CN115036788A - 一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，公开了一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器。包括：N电极层，芯片衬底，下波导层，下限制层，有源层，上限制层，上波导层，P接触层和P电极层；所述有源层包括依次排列的DFB区，第一相位区，SOA区，第二相位区，无源波导区；所述第二相位区和无源波导区之间通过干法刻蚀制作有空气间隔隙；所述的P接触层和P电极层上设置有隔离沟，将其隔离成不同的区域，分别对应于所述的DFB区，第一相位区，SOA区和第二相位区；所述的本发明可调控参数多，可以产生丰富非线性动态特性的混沌激光，可提高混沌光保密通信的密钥空间，增强混沌保密通信的安全性。
Description
技术领域：
本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，具体涉及一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器。
背景技术：
混沌保密通信是一种基于物理层的硬件加密传输系统。它主要基于混沌信号所具有的遍历性、非周期、连续宽带频谱、类噪声等特性，将传输信号调制到混沌激光上进行传输，并在接收端通过混沌同步和混沌滤波效应解调出所传输的信息。混沌激光系统具有大带宽和低衰减，且动力学系统比较复杂，系统对硬件参数具有极高敏感性的特点，以其硬件加密具有更高的保密性能，非常适合高速远距离保密通信。混沌激光保密通信系统的安全性主要依赖于混沌同步对收发端系统硬件参数的敏感性。敏感程度越高，混沌的非线性动态特性越复杂，窃密者构建相同接收机就愈困难，混沌保密通信的安全性能就越高。因此，提高混沌保密通信安全性的关键问题之一是增大收发机的密钥空间，使激光器能够产生丰富的混沌动态特性。
目前在提高混沌保密通信安全性，增加密钥空间的保密通信方案中，通过电光反馈和数字密钥调制来增加密钥空间的方法(Phys.Rev.Lett.，107(034103)：1-4，2011.)，但是该方法对于结构简单的外腔半导体激光器，其安全性依赖于私钥而非器件的物理参数，无法发挥混沌保密通信特有的硬件加密优势。通过增加激光器外腔数量使得混沌通信收发器的空间结构更加复杂进而增加密钥空间的方案(Physical Review E，2008，78(1)：016210.)，但是该方法易受环境干扰，通信的鲁棒性不高，不便于集成和规模化生产。通过在反馈回路中增加插入器件的复杂性来增加密钥空间的方法(Opt.Express，24(20)：23439-23449，2016.)，但该方法系统庞大，不便于集成和规模化生产，硬件一致性难以保证，成本高昂。
混沌激光有如此众多的应用。但是目前的混沌激光源，大多都是在实验台上采用半导体激光器以及各种分立的光学器件搭建而成，这样的分立器件的混沌激光源体积庞大、易受环境影响、输出不稳定。相对于分立器件，光子集成的多段式激光器具有输出稳定、成本低、体积小、可集成规模化生成的优点。已报道的多段式激光器结构有光反馈型和光注入型两种。光反馈型，在DFB激光器反馈腔中集成相位区和增益区(Optics Express，2013，21(20)：23358-23364.)。光注入型，由两个DFB激光器集成或者在其中间集成相位区(Opt.Express，Vol.22，P.56145622，2014.)等。但是这些结构多数都是在单反馈腔或者单注入腔下进行的，其对反馈到激光器的注入光可调控参数少，可调控范围小，不能使激光器产生丰富的混沌动态特性。因此，在混沌保密通信系统中，就迫切需要一种可集成化、输出稳定、可调控参数多，能产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器。
发明内容：
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，以产生多参数可调控，非线性动态特性丰富，复杂度高的宽带混沌光，作为高速混沌保密通信的收发机，提高合法用户之间的安全性，增加窃听者的破解难度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，包括：
芯片衬底；
制作于芯片衬底上表面上的下波导层；
制作于下波导层上的下限制层；
