基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器

1.本发明涉及集成混沌半导体激光器领域，具体是一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器。


背景技术：

2.混沌激光作为激光器的一种特殊的输出形式，具有宽频谱、类噪声的特性，已广泛应用于保密通信、随机数生成、光纤传感和人工智能等领域。混沌激光源作为混沌激光应用的核心器件，引发了越来越多研究者们的关注。传统混沌激光源基于分立器件和外部光路辅助，各个器件需要精确的调节，其体积和稳定性成为了实际应用中需要克服的问题。与分立器件组成的混沌激光源相比，光子集成混沌激光器具有尺寸小、成本低、性能稳定等优点，更易于应用到工程实际中。
3.目前，光子集成混沌激光器的研究已经取得了一些成果，2008年，希腊雅典大学a.argyris等人首次研制出一种直腔四段式单反馈光子集成混沌半导体激光器，通过无源光波导末端所镀的高反膜为分布式反馈激光源提供单反馈以实现稳态、周期态、复杂混沌等丰富动力学状态的输出，该芯片输出的混沌激光带宽约为8.0ghz(physical review letters, 2008, 100(19): 194101)。2010年，德国维尔斯特拉斯研究所v.z. tronciu等人研制出一种带有空气隙的集成多光反馈半导体激光器，其中，空气隙的两端面以及芯片右端面镀的高反膜构成三腔反馈。该芯片在较低的反馈强度下即可生成高维混沌激光，产生的混沌激光带宽约为7.0ghz。（ieee journal of quantum electronics , 46(12): 1840-4846）。2011年，日本ntt通信科学实验室s. sunada等人研制出一种带有环形无源光波导的单片集成混沌半导体激光器，利用环形波导结构，芯片出光端输出的激光经过环形波导反馈回激光腔，能够产生带宽约为8.0ghz的混沌激光(optics express, 2011, 19(7): 5713-5724)。上述激光器芯片均采用光反馈结构，其产生的混沌激光带宽受激光器自身弛豫振荡频率的限制，带宽较小，将影响混沌激光的应用，例如限制混沌保密光通信系统中信息的传输速率；制约以混沌激光作为物理熵源产生的随机数的码率等。
4.互注入结构中存在两个模式之间的拍频效应，能够较好的突破弛豫振荡频率的限制，提高混沌激光的带宽。2014年，太原理工大学王云才等人提出了一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，两个分布式反馈半导体激光器实现互注入，掺铒的无源光波导为两个激光器提供随机光反馈，激光器芯片能够产生无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光。该芯片采用混合集成方式，利用倒装贴片技术将两个分布式反馈半导体激光器发出的连续光与光波导耦合，耦合效率较低 (无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器, zl201410435033.9)。2017年，太原理工大学张明江等人提出了一种随机散射光反馈的inp基单片集成混沌半导体激光器，两个分布式反馈半导体激光器实现互注入，能够展宽混沌激光的带宽；掺杂无源光波导产生随机光反馈构成分布式反馈腔，从原理上消除时延特征(一种随机散射光反馈的inp基单片集成混沌半导体激光器芯片,cn201711140218.7)。
5.综上所述，现有技术中的激光器产生的混沌激光带宽窄、具有明显时延特征的问
题。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有的半导体激光器产生的混沌激光带宽窄、具有明显时延特征的问题，提出了一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器，能够产生宽带、无时延特征的混沌激光。