CN107658693A - 一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片 - Google Patents

一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片 Download PDF

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Abstract

一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，包括：衬底；下限制层，其制作在衬底上；有源层，其制作在下限制层上；上限制层，其制作在有源层上；波导层，其纵向制作在上限制层上面的中间；P+电极层，其是用隔离沟将其分为两段，制作在波导层上；N+电极层，其制作在下限制层的背面；其中，分为两段的P+电极层分别对应于DFB激光器区和随机反馈区；所述的DFB激光器区为整个芯片提供输出光和反馈光，其对应的上限制层部分制作有分布反馈Bragg光栅层；所述的随机反馈区对所述DFB激光器区发出的光进行随机多反馈，该随机反馈区对应的有源层部分制作有随机反馈光栅。本发明采用随机光栅反馈结构产生混沌激光，彻底消除了单腔光反馈混沌激光器的时延特性。

Description

一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片。
背景技术
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。研究表明，混沌激光已在混沌保密光通信、高速随机数秘钥生成、抗干扰的激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等领域显示出其重要的应用价值。
而目前产生混沌激光的方法，大多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，体积较大、成本高、布局复杂、易受环境影响、输出不稳定。随着新型微纳光子器件研究的进展和半导体制备工艺的不断提高，光子器件集成技术已经逐步应用到现行光通信系统中，并成为基于全光信号处理的高速光通信未来发展的必然趋势。因此，基于光子集成技术的混沌光子集成光源对于混沌激光的应用具有重要的实用价值。
2008年，A. Argyris 等人提出了一个新型的单片光子集成芯片（A. Argyris et al., “Photonic integrated device for chaos applications in communications,”Physical Review Letters, 100(19):194101, 2008.），该芯片由DFB激光器区、增益吸收区、相区、和末端镀有高反膜的无源波导组成。其中，无源波导末端所镀的高反膜为DFB芯片提供单腔反馈，增益吸收区和相区可以分别调控反馈光的强度和相位，从而产生混沌信号。
2010年，V. Z. Tronciu等人提出了带有空气隙的多反馈单片光子集成混沌半导体激光器芯片（V. Tronciu et al., “Chaos generation and synchronization usingan integrated source with an air gap,” IEEE Journal of Quantum Electronics,46(12):1840-1846, 2010.），包括一个DFB激光器区、两个相区、一个空气隙，以及无源波导部分。其中，空气隙的两面以及镀有高反射膜的面对DFB激光器区形成三腔反馈，相区可以控制反馈相位。
2013年，吴加贵等人研制了一个三段式的单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（J. G. Wu et al., “Direct generation of broadband chaos by a monolithicintegrated semiconductor laser chip,” Optics Express, 21(20): 23358-23364,2013.）。该芯片包含DFB区、相位控制区、放大区，并在一端端面镀高反射膜以形成单腔反馈。通过放大区控制反馈光强和相位控制区控制反馈相位实现混沌光输出。
2014年S. Sunada等人研制出二维外腔结构的单片集成混沌激光器芯片（S.Sunada et al., "A compact chaotic laser device with a two-dimensionalexternal cavity structure," Applied Physics Letters, 104(24): 241105,2014.），该芯片包括一个激光器部分和一个2D的外腔部分，其中，2D的外腔部分能够使激光产生更大的单反馈光延迟，反馈强度通过注入外腔的电流控制。
但是，以上单片集成混沌半导体激光器芯片均采用了延时光反馈结构，多为单反馈结构。其所产生的混沌激光带有明显的时延特征信息，亦即混沌信号具有一定的周期性。这会降低利用混沌激光作为物理熵源产生的高速物理随机数的随机特性；而对于混沌保密光通信，混沌激光具有时延特征信息会导致安全漏洞；会对混沌雷达和光时域反射仪引入虚警和误判。而本发明提供一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片,其随机多反馈结构彻底消除了一般单腔光反馈混沌激光器的时延特性，降低其弱周期性，提高其随机性。
同样地，为了针对混沌激光的时延特性，学者们也进行了许多研究。
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，其目的是提供一种光反馈混沌激光器（见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6）。但是，此混沌激光器仍是半导体激光器加外部分立的光学元件如光纤耦合器、光衰减器、偏振控制器等搭建而成的，具有体积较大、成本高、布局复杂、易受环境影响、输出不稳定等缺点。而我们的混沌激光器是单片集成结构，体积小、集成性强且输出稳定。
