CN110429471A - 一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片，包括：芯片衬底，主分布反馈激光器，从分布反馈激光器以及光波导；主分布反馈激光器、从分布反馈激光器以及光波导均集成在芯片衬底上，主分布反馈激光器与从分布反馈激光器采用背靠背的方式连接；光波导的一端与从分布反馈激光器连接，另一端作为输出，该芯片是将两个分布反馈激光器集成在同一芯片衬底上，内部光栅均采用等效位移光栅，可使主从激光器的耦合效率更高。通过分布给主、从分布反馈激光器施加偏置电流，使两分布反馈激光器发光并注入对方激光器对其光场进行扰动，从而产生高带宽，无时延特征的混沌激光。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片。
背景技术
近年来，由于混沌激光类噪声和高带宽等特性，被广泛用于快速物理随机数产生，保密通信，光时域反射仪以及雷达探测等各个领域。
半导体激光器具有体积小，价格低，易集成等优点，利用半导体激光器产生混沌激光受到研究人员的广泛关注。半导体激光器为B类激光器，通过增加外部扰动，如光反馈，光电反馈，光注入以及互注入等，可以使半导体激光器产生混沌激光。然而，目前基于半导体激光器产生混沌激光的研究主要集中于分立的光电器件，它们通常体积庞大，结构复杂而且稳定性较差，难以实用。因此，发展光子集成的半导体混沌激光器是必然趋势。
光子集成半导体混沌激光器的研究在国内外已有一些报道，比如：希腊雅典大学和德国海因里希－赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Argyris等研制的混沌芯片，它由DFB激光源，增益/吸收区，相位控制区及反馈腔四部分构成[ Physical Review Letters, 100 (19): 194101, 2008 ]。西班牙巴利阿里群岛大学Tronciu等研制的集成的多光反馈半导体激光器芯片，这是具有三个外腔的集成多腔半导体激光器芯片[ IEEE Journal of Quantum Electronics, 46(12): 1840-4846, 2010 ]。日本埼玉大学和NTT通信科学实验室Sunada等研制的集成混沌芯片，包含一个DFB激光器、两个独立的半导体光放大器、环形无源光波导以及一个快速光电探测器[ Optics Express, 19(7): 5713-5724, 2011 ]。
在国内对光子集成混沌激光源也有相关报道。比如：中国科学院半导体研究所赵玲娟等和西南大学夏光琼等研制的三段式集成混沌芯片，其由DFB激光器区、相位区和放大区三部分组成[ Optics Express, 21(10): 23358-23364, 2013 ]。太原理工大学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[ IEEE Photonics Technology Letter, 29(12): 1911- 1914, 2017 ]。
然而，以上方案均采用延时光反馈结构产生混沌激光，其产生的混沌激光带有明显的时延特征。而且，光反馈产生的混沌激光能量主要集中在驰豫振荡频率附近，其频谱不平坦，带宽较窄。这些缺点将极大地限制混沌激光的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片，包括：芯片衬底，主分布反馈激光器，从分布反馈激光器以及光波导；主分布反馈激光器、从分布反馈激光器以及光波导均集成在芯片衬底上，主分布反馈激光器与从分布反馈激光器采用背靠背的方式连接。光波导的一端与从分布反馈激光器连接，另一端作为输出；主分布反馈激光器、从分布反馈激光器均采用双异质结多量子阱结构，内部光栅为等效位移光栅；通过给主分布反馈激光器和从分布反馈激光器分别施加偏置电流，两激光器发出的光会进入对方激光器并对其光场进行扰动，从而产生混沌激光，最终产生的混沌激光通过光波导输出。
在本发明所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片中，衬底采用的材料磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、硅（Si）中的一种。
在本发明所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片中，两个分布反馈激光器采用的结构均为双异质结多量子阱结构，内部光栅均为等效相移光栅。
在本发明所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片中，主分布反馈激光器和从分布反馈激光器分别由独立的电流源进行供电，共用一个温控源稳定其输出。
实现本发明所提供的一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片的技术方案，其优点和积极效果在于：
