CN117199991A - 混沌激光器及其多光程引入组件、集成片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混沌激光器及其多光程引入组件、集成片，涉及半导体激光器领域，其技术方案要点是：包括依次连接的输入耦合结构、级联耦合结构；其中，级联耦合结构，用于提供至少三条光传输路径，包括级联的至少两个耦合器单元，相邻的耦合器单元中，前一级耦合器单元的第四端口与后一级耦合器单元的第三端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，第一级耦合器单元的第三端口与输入耦合结构的第二端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，至少三条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。其能够输出高质量的混沌激光，输出混沌激光，具有高集成度，易于封装，输出稳定性强的特点。

Description

混沌激光器及其多光程引入组件、集成片

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种混沌激光器及其多光程引入组件、集成片。

背景技术

混沌激光是激光器的一种不稳定的输出状态，具有相干性低、频谱平坦、时域类噪声和初始值敏感等诸多特性。由于具有以上独特的光学特性，混沌激光器已经被报道广泛用于保密光通信、高速混沌秘钥生成、激光雷达、光存储、光时域放射仪、分布式光纤传感、相干可调谐光源、强化学习等领域，因此混沌激光器具有重要的实用价值。

片上集成半导体混沌激光器的方案目前主要采用有源（半导体激光器或放大器）或无源的单反馈结构，此类混沌激光器由于输出激光时域波动存在一定的周期性，也就是带有明显的时延特征信息。这导致此类片上集成半导体混沌激光器在应用时表现较差。

此外，还存在方案，通过在腔内引入微环来实现使得激光器具有多个光程，利用微环提供的多个光程抑制激光器的时延特征，从而获得混沌输出。然而，由于微环带宽极小，导致激光器的工作带宽受限，并且微环的加工精度要求高，导致此类激光器的制作成本较高，良率低，不适合大规模制备。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种多光程引入组件，其特点是输出混沌激光，具有高集成度，易于封装，输出稳定性强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多光程引入组件，用于混沌激光器，包括依次连接的输入耦合结构、级联耦合结构；其中，

输入耦合结构，具有至少一个第一端口和至少两个第二端口，第一端口和第二端口分别位于输入耦合结构在光传输方向上的两侧；至少一个第一端口连接有导光光路；

级联耦合结构，用于提供至少16条光传输路径，包括级联的至少4个耦合器单元，其中，

耦合器单元，具有至少两个第三端口和至少两个第四端口，第三端口和第四端口分别位于耦合器单元在光传输方向上的两侧；相邻的耦合器单元中，前一级耦合器单元的第四端口与后一级耦合器单元的第三端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，第一级耦合器单元的第三端口与输入耦合结构的第二端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，

至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。

优选的，通过设置至少8条连接光路设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律，从而使至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。

优选的，还包括反馈结构，所述反馈结构与所述级联耦合结构连接，用于使光信号返回所述级联耦合结构。

可选的，所述反馈结构包括反射器，所述反射器通过连接光路与最后一级耦合器单元的第四端口耦合连接。

可选的，所所述反馈结构包括反馈光路，所述反馈光路设置于耦合器单元的第四端口与输入耦合结构的第一端口之间和/或设置于前级耦合器单元的第三端口与后级耦合器单元的第三端口之间。

可选的，所述反馈结构中，反射器包括环形镜和/或多模干涉反射镜。

本发明的另一目的在于提供一种集成片其特点是具有高集成度，易于封装，输出稳定性强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集成片，内置有上述任一项的多光程引入组件，包括自下而上依次设置的衬底层、下包层、波导层和上包层；所述波导层内形成有所述多光程引入组件。

本发明的另一目的在于提供一种集成片的制作方法，其特点是具有高集成度，易于封装，输出稳定性强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集成片的制作方法，用于制作上述的集成片，包括如下步骤：

提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括衬底层、下包层和波导层；

在波导层内形成多光程引入组件；所述多光程引入组件包括依次连接的输入耦合结构、级联耦合结构；

在波导层上生长上包层。

本发明的另一目的在于提供一种混沌激光器，其特点是具有高集成度，易于封装，输出稳定性强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混沌激光器，包括上述的一种集成片，还包括半导体光放大器，所述半导体光放大器设置于导光光路中，半导体光放大器通过导光光路与多光程引入组件的输入耦合结构的第一端口耦合连接。

优选的，还包括反射结构，所述反射结构设置于半导体光放大器的远离所述输入耦合结构的一侧。

本发明的另一目的在于提供一种混沌激光器的制作方法，其特点是具有高集成度，易于封装，输出稳定性强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混沌激光器的制作方法，用于制作如上述任一项的混沌激光器，包括上述的集成片的制作方法，还包括如下步骤：

安装半导体光放大器，使半导体光放大器设置于导光光路中，半导体光放大器与多光程引入组件的输入耦合结构的第一端口耦合连接。

本发明的有益效果在于:本发明提供的多光程引入组件，相比随机光栅而言，具有较低的损耗、较高的输出功率和较大的带宽；相比微环方案而言，具有较大的带宽、较低的制作难度和较高的良率。本发明的多光程引入组件通过设置多个级联的耦合器单元提供具有多条路径的器件；通过使相邻的耦合器单元之间的光路的光程长度设置为不同且为随机大小，使上述多条路径的光程不同且具有随机性，因而导致光通过该器件时传播的长度不再是一个值，而是具有许多随机大小的数值。因此将该多光程引入组件集成于激光器内时，激光通过级联的耦合器单元后能产生具有无时延特征的混沌输出，从而实现无明显时延特征的半导体混沌激光器。由于本发明的耦合器单元是由定向耦合器或多模干涉耦合器构成，这些的器件具有带宽大、制作精度低等优点，因此本发明的半导体混沌激光器具有工作带宽大，损耗低，输出稳定性强，制作精度低，耦合封装成本低，良率高，重量小，易于大规模集成等优点。

