CN116866128A - 基于y型波导及单微环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半导体领域，公开了基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，包括第一DFB芯片、第二DFB芯片、Y型波导、微环波导、第一传输波导、第二传输波导和反馈端面；第一DFB芯片的一端面与第一传输波导的一端连接，第一传输波导的另一端与Y型波导第一分支连接；反馈端面与第二传输波导的一端连接，第二传输波导的另一端与Y型波导的第二分支连接，Y型波导的总线波导与第二DFB芯片的一个端面连接；微环波导设置在第一传输波导与第二传输波导之间，微环波导的两侧分别与第一传输波导和第二传输波导耦合。本发明结构简单、体积小、成本低、易于集成，可以广泛应用于混沌保密光通信、激光雷达等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成混沌半导体激光器领域，具体为一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器。
背景技术
混沌激光具有大带宽、宽频谱、低时延等特性，被广泛应用于激光雷达、混沌保密光通信、高速随机数生成等领域。而在实际中，由于半导体激光器具有体积小、重量轻等优势，所以通常用该器件来产生混沌激光。
如今，产生混沌激光的典型方式有三种：外腔光反馈、外部光注入、光电反馈。外腔光反馈是最常用的方式，因为它比较简单易于控制。其原理是激光器的输出光入射到反射镜上，有一部光分反馈回来，对激光器产生扰动，产生混沌激光。外部光注入的原理是存在两台激光器，一台激光器的输出光进入第二台激光器中，对第二台激光器产生扰动，最终第二台激光器输出混沌激光。光电反馈的原理是通过对光信号进行转换，使其成为电信号，通过一定的路径返回激光器中，对激光器进行扰动，最终产生混沌激光。然而，光反馈结构由于具有固定的反馈腔长，其输出具有一定的时延特征，会对随机数的产生造成影响，而且局限于半导体激光器的弛豫振荡频率，一般的混沌激光都具有明显弛豫振荡特征，对混沌激光的带宽也会产生影响。
针对以上问题，科学家们提出了多种方法以实现混沌激光的带宽增强、时延特征抑制。太原理工大学王安帮教授等研究了光反馈和连续光注入的混沌半导体激光器带宽增强的动态路径。通过光反馈产生的混沌激光的标准带宽从6.2GHz增加到了16.8GHz[OpticsExpress,2013,21(12):14017-14035]。西南大学的吴加贵等人利用互注入结构实验产生了两组时延抑制的混沌激光[IEEE Photonics Technol.Lett.2011；23(12):759-761]。太原理工大学教授张明江和王安帮提出将混沌激光器注入光纤环形谐振器中，获得带宽大于26.5GHz、平坦度±1.5dB的宽带混沌激光。此外，在光学谐振腔中加入光滤波器和光放大器，可以达到提高混沌激光的带宽的效果[Journal of Lightwave Technology,2007,25(1):381-386]。以上结构都可以一定程度的增强带宽和抑制时延，但是都是分立器件搭建而成，并不利于集成。
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：提供一种新型的混沌信号发生器，用以产生大带宽，低时延的混沌激光，以解决目前混沌信号发生器的存在的体积大、易受影响、功率不平坦、时延特征明显等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，包括第一DFB芯片、第二DFB芯片、Y型波导、微环波导、第一传输波导、第二传输波导和反馈端面；
所述第一DFB芯片的一个端面与第一传输波导的一端连接，第一传输波导的另一端与Y型波导第一分支连接；所述第二传输波导的一端设置有反馈端面，另一端与Y型波导的第二分支连接，Y型波导的总线波导与第二DFB芯片的一个端面连接；
所述微环波导设置在第一传输波导与第二传输波导之间，微环波导的一侧与第一传输波导与在耦合a区耦合，微环波导的另一侧与第二传输波导与在耦合b区耦合。
优选地，所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，还包括硅基衬底，所述第一DFB芯片、第二DFB芯片、Y型波导、微环波导、第一传输波导、第二传输波导和反馈端面均设置在硅基衬底上。
优选地，所述第一DFB芯片、第二DFB芯片的自由发射波长为1550nm，两端的出光端面均为自然界解离面。
优选地，所述Y型波导的两个分支的分光比为1：1，夹角为4°。
优选地，所述反馈端面的反射率为0.2。
优选地，所述第一传输波导、第二传输波导与总线波导相互平行。
优选地，在耦合a区，所述第一传输波导与微环波导的间距均小于0.1μm，在耦合b区，第二传输波导与微环波导的间距小于0.1μm。
优选地，所述微环波导为圆形，其半径为0.5～0.7μm。
