混沌半導(dǎo)體激光器研究進展

喬麗君，楊 強，柴萌萌，衛(wèi)曉晶，張建忠，徐紅春，張明江

1. 太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，太原030024

2. 太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，太原030024

3. 武漢光迅科技股份有限公司，武漢430070

1960年，世界上第1 臺激光器的誕生，成為近代光學(xué)開端的標志；1963年，美國著名氣象學(xué)家Lorenz 在大氣對流模型中觀察到混沌現(xiàn)象并開始進行深入研究，正式確認混沌運動是非線性系統(tǒng)的典型動力學(xué)行為[1]. 自從20 世紀70年代末以來，人們相繼在氣體激光器[2-4]、固體激光器[5]、半導(dǎo)體激光器[6]、光纖激光器[7]等系統(tǒng)中觀測到混沌現(xiàn)象，并對這一現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣.

半導(dǎo)體激光器憑借體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、電光轉(zhuǎn)化效率高、能耗低壽命長、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價格較低廉等優(yōu)點，成為迄今為止應(yīng)用最廣泛的激光器. 此外，半導(dǎo)體激光器容易受到外部擾動而導(dǎo)致不穩(wěn)定行為[8]，因此成為產(chǎn)生混沌激光的主要光源. 1980年，Lang 和Kobayashi建立了著名的外腔反饋半導(dǎo)體激光器動態(tài)模型[9]，這對混沌激光理論研究具有重要的開拓意義. 此后，混沌半導(dǎo)體激光器得到了廣泛深入的研究，相應(yīng)的理論體系也逐步得以完善.

混沌激光器的輸出具有大幅度、類噪聲和寬頻譜特性[10]，已應(yīng)用于混沌保密通信[11-12]、高速隨機數(shù)生成[13-14]、混沌雷達[15]、光纖傳感[16-17]、超寬帶微波信號產(chǎn)生[18-19]、相干長度可調(diào)諧光源[20-21]、混沌計算[22-23]和強化學(xué)習(xí)[24]等領(lǐng)域. 利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光的擾動方式主要包括光反饋、光注入和光電反饋. 在這3 種方式中，光反饋方式一是因為外腔模式較多，更易產(chǎn)生高維混沌激光，二是因為結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，所以成為使用最廣泛的混沌激光產(chǎn)生方式. 然而，傳統(tǒng)光反饋半導(dǎo)體混沌激光器產(chǎn)生的混沌信號帶寬窄，存在時延特征. 除此之外，目前的混沌激光產(chǎn)生系統(tǒng)大多由分立器件構(gòu)成，在一定程度上限制了混沌激光的進一步推廣應(yīng)用. 本文首先分析了光反饋混沌激光器面臨的以上問題，并重點介紹了相應(yīng)的解決方案——帶寬增強、時延特征抑制和集成化混沌源的研究進展.

1 光反饋混沌激光器面臨的問題

1.1 混沌信號帶寬窄

半導(dǎo)體激光器中的弛豫振蕩是由載流子和光子的相互作用引起的，很容易被階躍電流輸入、驅(qū)動電路引發(fā)的噪聲或微小的外部光反饋等擾動所激發(fā)[10]. 當半導(dǎo)體激光器受到持續(xù)的外部光反饋時，弛豫振蕩與外腔振蕩的耦合作用引起了混沌等非線性動力學(xué)行為，此時激光器輸出的主要能量聚集在弛豫振蕩頻率附近. 然而，普通半導(dǎo)體激光器的弛豫振蕩頻率一般在1 GHz～10 GHz 之間，導(dǎo)致其產(chǎn)生的混沌激光帶寬也只有數(shù)GHz，且頻譜不平坦.

