無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，具體是一種無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的混沌激光帶有時延特征、信號帶寬窄、頻譜不平坦的問題。無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，包括芯片襯底、光波導(dǎo)、摻鉺的無源光波導(dǎo)、左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片、高速光電探測芯片。本發(fā)明適用于混沌同步與保密光通信、高速隨機數(shù)密鑰生成、激光雷達、光纖網(wǎng)絡(luò)故障檢測、超寬帶技術(shù)以及分布式光纖傳感等領(lǐng)域。
【專利說明】無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，具體是一種無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo) 體激光器。

【背景技術(shù)】
[0002] 混沌激光作為激光器的一種特殊輸出形式，具有隨機、寬頻譜等特性。近十年的研 究表明，混沌激光已在混沌同步與保密光通信、高速隨機數(shù)密鑰生成、激光雷達、光纖網(wǎng)絡(luò) 故障檢測、超寬帶技術(shù)以及分布式光纖傳感等領(lǐng)域顯示出重要價值。由于半導(dǎo)體激光器具 有重量輕、體積小、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、集成性強等特點而成為研究者產(chǎn)生混沌激光的最 主要器件。
[0003] 用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光的方法有光反饋方式、光注入方式、光電反饋方式 和混合式擾動方式。由于光反饋方式結(jié)構(gòu)簡單，且更易于產(chǎn)生寬帶高維混沌振蕩，故而利用 光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光成為研究者關(guān)注的熱點。但是，光反饋半導(dǎo)體激光器輸 出的混沌激光會攜帶與反饋腔長有關(guān)的信息，在時域上呈現(xiàn)出弱周期性，即有時延特征。
[0004] 針對上述問題，2011年太原理工大學(xué)提出了選擇合適的散射體作為半導(dǎo)體激光器 的連續(xù)反饋腔，單一提供連續(xù)后向散射、或提供連續(xù)后向散射并放大，對半導(dǎo)體激光器隨機 擾動，以此消除混沌激光器所產(chǎn)生的時延特征，提高混沌通信的保密性、混沌激光測距的精 準性以及隨機數(shù)的隨機性，其目的是提供一種光反饋混沌激光器(見專利：一種光反饋混沌 激光器，專利號：ZL201110198943. 6)。
[0005] 然而，上述混沌光源都是在利用半導(dǎo)體激光器加上各種外部分立光學(xué)元件搭建而 成的，體積龐大，易受環(huán)境影響、輸出不穩(wěn)定。要真正實現(xiàn)混沌光源的實用化和產(chǎn)業(yè)化，必 須研制體積小、性能穩(wěn)定、低成本的光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，對推動混沌激光在科學(xué)研 究、基礎(chǔ)應(yīng)用、工程技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義和價值。
[0006] 光子集成混沌半導(dǎo)體激光器的研制集中在希臘、西班牙、意、德、英、法、愛爾蘭7 國共9個研究機構(gòu)和光子器件公司聯(lián)合實施的PICASSO計劃、日本NTT公司與琦玉大學(xué)。
[0007] (1) 2008年希臘雅典大學(xué)Argyris等人研制了單片集成混沌半導(dǎo)體激光器芯 片（A. Argyris et al., "Photonic integrated device for chaos applications in communications," Physical Review Letters, 100(19):194101, 2008.),2009 年 Syvridis和Argyris等人將此單片集成混沛激光器用于了混沛同步的研究，表明此集 成混沛激光器芯片可用于混沛通信（D. Syvridis et al·，"Integrated devices for optical chaos generation and communication applications, ，' IEEE Journal of Quantum Electronics, 45(11):1421-1428, 2009)，2010 年 3 月 Argyris 等人和德國海 因里希-赫茲研究院弗勞恩霍夫電信研究所的Hamacher公布了此單片集成混沌激光器芯 片封裝后的模塊化器件，利用此混沌激光器產(chǎn)生了穩(wěn)定的混沌激光（A. Argyris et al.， "Chaos-〇n-a_chip secures data transmission in optical fiber links, ，' Optics Express, 18(5):5188-5189, 2010. )〇
[0008] (2) 2010年12月，意大利帕維亞大學(xué)Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里 群島大學(xué)Mirasso等人和德國海因里希-赫茲研究院弗勞恩霍夫電信研究所Hamacher 研制了帶有空氣隙的雙反饋光子集成混沛半導(dǎo)體激光器（V. Tronciu et al.，"Chaos generation and synchronization using an integrated source with an air gap,，' IEEE Journal of Quantum Electronics, 46(12):1840-1846, 2010. )〇
[0009] (3) 2011年日本NTT公司Harayama等人和日本琉玉大學(xué)Uchida聯(lián)合研制 了單片集成混沛半導(dǎo)體激光器芯片（T. Harayama et al·，"Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers,，' Physical Review A, 83(3) :031803, 2011)，此芯片包含一個DFB激光器、兩個S0A、一條無源光波導(dǎo)作為直腔 反饋裝置以及一個快速光電探測器，然后將此混沌半導(dǎo)體激光器芯片兩片封裝在一個模塊 中，并行輸出兩路不相關(guān)的混沌電信號。
