[发明专利]一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片

说明书

本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，公开了一种大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片。包括依次设置的：N电极层、芯片衬底、下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层、P接触层和P电极层，有源层包括依次排列的DFB区、第一相位区、DBR反馈区、SOA区、第二相位区和无源波导区；所述上限制层中与所述第一DFB区和第二DFB区对应的位置制分别作有分布反馈Bragg光栅和DBR反馈光栅；所述P电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述P电极层隔离成分别对应于DFB区、第一相位区、DBR区、SOA区和第二相位区的电极。本发明可产生超宽带混沌激光，提高了混沌光保密通信的密钥空间，还可以提高通信系统的安全性。

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，具体涉及一种可在保密通信时实现大密钥空间的超宽带混沌激光器芯片。

背景技术

混沌光通信由于具有硬件加密、与现行光通信系统兼容、适用于高速（Gbit/s）、长距离（km）保密通信等优点受到广泛关注。混沌光保密通信的关键在于混沌激光器收发机之间的混沌同步，这要求接收机与发射机的结构参数完全匹配或者在一定地失配范围内（Phys. Rev. E, Vol. 69, P.056226, 2004）。对于合法通信双方，通常利用收发机的硬件结构参数做密钥。由密钥参数组成的密钥空间越大，窃听者破解信息所需的时间越长，获取正确信息的概率越低，破解速度越慢，最终难以破解。因此，混沌保密通信的关键问题之一是增大收发机的密钥空间。

常用的混沌光通信收发机分为以下三种：第一是基于光纤激光器的混沌光通信收发机，该类型收发机的速率低，不适合高速的保密通信；第二是基于光电反馈振荡器的混沌光通信收发机，该类型收发机的带宽较大，速率可达Gbit/s，但其结构复杂，需要高带宽的滤波器等器件，成本高昂，不利于实用化；第三是基于半导体激光器的混沌光通信收发机，典型结构为光反馈半导体激光器，其结构简单、成本低，是目前混沌保密通信研究中最常用的收发机。然而，通过测量通信线路上的混沌光载波功率谱，分析激光器的弛豫振荡频率，可以推知激光器所加载的偏置电流；将截获的混沌载波作自相关运算，从自相关曲线可获取外腔长度信息；在上述两个参数窃取之后，反馈强度可通过“穷举攻击”破获，即利用可调光衰减器连续调节反馈强度，终能实现窃听者与发射机的混沌同步。因此，光反馈半导体激光器作为通信收发机时，仅用偏置电流、外腔长度和反馈强度三个结构参数作为密钥，密钥空间过小，窃听者易于破解获取正确信息。若收发机能生成宽带混沌，且具有足够大的密钥空间时，既能适应高速混沌通信，又可以满足大量合法用户之间的保密通信，增加非法用户的窃取难度。

目前实现高速大密钥空间的保密通信方案中，通过增加外腔数量来增加密钥空间，结构复杂，易受环境干扰，且反馈强度、外腔长度、偏置电流等参数只有选择在某些特定范围内，才可以隐藏外腔长度信息，这实际上是限制了其有效参数密钥空间；用伪随机码调制来增强密钥空间，其安全性依赖于私钥而非器件的物理参数，无法发挥混沌保密通信特有的硬件加密优势；通过增加反馈环的复杂性来增加密钥空间，成本高昂，不便于集成和规模化生产，硬件一致性难以保证，合法通信双方实现混沌同步困难。

Quantum J 光子集成的多段半导体激光器可以集成和规模化生产，且能够形成复杂外腔，增加器件结构参数。常见的多段半导体激光器结构分为光反馈结构和互耦合两大类。基于光反馈结构的集成模块，通常在反馈腔中集成无源波导和相位区构成多个反馈腔（IEEE 46, P. 1840-1846, Elect, Vol. 2010.）或集成增益区、相位区和无源波导（Opt.Express, Vol.18, P.5188-5198, 2010）形成复杂外腔。基于互耦合结构的集成模块通常由两个光DFB激光器构成，或在其中集成相位区（Opt. Express, Vol.22, P.5614-5622,2014）。然而，光子集成的多段半导体激光器目前尚未应用于大密钥空间的混沌收发模块。

发明内容