近年来,混沌垂直腔表面发射激光器(VCSEL)被广泛应用于混沌保密通信、混沌雷达测距、混沌光子储备池计算、物理随机数的产生和混沌神经网络等方面。最近,混沌VCSEL又扩展到一个新的领域:混沌计算,这为逻辑光路的实现开辟了一个新的途径。与基于非线性光学效应实现的光学计算装置相比,基于混沌VCSEL的光学混沌计算具有更好的安全性、更灵活的控制手段、更好的抗噪声能力和更低的功耗等优势。然而,光学混沌计算的发展仍处于初始阶段,相关研究工作主要关注于基本逻辑运算的实现(如:AND,OR,NOR等),对于光学组合逻辑计算和光学时序逻辑计算关注较少,其逻辑输入编码、逻辑输出的阈值判断机制、可重构特性和可靠性等方面还存在许多关键技术难题需要被进一步研究。针对这些问题,本课题主要对如下两个方面进行了探索:(1)研究了光注入VCSEL中两个偏振分量的非线性动力学行为演化,同时探究了偏振双稳态、频率失谐和注入强度之间的相互作用。通过对来自采样光栅分布布拉格反射激光器的两个逻辑输入和一个时钟输入编码,以及对VCSEL的两个偏振分量的逻辑响应输出进行解码,本方案实现了双路并行的光学混沌数据选择计算。通过对注入强度的优化,两个偏振分量输出的正确逻辑响应比特位时间可达100 ps,其中y偏振分量输出的正确逻辑响应比特位时间可达67 ps。输出的成功概率受比特位时间、注入强度和噪声强度的共同影响,研究表明这一方案在较大范围的注入强度和噪声强度内其逻辑响应输出成功率为1。这一基于光注入VCSEL的混沌数据选择计算在噪声不可避免以及需要较快响应速率的应用中具有广阔前景。该部分内容见第三章。(2)研究了保偏光注入下VCSEL的注入强度和偏振双稳性之间的关系,并探究了其两个偏振输出的非线性动力学行为演化。提出了一种新的阈值机制来评判保偏光注入下VCSEL两个偏振部分的逻辑响应输出,实现了时钟同步下的双路并行光学混沌复位-置位(RS)触发和双路并行光学混沌转换(T)触发,其比特位时间为1 ns,并通过控制高幅值复位(转换)触发信号的持续时间,进一步探究了这两种时钟同步触发操作之间的重构。这两种触发操作的触发输出成功概率由复位(转换)信号的持续时间和自发辐射噪声强度相互影响,当复位(转换)信号的持续时间较长,其范围在480 ps到592 ps之间时,RS触发操作的成功概率等于1;当复位(转换)信号的持续时间较短,在116 ps到170 ps之间时,T触发操作的成功概率为1。此外,这两种触发操作对噪声具有很强的鲁棒性。本方案提出的具有时钟同步功能的可重构光学混沌触发操作在噪声不可避免和需要多重触发功能的应用中具有较大潜力。该部分内容见第四章。