專利名稱：基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及保密光通信技術(shù)領(lǐng)域中混沌信號(hào)產(chǎn)生的光集成芯片技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在金融、商業(yè)等領(lǐng)域，通信的保密性需求越來越高，信息加密技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的軟件加密技術(shù)是基于算法的復(fù)雜程度和密鑰的長度，這種方法的保密性能隨著信息量的增加而降低，而且由于加密算法需要消耗一定的時(shí)間，加密速度受到嚴(yán)重限制。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，量子加密技術(shù)成為軟件加密的新寵，但是這種加密方法是采用光量子的特性將密鑰進(jìn)行傳輸，因此對(duì)整體信息的保密性能有所下降。隨著對(duì)大容量和高速率的保密通信的需求的增加，以上的加密技術(shù)已不能滿足人們的需求。自從20世紀(jì)60年代混沌現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，在物理層運(yùn)用混沌載波進(jìn)行編碼的通信方式大大提高了通信系統(tǒng)的保密性能和加密速度，成為信息加密技術(shù)的新選擇。光混沌信號(hào)具有類隨機(jī)性、對(duì)初始條件的敏感依賴性和類似噪聲的寬帶功率譜密度等特性， 使得其特別適合用于保密光通信。目前，光混沌信號(hào)在保密光通信中的應(yīng)用已成為混沌應(yīng)用中最為重要的、最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。另外，光混沌信號(hào)的自相關(guān)曲線具有類似于δ 函數(shù)的線形，這一特性使得混沌信號(hào)也廣泛應(yīng)用于激光測距雷達(dá)系統(tǒng)中。目前，世界各國都在對(duì)光混沌信號(hào)的產(chǎn)生及應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究。光混沌信號(hào)按其產(chǎn)生方式一般可分為光注入、光反饋和光電反饋三種方式。外部光注入混沌系統(tǒng)是指在激光器上增加一個(gè)適當(dāng)強(qiáng)度、適當(dāng)頻率的外部注入光，使特定頻率和特定強(qiáng)度的注入光與激光腔內(nèi)激光場互相作用從而使激光器工作在混沌狀態(tài)，產(chǎn)生混沌信號(hào)。光反饋是指在激光器外部，通過放置反射器件使得激光器的輸出光的一部分經(jīng)過反射器件后返回到原來的激光器中，通過調(diào)節(jié)反饋光的強(qiáng)度，使得受一定強(qiáng)度的反饋光擾動(dòng)的激光器工作在混沌狀態(tài)，產(chǎn)生混沌信號(hào)。光電反饋是指把激光器的輸出光的一部分轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大延時(shí)后與激光器的偏置電流疊加在一起去控制激光器產(chǎn)生混沌信號(hào)。然而，以上三種方式產(chǎn)生的光混沌信號(hào)的帶寬較窄，而混沌保密光通信中信號(hào)的傳輸速率和傳輸容量取決于作為載波的光混沌信號(hào)的帶寬.因此，提高光混沌信號(hào)的帶寬是實(shí)現(xiàn)高速混沌激光保密通信的必由之路。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種產(chǎn)生寬帶混沌信號(hào)的方式，最普遍的是基于光反饋和光注入兩種方式相結(jié)合的方式，并且已經(jīng)產(chǎn)生了帶寬較寬的光混沌信號(hào)。其中，最為常見的是利用兩個(gè)分離的DFB激光器分別作為主、從激光器。一種是在主DFB激光器腔外構(gòu)置一面反射鏡，將主DFB激光器的輸出光用分光器件分成兩部分，一部分光經(jīng)反射鏡反射后作為反饋光重新進(jìn)入主DFB激光器中，另一部分光通過隔離器、衰減器等光學(xué)器件的調(diào)整后注入到從DFB激光器中，使從DFB激光器工作在混沌狀態(tài)，輸出寬帶混沌信號(hào)；另一種是在從激光器腔外構(gòu)置一面反射鏡，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的主DFB激光器輸出的光經(jīng)隔離器和衰減器等光學(xué)器件的調(diào)整后向從DFB激光器進(jìn)行光注入，同時(shí)，從DFB激光器輸出的光經(jīng)分束器件分成兩部分，一部分光經(jīng)腔外反射鏡反射后作為反饋光重新進(jìn)入從DFB激光器，另一部分光作為輸出信號(hào)。這兩種方式都能產(chǎn)生帶寬較寬的光混沌信號(hào)，但由于產(chǎn)生混沌信號(hào)的系統(tǒng)是由多個(gè)獨(dú)立光學(xué)器件構(gòu)成，因此現(xiàn)有的用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個(gè)波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模DFB激光器。上述輸入波導(dǎo)的延長段、輸出波導(dǎo)的延長段還形成一個(gè)與自身呈一定夾角的閑置端，所述閑置端用以避免光反射對(duì)正常光的干擾。上述閑置端與輸入波導(dǎo)呈5-10度夾角。上述的環(huán)形激光器的波導(dǎo)諧振腔是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的源芯片結(jié)構(gòu)用于代替現(xiàn)有的用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的系統(tǒng)，由于在波導(dǎo)諧振腔中逆時(shí)針傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)的耦合輸入段被分離為兩路光進(jìn)行傳輸，在耦合輸出段又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)中的傳輸光相對(duì)于波導(dǎo)諧振腔中傳輸?shù)墓庥幸欢ǖ臅r(shí)間延遲，從而形成了反饋光，因此一定失諧頻率和強(qiáng)度的注入光、一定強(qiáng)度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔中逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號(hào)。