附图说明

图1为多光程引入组件的结构示意图；

图2为具有反射器的多光程引入组件的结构示意图；

图3为具有反馈光路的多光程引入组件的结构示意图；

图4为集成片的结构示意图；

图5为集成片的制作方法流程图；

图6为步骤200的具体方法流程图；

图7为混沌激光器的结构示意图；

图8为混沌激光器的制作方法流程图；

图9为实施例1的混沌激光器的结构示意图；

图10为实施例2的混沌激光器的结构示意图；

图11为实施例3的混沌激光器的结构示意图；

图12为实施例4的混沌激光器的结构示意图。

附图标记：

100、集成片；

101、1x2多模干涉耦合器；102、2x2多模干涉耦合器；103、1x3多模干涉耦合器；104、3x3多模干涉耦合器；105、多模干涉反射镜；1051、全反射区；106、定向耦合器；107、环形镜；1071、环形波导；181、渐变波导；182、弯曲波导；183、输入输出直波导；108、耦合区波导；109、多模干涉耦合区；

110、输入耦合结构；111、第一端口；112、第二端口；

120、级联耦合结构；121、耦合器单元；1211、第三端口；1212、第四端口；

130、导光光路；131、导光波导；

140、连接光路；141、连接波导；

150、输出光路；151、输出波导；152、输出耦合器；153、端面耦合器；

160、反馈光路；161、反射器；162、反馈波导；

201、衬底层；202、下包层；203、波导层；204、上包层；

300、半导体光放大器；

400、楔形模斑转换器；

500、反射结构。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

现有的混沌激光器主要采用以下方案实现：

1.由大量分立光学器件构成的半导体混沌激光器，缺点是耦合封装成本高，损耗高，稳定性低，结构相对复杂，不易于集成和小型化，且容易受环境影响，输出稳定性差。

2.包含片上集成的单反馈结构的半导体混沌激光器，缺点是存在明显的时延特征信息，混沌激光质量差，不利于其应用。

3.包含随机光栅的片上集成半导体混沌激光器。相较于单反馈结构，由于随机光纤光栅是一个多反馈器件，系统集成了更多的随机结构，因此可以大大增强产生的混沌激光的时域强度波动的随机性，从而实现更高质量的混沌激光输出。然而随机光栅由于光强度在其内部大致呈指数衰减的分布，因此越靠近入射端的反射式子反馈结构相较于远离入射端端的反射式子反馈结构将对激光器的反馈起更大的作用，需要集成多个随机分布的子反馈结构才能实现较好的混沌激光，造成系统较高的损耗以及低的输出功率。此外，随机光纤光栅的带宽较小，通常仅有纳米量级，加工精度高，良率低，不适合大规模制备。

4.包含微环的片上集成半导体混沌激光器，缺点是集成的微环带宽极小（通常小于0.1 nm），并且对制作精度要求极高，良率低，不适合大规模制备。

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多光程引入组件，设置在混沌激光器内，为激光提供多条光程不同且具有随机性的路径，抑制激光的时延特征，使激光通过多光程引入组件后能产生具有无时延特征的混沌输出。

上述多光程引入组件，如图1所示，包括依次连接的输入耦合结构110、级联耦合结构120。其中，

输入耦合结构110，具有至少一个第一端口111和至少两个第二端口112，第一端口111和第二端口112分别位于输入耦合结构110在光传输方向上的两侧；至少一个第一端口111连接有导光光路130；

级联耦合结构120，用于提供至少16条光传输路径，包括级联的至少4个耦合器单元121，其中，

耦合器单元121，具有第三端口1211和第四端口1212，第三端口1211和第四端口1212分别位于耦合器单元121在光传输方向上的两侧；相邻的耦合器单元121中，前一级耦合器单元121的第四端口1212与后一级耦合器单元121的第三端口1211通过至少一条连接光路140一对一耦合连接，第一级耦合器单元121的第三端口1211与输入耦合结构110的第二端口112通过至少一条连接光路140一对一耦合连接，

至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律；

具体的，还可以包括输出光路150，用于输出经所述级联耦合结构120处理的光信号。

具体的，上述输入耦合结构110、耦合器单元121可以选择定向耦合器或多模干涉耦合器。

可选的，定向耦合器、多模干涉耦合器的渐变波导或弯曲波导的参数，耦合区波导参数等参数均由实际情况而定。定向耦合器、多模干涉耦合器彼此之间的渐变波导或弯曲波导参数，耦合区波导参数等参数可以是相同的，也可以是不同的。

具体的，如图2-3所示，输出光路150可以设置在最后一级耦合器单元121的第四端口1212处，输出光路150中可以设置输出耦合器152，用于对外输出激光。即最后一级耦合器单元121的第四端口1212通过输出光路150与输出耦合器152耦合连接，以对外输出经多光程引入组件处理的激光。可以理解的是，当激光在多光程引入组件中往返时，输出光路150也可以设置在输入耦合结构110的第一端口111或第二端口112，也可以设置在任一耦合器单元121的第三端口1211或第四端口1212，只要上述端口能够满足激光射出的条件，即激光从该端口出射时增益大于激光在器件中的损耗。

