌的装置也提出了更高的要求,科研人员对光器件和半导体激光器进行研究,实现了对产生混沌的装置的微型化和集成化,这为本文研究和试验的展开奠定了基础。其中硅基光电子集成技术的大力发展引出了硅光器件,而硅光器件由于硅本身的兼容性以及CMOS工艺的成熟引起了专家学者们的热潮。本文的主要工作内容有:1.本文基于光子晶体微腔的理论模型,展示了从产生微腔混沌、判定微腔混沌、分析微腔混沌特性到混沌同步的完整的,丰富的过程。首先,分析了泵浦功率、波长失谐量和光机械耦合系数对微腔混沌产生的影响,展现了微腔随着三个参数的变化产生的信号的变化,从周期信号到混沌信号的过程。接着,对产生的光混沌进行了多种方法的定量分析,计算了李雅普诺夫指数和分型维度。在计算分型维度中,本文采用了多种方法进行比较计算,提高计算的分型维度的精度。最后,本文通过调节注入强度和频率失谐量,计算两个微腔混沌的相关系数,实现了两个微腔混沌的同步。2.本文基于硅微腔混沌,计算了硅基微腔混沌作为熵时熵的产生速率,这能本质地反映出微腔混沌产生物理随机数的速率,其中本文使用了最小熵进行了计算。然后,本文基于实验产生的混沌的采样数据,进行后期处理,得到物理随机比特。其中,本文对得到的随机比特进行了一系列的标准测试,包括NIST SP800-22和Diehard测试,展现了使用后期处理方法的从失败到成功通过所有测试项的过程。其中,能通过所有测试项的就是需要得到的合格的物理随机数,它具有算法产生得到的伪随机数不具备的不可预测、无偏差等特性。最后,本文将实验中得到的随机数的产生速率和微腔混沌的熵的产生速率进行了对比,说明了本文的实验方案还有进步提升的空间,这也是未来研究的方向。