CN102280814A - 基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，包括一个环形激光器，所述环形激光器包括一个波导谐振腔和分别与波导谐振腔耦合的一段输入波导和一段输出波导，所述输入波导的输入段和输出波导的输出段位于波导谐振腔的同一侧，所述输入波导包括输入段、延长段和耦合段，所述输出波导包括延长段、耦合段和输出段，其特征在于，所述环形激光器还包括一段位于波导谐振腔另一侧并与波导谐振腔耦合的弧形反馈波导，所述弧形反馈波导包括分别与波导谐振腔耦合连接的耦合输入段和耦合输出段；所述芯片结构还包括一个连接在输入波导输入段的单模DFB激光器。本发明的有益效果：具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等诸多优势。

Description

基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构

技术领域

本发明属于光通信技术领域，尤其涉及保密光通信技术领域中混沌信号产生的光集成芯片技术领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，特别是在金融、商业等领域，通信的保密性需求越来越高，信息加密技术也受到越来越多的关注。传统的软件加密技术是基于算法的复杂程度和密钥的长度，这种方法的保密性能随着信息量的增加而降低，而且由于加密算法需要消耗一定的时间，加密速度受到严重限制。随着量子力学的发展，量子加密技术成为软件加密的新宠，但是这种加密方法是采用光量子的特性将密钥进行传输，因此对整体信息的保密性能有所下降。随着对大容量和高速率的保密通信的需求的增加，以上的加密技术已不能满足人们的需求。自从20世纪60年代混沌现象被发现后，在物理层运用混沌载波进行编码的通信方式大大提高了通信系统的保密性能和加密速度，成为信息加密技术的新选择。光混沌信号具有类随机性、对初始条件的敏感依赖性和类似噪声的宽带功率谱密度等特性，使得其特别适合用于保密光通信。目前，光混沌信号在保密光通信中的应用已成为混沌应用中最为重要的、最有前途的应用领域之一。另外，光混沌信号的自相关曲线具有类似于δ函数的线形，这一特性使得混沌信号也广泛应用于激光测距雷达系统中。目前，世界各国都在对光混沌信号的产生及应用进行相关研究。

光混沌信号按其产生方式一般可分为光注入、光反馈和光电反馈三种方式。外部光注入混沌系统是指在激光器上增加一个适当强度、适当频率的外部注入光，使特定频率和特定强度的注入光与激光腔内激光场互相作用从而使激光器工作在混沌状态，产生混沌信号。光反馈是指在激光器外部，通过放置反射器件使得激光器的输出光的一部分经过反射器件后返回到原来的激光器中，通过调节反馈光的强度，使得受一定强度的反馈光扰动的激光器工作在混沌状态，产生混沌信号。光电反馈是指把激光器的输出光的一部分转换成电信号，经放大延时后与激光器的偏置电流叠加在一起去控制激光器产生混沌信号。然而，以上三种方式产生的光混沌信号的带宽较窄，而混沌保密光通信中信号的传输速率和传输容量取决于作为载波的光混沌信号的带宽.因此，提高光混沌信号的带宽是实现高速混沌激光保密通信的必由之路。

目前，国内外出现了多种产生宽带混沌信号的方式，最普遍的是基于光反馈和光注入两种方式相结合的方式，并且已经产生了带宽较宽的光混沌信号。其中，最为常见的是利用两个分离的DFB激光器分别作为主、从激光器。一种是在主DFB激光器腔外构置一面反射镜，将主DFB激光器的输出光用分光器件分成两部分，一部分光经反射镜反射后作为反馈光重新进入主DFB激光器中，另一部分光通过隔离器、衰减器等光学器件的调整后注入到从DFB激光器中，使从DFB激光器工作在混沌状态，输出宽带混沌信号；另一种是在从激光器腔外构置一面反射镜，自由运转的主DFB激光器输出的光经隔离器和衰减器等光学器件的调整后向从DFB激光器进行光注入，同时，从DFB激光器输出的光经分束器件分成两部分，一部分光经腔外反射镜反射后作为反馈光重新进入从DFB激光器，另一部分光作为输出信号。这两种方式都能产生带宽较宽的光混沌信号，但由于产生混沌信号的系统是由多个独立光学器件构成，因此现有的用于产生混沌信号的系统结构复杂，稳定性差，成本高。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的不足，提供了一种基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构。

本发明的技术方案是：基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，包括一个环形激光器，所述环形激光器包括一个波导谐振腔和分别与波导谐振腔耦合的一段输入波导和一段输出波导，所述输入波导的输入段和输出波导的输出段位于波导谐振腔的同一侧，所述输入波导包括输入段、延长段和耦合段，所述输出波导包括延长段、耦合段和输出段，其特征在于，所述环形激光器还包括一段位于波导谐振腔另一侧并与波导谐振腔耦合的弧形反馈波导，所述弧形反馈波导包括分别与波导谐振腔耦合连接的耦合输入段和耦合输出段；所述芯片结构还包括一个连接在输入波导输入段的单模DFB激光器。

