CN110165554B - 基于微环波导结构的集成混沌信号发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光子集成混沌激光器领域。具体为一种基于微环波导的集成混沌信号发生器，用于产生宽带、频谱平坦、无时延特征的混沌激光，解决了现有的产生混沌激光方法体积庞大、易受环境影响，带有时延信息等问题。本发明将激光器以及用于光反馈的U型波导和微环结构集成在一个芯片上，是一种新颖的结构。同时有效减小了器件体积，波导结构在硅基上实现，工艺较简单，适合用于随机数产生以及保密通信等大规模集成芯片。

Description

基于微环波导结构的集成混沌信号发生器
技术领域
本发明涉及光子集成混沌激光器领域，具体为一种基于微环波导结构的集成混沌信号发生器。
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，广泛应用于通信、传感、雷达以及随机数产生等领域。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。
目前，产生混沌激光的方式主要有四种：光反馈方式、光注入方式、光电反馈方式和混合式扰动方式。光反馈方式由于结构简单，且易产生高维混沌振荡而被广泛采用。然而，固定腔长的光反馈结构会使所产生的混沌激光带有时延信息，使得高维混沌环境在传输过程投影为低维混沌环境，这就使得信息窃密者很容易对混沌信号进行窃取，严重破坏保密通信系统的安全。Jia-Gui Wu、Guang-Qiong Xia等人利用双反馈结构（J .Wu et al.，Optics Express，17（22）:20124-20133，2009.），王安帮等人通过啁啾光栅抑制了半导体激光器混沌输出的时间延迟特性（A.B.Wang et al.,IEEE Photonics Technology Letters,30(16):1435-1438,2018），利用外部分立光学元件搭建而成，集成度低。不能满足保密通信，随机数产生等领域对信号源稳定性的要求，必须研制体积小、性能稳定的光子集成混沌半导体激光器。
2014年太原理工大学提出了掺铒光波导和互注入混合扰动的混沌半导体激光器，以此产生输出稳定、无时延特征、频谱平坦的混沌信号，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（无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，CN201410435033.9）。该混沌激光器将光波导、掺铒的无源光波导、左分布式反馈半导体激光芯片、无隔离双向放大的半导体光放大芯片、右分布式反馈半导体激光芯片、高速光电探测芯片集成在芯片衬底上，较传统混沌激光产生方式集成度有较大提高，但激光器芯片、放大器芯片的使用，增加了器件尺寸，同时在与各部分耦合中引入较多的耦合损耗。
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。因此，本发明提出一种基于微环波导结构的混沌信号发生器，以克服以上问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型的基于微环波导结构的混沌信号发生器，用以产生高复杂度、无时延的混沌激光，以解决目前混沌激光发生装置体积大、结构复杂、稳定性差、时延特征明显等问题。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种基于微环波导结构的混沌信号发生器，包括硅基衬底，所述硅基衬底上平行设有输入波导和反馈波导，所述输入波导和反馈波导之间设有微环波导，所述输入波导的左端和反馈波导的左端之间通过U型波导连接；所述反馈波导的右端面作为反馈端面并镀有反射膜；所述输入波导的右端设有输出波导，所述输入波导和输出波导之间连接有半导体激光器芯片。
其中，U型波导、微环波导、输入/输出/反馈波导以及激光器芯片置于硅基衬底之上；激光器芯片左侧为输入波导，反馈波导右侧端面为反射端面，镀反射膜；U型波导弯曲半径8~9μm，产生随机后向散射反馈；微环波导半径5~7μm，输入/反馈波导与微环结构距离均≤0.1μm；激光器芯片对准入射端面；激光器芯片右侧为输出波导，混沌信号将从输出波导输出。
工作过程如下：激光器芯片发出连续光，进入输入波导，经微环波导，分为两路，满足微环谐振的光将直接进入反馈波导，在反射端面处产生反馈，沿反馈波导-微环波导-输入波导返回扰动半导体激光器芯片；另一路光经过U型波导，由反馈波导反射端面的反射膜反馈对激光器芯片扰动。在此过程中，光路反馈主要有三条路径，为方便说明，以输入波导和反馈波导与微环耦合区划分，将微环分为左、右两部分，如图2所示。第一条光路为沿输入波导、U型波导、反馈波导传输并反馈；第二条光路为沿输入波导、微环左半部分、反馈波导传输并反馈；第三条路径为沿输入波导、U型波导、反馈波导传输，而沿反馈波导、微环左半部分、输入波导反馈；三路反馈共同扰动半导体激光器芯片，使其产生混沌信号；三条反馈光路互相之间存在光程差，其中，沿第二条光路光程最短，其他两条光路相对其有不同的光延时，形成两路可对光路二形成反馈的反馈光，三路反馈光相互作用，并对半导体激光器芯片扰动，可产生时延抑制的、高维混沌；同时，存在两个环形谐振腔，分别为“微环”和“U型波导与微环右半部分组成的谐振腔”，满足两个环形谐振腔谐振条件的光在腔内多次振荡，进一步提高产生的混沌激光的维度；激光在耦合区由直波导进入微环或由微环进入直波导时，会产生π/2的相位变化，由于激光在整个波导中往复传输，将导致存在相位动态变化，当非线性反馈对信号相位的影响超过弛豫震荡的影响时，可获得频谱平坦、宽带的混沌信号，最终所产生的混沌激光从激光器右侧输出波导输出。
