CN105762646B - 一种集成双反馈的半导体混沌激光器 - Google Patents

一种集成双反馈的半导体混沌激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及混沌激光领域，具体为一种集成双反馈的半导体混沌激光器。解决了目前混沌激光产生装置存在的体积庞大，易受环境影响、输出不稳定等技术问题。本发明采用双反馈可提高集成器件的混沌带宽，使频谱更加平坦。双腔结构消除了一般单腔集成激光器芯片的固定时延，双反馈腔长度相似但不相同，彻底消除了单腔光反馈混沌激光器的时延特性，提高了混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性，可应用于通信、遥感、传感等领域。本方法仅用一个DFB激光器芯片、一个高性能光电探测器、一个平面透镜光纤就实现了混沌输出和探测，并且可实现混沌激光信号和混沌电信号的同时输出。本发明还具有集成结构体积小、成本低的优点。

Description

一种集成双反馈的半导体混沌激光器
技术领域
本发明涉及混沌激光领域，具体为一种集成双反馈的半导体混沌激光器。
背景技术
混沌激光器是一种新型的、重要的科学研究工具，应用广泛。混沌激光作为激光器的一种特殊输出形式，具有随机、宽频谱等特性。由于半导体激光器具有重量轻、体积小、转换效率高、寿命长、集成性强等特点而成为产生混沌激光的最主要器件。
高质量的混沌激光在基于物理层加密的混沌保密光通信、物理随机数产生、激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等诸多方面均有重要的应用。
研究者发展了多种扰动方式来利用半导体激光器产生混沌激光：光反馈方式、光注入方式、光电反馈方式、混合式扰动方式等。
2011年太原理工大学提出了选择合适的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，单一提供连续后向散射、或提供连续后向散射并放大，对半导体激光器随机扰动，以此消除混沌激光器所产生的时延特征，提高混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性（见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6）。该光反馈混沌激光器采用半导体激光器加光纤耦合器、光衰减器、偏振控制器、半导体光放大器等外部分立光学元件搭建而成，集成度低，且是单向反馈。
Jia-Gui Wu、Guang-Qiong Xia等人利用双反馈抑制了半导体激光器混沌输出的时间延迟特性，但该光反馈混沌激光器同样是采用半导体激光器加非球面透镜（asphericlens）、分束器（beam splitter）、反射镜（mirror）、中性滤光片（neutral density filter）等外部分立光学元件搭建而成，集成度低。（J.Wu et al.，Optics Express，17（22）：20124-20133，2009.）。
目前多数的混沌激光产生方法，都是在实验室利用半导体激光器加上各种外部分立光学元件搭建而成的（外腔长都在几米到几十米），体积庞大，易受环境影响、输出不稳定，要真正实现混沌光源的实用化和产业化，必须研制体积小、性能稳定、低成本的光子集成混沌半导体激光器。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种集成双反馈的半导体混沌激光器，以解决目前混沌激光产生装置存在的体积庞大，易受环境影响、输出不稳定等技术问题。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种集成双反馈的半导体混沌激光器，包括顺次排列且共轴的平面透镜光纤、DFB激光器和高性能光电探测器；
所述DFB激光器的两侧端面均为出射端面；DFB激光器靠近平面透镜光纤一侧的端面为自然解理端面，镀增透膜，使其反射率为0.01；
所述DFB激光器靠近所述高性能光电探测器一侧的端面为自然解理端面，镀增反膜，使该端面的反射率为0.5-0.9；
所述平面透镜光纤靠近所述DFB激光器一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器传入平面透镜光纤的光的一部分能够反射回DFB激光器，使其产生混沌激光，另一部分经由所述平面透镜光纤输出；
所述高性能光电探测器靠近所述DFB激光器一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜；
所述平面透镜光纤与所述DFB激光器相邻端面之间的直线距离≤12μm；
所述高性能光电探测器与所述DFB激光器相邻端面之间的直线距离≤12μm。
所述高性能光电探测器不仅可以起到普通激光器里面检测用低性能探测器的作用，还可用于实时探测混沌状态，并输出。
所述平面透镜光纤、DFB激光器、高性能光电探测器的相对位置顺序为：平面透镜光纤， DFB激光器，高性能光电探测器。
所述平面透镜光纤、DFB激光器、高性能光电探测器三者共轴，以保证激光的正常传播。
半导体激光器反馈产生混沌激光的条件是反馈强度达到-40dB~-10dB，考虑到激光传输过程中的耦合等损耗，因此对提供反馈的器件进行了如下设置。
所述DFB激光器靠近所述平面透镜光纤一侧的端面为出光端面，该端面为自然解理端面，反射率为0.32，镀增透膜，使其反射率为0.01。
所述DFB激光器靠近所述高性能光电探测器一侧的端面为自然解理端面，反射率为0.32，镀增反膜，使该端面的反射率为0.5-0.9。
所述平面透镜光纤靠近所述DFB激光器一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器传入平面透镜光纤的光的一部分能够反射回激光器，使其产生混沌激光，另一部分经由所述平面透镜光纤输出。
所述高性能光电探测器靠近所述DFB激光器一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器射向高性能光电探测器的光的一部分能够反射回激光器，使其产生混沌激光，另一部分进入所述高性能光电探测器，供所述高性能光电探测器实时探测混沌状态。
