CN109687287A - 一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器 - Google Patents

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Abstract

一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，包括垂直腔面发射激光器结构和集成的反馈腔结构；所述垂直腔面发射激光器结构是由从上到下依次紧密排列的P面电极、P型分布布拉格反射镜、有源区、N型分布布拉格反射镜、N面电极构成，其中，P型分布布拉格反射镜、N型分布布拉格反射镜以及夹在它们之间的有源区构成有源谐振腔，提供激光激射所需增益物质；所述集成的反馈腔是由衬底和介质膜构成；本激光器阈值电流及功耗低，寿命长，结构紧凑，体积小，集成度高，可广泛应用于保密通信、激光雷达、物理随机数产生等领域。

Description

一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器
技术领域
本发明涉及一种垂直外腔面发射混沌激光器，特别是涉及一种用于集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器。
背景技术
混沌激光在通信领域有着广泛应用，例如，它常用作保密通信的载波信号，测距雷达或光时域反射仪的探测信号以及密钥发生器的熵源信号等。
通过对半导体激光器附加扰动是获取混沌激光的有效方式，典型的扰动方法包括光反馈、光注入以及光电反馈等，例如：太原理工大学王云才课题组，利用DFB激光器外加光学反馈系统实现混沌激光的输出（IEEE Photon. Technol. Lett., 20(19)：1633~1635，2008 ）；Simpson T B等人通过调节两个激光器之间的注入强度和频率失谐实现混沌激光的输出（Physics Reports，416(1)：1-128，2005.）；Lin F Y等人利用延迟光电反馈的方式产生了混沌激光（Quantum Electronics，IEEE Journal of，39(4)：562-568，2003.）。
但是，目前已经报道的众多方案多是在实验台上利用半导体激光器结合各种外部分立光学元件搭建而成的，体积庞大，易受环境影响、输出不稳定，近年来，体积小、性能稳定、低成本的光子集成混沌半导体激光器研制工作发展迅速，例如，希腊学者Argyris等人研制了包含一个DFB激光器、增益/吸收区、相位控制区和长无源波导镀膜反馈腔构成的单片集成混沌半导体激光器芯片，通过调节增益/吸收区的偏置电流，该芯片可以产生复杂的动力学状态，包括混沌激光（Physical Review Letters，100(19)：1-4，2008.）；意大利Annovazzi-Lodi等人、西班牙Mirasso等人和德国Hamache研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器芯片（IEEE Journalof Quantum Electronics，46(12)：1840-1846，2010.）；国内夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了一个三段式单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（Optics Express，21(20)：23358-23364，2013.），该芯片包含一个DFB区、相位控制区、放大区，并在一端端面镀高反射膜以形成光反馈腔，通过控制反馈光强实现混沌光输出；张明江等人提出的集成短腔混沌半导体激光器，它是由分布反馈激光器，准直透镜，半透半反镜，耦合透镜以及无源光纤组成，其可以产生带宽高达4.5GHz的混沌激光（IEEE Photonics Technology Letter，29(12)：1911-1914，2017.）。
但需要注意到的是，上述的集成混沌半导体激光器均采用DFB激光器作为光源，其输出光沿着衬底片平行的方向，需多个工作区集成在一起，集成工艺复杂，成本颇高，与之相比，垂直腔面发射激光器具有不可比拟的优势，如有源区的体积很小，能得到很低的阈值电流；具有较高的驰豫振荡频率，动态调制频率高，调制带宽宽；光输出沿着垂直于衬底片的方向，易于形成二维阵列集成，工艺简单，成本低等。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，主要解决的技术问题是在垂直腔面发射激光器的衬底上镀制介质膜来构成集成的反馈腔，以此对发射激光附加扰动，实现光反馈，最终输出混沌激光，其中，最重要的因素是选择合适的衬底厚度作为反馈腔长以及选取合适的介质膜反射率作为反馈强度，这一发明减小了混沌源的体积，提高了集成度，解决了现有光反馈混沌激光器结构复杂的问题，可应用于现代密码学、高速光通信等领域。
为了解决上述问题以及实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，该发明主要包括垂直腔面发射激光器结构和集成的反馈腔结构两部分。
所述垂直腔面发射激光器结构是由从上到下依次紧密排列的P面电极、P型分布布拉格反射镜、有源区、N型分布布拉格反射镜、N面电极构成，其中，P型分布布拉格反射镜、N型分布布拉格反射镜以及夹在它们之间的有源区构成有源谐振腔，提供激光激射所需增益物质。
所述集成的反馈腔是由衬底和介质膜构成。所述衬底作为光反馈的外腔，通过减薄抛光处理，可得到合适的衬底厚度，即得到合适的反馈腔长；所述介质膜作为光反馈的反射镜，选择合适的反射率可以得到合适的反馈强度。用这一集成的反馈腔可以对激射激光进行光反馈，附加适当的扰动，最终输出混沌激光。
基于上述技术方案，所附加的技术特征在于：
所述P型分布布拉格反射镜和N型分布布拉格反射镜的反射谱中心波长为980nm或1550nm。
所述有源区的中心光谱为980nm或1550nm。
所述衬底是低折射率的介质材料，衬底厚度在百μm量级。
所述介质膜镀制在衬底下表面，其反射率在20%~30%之间。
本发明上述所提供的一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，与现有技术相比，其优点与积极效果如下。
本发明通过减薄抛光衬底厚度来获得反馈腔长，把反馈腔长减小到了百μm量级，减小了反馈腔的体积，继而减小了混沌源的体积。
本发明通过在衬底上镀一定反射率的介质膜来实现光反馈，集成度高，解决了现有光反馈混沌激光器结构复杂的问题。
本发明基于垂直腔面发射激光器，该激光器本身阈值电流很低，因而功耗较低，寿命长。
此外，垂直腔面发射激光器由于输出光沿着垂直于衬底片的方向，易于大规模二维阵列集成，成本低，可实现工业化大生产，广泛应用于保密通信、激光雷达、物理随机数产生等领域。
附图说明
图1是本发明一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器的结构示意图。
图中：1：P面电极；2：P型分布布拉格反射镜；3：有源区；4：N型分布布拉格反射镜；5：衬底；6：N面电极；7：介质膜。
图2是本发明一光反馈垂直外腔面发射混沌激光器产生混沌信号的时序图。
图3是本发明光反馈垂直外腔面发射混沌激光器产生混沌信号的频谱图。
图4是本发明光反馈垂直外腔面发射混沌激光器产生混沌信号的自相关图。
具体实施方式
本发明一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，是在现有垂直腔面发射激光器制造工艺的基础上，通过对N面衬底进行减薄抛光处理，获得合适的衬底厚度，即获得合适的反馈腔长；并在衬底上镀一定反射率的介质膜来确定反馈强度，进而由衬底和所镀介质膜形成集成的反馈腔，对激射激光进行光反馈，附加适当的扰动，最终输出混沌激光。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如附图所示，是本发明一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器的具体结构示意图，其整套装置主要包括P面电极1、P型分布分拉格反射镜2、有源区3、N型分布分拉格反射镜4、衬底5、N面电极6以及介质膜7。
其具体实施方式是：P型分布分拉格反射镜2和N型分布分拉格反射镜4的反射谱中心波长为980nm，反射率分别为98.9%和95.9%；有源区3是由三个InAs/GaAsP量子阱组成的，中心光谱为980nm；上述P型分布分拉格反射镜2、N型分布分拉格反射镜4以及夹在它们之间的有源区3构成有源谐振腔，为激光激射提供所需增益物质；衬底5经过减薄抛光处理，使衬底厚度至400μm，作为反馈腔长；介质膜7由TiO2/SiO2构成，镀制在衬底5下表面，选取所镀介质膜的反射率为30%，即反馈光强为30%；衬底5与介质膜7构成集成的反馈腔，对出射激光进行光反馈，造成适当的扰动，最终输出混沌激光。
本实施例所产生混沌激光的内部物理机制可用一组包含反馈项的垂直腔面发射激光器的自旋翻转模型(SFM)来详细描述：
式（1）（2）描述了垂直腔面发射激光器在光反馈下输出光场E的变化，式（3）（4）描述了垂直腔面发射激光器内部载流子密度N的变换。
式中各参数的物理含义如下：E为光场的慢变复振幅，N为总载流子密度，n 表示两个自旋反转载流子密度的差值，k为光场衰减率，α为线宽增强因子，代表总载流子衰减率，为自旋反转速率，为二向色性系数，为双折射系数，μ为归一化注入电流强度；式（1）（2）右边第三项为反馈项，其中，kf为反馈速率，τf为反馈延迟。
对（1）-（4）式进行数值求解，模拟采用参数如下：α =3，k =36 ns-1，γ N =1 ns-1，γ s =1000 ns-1，γ a =1.4 ns-1，γ p =106 ns-1，μ=2mA，τf=8.8×10-3ns，=0.06ps。
基于上述光反馈垂直腔面发射激光器的速率方程及参数对实施例进行仿真模拟，当衬底厚度为400μm，介质膜反射率为30%时，得到系统输出激光的结果图，附图2为时序图，附图3为频谱图，附图4为自相关图。从三幅图中可以看出，时间序列呈杂乱无章的状态，复杂度高，具有不可预测性；频谱图很平坦，没有明显的周期性特征峰；自相关图没有明显的旁瓣，而且在主峰附近看不到明显的尖峰，较好的消除了时延特征，综上，本发明所述的一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器可以输出混沌激光。
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)

