可調諧光混沌信號發(fā)生裝置及產生方法
【專利摘要】本發(fā)明可調諧光混沌信號發(fā)生裝置包括可調諧激光器，半導體環(huán)形激光器和Bragg波導光柵；兩段直波導分別與有源環(huán)形諧振腔的直波導部分平行，用于光信號的輸入輸出?？烧{諧光混沌信號產生方法包括調諧過程和光混沌信號產生過程，其中調諧過程為調節(jié)可調諧激光器金屬電極上的注入電流信號。該裝置將SRL、用于光注入的可調諧激光器以及用于光反饋的Bragg波導光柵集成在一個芯片上，制作過程簡單，集成度高，穩(wěn)定性高，成本較低，適合于光子芯片集成。同時提出的光混沌信號產生方法基于發(fā)生裝置提出了混沌信號的產生步驟，使方案更簡單明了，產生混沌信號的過程更加高效。
【專利說明】可調諧光混沌信號發(fā)生裝置及產生方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信【技術領域】，涉及保密光通信【技術領域】中的混沌信號產生的技術 領域，具體涉及一種基于半導體環(huán)形激光器的可調諧光混沌信號發(fā)生裝置以及光混沌信號 的產生方法。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的不斷發(fā)展，特別是在金融、商業(yè)等領域，通信的保密性需求越來越 高，信息加密技術也受到越來越多的關注。傳統(tǒng)的軟件加密技術是基于算法的復雜程度和 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 一定的時間，加密速度受到嚴重限制。自從20世紀60年代混沌現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，在物理層運 用混沌載波進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 密技術的新選擇。光混沌信號具有類隨機性、對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，光混沌信號在保密光通信中的 應用已成為混沌應用中最為重要的、最有前途的應用領域之一。
[0003]光混沛信號按其產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適當強度的外部注入光，使其與激光互相作用從 而產生混沌信號。光反饋是指在激光器外部，通過放置反饋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，使得激光器產生混沌信號。光電反饋是指把 激光器的輸出光的一部分轉換成電信號，經(jīng)放大延時后與激光器的偏置疊加在一起去控制 激光器產生混沌信號。然而，以上三種方式產生的光混沌信號的帶寬較窄，而混沌保密光通 信中信號的傳輸速率和傳輸容量取決于作為載波的光混沛信號的帶寬.因此，提高光混沛 信號的帶寬是實現(xiàn)高速混沌激光保密通信的必由之路。
[0004]目前，國內外出現(xiàn)了多種產生寬帶混沌信號的方式，最普遍的是基于光反饋和光 注入兩種方式的結合，并且已經(jīng)產生了寬帶的光混沌信號。其中，最為常見的兩種方法是利 用兩個激光器分別作為主、從激光器:其中一種方法是在主激光器腔外設置光反饋回路，然 后將具有反饋回路的主激光器的輸出的一部分光信號注入到從激光器，使之輸出寬帶混沌 信號；另一種方法是在從激光器腔外設置光反饋回路，同時用自由運轉的主激光器向從激 光器進行光注入，使之輸出寬帶混沌信號。這兩種方式都能產生帶寬較寬的光混沌信號。但 是，由于系統(tǒng)是由多個獨立器件構成，既不利用器件的單片集成，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種可調諧光混沌信號發(fā)生裝置 及產生方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:可調諧光混沌信號發(fā)生裝置，其特征在 于，包括可調諧激光器，半導體環(huán)形激光器(SRL/有源環(huán)形諧振腔)和Bragg波導光柵；兩段 直波導分別與有源環(huán)形諧振腔的直波導部分平行，用于光信號的輸入輸出，直波導由波導有源區(qū)和波導無源區(qū)連接組成，激光器連接于直波導之一的波導有源區(qū)一端，另一直波導 的波導有源區(qū)一端為Bragg波導光柵。
