五類結(jié)構(gòu)的光子集成混沌激光器

時(shí)間：2021/02/19    點(diǎn)擊量：236

       混沌現(xiàn)象是自然界中的普遍現(xiàn)象，天氣變化就是一個(gè)典型的混沌運(yùn)動(dòng)，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(huì)在佛羅里達(dá)引起一場(chǎng)颶風(fēng)，就是混沌現(xiàn)象的一個(gè)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(cè)、類隨機(jī)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(jī)數(shù)生成、混沌雷達(dá)、激光雷達(dá)、混沌光時(shí)域反射儀、測(cè)距和光纖傳感等方面, 同時(shí)這些應(yīng)用正逐步走向?qū)嵱没褪袌?chǎng)化。

　　與離散器件組成的裝置相比, 集成芯片具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 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(shì), 光子集成的混沌半導(dǎo)體激光器應(yīng)運(yùn)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(guó)內(nèi)外都受到了重視。目前，國(guó)外光子集成混沌半導(dǎo)體激光器的研制主要集中在美國(guó)、希臘、西班牙、意大利、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等，國(guó)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(duì)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(diǎn)、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(guó)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(jì)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(duì)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(yàn)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(jī)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(chǔ)。

　　集成光放大區(qū)-波導(dǎo)-光電探測(cè)器

　　第二類是日本埼玉大學(xué)和NTT 通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的集成混沌芯片，包含一個(gè)DFB激光器、兩個(gè)獨(dú)立的SOA、環(huán)形無源光波導(dǎo)以及一個(gè)快速光電探測(cè)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(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)光反饋。集成PD實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的有效探測(cè), 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(hào)。利用此模塊可以生成2.08 Gb/s的高速物理隨機(jī)碼。2014年，Takahashi等使用光子集成電路產(chǎn)生混沌，生成高速隨機(jī)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(gè)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(duì)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(duì)反饋的要求，更低的反饋強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)將外部光注入一個(gè)三段式半導(dǎo)體激光器芯片中，研究了寬帶混沌信號(hào)的產(chǎn)生。同年，對(duì)三段式放大反饋激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了穩(wěn)定的高帶寬混沌信號(hào)，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(bào)道，清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室孫長(zhǎng)征等將其用來改變信號(hào)的非線性，這種激光器由兩個(gè)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(jiǎn)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(hào)。2014年報(bào)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(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)用半透半反鏡取代高反射層, 根據(jù)預(yù)先測(cè)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)度下可以縮短反饋延遲時(shí)間。

　　與其他集成結(jié)構(gòu)相比，該集成具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、特征頻率較大等優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)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(hào)用在科研、教學(xué)、以及光纖檢測(cè)、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(guó)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(shí)代，這種新型混沌激光器的需求在增加、應(yīng)用市場(chǎng)在不斷拓展，今后將產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。