随着现代通信技术的长足进步，通信容量的不断增加，迫切需要研究开发具有高速、高保密性的新一代信息安全保密技术。近几年，国际上对基于半导体激光器的光混沌及其在保密通信中应用的研究急剧升温，其技术的突破，必将对保密通信，特别是对军事保密通信产生革命性的影响。而目前人们对这方面的研究还处于初级阶段，对半导体激光器的混沌特性和混沌同步特性还缺乏深入物理洞察。因此，本文将对多种构架下的半导体激光器(单模，多模)的混沌特性及混沌同步进行理论和实验研究。主要内容如下： 分析了外部相干光注入半导体激光器，全光延时反馈半导体激光器和光电延时反馈半导体激光器的混沌动态特征。建立了延时光反馈下多模半导体激光器的动态混沌理论模型；分析了各个模式的混沌动态特征，以及各模式混沌之间的同相和反相关联性。在文中，还开展了在外部相干光注入DFB激光器的混沌特性实验研究。 研究了存在模式间的耦合情况下，多模发射激光器和多模接收激光器各个模式的同步特点，并考察了系统总的同步效果。在此基础上，数值分析了高频加载信号在多模F-P型半导体激光器的混沌同步系统中的传输、隐藏及解调效果。结果表明：系统对模拟信号和数字信号均能很好地隐藏和解调。进一步地，实验研究了基于单模半导体激光器的混沌同步，并得到较好的混沌同步效果。 基于一种新型的双信道光混沌通信系统，建立了描述其工作特性的理论模型；利用该模型，基于小信号微扰理论，推导出了激光器传输函数的表达式；研究了信号能在系统中很好传递对系统参量的要求；对250MHz的调制信号在系统中的传输和解调进行了数值研究。结果表明：信号在传输过程中能得到很好的隐藏，且在输出端易于解调。 本文的工作将加深对半导体激光器的复杂非线性动力学和混沌特性的认识。另外，本文的实验研究工作是进一步全面研究半导体激光器混沌特性的基础，是建立实验性的高速光混沌通信系统的技术准备。