随机数在高速通信系统和计算机技术中扮演者不可或缺的角色。5G时代的浪潮推动着信息通讯、物联网、人工智能等产业的快速发展,使得各类信息量急剧增多,在要求系统大容量、高速的传输信息同时,相应的信息安全隐患也会随之到来。为了适应更快的通信网络形势,保障信息的安全,产生保密、可靠的随机数具有十分重要的意义。物理随机数具备足够高的熵、随机性好、难以破解等特征。但是,传统物理随机数发生器受到熵源带宽(单光子随机性、电子热噪声等)的限制,产生的随机数速率处于Mbps量级,不满足高速通信的绝对安全要求。近年来,混沌激光由于其高带宽、初值敏感等特性,正成为提取高速物理随机数的理想熵源。然而,现有的基于混沌激光的单路物理随机数发生器,受到电子模数转换器(ADC)抖动瓶颈的影响,其实时产生速率难以进一步得到提升。因此,我们提出了利用多模法布里-珀罗(FP)激光器结合滤波器件产生多路物理随机数的实验方案,通过并行处理方式可以降低对每一路通道的器件要求,可有效提高物理随机数的产生速率。此外,我们还提出一种基于非线性微环谐振腔的光子集成多位ADC的方案,为实现物理随机数的实时全光量化提供理论支持。具体而言,本文开展了以下工作:1.简述了随机数在超高速通信领域中的重要意义,总结了基于混沌激光的单路和多路物理随机数产生方案,此外,着重介绍了全光量化器的研究发展现状。2.提出了利用多模混沌激光实现多通道物理随机数的实验方案。搭建了光反馈多模FP激光器结合3个滤波器并行输出物理随机数的实验系统,实验对比和分析了滤波前后多模及单模混沌的频谱特性,所获的单模平坦混沌信号在40 GSa/s的采样率下,经过8-bit ADC量化,提取3位最低有效位(LSBs)的量化结果,可产生码率为3><120 Gbps(40 GSa/a×3 LSBs)的物理随机数。3.建立了光反馈多模激光器的数学模型,理论研究了多模和单模混沌信号的频谱特性,结果表明,单模混沌频谱得到平坦化的本质原因在于多模激光器模式竞争;此外,利用香农熵增长率分析了多位量化技术中,LSBs的选取对随机性的影响。4.提出并理论证了了基于非线性微环谐振腔的多位全光量化结构,探究了关键参数对量化的阈值的影响。通过将具有不同阈值数、高消光比的传输特性的量化器进行并联输出,实现1-bit、2-bit和3-bit的全光量化编码。5.对本文工作进行了总结并展望了未来可能的研究方向。