CN110740030B

CN110740030B - 双微环波导结构集成混沌信号发生器

Info

Publication number: CN110740030B
Application number: CN201910896466.7A
Authority: CN
Inventors: 张明江; 徐浩; 乔丽君; 张建忠; 王涛; 柴萌萌; 杨强; 卫晓晶; 张博鑫
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-09-23
Also published as: CN110740030A

Abstract

本发明公开了一种双微环波导结构集成混沌信号发生器，包括衬底（4），所述衬底（4）上置有双微环波导结构和DFB芯片（1），所述双微环波导结构包括直波导（2）以及双微环波导（3），所述双微环波导（3）包括微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32），微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32）相耦合、且同时与直波导（2）相耦合，所述DFB芯片（1）与双微环波导结构的直波导（2）相耦合。本发明使用互耦合的双微环波导与DFB芯片集成，及是一种新颖的结构，具有体积小、结构稳定、宽带等优势，适用于高速真随机数产生等领域的大规模集成芯片。

Description

双微环波导结构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，具体为一种双微环波导结构集成混沌信号发生器，适用于高速真随机数产生等领域的大规模集成芯片。

背景技术

混沌信号以其随机性和类噪声的特点，在混沌保密通信、高速真随机数生成、混沌激光雷达以及分布式光纤传感领域具有重要应用。DFB激光器属于B类激光器，易受外部条件干扰呈现不稳定的输出态，是产生混沌信号的主要器件。

当前基于混沌信号的产生，国内外研究者进行了大量的研究，主要方式有三种：光注入、光反馈和光电反馈。其中光电反馈受限于光电转换器件的速率，限制了该方法的发展，光注入方式和光反馈方式为全光传播，相比于光注入，光反馈方式结构简单，易于产生高维混沌，因此作为当前最普遍的混沌激光产生方式。但由于反馈墙长固定，产生的混沌信号带有时延信息，同时带宽与平坦度的不足也限制了混沌激光的应用。王安帮等人（A.Wanget al.，Optics Express，25（10），10911-10924,2017）利用啁啾光栅色散反馈消除混沌信号的时延信息，但实现方法复杂，不易于大规模生产。Guang-Qiong Xia等人利用双反馈结构（G.Xia et al.，Semiconductor Lasers and Applications VII, Proc. of SPIE，2016）利用高非线性光纤实现混沌信号展宽和时延抑制。该方法在于系统结构较大，不利于小型化集成化应用。薛萍萍等人对高电流偏置下的半导体环形激光器进行建模仿真（P.Xueet al.，Chinese Journal of Lasers, 42(2), 0202002, 2015）发现高电流反馈下半导体环形激光器输出混沌信号的高带宽性质，同样，该方法采用的装置仍不符合与半导体功能器件集成的要求。肖云峰等人采用环形谐振腔-锥形光纤波导结构（Y.Xiao et al.,Science, 358(344), 2017）对混沌辅助的动量转换动力学进行了研究，但该方法锥形光纤波导是对光纤进行拉锥工艺制备的，较为复杂。

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，本发明提出双微环波导结构集成混沌信号发生器，以解决以上问题。

发明内容

本发明目的是提供一种新型的双微环波导结构的集成混沌信号发生器，用以产生频谱平坦、宽带的混沌信号，解决当前混沌信号产生装置结构不稳定、高频振荡明显和带宽较窄的问题。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种双微环波导结构集成混沌信号发生器，包括衬底，所述衬底上置有双微环波导结构和DFB芯片，所述双微环波导结构包括直波导以及双微环波导，所述双微环波导包括微环Ⅰ和微环Ⅱ，微环Ⅰ和微环Ⅱ相耦合、且同时与直波导相耦合，所述DFB芯片与双微环波导结构的直波导相耦合。

其中，两个微环、直波导以及DFB芯片置于二氧化硅衬底之上，DFB芯片输出光信号可直接耦合进入直波导中，微环以及直波导采用生长刻蚀方法在硅上制备，两微环半径相同，且微环与直波导之间、两微环之间距满足过耦合状态，DFB芯片端面对准直波导，光信号从另一端楔形耦合器输出。

工作过程如下：DFB芯片发出连续激光脉冲，耦合进直波导中，在第一个微环与直波导耦合点a，一部分激光信号耦合进入微环，另一部分继续沿直波导传输，当进入微环Ⅰ的光波传输到两微环耦合点c时，再次分为两路，分别沿原方向传输和进入微环Ⅱ，在微环Ⅰ中传输的光波持续震荡增强，产生更强烈的非线性效应，光波传输的相位也随之增加。在微环 Ⅰ中传输的脉冲信号再次到达a，一部分将会耦合重新进入直波导将会与滞后

的信号相遇，两路光波将会发生交叉相位调制、受激拉曼散射和四波混频等非线性效应，这些非线性效应将进一步影响光波的传输，如下式所示，

光波传输的相位与线性传输相比，会发生变化，非线性的强弱取决于光功率的大小，因此当光波传输时相位改变与光功率相关。由耦合点c耦合到微环Ⅱ的光波传输方向与由耦合点b耦合进入微环Ⅱ的光波方向相反，两束方向相向的光波在微环中发生干涉，由于相干增强，导致相干后脉冲信号能量增强。此外由c耦合进入微环Ⅱ且不满足干涉条件的光波在b点耦合出微环Ⅱ，会反馈扰动DFB芯片，破坏其稳定的输出信号，同样的，进入微环Ⅱ 的光波会发生与微环Ⅰ中类似的效应。上述非线性效应使得双微环波导构成混沌腔，DFB芯片发出的连续光脉冲经过微环波导将产生混沌振荡，另外，上述反馈扰动DFB芯片是另一部分混沌振荡的来源。而每一路反馈光之间都存在