制作于所述下限制层上的有源层，所述有源层包括依次排列的DFB区、第一相位区、SOA区、第二相位区和无源波导区；
制作于所述有源层上的上限制层，所述上限制层中与所述DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅；
制作于所述上限制层上的上波导层；
制作于所述上波导层上的P接触层；
制作于所述P接触层上的P电极层，所述P接触层和P电极层上设置由隔离沟，所述隔离沟将所述P接触层和P电极层隔离成不同区域，分别对应于所述DFB区、第一相位区、SOA区、第二相位区；
制作于芯片衬底下表面上的N电极层。
所述上限制层中的分布反馈Bragg光栅的材料为InP；所述有源层中的DFB区和SOA区为InGaAsP材料的多量子阱结构，所述有源层中的第一相位区、第二相位区和无源波导区的材料为无源波导材料，无源波导区的右侧端面镀有高反膜。
所述有源层中与所述第二相位区相邻的无源波导区的位置处制作有通过干法刻蚀，从上波导层刻蚀至衬底层的空气间隔隙，所述空气间隔隙和所述无源波导上方无P接触层和P电极层。
所述第一相位区的注入电流IP1或第二相位区的注入电流IP2中，加载由所述一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器产生的混沌激光，经光耦合器分出一部分光进入光电探测器转换的自相位调制电信号。
所述空气间隔隙的长度为5um-30um，无源波导区的长度为5mm-10mm。
本发明提出的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，具体为一种六段式复合外腔半导体激光器，具体结构包括依次排列为DFB区、第一相位区、SOA区、第二相位区、空气间隔隙、右侧端面镀有高反膜的无源波导区。
本发明提供的可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，可以用于产生宽带复杂的混沌信号。宽带复杂的混沌信号产生的过程为：DFB区发出的激光经过第一相位区(相位调制)、SOA区(增益放大)和第二相位区(相位调制)，在第二相位区右端解理面处发生部分反射，反馈到DFB激光器中，形成第一反馈腔；在第二相位区右端解理面处透射的光，经过空气间隔隙在无源波导区的左端解理面发生第二次部分反射，反馈到DFB激光器中，形成第二反馈腔；在无源波导区的左端解理面处透射的光，经过无源波导在无源波导区的右侧端面高反膜发生第三次反射，反馈到DFB激光器中，形成第三反馈腔；在DFB激光器和多外腔反馈光的作用下，最终从芯片左侧输出复杂度高的、多参数可调控的宽带混沌信号。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明可以用于产生多参数可调控，非线性动态特性丰富，复杂度高的宽带混沌光，利用多反馈腔形成复杂的反馈光，使得激光器输出时延特征信号得到消除的、非线性动态特性得到丰富的宽带混沌光，使混沌同步对参数的调控更加敏感，降低窃听者通过时延特征对激光器信息破解的可能性，提高混沌保密通信系统的安全性。
2.本发明的激光器芯片共有4个调控参数，包括DFB区的注入电流IDFB、第一相位区的注入电流IP1、SOA区的注入电流ISOA、第二相位区的注入电流IP2，4个相互独立调控的参数均可进行高精度的调控，在相互组合调控下可以使激光器产生稳态，单倍周期态，多倍周期态以及混沌态等丰富的动态特性。
3.本发明中在第一相位区的注入电流IP1或第二相位区的注入电流IP2中，加载由所述一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器产生的混沌激光，经光耦合器分出一部分光进入光电探测器转换的自相位调制电信号，可进一步提高激光器输出混沌光的复杂度，丰富混沌光的非线性动态特性。
4.本发明依靠集成化的微纳制造工艺，保证了收发模块规模化生产时的硬件一致性，可进一步节约生产丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器的成本，在混沌保密通信系统中具有广泛的应用。
附图说明：
图1为本发明实施例提出的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器的结构示意图。
图2为本发明实施例中在相位区注入电流中加载自相位调制电信号的结构示意图。
