CN107749564B - 高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，包括：一DFB激光器结构A；一高散射掺杂光波导结构C；一非掺杂光波导结构B，其连接A和C。本发明利用高散射的掺杂光波导随机反馈产生混沌激光，消除了混沌激光器的时延特征，并采用单片集成结构，结构更紧凑，稳定性更好。

Description

高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，特别指一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片。
背景技术
混沌信号具有随机性好、宽频谱、极为有限的可预测性等优势，易于产生和控制，在宽带和超宽带领域中引起人们的极大关注。高质量的混沌光信号在物理随机数产生、激光雷达及时域反射计等方面有重要应用，在通信、传感、信息安全等领域的应用也逐渐走向实用化。
高质量的混沌信号可由半导体激光器在光反馈、光电反馈及光注入情况下产生。这种混沌信号具有物理随机，长期不可预测及对初始状态极为敏感等优点，可呈现出类噪声的特征，能够有效掩藏有用信息，从器件和物理层进行加密和解密，已成为保密通信领域的重要备选方案。
然而，研究发现，激光混沌光源因外腔反馈会产生明显的时延特征，这种特征通过相关性分析可轻易获取，不仅破坏了混沌光通信系统的安全性，还会增加高速随机数发生器后处理技术的复杂度，使得混沌光通信系统存在安全隐患，无法满足混沌光通信的高安全性要求。除此之外，现有实验室搭建的混沌信号发生器所产生的混沌信号存在功率谱不平坦、带宽窄等问题，也大大限制了混沌信号的应用。
同时，目前绝大部分混沌源都是靠分离器件搭建而成，其结构复杂，且易受环境影响、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。
作为光子集成芯片的一种，单片集成半导体激光器（MISL）具有结构紧凑、输出稳定、适宜大规模生产等优点。通过特殊设计和制造，可对MISL进行电流调节，输出不同动力学态的信号。
针对此问题，2014年太原理工大学提出了光子集成混沌半导体激光器，采用掺铒无源光波导作为连续散射体构成连续分布式反馈腔，采用无隔离双向放大的半导体光放大芯片控制左右分布式反馈半导体激光芯片互注入的光功率大小和无源光波导对左分布式反馈半导体激光芯片的反馈强度，以解决半导体激光器所产生的混沌激光带有时延特征、信号带宽窄、频谱不平坦、输出不稳定的问题（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：ZL104158085A）。
然而，上述混沌半导体激光器芯片采用混合集成，仍存在耦合效率低等问题，而单片集成混沌源的耦合效率更高，是光子集成混沌源发展的下一个目标。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片。高散射掺杂光波导结构为混沌激光器提供了随机后向散射结构，产生混沌光，该混沌光具有随机性强的特点，消除了时延特征。且芯片采用单片集成，结构更紧凑，稳定性更好，集成性更强。
本发明提供一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，
该芯片包括DFB激光器结构，非掺杂光波导结构和高散射掺杂光波导结构，其中DFB激光器结构和高散射掺杂光波导结构分别分布在非掺杂光波导结构的两端。
芯片中DFB激光器结构所对应的半导体材料带隙波长在1.55微米或大于1.55微米，非掺杂光波导结构以及高散射掺杂光波导结构所对应的半导体材料带隙波长在1.45微米或小于1.45微米。
其中DFB激光器结构使用的有源区材料为应变量子阱材料，其中高散射掺杂光波导结构和非掺杂波导结构所使用的有源区材料为体材料。
在上述方案中，掺杂光波导的有源层中采用的掺杂元素可以是硅、铁、硼等。
本发明的有益效果是：采用高散射掺杂光波导作为混沌光产生的核心结构，利用随机光反馈产生优质混沌光，增强其随机性，产生有利于实际应用的优质混沌光；消除了混沌激光器的时延特征；采用单片集成的结构，结构紧凑，稳定性高，集成性强。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术特征，以下结合具体实施例并参照附图，对本发明做进一步详细说明，其中：
图1为本发明示意图；
图2为本发明各结构具体生长区示意图。