所述DFB激光器的两侧端面向外发出光信号，分别经由所述平面透镜光纤靠近所述DFB激光器一侧的端面和所述高性能光电探测器靠近所述DFB激光器一侧的端面部分反射，反射光回到所述DFB激光器进行双反馈扰动，产生的混沌光经由所述平面透镜光纤输出。
所述平面透镜光纤与所述DFB激光器之间的距离同所述高性能光电探测器与所述DFB激光器之间的直线距离相近但不相等。
本发明的有益效果是:
（1）双反馈可提高集成器件的混沌带宽，使频谱更加平坦；
（2）双腔结构消除了一般单腔集成激光器芯片的固定时延，双反馈腔长度相近但不相等，彻底消除了单腔光反馈混沌激光器的时延特性，提高了混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性，可应用于通信、遥感、传感等领域；
（3）相比于传统混沌激光产生方法中用到的半导体激光器、光纤耦合器、光衰减器、偏振控制器、半导体光放大器、光电探测器等器件，本方法仅用一DFB激光器芯片、一高性能光电探测器、一平面透镜光纤就实现了混沌输出和探测，并且可实现混沌激光信号和混沌电信号的同时输出（光/电同时输出）。另外，此结构与现有激光器最简结构成本相近；
（4）集成结构体积小（本发明在微米级别）、成本低，有利于大规模生产应用。
附图说明
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明；图1为本发明的一个具体实施方式的结构示意图。其中带箭头的直线代表光路。
1-平面透镜光纤，2-DFB激光器，3-高性能光电探测器。
具体实施方式
如图1 所示，本发明提供一种集成双反馈的半导体混沌激光器的结构，包括：
一个平面透镜光纤1；
一个DFB激光器2，其位于所述平面透镜光纤1的左边；
一个高性能光电探测器3，其位于所述DFB激光器2的左边；
所述高性能光电探测器3不仅可以起到普通激光器里面检测用低性能探测器的作用，还可用于实时探测混沌状态，并输出。
所述平面透镜光纤1、DFB激光器2、高性能光电探测器3的相对位置顺序从右到左为：平面透镜光纤1， DFB激光器2，高性能光电探测器3。
所述平面透镜光纤1，DFB激光器2，高性能光电探测器3三者共轴，以保证激光的正常传播。
半导体激光器反馈产生混沌激光的条件是反馈强度达到-40dB~-10dB，考虑到激光传输过程中的耦合等损耗，因此对提供反馈的器件进行了如下设置。
所述DFB激光器2靠近所述平面透镜光纤1一侧的端面为出光端面，该端面为自然解理端面，反射率为0.32，镀增透膜，使其反射率为0.01。
所述DFB激光器2靠近所述高性能光电探测器3一侧的端面为自然解理端面，反射率为0.32，镀增反膜，使该端面的反射率为0. 5-0.9。
所述平面透镜光纤1靠近所述DFB激光器2一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器2传入平面透镜光纤1的光的一部分能够反射回激光器2，使其产生混沌激光，另一部分经由所述平面透镜光纤1输出。
所述高性能光电探测器3靠近所述DFB激光器2一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器2传入高性能的光电探测器3的光的一部分能够反射回激光器2，使其产生混沌信号，另一部分进入所述高性能光电探测器3，供所述高性能光电探测器3实时探测混沌状态。
双反馈可提高集成器件的混沌带宽，使频谱更加平坦。
本实施例的光路如图1中箭头所示，所述DFB激光器2的两侧端面向外发出光信号，分别经由所述平面透镜光纤1靠近所述DFB激光器2一侧的端面和所述高性能光电探测器3靠近所述DFB激光器2一侧的端面部分反射，反射光回到所述DFB激光器2进行双反馈扰动，产生的混沌光经由所述平面透镜光纤1输出。
所述平面透镜光纤1端面与所述DFB激光器2右端面之间的直线距离≤12μm。
所述高性能光电探测器3端面与所述DFB激光器2左端面之间的直线距离≤12μm。
所述平面透镜光纤1与所述DFB激光器2之间的距离同所述高性能光电探测器3与所述DFB激光器2之间的直线距离相近但不相等（相差±2μm）。
双腔结构消除了一般单腔集成激光器芯片的固定时延，双反馈腔长度相近但不相等，彻底消除了单腔光反馈混沌激光器的时延特性，提高了混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性，可应用于通信、遥感、传感等领域。
且集成结构体积小、成本低，有利于大规模生产应用。
以上所述的具体实施例，对本发明一种集成双反馈的半导体混沌激光器进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种集成双反馈的半导体混沌激光器，其特征在于，包括顺次排列且共轴的平面透镜光纤（1）、DFB激光器（2）和高性能光电探测器（3）；
所述DFB激光器（2）的两侧端面均为出射端面；DFB激光器（2）靠近平面透镜光纤（1）一侧的端面为自然解理端面，镀增透膜，使其反射率为0.01；
所述DFB激光器（2）靠近所述高性能光电探测器（3）一侧的端面为自然解理端面，镀增反膜，使该端面的反射率为0.5-0.9；
所述平面透镜光纤（1）靠近所述DFB激光器（2）一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜，使从DFB激光器（2）传入平面透镜光纤（1）的光的一部分能够反射回DFB激光器（2），使其产生混沌激光，另一部分经由所述平面透镜光纤（1）输出；
所述高性能光电探测器（3）靠近所述DFB激光器（2）一侧的端面镀反射率为0.9的透反膜；
所述平面透镜光纤（1）与所述DFB激光器（2）相邻端面之间的直线距离≤12μm；
所述高性能光电探测器（3）与所述DFB激光器（2）相邻端面之间的直线距离≤12μm；
所述平面透镜光纤（1）与所述DFB激光器（2）相邻端面之间的直线距离和高性能光电探测器（3）与所述DFB激光器（2）相邻端面之间的直线距离的差值为±2μm。
2.如权利要求1所述的一种集成双反馈的半导体混沌激光器，其特征在于，所述高性能光电探测器（3）采用高性能PIN探测器，带宽大于10GHz，灵敏度小于-30dBm。
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