[0007]進一步的，所述直波導的波導無源區(qū)一端耦合有輸出波導，輸出波導與直波導呈 鈍角，用于降低界面反射。
[0008]進一步的，上述鈍角為173°。
[0009]進一步的，Bragg波導光柵形成于波導有源區(qū)的上包層上。
[0010]進一步的，波導有源區(qū)上包含金屬電極，用于調節(jié)混沌信號波長。
[0011]進一步的，可調諧激光器上鍍有金屬電極，用于調節(jié)可調諧激光器的注入電流。
[0012]可調諧光混沌信號產生方法，包括調諧過程和光混沌信號產生過程，其中調諧過 程為調節(jié)可調諧激光器金屬電極上的注入電流信號；
[0013]光混沌信號產生過程為:可調諧激光器產生的光信號輸入直波導的有源區(qū)并放 大，放大的激光信號經(jīng)過波導無源區(qū)耦合到半導體環(huán)形激光器中并沿逆時針方向傳輸，同 時逆時針方向傳輸?shù)募す饧钇鸬捻槙r針的弱光耦合到跑道形波導另一側的直波導中，然 后經(jīng)過有源區(qū)放大輸入到Bragg波導光柵并經(jīng)Bragg波導光柵反射后一部分依次沿有源 區(qū)、波導無源區(qū)耦合到半導體環(huán)形激光器中與原逆時針方向傳輸?shù)募す庑盘柈a生非線性作 用，產生混沌信號，混沌信號依次通過波導無源區(qū)和輸出波導輸出。
[0014]進一步的，上述調諧過程包括調節(jié)可調諧激光器上金屬電極和/或Bragg波導光 柵上的金屬電極的注入電流，用以改變可調諧激光器產生的激光信號和Bragg波導光柵反 射的激光信號的波長和強度。
[0015]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的可調諧光混沌信號發(fā)生裝置基于半導體環(huán)形激 光器，產生的混沌信號是基于具有一定頻率和強度的光反饋和光注入下的半導體環(huán)形激光 器(SRL)內非線性作用而產生。該裝置將SRL、用于光注入的可調諧激光器以及用于光反饋 的Bragg波導光柵集成在一個芯片上,制作過程簡單，集成度高，穩(wěn)定性高，成本較低，適合 于光子芯片集成。同時提出的光混沌信號產生方法基于發(fā)生裝置提出了混沌信號的產生步 驟，使方案更簡單明了，產生混沌信號的過程更加高效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的光混沌信號發(fā)生裝置的結構示意圖；
[0017]圖2是可調諧激光器的結構圖；
[0018]圖3是Bragg波導光柵的結構圖。
[0019]附圖標記說明:可調諧激光器1，沉底層11，有源層12，上包層13，光柵區(qū)14，半導 體環(huán)形激光器(SRL) 2, Bragg波導光柵3,沉底層31,有源層32,上包層33,光柵區(qū)34,波導 有源區(qū)41,波導有源區(qū)42,波導無源區(qū)51,波導無源區(qū)52,金屬電極6,輸出波導71,輸出波 導72，
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0021]如圖1所示，本實施例的一種可調諧光混沌信號發(fā)生裝置，包括可調諧激光器1，有源環(huán)形諧振腔2和Bragg波導光柵3 ;兩段直波導在跑道形波導兩側分別與跑道形波導 耦合組成有源環(huán)形諧振腔2，直波導由波導有源區(qū)41 (42)和波導無源區(qū)51 (52)連接組 成，可調諧激光器I連接于直波導之一的波導有源區(qū)41 一端，另一直波導的波導有源區(qū)42 一端為Bragg波導光柵3。
[0022]上述直波導的波導無源區(qū)51 (52)—端均f禹合有輸出波導71 (72),輸出波導71
(72)與直波導呈鈍角，用于降低輸出反射。并且上述鈍角優(yōu)選為173°，即輸出波導相對于 波導無源區(qū)傾斜7°。在本方案中，可調諧激光器I為半導體激光器，利用半導體工藝制成； Bragg波導光柵形成于波導有源區(qū)上，并且在波導有源區(qū)上包含金屬電極，用于調整反饋信 號波長。
[0023]為了實現(xiàn)可調諧激光器處調諧，本實施例在可調諧激光器上設置了金屬電極，該 金屬電極用來調節(jié)可調諧激光器的注入電流，進而實現(xiàn)調節(jié)輸出激光信號的波長和強度。
