[发明专利]近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用

说明书

一种自发混沌的近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用，该自发混沌的近简并多模微腔激光器包括一N电极层、一N型衬底、一第一限制层、一有源区层、一第二限制层、一欧姆接触层以及一P电极层；所述第一限制层、有源区层、第二限制层、欧姆接触层、P电极层形成自发混沌的近简并多模谐振腔和耦合于近简并多模谐振腔的直连光波导，所述直连光波导端面设有出光口。本发明的近简并多模微腔激光器具有体积小和不需要外光反馈或光电反馈的优点，使混沌信号在保密通讯、光纤故障检测、随机数产生等领域的应用更加有利，并有效推动了混沌激光在科学研究、工程技术等领域的价值。

技术领域

本发明涉及半导体光电子学、光通信、科学计算领域，具体涉及一种自发混沌的近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用。

背景技术

随机数作为蒙特卡洛模拟、保密通信的密钥采样源，在科学计算、通信安全以及人们的日常生活中具有重要的应用价值。随机数在经典和量子密码系统的密钥生成、现代网络社会的可靠性和随机模拟等方面起着至关重要的作用。随机数的产生可分为两类，一类为基于算法种子源的伪随机数发生器，但不可预测性有限，随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，极大地威胁了国防安全、金融安全以及个人隐私；另一类为基于自然界物理熵源的真随机数发生器，包括电阻热噪声、混沌电路、振荡器相位噪声、单光子随机性等，已经被应用于产生非确定性的真随机数序列。然而，由于物理噪声的低信号水平和后处理放大的要求，随机过程产生的非确定性随机数序列的产生率小于100Mbps。其与目前科学计算和通信系统的速率之间仍有很大差距。

混沌半导体激光器已经被广泛研究用于产生真随机数和安全通信为了实现混沌激光器，目前的研究主要集中在外光反馈半导体激光器和光注入半导体激光器以及无源反馈腔集成激光器等。具有外部光反馈的混沌半导体激光器通常用于随机数产生、光时域反射测量和混沌激光雷达等。然而，激光输出中的时滞周期性会降低了系统的安全性和随机性，通常需要进行后处理。

目前所研制出的混沌激光器芯片均采用了时延光反馈结构。无论是多反馈腔还是单反馈腔，其反馈腔长都是固定值。固定的反馈腔长会使产生的混沌信号携带时延特征，使混沌信号具有一定的周期性，这对混沌激光在保密通信、高速随机数产生等领域的应用是非常不利的。

以回音壁模式微盘激光器为代表的光学微腔激光器是利用侧壁全反射来实现对光场的强限制，微腔中产生了品质因子(Q因子)极高的回音壁模式，具有很小的模式体积、低功耗、高速率的特点。通过合理的设计，微腔可以实现其不同纵模的基横模和一阶横模都具有较高的品质因子，并能够控制不同横模的波长间隔，从而可以得到近简并多模进而产生混沌信号。相比于激光器外部光注入或光反馈等其它混沌信号的产生方法，利用微腔激光器产生混沌信号的系统结构简单、体积小、成本低、易于集成等优点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种自发混沌的近简并多模微腔激光器，包括：

一N电极层，用于提供电流注入通道；

一N型衬底，用于提供激光器机械支撑；

一第一限制层，用于提供激光光场限制；

一有源区层，用于提供激光增益介质；

一第二限制层，用于提供激光光场限制；

一欧姆接触层，用于降低接触电阻；以及

一P电极层，用于提供电流注入通道；

所述第一限制层、有源区层、第二限制层、欧姆接触层、P电极层形成自发混沌的近简并多模谐振腔和耦合于近简并多模谐振腔的直连光波导，所述直连光波导端面设有出光口。