可选的，输出耦合器152可以为端面耦合器或垂直耦合器。

具体的，上述导光光路130、连接光路140、输出光路150均包括平面光波导。平面光波导可以是条形波导或脊形波导。本发明中称本发明中称导光光路130中的平面光波导为导光波导131，连接光路140中的平面光波导为连接波导141，输出光路150中的平面光波导为输出波导151。在本实施例中，为减小器件的整体尺寸，平面光波导的形状优选设置为条形波导。可以理解的是，导光光路130、连接光路140、输出光路150还可以包括环形波导等波导结构。当连接光路140中只包括平面光波导时，通过设计平面光波导的长度即可设计得到连接光路140的光程长度。当连接光路140还包括其他波导结构时，可通过设计其他波导结构的结构或设计与仿真结合，以改变连接光路140的光程长度。

上述多光程引入组件，通过以下方式为激光提供多条光程不同且具有随机性的路径。

为方便说明，作如下假设：级联耦合结构120有级联的Q个耦合器单元121，即有Q级耦合器单元121。输入耦合结构110有A₁个第二端口112通过连接光路140与第1级耦合器单元121的第三端口1211一对一对应耦合连接；第1级耦合器单元121~第Q-1级耦合器单元121分别有数量为A₂、A₃...A_Q的第四端口1212数量分别通过连接光路140与后一级耦合器单元121的第四端口1212一对一对应耦合连接。称设置于输入耦合结构110与第1级耦合器单元121之间的连接光路140为第1级连接光路140，称设置于第1级耦合器单元121与第2级耦合器单元121之间的连接光路140为第2级连接光路140，依次类推，直至称设置于第Q-1级耦合器单元121与第Q级耦合器单元121之间的连接光路140为第Q级连接光路140。显然，第1级连接光路140~第Q级连接光路140的数量分别为A₁~A_Q。

输入耦合结构110具有至少一个第一端口111，外部的输入光可通过导光光路130和上述第一端口111进入输入耦合结构110，由输入耦合结构110的第二端口112输出至连接光路140，通过连接光路140进入级联耦合结构120。级联耦合结构120包括Q个级联的耦合器单元121。相邻的耦合器单元121之间通过一条或多条连接光路140耦合连接。每个耦合器单元121都为经过该耦合器的光提供了与该耦合器单元121和下一级耦合器单元121之间的连接光路140数量相同的可选的光传输路径。即第i级耦合器单元121为进入该耦合器的光提供了A_i条可选的光传输路径,i∈(1,Q)。当光从输入耦合器进入级联耦合结构120，并经过全部耦合器单元121时，级联耦合结构120一共提供了P_CA条光传输路径，P_CA的计算公式如下：

设置级联的耦合器单元121数量为至少4个，从而保证级联耦合结构120可以提供至少16条光传输路径。

令至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。当光经过级联耦合结构120处理，从输出光路150输出时，光经过至少16条具有无周期性规律的不同光程长度的传输路径，导致通过多光程引入组件的光传播的长度不再是一个值，而是具有至少16个无周期规律的不同值；光传播的时延也是至少16个无周期规律的不同值，产生了具有无时延特征的混沌输出。因此，当激光进入该多光程引入组件后，经过该多光程引入组件处理，即可输出混沌激光。

需要注意的是，在本发明中，将多个数据具有不同数值且数值无周期性规律这一特征定义为随机。

在一些具体的实施例中，通过将至少8条连接光路140设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律，以实现至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。作为实施方法，可以在设计时，将上述连接光路140的光程长度预设为不同的随机数，上述随机数可以为程序生成的伪随机数。

由于光传输路径的光程长度主要由该光传输路径中连接光路140的光程长度决定。考虑级联耦合结构120中具有4个级联的耦合器单元121，且输入耦合结构110的第二端口112、耦合器单元的第三端口1211及第四端口1212数量均为2个的极限情况，当全部8条连接光路140都设置为光程长度不同且无周期性规律，并且8条连接光路140都为同级连接光路140时，多光程引入组件即能够提供16条光程长度不同且光程长度无周期性规律的光传输路径，因此设置光程长度不同且无周期性规律的连接光路140数量为至少8条。需要注意的是，在一些具体的实施例中，可能存在多个连接光路140的光程长度不同且无周期性规律，但它们形成的多个光传输路径可能出现光程长度周期性规律或光程长度相同的情况，这不符合本发明的发明目的，可以理解的是，本领域技术人员通过阅读本发明，应当知道并能够在器件设计及模拟仿真阶段通过惯用技术手段避免上述情况的发生，例如选取某一连接光路140，将其光程长度设置为另一随机数，以改变经过该连接光路140的光传输路径的数值。

该多光程引入组件还具有耦合封装成本低，良率高，重量小，易于大规模集成的优点。由于本发明的输入耦合结构110、耦合器单元121都是由定向耦合器106或多模干涉耦合器构成，这些的器件具有带宽大、制作精度低等优点。例如，定向耦合器106、多模干涉耦合器通常具有几十纳米的带宽。同时，定向耦合器106或多模干涉耦合器的级联耦合、片上集成等工艺具有耦合封装成本低良率高的特点，因此构成的多光程引入组件具有上述优点。

在一些具体的实施例中，如图2、3所示，多光程引入组件还包括反馈结构，反馈结构与级联耦合结构120连接，用于使光信号返回级联耦合结构120。

可选的，如图2所示，反馈结构包括反射器161，所述反射器161通过连接光路140与最后一级耦合器单元121的第四端口1212耦合连接。在一些具体的实施例中，反馈结构还可以包括反馈光路160，反馈光路160设置于第Q个耦合器单元121的第四端口1212与输入耦合结构110的第三端口1211之间。具体的，在反馈结构中，反射器161包括环形镜107和/或多模干涉反射镜105。

可选的，如图3所示，反馈结构包括反馈光路160，所述反馈光路160设置于耦合器单元121的第四端口1212与输入耦合结构110的第一端口111之间和/或设置于前级耦合器单元121的第三端口1211与后级耦合器单元121的第三端口1211之间。

