激光物理学中的混沌研究,特别是半导体激光器系统中的光混沌,已经取得了很好的成果,并正处在飞速发展阶段。其中,光混沌不仅有望为混沌的基础研究提供丰富的成果,而且还可以为动力工程学中的应用提供有价值的参考。例如,各种各样丰富的混沌动力学行为已经出现在半导体激光器中,包括传统的边发射半导体激光器(edge-emitting semiconductor laser,EEL)和新型的垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)。对于这些激光器来说,混沌动力学甚至这些激光器的孤立振荡有着非凡的意义,并且动力学行为的控制在当前的实际应用中是非常重要的研究话题。至于光混沌的应用方面,光混沌保密通信已经取得了巨大的突破。基于半导体激光器系统间的混沌同步,多种数据加密到混沌载波及其解密的方法已被应用到了保密数据传输与通信中。此外,利用现有的公共光通信链接,许多混沌保密通信已经成功通过了测试,并取得了相当好的成果。相比于EEL,VCSEL吸引了许多研究者们的注意,这都归功于VCSEL可以提供EEL所无法比拟的优异性能,如亚毫安级的阈值电流,低阈值电压,高功率输出,低损耗和高转化效率等。现如今,VCSEL的操作波长范围一般在670 nm到1550 nm之间。这些都使得VCSEL可以成为许多应用中的潜在光波源,包括高速率光通信和光互连应用等。为了满足信息传输与通信速率的快速增长,基于光混沌的平行光波系统是目前迫切需求的,而这些都是离不开VCSEL的。因此,本文基于多个VCSELs产生的光混沌,提出了两种通信系统结构,并将信息与图像分别应用于光保密通信中,由此展开对光混沌应用价值的相关研究。首先,本文基于两个同步的VCSELs,提出了一个长距离多通道双向混沌保密通信系统,该系统通过多条路径连接。这两个同步的响应VCSELs(responding VCSELs,R-VCSELs)在受到来自主驱动VCSEL(driving VCSEL,D-VCSEL)的相同混沌信号注入后,可以在各自的两个线性偏振模式中输出相似的用作混沌载波的光混沌信号。而D-VCSEL将同时受到光反馈和光注入的作用。通过数值仿真,两个R-VCSELs之间可以获得高质量的混沌同步。并且,在采用混沌掩盖(chaos masking,CM)技术后,通过调整不同的内部参数失配,研究了不同质量的混沌同步对单模光纤(single mode fiber,SMF)信道中通信性能的影响。结果表明,随着两个R-VCSELs间最大互相关系数的减小,解密信息的误码率(bit error rate,BER)将增大。当系统引入色散补偿光纤(dispersion compensating fiber,DCF)链接后,基于R-VCSELs之间的高质量混沌同步,4n路速率为10 Gbit/s的信息可以在R-VCSELs间长度为180 km的SMF信道中的n条路径中同时双向传输。通过以上彻底的测试和详尽的分析,证明了基于VCSELs的长距离、多通道、双向混沌通信的可行性。其次,本文还利用多个VCSELs产生的光混沌提出了一个新型的对称图像加密及传输系统。在受到来自主VCSEL(master VCSEL,M-VCSEL)的相同信号注入后,两个从属VCSELs(slave VCSEL1和slave VCSEL2,即S-VCSEL1和S-VCSEL2)可输出相似的光混沌信号作为混沌载波,用以传输图像。同时,S-VCSEL1的混沌信号还可用于生成加密模型中的密钥空间。在采用三维猫映射和混沌逻辑斯谛映射后,不仅像素点的位置被打乱了,而且密文图像和原始图像之间的相关性也同时被破坏了。因此,该系统能够抵御统计攻击、微分攻击以及蛮力攻击之类的常见攻击。通过数值仿真,两个S-VCSELs之间可以获得高质量的混沌同步。当采用CM技术后,由所提出加密模型加密后的图像可以于SMF信道中从S-VCSEL1端传输到S-VCSEL2端,并得以成功解密,相应的BER将小于6.18×10-19。最后,本文做了关于安全性分析的详细测试,证明了所提出基于光混沌的图像加密及传输系统的可行性与高保密性。就目前所知,在基于VCSELs的光混沌应用中,关于信息传输系统,尤其是图像加密及传输系统的研究较少,因此本文具有非常特别的研究价值。相信本文不仅对密码学领域的研究有所帮助,而且对非线性科学与技术也有一定的指导意义。