基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器

技术领域

本发明涉及混沌半导体激光器技术领域，特别是涉及一种基于Y波导耦合的分布式光反馈的大功率混沌激光产生装置。

背景技术

混沌激光是激光器的一种不稳定的输出，具有初值敏感、宽频谱，时序大幅度随机振荡、低相干性等特性，在保密光通信、高速密钥产生与分发、光子计算、分布式光纤传感等领域具有重要的应用价值。

目前研制的单片集成混沌激光器具有固定的延时反馈结构，使得光反馈时间与反馈强度呈现规律性变化，明显的时延特征严重影响了混沌激光的质量，限制其在实际工程中的应用(例如：威胁混沌激光的保密性，影响高速随机数产生的随机性等)。其次，受到泵浦功率波动的影响，激光器产生的弛豫振荡使能量集中在弛豫振荡频率附近，频谱不平坦，很窄的带宽限制了混沌光通信容量，以及混沌激光雷达的分辨率，制约了随机密钥的产生速率以及对实际应用中后续电路采集和处理带来困难。最后，现阶段研究的混沌半导体激光器难以兼顾高功率与工艺造价的技术问题，输出混沌光功率受限，导致传输不稳定，传输距离受限。

针对以上问题研究者们提出了多种方法用于提升混沌激光的特性，2011年，张明江等人通过双波长外光注入外腔光反馈的Fabry–Pérot激光器，得到80％带宽为32.3GHz的宽带混沌激光(IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(24):1872-1874)，2018年，长春理工大学冯玉玲等人采用双路相位调制光反馈的方法抑制了混沌时延信息的同时增强了混沌带宽[Acta PhysicaSinica,67(14):140501,2018]。除了对反馈方式进行改进的方案外，研究者们还提出了对已经产生的光反馈混沌进行后处理的方案。中国香港城市大学陈仕俊等人利用混沌光注入单模光纤的方式增强带宽同时抑制时延[Optics letters,43(19):4751-4754,2018]。然而，以上方案结构复杂，不利于实际生产。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，为了解决目前混沌激光发生装置动力学特征单一且输出功率低，混沌激光功率谱不平坦、时延特征明显等问题，提供了一种Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器，以产生宽带、无时延、大功率的混沌激光。

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波导耦合的大功率混沌半导体激光器，包括：第一DFB激光器、第二DFB激光器、Y波导、DBR光栅、锥形波导光放大器；

其中，第一DFB激光器和第二DFB激光器的激光输出端分别与Y波导的第一分支和第二分支的一端连接，使得所述第一DFB激光器与第二DFB激光器的激射光波在Y波导的耦合点C处进行干涉耦合；Y波导的总线直波导与DBR光栅的激光输入端连接，DBR光栅透射光输出端与锥形波导光放大器的较小端对准；所述锥形波导光放大器的较大端用于输出宽带无时延的大功率混沌激光。

优选地，所述的一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器，还包括InP基SiO

优选地，Y波导为对称结构，其第一分支和第二分支的一端分别设置有第一传输波导和第二传输波导，其相互平行且与Y波导的总线直波导平行，且第一传输波导和第二传输波导的长度大于等于80μm。

优选地，第一DFB激光器和第二DFB激光器平行放置，其间隔为30μm-35μm，自由发射波长为1550nm，出光面为自然解离面。

优选地，Y波导的总线直波导长度大于等于DBR光栅的长度。

优选地，DBR光栅的反射率为20％～50％。

优选地，所述Y波导的第一分支和第二分支的夹角为2°～6°。

优选地，锥形波导光放大器的锥角度数为4°～6°，长度为100μm～300μm，其较小端的宽度与DBR光栅宽度一致。

优选地，所述Y波导的第一分支和第二分支之间设置有深槽结构，用于隔绝第一分支和第二分支之间的光干扰。

优选地，所述第一DFB激光器、第二DFB激光器、DBR光栅、锥形波导光放大器上分别设置有相互隔离的电极层，用于实现第一DFB激光器、第二DFB激光器、DBR光栅、锥形波导光放大器的电流的独立控制。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明通过Y型波导结构使两个DFB(分布式反馈)激光器的发光光束在脊波导结合点耦合，进而实现混沌带宽的增加，频谱平坦，增强器件整体增益效率。同时，两个Y波导对称臂中间存在深槽结构，可隔绝两个分支波导的光干扰。

2.本发明设置DBR(分布式布拉格反射)光栅器件，Y波导合束后的激光通过DBR光栅，起到光反馈作用，通过对主要参数设置可输出丰富的动力学状态；并通过分布式光反馈降低混沌激光的时延特征，保证混沌激光的安全性。

3.本发明采用锥形波导光放大器，相比于脊波导具有更大的增益面积(锥形区)，扩展混沌激光器光场，实现混沌激光的大功率输出。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器的结构示意图；

图2表示光信号传输过程中经过的耦合点示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器的立体结构示意图；

图中：1-第一DFB激光器、2-第二DFB激光器、3-Y波导、4-DBR光栅、5-锥形波导光放大器、6-衬底、7-深槽结构，8-电极层。

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1～3所示，本发明实施例提供了一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器，包括：第一DFB激光器1、第二DFB激光器2、Y波导3、DBR光栅4、锥形波导光放大器5；其中，第一DFB激光器1和第二DFB激光器2的激光输出端分别与Y波导3的第一分支和第二分支的一端连接，使得所述第一DFB激光器1与第二DFB激光器2的激射光波在Y波导3的耦合点C处进行干涉耦合；Y波导3的总线直波导与DBR光栅4的激光输入端连接以实现光反馈，DBR光栅4透射光输出端与锥形波导光放大器5的较小端对准；所述锥形波导光放大器5的较大端用于输出宽带无时延的大功率混沌激光。