2014年太原理工大学提出了分布式光反馈加光注入联合扰动结构的混合片上集成混沌激光器 （见专利：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号：ZL201410435033.9）。混沌激光器芯片整体设计采用掺铒光波导形成连续散射分布反馈以消除固定延时周期，主、从激光器互注入以实现混沌整形和带宽增强，产生无时延特征信息、频谱平坦、宽带的混沌激光。但是，此混沌激光器是采用倒装贴片的技术将各器件如分布式反馈半导体激光芯片、半导体光放大芯片等和波导耦合，集成在一起，相比于单片集成方式，此方式耦合精度较低、集成性不强，不够稳定。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片。随机光栅反馈结构彻底消除了单腔光反馈混沌激光器的时延特性，降低其弱周期性，提高其随机性。且单片集成的结构具有重量轻、体积小、集成性强、输出稳定等优点。
本发明公开了一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，包括：
一衬底；
一下限制层，其制作在衬底上；
一有源层，其制作在下限制层上；
一上限制层，其制作在有源层上；
一波导层，为条状，其纵向制作在上限制层上面的中间；
一P+电极层，其是用隔离沟将其分为两段，其制作在波导层上；
一N+电极层，其制作在下限制层的背面；
其中，分为两段的P+电极层分别对应于DFB激光器区和随机反馈区；
其中所述的DFB激光器区为整个芯片提供输出光和反馈光，其对应的上限制层部分制作有分布反馈Bragg光栅层；
其中所述的随机反馈区对所述DFB激光器区发出的光进行随机多反馈，该随机反馈区对应的有源层部分制作有随机反馈光栅层；
其中所述的DFB激光器区对应的有源层部分优选为多量子阱材料；
其中所述的随机反馈区对应的有源层部分优选为体材料。
本发明的有益效果是：
1、该单片集成激光器芯片采用随机光栅反馈结构彻底消除了一般单腔光反馈混沌激光器的时延特性，降低其弱周期性，提高其随机性；
2、该单片集成激光器芯片属于单片集成结构，重量轻、体积小、集成性强且输出稳定。
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，其中：
图1为本发明的一具体实施方式的结构示意图。
01-衬底；02-下限制层；03-有源层，04-上限制层，05-波导层，06-P+电极层，07-N+电极层，08-隔离沟，09-分布反馈Bragg光栅层，10-随机反馈光栅层；
A-DFB激光器区，B-随机反馈区。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片结构，包括：
一衬底01；
一下限制层02，；
一有源层03，其制作在下限制层02上；
一上限制层04，其制作在有源层03上，和下限制层02共同作用，用于垂直方向限制载流子和光子；
一波导层05，为条状，其纵向制作在上限制层上面的中间，其作用主要为侧向限制光的传播，对光进行导引；
一P+电极层06，其制作在波导层05上，所述P+电极层06用隔离沟08将其分为两段，其隔离沟08是通过注入He+离子的方式使之成为高阻区，从而实现各电极之间的电隔离；
一N+电极层07，其制作在衬底01的背面；
其中分为两段的P+电极层分别对应于DFB激光器区A和随机反馈区B；
其中所述的DFB激光器区A为整个芯片提供输出光和反馈光，其对应的上限制层部分制作有分布反馈Bragg光栅层09，为实现所述DFB激光器区A的单模工作，光栅采用部分增益耦合光栅或λ/4相移光栅（属于分布反馈Bragg光栅层），所述DFB激光器区A的长度为300±50μm；
其中所述的随机反馈区B对所述DFB激光器区A发出的光进行随机多反馈，该随机反馈区B对应的有源层部分制作有随机反馈光栅层10，所述随机反馈区B的长度为8-10mm；
其中所述的DFB激光器区A对应的有源层部分主要用于将电能转化为光子，优选为多量子阱材料；
其中所述的随机反馈区B对应的有源层部分主要用于光传播，优选为体材料；
其中所述的基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片在DFB激光器区A一侧的端面为自然解离端面，反射率为0.32，或者为提高反馈光的强度而镀增反膜，反射率增大到0.9，该端面优选为镀增反膜；
其中所述的基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片在随机反馈区B一侧的端面为出光端面，该端面是自然解离端面，反射率为0.32，或者为提高出光功率而镀增透膜，反射率减小到0.1，该端面优选为镀增透膜，最终从该端面输出混沌信号；
该单片集成混沌激光器芯片采用随机光栅反馈结构彻底消除了一般单腔光反馈混沌激光器的时延特性，降低其弱周期性，提高其随机性；采用单片集成结构，具有重量轻、体积小、集成性强、输出稳定等优点。
以上所述的具体实施例，对本发明一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片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 (5)

1.一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，其特征在于，包括：
一衬底；
一下限制层，其制作在衬底上；
一有源层，其制作在下限制层上；
一上限制层，其制作在有源层上；
一波导层，为条状，其纵向制作在上限制层上面的中间；
一P+电极层，其是用隔离沟将其分为两段，其制作在波导层上；
一N+电极层，其制作在下限制层的背面；
其中，分为两段的P+电极层分别对应于DFB激光器区和随机反馈区；
所述DFB激光器区为整个芯片提供输出光和反馈光，其对应的上限制层部分制作有分布反馈Bragg光栅层；
所述随机反馈区对DFB激光器区发出的光进行随机多反馈，该随机反馈区对应的有源层部分制作有随机反馈光栅层。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，其特征在于，所述的DFB激光器区通过部分增益耦合光栅或者λ/4相移光栅来实现单纵模振荡；DFB激光器区的长度为300±50μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，其特征在于，随机反馈区的长度为8-10mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，其特征在于，所述的DFB激光器区对应的有源层部分为多量子阱材料。
5.根据权利要求3所述的一种基于随机光栅反馈的单片集成混沌激光器芯片，其特征在于，所述的随机反馈区对应的有源层部分为体材料。
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