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器，包括设置在同一衬底层上，并从一侧向另一侧依次设置的第一分布式反馈激光器区、相位区、分布式布拉格光栅区、第二分布式反馈激光器区、半导体光放大区；所述激光器的电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述电极层隔离成依次与第一分布式反馈激光器区、相位区、分布式布拉格光栅区、第二分布式反馈激光器区、半导体光放大区对应的五个电极；所述激光器的有源层上与所述第一分布式反馈激光器区、第二分布式反馈激光器区、半导体光放大区对应的位置设置有多量子阱结构；所述激光器的上限制层上与所述第一分布式反馈激光器区和第二分布式反馈激光器区对应的位置刻蚀有第一分布式布拉格反射光栅；所述激光器芯片的上限制层上与所述分布式布拉格光栅区对应的位置刻蚀有第二分布式布拉格反射光栅，所述第一分布式布拉格反射光栅带有/波长相移。
8.所述激光器的衬底层上自下而上依次设置有缓冲层、下限制层、有源层、上限制层、光栅盖层、注入缓冲层、波导层和电极层。
9.所述波导层为条状，其宽度小于所述注入缓冲层。
10.所述隔离沟通过注入he 离子的方式使之成为高阻区从而实现各电极之间的电隔离。
11.所述多量子阱结构采用ingaasp材料，所述有源层上与所述相位区、分布式布拉格反射光栅区对应的位置采用带隙波长为1.45μm的ingaasp体材料制作。
12.第一分布式反馈激光器区与第二分布式反馈激光器区的长度范围为250μm
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500μm，半导体光放大区的长度范围为100μm-300μm，相位区的长度范围为50μm-150μm，分布式布拉格反射光栅区的长度范围为200μm-400μm。
13.第一分布式布拉格反射光栅的周期范围为220nm-250nm。
14.半导体光放大区远离第二分布式反馈激光器的一侧镀有反射率为1%的增透膜。
15.本发明的具体工作原理如下：第一分布式反馈激光器区发出连续光经相位区调相后传输至分布式布拉格反射光栅区，经分布式布拉格反射光栅区扰动后，引入多个外腔谐振模式，输出光的光频成分增加、光谱展宽，光谱展宽后的注入光传输至第二分布式反馈激光器区，为第二分布式反馈激光器区提供光注入扰动；第二分布式反馈激光器区发出连续光传输至分布式布拉格反射光栅区，同样地，经分布式布拉格反射光栅区扰动后，输出光的光频成分增加、光谱展宽，光谱展宽后的注入光经相位区调相后传输至第一分布式反馈激光器区，为第一分布式反馈激光器区提供光注入扰动。两个分布式反馈激光器区的输出的连续光经分布式布拉格反射光栅区扰动后，发生光谱展宽并实现互注入，通过拍频效应产生新的频率成分，能够输出宽带的混沌激光。
16.第一分布式反馈激光器区发出连续光经相位区调相后传输至分布式布拉格反射光栅区，在分布式布拉格反射光栅区中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射，再经相位区调相后传输回第一分布式反馈激光器区，为第一分布式反馈激光器区提供分布式光反馈扰动；第二分布式反馈激光器区发出连续光传输至分布式布拉格反射光栅区，在分布式布拉格反射光栅区中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射回第二分布式反馈激光器区，为第二分布式反馈激光器区提供分布式光反馈扰动。该反馈腔为分布式反馈腔，反馈腔长不固定，从原理上能够产生无时延的混沌激光。
17.最终，由半导体光放大区的外端输出宽带、无时延的混沌激光。
18.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明提出的基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器，利用分布式布拉格反射光栅为两个分布式反馈激光器提供分布式光反馈，扰动两个分布式反馈激光器产生宽谱光，并构成互注入结构增强混沌激光带宽，同时，针对上述光子集成混沌激光器具有固定的外腔结构，输出的混沌激光具有时延特征，存在周期性的问题，本发明所述激光器芯片中引入分布式布拉格反射光栅作为分布式反馈外腔，能够从原理上消除时延特征。相较于掺杂无源光波导结构，通过控制分布式布拉格反射光栅区的电流，可以对其反射率和中心波长进行精确的控制。