进一步地，本实施例的一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器，还包括InP基SiO

进一步地，本实施例中，Y波导3为对称结构，其第一分支和第二分支的一端分别设置有第一传输波导a和第二传输波导b，其相互平行且与Y波导3的总线直波导平行，且第一传输波导和第二传输波导的长度大于等于80μm。此外，第一传输波导a和第二传输波导b和总线直波导的宽度相等。

如图2所示，本实施例中，第一DFB激光器1与Y波导3的第一分支(第一传输波导a)在A处耦合，第一DFB激光器1与Y波导3的第二分支(第一传输波导b)在B处耦合，Y波导3的两个分支在C处耦合，Y波导3的总线直波导与DBR光栅4在D处耦合，DBR光栅4与锥形波导光放大器5在E处耦合。

进一步地，本实施例中，Y波导3的合束结构为弧形缓变形状，Y波导3中，第一分支和第二分支的夹角为2°～6°。所述Y波导3的第一分支和第二分支的分光比为1：1。

具体地，本实施例中，第一DFB激光器1和第二DFB激光器2平行放置，其间隔为30μm-35μm，自由发射波长为1550nm，出光面为自然解离面。第一DFB激光器1和第二DFB激光器2的中心波长可以一致，也可以具有一定的失谐量，其失谐量可以按照需要得到的混沌特性进行调节。此外，本实施例中所述的大功率混沌半导体激光器中的“大功率”，是指在锥形波导光放大器5的作用下，本实施例的混沌半导体激光器的输出功率相对于两个DFB激光器的耦合光功率有放大作用。最终混沌半导体激光器的输出功率大小可通过调节锥形波导光放大器5的注入电流、长度等参数进行调节。

具体地，本实施例中，Y波导3的总线直波导长度大于等于DBR光栅4的长度。DBR光栅4的反射率为20％～50％。

具体地，本实施例中，锥形波导光放大器5的锥角度数为4°～6°，长度为100μm～300μm，其较小端的宽度与DBR光栅4宽度一致。

具体地，本实施例中，所述Y波导3的第一分支和第二分支之间设置有深槽结构7，用于隔绝第一分支和第二分支之间的光干扰。

进一步地，如图3所示，本实施例中，所述第一DFB激光器1、第二DFB激光器2、DBR光栅4、锥形波导光放大器5上分别设置有相互隔离的电极层8，用于实现第一DFB激光器1、第二DFB激光器2、DBR光栅4、锥形波导光放大器5的电流的独立控制。具体地，Y波导3上方不设置电极层，在DBR光栅4与锥形波导光放大器5之间设置隔离沟F，即可以实现各个区的电流独立控制。

本发明实施例中，第一DFB激光器1和第二DFB激光器2产生的光束分别经Y波导3的两个分支结构进入Y波导3并在耦合点C处相遇并发生干涉，随后经过Y波导3的总线直波导进入DBR光栅4中进行光反馈，反馈光返回第一DFB激光器1和第二DFB激光器2后对其扰动使其均输出混沌激光，然后两束混沌激光进入Y波导3并在耦合点C处相遇并发生干涉，在干涉过程中，两束光的相位振荡转化为强度振荡，使得混沌功率谱的带宽增强，平坦度得到改善。所产生的混沌激光经过DBR光栅4透射后进入锥形波导光放大器5中，锥形区相比于等长等厚度的增益区具有较大的增益面积，从而有效的实现混沌光放大，在锥形波导光放大器5的较宽的一端输出宽带无时延的大功率混沌激光。并且通过调节四个区域的主要参数，例如：器件长度，注入电流，耦合系数，等等，可使本发明的激光器输出丰富的动力学状态。

本实施例通过利用Y波导实现了两个DFB激光器输出光之间的干涉耦合，且Y型结构内光均可实现增益振荡，本实施例的激光器其震荡回路的长度为AD+BC，因此其振荡回路明显长于常规脊波导半导体激光器，因此其可以有效增强器件整体增益效率，在实现光耦合的同时提升激光器输出功率。

本实施例中采用的锥形波导光放大器5具有宽度渐变的锥形结构，其允许光束逐渐扩展，从而降低腔内光功率密度，有效减弱空间烧孔和自聚焦效应，可输出高质量的光；宽大的腔面还有助于降低光功率密度，从而提高光学镜面灾变损伤的阈值；锥形结构特点，使其具有较大的增益面积，进一步有效提高输出光功率。相比于其他功率放大器件，锥形波导光放大器具有造价低廉，功率放大效果显著的优势，因此，本发明通过在DBR光栅4的透射端设置锥形波导光放大器5，可以有效提升输出混沌激光的功率。

本实施例中采用的DBR光栅4利用光的干涉原理来实现光波波长选择性反射的光学元件，由许多微小的布拉格光栅单元组成，每个单元都有不同的周期，从而使得可以选择性地反射不同波长的光波。因此，本发明通过DBR光栅4对不同光波模式的选择作用，实现分布式光反馈，消除混沌激光器由于固定外腔结构引起的延时反馈，抑制其时延特征。

综上所述，本发明提供了一种基于Y波导耦合的大功率混沌半导体激光器，Y波导对两路输出光进行干涉处理，结合DBR光栅的分布式光反馈与锥形波导光放大器的光放大，在有效降低造价的同时提升并丰富混沌信号的动态特性，可产生带宽较宽、时延特征抑制明显、且功率得到放大的大功率混沌激光，适用于混沌光纤传感、混沌保密通信等领域。

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。