混沌现象是自然界中的普遍现象，天气变化就是一个典型的混沌运动，广为人知的“蝴蝶效应”——南美洲的一只蝴蝶扇一扇翅膀，就可能会在佛罗里达引起一场飓风，就是混沌现象的一个著名表述。

　　混沌激光是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，具有宽频谱类噪声的特性, 其物理熵(熵：体系的状态函数，值越大，体系越混乱。)源具有宽带、不可预测、类随机等特征。近年来, 基于混沌激光的一些技术已广泛应用到保密通信、高速随机数生成、混沌雷达、激光雷达、混沌光时域反射仪、测距和光纤传感等方面, 同时这些应用正逐步走向实用化和市场化。

　　与离散器件组成的装置相比, 集成芯片具有其独特的优点, 如尺寸较小、成本较低、稳定性较好和适用于大批量生产等。为了结合混沌应用和集成电路的优势, 光子集成的混沌半导体激光器应运而生。

　　图：混沌激光的特性 (a)波形;(b)吸引子;(c)频谱;(d)自相关曲线。

　　这种混沌激光器使混沌激光的应用范围变得更广，其研制在国内外都受到了重视。目前，国外光子集成混沌半导体激光器的研制主要集中在美国、希腊、西班牙、意大利、德国、英国、法国等，国内则主要集中在中科院半导体研究所、西南大学、清华大学和太原理工大学等。本文以光子集成结构对光子集成混沌半导体激光器进行分类，并分别介绍其特点、应用等研究进展。

　　集成增益区-相位区-反馈层

　　第一类是希腊雅典大学和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所研制的混沌芯片，他们首次将DFB激光源、增益/吸收区(GAS)、相位控制区和反馈腔(无源波导镀膜层)4部分集成为混沌激光源。

　　图： 单片集成混沌半导体激光器。(a)芯片;(b)包装模块

　　2008年，Argyris等设计出集成混沌激光芯片的原理图，为研制混沌激光器提供了理论依据。2009年，Syvridis等研究表明，此芯片可以用于混沌保密通信。2010年，Argyris等对单片集成芯片进行封装，形成了模块器件，并且在混沌保密通信过程中验证了数据传输的安全性。同年，他用这种集成混沌模块产生了140 Gb/s的真随机数，Bogris等利用集成混沌电路进行通信，分析了系统的加密效率。2013年，Liu等利用这种结构生成的混沌来提高系统的能量存储。

　　集成光放大区-波导-光电探测器

　　第二类是日本埼玉大学和NTT 通信科学实验室研制的集成混沌芯片，包含一个DFB激光器、两个独立的SOA、环形无源光波导以及一个快速光电探测器(PD)。与原先的带有线型波导和端面反馈的混沌激光芯片相比, 这种环形结构实现了更强光反馈。集成PD实现了光信号的有效探测, 降低损耗。

　　图： 带无源波导单片集成混沌半导体激光器。(a)环形波导结构;(b)直型波导结构

　　2011年，Sunada 等研制出这种单片集成混沌半导体激光芯片。通过调节电路，可以产生频谱在±6.5 dB，带宽达到10 GHz的混沌输出。同年他们研制出了另一种混沌激光器芯片，呈现直型结构。将两片这种芯片封装在同一模块中，可以并行输出两路不相关的混沌信号。利用此模块可以生成2.08 Gb/s的高速物理随机码。2014年，Takahashi等使用光子集成电路产生混沌，生成高速随机码。2016年，Sunada 等研究了混沌和非混沌微腔激光器的光谱特征。

　　集成波导-相位-空气隙

　　第三类是西班牙巴利阿里群岛大学Tronciu研究小组研制的集成多光反馈半导体激光器芯片，这是具有三个外腔的集成多腔半导体激光器芯片。

　　图： 集成的多光反馈半导体激光器芯片

　　2008年，Tronciu等对半导体激光器和双反馈腔组成的集成器件进行理论研究，系统显示出了适用于混沌保密通信的混沌特性。与单腔反馈相比，双腔反馈降低了对反馈的要求，更低的反馈强度就可以生成高复杂混沌。2009年，Tronciu等在激光器结构中增加了空气隙，通过实验证明了这种激光器适用于混沌保密通信，并且理论上给出了多反馈激光器信息加密和提取的条件。

　　集成相位区-光放大区

　　第四类是中科院半导体研究所赵玲娟等和西南大学夏光琼等研制的三段式集成混沌芯片，由DFB激光器区、相位区和放大区三部分组成。

　　图： 由DFB激光器区、相位区和放大区组成的三段式的光子单片集成半导体激光器

　　2013年，Wu等设计并研制出了尺寸为780μm的单片集成的半导体激光器芯片，产生出具有显著维度和复杂性的混沌，频谱带宽达到了26.5 GHz。2014年，Yu等成功研制出单片集成的放大反馈激光器。2015年，该团队将外部光注入一个三段式半导体激光器芯片中，研究了宽带混沌信号的产生。同年，对三段式放大反馈激光器进行实验，发现其可以有效增加混沌工作的参数区域，即可以放宽混沌的产生条件。不久，中科院半导体研究所利用三段式的放大反馈激光器进行实验，产生了稳定的高带宽混沌信号，50 GHz的频率范围内，频谱的带宽为32 GHz, 有效带宽为28 GHz，平坦度为6.3 dB。

　　集成耦合激光器

　　第五类早在2006年就已报道，清华大学信息科学与技术国家实验室孙长征等将其用来改变信号的非线性，这种激光器由两个DFB激光器区和相位区组成。

　　图： 集成耦合半导体激光器

　　2013年，Liu等提出并证明了一种新型简单的方法：用集成耦合分布反馈(DFB)激光器生成高频毫米波信号。2014年报道了在这种超短延迟集成耦合DFB激光器中丰富的非线性动力学特性，包括混沌特性。

　　新型混沌激光器

　　近期，太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室为了减小集成成本、降低集成工艺复杂度, 在现有蝶形封装基础上进行改进, 设计了一种新型面向蝶形封装的混沌外腔半导体激光器。相关研究发表在《激光与光电子学进展》第十期及IEEE Photonics Technology Letters, 29(21): 1911-1914, (2017)上。

　　图：面向蝶形封装的混沌集成外腔半导体激光器的原理图

　　该设计用半透半反镜取代高反射层, 根据预先测试的激光器芯片的内部参数和仿真结果, 构建高带宽混沌产生所需的条件和结构, 即外腔腔长和外腔反馈功率比等。将所需的激光器芯片、半透半反镜、准直透镜和耦合透镜蝶形封装在上图所示的结构中。这种设计不需要集成的放大区和相位区，反馈光路以空气为主，在同等长度下可以缩短反馈延迟时间。

　　与其他集成结构相比，该集成具有结构简单、成本较低、特征频率较大等优势，且具有生成超高带宽混沌的潜力。

　　光子集成混沌激光器是具有强大竞争力的高技术激光器产品，不仅可以替代传统混沌信号用在科研、教学、以及光纤检测、信息加密、保密通信等通信服务领域，还可以应用在军事国防领域，例如抗干扰高精度激光器雷达等。在如今的高速信息通信时代，这种新型混沌激光器的需求在增加、应用市场在不断拓展，今后将产生良好的社会和经济效益。

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。