本发明专利技术涉及半导体激光器，具体是一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器。本发明专利技术解决了现有半导体激光器所产生的混沌激光带有时延特征、信号带宽窄、频谱不平坦的问题。无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，包括芯片衬底、光波导、掺铒的无源光波导、左分布式反馈半导体激光芯片、无隔离双向放大的半导体光放大芯片、右分布式反馈半导体激光芯片、高速光电探测芯片。本发明专利技术适用于混沌同步与保密光通信、高速随机数密钥生成、激光雷达、光纤网络故障检测、超宽带技术以及分布式光纤传感等领域。
【技术实现步骤摘要】
无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器
本专利技术涉及半导体激光器，具体是一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器。
技术介绍
混沌激光作为激光器的一种特殊输出形式，具有随机、宽频谱等特性。近十年的研究表明，混沌激光已在混沌同步与保密光通信、高速随机数密钥生成、激光雷达、光纤网络故障检测、超宽带技术以及分布式光纤传感等领域显示出重要价值。由于半导体激光器具有重量轻、体积小、转换效率高、寿命长、集成性强等特点而成为研究者产生混沌激光的最主要器件。用半导体激光器产生混沌激光的方法有光反馈方式、光注入方式、光电反馈方式和混合式扰动方式。由于光反馈方式结构简单，且更易于产生宽带高维混沌振荡，故而利用光反馈半导体激光器产生混沌激光成为研究者关注的热点。但是，光反馈半导体激光器输出的混沌激光会携带与反馈腔长有关的信息，在时域上呈现出弱周期性，即有时延特征。针对上述问题，2011年太原理工大学提出了选择合适的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，单一提供连续后向散射、或提供连续后向散射并放大，对半导体激光器随机扰动，以此消除混沌激光器所产生的时延特征，提高混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性，其目的是提供一种光反馈混沌激光器（见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6）。然而，上述混沌光源都是在利用半导体激光器加上各种外部分立光学元件搭建而成的，体积庞大，易受环境影响、输出不稳定。要真正实现混沌光源的实用化和产业化，必须研制体积小、性能稳定、低成本的光子集成混沌半导体激光器，对推动混沌激光在科学研究、基础应用、工程技术等领域的应用具有重要的意义和价值。光子集成混沌半导体激光器的研制集中在希腊、西班牙、意、德、英、法、爱尔兰7国共9个研究机构和光子器件公司联合实施的PICASSO计划、日本NTT公司与琦玉大学。（1）2008年希腊雅典大学Argyris等人研制了单片集成混沌半导体激光器芯片（A.Argyrisetal.,“Photonicintegrateddeviceforchaosapplicationsincommunications,”PhysicalReviewLetters,100(19):194101,2008.），2009年Syvridis和Argyris等人将此单片集成混沌激光器用于了混沌同步的研究，表明此集成混沌激光器芯片可用于混沌通信（D.Syvridisetal.,“Integrateddevicesforopticalchaosgenerationandcommunicationapplications,”IEEEJournalofQuantumElectronics,45(11):1421-1428,2009），2010年3月Argyris等人和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所的Hamacher公布了此单片集成混沌激光器芯片封装后的模块化器件，利用此混沌激光器产生了稳定的混沌激光（A.Argyrisetal.,“Chaos-on-a-chipsecuresdatatransmissioninopticalfiberlinks,”OpticsExpress,18(5):5188-5189,2010.）。（2）2010年12月，意大利帕维亚大学Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群岛大学Mirasso等人和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Hamacher研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器（V.Tronciuetal.,“Chaosgenerationandsynchronizationusinganintegratedsourcewithanairgap,”IEEEJournalofQuantumElectronics,46(12):1840-1846,2010.）。（3）2011年日本NTT公司Harayama等人和日本琦玉大学Uchida联合研制了单片集成混沌半导体激光器芯片（T.Harayamaetal.,“Fastnondeterministicrandom-bitgenerationusingon-chipchaoslasers,”PhysicalReviewA,83(3):031803,2011），此芯片包含一个DFB激光器、两个SOA、一条无源光波导作为直腔反馈装置以及一个快速光电探测器，然后将此混沌半导体激光器芯片两片封装在一个模块中，并行输出两路不相关的混沌电信号。