摘要
随着现代通信技术迅速发展，信息传输过程中的安全问题也日益显现，受到了大家的广泛关注。混沌激光作为一种具有非线性行为和随机性质的光源，由于其高度不可预测性、抗噪能力强、系统复杂度低被广泛的应用在随机数生成及保密通信领域中。近些年，已经提出了许多高熵且低时延特性的熵源，其中基于外腔反馈半导体激光器由于结构简单而稳定，是比较常用研究方案之一。但是外腔反馈不可避免的会暴露与周期性有关的特征，这就导致了熵源的随机性和安全性下降。因此，研究光场不同组分的关系及制备一种高质量随机性熵源有着重要意义。 目前，对混沌光场的分析还主要集中在宏观动力学层面的光谱、频谱及时序等方面，然而宏观动力学的这些特性还不足以揭示光场的所有性质，微观量子统计特性集中于光子数分布统计、相干度分析、相空间准概率分布及密度矩阵重构，因此很有必要基于光子计数结合互信息熵对光场的微观量子组分变化进行深入的研究。同时，当下已经提出了许多改善混沌熵源随机性的产生方案，并且从其光场提取了随机性进行有关应用，但是并未对光场提取过程的随机变化进行详细的统计分析，这对我们更好的提取光场的随机特性尤为重要。另外，熵含量作为熵源随机性的重要指标，如何有效的去度量熵含量的增加仍然需要深入研究。 针对以上的问题，本文的研究内容如下： (1)理论分析了光场组分之间的关联互信息。基于HBT基本原理，分析了不同平均光子数lt;ngt;及二阶相干度g(2)(0)下光场的量子与经典关联互信息成分占比的动态变化过程。随着平均光子数lt;ngt;增大，经典互信息占比提高，量子互信息占比减小；随着g(2)(0)增大，经典关联互信息占比有所下降，而量子关联互信息占比则有所增加；最终，我们的研究结果表明总关联互信息可以看作是量子关联互信息与经典关联互信息之和。 (2)利用量子噪声随机相位反馈的半导体激光器产生的混沌激光作为熵源。实验研究了信号从稳定相干状态到混沌状态演化的统计特性。结果表明：通过量子噪声随机相位反馈，混沌输出的瞬态强度概率分布从非对称不变分布改善为高斯不变分布，高斯不变分布表明了从微观初始噪声到宏观波动的随机扰动动力学转变。 (3)基于上述随机相位反馈的方案，我们还分析了不同反馈带宽和调制深度的量子噪声对混沌熵源的时延特性和熵增的改善效果。结果表明：利用随机相位反馈成功地抑制了混沌的时延特征，将其降低至0.036，达到了噪声水平。同时利用反馈时延τext、τext/2、τext/3处的排列熵均值度量混沌激光的熵增复杂度，其均值排列熵增加至0.999,接近于理想值1。另外，混沌长时间序列光强概率分布统计的偏度也降低了一个数量级。这种改进的具有高斯不变分布的混沌信号可以成为超快随机数生成和安全通信所需的高质量随机源。
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