五類結(jié)構(gòu)的光子集成混沌激光器

時間：2021/02/19    點擊量：361

       混沌現(xiàn)象是自然界中的普遍現(xiàn)象，天氣變化就是一個典型的混沌運動，廣為人知的“蝴蝶效應(yīng)”——南美洲的一只蝴蝶扇一扇翅膀，就可能會在佛羅里達(dá)引起一場颶風(fēng)，就是混沌現(xiàn)象的一個著名表述。

　　混沌激光是激光器輸出不穩(wěn)定性的一種特殊形式，具有寬頻譜類噪聲的特性, 其物理熵(熵：體系的狀態(tài)函數(shù)，值越大，體系越混亂。)源具有寬帶、不可預(yù)測、類隨機等特征。近年來, 基于混沌激光的一些技術(shù)已廣泛應(yīng)用到保密通信、高速隨機數(shù)生成、混沌雷達(dá)、激光雷達(dá)、混沌光時域反射儀、測距和光纖傳感等方面, 同時這些應(yīng)用正逐步走向?qū)嵱没褪袌龌?/p>

　　與離散器件組成的裝置相比, 集成芯片具有其獨特的優(yōu)點, 如尺寸較小、成本較低、穩(wěn)定性較好和適用于大批量生產(chǎn)等。為了結(jié)合混沌應(yīng)用和集成電路的優(yōu)勢, 光子集成的混沌半導(dǎo)體激光器應(yīng)運而生。

　　圖：混沌激光的特性 (a)波形;(b)吸引子;(c)頻譜;(d)自相關(guān)曲線。

　　這種混沌激光器使混沌激光的應(yīng)用范圍變得更廣，其研制在國內(nèi)外都受到了重視。目前，國外光子集成混沌半導(dǎo)體激光器的研制主要集中在美國、希臘、西班牙、意大利、德國、英國、法國等，國內(nèi)則主要集中在中科院半導(dǎo)體研究所、西南大學(xué)、清華大學(xué)和太原理工大學(xué)等。本文以光子集成結(jié)構(gòu)對光子集成混沌半導(dǎo)體激光器進(jìn)行分類，并分別介紹其特點、應(yīng)用等研究進(jìn)展。

　　集成增益區(qū)-相位區(qū)-反饋層

　　第一類是希臘雅典大學(xué)和德國海因里希-赫茲研究院弗勞恩霍夫電信研究所研制的混沌芯片，他們首次將DFB激光源、增益/吸收區(qū)(GAS)、相位控制區(qū)和反饋腔(無源波導(dǎo)鍍膜層)4部分集成為混沌激光源。

　　圖： 單片集成混沌半導(dǎo)體激光器。(a)芯片;(b)包裝模塊

　　2008年，Argyris等設(shè)計出集成混沌激光芯片的原理圖，為研制混沌激光器提供了理論依據(jù)。2009年，Syvridis等研究表明，此芯片可以用于混沌保密通信。2010年，Argyris等對單片集成芯片進(jìn)行封裝，形成了模塊器件，并且在混沌保密通信過程中驗證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。同年，他用這種集成混沌模塊產(chǎn)生了140 Gb/s的真隨機數(shù)，Bogris等利用集成混沌電路進(jìn)行通信，分析了系統(tǒng)的加密效率。2013年，Liu等利用這種結(jié)構(gòu)生成的混沌來提高系統(tǒng)的能量存儲。

　　集成光放大區(qū)-波導(dǎo)-光電探測器

　　第二類是日本埼玉大學(xué)和NTT 通信科學(xué)實驗室研制的集成混沌芯片，包含一個DFB激光器、兩個獨立的SOA、環(huán)形無源光波導(dǎo)以及一個快速光電探測器(PD)。與原先的帶有線型波導(dǎo)和端面反饋的混沌激光芯片相比, 這種環(huán)形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了更強光反饋。集成PD實現(xiàn)了光信號的有效探測, 降低損耗。

　　圖： 帶無源波導(dǎo)單片集成混沌半導(dǎo)體激光器。(a)環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu);(b)直型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

　　2011年，Sunada 等研制出這種單片集成混沌半導(dǎo)體激光芯片。通過調(diào)節(jié)電路，可以產(chǎn)生頻譜在±6.5 dB，帶寬達(dá)到10 GHz的混沌輸出。同年他們研制出了另一種混沌激光器芯片，呈現(xiàn)直型結(jié)構(gòu)。將兩片這種芯片封裝在同一模塊中，可以并行輸出兩路不相關(guān)的混沌信號。利用此模塊可以生成2.08 Gb/s的高速物理隨機碼。2014年，Takahashi等使用光子集成電路產(chǎn)生混沌，生成高速隨機碼。2016年，Sunada 等研究了混沌和非混沌微腔激光器的光譜特征。

