随着混沌同步的实现,利用混沌信号作为载波进行保密通信受到了广泛关注。通过引入反馈或外部注入,半导体激光器可以产生较大带宽的高维混沌载波,从而使激光混沌通信成为目前的研究热点。垂直腔面发射激光器(VCSELs)作为一种新型的微腔激光器,具有圆形出光、与光纤耦合效率高、易于二维阵列集成、易实现单纵模等优点,将它应用于混沌通信将大大改善现有系统的性能。基于以上考虑,本文对基于VCSELs的级联及多信道系统混沌同步与通信进行研究。首先,研究了开环全光级联混沌通信系统的中继性能。对系统同步条件,相关度,同步健壮性,输出功率谱进行了分析;分别就混沌掩藏(CMS)、混沌调制(CM)和混沌键控(CSK)调制方式的编解码过程及性能进行了仿真研究;通过正弦信号传输,观察了混沌滤波(CPF)效应;分析了信息的多级解码能力以及再生信号的传递。结果表明,上级激光器足够强的光注入可以保证相邻激光器足够高的同步质量,并且对参数失配具有较强的鲁棒性。发送端传送的数字信号在三种调制方式下均可很好的隐藏于混沌载波中,并在接收端得到正确恢复。相同条件下,CMS和CSK的解码性能相对好于CM。CPF效应是实现混沌解码的物理基础,跟调制频率有关。由于CPF效应,有用信号每次传递都受到衰减,经过两次传递,有用信号几乎被滤除。并且前两级的CPF效应明显,能够较好的实现信息的解码,而第三级以后无法解调出正确的信息;通过再生传输中衰变的信号,实现了多级联混沌通信。在级联系统的基础上,构建了多信道全光混沌通信系统模型,研究了信道串扰对系统混沌同步及解码性能的影响。利用描述其特性的数率方程模型,采用相似指数作为参考标准来评价同步性能,并进行了2.5Gb/s混沌掩藏方式的编解码数值模拟。结果表明,相对注入强度越小,信道间隔越大,系统同步的性能越好;双信道系统的同步质量相比主从式单信道系统会有明显下降,而进一步增加信道数量,同步品质并不发生显著改变。在同步质量足够高时,数字和模拟信号都可以得到较好的恢复。