CN111129948B - 基于弱增益耦合dfb激光器的宽带混沌激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成混沌激光器领域；现有混沌信号发生器所产生的混沌信号存在带宽窄、结构复杂，参数可调范围小，难以产生混沌等问题；本发明提供一种基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，DFB激光区的谐振腔采用弱增益耦合光栅设计，容易产生宽带混沌激光；两个激光区脊波导的侧面分别集成温控电阻并蒸镀温度电极，用于调控两个激光区温度，控制输出光的中心波长；增益区驱动电极调控两个激光区之间的互注入强度，以改变激光器输出的光谱线宽，获得更大的波长失谐量，以此产生更宽的混沌光，同时调节温度还可使产生的混沌光变的更加平坦，本发明避免了因部分光反馈造成的输出功率损失，运用互注入方式产生宽谱线、大幅度混沌光。

Description

基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片
技术领域
本发明涉及集成混沌激光器技术领域，更具体的说，涉及一种基于互注入弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片。
背景技术
近年来，混沌激光已被广泛应用于保密通信、高速随机数生成、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、光纤传感和测距等方面，同时这些应用正逐步向实用化和市场化迈进。然而现有激光器大多都是在实验室利用半导体激光器加上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。为了实现混沌激光的实用化和产业化，国内外的研究者们希望研究出体积小、性能稳定的集成混沌激光器芯片。
国内外多家机构均开展了集成混沌激光器的相关研究。
2008年希腊雅典大学Argyris等人研制了单片集成混沌半导体激光器芯片（A.Argyris et al ., Physical Review Letters , 100( 19 ):194101 , 2008 .），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，通过在增益/吸收区加正反向电流及调节电流的大小可以得到不同的状态。但是，此单片集成混沌半导体激光器芯片向外延伸1cm放置了专门的反射装置，形成单腔反馈结构，且只能调节单反馈强度。
2012年大连理工大学公开一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法（见专利：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951 .0），其特点是利用主分布式反馈半导体激光器产生连续光，经双向放大的半导体光放大器SOA放大后由无源光波导传输，最后注入从分布式反馈半导体激光器，使从分布式反馈半导体激光器产生混沌激光。然而，这种单注入型结构极易产生注入锁定，且单注入产生的混沌激光带宽窄、频谱不平坦、输出不稳定，而且往往包含两个激光器的拍频信息，会使混沌激光的频谱出现典型的拍频振荡成份。
2013年清华大学发明一种由集成双DFB激光器，一个相位区组成的芯片（D. Liu,et al. Optics express, 2013, 21, 2444-2451），其特点是左右两激光器采用互注入过程，中间相位区调节两激光器注入光的相位，通过调节激光器的偏置电流，使激光器输出混沌光。但是芯片中所使用的激光器为折射率耦合型激光器，而增益耦合型激光器具有稳定的单纵模输出、制作工艺简单、噪声低、高速动态调制下频谱展宽（啁啾）小等优点，可进一步提高其性能。
2014年太原理工大学提出无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器（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：ZL201410435033 .9），该混沌激光器为混合集成混沌激光器。其特点为左、右分布式反馈半导体激光芯片可以实现光互注入过程，利用掺铒的无源光波导给左、右分布式反馈半导体激光芯片提供随机光反馈扰动，互注入结合随机光反馈扰动两个过程使左分布式反馈半导体激光芯片产生输出无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光。虽然该结构可以解决以上的问题，但是左、右分布式反馈半导体激光芯片发出的连续光在光波导中的耦合效率较低，这是该混合集成混沌激光器的难点。
然而，现有混沌信号发生器所产生的混沌信号存在功率谱不平坦（大于±5dB）、3dB带宽难以超过30GHz以及混沌光谱线宽窄问题，大大限制了混沌信号的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，该发明能够产生宽频谱的混沌激光，同时光谱的中心波长及相互覆盖范围更大，同时利用本发明还可产生超宽带的毫米波噪声。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，包括第一弱增益耦合DFB激光区、第二弱增益耦合DFB激光区和增益区，第一弱增益耦合DFB激光区和第二弱增益耦合DFB激光区进行互注入，增益区位于第一弱增益耦合DFB激光区和第二弱增益耦合DFB激光区中间，第一弱增益耦合DFB激光区和第二弱增益耦合DFB激光区的脊波导的两侧均独立蒸镀驱动正电极，在第一弱增益耦合DFB激光区和第二弱增益耦合DFB激光区的脊波导的同一侧的InP盖层与InGaAsP波导层之间蒸镀四个温度电极，其中两个温度电极分别位于两个DFB激光区远离增益区的端部，其余两个温度电极位于增益区与两个DFB激光区的连接处，位于端部的两个温度电极分别与相邻的温度电极之间蒸镀温控电阻；宽带混沌激光器芯片输出的混沌激光光谱线宽在0.4~0.8nm范围内连续可调。
