基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置及方法

技术领域

本公开涉及半导体光电子学和光电系统领域，具体涉及到基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置及方法。

背景技术

学混沌激光器由于其在随机数生成，混沌通信，光学时域反射器和混沌雷达方面的出色性能而受到了广泛的关注，并且最近受到了广泛的研究。混沌激光器产生的混沌信号的带宽是最重要的参数之一，高混沌带宽可以提高混沌激光器在各种应用中的性能。但是由于传统半导体激光器的弛豫振荡频率的限制，通过普通光反馈产生的带宽仍然保持在几千兆赫。因此很多方法增强混沌激光的带宽的方法被提出来。通过将混沌信号注入另一个激光器，从属激光器的带宽可以得到显著提高。并且通过多个级联的激光器，还可以使带宽进一步提高。除此之外，两个互注入激光器，通过调整两个激光器的互注入强度和两个激光器的失谐频率，也能产生高带宽的混沌信号输出。这种用两个或者多个激光器突破激光器张弛震荡频率限制产生高带宽混沌的方法原理简单，易于实现，但也有一些弊端。由于多个激光器的引入，使得系统稳定性较差，易受环境影响。随后一种三段式集成的半导体激光器被提出来。通过调谐激光器三个区的注入电流来实现双模然后通过反馈产生高带宽。该方案将高带宽混沌信号产生装置由多个激光器缩减到一个，极大的提高了混沌光产生系统的稳定性。但是仍有些许不足。三个区的电流需要较为精细的调节匹配，才能产生双模。

为了实现混沌激光器的广泛应用，还需要进一步研究如何得到工艺简单、易于集成、低功耗、高重复性及双模可控的双模激光器，并探索其混沌产生系统，以实现高带宽混沌信号的稳定输出。更好的应用于随机数生成，混沌通信，光学时域反射器和混沌雷达等重要应用。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置及方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

本公开的第一个方面提供了一种基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置，包括：微腔激光器，用于发射激光光束；光分束器，用于将激光光束分为两束光束，第一光束从光分束器的第一输出端输出，第二光束从光分束器的第二输出端反馈至微腔激光器；其中，第二光束反馈至微腔激光器内，激励微腔激光器内部的光场连续振荡，以使微腔激光器进入混沌状态，产生混沌信号。

进一步地，微腔激光器为正方形微腔激光器或圆盘形微腔激光器。

进一步地，微腔激光器外接直流电源偏置，以使微腔激光器产生双模激射。

进一步地，微腔激光器包括：衬底，用于提供激光器的物理支撑；微腔，用于发射激光光束；输出波导，与微腔相连，用于输出激光光束；P型和N型电极层，用于提供电流注入通道。

进一步地，微腔和输出波导均包括：下限制层、有源层、上限制层及欧姆接触层，下限制层、有源层、上限制层及欧姆接触层依次位于衬底上。

进一步地，正方形微腔激光器的边长为17.3μm～18.7μm；正方形微腔激光器的输出波导长度为4μm～7μm，宽度为1.3μm～1.7μm。

进一步地，该装置还包括：光放大器，用于将激光光束进行功率放大后输出至光分束器。

进一步地，该装置还包括：光偏振控制器，用于调节第二光束的光偏振态。

进一步地，光环形器，其第一输入端与微腔激光器的输出端相连，第二输入端与光偏振控制器的输出端相连。

本公开的第二个方面提供了一种基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生方法，包括：利用微腔激光器发射激光光束；采用光分束器将激光光束分为两束光束，第一光束从光分束器的第一输出端输出，第二光束从光分束器的第二输出端反馈至微腔激光器；其中，第二光束反馈至微腔激光器内，激励微腔激光器内部的光场连续振荡，以使微腔激光器进入混沌状态，产生混沌信号。

本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：

(1)本公开提出的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置，其中耦合微腔双模激光器，在正方形腔体施加直流电流就可以单腔实现双模激射，并且双模强度的差别可以通过施加电流的大小而调节，在一些电流范围可以实现模式强度较小差别的双模激射；通过长度约为45m的外部光反馈回路，当反馈强度在3.8～7.3dB范围内时。激光器内部在反馈光的作用下进入相干崩塌状态，输出光由强度稳定的相干光变为随时间在纳秒量级震荡的混沌光。

