近年来,将混沌应用于信息安全领域引起了学者们的极大关注,并取得了众多研究成果。超混沌系统作为一种特殊的混沌系统,具有不止一个正的Lyapunov指数,比一般的混沌系统更不稳定,具有更强的伪随机性和长期不可预测性。相应的,超混沌系统在信息安全领域的应用方面也更具优势。由此,本文以双环掺铒光纤激光器超混沌系统为研究对象,针对其中的关键问题,就超混沌应用于信息安全方面进行了研究和探讨。首先分析了双环掺铒光纤激光器超混沌系统的动力学特性,通过对多个超混沌系统伪随机性能的比较,说明了该系统应用于信息安全领域的优势。其次基于本文超混沌系统和传统的置乱-替代加密结构,设计了一类新的数字图像加密算法。仿真实验结果表明算法安全性能良好,效率较高。然后针对数字化混沌系统有限精度效应问题,设计了基于双环掺铒光纤激光器超混沌系统的伪随机序列生成算法,数值仿真表明生成序列统计特性和安全特性较好。在超混沌系统演化过程中,算法利用扰动间隔和扰动量都为动态变化的方法进行加扰,有效避免了有限精度效应引起的序列短周期问题。最后基于耦合时延非线性系统复杂网络同步理论,分析研究了双环掺铒光纤激光器环状网络和全局耦合网络的超混沌同步,结果表明在相关条件下,系统可以达到两种网络结构下的超混沌全网同步。为光纤激光器复杂网络混沌同步的进一步研究和现实中基于光纤激光器阵列及网络的保密通信系统的设计提供了重要的理论基础。