根据半导体激光器有源区的结构和发光特点,可将其分为:边发射激光器（Edge-Emitting Laser,EEL）和垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL）。VCSEL的结构主要包括上、下底部多层高反射率的布拉格反射镜（DBR）、导电限制区、有源区和半导体衬底等,激光从上底部的p-DBR面出射或下底部的衬底面出射。正是由于其特殊的内部结构和制作工艺,导致VCSEL能够单纵模输出,且有阈值电流低、发散角小、耦合效率高、调制带宽大、制作成本低、易于二维阵列集成等独特优点,从而成为研究的热点内容之一。近年来,相关研究显示,当VCSEL受到外部扰动时,如:外部光注入、光反馈、电流调制、光电反馈等,通过适当调节相关参数,能够输出周期态、注入锁定、四波混频、混沌态等复杂的现象;同时,由于其有源区属于柱对称结构,且内部材料具有弱的各向异性的特点,而导致VCSEL在外部扰动的作用下,很容易产生偏振开关、偏振双稳等现象,而这些非线性动力学现象均已被广泛应用于光混沌保密通信、光子微波的产生、光开关、光存储、全光信息转换、高速脉冲测距、激光雷达、快速物理随机数产生等多种领域。目前,学者们对VCSEL仅激射基横模的情况已经进行了大量的研究,使人们对VCSEL的性能有了更深入的了解与认识,并预期VCSEL能够在光通信、光互连等领域中取代EEL。随着制作工艺的逐渐完善,VCSEL的稳定性不断得到提升,但由于其径向尺寸相对较大,当VCSEL的驱动电流较高时,空间烧孔效应将导致高阶横模激射,从而使VCSEL操作在多横模状态下。与单横模相比,多横模的相关研究还比较匮乏,主要是由于多横模在实际应用中易于产生模间串扰,不利于信号传输等。所以,前期的研究大部分是关于如何抑制高阶横模,使VCSEL操作在单横模状态下。然而,随着科技的飞速发展,多横模逐渐有了新的应用市场,例如:短距离链路光纤通信、超级计算、并行光互连、多信道光混沌保密通信、芯片间互联、多信道物理随机数提取、模分复用等多种领域。因此,进一步探索多横模VCSEL在外部扰动下所表现出来的非线性动力学特性,剖析其内在的物理机制,对深入开发多横模VCSEL的应用领域具有重要的指导意义。本论文的主要研究内容及结论如下:1.基于Lang-Kobayashi模型,分析了混沌光注入多横模VCSEL产生的多信道、宽带宽混沌信号。理论模型中,在光反馈作用下的多横模VCSEL（主激光器）输出多路混沌信号,然后将这些混沌信号单向注入另一个多横模VCSEL（副激光器）。我们以多横模VCSEL激射的基横模LP01和一阶横模LP11为例,考虑了空间效应和载流子扩散效应,分析了全混沌光注入和选择混沌光注入两种情况。理论研究结果表明,主激光器在适当的反馈条件下,输出的LP01模式和LP11模式都处于混沌状态,但由于受到激光器本身弛豫振荡频率的限制,其混沌带宽相对较低,约为8 GHz。在全混沌光注入下,恰当调节注入参数,副激光器的LP01、LP11模式能够同时获得带宽在20 GHz以上的混沌信号。当频率失谐固定,在注入系数增加的过程中,两个模式输出混沌信号的带宽呈现先增加后减小的现象。当注入系数较大时,LP01模式和LP11模式的带宽最终接近于相应的注入信号的带宽,并分析了相应的物理机制。接着,在注入系数和频率失谐所构成的参数空间内,分别阐述了LP01和LP11模式的混沌带宽分布情况,并确定了获得双信道、宽带宽混沌信号的参数区域。最后,分析了选择混沌光注入下副激光器的LP01模式和LP11模式的输出情况,得出只有被注入模式能够获得宽带宽混沌信号的结论。2.