优选地，所述第一传输波导与微环波导的耦合效率为60％，第二传输波导与微环波导的耦合效率为60％。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，使用了Y型波导和微环波导，利用光反馈和互注入原理，使多路光分别扰动第一DFB芯片1和第二DFB芯片6，在第一DFB芯片1和第二DFB芯片6的另一输出端口产生混沌激光，由于微环波导存在动态相位，最终可以得到大带宽、低时延的混沌激光；
2.本发明仅包括微环波导和Y型波导，拥有较低的损耗；
3.本发明器件可在硅基上集成，具有结构小、成本低等优点。
总之，本发明所提出的基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器的结构设计合理，可以用于产生大带宽、低时延的混沌激光。在微环波导和Y型波导的低损耗作用及多路光扰动第一DFB芯片1激光器和第二DFB芯片6激光器的情况下，可以有效的解决传统方法产生混沌激光的窄带宽，时延特征信息明显的缺点，具有良好的实际应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器的结构示意图。
图2为光传输过程中的耦合点示意图。
图中：1为第一DFB芯片，2为第一传输波导，3为微环波导，4为Y型波导，5为总线波导，6为第二DFB芯片，7为第二传输波导，8为反馈端面，9为硅基衬底。
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做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1～2所示，本发明实施例提供了一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，包括第一DFB芯片1、第二DFB芯片6、Y型波导4、微环波导3、第一传输波导2、第二传输波导7和反馈端面8；其中，第一分支、第二分支和总线波导5的一端连接在一起形成形状为Y型的Y型波导4。
所述第一DFB芯片1的一个端面与第一传输波导2的一端连接，第一传输波导2的另一端与Y型波导第一分支连接；所述反馈端面8与第二传输波导7的一端连接，第二传输波导7的另一端与Y型波导的第二分支连接，Y型波导4的总线波导5与第二DFB芯片6的一个端面连接；
所述微环波导3设置在第一传输波导2与第二传输波导7之间，微环波导3的一侧与第一传输波导2与在耦合a区耦合，微环波导3的另一侧与第二传输波导7与在耦合b区耦合。
进一步地，本实施例的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，还包括硅基衬底9，所述第一DFB芯片1、第二DFB芯片6、Y型波导4、微环波导3、第一传输波导2、第二传输波导7和反馈端面8均设置在硅基衬底9上。
进一步地，本实施例中，所述第一DFB芯片1、第二DFB芯片6的自由发射波长为1550nm，第一DFB芯片1和第二DFB芯片6的出光端面均为自然界解离面。两个DFB芯片未与波导连接的一端，均可以输出混沌激光信号。
进一步地，本实施例中，所述Y型波导4的两个分支的分光比为1：1，夹角为2～10°，进一步地，其夹角优选为4°，在4°的夹角下，光在Y型波导4中传输时具有最佳的传输效率。
具体地，本实施例中，所述第一DFB芯片1和第二DFB芯片6的反馈率范围为0.08-0.2，可以扰动对应激光器产生混沌激光，因此，可以通过调节反馈端面8的反射率来实现混沌激光输出，反馈率指的是通过反馈端面反馈回DFB芯片的光功率与DFB芯片自由发射的光功率之比。具体地，本实施例中，反馈端面8具体可以为增反膜，其反射率为0.1～0.3。
进一步地，本实施例中，所述反馈端面8的反射率为0.2。
进一步地，所述第一传输波导2、第二传输波导7与总线波导5相互平行。三者平行可以使激光在波导之间会更加容易耦合，有助于提高耦合效率。
具体地，本实施例中，在耦合a区，所述第一传输波导2与微环波导3的间距均小于0.1μm，在耦合b区，第二传输波导7与微环波导3的间距小于0.1μm，在这个间距范围内，可以使两个传输波导与微环波导3的光耦合效率满足反馈要求。
进一步地，本实施例中，所述第一传输波导2与微环波导3的耦合效率为50～70％，第二传输波导7与微环波导3的耦合效率为50～70％。耦合效率是指光从直波导可以耦合进微环的能量占比，在理论上如果光强足够大，较小的耦合效率也可以传输较强的光，再反馈回DFB芯片产生扰动，使其输出混沌激光。耦合效率的影响因素主要取决于微环波导3和直的传输波导(第一传输波导2、第二传输波导7)之间的间隔，间隔越小耦合效率越大。
进一步地，本实施例中，所述第一传输波导2与微环波导3的耦合效率为60％，第二传输波导7与微环波导3的耦合效率为60％。设置为60％的耦合效率可以兼顾多路反馈的光强，使进入微环波导3和直通端的光强均大小合适，则光通过多个路径传输之后的反馈强度均可以扰动激光器。