进一步，第一弱增益耦合DFB激光区、第二弱增益耦合DFB激光区和增益区生长在同一Inp衬底上。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明中的弱增益耦合激光器，具有稳定的单纵模输出、谱线宽、噪声低等优点；采用三区半导体激光器集成工艺制备互注入式DFB激光器芯片，结合弱增益耦合光栅结构，运用互注入方式可产生宽谱线、大幅度混沌光；与传统混沌光产生技术的光反馈激光器相比，本发明避免了因部分光反馈造成的输出功率损失。此外本发明为集成芯片，具有尺寸较小、成本较低、不易受环境影响，输出稳定等优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、N电极层，2、Inp衬底，3、InGaAsP波导层，4、InGaAsP多量子阱有源区层，5、InGaAsP波导层，6、InP盖层，7、P电极层，8、隔离沟，9、分布反馈Bragg光栅部分，10-驱动电极，11-温控电阻，12-温度电极，13、第一弱增益耦合DFB激光区、14、增益区，15、第二弱增益耦合DFB激光区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，包括第一弱增益DFB激光区13、第二弱增益耦合DFB激光区15和增益区14，增益区14位于第一弱增益耦合DFB激光区13和第二弱增益耦合DFB激光区15中间，本发明为两个 DFB 激光区和一个增益区的互注入半导体激光器芯片，第一弱增益耦合DFB激光区13与第二弱增益耦合DFB激光区15的谐振腔为弱增益耦合光栅，耦合强度通过光栅长度和深度，以及激光器腔面镀膜进行调节，驱动电极配合使用。
宽带混沌激光器芯片由左向右对应于P+电极层分为：第一弱增益耦合DFB激光区、增益区、第二弱增益耦合DFB激光区，在第一弱增益耦合DFB激光区13、第二弱增益耦合DFB激光区15和增益区14的脊波导的两侧均独立蒸镀驱动正电极10，在第一弱增益耦合DFB激光区13和第二弱增益耦合DFB激光区15的脊波导的同一侧的InP盖层6与InGaAsP波导层5之间蒸镀四个温度电极12，其中两个温度电极12分别位于两个DFB激光区远离增益区14的端部，其余两个温度电极12位于增益区14与两个DFB激光区的连接处，位于端部的两个温度电极12分别与相邻的温度电极12之间设置温控电阻11，温控电阻11与温度电极12之间的连接属于激光器的制作工艺；第一弱增益耦合DFB激光区13、第二弱增益耦合DFB激光区15和增益区14生长在同一Inp衬底2上，背面蒸镀驱动负电极。
增益区和温控电阻以及温度电极均需要通过外接电源通过电流控制：增益区驱动电极用于驱动增益区工作，调控两个激光区之间的互注入强度，产生混沌，改变dfb激光区输出的光谱线宽；通过调控电流控制温控电阻11和温度电极12通过调节DFB激光区的温度第一弱增益耦合DFB激光区13和第二弱增益耦合DFB激光区15的中心波长，；两个激光区脊波导的侧面分别集成温控电阻并蒸镀温度电极，用于调控两个激光区温度，从而控制输出光的中心波长，且弱增益耦合激光器本身谱线较宽，因此可获得更大的波长失谐量；以此产生更宽的混沌光，同时调节温度还可使产生的混沌光变的更加平坦。
当两个DFB激光区的驱动电流大于弱增益耦合DFB激光器阈值时，两激光区开始工作，实现互注入产生混沌，增益区14驱动电极用于驱动增益区工作，驱动电极作为增益区14的正极，通过调节增益区14所加驱动电流的大小，调控两个DFB激光区之间的互注入强度，当对增益区加反向驱动电流时，相当于衰减器，互注入强度会减小；当加正向驱动电流时，相当于放大器，互注入强度增大；调节增益区14所加驱动电流可以使注入强度在0~5倍内变化；最终产生光谱线宽在0.4nm~0.8nm连续可调的混沌激光，混沌激光的带宽能够达到50GHz，功率谱平坦。
此外，基于本发明还可产生超宽带的毫米波噪声。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，包括第一弱增益耦合DFB激光区（13）、第二弱增益耦合DFB激光区（15）和增益区（14），第一弱增益耦合DFB激光区（13）和第二弱增益耦合DFB激光区（15）进行互注入，增益区（14）位于第一弱增益耦合DFB激光区（13）和第二弱增益耦合DFB激光区（15）中间，其特征在于：所述第一弱增益耦合DFB激光区（13）和第二弱增益耦合DFB激光区（15）的脊波导的两侧均独立蒸镀驱动正电极（10），在第一弱增益耦合DFB激光区（13）和第二弱增益耦合DFB激光区（15）的脊波导的同一侧的InP盖层（6）与InGaAsP波导层（5）之间蒸镀四个温度电极（12），其中两个温度电极（12）分别位于两个DFB激光区远离增益区（14）的端部，其余两个温度电极（12）位于增益区（14）与两个DFB激光区的连接处，位于端部的两个温度电极（12）分别与相邻的温度电极（12）之间设置温控电阻（11）；
所述宽带混沌激光器芯片输出的混沌激光光谱线宽在0.4~0.8nm范围内连续可调。
2.根据权利要求1所述的基于弱增益耦合DFB激光器的宽带混沌激光器芯片，其特征在于：所述第一弱增益耦合DFB激光区（13）、第二弱增益耦合DFB激光区（15）和增益区（14）生长在同一Inp衬底（2）上。
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