具体的，上述反馈光路160包括平面光波导。本发明中称反馈光路160中的平面光波导为反馈波导162。可以理解的是，反馈光路160还可以包括环形波导等波导结构。

设置反馈结构，可以不增加级联的耦合器单元121数量的情况下，使多光程引入组件中的光传输路径数量增加。例如，将第Q级耦合器单元121的第四端口1212都设置反射镜，输出光路150与输入耦合结构110的第一端口111连接，则此时，级联耦合结构120提供的光传输路径数量可能为未设置反馈结构且输出光路150与第Q级耦合器单元121的第四端口1212连接时的2倍甚至更多。若连接光路140均设置为光程长度不同且无周期性规律，则光程长度不同且无周期规律的光传输路径数量也可能为未设置反馈结构且输出光路150与第Q级耦合器单元121的第四端口1212连接时的2倍甚至更多。同理，将反馈光路160设置于耦合器单元121的第四端口1212与输入耦合结构110的第一端口111之间，也可能使该耦合单元与输入耦合结构110之间具有随机光程长度的光传输路径数量翻倍；将反馈光路160设置于前级耦合器单元121的第三端口1211与后级耦合器单元121的第三端口1211之间，亦可能使该前级耦合器单元121的第三端口1211与该后级耦合器单元121的第三端口1211之间具有随机光程长度的光传输路径数量翻倍。可见，设置反馈结构可以为经多光程引入组件处理的激光引入更多随机大小的光程，进而更有效地破坏经处理的激光模式间的相位相关性，导致更高维的混沌动力学运转，从而更好地消除激光的时延特征。

可选的，反馈光路160和反射器161可以同时存在于上述多光程引入组件中，用作反馈结构。

本发明还提供了一种集成片100，集成片100内置有上述多光程引入组件。如图 4所示，集成片100包括自下而上依次设置的衬底层201、下包层202、波导层203和上包层204；波导层203内形成有上述多光程引入组件。

可选的，衬底层201可以为硅材质。下包层202和上包层204可以为二氧化硅材质。波导层203可以采用绝缘体上的硅、氮化硅、二氧化硅、磷化铟等材料制备。

可选的，衬底层201的厚度可以为700~800um，下包层202的厚度可以为2~3um，波导层203的厚度可以为200~350um，下包层202的厚度可以为约1um。

本发明还提供了一种集成片100的制作方法，用于制作包括权利要求7所述的集成片100，如图5所示，包括如下步骤：

S100、提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括衬底层201、下包层202和波导层203。

S200、在波导层203内形成多光程引入组件，所述多光程引入组件包括依次连接的输入耦合结构110、级联耦合结构120和输出光路150。

S300、在波导层203上生长上包层204。

具体的，在得到SOI晶圆时可以先对SOI晶圆进行预处理操作，如清洗，去除晶圆表面的污渍。可以通过将晶圆置于化学溶液以完成清洗。

具体的，如图6所示，步骤S200可以包括以下步骤：

S201、通过匀胶机在波导层203上涂上一层均匀的光刻胶；

S202、制作掩模板，用电子束光刻制作掩模板，形成与多光程引入组件对应的波导图案；

S203、通过紫外光刻将掩模板上的波导图案转移到光刻胶上；

S204、通过化学溶解去除非波导图案的光刻胶；

S205、通过干法刻蚀或湿法刻蚀，去处非波导图案处的波导层203材料，以实现将波导图案转移到波导层203中。

在开始步骤S300前，还可以利用化学溶液去除波导层203上剩余的光刻胶。

具体的，步骤S300包括通过化学气相沉积技术或物理气相沉积技术在波导层203上沉积一层上包层204。

本发明还提供了一种混沌激光器，如图7所示，包括上述集成片100，还包括半导体光放大器300，所述半导体光放大器300设置于导光光路130中，半导体光放大器300通过导光光路130与多光程引入组件的输入耦合结构110的第一端口111耦合连接。

具体的，还包括楔形模斑转换器400，半导体光放大器300通过楔形模斑转换器400与集成片100实现低损耗耦合。楔形模斑转换器400设置于导光波导131上并位于半导体光放大器300靠近导光波导131的一侧。具体地，考虑到半导体光放大器300和导光波导131的波导模场尺寸通常不匹配，通过设置楔形模斑转换器400，当激光于导光波导131上朝着半导体光放大器300的方向传播时，激光能进入至楔形模斑转换器400内，楔形模斑转换器400能够与导光波导131实现低损耗耦合，楔形模斑转换器400能够降低半导体光放大器300和导光波导131之间的耦合损耗。

在一些具体的实施例中，还包括反射结构500，所述反射结构500设置于半导体光放大器300的远离所述输入耦合结构110的一侧。

具体的，半导体光放大器300的一端设有反射结构500，并与反馈结构共同构成了该线性腔激光器两侧的反射镜。

反射结构500可以设置为波导光栅，反射结构500还可以设置为反光膜。

优选的，反射结构500的反射率设置为1-50％。具体地，随着反射率的增加，半导体随机激光器的阈值会逐渐减小，半导体随机激光器的光学效率会随着反射率的增加先增加后减小，在最佳反射率时达到最大的光学效率，此时半导体随机激光器可以获得最大的随机激光激射功率，最佳反射率和反射结构500的反射率有关，将反射结构500的反射率限制在1％-50％。