1.一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，包括垂直腔面发射激光器结构和集成的反馈腔结构；其特征在于：
所述垂直腔面发射激光器结构是由从上到下依次紧密排列的P面电极、P型分布布拉格反射镜、有源区、N型分布布拉格反射镜、N面电极构成，其中，P型分布布拉格反射镜、N型分布布拉格反射镜以及夹在它们之间的有源区构成有源谐振腔，提供激光激射所需增益物质；
所述集成的反馈腔是由衬底和介质膜构成，所述衬底作为光反馈外腔，通过减薄抛光处理，获得合适的衬底厚度，即反馈腔长；所述介质膜作为光反馈的反射镜，通过选择其反射率来获得反馈强度，用这一集成的反馈腔对激射激光进行光反馈，附加扰动，最终输出混沌激光。
2.如权利要求1所述的集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，其特征在于：所述P型分布布拉格反射镜和N型分布布拉格反射镜的反射谱中心波长为980nm或1550nm。
3.如权利要求1所述的集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，其特征在于：所述有源区的中心光谱为980nm或1550nm。
4.如权利要求1所述的集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，其特征在于：所述衬底是低折射率的介质材料，衬底厚度在百μm量级。
5.如权利要求1所述的集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，其特征在于：所述介质膜镀制在衬底下表面，其反射率在20%-30%之间。
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