图中1-1为P电极层，1-11为隔离沟；1-2为P接触层；1-3为上波导层；1-4为上限制层，1-41为分布反馈Bragg光栅；1-5为有源层，1-51为DFB区，1-52为第一相位区，1-53为SOA区，1-54为第二相位区，1-55为无源波导区，1-56为空气间隔隙；1-6为下限制层；1-7为下波导层；1-8为芯片衬底；1-9为N电极层；2-1为光耦合器；2-2为光电探测器；2-3为无源波导区右侧端面高反膜。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，包括：
芯片衬底1-8；
制作于芯片衬底1-8上表面上的下波导层1-7；
制作于下波导层1-7上的下限制层1-6；
制作于所述下限制层1-6上的有源层1-5，所述有源层1-5包括依次排列的DFB区1-51、第一相位区1-52、SOA区1-53、第二相位区1-54和无源波导区1-55；
制作于所述有源层1-5上的上限制层1-4，所述上限制层1-4中与所述DFB区1-51对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅1-41；
制作于所述上限制层1-4上的上波导层1-3；
制作于所述上波导层1-3上的P接触层1-2；
制作于所述P接触层1-2上的P电极层1-1，所述P接触层1-2和P电极层1-1上设置由隔离沟1-11，所述隔离沟1-11将所述P接触层1-2和P电极层1-1隔离成分别对应于所述DFB区、第一相位区、SOA区、第二相位区的电极；
制作于芯片衬底1-8下表面上的N电极层1-9。
具体地，本实施例中，所述上限制层1-4中的分布反馈Bragg光栅1-41的材料为InP；所述有源层1-5中的DFB区1-51和SOA区1-53为InGaAsP材料的多量子阱结构，所述有源层1-5中的第一相位区1-52、第二相位区1-54和无源波导区1-55的材料为无源波导材料，无源波导区1-55的右端面镀有高反膜2-3。所述有源层1-5中与所述第二相位区1-54相邻的无源波导区1-55的位置处制作有通过干法刻蚀，从上波导层1-3刻蚀至衬底层1-8的空气间隔隙1-56，空气间隔隙1-56和无源波导区1-55上方无P接触层1-2和P电极层1-1。
具体地，本实施例中所述脊形上波导层1-3为宽度小于下层结构层的条状，P电极层1-2和P接触层1-1的长度与DFB区1-51、第一相位区1-52、SOA区1-53、第二相位区1-54相对应，宽度与上波导层1-3相同。所述空气间隔隙(1-56)的长度为5um-30um，无源波导区(1-55)的长度为5mm-10mm，以产生不同反馈腔的之间时延差。此外本实施例中，所述隔离沟1-11用于将P接触层1-2和P电极层1-1隔离成分别对应于所述的DFB区1-51、第一相位区1-52、SOA区1-53和第二相位区1-54。
如图2所示，所述第一相位区1-52的注入电流IP1或第二相位区1-54的注入电流IP2中，加载由所述混沌半导体激光器芯片产生的混沌激光，经光耦合器2-1分出一部分光进入光电探测器2-2转换的自相位调制电信号，对反馈光进行相位调制，使激光器输出的混沌光的非线性特性更加丰富，进一步提高激光器输出混沌光的复杂度。
所述混沌半导体激光器芯片，可以用于产生复杂度高、多参数可调控、非线性动态丰富的宽带混沌信号，可以用于混沌保密通信系统中大密钥空间的收发端等应用方面。宽带复杂的混沌信号产生的过程为：DFB区发出的激光经过第一相位区(相位调制)、SOA区(增益放大)和第二相位区(相位调制)，在第二相位区右端解理面处发生部分反射，反馈到DFB激光器中，形成第一反馈腔；在第二相位区右端解理面处透射的光，经过空气间隔隙在无源波导区的左端解理面发生第二次部分反射，反馈到DFB激光器中，形成第二反馈腔；在无源波导区的左端解理面处透射的光，经过无源波导在无源波导区的右端面高反膜发生第三次反射，反馈到DFB激光器中，形成第三反馈腔；在DFB激光器和多外腔反馈光的作用下，最终从芯片左侧输出复杂的、多参数可调控、非线性动态丰富的宽带混沌信号。