（4）NTT公司Sunada等人和琦玉大学Uchida联合研制了基于无源环形波导光反馈结构的新型混沌半导体激光器芯片（S.Sunadaetal.,“Chaoslaserchipswithdelayedopticalfeedbackusingapassiveringwaveguide,”OpticsExpress,19(7):5713-5724,2011），产生了频谱平坦度±6.5dB带宽10GHz的混沌激光，该芯片包含一个DFB激光器、两个SOA、一个高速光电探测器、一个无源环形波导腔。这种环形腔无需精确控制反射面的切割及镀膜。利用该混沌半导体激光器作为物理熵源，在无任何后续处理环节的情况下，直接产生了速率1.56Gb/s的实时随机数。（5）国内，光子集成混沌半导体激光器刚刚起步，2013年西南大学夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（J.G.Wuetal.,(夏光琼课题组)“Directgenerationofbroadbandchaosbyamonolithicintegratedsemiconductorlaserchip,”OpticsExpress,21(20):23358-23364,2013.）。该芯片包含一个DFB区、相位控制区、放大区，并在一端端面镀高反射膜以形成光反馈腔，通过控制反馈光强实现混沌光输出。上述各单位所研制的光子集成混沌半导体激光器均采用了延时光反馈结构。但是，对于这种具有固定反馈面和反馈腔长结构的光反馈半导体激光器，其所产生的混沌激光带有明显的时延特征信息，亦即混沌信号具有一定的周期性。这会降低利用混沌激光作为物理熵源产生的高速物理随机数的随机特性；而对于混沌保密光通信，混沌激光具有时延特征信息会导致安全漏洞；会对混沌雷达和光时域反射仪引入虚警和误判。此外，受半导体激光器驰豫振荡的影响，光反馈半导体激光器产生的混沌信号的能量在频域上主要集中在驰豫振荡频率附近，造成频谱不平坦、低频抑制严重、带宽窄，这会严重影响混沌光时域反射仪和混沌激光雷达的分辨率、限制混沌光通信的传输速率以及产生随机数的码率。值得注意的是，光注入型混沌光子集成器件及其制备方法（见专利：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951.0），其特点是主分布反馈半导体激光器产生连续波状态的激光，经过半导体光放大器放大后进入无源光波导，然后注入到从分布反馈半导体激光器。但其存在一定的缺点：我们的研究表明【2009.AnbangWang(OL).Routetobroadbandchaosinachaoticlaserdio本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，其特征在于：包括芯片衬底（1）、光波导（2）、掺铒的无源光波导（3）、左分布式反馈半导体激光芯片（4）、无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）、右分布式反馈半导体激光芯片（6）、高速光电探测芯片（7）；其中，左分布式反馈半导体激光芯片（4）、无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）、高速光电探测芯片（7）均固定于芯片衬底（1）的上表面左部；右分布式反馈半导体激光芯片（6）固定于芯片衬底（1）的上表面右部；左分布式反馈半导体激光芯片（4）的右端通过光波导（2）与无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）的左端连接；无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）的右端通过掺铒的无源光波导（3）与右分布式反馈半导体激光芯片（6）的左端连接；左分布式反馈半导体激光芯片（4）的左端分为两路，一路通过光波导（2）与高速光电探测芯片（7）的输入端连接，另一路通过光波导（2）直接输出。
【技术特征摘要】
1.一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，其特征在于：包括芯片衬底（1）、光波导（2）、掺铒的无源光波导（3）、左分布式反馈半导体激光芯片（4）、无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）、右分布式反馈半导体激光芯片（6）、高速光电探测芯片（7）；其中，左分布式反馈半导体激光芯片（4）、无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）、高速光电探测芯片（7）均固定于芯片衬底（1）的上表面左部；右分布式反馈半导体激光芯片（6）固定于芯片衬底（1）的上表面右部；左分布式反馈半导体激光芯片（4）的右端通过光波导（2）与无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）的左端连接；无隔离双向放大的半导体光放大芯片（5）的右端通过掺铒的无源光波导（3）与右分布式反馈半导体激光芯片（6）的左端连接；左分布式反馈半导体激光芯片（4）的左端分为两路，一路通过光波导（2）与高速光电探测芯片（7）的输入端连接，另一路通过光波导（2）直接输出。2.根据权利要求1所述的无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，其特征在于：左分布式反馈半导体激光芯片（4）与右分布式反馈半导体激光芯片（6...
【专利技术属性】
技术研发人员：王云才，张明江，王安帮，张建忠，刘慧，赵彤，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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