半导体光放大器300采用III-V或II-VI或IV-VI族化合物材料制作。

半导体光放大器300用于将电激励转化为光能量从而为激光器提供所必要的增益，可对进入其内部的激光进行双向放大。当混沌激光器进行工作时，半导体光放大器300产生微弱的激光，激光经导光光路130、输入耦合结构110并依次经过多个耦合器单元121传播至反馈结构。反馈结构能够使激光返回至半导体光放大器300，返回的激光经过半导体光放大器300放大后，传播至反射结构500，由于此时激光被反射的次数较少，所对应获得的增益较小，因此在这部分激光传播至反射结构500后将被反射并反向传播，再次传播至导光光路130、输入耦合结构110、多个耦合器单元121和反馈结构，如此往返传播，往返过程中激光反复经半导体光放大器300进行增益，激光在往返过程中不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光从输出光路150射出。

如上文所述，反馈结构可以为反射器161，反射器161能够给激光提供反射并改变激光的传播方向，使激光返回至半导体光放大器300。至于每个反射器161给激光提供的反射比例，可以根据实际需求进行设定。

如上文所述，反馈结构还可以为反馈光路160，为使激光能够返回至半导体激光放大器，反馈光路160可以连接于半导体激光放大器上远离输出光路150的一侧与级联耦合结构120内耦合器单元121的第四端口1212之间。优选的，为引入更多随机大小的光程，使混沌激光器具有更高质量的混沌输出，反馈光路160可以用于连接级联耦合结构120内最后一级耦合器单元121的第四端口1212与半导体激光放大器。

具体的，反馈光路160中还包括楔形模斑转换器400。楔形模斑转换器400设置于反馈波导162上，并位于半导体光放大器300靠近反馈波导162的一侧。具体地，考虑到半导体光放大器300和反馈波导162的波导模场尺寸通常不匹配，通过设置楔形模斑转换器400，当激光于反馈波导162上朝着半导体光放大器300的方向传播时，激光能进入至楔形模斑转换器400内，楔形模斑转换器400能够与反馈波导162实现低损耗耦合，楔形模斑转换器400能够降低半导体光放大器300和反馈波导162之间的耦合损耗。

本发明还提供了一种混沌激光器的制作方法，如图8所示，包括上述的集成片100的制作方法，用于制作上述混沌激光器，还包括如下步骤：

S400、安装半导体光放大器300，使半导体光放大器300设置于导光光路130中，半导体光放大器300与多光程引入组件的输入耦合结构110的第一端口111耦合连接。

当半导体光放大器300作为分立器件嵌设置于集成片100上时，步骤S400具体如下步骤：

上述集成片100的制作方法中，在步骤S300之后，执行如下步骤：

S401、通过多次刻蚀加工出焊接半导体光放大器300的凹槽；

S402、将带有反射结构500的半导体光放大器300焊接到凹槽中，使半导体光放大器300设置于导光光路130中，半导体光放大器300与多光程引入组件的输入耦合结构110的第一端口111耦合连接。

当半导体光放大器300作为分立器件嵌设置于集成片100上时，步骤S400具体如下步骤：

上述集成片100的制作方法中，在步骤S300之后，执行如下步骤：

S401、通过多次刻蚀加工出焊接半导体光放大器300的凹槽；

S402、将带有反射结构500的半导体光放大器300焊接到凹槽中，使半导体光放大器300设置于导光光路130中，半导体光放大器300与多光程引入组件的输入耦合结构110的第一端口111耦合连接。

当半导体光放大器300通过晶圆键合、微转印等方式内置于集成片100上时，还包括如下步骤：

上述集成片100的制作方法中，在步骤S3之前，执行以下步骤：

S206、 通过多次刻蚀在波导层203上加工出用于设置半导体光放大器300的凹槽；

S207、将带有反射结构500的半导体光放大器300通过晶圆键合方式键合到凹槽中或微转印方式设置到凹槽中，使半导体光放大器300设置于导光光路130中，半导体光放大器300与多光程引入组件的输入耦合结构110的第一端口111耦合连接。

当半导体光放大器300通过单片集成的方式内置于集成片100上时，还包括如下步骤：

上述集成片100的制作方法中，在执行步骤S200同时，执行以下步骤：

S210、在波导层203内多次外延和刻蚀形成半导体光放大器300。

然后执行步骤S300。

还包括步骤S301，

S301：开设电极窗口，形成电极。

以上是本发明的核心内容，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，都属于本申请保护的范围。

以下将结合附图描述本发明的四种具体的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行具体地描述。

实施例1：一种混沌激光器，如图9所示，包括半导体激光放大器和集成片100。集成片100自下而上包括依次设置的衬底层201、下包层202、波导层203和上包层204。其中，波导层203上通过刻蚀设置有多光程引入组件，多光程引入组件包括一个1x2多模干涉耦合器101、多个级联的2x2多模干涉耦合器102和多模干涉反射镜105。

1x2多模干涉耦合器101作为输入耦合结构110，具有一个第一端口111和两个第二端口112，第一端口111连接有用作导光光路130的导光波导131，导光波导131远离输入耦合结构110的一端通过楔形模斑转换器400与半导体光放大器300耦合连接。半导体光放大器300输出的光通过楔形模斑转换器400、导光波导131进入1x2多模干涉耦合器101。可选的，1x2多模干涉耦合器101可以用Y分支替代。

多个级联的2x2多模干涉耦合器102作为级联耦合结构120，第一级2x2多模干涉耦合器102的第三端口1211通过用作连接光路140的连接波导141与1x2多模干涉耦合器101的第二端口112一对一耦合连接。相邻的2x2多模干涉耦合器102的第四端口1212与第三端口1211之间也通过连接波导141一对一耦合连接。最后一级2x2多模干涉耦合器102的输出端口与一具有两个反射端口的多模干涉反射镜105的反射端口，通过连接波导141一对一耦合连接。连接波导141与第二端口112、第三端口1211、第四端口1212、反射端口的耦合处均设置有用于提高耦合效率的的渐变波导181。至少部分连接波导141具有不同的长度，且长度无周期性规律。