[0010] (4) NTT公司Sunada等人和琦玉大學(xué)Uchida聯(lián)合研制了基于無源環(huán)形波導(dǎo)光 反饋結(jié)構(gòu)的新型混沛半導(dǎo)體激光器芯片（S. Sunada et al·，"Chaos laser chips with delayed optical feedback using a passive ring waveguide,，' Optics Express, 19(7):5713-5724, 2011)，產(chǎn)生了頻譜平坦度±6.5 dB帶寬10 GHz的混沌激光，該芯片包 含一個DFB激光器、兩個S0A、一個高速光電探測器、一個無源環(huán)形波導(dǎo)腔。這種環(huán)形腔無需 精確控制反射面的切割及鍍膜。利用該混沌半導(dǎo)體激光器作為物理熵源，在無任何后續(xù)處 理環(huán)節(jié)的情況下，直接產(chǎn)生了速率1. 56Gb/s的實時隨機數(shù)。
[0011] (5)國內(nèi)，光子集成混沌半導(dǎo)體激光器剛剛起步，2013年西南大學(xué)夏光瓊課題組 與中科院半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室合作研制了單片集成半導(dǎo)體激光器芯片用于產(chǎn)生混 沛激光（J. G. Wu et al·，（夏光瓊課題組）"Direct generation of broadband chaos by a monolithic integrated semiconductor laser chip,，' Optics Express, 21(20): 23358-23364，2013.)。該芯片包含一個DFB區(qū)、相位控制區(qū)、放大區(qū)，并在一端端面鍍高反 射膜以形成光反饋腔，通過控制反饋光強實現(xiàn)混沌光輸出。
[0012] 上述各單位所研制的光子集成混沌半導(dǎo)體激光器均采用了延時光反饋結(jié)構(gòu)。但 是，對于這種具有固定反饋面和反饋腔長結(jié)構(gòu)的光反饋半導(dǎo)體激光器，其所產(chǎn)生的混沌激 光帶有明顯的時延特征信息，亦即混沌信號具有一定的周期性。這會降低利用混沌激光作 為物理熵源產(chǎn)生的高速物理隨機數(shù)的隨機特性；而對于混沌保密光通信，混沌激光具有時 延特征信息會導(dǎo)致安全漏洞；會對混沌雷達和光時域反射儀引入虛警和誤判。此外，受半導(dǎo) 體激光器馳豫振蕩的影響，光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌信號的能量在頻域上主要集中 在馳豫振蕩頻率附近，造成頻譜不平坦、低頻抑制嚴重、帶寬窄，這會嚴重影響混沌光時域 反射儀和混沌激光雷達的分辨率、限制混沌光通信的傳輸速率以及產(chǎn)生隨機數(shù)的碼率。
[0013] 值得注意的是，光注入型混沌光子集成器件及其制備方法(見專利：一種光注入型 混沌光子集成器件，專利號：ZL201210349951. 0)，其特點是主分布反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生 連續(xù)波狀態(tài)的激光，經(jīng)過半導(dǎo)體光放大器放大后進入無源光波導(dǎo)，然后注入到從分布反饋 半導(dǎo)體激光器。但其存在一定的缺點：我們的研究表明【2009. Anbang Wang(OL). Route to broadband chaos in a chaotic laser diode subject to optical injection],單注入 型結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生注入鎖定，且單注入產(chǎn)生的混沌激光帶寬窄、頻譜不平坦、輸出不穩(wěn)定，而 且往往包含兩個激光器的拍頻信息，會使混沌激光的頻譜出現(xiàn)典型的拍頻振蕩成份，同樣 會影響混沌光時域反射儀和混沌激光雷達的分辨率、限制混沌光通信的傳輸速率以及產(chǎn)生 隨機數(shù)的碼率。
[0014] 綜上所述，研制無時延特征、頻譜平坦、寬帶的光子集成混沌半導(dǎo)體激光器至關(guān)重 要，對推動混沌激光在科學(xué)研究、基礎(chǔ)應(yīng)用、工程技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義和價 值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的混沌激光帶有時延特征、信號帶寬 窄、頻譜不平坦的問題，提供了一種無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器。
[0016] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體 激光器，包括芯片襯底、光波導(dǎo)、摻鉺的無源光波導(dǎo)、左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片、無隔離 雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片、高速光電探測芯片；其中， 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片、高速光電探測芯片 均固定于芯片襯底的上表面左部；右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片固定于芯片襯底的上表面 右部；左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片的右端通過光波導(dǎo)與無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大 芯片的左端連接；無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片的右端通過摻鉺的無源光波導(dǎo)與右 分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片的左端連接；左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片的左端分為兩路， 一路通過光波導(dǎo)與高速光電探測芯片的輸入端連接，另一路通過光波導(dǎo)直接輸出。
[0017] 具體工作過程如下：左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片發(fā)出連續(xù)光。所發(fā)出的連續(xù)光 經(jīng)由光波導(dǎo)傳輸至無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片，并經(jīng)由無隔離雙向放大的半導(dǎo)體 光放大芯片進行放大。放大后的連續(xù)光經(jīng)由摻鉺的無源光波導(dǎo)傳輸至右分布式反饋半導(dǎo)體 激光芯片，并對右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片進行擾動。此時，右分布式反饋半導(dǎo)體激光 芯片發(fā)出連續(xù)光。所發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)由摻鉺的無源光波導(dǎo)傳輸至無隔離雙向放大的半導(dǎo) 體光放大芯片，并經(jīng)由無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片進行放大。