上述输入波导的延长段、输出波导的延长段还形成一个与自身呈一定夹角的闲置端，所述闲置端用以避免光反射对正常光的干扰。

上述闲置端与输入波导呈5-10度夹角。

上述的环形激光器的波导谐振腔是跑道型、圆环形、多边形或碟形。

本发明的有益效果是：本发明的源芯片结构用于代替现有的用于产生混沌信号的系统，由于在波导谐振腔中逆时针传输的光在弧形反馈波导的耦合输入段被分离为两路光进行传输，在耦合输出段又再次汇合为一路光，由于分离后的两路光的传输路径长度不一致，因此在弧形反馈波导中的传输光相对于波导谐振腔中传输的光有一定的时间延迟，从而形成了反馈光，因此一定失谐频率和强度的注入光、一定强度的反馈光以及在波导谐振腔中逆时针方向传输的光三者互相作用使得环形激光器工作在混沌状态，从而输出混沌信号。并且该芯片结构将环形激光器与用于光注入的DFB激光器有机的集成在一起，具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等诸多优势。而且，本方案中，多个功能单元通过波导连接，有效的减少了损耗，能产生高质量的宽带光混沌信号。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记说明：环形激光器1、波导谐振腔11、输入波导12、输入波导的输入段121、输入波导的延长段122、输入波导的耦合段123、输入波导的闲置端124、输出波导13、输出波导的延长段132、输出波导的输出段131、输出波导的耦合段133、输出波导的闲置端134、弧形反馈波导14、弧形反馈波导的耦合输入段141、弧形反馈波导的耦合输出段142、单模DFB激光器2、电极3。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例的基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，包括一个环形激光器1，环形激光器1包括一个波导谐振腔11和分别与波导谐振腔11耦合的一段输入波导12和一段输出波导13。输入波导12根据其相对于波导谐振腔11的位置和光的主要传输方向，被人为设定为该输入波导的输入段121、延长段122和耦合段123，输入段121和延长段122分别位于整个输入波导12的两端部，耦合段123位于中部，输入段121是环形激光器1外部光的注入端口，输入段121位于整个输入波导12的一端并位于波导谐振腔11的一侧，耦合段123用于将在输入波导中传输的光耦合进入波导谐振腔11中，因此耦合段123位于整个输入波导12的中部并大致上与波导谐振腔11相切，延长段122用于将从输入段121注入并没能通过耦合段123进入波导谐振腔11的光传播出去，但是当延长段122的端面与光线垂直时，仍有少部分光平行于入射光反射回输入段121中去，就容易对正常传输的光产生一些非必要的干扰。同样的，输出波导13根据其相对于波导谐振腔11的位置和光的主要传输方向也被人为设定了该输出波导的延长段132、输出段131和耦合段133，延长段132和输出段131分别位于整个输出波导12的两端部，耦合段133位于中部，输出段131是环形激光器1内部光的输出端口，输出段131位于整个输出波导13的一端并位于波导谐振腔11的一侧，耦合段133用于将在波导谐振腔11中传输的光耦合进入输出波导13中，因此该耦合段133位于整个输出波导13的中部并大致上与波导谐振腔11相切；输入波导12的输入段121和输出波导13的输出段131位于波导谐振腔11的同一侧。所述环形激光器1还包括一段位于波导谐振腔11另一侧并与波导谐振腔11耦合的弧形反馈波导14，所述弧形反馈波导14包括分别与波导谐振腔11耦合连接的耦合输入段141和耦合输出段142。同时，该芯片结构还包括一个连接在输入波导12的输入段121的单模DFB激光器2，单模DFB激光器2与输入波导12的输入段121构成了光注入通道，弧形反馈波导14则构成了光反馈通道，输入波导12与波导谐振腔11构成了光输入通道，输出波导13与波导谐振腔11构成了光输出通道。由于在波导谐振腔11中逆时针传输的光在弧形反馈波导14的耦合输入段141被分离为两路光进行传输，在耦合输出段142又再次汇合为一路光，由于分离后的两路光的传输路径长度不一致，因此在弧形反馈波导14中的光传输时间延迟形成一个反馈光，因此一定失谐频率和强度的注入光、一定强度的反馈光以及在波导谐振腔11中逆时针方向传输的光三者互相作用使得环形激光器1工作在混沌状态，从而输出混沌信号。

