[发明专利]一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器

说明书

一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，包括垂直腔面发射激光器结构和集成的反馈腔结构；所述垂直腔面发射激光器结构是由从上到下依次紧密排列的P面电极、P型分布布拉格反射镜、有源区、N型分布布拉格反射镜、N面电极构成，其中，P型分布布拉格反射镜、N型分布布拉格反射镜以及夹在它们之间的有源区构成有源谐振腔，提供激光激射所需增益物质；所述集成的反馈腔是由衬底和介质膜构成；本激光器阈值电流及功耗低，寿命长，结构紧凑，体积小，集成度高，可广泛应用于保密通信、激光雷达、物理随机数产生等领域。

技术领域

本发明涉及一种垂直外腔面发射混沌激光器，特别是涉及一种用于集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器。

背景技术

混沌激光在通信领域有着广泛应用，例如，它常用作保密通信的载波信号，测距雷达或光时域反射仪的探测信号以及密钥发生器的熵源信号等。

通过对半导体激光器附加扰动是获取混沌激光的有效方式，典型的扰动方法包括光反馈、光注入以及光电反馈等，例如：太原理工大学王云才课题组，利用DFB激光器外加光学反馈系统实现混沌激光的输出（IEEE Photon. Technol. Lett., 20(19)：1633~1635，2008 ）；Simpson T B等人通过调节两个激光器之间的注入强度和频率失谐实现混沌激光的输出（Physics Reports，416(1)：1-128，2005.）；Lin F Y等人利用延迟光电反馈的方式产生了混沌激光（Quantum Electronics，IEEE Journal of，39(4)：562-568，2003.）。

但是，目前已经报道的众多方案多是在实验台上利用半导体激光器结合各种外部分立光学元件搭建而成的，体积庞大，易受环境影响、输出不稳定，近年来，体积小、性能稳定、低成本的光子集成混沌半导体激光器研制工作发展迅速，例如，希腊学者Argyris等人研制了包含一个DFB激光器、增益/吸收区、相位控制区和长无源波导镀膜反馈腔构成的单片集成混沌半导体激光器芯片，通过调节增益/吸收区的偏置电流，该芯片可以产生复杂的动力学状态，包括混沌激光（Physical Review Letters，100(19)：1-4，2008.）；意大利Annovazzi-Lodi等人、西班牙Mirasso等人和德国Hamache研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器芯片（IEEE Journalof Quantum Electronics，46(12)：1840-1846，2010.）；国内夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了一个三段式单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（Optics Express，21(20)：23358-23364，2013.），该芯片包含一个DFB区、相位控制区、放大区，并在一端端面镀高反射膜以形成光反馈腔，通过控制反馈光强实现混沌光输出；张明江等人提出的集成短腔混沌半导体激光器，它是由分布反馈激光器，准直透镜，半透半反镜，耦合透镜以及无源光纤组成，其可以产生带宽高达4.5GHz的混沌激光（IEEE Photonics Technology Letter，29(12)：1911-1914，2017.）。

但需要注意到的是，上述的集成混沌半导体激光器均采用DFB激光器作为光源，其输出光沿着衬底片平行的方向，需多个工作区集成在一起，集成工艺复杂，成本颇高，与之相比，垂直腔面发射激光器具有不可比拟的优势，如有源区的体积很小，能得到很低的阈值电流；具有较高的驰豫振荡频率，动态调制频率高，调制带宽宽；光输出沿着垂直于衬底片的方向，易于形成二维阵列集成，工艺简单，成本低等。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成的光反馈垂直外腔面发射混沌激光器，主要解决的技术问题是在垂直腔面发射激光器的衬底上镀制介质膜来构成集成的反馈腔，以此对发射激光附加扰动，实现光反馈，最终输出混沌激光，其中，最重要的因素是选择合适的衬底厚度作为反馈腔长以及选取合适的介质膜反射率作为反馈强度，这一发明减小了混沌源的体积，提高了集成度，解决了现有光反馈混沌激光器结构复杂的问题，可应用于现代密码学、高速光通信等领域。