通常來說，人們利用–3 dB 帶寬或80%帶寬來定量地表征混沌激光的帶寬. –3 dB 帶寬是指頻譜功率從最高點算起下降至1/2 處所包含的頻帶范圍，適用于表征頻譜較平坦的混沌信號. 常見的80%帶寬定義分為兩種，一種是從直流分量算起，截止到覆蓋整個頻譜能量的80%處所對應(yīng)頻率之間的頻帶寬度[25]，可稱為標準帶寬；另一種是從頻譜功率最高點算起，對占整個頻譜能量80%的離散頻段進行求和累計的頻帶寬度[26]，可稱為有效帶寬. 若混沌激光頻譜低頻分量處能量較低，則使用標準帶寬表征方式在一定程度上高估了其實際可應(yīng)用的帶寬，因此使用有效帶寬定義更科學(xué)且真實. 然而，80%標準帶寬定義是最早提出的，且一經(jīng)提出即被廣泛引用，至今仍是學(xué)者們研究混沌帶寬的主要定義方式. 此外，研究人員將帶寬范圍內(nèi)頻譜的波動定義為頻譜平坦度.

在混沌保密光通信中，帶寬窄、頻譜不平坦的混沌載波極大地限制了信息的傳輸速率[27]，不能滿足現(xiàn)行高速光纖通信的需求；而且窄帶寬的混沌信號還制約了產(chǎn)生隨機數(shù)的碼率[28]以及混沌激光雷達[29]和分布式光纖傳感[30]系統(tǒng)的空間分辨率等，因此其應(yīng)用受到了極大的限制.

1.2 存在時延特征

光反饋混沌激光器產(chǎn)生的混沌信號具有明顯的特征頻率，包括激光器的弛豫振蕩頻率和反饋外腔諧振頻率，因此強度時間序列隱含著周期性. 外腔諧振頻率是由固定的反饋腔長引起的，這就導(dǎo)致混沌信號存在明顯的時延特征. 時延特征識別方法有多種，時域分析方法包括自相關(guān)函數(shù)(autocorrelation function, ACF)法[31]、延時互信息(delayed mutual information,DMI)法[32]、排序熵(permutation entropy, PE)法[33]等，頻域分析方法為頻譜識別法[34]. 下面介紹3 種常用的識別方法.

1）自相關(guān)函數(shù)法

自相關(guān)函數(shù)用來表征一段時間序列與自身時間平移后的相關(guān)程度，是提取反饋延遲時間τ時使用最廣泛的工具. 自相關(guān)函數(shù)可以表示為

式中，P(t)表示為強度時序，P(t+?t)則表示時間平移?t后的時序. 混沌信號的自相關(guān)函數(shù)會出現(xiàn)周期性的相關(guān)峰，其周期為τ.

2）互信息函數(shù)法

互信息函數(shù)是信息論中一種有用的信息度量，用于衡量信息之間的關(guān)聯(lián)程度，可表示為

式中，?(P(t),P(t+?t))為聯(lián)合密度函數(shù)，?(P(t))和?(P(t+?t))為邊緣概率密度函數(shù).互信息運算后的旁瓣峰值位置則為反饋延遲時間τ.

3）頻譜識別法

頻譜識別法是指通過混沌激光的精細頻譜識別出諧振周期，再根據(jù)其周期1/τ提取反饋延遲時間τ的方法，其理論依據(jù)是時域上的周期信號經(jīng)傅里葉變換后在頻域上同樣能體現(xiàn)周期性.

混沌保密光通信是一種基于硬件加密的保密技術(shù)，其安全性是由發(fā)射機和接收機的系統(tǒng)參數(shù)(包括激光器外腔長信息和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)參數(shù)等)的一致性來保證的. 強度時序分析得到的時延特征可以重構(gòu)反饋腔長，降低保密通信的安全性[35]. 此外，混沌激光的時延特征會惡化以混沌激光作為物理熵源產(chǎn)生隨機數(shù)的隨機特性[36]，引起混沌雷達和光時域反射儀的虛警和誤判，限制混沌分布式光纖傳感系統(tǒng)的監(jiān)測距離[37]等.

1.3 系統(tǒng)由分立器件構(gòu)成

目前，絕大部分混沌源都是在實驗室利用半導(dǎo)體激光器與各種外部分立光學(xué)元件搭建而成的，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，而且易受環(huán)境影響，輸出不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)便攜式移動，這些因素限制了混沌激光的應(yīng)用.

根據(jù)面向保密通信和隨機數(shù)發(fā)生器的光電子器件集成化、小型化的發(fā)展趨勢，要真正實現(xiàn)混沌激光的實用化和產(chǎn)業(yè)化，必須將不同的光學(xué)元件或光電器件通過一定的方式集成在一起，研制體積小、成本低、性能穩(wěn)定的集成混沌源.