放大后的連續(xù)光經(jīng) 由光波導(dǎo)傳輸至左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片，并對左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片進行擾 動。左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片和右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片由此實現(xiàn)互注入擾動。 在此過程中，相比普通無源光波導(dǎo)，摻鉺的無源光波導(dǎo)中的增益介質(zhì)鉺粒子較大，散射系數(shù) 高，單位長度產(chǎn)生的后向散射強，因此光在摻鉺的無源光波導(dǎo)中傳輸時可產(chǎn)生較強的后向 散射。具體而言，左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片發(fā)出的連續(xù)光在摻鉺的無源光波導(dǎo)中傳輸 時產(chǎn)生的后向散射光進入左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片，從而實現(xiàn)對左分布式反饋半導(dǎo)體 激光芯片的隨機擾動。右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片發(fā)出的連續(xù)光在摻鉺的無源光波導(dǎo) 中傳輸時產(chǎn)生的后向散射光進入右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片，從而實現(xiàn)對右分布式反饋 半導(dǎo)體激光芯片的隨機擾動。在互注入擾動和隨機擾動的共同作用下，左分布式反饋半導(dǎo) 體激光芯片產(chǎn)生輸出穩(wěn)定、無時延特征、信號帶寬寬、頻譜平坦的混沛激光。所產(chǎn)生的混沌 激光一路經(jīng)由光波導(dǎo)傳輸至高速光電探測芯片，并經(jīng)由高速光電探測芯片轉(zhuǎn)換為混沌電信 號，另一路經(jīng)由光波導(dǎo)耦合至光纖，使混沌激光經(jīng)由光纖輸出。在上述過程中，無隔離雙向 放大的半導(dǎo)體光放大芯片用來控制左、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片相互注入的光功率大 小（左、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片相互注入的光功率大小也可以通過調(diào)節(jié)左、右分布式 反饋半導(dǎo)體激光芯片所加載的泵浦電流來控制）和摻鉺的無源光波導(dǎo)對左分布式反饋半導(dǎo) 體激光芯片的反饋強度，從而控制所產(chǎn)生的混沌激光的信號帶寬、頻譜平坦度。
[0018] 與現(xiàn)有混沌半導(dǎo)體激光器相比，本發(fā)明所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混 沌半導(dǎo)體激光器采用摻鉺的無源光波導(dǎo)作為連續(xù)散射體構(gòu)成連續(xù)分布式反饋腔，并采用無 隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片控制左、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片相互注入的光功 率大小和摻鉺的無源光波導(dǎo)對左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片的反饋強度(左、右分布式反 饋半導(dǎo)體激光芯片相互注入的光功率大小也可以通過調(diào)節(jié)左、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯 片所加載的泵浦電流來控制)，由此使得所產(chǎn)生的混沌激光輸出更穩(wěn)定、無時延特征、信號 帶寬更寬、頻譜更平坦，從而有效提高了混沌光通信的保密性、光纖故障檢測的精準性、物 理熵源產(chǎn)生隨機數(shù)的隨機性等。綜上所述，本發(fā)明所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成 混沌半導(dǎo)體激光器通過采用全新結(jié)構(gòu)，有效解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的混沌激光帶 有時延特征、信號帶寬窄、頻譜不平坦的問題，其對推動混沌激光在科學(xué)研究、基礎(chǔ)應(yīng)用、工 程技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義和價值。
[0019] 進一步地，左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片與右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片之間存 在參數(shù)失配，二者輸出光波長的頻率差為10GHZ-15GHZ，輸出功率偏差低于70%。工作時，參 數(shù)失配能夠有效抑制左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片和右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片進行 互注入擾動時發(fā)生的鎖定同步效應(yīng)，由此進一步保證左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片產(chǎn)生無 時延特征的混沌激光。
[0020] 本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的混沌激光帶有時延特征、信號帶寬 窄、頻譜不平坦的問題，適用于混沌同步與保密光通信、高速隨機數(shù)密鑰生成、激光雷達、光 纖網(wǎng)絡(luò)故障檢測、超寬帶技術(shù)以及分布式光纖傳感等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖中：1-芯片襯底，2-光波導(dǎo)，3-摻鉺的無源光波導(dǎo)，4-左分布式反饋半導(dǎo)體激光 芯片，5-無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片，6-右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片，7-高速 光電探測芯片。

【具體實施方式】
