本文在介绍半导体激光器（SL）混沌产生及其应用研究现状基础上,针对混沌保密通信安全及加密数据传输速率提升等问题,提出并数值研究了基于随机分布反馈（RDF）的单向耦合SLs（UCSLs）新方案;进一步提出基于随机光注入的互耦SLs（MCSLs）新结构,不仅很好地抑制了时延特征（TDS）,同时有利于增强系统输出带宽。此外,研究了基于随机注入MCSLs方案生成200 Gbits/s双通道高速物理随机数序列的可行性。最后,提出了基于RDF-SL非线性动力学的储备池计算（RC）系统并数值研究了其时间序列预测性能。具体工作与创新点总结如下:（1）提出基于RDF-UCSLs的混沌产生新方案。该方案可同时实现TDS抑制和带宽增强。为展示其优势,与基于单反射镜反馈（SRF）条件下的UCSLs进行了比较研究。讨论了系统参数对TDS抑制（利用特征时间尺度下的自相关函数（ACF）和排列熵（PE）进行表征）和输出带宽的影响。结果表明:对于SRF-UCSLs系统,仅当注入强度较小时可获得较好的TDS抑制,而当注入强度超过一定值后,由于注入锁定作用,从SL的TDS明显恶化。这使得SRF-UCSLs系统中从SL在低TDS区域的带宽通常较小。与之相比,RDF-UCSLs系统中,从SL可以在更大的注入强度范围内抑制TDS,其带宽可达到～24 GHz。（2）提出基于随机光注入MCSLs的高质量混沌产生新结构。研究了系统参数（包括频率失谐、注入强度和偏置电流）对TDS抑制和混沌带宽的影响。结果表明:在适当的耦合强度下,可以在较大的失谐量下获得带宽的增强;随着偏置电流的增加,具有较大带宽（>20 GHz）的参数区明显增大,而TDS（<0.1）参数优化区域没有明显缩小。在优化的参数区域,系统可以同时实现带宽增强（>20 GHz）和TDS抑制的双通道混沌输出。（3）验证了利用随机光注入MCSLs产生双通道高速物理随机数的可行性。由于一定条件下随机注入MCSLs具有较高的带宽、良好的TDS抑制和非常弱的互相关（CCF）,经后处理（采样、选取最低有效位、以及延时异或）,生成的随机比特序列具有很低的统计偏置量与ACF（0延时除外）。对于所选系统参数,两个SLs生成的二进制序列均通过了NIST所有测试标准,单通道速率为200 Gbits/s（=50 Gs/s×4 LSB）。由于生成的随机比特序列几乎完全消除了互相关,通过将两个SLs产生的随机数进行交叉组合,该系统具有产生400 Gbits/s超高速物理随机数的潜力。（4）提出基于RDF-SL非线性动力学的RC系统新方案。研究了系统参量,即采样周期、注入电流、注入强度、反馈强度、频率失谐及尺度因子对时间序列预测任务的影响。结果表明:优化参数总位于分岔点边缘附近;预测性能良好的范围主要位于负失谐区域;经参数优化,由于所提方案具有较丰富的节点状态,该系统可实现较低的归一化均方误差（NMSE）和较好的预测性能。