(2)本公开提出的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置，通过合理设计回音壁腔的尺寸，将正方形回音壁腔边长控制在17.3μm～18.7μm，使得双模激射时，模式间隔在30GHz左右，有利于在反馈条件下实现宽带混沌信号的输出。

(3)本公开提出的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置，其通过双模微腔激光器实现激光光源发射，制作工艺简单、成本低、能耗低、单腔双模，混沌信号的各种应用领域具有广阔的应用前景。

(4)本公开提出的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置，其输出的混沌带宽可以达到30.6GHz，相较于单模激光器，混沌带宽提升了近两倍。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器随着电流改变的激射模式强度光谱图；

图5示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加31mA电流时单模激射的光谱图；

图6示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加31mA电流时通过反馈得到混沌信号的频谱图；

图7示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加51mA电流时双模激射的光谱图；

图8示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加51mA电流时通过反馈得到混沌信号的频谱图；

图9示意性示出了根据本公开一实施例的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置的结构示意图。

如图1所示，该基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置包括：微腔激光器1，用于发射激光光束；光分束器2，用于将激光光束分为两束光束，第一光束从光分束器2的第一输出端输出，第二光束从光分束器2的第二输出端反馈至微腔激光器；其中，第二光束反馈至微腔激光器1内，激励该微腔激光器1内部的光场连续振荡，以使微腔激光器1进入混沌状态，产生混沌信号。

根据本公开的实施例，微腔激光器1可以但不不仅限于正方形微腔激光器或圆盘形微腔激光器。如图2所示为正方形微腔激光器的结构示意图，如图2所示，该正方形微腔激光器由正方形微腔及输出波导通过角向相连构成，输出波导用于将正方形微腔中的激光引出。具体地，正方形微腔及输出波导均包括下限制层103、有源层104、上限制层105及欧姆接触层106，其中，下限制层103、有源层104、上限制层105及欧姆接触层106依次位于衬底102上，该衬底102下方设置有N型电极层101，欧姆接触层106上设置有P型电极层107，P型和N型电极层用于提供电流注入通道。

本公开的实施例中，N型电极层101为金、锗、镍材料交替生长构成，厚度为300nm。衬底102为是硅或镓化砷或铟化磷或蓝宝石或磷化铟材料构成，层厚为120μm，用于提供激光器的物理支撑。下限制层103为铝镓铟砷材料构成，厚度为100nm，用于提供激光光场限制。有源层104为铝镓铟砷多量子阱结构构成，厚度为100nm，用于提供激光增益介质。上限制层105为铝镓铟砷材料构成，厚度为100nm，用于提供激光光场限制。欧姆接触层106为磷化铟材料掺杂锌材料构成，厚度为150nm，用于降低接触电阻。P型电极层107为钛、铂、金材料构成，该钛、铂、金材料层厚分别是50nm、50nm及300nm，用于提供电流注入通道。

本公开的实施例中，光放大器2可以为半导体光放大器或光纤放大器，饱和输出功率大于10mW。

根据本公开的实施例，如图3所示，该装置还包括：光环形器3，其第一输入端与微腔激光器1的输出端相连，用于将激光光束通过输出环路输出至光放大器4。光放大器4，其输入端与光环形器3的输出端相连，用于将激光光束进行功率放大后输出至光分束器2。光偏振控制器5，其输入端与光分束器2的第二输出端相连，输出端与光环形器3的第二输入端相连，用于调节第二光束的光偏振态。

具体地，微腔激光器的输出波导、光环形器3、光放大器4、光分束器2及光偏振控制器5间通过光纤连接，或全部/部分形成于同一基片上并通过光波导相互连接，形成封闭的光反馈回路。本公开的实施例中，为达到较好的反馈信号效果，由光纤构成的反馈长度优选45m。

如图3所示，正方形微腔激光器发射的激光光束由其输出波导输出，经过光环形器3的输出端口引出后，再经过光放大器4进行功率放大后输出至光分束器2，光分束器2将该激光光束分为两束光束，第一光束从光分束器2的第一输出端输出，第二光束从光分束器2的第二输出端反馈至光偏振控制器5，光偏振控制器5调节第二光束的光偏振态后输出至光环形器3的第二输入端，最后反馈至正方形微腔激光器，第二光束反馈至正方形微腔激光器1内，激励正方形微腔激光器内部的光场连续振荡，以使正方形微腔激光器进入混沌状态产生混沌信号。

