一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片制造技术

本发明专利技术属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，公开了一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片。包括依次设置的：N电极层、芯片衬底、下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层、P接触层和P电极层，有源层包括依次排列的DFB区、第一相位区、DBR反馈区、SOA区、第二相位区和无源波导区；所述上限制层中与所述第一DFB区和第二DFB区对应的位置制分别作有分布反馈Bragg光栅和DBR反馈光栅；所述P电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述P电极层隔离成分别对应于DFB区、第一相位区、DBR区、SOA区和第二相位区的电极。本发明专利技术可产生超宽带混沌激光，提高了混沌光保密通信的密钥空间，还可以提高通信系统的安全性。

A large key space UWB chaotic laser chip

【技术实现步骤摘要】
一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片
本专利技术属于光电子器件
中的半导体激光器
，具体涉及一种可在保密通信时实现大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片。
技术介绍
混沌光通信由于具有硬件加密、与现行光通信系统兼容、适用于高速（Gbit/s）、长距离（km）保密通信等优点受到广泛关注。混沌光保密通信的关键在于混沌激光器收发机之间的混沌同步，这要求接收机与发射机的结构参数完全匹配或者在一定地失配范围内（Phys.Rev.E,Vol.69,P.056226,2004）。对于合法通信双方，通常利用收发机的硬件结构参数做密钥。由密钥参数组成的密钥空间越大，窃听者破解信息所需的时间越长，获取正确信息的概率越低，破解速度越慢，最终难以破解。因此，混沌保密通信的关键问题之一是增大收发机的密钥空间。常用的混沌光通信收发机分为以下三种：第一是基于光纤激光器的混沌光通信收发机，该类型收发机的速率低，不适合高速的保密通信；第二是基于光电反馈振荡器的混沌光通信收发机，该类型收发机的带宽较大，速率可达Gbit/s，但其结构复杂，需要高带宽的滤波器等器件，成本高昂，不利于实用化；第三是基于半导体激光器的混沌光通信收发机，典型结构为光反馈半导体激光器，其结构简单、成本低，是目前混沌保密通信研究中最常用的收发机。然而，通过测量通信线路上的混沌光载波功率谱，分析激光器的弛豫振荡频率，可以推知激光器所加载的偏置电流；将截获的混沌载波作自相关运算，从自相关曲线可获取外腔长度信息；在上述两个参数窃取之后，反馈强度可通过“穷举攻击”破获，即利用可调光衰减器连续调节反馈强度，终能实现窃听者与发射机的混沌同步。因此，光反馈半导体激光器作为通信收发机时，仅用偏置电流、外腔长度和反馈强度三个结构参数作为密钥，密钥空间过小，窃听者易于破解获取正确信息。若收发机能生成宽带混沌，且具有足够大的密钥空间时，既能适应高速混沌通信，又可以满足大量合法用户之间的保密通信，增加非法用户的窃取难度。目前实现高速大密钥空间的保密通信方案中，通过增加外腔数量来增加密钥空间，结构复杂，易受环境干扰，且反馈强度、外腔长度、偏置电流等参数只有选择在某些特定范围内，才可以隐藏外腔长度信息，这实际上是限制了其有效参数密钥空间；用伪随机码调制来增强密钥空间，其安全性依赖于私钥而非器件的物理参数，无法发挥混沌保密通信特有的硬件加密优势；通过增加反馈环的复杂性来增加密钥空间，成本高昂，不便于集成和规模化生产，硬件一致性难以保证，合法通信双方实现混沌同步困难。QuantumElect,Vol. J 光子集成的多段半导体激光器可以集成和规模化生产，且能够形成复杂外腔，增加器件结构参数。常见的多段半导体激光器结构分为光反馈结构和互耦合两大类。基于光反馈结构的集成模块，通常在反馈腔中集成无源波导和相位区构成多个反馈腔（IEEE46,P.1840-1846,2010.）或集成增益区、相位区和无源波导（Opt.Express,Vol.18,P.5188-5198,2010）形成复杂外腔。基于互耦合结构的集成模块通常由两个光DFB激光器构成，或在其中集成相位区（Opt.Express,Vol.22,P.5614-5622,2014）。然而，光子集成的多段半导体激光器目前尚未应用于大密钥空间的混沌收发模块。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片作为高速混沌保密通信的收发机。该专利技术主要用于大密钥空间的高速混沌保密通信的收发端，提供超宽带混沌光，适应高速通信，满足大量合法用户之间的保密通信，增加非法用户的窃取难度。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片，包括：芯片衬底；制作于所述芯片衬底上的下波导层；制作于所述下波导层上的下限制层；制作于所述下限制层上的有源层，所述有源层包括依次排列的DFB区、第一相位区、DBR光栅区、SOA区、第二相位区(外腔相位区)和无源波导区；制作于所述有源层上的上限制层，所述上限制层中与所述DFB区和DBR区对应的位置制分别作有分布反馈Bragg光栅和DBR反馈光栅；制作于所述上限制层上的上波导层；制作于所述波导层上的P接触层；制作于所述P接触层上的P电极层，所述P电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述P电极层隔离成分别对应于所述DFB区、第一相位区、DBR光栅区、SOA区和第二相位区的电极；制作于所述芯片衬底的第二表面的N电极层。