1x2多模干涉耦合器101可以采用常规的具有一个第一端口111和两个第二端口112的多模干涉耦合器，其包括多模干涉耦合区109，第一端口111设置于多模干涉耦合区109的一侧，第二端口112设置于多模干涉耦合区109的另一侧。第一端口111、第二端口112上均设置有渐变波导181，第一端口111的渐变波导181通过输入输出直波导183与导光波导131耦合连接，第二端口112的渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

2x2多模干涉耦合器102可以采用常规的具有两个第三端口1211和两个第四端口1212的多模干涉耦合器，其包括多模干涉耦合区109，第三端口1211设置于多模干涉耦合区109的一侧，第四端口1212设置于多模干涉耦合区109的另一侧。第三端口1211、第四端口1212上均设置有渐变波导181，渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

多模干涉反射镜105采用常规的具有两个反射端口的多模干涉反射镜105，其包括多模干涉耦合区109，多模干涉耦合区109的一侧设置反射端口，另一侧设置全反射区1051。反射端口上均设置有渐变波导181，渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

上述1x2多模干涉耦合器101、2x2定向耦合器或Y分支的耦合比的范围为40%~60%，优选耦合比为50%；通过上述设置，可以使经这些耦合器分束后波导的功率比例相近，有利于经过不同路径的光功率比例尽量一致，更加有利于消除激光的时延特征。

半导体光放大器300以分立器件的形式通过焊接或其他常规集成方式设置于集成片100一侧。

半导体光放大器300上远离集成片100的一侧设置有反射结构500。

本实施例中，衬底层201为硅材质；下包层202和上包层204为二氧化硅材质；波导层203由氮化硅材料制备。衬底层201的厚度为700~800um，下包层202的厚度为2~3um，波导层203的厚度为200~350um，下包层202的厚度为约1um。

本实施例的输出光路150位于反射结构500远离半导体光放大器300的一侧，即激光在往返过程中，不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光从导光波导131输出后最终可透过反射结构500射出。

为追求更高质量的混沌输出效果，连接波导141可以预设为均具有不同且无周期 规律的长度，可以在设计时，将上述连接波导141的长度预设为不同的随机数，上述随机数 可以为程序生成的伪随机数。此时激光在经过不同的光传输路径时，由于连接波导141被预 设为随机长度，导致不同的光传输路径具有随机光程长度。假设本实施例中级联的2x2定向 耦合器106的数量为W个，激光在集成片100上往返的次数为n次，则该激光器具有条随机光程长度的光传输路径，进而可以有效破坏激光模式间的相位相关性， 导致高维的混沌动力学运转，从而消除激光的时延特征。

本实施例的具体工作方式如下：混沌激光器开始工作时，半导体光放大器300产生微弱的激光，激光一部分向反射结构500的方向传播，此时由于增益较小，被反射结构500反射，并与另一部分向集成片100方向传播的激光一起经导光波导131、1x2多模干涉耦合器101并依次经过多个2x2多模干涉耦合器102传播至多模干涉反射镜105。多模干涉反射镜105将光反射，反射光依次经过多个2x2多模干涉耦合器102以及1x2多模干涉耦合器101和导光波导131返回半导体光放大器300，半导体光放大器300对返回的反射光进行放大后，传播至反射结构500。由于此时激光被反射的次数较少，所对应获得的增益仍较小，因此在这部分激光传播至反射结构500后将被反射并反向传播，再次传播至导光波导131、1x2多模干涉耦合器101、多个2x2多模干涉耦合器102和多模干涉反射镜105，如此往返传播。往返过程中，激光反复经半导体光放大器300进行增益，激光在往返过程中不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光从输出光路150射出；同时，由于该激光器具有大量随机光程长度的光传输路径，很好地抑制了输出激光的时延特征，因此该激光器可以获得高质量的混沌激光输出，可靠实用。

实施例2：一种混沌激光器，与实施例1的不同之处在于，如图10所示，以定向耦合器106替代了实施例1中的1x2多模干涉耦合器101，以定向耦合器106替代了实施例1中的2x2多模干涉耦合器102，以环形镜107替代了实施例1中的多模干涉反射器161。定向耦合器106或环形镜107与连接波导141或导光波导131的耦合处无需设置。

本实施例中用于替代实施例1中的1x2多模干涉耦合器101的定向耦合器106可以采用常规的具有两个第一端口111和两个第二端口112的定向耦合器106，其包括耦合区波导108，第一端口111设置于耦合区波导108的一侧，第二端口112设置于耦合区波导108的另一侧。第一端口111、第二端口112上均设置有S型的弯曲波导182。其中一个第一端口111的弯曲波导182通过输入输出直波导183与导光波导131耦合连接，另一个第一端口111的弯曲波导182上连接有输入输出直波导183并空置。第二端口112的弯曲波导182通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

本实施例中用于替代实施例1中的2x2多模干涉耦合器102的定向耦合器106可以采用常规的具有两个第一端口111和两个第二端口112的定向耦合器106，其包括耦合区波导108，第一端口111设置于耦合区波导108的一侧，第二端口112设置于耦合区波导108的另一侧。第一端口111、第二端口112上均设置有S型的弯曲波导182。第一端口111、第二端口112的弯曲波导182均通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

环形镜107采用常规的具有两个反射端口的环形镜107，其包括耦合区波导108，耦合区波导108的一侧设置反射端口，另一侧设置环形波导1071。反射端口上均设置有S型的弯曲波导182，弯曲波导182通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