2 混沌激光帶寬增強

為了突破半導(dǎo)體激光器的弛豫振蕩頻率對混沌帶寬的限制，研究人員提出了多種方法，包括改變光反饋結(jié)構(gòu)[38-44]、光注入[45-53]、互注入[54]等方法，以及諸如光纖環(huán)形振蕩器[55]、延遲自干涉[56]、高非線性光纖環(huán)形鏡[57]、長距離單模光纖[58]等增強帶寬的混沌激光后處理.

2.1 改變光反饋結(jié)構(gòu)

文獻[38] 利用混合III-V/Si 分布反饋半導(dǎo)體激光器（distributed feedback laser diode,DFB-LD），在雙外腔結(jié)構(gòu)光反饋下產(chǎn)生了標準帶寬高于16 GHz 的混沌激光. 文獻[39]從理論上研究了相位共軛反饋增強帶寬，并由實驗產(chǎn)生了標準帶寬為18 GHz 的混沌信號. 文獻[40-41]從理論上研究了反饋路中光纖的自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制對混沌激光帶寬的增強作用. 文獻[42]在反饋光路中加入馬赫-曾德爾干涉儀和相位調(diào)制器，利用延遲自干涉和自相位調(diào)制作用將混沌激光的標準帶寬提高到30 GHz. 文獻[43]提出了并聯(lián)耦合環(huán)形諧振器反饋，也可以實現(xiàn)帶寬增強.

本課題組提出利用有源光反饋聯(lián)合高非線性光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生寬帶混沌信號[44]，其實驗裝置如圖1(a)所示. DFB-LD 出射激光經(jīng)光環(huán)形器（optical circulator, OC）后被50/50 光耦合器分為兩部分，一部分光用以輸出，另一部分光通過有源器件摻鉺光纖放大器（erbium-doped optical fiber amplifier, EDFA）和一段高非線性光纖（high nonlinear optical fiber, HNLF），經(jīng)光環(huán)形器返回激光器進行擾動，構(gòu)成有源光反饋的同時在環(huán)路中產(chǎn)生強烈的非線性效應(yīng).在反饋路中接入偏振控制器（polarization controller, PC）以匹配偏振狀態(tài)，兩個可調(diào)光衰減器（variable optical attenuator, VOA）分別用來調(diào)節(jié)入纖光功率和反饋強度. 在實驗過程中，利用半導(dǎo)體激光器主模和環(huán)形長腔固有多縱模之間的四波混頻等復(fù)雜非線性耦合效應(yīng)激發(fā)出大量不同的頻率成分，獲得了頻譜覆蓋范圍超過50 GHz、標準帶寬為38.9 GHz、平坦度為4.2 dB 的寬帶混沌信號，其頻譜如圖1(b)所示. 藍色曲線代表實驗獲得的寬帶混沌激光，相對于綠色曲線代表的傳統(tǒng)單反饋產(chǎn)生的混沌激光，其帶寬顯著增強.

圖1 有源光反饋聯(lián)合高非線性光纖產(chǎn)生寬帶混沌激光的實驗裝置和結(jié)果Figure 1 Experimental setup and result for generation of broadband chaotic laser by active optical feedback loop combined with a high nonlinear fiber

2.2 光注入

1994年，Simpson 等發(fā)現(xiàn)了光注入量子阱半導(dǎo)體激光器進入混沌的路徑[59]，并于次年指出強光注入鎖定可以增強激光器的調(diào)制帶寬[60]. 文獻[45]將連續(xù)光注入光反饋混沌半導(dǎo)體激光器，實現(xiàn)了混沌帶寬增強；文獻[46]將光反饋產(chǎn)生的混沌激光注入穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生了22 GHz 帶寬的混沌激光. 文獻[47-48]從理論和實驗兩方面詳細研究了連續(xù)光注入光反饋混沌半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)帶寬增強的動態(tài)路徑和物理機制，并將光反饋產(chǎn)生混沌激光的帶寬增強至16.8 GHz.