的延迟，可以视为多路反馈，这将抑制混沌信号的时延信息。微环谐振器内多波束干涉通过大滤波失谐时光谱的分量之间的拍频将激光相位转换为强度，其中不同模式之间拍频引起高频宽带振荡，相同模式下的延迟自拍频使低于弛豫振荡频率的低频振荡增强。这两种拍频使混沌带宽增强并使其平坦度得到改善。最终，将输出宽带、频谱平坦时延抑制的混沌信号。

与现有的混沌半导体激光器相比，本发明的优点如下：

1、本发明使用互相耦合的微环与DFB芯片实现混沌信号的产生，结构新颖。

2、本发明利用微环结构，实现多路反馈，有效抑制混沌信号时延信息。

3、本发明引入双微环结构，利用微环内部拍频，实现混沌信号频谱平坦度的优化和带宽增强。

4、本发明结构简单，工艺上，只需要将DFB芯片与直波导耦合对准，提高耦合效率，波导制作可采用激光直写光刻，成本低。

5、本发明所提出的结构属于集成结构，体积小，稳定性高。

本发明所提出的双微环波导结构集成混沌信号发生器设计合理，用以产生宽带、频谱平坦、时延抑制的混沌激光，有效解决了光反馈产生混沌激光方法体积庞大、频谱不平坦、带宽相对较小以及时延信息明显、高频振荡明显等问题，适用于高速真随机数产生、混沌保密通信、混沌激光雷达等领域，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示两微环与直波导之间耦合点示意图，图中a、b、c表示三处耦合区。

图中：1-DFB芯片，2-直波导，3-微环波导，31-微环Ⅰ，32-微环Ⅱ，4-衬底。

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。

一种双微环波导结构集成混沌信号发生器，包括DFB芯片1、直波导2、双微环结构3和衬底4。衬底上置有两个微环和一个与两微环耦合的直波导，直波导结构左侧固定一个DFB芯片。

具体结构如图1所示，二氧化硅衬底4上生长刻蚀双微环波导，楔形波导耦合器置于直波导两端，DFB芯片在双微环波导左侧并且与直波导耦合，产生混沌信号从直波导右侧输出。

其中，DFB芯片至于衬底上固定，与双微环波导在同一平面。DFB芯片输出的激光从左侧输入直波导，到达耦合点a时，一部分继续沿直波导传输，另一部分耦合进入微环Ⅰ，进入微环Ⅰ的光信号在耦合点c再次分为两路，分别继续在微环Ⅰ中传输以及进入微环Ⅱ；与a点同样的，在直波导中传输的激光在到达耦合点b时，将发生上述过程；其中，由微环Ⅰ中在耦合点c传输到微环Ⅱ中的光信号，若在b耦合点进入直波导，或由微环Ⅱ传输到微环Ⅰ中的光信号再次传输进入直波导时，将形成反馈光路，对DFB芯片扰动，所产生的混沌振荡与双微环结构作为混沌腔产生的混沌震荡共同形成本发明的混沌震荡。

具体实施时，微环半径为13~20μm，两个微环的半径可以不同；两微环与直波导之间的间距、两微环之间间距均≤0.1μm；衬底为硅基SiO₂衬底；直波导、双微环波导均为硅基无源光波导，在衬底上直接生长刻蚀制作。

本发明采用相互耦合的双微环波导，是一种新颖的结构。在有效减小器件体积的同时提升混沌信号的动态特性，其具有工艺简单，成本低的优势，在大规模混沌保密通信、高速真随机数生成和混沌激光雷达等领域应用前景广阔。

以上所述的具体实例，对本发明双微环波导结构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

1.一种双微环波导结构集成混沌信号发生器，其特征在于：包括衬底（4），所述衬底（4）上置有双微环波导结构和DFB芯片（1），所述双微环波导结构包括直波导（2）以及双微环波导（3），所述双微环波导（3）包括微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32），微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32）相耦合、且同时与直波导（2）相耦合，所述DFB芯片（1）与双微环波导结构的直波导（2）相耦合；

所述微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32）半径为13~20μm，微环Ⅰ（31）和微环Ⅱ（32）的半径相同或者不同；两微环与直波导之间的间距、两微环之间间距均≤0.1μm；

直波导（2）、双微环波导（3）均为硅基无源光波导；

DFB芯片置于衬底上固定，与双微环波导在同一平面；DFB芯片输出的激光从左侧输入直波导，到达耦合点a时，一部分继续沿直波导传输，另一部分耦合进入微环Ⅰ，进入微环Ⅰ的光信号在耦合点c再次分为两路，分别继续在微环Ⅰ中传输以及进入微环Ⅱ；与a点同样的，在直波导中传输的激光在到达耦合点b时，一部分继续沿直波导传输，另一部分耦合进入微环Ⅱ，进入微环Ⅱ的光信号在耦合点c再次分为两路，分别继续在微环Ⅱ中传输以及进入微环Ⅰ；其中，由微环Ⅰ中在耦合点c传输到微环Ⅱ中的光信号，若在耦合点b进入直波导，或由微环Ⅱ传输到微环Ⅰ中的光信号再次传输进入直波导时，将形成反馈光路，对DFB芯片扰动，所产生的混沌振荡与双微环结构作为混沌腔产生的混沌震荡共同形成混沌震荡。