实验研究了平行光注入下多横模1550 nm VCSEL输出的非线性动力学特性。多横模1550 nm VCSEL独立运行时能够激射基横模的Y偏振分量(Y-LP01)和一阶横模的Y偏振分量(Y-LP11),调节注入光的偏振方向与Y偏振方向相同,满足平行注入条件。研究结果显示,当注入光的频率较接近Y-LP01的频率,且使频率差（频率失谐）固定时,适当改变注入强度,Y-LP01模式能够输出四波混频、周期态、混沌及频率锁定等多种动力学行为;而一阶横模Y-LP11输出的非线性动力学行为较少。在注入强度增加的过程中,Y-LP11的强度越来越弱,最后出现被抑制现象,说明平行光注入能够使多横模1550 nm VCSEL工作在单横模状态下,即:基横模获得了模式选择。在频率失谐增加的过程中,Y-LP01获取模式选择所需的最小注入强度呈现先减小后增加的现象;对于某一固定的频率失谐,最小注入强度随偏置电流的增加而增加。另外,还分析了注入光的频率较接近Y-LP11模式的频率时,通过变化相应的注入参数,Y-LP01模式和Y-LP11模式都能够展现出稳态、单周期、多周期和混沌等非线性动力学状态,但由于Y-LP01模式在激光腔内获得的增益相对较大,使其不易于被抑制,且受实验条件所限,没有观察到Y-LP01模式被抑制的现象。最后,阐述了两种注入情况下,在注入强度和频率失谐所构成的参数空间内多横模1550 nm VCSEL的基横模输出的动力学状态分布情况。3.实验研究了两个多横模1550 nm VCSELs在互注入结构下产生的非线性动力学状态。在适当的偏置电流下,两个激光器都能够激射基横模Y偏振分量(Y-LP01)和一阶横模Y偏振分量(Y-LP11),频率失谐为两个激光器在自由运行时激射的Y-LP01模式的频率之差。研究结果表明,频率失谐和注入参数是影响互注入VCSELs输出动力学状态的关键参数。对于一个给定的频率失谐,当注入参数取不同值时,两个VCSELs的Y-LP01和Y-LP11模式都能呈现出稳态、周期态和混沌等复杂的非线性动力学状态;当注入参数的取值相对较大时,两个激光器的Y-LP11模式都能够出现被抑制的状态,即:Y-LP01获得了模式选择;当两个激光器都操作在周期态时,局部同步现象被观察到了。另外,频率失谐和注入参数在适当的取值范围内,VCSEL2的X-LP01和Y-LP01分量能够产生共存现象。此外,详细阐述了互注下两个VCSELs的各个模式产生的非线性动力学态在频率失谐和注入参数构成的参数空间内的分布情况。4.实验研究了光注入增益开关多横模1550 nm VCSEL产生的宽带光学频率梳（OFCs）。多横模1550 nm VCSEL的偏置电流受到外部信号的调制作用,首先分析了当偏置电流较低时,多横模1550 nm VCSEL仅激射基横模(LP01)的情况。研究结果表明,在适当的调制参数下,单光注入多横模1550 nm VCSEL能够产生OFCs,且OFCs的带宽随注入光波长的增加呈现出先增大后减小的现象,并分析了内在的物理机制。当注入光使LP01模式的两个互为正交的偏振模式出现共存时,OFCs的带宽达到最大值,在10 dB范围内约为95 GHz。接着,增加偏置电流,使多横模1550 nm VCSEL同时激射基横模LP01与一阶横模LP11,且二者强度相近,分析了不同的调制强度下,激光器在双光注入下产生的OFCs。实验结果表明,在适当的注入参数下,当调制强度相对较低时,多横模1550 nm VCSEL能够输出两路强度均衡的OFCs;当调制强度较强时,多横模1550 nm VCSEL的LP01模式和LP11模式所产生的OFCs能够进行有效拼接,从而形成一个整体的OFCs,在10 dB范围内其带宽超过150 GHz。