[发明专利]基于微环波导结构的集成混沌信号发生器

说明书

本发明涉及光子集成混沌激光器领域。具体为一种基于微环波导的集成混沌信号发生器，用于产生宽带、频谱平坦、无时延特征的混沌激光，解决了现有的产生混沌激光方法体积庞大、易受环境影响，带有时延信息等问题。本发明将激光器以及用于光反馈的U型波导和微环结构集成在一个芯片上，是一种新颖的结构。同时有效减小了器件体积，波导结构在硅基上实现，工艺较简单，适合用于随机数产生以及保密通信等大规模集成芯片。

技术领域

本发明涉及光子集成混沌激光器领域，具体为一种基于微环波导结构的集成混沌信号发生器。

背景技术

混沌激光作为激光器的一种特殊输出形式，具有随机、宽频谱等特性，广泛应用于通信、传感、雷达以及随机数产生等领域。由于半导体激光器具有重量轻、体积小、转换效率高、寿命长、集成性强等特点而成为产生混沌激光的最主要器件。

目前，产生混沌激光的方式主要有四种：光反馈方式、光注入方式、光电反馈方式和混合式扰动方式。光反馈方式由于结构简单，且易产生高维混沌振荡而被广泛采用。然而，固定腔长的光反馈结构会使所产生的混沌激光带有时延信息，使得高维混沌环境在传输过程投影为低维混沌环境，这就使得信息窃密者很容易对混沌信号进行窃取，严重破坏保密通信系统的安全。Jia-Gui Wu、Guang-Qiong Xia等人利用双反馈结构（J .Wu et al.，Optics Express，17（22）:20124-20133，2009.），王安帮等人通过啁啾光栅抑制了半导体激光器混沌输出的时间延迟特性（A.B.Wang et al.,IEEE Photonics Technology Letters,30(16):1435-1438,2018），利用外部分立光学元件搭建而成，集成度低。不能满足保密通信，随机数产生等领域对信号源稳定性的要求，必须研制体积小、性能稳定的光子集成混沌半导体激光器。

2014年太原理工大学提出了掺铒光波导和互注入混合扰动的混沌半导体激光器，以此产生输出稳定、无时延特征、频谱平坦的混沌信号，提高混沌通信的保密性、混沌激光测距的精准性以及随机数的随机性（无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，CN201410435033.9）。该混沌激光器将光波导、掺铒的无源光波导、左分布式反馈半导体激光芯片、无隔离双向放大的半导体光放大芯片、右分布式反馈半导体激光芯片、高速光电探测芯片集成在芯片衬底上，较传统混沌激光产生方式集成度有较大提高，但激光器芯片、放大器芯片的使用，增加了器件尺寸，同时在与各部分耦合中引入较多的耦合损耗。

高质量的混沌激光在基于物理层加密的混沌保密光通信、物理随机数产生、激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等诸多方面均有重要的应用。因此，本发明提出一种基于微环波导结构的混沌信号发生器，以克服以上问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型的基于微环波导结构的混沌信号发生器，用以产生高复杂度、无时延的混沌激光，以解决目前混沌激光发生装置体积大、结构复杂、稳定性差、时延特征明显等问题。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种基于微环波导结构的混沌信号发生器，包括硅基衬底，所述硅基衬底上平行设有输入波导和反馈波导，所述输入波导和反馈波导之间设有微环波导，所述输入波导的左端和反馈波导的左端之间通过U型波导连接；所述反馈波导的右端面作为反馈端面并镀有反射膜；所述输入波导的右端设有输出波导，所述输入波导和输出波导之间连接有半导体激光器芯片。

其中，U型波导、微环波导、输入/输出/反馈波导以及激光器芯片置于硅基衬底之上；激光器芯片左侧为输入波导，反馈波导右侧端面为反射端面，镀反射膜；U型波导弯曲半径8~9μm，产生随机后向散射反馈；微环波导半径5~7μm，输入/反馈波导与微环结构距离均≤0.1μm；激光器芯片对准入射端面；激光器芯片右侧为输出波导，混沌信号将从输出波导输出。