具体地，本实施例中，所述微环波导3为圆形，其半径为0.5～0.7μm。
具体地，本实施例中，第一DFB芯片1受到的主要扰动有：
(1)第二DFB芯片6通过Y型波导直接注入第一DFB芯片1产生扰动；
(2)第一DFB芯片1产生的光经过耦合区a位置进入微环波导，到耦合区b位置输出，经由反馈端面8反馈输出的光从耦合区b位置进入微环波导3，再从耦合区a位置输出，注入第一DFB芯片1产生扰动；
(3)第二DFB芯片6输出的光经过Y波导下端口的反射镜，经由反馈端面8反馈出的光从耦合区b位置进入微环波导3，再从耦合区a位置输出，注入第一DFB芯片1产生扰动。
具体地，其中，第二DFB芯片6受到的主要扰动有：
(1)第一DFB芯片1直接通过Y波导5而注入第二DFB芯片6产生扰动；
(2)第二DFB芯片6输出的光经过耦合区a位置进入微环波导3，到耦合区b位置输出，注入第二DFB芯片6产生扰动；
(3)第二DFB芯片6输出的光经过耦合区b位置进入微环波导3，到耦合区a位置输出，注入第二DFB芯片6产生扰动；
(4)第二DFB芯片6输出的光经过Y波导下端口的反馈端面8，反馈回来的光对第二DFB芯片6产生扰动；
(5)第一DFB芯片1产生的光经过耦合区a位置进入微环波导，到耦合区b位置输出，经由反馈端面8反馈出的光沿着Y型波导下分支注入第二DFB芯片6产生扰动。
因此，本发明实施例中，利用光反馈和互注入原理，使多路光分别扰动第一DFB芯片1和第二DFB芯片6，在第一DFB芯片1和第二DFB芯片6的另一输出端口产生混沌激光，由于微环波导存在动态相位，最终可以得到大带宽、低时延的混沌激光。
综上所述，本发明提出利用两个DFB芯片、一个Y型波导以及一个微环波导组成混沌信号发生器，利用微环波导的耦合作用和Y波导的分支作用，使两个激光器芯片产生的光分别对两个DFB芯片产生多次扰动，最终生成性能良好的混沌激光。该结构具有较小的体积，在硅基波导上容易实现，结构简单，可以广泛用于各个混沌保密光通信等领域。
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 (9)
1.一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：包括第一DFB芯片(1)、第二DFB芯片(6)、Y型波导(4)、微环波导(3)、第一传输波导(2)、第二传输波导(7)和反馈端面(8)；
所述第一DFB芯片(1)的一个端面与第一传输波导(2)的一端连接，第一传输波导(2)的另一端与Y型波导第一分支连接；所述第二传输波导(7)的一端设置有反馈端面(8)，另一端与Y型波导的第二分支连接，Y型波导(4)的总线波导(5)与第二DFB芯片(6)的一个端面连接；
所述微环波导(3)设置在第一传输波导(2)与第二传输波导(7)之间，微环波导(3)的一侧与第一传输波导(2)与在耦合a区耦合，微环波导(3)的另一侧与第二传输波导(7)与在耦合b区耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：还包括硅基衬底(9)，所述第一DFB芯片(1)、第二DFB芯片(6)、Y型波导(4)、微环波导(3)、第一传输波导(2)、第二传输波导(7)和反馈端面(8)均设置在硅基衬底(9)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述第一DFB芯片(1)、第二DFB芯片(6)的自由发射波长为1550nm，两端的出光端面均为自然界解离面。
4.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述Y型波导(4)的两个分支的分光比为1：1，夹角为4°。
5.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述反馈端面(8)的反射率为0.2。
6.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述第一传输波导(2)、第二传输波导(7)与总线波导(5)相互平行。
7.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：在耦合a区，所述第一传输波导(2)与微环波导(3)的间距均小于0.1μm，在耦合b区，第二传输波导(7)与微环波导(3)的间距小于0.1μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述微环波导(3)为圆形，其半径为0.5～0.7μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于Y型波导及单微环结构的集成混沌信号发生器，其特征在于：所述第一传输波导(2)与微环波导(3)的耦合效率为60％，第二传输波导(7)与微环波导(3)的耦合效率为60％。
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