激光混沌同步及其应用是近期的研究热点,受到人们的广泛关注。目前的研究主要是基于半导体边发射激光器、CO₂激光器等成熟器件,实现了主-从式、互耦合式、级联式等同步系统。垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为一种新型的微腔激光器,具有圆形出光、发散角小便于与光纤耦合、易于二维阵列集成、易实现单纵模等优点,将它应用于混沌同步将大大改善现有系统的性能。 本文通过理论分析与数值研究相结合的方式,对VCSEL单、双向混沌同步及调制特性进行了研究。首先,基于驱动-响应同步方法及速率方程,建立了单向主从式VCSEL混沌同步系统的理论模型,研究了VCSEL典型参量和激光器噪声对同步与调制特性的影响。研究结果表明:我们建立的理论模型是有效的,能很好地与实验结果相符;发现有效信号的调制深度存在上限值,低于该值才能保证信号的有效隐藏;通过减小VCSEL电流孔径、适当增大自发辐射因子可以实现比边发射器件高几倍的传输速率;DBR反射率等参量失配和激光器内部噪声会产生较大的同步误差,前者可以通过限制参量失配度来控制,后者可以通过减小电流孔径和提高注入系数来降低其影响。 其次,考虑到互注入耦合特有的非线性效应,建立了互注入式VCSEL的理论模型,推导了该系统注入锁定范围的解析表达式,研究了互注入的同步类型以及注入延时对系统非线性行为的影响。结果表明:在激光器参数相同的理想情况下,系统能实现完全同步,此时注入延时会影响系统的运行状态;在实际应用中,参数偏差或噪声不可避免,此时系统能实现延时同步,注入延时对同步质量的影响呈阶梯状。