在光注入結(jié)構(gòu)中，主從激光器之間存在頻率失諧，引起注入光場和從激光器腔內(nèi)光場的拍頻耦合，激發(fā)復(fù)合腔模振蕩，產(chǎn)生了大量新的光頻成分，并實現(xiàn)光頻間的非線性耦合，使得混沌激光頻譜展寬. 本課題組提出雙波長外光注入法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器(Fabry-Pérot laser diode, FP-LD)結(jié)構(gòu)[49]，其實驗裝置如圖2(a)所示. 兩個DFB-LD 作為外部光源，經(jīng)過光環(huán)形器單向注入光反饋FP-LD 中，通過調(diào)節(jié)頻率失諧量和注入光的功率產(chǎn)生帶寬為32.3 GHz 的雙波長寬帶混沌激光，其頻譜如圖2(b)所示. 文獻[50]從理論上研究了上述方法增強帶寬的條件，表明此方法可以在更廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)實現(xiàn)高帶寬混沌信號輸出；文獻[51]將3 個半導(dǎo)體激光器構(gòu)成環(huán)形單向注入結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了27 GHz 的寬帶混沌激光；文獻[52]將雙混沌光注入穩(wěn)態(tài)激光器，同樣實現(xiàn)了帶寬增強；文獻[53]采用3 個半導(dǎo)體激光器級聯(lián)注入的方法，獲得了標準帶寬為35.2 GHz、平坦度為5.6 dB 的混沌激光.

圖2 雙波長外光注入光反饋法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生寬帶混沌激光的實驗裝置和結(jié)果Figure 2 Experimental setup and result for generation of broadband chaotic laser by using dual-wavelength optically injected Fabry-Pérot semiconductor laser diode with optical feedback

2.3 互注入

2019年，本課題組基于兩個半導(dǎo)體激光器的互注入結(jié)構(gòu)產(chǎn)生寬帶混沌激光[54]，其實驗裝置如圖3(a)所示. 兩個半導(dǎo)體激光器的頻率失諧由溫度控制器調(diào)節(jié)，耦合強度由衰減器控制.通過實驗分析了頻率失諧量和耦合強度分別對混沌激光的頻譜帶寬與平坦度的影響，在合適的參數(shù)條件下獲得了標準帶寬為38.6 GHz、平坦度為5.6 dB 的寬帶混沌激光，其頻譜如圖3(b)所示. 互注入帶寬增強的物理機制如下：兩個激光器腔內(nèi)光場的拍頻耦合產(chǎn)生高頻周期振蕩，使得振蕩能量在頻域上向高頻部分傳遞，并且大量的光頻成分間發(fā)生四波混頻等非線性效應(yīng). 激光器腔內(nèi)各種振蕩相互耦合疊加使能量分布趨向均勻，從而獲得寬帶平坦的混沌激光.

圖3 基于互注入半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生寬帶混沌激光的實驗裝置和結(jié)果Figure 3 Experimental setup and result for generation of broadband chaotic laser based on mutual injection of semiconductor lasers

3 混沌激光時延特征抑制

文獻[61]利用雙腔反饋提高了光反饋半導(dǎo)體激光器輸出混沌的復(fù)雜度；文獻[62]的理論研究和實驗研究均證明：在雙腔反饋情況下，改變兩個外腔長度和反饋速率可以實現(xiàn)時延特征的抑制；文獻[63]指出在合適的工作參數(shù)下可以利用激光器的弛豫振蕩頻率隱藏反饋時延特征；文獻[64]進行控制反饋速率、偏置電流和反饋延遲時間等工作參數(shù)的實驗，成功地實現(xiàn)了時延隱藏. 此后，研究人員提出了多種抑制時延特征的方法，包括反饋相位調(diào)制[65-70]、后向散射反饋[71]、光纖光柵反饋[72-75]、非相干光反饋[76]、色散反饋[77]、相位共軛反饋[78]等. 此外，將產(chǎn)生的混沌激光通過延遲自干涉[56]、高非線性光纖環(huán)形鏡[57]、長距離單模光纖[58,79]和光注入?yún)?shù)失配激光器[80]等對混沌激光進行后處理的方法也可以抑制時延特征.

