随着科技发展的日新月异,社会信息化程度的不断提高,人们对于信息的容量、通信速率以及安全性的要求越来越高,从而促使具备高速率、大容量与高保密性的新型保密通信系统极具应用前景。混沌信号具有不可预测性、高度复杂性、易实现等特点使其用作混沌载波形成的混沌通信具有保密性,尤其基于半导体激光器(SLs)的混沌保密通信可实现信息的高速保密传输且与光纤通信系统有良好的兼容性而成为该领域的研究热点。但光反馈等延时机制的引入使得系统的混沌输出常常存在明显的延时特征,窃密者可利用该延时特性对混沌系统进行重构从而威胁混沌保密通信的安全性；另外,由于半导体激光器的驰豫振荡频率对混沌带宽具有决定性作用,光混沌的有效带宽通常被限制在几千兆,从而限制通信中信息的传输速率。因此,寻求一种宽带宽、弱延时特征的混沌信号来实现高速率高保密性能的混沌通信具有重要意义。相比传统的边发射半导体激光器(EELs),垂直腔面发射激光器(VCSELs)独具优势,如单纵模运行、低阈值电流、窄线宽的圆形光输出、易于集成形成二维阵列等。特别地,VCSELs的有源区或腔中存在微弱的各向异性使其输出通常包含两个正交偏振分量(即x偏振分量和y偏振分量),他们可以提供更多的扰动源以及一些新型的偏振分解扰动模式,例如,偏振保持光反馈,偏振旋转光反馈,可变偏振光反馈和相应的光注入等。因此,本文主要研究了VCSELs光混沌的延时特征抑制和带宽增强及其在混沌保密通信中的应用。本文简要介绍了混沌基本理论和基于VCSELs光混沌的产生,重点研究了基于双路耦合的VCSELs (DPMC-VCSELs)系统所产生的延时特征被抑制且带宽增强的偏振分解混沌,并与单路耦合VCSELs (SPMC-VCSELs)系统作对比。采用自相关函数(SF)和排列熵(PE)来识别混沌信号中的延时特征(TDS),分析研究了耦合延迟时间对TDS抑制的影响。结果表明当两路光耦合的延迟时间差为DPMC-VCSELs的弛豫振荡周期一半,TDS可以得到很好的抑制,且DPMC-VCSELs系统对耦合强度有很好的鲁棒性。在最优耦合延迟时间下,研究了频率失谐和耦合强度对TDS和混沌带宽的影响,结合TDS和带宽演化map图,确定了获取TDS被抑制且带宽增强的偏振分解混沌的优化参数范围。同时基于两相同1550nm VCSELs之间的偏振分解混沌同步,也提出了另一新型长距离双向双信道混沌保密通信系统。在该系统中,驱动VCSEL (D-VCSEL)在双外腔反馈(DECFs)下产生的弱TDS混沌信号,以可变偏振光注入(VPOI)同时注入到两相同的VCSELs实现同步并增大其输出的混沌信号带宽。讨论了带宽增强的混沌载波之间的偏振分解混沌同步性能以及该同步性能对内部参数失配的影响。最后,在高质量的混沌同步下,采用偏分多路复用(PDM)技术和混沌掩盖(CM)技术,模拟了四个10 Gb/s信息加载在混沌载波中的传输过程,分析了不同光纤信道该系统的通信性能。结果表明四个10 Gb/s信息在SMF信道传输15 km后或者通过140-km DSF信道可获得有效解调。