并且該芯片結(jié)構(gòu)將環(huán)形激光器與用于光注入的DFB激光器有機(jī)的集成在一起，具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等諸多優(yōu)勢。而且，本方案中，多個(gè)功能單元通過波導(dǎo)連接，有效的減少了損耗，能產(chǎn)生高質(zhì)量的寬帶光混沌信號(hào)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明環(huán)形激光器1、波導(dǎo)諧振腔11、輸入波導(dǎo)12、輸入波導(dǎo)的輸入段 121、輸入波導(dǎo)的延長段122、輸入波導(dǎo)的耦合段123、輸入波導(dǎo)的閑置端124、輸出波導(dǎo)13、 輸出波導(dǎo)的延長段132、輸出波導(dǎo)的輸出段131、輸出波導(dǎo)的耦合段133、輸出波導(dǎo)的閑置端 134、弧形反饋波導(dǎo)14、弧形反饋波導(dǎo)的耦合輸入段141、弧形反饋波導(dǎo)的耦合輸出段142、 單模DFB激光器2、電極3。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本實(shí)施例的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)環(huán)形激光器1，環(huán)形激光器1包括一個(gè)波導(dǎo)諧振腔11和分別與波導(dǎo)諧振腔11耦合的一段輸入波導(dǎo)12和一段輸出波導(dǎo)13。輸入波導(dǎo)12根據(jù)其相對(duì)于波導(dǎo)諧振腔11的位置和光的主要傳輸方向，被人為設(shè)定為該輸入波導(dǎo)的輸入段121、延長段122和耦合段123，輸入段 121和延長段122分別位于整個(gè)輸入波導(dǎo)12的兩端部，耦合段123位于中部，輸入段121是環(huán)形激光器1外部光的注入端口，輸入段121位于整個(gè)輸入波導(dǎo)12的一端并位于波導(dǎo)諧振腔11的一側(cè)，耦合段123用于將在輸入波導(dǎo)中傳輸?shù)墓怦詈线M(jìn)入波導(dǎo)諧振腔11中，因此耦合段123位于整個(gè)輸入波導(dǎo)12的中部并大致上與波導(dǎo)諧振腔11相切，延長段122用于將從輸入段121注入并沒能通過耦合段123進(jìn)入波導(dǎo)諧振腔11的光傳播出去，但是當(dāng)延長段 122的端面與光線垂直時(shí)，仍有少部分光平行于入射光反射回輸入段121中去，就容易對(duì)正常傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生一些非必要的干擾。同樣的，輸出波導(dǎo)13根據(jù)其相對(duì)于波導(dǎo)諧振腔11的位置和光的主要傳輸方向也被人為設(shè)定了該輸出波導(dǎo)的延長段132、輸出段131和耦合段 133，延長段132和輸出段131分別位于整個(gè)輸出波導(dǎo)12的兩端部，耦合段133位于中部，輸出段131是環(huán)形激光器1內(nèi)部光的輸出端口，輸出段131位于整個(gè)輸出波導(dǎo)13的一端并位于波導(dǎo)諧振腔11的一側(cè)，耦合段133用于將在波導(dǎo)諧振腔11中傳輸?shù)墓怦詈线M(jìn)入輸出波導(dǎo)13中，因此該耦合段133位于整個(gè)輸出波導(dǎo)13的中部并大致上與波導(dǎo)諧振腔11相切； 輸入波導(dǎo)12的輸入段121和輸出波導(dǎo)13的輸出段131位于波導(dǎo)諧振腔11的同一側(cè)。所述環(huán)形激光器1還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔11另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔11耦合的弧形反饋波導(dǎo)14，所述弧形反饋波導(dǎo)14包括分別與波導(dǎo)諧振腔11耦合連接的耦合輸入段141和耦合輸出段142。同時(shí)，該芯片結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)連接在輸入波導(dǎo)12的輸入段121的單模DFB 激光器2，單模DFB激光器2與輸入波導(dǎo)12的輸入段121構(gòu)成了光注入通道，弧形反饋波導(dǎo)14則構(gòu)成了光反饋通道，輸入波導(dǎo)12與波導(dǎo)諧振腔11構(gòu)成了光輸入通道，輸出波導(dǎo)13 與波導(dǎo)諧振腔11構(gòu)成了光輸出通道。由于在波導(dǎo)諧振腔11中逆時(shí)針傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)14的耦合輸入段141被分離為兩路光進(jìn)行傳輸，在耦合輸出段142又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)14中的光傳輸時(shí)間延遲形成一個(gè)反饋光，因此一定失諧頻率和強(qiáng)度的注入光、一定強(qiáng)度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔11中逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號(hào)。上述方案的輸入波導(dǎo)12的耦合段123和輸出波導(dǎo)13的耦合段133處還設(shè)置有電極3，圖1中已經(jīng)示出，另外在單模DFB激光器2和波導(dǎo)諧振腔11上也設(shè)置有電極，圖1中未示出，這些電極的作用是在電極之上加入不同的偏置電流用以控制和調(diào)節(jié)激光的輸入輸出頻率、耦合比例和傳輸方向，由于本發(fā)明中各種電極的設(shè)置被視本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，因此本實(shí)施例中未對(duì)各種電極的詳細(xì)分布情況進(jìn)行說明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，本實(shí)施例的芯片結(jié)構(gòu)的各部件工作時(shí)電極往往會(huì)按照公知的方式產(chǎn)生公知的作用。