[0024]本實施例的一種可調諧光混沌信號產生方法包括調諧過程和光混沌信號產生過 程，其中調諧過程為調節(jié)上述實施例的光混沌信號發(fā)生裝置的金屬電極的輸入信號；以達 到調諧的目的。光混沌信號產生過程為:可調諧激光器產生激光信號輸入直波導的有源 區(qū)并放大，放大的激光信號經(jīng)過波導無源區(qū)耦合到半導體環(huán)形激光器中并沿逆時針方向傳 輸，同時逆時針方向傳輸?shù)募す饧钇鸬捻槙r針的弱光耦合到跑道形波導另一側的直波導 中，然后經(jīng)過有源區(qū)輸入到Bragg波導光柵并經(jīng)Bragg波導光柵反射后一部分依次沿有源 區(qū)、波導無源區(qū)耦合到跑道形波導中與原逆時針方向傳輸?shù)募す庑盘柈a生非線性作用，產 生混沌信號，混沌信號依次通過波導無源區(qū)和輸出波導輸出。作為優(yōu)選實施例，在調諧方法 中調諧過程包括調節(jié)可調諧激光器上金屬電極和/或Bragg波導光柵上的金屬電極的注入 電流，用以改變可調諧激光器產生的激光信號和Bragg波導光柵反射的激光信號的波長和 強度。
[0025]由于本方案的主要優(yōu)勢在于可以采用半導體工藝進行整體制作，以克服現(xiàn)有的系 統(tǒng)由多個獨立器件構成不利用器件的單片集成同時影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性的缺陷。因此，本方 案的另一優(yōu)選實施例如下=Bragg波導光柵制作在SRL直波導的有源區(qū)的一端?？烧{諧激 光器由低噪聲電源驅動，輸出的光信號經(jīng)直波導的有源區(qū)放大后，逆時針注入到SRL中。同 時，SRL順時針方向輸出的弱光通過Bragg波導光柵選擇性反射后，再次經(jīng)由有源波導的放 大后進入SRL。具有一定頻率和強度的注入光和反饋光在SRL (有源環(huán)形諧振腔)內激光場 的非線性作用下，在SRL輸出端輸出寬帶混沌信號。改變可調諧激光器光柵區(qū)和布拉格光 柵的注入電流可以改變注入波長和反饋波長，調節(jié)注入波長和反饋波長可以產生更寬的混 沛信號。
[0026]上述方案中，SRL在低噪聲電源的驅動下，可以產生以逆時針方向為主的雙向激光 輸出，與諧振腔平行的兩根直波導分別由一段有源波導和一段無源波導組成，并在一端的 尾部設置一定的傾角。可調諧激光器是通過現(xiàn)有的有源器件制作工藝集成在SRL的輸入波 導的有源區(qū)的一端。由低噪聲電源驅動，并通過改變注入波長實現(xiàn)波長的調諧。Bragg波導 光柵是用電子束曝光的方法在包層上刻蝕光柵，其制作在SRL直接波導的有源區(qū)一端，改 變注入電流可以改變反射波長。
[0027]上述裝置的工作原理如下:
[0028]如圖1所示，可調諧激光器I在低噪聲電源驅動下產生單縱模，經(jīng)過直波導的有源區(qū)41放大之后，通過直波導的無源區(qū)51將光耦合到跑道形波導中，在低噪聲電源的驅動 下，逆時針注入到跑道形波導中的光會激勵起順時針的弱光，順時針的弱光通過跑道形波 導另一側的波導無源區(qū)52耦合出去。并經(jīng)過有源區(qū)42進入到Bragg波導光柵2中。進入 到Bragg波導光柵2中的光會因為光柵的反射有一部分沿波導有源區(qū)42、波導無源區(qū)52耦 合到半導體環(huán)形激光器中，逆時針的注入光和順時針的反饋光在半導體環(huán)形激光器中的非 線性作用下產生混沌信號，通過波導無源區(qū)51和52耦合出來，沿輸出波導71和72輸出來。 通過調節(jié)金屬電極6，可以改變可調諧激光器I和Bragg波導光柵的注入電流，從而可以改 變注入光和反饋光的波長和強度，實現(xiàn)可調諧的混沌信號的輸出。半導體環(huán)形激光器在該 裝置中用于產生寬帶混沌信號，而具有一定傾斜角度的輸出波導71和72是為了防止輸出 光的端面反射。
[0029]如圖2所示是可調諧激光器，是由沉底層11、有源層12、上包層13和光柵區(qū)14構 成，通過在波導有源區(qū)41的一端采用電子束曝光的方式在包層的兩端刻蝕一定深度、不同 周期的兩種光柵而成的。由低噪聲電源驅動，通過調節(jié)注入電流，兩端光柵的反射譜會在不 同的波長處產生疊加，因而可以實現(xiàn)輸出波長的調諧。該可調諧激光器在裝置中作為主激 光器，向從激光器SRL的逆時針方向注入一定頻率一定強度的光信號。