上述方案的输入波导12的耦合段123和输出波导13的耦合段133处还设置有电极3，图1中已经示出，另外在单模DFB激光器2和波导谐振腔11上也设置有电极，图1中未示出，这些电极的作用是在电极之上加入不同的偏置电流用以控制和调节激光的输入输出频率、耦合比例和传输方向，由于本发明中各种电极的设置被视本领域技术人员的公知常识，因此本实施例中未对各种电极的详细分布情况进行说明，但是本领域普通技术人员应该意识到，本实施例的芯片结构的各部件工作时电极往往会按照公知的方式产生公知的作用。

按照上述已经公开的结构，我们知道，上述输入波导12和输出波导13的延长段122、132如果其端面垂直于波导时，反射后的光往往会与输入波导12和输出波导中正常传输的光平行，这样反射后的光就容易对正常传输的光产生一些非必要的干扰，而这些干扰是我们希望排除的。因此我们还可以在上述输入波导12和输出波导13的延长段122、132上还分别形成一个与输入波导12和输出波导13呈一定夹角的闲置端124、134，所述闲置端124、134用以避免输入波导12的反射光对注入光和输出波导13的反射光对输出光的干扰，闲置端124、134与输入波导12和输出波导13的夹角最优的角度范围是呈5-10度夹角，其它角度也可以，但是效果会比较差。

上述方案的环形激光器1的波导谐振腔11是跑道型、圆环形、多边形或碟形。输入波导12和输出波导13是脊型波导，其作用是用于耦合光功率输入和输出波导谐振腔11，输入波导12、输出波导13与波导谐振腔11边缘直接耦合，位置大致相切，并由电极3控制耦合比，以此来调节注入光和反馈光的功率。环形激光器加电后，调节偏置电流可使环形激光器产生以逆时针方向为主的双方向发光的状态，并且，输出的光波长的改变可以通过微调加在电极的偏置电流来实现。

上述方案的单模DBF激光器由电极驱动，并由此调节其输出光波长。

上述方案的工作工程大致如下：参见图1中虚线部分所示，通过微调DFB激光器2的偏置电流，可以调节DFB激光器2输出光的波长，从而可以调节注入光与自由运转的环形激光器1的输出光的频差，即失谐频率。DFB激光器2输出的光注入到输入波导12，大部分光再通过耦合逆时针方向注入到环形激光器1的波导谐振腔11中，同时，环形激光器1的波导谐振腔11可以在偏置电流的作用下处于单向发光的状态，即逆时针方向传输的光，逆时针方向传输的光在弧形反馈波导14的耦合输入段141被分离为两路光进行传输，在耦合输出段142又再次汇合为一路光，由于分离后的两路光的传输路径长度不一致，因此在弧形反馈波导14中的传输光相对于波导谐振腔中传输的光有一定的时间延迟，从而形成了反馈光，因此一定失谐频率和强度的注入光、一定强度的反馈光以及在波导谐振腔11中逆时针方向传输的光三者互相作用使得环形激光器1工作在混沌状态，从而输出混沌信号。本发明的芯片结构正常工作时，即不断的重复上述过程。

DFB激光器2的注入光和弧形反馈波导的反馈光的功率可以通过耦合段的电极来调节，在具有一定失谐频率、一定功率的注入光和反馈光以及环形激光器1的波导谐振腔11产生的激光场的非线性作用下，使环形激光器1工作在混沌状态输出宽带混沌信号；并且调节注入光的失谐频率和注入光、反馈光功率，可使环形激光器输出的混沌信号的带宽最大。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，包括一个环形激光器，所述环形激光器包括一个波导谐振腔和分别与波导谐振腔耦合的一段输入波导和一段输出波导，所述输入波导的输入段和输出波导的输出段位于波导谐振腔的同一侧，所述输入波导包括输入段、延长段和耦合段，所述输出波导包括延长段、耦合段和输出段，其特征在于，所述环形激光器还包括一段位于波导谐振腔另一侧并与波导谐振腔耦合的弧形反馈波导，所述弧形反馈波导包括分别与波导谐振腔耦合连接的耦合输入段和耦合输出段；所述芯片结构还包括一个连接在输入波导输入段的单模DFB激光器。

2.根据权利要求1所述的基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，其特征在于，所述输入波导的延长段、输出波导的延长段还形成一个与自身呈一定夹角的闲置端，所述闲置端用以避免光反射对正常光的干扰。

3.根据权利要求2所述的的基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构，其特征在于，所述闲置端与输入波导呈5-10度夹角。

4.根据权利要求1所述的基于环形激光器的宽带混沌信号源芯片结构，其特征在于，所述的环形激光器的波导谐振腔是跑道型、圆环形、多边形或碟形。

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