为追求更高质量的混沌输出效果，连接波导141可以预设为均具有不同且无周期 规律的长度，可以在设计时，将上述连接波导141的长度预设为不同的随机数，上述随机数 可以为程序生成的伪随机数。此时激光在经过不同的光传输路径时，由于连接波导141被预 设为随机长度，导致不同的光传输路径具有随机光程长度。假设本实施例中级联的定向耦 合器106的数量为X个，激光在集成片100上往返的次数为X次，则该激光器具有条随 机光程长度的光传输路径，进而可以有效破坏激光模式间的相位相关性，导致高维的混沌 动力学运转，从而消除激光的时延特征。

上述定向耦合器的参数可以相同或不相同。上述定向耦合器的耦合比的范围为40%~60%，优选耦合比为50%。通过上述设置，可以使经这些耦合器分束后波导的功率比例相近，有利于经过不同路径的光功率比例尽量一致，更加有利于消除激光的时延特征。

本实施例的具体工作方式如下：混沌激光器开始工作时，半导体光放大器300产生微弱的激光，激光一部分向反射结构500的方向传播，此时由于增益较小，被反射结构500反射，并与另一部分向集成片100方向传播的激光一起经导光波导131、并依次经过多个定向耦合器106传播至环形镜107。环形镜107将光反射，反射光依次经过多个定向耦合器106和导光波导131返回半导体光放大器300，半导体光放大器300对返回的反射光进行放大后，传播至反射结构500。由于此时激光被反射的次数较少，所对应获得的增益仍较小，因此在这部分激光传播至反射结构500后将被反射并反向传播，再次传播至导光波导131、多个定向耦合器106和环形镜107，如此往返传播。往返过程中，激光反复经半导体光放大器300进行增益，激光在往返过程中不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光从输出光路150射出；同时，由于该激光器具有大量随机光程长度的光传输路径，很好地抑制了输出激光的时延特征，因此该激光器可以获得高质量的混沌激光输出，可靠实用。

实施例3：一种混沌激光器，与实施例1的不同之处在于，如图11所示，以1x3多模干涉耦合器103替代了实施例1中的1x2多模干涉耦合器101，以3x3多模干涉耦合器104替代了实施例1中的2x2多模干涉耦合器102，以具有单个反射接口的多模干涉反射镜105替代了实施例1中具有两个反射接口的多模干涉反射镜105，并且本实施例中的多模干涉反射镜105设置为三个，与最后一级3x3多模干涉耦合器104的三个第四端口1212通过连接波导141一一对应耦合连接。

1x3多模干涉耦合器103可以采用常规的具有一个第一端口111和三个第二端口112的多模干涉耦合器，其包括多模干涉耦合区109，第一端口111设置于多模干涉耦合区109的一侧，第二端口112设置于多模干涉耦合区109的另一侧。第一端口111、第二端口112上均设置有渐变波导181，第一端口111的渐变波导181通过输入输出直波导183与导光波导131耦合连接，第二端口112的渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

3x3多模干涉耦合器104可以采用常规的具有三个第三端口1211和三个第四端口1212的多模干涉耦合器，其包括多模干涉耦合区109，第三端口1211设置于多模干涉耦合区109的一侧，第四端口1212设置于多模干涉耦合区109的另一侧。第三端口1211、第四端口1212上均设置有渐变波导181，渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

多模干涉反射镜105采用常规的具有一个反射端口的多模干涉反射镜105，其包括多模干涉耦合区109，多模干涉耦合区109的一侧设置反射端口，另一侧设置全反射区1051。反射端口上均设置有渐变波导181，渐变波导181通过输入输出直波导183与连接波导141耦合连接。

为追求更高质量的混沌输出效果，连接波导141可以预设为均具有不同且无周期 规律的长度，可以在设计时，将上述连接波导141的长度预设为不同的随机数，上述随机数 可以为程序生成的伪随机数。此时激光在经过不同的光传输路径时，由于连接波导141被预 设为随机长度，导致不同的光传输路径具有随机光程长度。假设本实施例中级联的3x3多模 干涉耦合器104的数量为Y个，激光在集成片100上往返的次数为N次，则该激光器具有条随机光程长度的光传输路径，进而可以有效破坏激光模式间的相位相关性，导致 高维的混沌动力学运转，从而消除激光的时延特征。

本实施例的具体工作方式如下：混沌激光器开始工作时，半导体光放大器300产生微弱的激光，激光一部分向反射结构500的方向传播，此时由于增益较小，被反射结构500反射，并与另一部分向集成片100方向传播的激光一起经导光波导131、1x3多模干涉耦合器103并依次经过多个3x3多模干涉耦合器104传播至多模干涉反射镜105。多模干涉反射镜105将光反射，反射光依次经过多个3x3多模干涉耦合器104以及1x3多模干涉耦合器103和导光波导131返回半导体光放大器300，半导体光放大器300对返回的反射光进行放大后，传播至反射结构500。由于此时激光被反射的次数较少，所对应获得的增益仍较小，因此在这部分激光传播至反射结构500后将被反射并反向传播，再次传播至导光波导131、1x3多模干涉耦合器103、多个3x3多模干涉耦合器104和多模干涉反射镜105，如此往返传播。往返过程中，激光反复经半导体光放大器300进行增益，激光在往返过程中不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光从输出光路150射出；同时，由于该激光器具有大量随机光程长度的光传输路径，很好地抑制了输出激光的时延特征，因此该激光器可以获得高质量的混沌激光输出，可靠实用。