01-N+电极层，02-衬底，03-下限制层，04-波导层，05-有源层，06-上限制层，07-P+电极层，08-隔离沟，A-DFB激光器结构、B-非掺杂光波导结构，C-高散射掺杂光波导结构。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，该芯片包括DFB激光器结构，非掺杂光波导结构和高散射掺杂光波导结构，其中DFB激光器结构和高散射掺杂光波导结构分别分布在非掺杂光波导结构的两端。
如图2所示，本发明各部分结构包括：
一衬底02；
一下限制层03，其制作在衬底02上；
一有源层05，其制作在下限制层03上；
一上限制层06，其制作在有源层05上；
一波导层04，为条状，其纵向制作在上限制层06上面的中间；
一P+电极层07，其是用隔离沟08将其分为三段，其制作在波导层04上，其隔离沟08是通过注入He+或者材料刻蚀等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01，其制作在衬底02的背面；
其中，分为三段的P+电极层07分别为DFB激光器结构A、非掺杂光波导结构B和高散射掺杂光波导结构C；
其中所述的DFB激光器结构A对应的上限制层06部分制作有分布反馈布拉格光栅层，为整个芯片提供输出光和反馈光；通过部分增益耦合光栅或者λ/4相移光栅，DFB激光器结构可实现单纵模振荡，其长度为300±50μm。
其中所述的高散射掺杂光波导结构C对应的有源层05部分的掺杂元素采用硅、铁、硼等，对DFB激光器结构A发出的光进行后向散射，提供随机反馈，产生混沌激光；高散射掺杂光波导区的长度为300μm。
其中所述的单片集成激光器芯片在DFB激光器结构A一侧的端面为自然解理端面，反射率为0.3，或者为提高反馈光的强度而镀增反膜，反射率增大到0.95，该端面优选为镀增反膜。
其中所述的单片集成激光器芯片在高散射掺杂光波导结构C一侧的端面为出光端面，该端面是自然解理端面，反射率为0.3，或者为提高出光功率而镀增透膜，反射率减小到0.01，该端面优选为镀增透膜，最终从该端面输出混沌信号。
不同区域的子器件集成在同一InP基片上所使用的方法有量子阱混杂或选择区域外延。
高散射掺杂光波导结构和非掺杂光波导结构唯一区别在于波导的有源层掺杂与否。
本发明所述高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片采用高散射掺杂光波导作为混沌光产生的核心结构，利用随机光反馈产生优质混沌光，随机性强，消除了混沌激光器的时延特征；采用单片集成的结构，结构紧凑，稳定性高，集成性强。
以上所述的具体实施例，对本发明一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成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)

1.一种高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，其特征在于，该芯片包括DFB激光器结构，非掺杂光波导结构和高散射掺杂光波导结构，其中DFB激光器结构和高散射掺杂光波导结构分别分布在非掺杂光波导结构的两端；高散射掺杂光波导结构和非掺杂光波导结构唯一区别在于波导的有源层掺杂与否。
2.根据权利要求1所述高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，其特征在于，芯片中DFB激光器结构所对应的半导体材料带隙波长在1.55微米或大于1.55微米，非掺杂光波导结构以及高散射掺杂光波导结构所对应的半导体材料带隙波长在1.45微米或小于1.45微米。
3.根据权利要求1所述的高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，其特征在于，DFB激光器结构使用的有源区材料为应变量子阱材料，高散射掺杂光波导结构和非掺杂波导结构所使用的有源区材料为体材料。
4.根据权利要求1所述的高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，其特征在于，其中高散射掺杂光波导结构其掺杂元素为硅或铁或硼。
5.根据权利要求3所述的高散射掺杂光波导反馈产生混沌光的单片集成激光器芯片，其特征在于，DFB激光器结构、非掺杂光波导结构和高散射掺杂光波导结构的子器件集成在同一InP基片上所使用的方法有量子阱混杂或选择区域外延。
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