[0030]如圖3所示是Bragg波導光柵3，是由沉底層31，有源層32，上包層33，光柵區(qū)34 構成，通過在波導有源區(qū)42的一端采用電子束曝光的方法在包層上刻蝕一定深度和周期 的光柵而成的。Bragg波導光柵對入射的光具有選擇反射作用，通過電極控制注入電流可以 調節(jié)Bragg波導光柵的反射波長，用來為SRL提供反饋光。波導有源區(qū)42和42用于放大 光信號功率。有一定傾斜角度(7°左右)的輸出波導71和72是為了防止輸出光的端面反 射。
[0031]由于可調諧激光器、SRL、Bragg波導光柵及其波導有源區(qū)41和42都是具有增益 功能的結構，且他們的結構都相同，包括襯底層、有源層以及包層，所以這幾部分的制作可 以同時進行，即在沉底材料上同時生長量子阱有源層，然后涂覆包層，利用掩膜版在可調諧 激光器和Bragg波導光柵的包層上采用電子束曝光的方式刻蝕一定規(guī)格的光柵。由于刻蝕 過程中并不刻穿有源層，因而不會對有源材料產生閾值損傷，且制作方式簡單，制作過程中 所以單元可一次成形，即節(jié)約了成本，又大大增加了成品率。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，本領域的技術人員將會理解，在本發(fā)明所 揭露的技術范圍內，可以對本發(fā)明進行各種修改、替換和改變。因此本發(fā)明不應由上述事例 來限定，而應以權力要求書的保護范圍來限定。
【權利要求】
1.一種可調諧光混沌信號發(fā)生裝置，其特征在于，包括可調諧激光器，半導體環(huán)形激光 器(SRL/有源環(huán)形諧振腔)和Bragg波導光柵；兩段直波導分別與有源環(huán)形諧振腔的直波導 部分平行，用于光信號的輸入輸出，直波導由波導有源區(qū)和波導無源區(qū)連接組成，激光器連 接于直波導之一的波導有源區(qū)一端，另一直波導的波導有源區(qū)一端為Bragg波導光柵。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述直波導的波導無源區(qū)一端耦合有輸 出波導，輸出波導與直波導呈鈍角，用于降低界面反射。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述鈍角為173°。
4.根據(jù)權利要求1-3之任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，Bragg波導光柵形成 于波導有源區(qū)的上包層上。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，波導有源區(qū)上包含金屬電極，用于調節(jié)混 沛信號波長。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的裝置，其特征在于，可調諧激光器上鍍有金屬電極。
7.可調諧光混沌信號產生方法，包括調諧過程和光混沌信號產生過程，其中調諧過程 為調節(jié)可調諧激光器金屬電極上的注入電流信號；光混沌信號產生過程為:可調諧激光器產生的光信號輸入直波導的有源區(qū)并放大，放 大的激光信號經(jīng)過波導無源區(qū)耦合到半導體環(huán)形激光器中并沿逆時針方向傳輸，同時逆時 針方向傳輸?shù)募す饧钇鸬捻槙r針的弱光耦合到跑道形波導另一側的直波導中，然后經(jīng)過 有源區(qū)放大輸入到Bragg波導光柵并經(jīng)Bragg波導光柵反射后一部分依次沿有源區(qū)、波導 無源區(qū)耦合到半導體環(huán)形激光器中與原逆時針方向傳輸?shù)募す庑盘柈a生非線性作用，產生 混沌信號，混沌信號依次通過波導無源區(qū)和輸出波導輸出。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，調諧過程包括調節(jié)可調諧激光器上金屬 電極和/或Bragg波導光柵上的金屬電極的注入電流，用以改變可調諧激光器產生的激光 信號和Bragg波導光柵反射的激光信號的波長和強度。
【文檔編號】H04L9/00GK103501200SQ201310444536
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】袁國慧, 王卓然, 何濤, 郭慧 申請人:電子科技大學