第一：该技术方案是利用互注入扰动的原理实现混沌激光的产生，最终产生的混沌激光器频谱平坦，带宽高，而且没有时延特征；
第二：该技术方案的内部集成结构为双区结构，仅使用两个分布反馈激光器即可实现混沌激光的产生，不需要相位区和增益区，结构更加简单而且能耗更低；
第三：该技术方案是光子集成的，输出稳定，更利于混沌激光的实用化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种光子集成双区混沌半导体激光器的结构示意图。
图2是本发明的一种光子集成双区混沌半导体激光器输出混沌激光的频谱图。
图3是本发明的一种光子集成双区混沌半导体激光器输出混沌激光的自相关特性曲线。
图中：1：芯片衬底；2：主分布反馈激光器；3：从分布反馈激光器；4：光波导。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如附图1所示，本发明所提供的一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片由芯片衬底1，主分布反馈激光器2，从分布反馈激光器3以及光波导4构成。其中，主分布反馈激光器2，从分布反馈激光器3以及光波导4均集成在芯片衬底1上。主分布反馈激光器2与从分布反馈激光器3采用背靠背的方式连接，光波导4的一端与从分布反馈激光器3连接，另一端作为输出。主、从分布反馈激光器均采用双异质结多量子阱结构，内部光栅为等效位移光栅。通过给主分布反馈激光器2和从分布反馈激光器3分别施加偏置电流，两分布反馈激光器发的光会进入对方分布反馈激光器并对其光场进行扰动从而产生混沌激光，最终由与从分布反馈激光器相连的光波导4输出结果。
具体实施时，芯片衬底采用In-P衬底，光波导采用SiO2材料，主分布反馈激光器和从分布反馈激光器采用InAlGaAs多量子阱结构，长度均为500 μm，内部等效移光栅的等效相移量为 π，中心波长在1550 nm附近。通过改变主分布反馈激光器和从分布反馈激光器的偏置电流，可以改变主、从分布反馈激光器的频率失谐以及互注入强度。当主分布反馈激光器的偏置电流为30-50 mA，从分布反馈激光器的偏置电流在60-70 mA 时，该光子集成双区半导体混沌激光器的输出皆为混沌激光。附图2为主分布反馈激光器偏置电流为30 mA，从分布反馈激光器偏置电流为60 mA时，该光子集成双区混沌半导体激光器输出的频谱图，其3 dB带宽约为8 GHz，附图3为上述状态下混沌激光的自相关曲线，没有时延特征出现。
需要特别指出的是，本发明公开的一种光子集成双区混沌半导体激光器是将两个分布反馈激光器集成在同一芯片衬底上，内部光栅均采用等效位移光栅，可使主从激光器的耦合效率更高。通过分布给主、从分布反馈激光器施加偏置电流，使两分布反馈激光器发光并注入对方激光器对其光场进行扰动，从而产生高带宽，无时延特征的混沌激光。
实现本发明所提供的一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片的技术方案，其优点和积极效果在于：
第一：该技术方案是利用互注入扰动的原理实现混沌激光的产生，最终产生的混沌激光器频谱平坦，带宽高，而且没有时延特征；
第二：该技术方案的内部集成结构为双区结构，仅使用两个分布反馈激光器即可实现混沌激光的产生，不需要相位区和增益区，结构更加简单而且能耗更低；
第三：该技术方案是光子集成的，输出稳定，更利于混沌激光的实用化。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种光子集成双区混沌半导体激光器芯片，其特征在于，包括：
芯片衬底，主分布反馈激光器，从分布反馈激光器以及光波导；主分布反馈激光器、从分布反馈激光器以及光波导均集成在芯片衬底上，主分布反馈激光器与从分布反馈激光器采用背靠背的方式连接；光波导的一端与从分布反馈激光器连接，另一端作为输出；主分布反馈激光器、从分布反馈激光器均采用双异质结多量子阱结构，内部光栅为等效位移光栅；通过给主分布反馈激光器和从分布反馈激光器分别施加偏置电流，两激光器发出的光会进入对方激光器并对其光场进行扰动，从而产生混沌激光，最终产生的混沌激光通过光波导输出。
2.根据权利要求1所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片，其特征在于，衬底采用的材料磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、硅（Si）中的一种。
3.根据权利要求1所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片，其特征在于， 两个分布反馈激光器采用的结构均为双异质结多量子阱结构，内部光栅均为等效相移光栅。
4.根据权利要求1所述的光子集成双区混沌半导体激光器芯片，其特征在于，主分布反馈激光器和从分布反馈激光器分别由独立的电流源进行供电，共用一个温控源稳定其输出。
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