随机数对于保障数字时代的信息安全极为重要。同时,在科学和工程领域也都存在着随机数的相关应用,例如安全、计算和密码学等。按照香农“一次一密”的加密协议,要实现无条件的安全通信,需要一个长度不小于加密数据的可靠随机比特流。利用计算机算法可以产生高速的伪随机数,但它们并不是安全的,因为这些随机数序列最终会重复,能够被复制甚至是被预测到。因此,对无条件安全通信的追求最终催生了大量基于物理随机过程的高速真随机数的产生方法。然而,要实现随机数的实时产生,又大多需要极具挑战性的技术才能在实际中展现。另一方面,这些随机数产生方案所能够实现的码率受限于物理熵源的带宽,不能与当今社会的网络传输速率相匹配。在过去的几十年里,通过使用光子设备在提高物理随机数生成速率方面已经取得了很大的进展。但是,由于这些随机数生成方案大多需要采样、量化、后处理等操作,产生随机数的程序较为复杂;对于能够实时产生物理随机数的方案,更是需要使用离散的光子和电子器件（激光二极管、光电探测器、模数转换器、逻辑门等）。因此,造成了当前的光学物理随机数发生器（PRNGs）体积庞大、结构复杂的缺陷,使其无法在实际中被广泛应用。为解决上述问题,我们提出了利用垂直腔面发射激光器（VCSEL）偏振模式跳变快速生成随机数的新方法。通过周期性重启具有两种偏振模式的激光器,直接生成二进制随机数序列。为了验证这一方案的可行性,在本文中进行了理论上的证明。研究结果证实,具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gb/s量级的速率连续实时产生。本文提出的随机数产生方案消除了对光电转换和后处理操作的需求,实现了一种全光实时产生随机数的结构。简化了当前产生物理随机数的系统,并且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。具体而言,工作内容如下:1.基于随机数的研究和应用背景,介绍了近年来国内外的研究学者们提出的关于使用传统物理熵源和光子熵源产生随机数的方案。介绍了VCSEL作为一种新型半导体激光器其与众不同的结构特点和偏振输出特性,以及关于研究VCSEL的理论模型。2.以VCSEL作为研究对象,对利用光反馈下的VCSEL偏振模式跳变产生随机数的方法进行了理论验证。通过对激光器的注入电流采用方波调制的方式周期性地重启激光器,将VCSEL从阈值以下的非激射状态切换到偏振模式跳变的发射状态,直接实时生成二进制随机数序列。结果表明,利用该方案可以连续生成无偏的、速率为2.5 Gb/s的随机数。3.以类似的方法通过理论模拟,利用单向光注入下的VCSEL偏振模式跳变产生随机数。对从激光器注入电流使用方波信号调制周期性地重启激光器,使VCSEL从非激射态切换到偏振模式跳变的发射状态,直接生成无偏的、速率为2.5 Gb/s的随机数。