[0023] 無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，包括芯片襯底1、光波導(dǎo)2、 摻鉺的無源光波導(dǎo)3、左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯 片5、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片6、高速光電探測芯片7 ; 其中，左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片5、高速 光電探測芯片7均固定于芯片襯底1的上表面左部； 右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片6固定于芯片襯底1的上表面右部； 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4的右端通過光波導(dǎo)2與無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放 大芯片5的左端連接； 無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片5的右端通過摻鉺的無源光波導(dǎo)3與右分布式反 饋半導(dǎo)體激光芯片6的左端連接； 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4的左端分為兩路，一路通過光波導(dǎo)2與高速光電探測 芯片7的輸入端連接，另一路通過光波導(dǎo)2直接輸出。
[0024] 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4與右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片6之間存在參數(shù) 失配，二者輸出光波長的頻率差為l〇GHz-15GHz，輸出功率偏差低于70%。
[0025] 具體實施時，芯片襯底1為Si基Si02襯底；光波導(dǎo)2、摻鉺的無源光波導(dǎo)3均為 Si基Si02光波導(dǎo)。左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片 5、高速光電探測芯片7均采用倒裝貼片工藝固定于芯片襯底1的上表面左部；右分布式反 饋半導(dǎo)體激光芯片6采用倒裝貼片工藝固定于芯片襯底1的上表面右部。摻鉺的無源光波 導(dǎo)3的長度為10毫米；左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片4的長度、右分布式反饋半導(dǎo)體激光 芯片6的長度均為500微米；無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片5的長度為200微米，且 無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片5采用InGaAs/InGaAsP的雙異質(zhì)結(jié)多量子講結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，其特征在于：包括芯片襯 底（1)、光波導(dǎo)（2)、摻鉺的無源光波導(dǎo)（3)、左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)、無隔離雙向 放大的半導(dǎo)體光放大芯片（5)、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)、高速光電探測芯片（7); 其中，左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片（5)、 商速光電探測芯片（7)均固定于芯片襯底（1)的上表面左部； 右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)固定于芯片襯底（1)的上表面右部； 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)的右端通過光波導(dǎo)（2)與無隔離雙向放大的半導(dǎo)體 光放大芯片（5)的左端連接； 無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片（5)的右端通過摻鉺的無源光波導(dǎo)（3)與右分布 式反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)的左端連接； 左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)的左端分為兩路，一路通過光波導(dǎo)（2)與高速光電 探測芯片（7 )的輸入端連接，另一路通過光波導(dǎo)（2 )直接輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，其特征 在于：左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)與右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)之間存在參 數(shù)失配，二者輸出光波長的頻率差為l〇GHz-15GHz，輸出功率偏差低于70%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，其 特征在于：芯片襯底（1)為Si基Si02襯底；光波導(dǎo)（2)、摻鉺的無源光波導(dǎo)（3)均為Si基 Si02|波導(dǎo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，其 特征在于：左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)、無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片（5)、 高速光電探測芯片（7)均采用倒裝貼片工藝固定于芯片襯底（1)的上表面左部；右分布式 反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)采用倒裝貼片工藝固定于芯片襯底（1)的上表面右部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無時延、頻譜平坦、寬帶光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，其 特征在于：摻鉺的無源光波導(dǎo)（3)的長度為10毫米；左分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（4)的 長度、右分布式反饋半導(dǎo)體激光芯片（6)的長度均為500微米；無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光 放大芯片（5)的長度為200微米，且無隔離雙向放大的半導(dǎo)體光放大芯片（5)采用InGaAs/ InGaAsP的雙異質(zhì)結(jié)多量子阱結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01S5/068GK104158085SQ201410435033
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月30日
【發(fā)明者】王云才, 張明江, 王安幫, 張建忠, 劉慧 , 趙彤 申請人:太原理工大學(xué)