19.2、本发明提出的混沌激光器芯片采用单片集成技术，体积小、性能稳定，集成度高，实用性强，具有很好的推广应用价值。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器的具体实施例结构示意图；图1中：1-第一分布式反馈激光器区，2-相位区，3-分布式布拉格反射光栅区，4-第二分布式反馈激光器区，5-半导体光放大区，6-衬底层，7-缓冲层，8-下限制层，9-有源层，10-上限制层，11-光栅盖层，12-注入缓冲层，13-波导层，14-电极层，15-隔离沟，16-第一分布式布拉格反射光栅，17-第二分布式布拉格反射光栅。
21.图2表示仿真中分布式反馈激光器经分布式布拉格反射光栅扰动后发生光谱展宽的光谱图；（a）表示单个分布式反馈激光器自由运转输出光的光谱图，（b）表示在相同条件下，同一分布式反馈激光器经分布布拉格光栅扰动后输出激光的光谱图。
具体实施方式
22.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。
23.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器，包括设置在同一衬底层6上，并从一侧向另一侧依次设置的第一分布式反馈激光器区1、相位区2、分布式布拉格光栅区3、第二分布式反馈激光器区4、半导体光放大区5；所述激光器的电极层14上设置有隔离沟15，所述隔离沟15将所述电极层14隔离成依次
与第一分布式反馈激光器区1、相位区2、分布式布拉格光栅区3、第二分布式反馈激光器区4、半导体光放大区5对应的五个电极；所述激光器的有源层9上与所述第一分布式反馈激光器区1、第二分布式反馈激光器区4、半导体光放大区5对应的位置设置有多量子阱结构；所述激光器的上限制层10上与所述第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4对应的位置刻蚀有第一分布式布拉格反射光栅16；所述激光器芯片的上限制层10上与所述分布式布拉格光栅区3对应的位置刻蚀有第二分布式布拉格反射光栅17，所述第一分布式布拉格反射光栅16带有1/4波长相移。
24.具体地，本实施例中，所述激光器的衬底层6上自下而上依次设置有缓冲层7、下限制层8、有源层9、上限制层10、光栅盖层10、注入缓冲层12、波导层13和电极层14。
25.具体地，本实施例中，所述波导层13为条状，其宽度小于所述注入缓冲层12。电极层14宽度等于波导层。所述隔离沟15通过注入he 离子的方式使之成为高阻区从而实现各个电极之间的电隔离。
26.本实施例中，各个区之间的电流控制是独立的，能够控制各个区的偏置电流和温度以控制芯片的输出特性。
27.本实施例中，激光器芯片的第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4的上限制层10上刻蚀有带有1/4波长相移的第一分布式布拉格反射光栅16，以确保两个分布式反馈激光器能够输出单纵模激光；所述激光器芯片的分布式布拉格反射光栅区3的上限制层10上刻蚀有均匀结构的第二分布式布拉格反射光栅17，能够为第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4提供分布式光反馈扰动。
28.第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4为整个激光器芯片提供连续激光，并通过相位区2和分布式布拉格反射光栅区3构成互注入结构，通过调节第一分布式反馈激光器区1与第二分布式反馈激光器区4的偏置电流或者工作温度可以控制激光器互注入功率的大小。两个激光器存在一定的频率失谐可以增强输出混沌激光的带宽。
29.本实施例中，分布式布拉格反射光栅区3能够为第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4提供分布式光反馈扰动，构成分布式反馈腔，从原理上消除混沌激光的时延特征。同时，调节分布式布拉格反射光栅区3的偏置电流可以精确控制其反射率和布拉格波长，在分布式布拉格反射光栅的扰动下，能够展宽两个分布式反馈激光器输出连续光的光谱。此外，通过调节相位区2的偏置电流，能够改变相位区2材料的有效折射率，进而改变相位区2的有效长度，调节互注入腔中注入光和反馈光的相位。