按照上述已經(jīng)公開的結(jié)構(gòu)，我們知道，上述輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的延長段 122、132如果其端面垂直于波導(dǎo)時(shí)，反射后的光往往會(huì)與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)中正常傳輸?shù)墓馄叫校@樣反射后的光就容易對(duì)正常傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生一些非必要的干擾，而這些干擾是我們希望排除的。因此我們還可以在上述輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的延長段122、132 上還分別形成一個(gè)與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13呈一定夾角的閑置端124、134，所述閑置端124、134用以避免輸入波導(dǎo)12的反射光對(duì)注入光和輸出波導(dǎo)13的反射光對(duì)輸出光的干擾， 閑置端124、134與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的夾角最優(yōu)的角度范圍是呈5_10度夾角，其它角度也可以，但是效果會(huì)比較差。上述方案的環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13是脊型波導(dǎo)，其作用是用于耦合光功率輸入和輸出波導(dǎo)諧振腔11， 輸入波導(dǎo)12、輸出波導(dǎo)13與波導(dǎo)諧振腔11邊緣直接耦合，位置大致相切，并由電極3控制耦合比，以此來調(diào)節(jié)注入光和反饋光的功率。環(huán)形激光器加電后，調(diào)節(jié)偏置電流可使環(huán)形激光器產(chǎn)生以逆時(shí)針方向?yàn)橹鞯碾p方向發(fā)光的狀態(tài)，并且，輸出的光波長的改變可以通過微調(diào)加在電極的偏置電流來實(shí)現(xiàn)。上述方案的單模DBF激光器由電極驅(qū)動(dòng)，并由此調(diào)節(jié)其輸出光波長。上述方案的工作工程大致如下參見圖1中虛線部分所示，通過微調(diào)DFB激光器2 的偏置電流，可以調(diào)節(jié)DFB激光器2輸出光的波長，從而可以調(diào)節(jié)注入光與自由運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)形激光器1的輸出光的頻差，即失諧頻率。DFB激光器2輸出的光注入到輸入波導(dǎo)12，大部分光再通過耦合逆時(shí)針方向注入到環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11中，同時(shí)，環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11可以在偏置電流的作用下處于單向發(fā)光的狀態(tài)，即逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓猓鏁r(shí)針方向傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)14的耦合輸入段141被分離為兩路光進(jìn)行傳輸，在耦合輸出段142又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)14中的傳輸光相對(duì)于波導(dǎo)諧振腔中傳輸?shù)墓庥幸欢ǖ臅r(shí)間延遲，從而形成了反饋光，因此一定失諧頻率和強(qiáng)度的注入光、一定強(qiáng)度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔11中逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號(hào)。 本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)正常工作時(shí)，即不斷的重復(fù)上述過程。DFB激光器2的注入光和弧形反饋波導(dǎo)的反饋光的功率可以通過耦合段的電極來調(diào)節(jié)，在具有一定失諧頻率、一定功率的注入光和反饋光以及環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔 11產(chǎn)生的激光場的非線性作用下，使環(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)輸出寬帶混沌信號(hào)；并且調(diào)節(jié)注入光的失諧頻率和注入光、反饋光功率，可使環(huán)形激光器輸出的混沌信號(hào)的帶寬最大。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個(gè)波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模Dra激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)的延長段、輸出波導(dǎo)的延長段還形成一個(gè)與自身呈一定夾角的閑置端，所述閑置端用以避免光反射對(duì)正常光的干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述閑置端與輸入波導(dǎo)呈5-10度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形激光器的寬帶混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述的環(huán)形激光器的波導(dǎo)諧振腔是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號(hào)源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個(gè)波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模DFB激光器。本發(fā)明的有益效果具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等諸多優(yōu)勢。
文檔編號(hào)H04L9/00GK102280814SQ20111018999
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者張鑫, 王卓然, 袁國慧 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)