本公开的实施例中，经过仿真及实验验证，正方形微腔激光器的边长优选17.3μm～18.7μm，正方形微腔激光器的输出波导长度优选4μm～7μm，宽度为1.3μm～1.7μm，该结构尺寸下能够实现双模激射。

具体地，在正方形微腔激光器的P型和N型电极层两端外接直流电源偏置，可以得到不同电流激励下的光谱图。本公开实施例中，正方形微腔激光器发射的激光光束的波长范围为1200nm～1700nm，图4示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器随着电流改变的激射模式强度光谱图，如图4所示可以看出，随着激励电流从35mA增加到50mA，两个模式的强度差别从37.4dB减小到4.7dB，由此可以看出电流对于两个模式的强度具有调节作用。

图5和图6示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加31mA电流时单模激射和通过反馈得到混沌信号的光谱图。如图5所示，正方形微腔激光器在电流为31mA的激励下，两个模式的强度差为39.3dB。在图5的状态下，可以得到如图6所示的反馈强度为7.3dB的频谱图，该反馈强度为第二光束反馈至回路中的光场强度，如图6所示，可以看到频谱在经过正方形微腔激光器的本征张弛震荡频率后迅速下降，经过计算得到的频谱带宽为11.9GHz。本公开实施例中，频谱带宽为从0频处开始至某频率处，如果这段频谱所含的能量占整个频谱能量的80％的频率范围，该频率范围即为混沌带宽。

图7和图8示意性示出了根据本公开一实施例的正方形微腔激光器施加51mA电流时单模激射和通过反馈得到混沌信号的光谱图。如图7所示，正方形微腔激光器在电流为51mA的激励下，随着电流的进一步增加，两个模式的强度差缩减到0dB。在图7的状态下，可以得到如图8所示的反馈强度为7.3dB下的频谱图，如图8所示，可以看到频谱在经过正方形微腔激光器本征张弛振荡频率后并没有下降，而是继续上升至两个模式拍频频率附近，最终频谱覆盖宽度大于50GHz，经过实验计算得到的频谱带宽为30.6GHz。同31mA电流激励时的11.9GHz相比，混沌带宽提升了近两倍。

本公开实施例中，通过实验验证得到，本实施例提出的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置产生的混沌光带宽得到了有效的提升达到了30.6GHz。具体地，在反馈强度为3.8dB～7.3dB，及外接驱动电流为31mA-51mA时，微腔激光器都能进入混沌状态，且该状态下的双模激射产生的激光光束质量最好。

本公开实施例中，通过理论仿真及实验验证，在外接电流为25mA～55mA，正方形微腔激光器均可以实现双模激射，随着直流电流激励的增大，产生的双模质量增加，直流电流大小优选范围为49.7mA～52.1mA。

另外，本申请提供的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生装置由于无须采用瓦特级别的高功率光泵浦的光纤用于实现非线性效应，即在光信号经放大后反馈回来的衰减较小，其相比传统的单模激光器的能耗低。

需说明的是，上述实施例中提供的装置结构并不构成对本装置的限定，该装置中的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。例如，圆盘形微腔激光器与正方形微腔激光器的区别在于微腔的结构不同，圆盘形微腔激光器的微腔结构类似于圆柱型，在同样的半导体材料制备下，通过实验验证，正方形微腔激光器产生的双模激射的混沌信号相比圆盘形微腔激光器的质量较好。

图9示意性示出了根据本公开一实施例的基于半导体双模微腔激光器的混沌信号产生方法的流程图。

如图9所示，该方法包括：

S1，利用微腔激光器发射激光光束。

S2，采用光分束器将激光光束分为两束光束，第一光束从光分束器的第一输出端输出，第二光束从光分束器的第二输出端反馈至微腔激光器。

其中，第二光束反馈至微腔激光器内，激励微腔激光器内部的光场连续振荡，以使微腔激光器进入混沌状态，产生混沌信号。

本公开实施例中，该微腔激光器可以为正方形微腔激光器或圆盘形微腔激光器。其中，正方形微腔激光器具体结构如上述实施例所示，此处不再详细表述。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。