提出了一种基于多模光纤模间色散的无时延特征混沌产生方案。在多模光纤长度为4.4 km、芯径为62.5 μm、反馈强度为0.1的条件下，实验获得了无时延特征的混沌信号。进一步理论分析了多模光纤的纤芯直径、相对偏移、长度对混沌光模场的影响，结果显示：随着纤芯直径和相对偏移的增大，模式数量逐渐增多，模场分布变复杂；随着光纤长度的增加，模式分离程度（即模间色散）增大。最终探明了多模光纤相对偏移、反馈强度、长度对时延特征的抑制规律。结果表明，在与实验相同的纤芯直径和反馈强度下，消除时延特征的多模光纤的临界长度为1 km。

混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性，在通信、雷达、传感等领域有广泛的应用。本文介绍了混沌半导体激光器的3种主要工作机制，分别为光反馈、光注入和光电反馈；重点研究典型混沌半导体激光器的频谱带宽、时延特征，以及复杂度等性能及其研究进展；进一步论述光子集成混沌半导体激光器的发展趋势；最后介绍混沌半导体激光器在保密光通信、随机数生成器、激光雷达、分布式光纤传感、混沌光时域反射计等领域的应用现状。本文可为高带宽、低时延混沌半导体激光器的发展和应用前景提供借鉴。

对主从开环结构下，混沌激光偏振度对混沌同步质量的影响进行实验研究。在背靠背和200 km传输条件下，分析混沌激光偏振度以及同步质量的演变规律，发现随着距离和时间的增加，混沌激光偏振度逐渐减小，导致激光器的有效注入强度降低，进而削弱了注入锁定效应，恶化了主从混沌同步质量。增大注入强度可以提高同步质量对偏振度变化的容忍度，有助于实现稳定的长距离混沌激光同步。

将混沌激光作为激光光源，利用混沌互相关信号具有类delta函数的特性，结合等角型扇形光束扫描技术实现了对组织仿体中异质物的尺寸、位置、光学特性和结构重建。等角型扇形束扫描系统包含1个准直混沌光源和2个光电探测器。准直后的混沌激光穿过组织仿体被光电探测器接收，通过混沌光源和光电探测器同步旋转，获取不同角度下出射光的时域信息；对出射光与参考光进行互相关运算，提取互相关峰值，得到光在组织仿体内的衰减信息，通过异质物与仿体背景衰减系数的对比，实现对组织仿体内异质物的检测。根据光在仿体中散射和吸收引起的衰减规律，建立了混沌信号互相关峰值作为投影数据的理论模型，采用滤波反投影算法实现图像重建。结果表明，基于混沌激光的等角型扇形束扫描成像方法有较高的检测精度，能够区分不同衰减系数的异质物。

在实验上重构了从准周期到相干塌陷混沌激光的相空间Wigner准概率分布函数，为混沌保密通信中熵源的精确表征提供了重要依据。通过调控偏置电流和光反馈强度制备了准周期（带宽为3.2 GHz）、中等强度（带宽为7.3 GHz）、相干塌陷状态（带宽为11.5 GHz）的混沌激光，进而利用平衡零拍量子层析测量及最大似然法重构了获得的三种不同状态的混沌激光的密度矩阵及相空间Wigner准概率分布，测得的混沌激光相空间Wigner准概率相较于真空散粒噪声极限增大了1.5~3.0倍。同时，在重构测量过程中，去除背景噪声并对现有实验测量系统的损耗进行补偿，三种状态混沌激光相空间Wigner准概率分布的测量保真度分别从74.9%、81.2%、84.8%显著提升到95.5%、97.0%、97.6%。

混沌激光在载波通信、密钥分发等信息安全传输领域具有巨大的应用潜力，但放大器自发辐射噪声、光纤色散以及非线性效应会降低混沌信号的保真度，进而限制单跨光纤混沌同步的距离。本文通过研究滤波器线宽、光纤色散补偿偏差以及混沌入纤功率对混沌激光传输保真度的影响，探明了单跨光纤混沌同步的极限距离，并在实验中实现了200 km单跨光纤中保真度为0.9214的混沌信号传输。以此信号为驱动，获得了同步系数为0.9043的共驱混沌同步，为长距离混沌载波通信与密钥分发的实现提供了基础。

混沌光的延时特征（TDS）和带宽（BW）是影响混沌激光应用的两个重要参量，常用来表征混沌光的混沌特性。将具有外腔光反馈的半导体激光器（SL）作为主激光器，将具有相位调制光反馈的SL作为从激光器，并将主激光器输出的混沌光单向双路注入到从激光器中，构成具有外光单向双路注入的相位调制光反馈的SL系统。数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出混沌光TDS的影响，进而在TDS被有效抑制的参数条件下，对系统输出混沌光的带宽进行了研究。结果表明，用该方案和通过对参数值区间的适当选取可以有效地抑制混沌激光的TDS，并且混沌激光的3 dB带宽最大约为20 GHz。

提出并验证了一种基于深度学习的混沌激光同步优化方案，在共同外腔半导体激光器驱动注入同步系统中，引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化。所提方案的主要优点在于：实现了混沌信号的时延标签抑制和复杂度提升；显著改善了混沌信号幅值分布的对称性；大幅降低了驱动端和本地端的相关性，提升了同步系统的私密性。此外，将优化后的混沌信号应用于物理熵源，在高质量混沌同步的基础上，验证了速率高达4.1 Gbit/s、误码率低于10^-3的高速同步物理随机数产生。

提出并理论研究了基于三段式分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器的噪声共驱混沌同步。互相关与关联维分析表明，噪声光注入强度在0.34~0.83内时，一对参数匹配的DBR激光器可以实现混沌同步。更重要的是，混沌同步对激光器光栅区、相位区参数失配非常敏感，具有更大的硬件参数空间；通过对光栅区电流进行调制，可实现快速的混沌同步开关键控，其同步恢复时间仅约为4 ns。利用DBR激光器混沌同步有望实现高速安全的混沌激光密钥分发。

面向混沌激光测距对大功率混沌激光的需求，利用半透半反镜提供光反馈，使波长1530 nm的宽脊大功率半导体激光器（SL）产生了大功率自由空间混沌激光。同时，正是由于其多横模光束，混沌激光的时延特征被抑制，消除了时延特征对混沌激光测距的干扰。随着SL驱动电流的增大，时延特征被逐步抑制，但是弛豫振荡特征只在一定的电流区间被抑制。然后，详细研究了不同透射/反射比例下，周期性特征抑制的电流区间和相应的输出激光功率，最终产生了平均功率为440 mW、自相关主峰半峰全宽为0.07 ns、旁瓣峰水平为-6.3 dB的混沌激光。该研究工作为混沌激光测距提供了一种结构简单、低成本、高性能的混沌激光光源。