与现有的混沌半导体激光器相比，本发明的创新性在于：
1、本发明使用U型波导与微环波导结构相结合以产生混沌激光，结构新颖。
2、本发明通过三路反馈光对半导体激光器的扰动产生激光，有效消除时延信息。
3、微环波导结构的引入，获得动态相位，使产生的混沌激光具有宽带、频谱平坦的特点。
4、U型波导与微环波导结合的结构可极大减小器件整体体积，有利于提高集成度。
5、本发明仅包含半导体激光器芯片、波导以及微环之间的耦合，器件损耗低。
6、本发明器件在Si基上实现集成，工艺简单且成本较低。
本发明所述的基于微环波导的集成混沌信号发生器设计合理，用于产生宽带、频谱平坦、无时延特征的混沌激光，有效解决了光反馈产生的混沌激光具有时延信息、频谱不平坦的问题，适用于混沌保密通信、高速真随机数产生、激光雷达等应用领域。
附图说明
图1表示本发明结构示意图。
图2表示光路传输示意图。
图中：1-半导体激光器芯片，2-输入波导，3-微环，4- U型波导，5-反馈波导，6-镀有反射膜端面，7-输出波导，8-硅基衬底，9-微环左半部分，10-微环右半部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于微环波导结构的集成混沌信号发生器，包括半导体激光器芯片1、输入波导2、微环波导3、U型波导4、反馈波导5、输出波导7以及硅基衬底8，具体结构如图1所示，硅基衬底8上平行设有输入波导2和反馈波导5，输入波导2和反馈波导5之间设有微环波导3，输入波导2的左端和反馈波导5的左端之间通过U型波导4连接；反馈波导5的右端面作为反馈端面6并镀有反射膜；输入波导2的右端设有输出波导7，输入波导2和输出波导7之间连接有半导体激光器芯片1，激光器芯片1左侧对准输入波导2的入射端面，激光器芯片1右侧为输出波导7，混沌信号将从输出波导输出。
其中，半导体激光器芯片固定在硅基衬底右侧上部，左侧与输入波导相连，右侧与输出波导相连，该半导体激光器芯片两端不做镀膜处理，均为自然解离面，光信号可从两侧输出。
半导体激光器芯片输出的光进入输入波导，经过微环结构上耦合区分为两路，一路进入微环后直接进入反馈波导，并有部分光在微环内往复振荡；另一路继续向左侧传输，进入U型波导区域；从U型波导传输的光在微环下偶合区分为两路，一路进入微环后在微环内往复振荡，部分光在U型波导-微环右半部分构成的微环内往复振荡，另一路直接进入反馈波导；经反馈端面反馈的光在微环处再度分为两路，一路经微环进入输入波导反馈半导体激光器芯片，另一路向左传输，进入U型波导，在微环上偶合区分为两路，分别在上述两微环腔内振荡和对半导体激光器芯片扰动。
反馈波导右侧为反馈端面，镀反射膜，为传输到反馈波导的光提供全反馈，使传输到反馈波导的光沿原光路反馈半导体激光器芯片。
具体实施时，U型波导4弯曲半径8~9μm，产生随机后向散射反馈；微环波导3半径5~7μm，与输入/反馈波导的距离均≤0.1μm；硅基衬底8为Si基SiO2衬底，输入波导2、微环波导3、U型波导4、反馈波导5、输出波导7均为Si基SiO2无源光波导，直接在硅基衬底生长刻蚀制作；微环结构可以为圆形，也可以为跑道形，跑道形状可以提高微环两侧耦合区的耦合效率，减小损耗。
本发明将激光器以及用于光反馈的U型波导和微环结构集成在一个芯片上，是一种新颖的结构。同时有效减小了器件体积，波导结构在硅基上实现，工艺较简单，适合用于随机数产生以及保密通信等大规模集成芯片
以上所述的具体实施例，对本发明一种基于微环波导结构的集成混沌信号发生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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于微环波导结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：包括硅基衬底（8），所述硅基衬底（8）上平行设有输入波导（2）和反馈波导（5），所述输入波导（2）和反馈波导（5）之间设有微环波导（3），所述输入波导（2）的左端和反馈波导（5）的左端之间通过U型波导（4）连接；所述反馈波导（5）的右端面作为反馈端面（6）并镀有反射膜；所述输入波导（2）的右端设有输出波导（7），所述输入波导（2）和输出波导（7）之间连接有半导体激光器芯片（1）；
所述U型波导（4）的弯曲半径为8-9μm，所述微环波导（3）的半径为5-7μm，所述微环波导（3）与输入波导（2）和反馈波导（5）距离均小于等于0.1μm。
2.根据权利要求1所述的基于微环波导结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述硅基衬底（8）为Si基SiO2衬底，所述输入波导（2）、微环波导（3）、U型波导（4）、反馈波导（5）、输出波导（7）均为Si基SiO2光波导。
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