所述上限制层分布反馈Bragg光栅的材料为InP，DBR反馈光栅的材料可为SiO2/TiO2，所述有源层中的SOA区为InGaAs材料和/或InGaAsP材料的多量子阱结构，所述有源层中的DFB区和DBR区的材料为InGaAsP材料，所述有源层中的第一相位区和第二相位区的材料为无源波导材料。所述第一相位区和第二相位区的注入电流IP1和IP2中引入相位调制编码信号。本专利技术提出的一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片，具体为一种六区级联耦合腔半导体激光器，主要包括左侧DFB激光器、中间DBR反馈区和右侧外腔反馈区。其中中间DBR激光器为两段式结构，包括第一相位区(DBR相位区)和第二光栅区(DBR光栅区)，相位区上生长有相位电极，光栅区上生长有光栅电极。右侧外腔反馈区为三段式结构，包括增益放大(SOA)区、第二相位区(外腔相位区)和无源波导区，无源波导区外侧镀有高反膜，增益放大(SOA)区上生长有增益放大(SOA)区电极，外腔相位区上生长有相位电极，无源波导区上不生长电极。因此，上述六区级联耦合腔半导体激光器具体结构从左到右依次为第一光栅区(DFB光栅区)、第一相位区(DBR相位区)、第二光栅区(DBR光栅区)、SOA区、第二相位区(外腔相位区)和镀有高反膜的无源波导区。本专利技术提供的大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片可以用于宽带混沌信号的产生，也可以应用于大密钥空间的产生。宽带混沌信号的产生过程为：DFB区经过第一相位区(DBR相位区)与DBR光栅区连接，DFB区发出的激光经DBR光栅区光栅反馈调节不同波长激光的反馈；透过DBR光栅区的激光经过SOA区与第二相位区(外腔相位区)连接，激光在SOA区中放大后经第二相位区(外腔相位区)及无源波导区在激光器右侧端面高反膜处反射最终反馈回DFB激光器中；DBR光反馈和外腔反馈光相互作用，形成复杂的反馈光，最终从芯片左侧输出宽带混沌信号。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术可以用于宽带混沌信号的产生，利用DBR反馈及外腔反馈反馈DFB激光器的光场，产生超宽带混沌；DBR光反馈和外腔反馈光相互作用，形成复杂的反馈光，隐藏激光器输出光的时延特征信号，从而无法在自相关中暴露激光器的信息，提高通信系统的安全性。2、本专利技术的激光器芯片作为收发模块共有5个调控参数，即DFB区的注入电流IDFB、DBR光栅区的注入电流IDBR、第一相位区(DBR相位区)的注入电流IP1、第二相位区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片，其特征在于，包括：/n芯片衬底（1-9）；/n制作于所述芯片衬底（1-9）上的下波导层（1-8）；/n制作于所述下波导层（1-8）上的下限制层（1-7）；/n制作于所述下限制层（1-7）上的有源层（1-6），所述有源层（1-6）包括依次排列的DFB区、第一相位区、DBR光栅区、SOA区、第二相位区和无源波导区；/n制作于所述有源层（1-6）上的上限制层（1-5），所述上限制层（1-5）中与所述DFB区和DBR区对应的位置制分别作有分布反馈Bragg光栅（1-51）和DBR反馈光栅（1-52）；/n制作于所述上限制层（1-5）上的上波导层（1-4）；/n制作于所述波导层上的P接触层（1-3）；/n制作于所述P接触层（1-3）上的P电极层（1-1），所述P电极层（1-1）上设置有隔离沟（1-2），所述隔离沟（1-2）将所述P电极层（1-1）隔离成分别对应于所述DFB区、第一相位区、DBR光栅区、SOA区和第二相位区的电极；/n制作于所述芯片衬底的第二表面的N电极层（1-10）。/n

【技术特征摘要】
1.一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片，其特征在于，包括：
芯片衬底（1-9）；
制作于所述芯片衬底（1-9）上的下波导层（1-8）；
制作于所述下波导层（1-8）上的下限制层（1-7）；
制作于所述下限制层（1-7）上的有源层（1-6），所述有源层（1-6）包括依次排列的DFB区、第一相位区、DBR光栅区、SOA区、第二相位区和无源波导区；
制作于所述有源层（1-6）上的上限制层（1-5），所述上限制层（1-5）中与所述DFB区和DBR区对应的位置制分别作有分布反馈Bragg光栅（1-51）和DBR反馈光栅（1-52）；
制作于所述上限制层（1-5）上的上波导层（1-4）；
制作于所述波导层上的P接触层（1-3）；
制作于所述P接触层（1-3）上的P电极层（1-1），所述P电极层（1-1）上设置有隔离沟（1-2），所述隔离沟（1-2）将所述P电极层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王安帮，李青天，郭园园，贾志伟，王龙生，王云才，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14