因此，本发明提出的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，可以用于产生复杂度高、多参数可调控、非线性动态丰富的宽带混沌信号，利用多反馈腔形成复杂的反馈光，使得激光器输出时延特征信号得到消除的、非线性动态特性得到丰富的宽带混沌光，使混沌同步对可调谐参数的调控更加敏感，降低窃听者通过时延特征对激光器信息破解的可能性，提高混沌保密通信系统的安全性。该激光器芯片共有4个调控参数，包括DFB区的注入电流IDFB、第一相位区的注入电流IP1、SOA区的注入电流ISOA、第二相位区的注入电流IP2，4个相互独立调控的参数均可进行高精度的调控，以使激光器产生稳态，单倍周期态，多倍周期态以及混沌态等动态特性。而在第一相位区的注入电流IP1或第二相位区的注入电流IP2中，加载由所述激光器芯片产生的混沌激光，经光耦合器分出一部分光进入光电探测器转换的自相位调制电信号，可进一步提高激光器输出混沌光的复杂度，丰富混沌光的非线性动态特性。此外，本发明依靠集成化的微纳制造工艺，保证了收发模块规模化生产时的硬件一致性，可进一步节约生产丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器的成本，在混沌保密通信系统中具有广泛的应用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在，包括：
芯片衬底(1-8)；
制作于所述芯片衬底(1-8)上表面上的下波导层(1-7)；
制作于所述下波导层(1-7)上的下限制层(1-6)；
制作于所述下限制层(1-6)上的有源层(1-5)，所述有源层(1-5)包括依次排列的DFB区(1-51)、第一相位区(1-52)、SOA区(1-53)、第二相位区(1-54)、无源波导区(1-55)；
制作于所述有源层(1-5)上的上限制层(1-4)，所述上限制层(1-4)中与所述DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅(1-41)；
制作于所述上限制层(1-4)上的上波导层(1-3)；
制作于所述上波导层(1-3)上的P接触层(1-2)；
制作于所述P接触层(1-2)上的P电极层(1-1)，所述P接触层(1-2)和P电极层(1-1)上设置有隔离沟(1-11)，所述隔离沟(1-11)将所述P接触层(1-2)和P电极层(1-1)隔离成不同的区域，分别对应于所述DFB区(1-51)、第一相位区(1-52)、SOA区(1-53)、第二相位区(1-54)；
制作于所述芯片衬底(1-8)下表面上的N电极层(1-9)。
2.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述上限制层(1-4)中的分布反馈Bragg光栅(1-41)的材料为InP。
3.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述有源层(1-5)中的DFB区(1-51)和SOA区(1-53)为InGaAsP材料的多量子阱结构，所述有源层(1-5)中的第一相位区(1-52)、第二相位区(1-54)和无源波导区(1-55)的材料为无源波导材料，无源波导区(1-55)的右侧端面镀有高反膜(2-3)。
4.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述有源层(1-5)中与所述第二相位区(1-54)相邻的无源波导区(1-55)的位置处制作有通过干法刻蚀，从上波导层(1-3)刻蚀至衬底层(1-8)的空气间隔隙(1-56)。
5.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述第一相位区(1-52)的注入电流IP1或第二相位区(1-54)的注入电流IP2中，加载由权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器产生的混沌激光，经光耦合器(2-1)分出一部分光进入光电探测器(2-2)转换的自相位调制电信号。
6.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述空气间隔隙(1-56)和无源波导区(1-55)上方无P接触层(1-2)和P电极层(1-1)。
7.根据权利要求1所述的一种可产生丰富非线性动态特性的混沌半导体激光器，其特征在于，所述空气间隔隙(1-56)的长度为5um-30um，无源波导区(1-55)的长度为5mm-10mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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