30.半导体光放大区5的增益可以通过偏置电流进行调节，偏置电流小于阈值电流时，该区为损耗区；偏置电流等于阈值电流时，该区为透明区；偏置电流大于阈值电流时，该区为放大区。并且半导体光放大区5远离第二分布式反馈激光器区4的一侧镀有反射率为1%的增透膜，用以输出产生的混沌激光。半导体光放大区5具有自发辐射噪声，第二分布式反馈激光器区4输出的激光经过该区放大后，随机性增加。
31.本实施例中，所述多量子阱结构采用ingaasp材料，所述有源层9上与所述相位区2、分布式布拉格反射光栅区3对应的位置采用带隙波长为1.45μm的ingaasp体材料制作。
32.本实施例中，第一分布式反馈激光器区1与第二分布式反馈激光器区4的结构相同，长度范围为250μm
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500μm，半导体光放大区5的长度范围为100μm-300μm，与两个激光器生长在同一inp衬底上，采用半导体工艺进行整体制作。相位区2的长度范围为50μm-150μm，
分布式布拉格反射光栅区3的长度范围为200μm-400μm。第一分布式布拉格反射光栅16的周期范围为220nm-250nm，具体地，第一分布式布拉格反射光栅16的光栅周期为242.65nm，能够激射波长约为1550nm的单模激光。第二分布式布拉格反射光栅17为均匀分布的分布式布拉格反射光栅，其光栅周期为242.2nm，根据光栅周期计算公式可以得出，该光栅相应的布拉格波长约为1550nm，其中，λb表示激光波长，n
eff
表示光栅材料的有效折射率，可与第一分布式布拉格反射光栅16用同种工艺刻蚀。
33.如图2中(a)所示，利用vpitransmission maker进行仿真时，选用的分布式反馈激光器长度为250μm，光栅周期为242.65nm，能够激射波长约为1550nm的单模激光。具体工作时，第一分布式反馈激光器区1发出连续光经相位区2调相后传输至分布式布拉格反射光栅区3，经分布式布拉格反射光栅区3扰动后，引入多个外腔谐振模式，输出光的光频成分增加、光谱展宽，如图2中(b)所示，光谱展宽后的注入光传输至第二分布式反馈激光器区4，为第二分布式反馈激光器区4提供光注入扰动；第二分布式反馈激光器区4发出连续光传输至分布式布拉格反射光栅区3，同样地，经分布式布拉格反射光栅区3扰动后，输出光的光频成分增加、光谱展宽，光谱展宽后的注入光经相位区2调相后传输至第一分布式反馈激光器区1，为第一分布式反馈激光器区1提供光注入扰动。两个分布式反馈激光器的输出的连续光经分布式布拉格反射光栅区3扰动后，发生光谱展宽并实现互注入，通过拍频效应产生新的频率成分，能够输出宽带的混沌激光。
34.第一分布式反馈激光器区1发出连续光经相位区2调相后传输至分布式布拉格反射光栅区3，在分布式布拉格反射光栅区3中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射，再经相位区2调相后传输回第一分布式反馈激光器区1，为第一分布式反馈激光器区1提供分布式光反馈扰动；第二分布式反馈激光器区4发出连续光传输至分布式布拉格反射光栅区3，在分布式布拉格反射光栅区3中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射回第二分布式反馈激光器区4，为第二分布式反馈激光器区4提供分布式光反馈扰动。该反馈腔为分布式反馈腔，反馈腔长不固定，从原理上能够产生无时延的混沌激光。
35.最终，由半导体光放大区5的右端输出宽带、无时延的混沌激光。
36.综上所述，本发明提供了一种基于分布式布拉格反射光栅的单片集成混沌半导体激光器，第一分布式反馈激光器区1和第二分布式反馈激光器区4经分布式布拉格反射光栅3扰动后，输出光频成分增加、光谱展宽的激光。第一分布式反馈激光器区1与第二分布式反馈激光器区4输出的宽谱光经过相位区2和分布式布拉格反射光栅区3实现互注入，通过拍频效应产生新的频率成分，功率谱带宽增强。同时，分布式布拉格反射光栅区3作为激光器芯片的分布式反馈外腔，能够为两个激光器提供分布式光反馈扰动，该反馈腔的腔长不固定，从原理上消除了混沌激光的时延特征，芯片采用单片集成方式制作，工艺简单，结构紧凑，稳定性高。
37.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。