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垂直腔表面发射激光器(VCSEL),作为微型腔激光器之一,具有很多优点:低制造成本,低阈值电流,结构紧凑,圆形输出光束轮廓和大规模集成。基于外部光注入或光反馈的VCSEL,作为混沌激光光源,可以很容易产生非常大的带宽和高维的混沌信号,并且具有很强的抗干扰能力。它可广泛应用于混沌光学传感、光学逻辑门和混沌计算、高速率随机码产生、混沌保密通信、激光混沌雷达测距等领域。当外部光注入VCSEL混沌系统应用于全光混沌逻辑门和激光混沌雷达测距时,一些关键技术和物理机制需要亟待解决和突破,为此,在本文中,我们做了一些创新性研究工作,其内容主要如下:(1)基于外光注入VCSEL偏振转换机制,以及新的电光调制理论,将激光器输出的两个线性偏振光作为两个逻辑输出。在电光调制作用下,其中一个逻辑输出与另一个逻辑输出之间实现逻辑非运算。对于相同的逻辑输入信号,通过控制两个逻辑输入信号间外加电场的逻辑操作,在光域内实现了各种数字信号处理(AND,OR,XNOR,NAND,NOR和XOR)。在此基础上,进一步实现了半加法器逻辑运算。该工作在论文的第三章完成。(2)基于注入光场的频率失谐,利用偏振双稳态动力学特性,在级联外部注入VCSEL中,实现了可靠的全光逻辑门。这里,两个逻辑输入通过来自于可调谐连续波(CW)激光器的频率失谐来编码。逻辑输出从光注入VCSEL的两个正交偏振光来译码。对于同样的逻辑输入,在电光调制下,通过控制外电场的逻辑操作,实现了不同的全光逻辑数字处理(NOT,AND,NAND,XOR,XNOR,OR,NOR)。使用广义混沌同步机制,我们也探索它们的延时存储。同时,为了量化这些逻辑门的可靠性,进一步论述了它们的成功概率。该工作在论文的第四章完成。(3)基于驱动-响应VCSEL的混沌同步系统,根据完全混沌同步原理和希尔伯特相位变换原理,我们提出了一个新颖的混沌激光雷达实时多目标测距方案。在此方案中,利用周期性极化铌酸锂晶体的线性电光效应,我们分别在驱动和响应部分对激光器输出的x和y偏振分量进行电光调制,使两偏振分量处于稳定的混沌同步状态。同时探讨了当两偏振分量混沌雷达达到上述同步条件时,系统关键参数(如偏置电流、外加电场、信道延时)的取值范围。在稳定的完全混沌同步条件下,x和y混沌偏振分量作为混沌雷达源,分别对两个不同位置目标进行测距。结果表明,待测目标的测量距离实时稳定性好,只有轻微瞬时抖动,其精度达到毫米量级;两偏振分量的信噪比较高且实时稳定性好,目标测距相对误差较小,在2.7%以内。该工作在论文的第五章完成。