　　集成波導(dǎo)-相位-空氣隙

　　第三類是西班牙巴利阿里群島大學(xué)Tronciu研究小組研制的集成多光反饋半導(dǎo)體激光器芯片，這是具有三個外腔的集成多腔半導(dǎo)體激光器芯片。

　　圖： 集成的多光反饋半導(dǎo)體激光器芯片

　　2008年，Tronciu等對半導(dǎo)體激光器和雙反饋腔組成的集成器件進(jìn)行理論研究，系統(tǒng)顯示出了適用于混沌保密通信的混沌特性。與單腔反饋相比，雙腔反饋降低了對反饋的要求，更低的反饋強度就可以生成高復(fù)雜混沌。2009年，Tronciu等在激光器結(jié)構(gòu)中增加了空氣隙，通過實驗證明了這種激光器適用于混沌保密通信，并且理論上給出了多反饋激光器信息加密和提取的條件。

　　集成相位區(qū)-光放大區(qū)

　　第四類是中科院半導(dǎo)體研究所趙玲娟等和西南大學(xué)夏光瓊等研制的三段式集成混沌芯片，由DFB激光器區(qū)、相位區(qū)和放大區(qū)三部分組成。

　　圖： 由DFB激光器區(qū)、相位區(qū)和放大區(qū)組成的三段式的光子單片集成半導(dǎo)體激光器

　　2013年，Wu等設(shè)計并研制出了尺寸為780μm的單片集成的半導(dǎo)體激光器芯片，產(chǎn)生出具有顯著維度和復(fù)雜性的混沌，頻譜帶寬達(dá)到了26.5 GHz。2014年，Yu等成功研制出單片集成的放大反饋激光器。2015年，該團(tuán)隊將外部光注入一個三段式半導(dǎo)體激光器芯片中，研究了寬帶混沌信號的產(chǎn)生。同年，對三段式放大反饋激光器進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)其可以有效增加混沌工作的參數(shù)區(qū)域，即可以放寬混沌的產(chǎn)生條件。不久，中科院半導(dǎo)體研究所利用三段式的放大反饋激光器進(jìn)行實驗，產(chǎn)生了穩(wěn)定的高帶寬混沌信號，50 GHz的頻率范圍內(nèi)，頻譜的帶寬為32 GHz, 有效帶寬為28 GHz，平坦度為6.3 dB。

　　集成耦合激光器

　　第五類早在2006年就已報道，清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室孫長征等將其用來改變信號的非線性，這種激光器由兩個DFB激光器區(qū)和相位區(qū)組成。

　　圖： 集成耦合半導(dǎo)體激光器

　　2013年，Liu等提出并證明了一種新型簡單的方法：用集成耦合分布反饋(DFB)激光器生成高頻毫米波信號。2014年報道了在這種超短延遲集成耦合DFB激光器中豐富的非線性動力學(xué)特性，包括混沌特性。

　　新型混沌激光器

　　近期，太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室為了減小集成成本、降低集成工藝復(fù)雜度, 在現(xiàn)有蝶形封裝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 設(shè)計了一種新型面向蝶形封裝的混沌外腔半導(dǎo)體激光器。相關(guān)研究發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》第十期及IEEE Photonics Technology Letters, 29(21): 1911-1914, (2017)上。

　　圖：面向蝶形封裝的混沌集成外腔半導(dǎo)體激光器的原理圖

　　該設(shè)計用半透半反鏡取代高反射層, 根據(jù)預(yù)先測試的激光器芯片的內(nèi)部參數(shù)和仿真結(jié)果, 構(gòu)建高帶寬混沌產(chǎn)生所需的條件和結(jié)構(gòu), 即外腔腔長和外腔反饋功率比等。將所需的激光器芯片、半透半反鏡、準(zhǔn)直透鏡和耦合透鏡蝶形封裝在上圖所示的結(jié)構(gòu)中。這種設(shè)計不需要集成的放大區(qū)和相位區(qū)，反饋光路以空氣為主，在同等長度下可以縮短反饋延遲時間。

　　與其他集成結(jié)構(gòu)相比，該集成具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、特征頻率較大等優(yōu)勢，且具有生成超高帶寬混沌的潛力。

　　光子集成混沌激光器是具有強大競爭力的高技術(shù)激光器產(chǎn)品，不僅可以替代傳統(tǒng)混沌信號用在科研、教學(xué)、以及光纖檢測、信息加密、保密通信等通信服務(wù)領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在軍事國防領(lǐng)域，例如抗干擾高精度激光器雷達(dá)等。在如今的高速信息通信時代，這種新型混沌激光器的需求在增加、應(yīng)用市場在不斷拓展，今后將產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。