实施例4：一种混沌激光器，与实施例1的不同之处在于，如图12所示，不设置反射结构500，以一条反馈波导162作为反馈光路160，代替实施例1中的多模干涉反射镜105作为反馈结构，反馈波导162的一端与半导体激光放大器上远离1x2多模干涉耦合器101的一侧通过楔形模斑转换器400耦合连接，另一端与最后一级2x2多模干涉耦合器102的一个第四端口1212通过耦合连接。

最后一级2x2多模干涉耦合器102的另一个第四端口1212连接有用作输出光路150的输出波导151。输出波导151的另一端耦合连接有端面耦合器153。激光器产生的混沌激光从端面耦合器153处输出。

反馈波导162和多光程引入组件、半导体光放大器300共同构成环形腔结构。使得激光能够通过环形腔结构返回至半导体激光放大器。

为追求更高质量的混沌输出效果，连接波导141可以预设为均具有不同且无周期 规律的长度，可以在设计时，将上述连接波导141的长度预设为不同的随机数，上述随机数 可以为程序生成的伪随机数。此时激光在经过不同的光传输路径时，由于连接波导141被预 设为随机长度，导致不同的光传输路径具有随机光程长度。假设本实施例中级联的2x2定向 耦合器106的数量为Z个，激光在集成片100上往返的次数为N次，则该激光器具有条 随机光程长度的光传输路径，进而可以有效破坏激光模式间的相位相关性，导致高维的混 沌动力学运转，从而消除激光的时延特征。

本实施例的具体工作方式如下：混沌激光器开始工作时，半导体光放大器300产生微弱的激光，激光一部分向反馈波导162的方向传播，经过反馈波导162并依次经过多个2x2多模干涉耦合器102传播、1x2多模干涉耦合器101、导光波导131返回半导体光放大器300；另一部分向集成片100方向传播的激光经导光波导131、1x2多模干涉耦合器101并依次经过多个2x2多模干涉耦合器102，然后经过反馈波导162返回半导体光放大器300，如此往返传播。往返过程中，激光反复经半导体光放大器300进行增益，激光在往返过程中不断被放大，当其获得的增益能够抵消总消耗时，激光经过输出波导151，从端面耦合器153射出。同时，由于该激光器具有大量随机光程长度的光传输路径，很好地抑制了输出激光的时延特征，因此该激光器可以获得高质量的混沌激光输出，可靠实用。

综上所述，本实施例提供的混沌激光器，采用多个级联的耦合器单元121结构相比常规的分立器件而言，能够实现更低的封装成本和更高的集成度；相比常规的单反馈结构而言，能够具有更高质量的混沌激光输出；相比常规的随机光栅而言，能够具有低损耗、高输出功率、大带宽、低制作精度要求、高良率的优势；相比常规的微环而言，能够具有大工作带宽、低制作精度要求、高良率，适合大规模制备。输入耦合结构110、多个级联的耦合器单元121、半导体光放大器300等部件均设置于集成片100上，结构简单，可有效减小尺寸，集成性强。此外，输入耦合结构110和耦合器单元121的制作对刻蚀精度要求比较低，能够在一定程度上降低制作成本，进一步提升制作效率。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种多光程引入组件，用于混沌激光器，其特征在于：包括依次连接的输入耦合结构、级联耦合结构；其中，

输入耦合结构，具有至少一个第一端口和至少两个第二端口，第一端口和第二端口分别位于输入耦合结构在光传输方向上的两侧；至少一个第一端口连接有导光光路；

级联耦合结构，用于提供至少16条光传输路径，包括级联的至少4个耦合器单元，其中，

耦合器单元，具有至少两个第三端口和至少两个第四端口，第三端口和第四端口分别位于耦合器单元在光传输方向上的两侧；相邻的耦合器单元中，前一级耦合器单元的第四端口与后一级耦合器单元的第三端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，第一级耦合器单元的第三端口与输入耦合结构的第二端口通过至少一条连接光路一对一耦合连接，

至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。

2.根据权利要求1所述的多光程引入组件，其特征在于：通过设置至少8条连接光路设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律，从而使至少16条光传输路径设置为光程长度不同，且光程长度无周期性规律。

3.根据权利要求2所述的多光程引入组件，其特征在于：还包括反馈结构，所述反馈结构与所述级联耦合结构连接，用于使光信号返回所述级联耦合结构。

4.根据权利要求3所述的多光程引入组件，其特征在于：所述反馈结构包括反射器，所述反射器通过连接光路与最后一级耦合器单元的第四端口耦合连接。

5.根据权利要求3所述的多光程引入组件，其特征在于：所述反馈结构包括反馈光路，所述反馈光路设置于耦合器单元的第四端口与输入耦合结构的第一端口之间和/或设置于前级耦合器单元的第三端口与后级耦合器单元的第三端口之间。

6.根据权利要求4所述的多光程引入组件，其特征在于：所述反馈结构中，反射器包括环形镜和/或多模干涉反射镜。

7.一种集成片，内置有如权利要求1-6中任一项所述的多光程引入组件，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底层、下包层、波导层和上包层；所述波导层内形成有所述多光程引入组件。

8.一种集成片的制作方法，用于制作包括权利要求7所述的集成片，其特征在于，包括如下步骤：

提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括衬底层、下包层和波导层；

在波导层内形成多光程引入组件；所述多光程引入组件包括依次连接的输入耦合结构、级联耦合结构；

在波导层上生长上包层。

9.一种混沌激光器，包括如权利要求8所述的集成片，其特征在于：还包括半导体光放大器，所述半导体光放大器设置于导光光路中，半导体光放大器通过导光光路与多光程引入组件的输入耦合结构的第一端口耦合连接。

10.根据权利要求9所述的混沌激光器，其特征在于：还包括反射结构，所述反射结构设置于半导体光放大器的远离所述输入耦合结构的一侧。