3.1 反饋相位調(diào)制

文獻[81]認為即使利用弛豫振蕩頻率將時延特征隱藏在強度時間序列中，仍然可以從相位時間序列中將時延特征識別出來，這說明了分析研究相位信息的重要性. 同年，本課題組提出以反饋相位隨機調(diào)制方法消除光反饋半導(dǎo)體混沌激光器的外腔長信息[65]，同時實現(xiàn)了強度和相位信息中的時延特征抑制，該方法可用于雙向混沌保密通信研究[66-67]. 文獻[42,69-70]將自相位調(diào)制反饋結(jié)構(gòu)分別與微球諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀和單模光纖組合，均實現(xiàn)了混沌激光時延特征的抑制.

圖4(a)為反饋光相位隨機調(diào)制的光反饋半導(dǎo)體激光器裝置示意圖[65]. 在反饋光路中加入相位調(diào)制器（phase modulator, PM），利用任意波形發(fā)生器（arbitrary waveform generator,AWG）產(chǎn)生的偽隨機信號驅(qū)動相位調(diào)制器，以改變反饋光的相位. 在不同的偏置電流和反饋速率下，反饋相位調(diào)制前混沌信號的自相關(guān)曲線在外腔延遲時間處的相關(guān)系數(shù)C的分布情況如圖4(b)所示，可見自相關(guān)系數(shù)整體分布在0.2～0.6 之間，不存在小于0.1 的值. 反饋相位經(jīng)過偽隨機信號調(diào)制后，自相關(guān)系數(shù)值呈下降趨勢，大部分處于0.1～0.2 之間，而且存在較大區(qū)域分布在0.1 以下，如圖4(c)所示. 利用偽隨機信號調(diào)制光反饋半導(dǎo)體激光器，使反饋光相位變化等效于外腔長的隨機變化，從而消除混沌激光由固定反饋腔長引起的時延特征.

圖4 反饋相位隨機調(diào)制抑制混沌激光時延特征的系統(tǒng)示意圖和結(jié)果Figure 4 Schematic diagram of system and result for suppression of time-delay signature of chaotic laser by randomly modulating feedback phase

3.2 光纖散射效應(yīng)

光纖散射效應(yīng)包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，均為距離累積效應(yīng)，其強弱與光纖長度和入纖光功率有關(guān). 本課題組提出利用光纖中受激布里淵散射抑制混沌激光的時延特征[79]，實驗裝置如圖5所示. 將外腔時延為105 ns 的光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光放大后注入單模光纖（single mode fiber, SMF），注入光功率為500 mW，單模光纖長為6 km. 使用光隔離器（optical isolator, ISO）防止光纖端面的菲涅耳反射，通過帶通濾波器（band-pass filter, BPF）將后向散射光中的布里淵散射光濾出后作為輸出光. 圖6 為布里淵散射前后混沌激光的自相關(guān)和互信息函數(shù). 從自相關(guān)函數(shù)可以看出：光反饋半導(dǎo)體激光器直接輸出的混沌激光信號在105 ns 處的自相關(guān)系數(shù)C為0.37，經(jīng)光纖布里淵散射作用后下降至0.026，散射前在210 ns 處的自相關(guān)系數(shù)C為0.087，散射后其相關(guān)峰已淹沒在噪聲中；同樣，在互信息函數(shù)中，反饋時延處的峰值也顯著下降. 因為受激布里淵聲波場在光纖中產(chǎn)生隨機后向散射的混沌光，破壞了原始混沌激光信號的周期性，所以其時延特征得到了有效抑制.

本課題組利用光注入結(jié)合散射光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光，實驗裝置如圖7(a)所示. 光纖中的后向瑞利散射和布里淵散射反饋擾動DFB-LD2，這種反饋是隨機的，不包含固定的腔長信息，因而產(chǎn)生的混沌激光不含時延特征；此外，DFB-LD1 單向注入DFB-LD2，通過調(diào)節(jié)兩激光器間的頻率失諧量來增強混沌激光的帶寬. 圖7(b)為實驗獲得的混沌激光的自相關(guān)函數(shù)圖，可以看出外腔反饋延遲處的自相關(guān)特征已被完全消除.

圖5 布里淵后向散射抑制混沌激光時延特征的實驗裝置Figure 5 Experimental setup for suppression of time-delay signature of chaotic laser based on Brillouin backscattering

圖6 實驗獲得的布里淵散射前后混沌激光的自相關(guān)和互信息函數(shù)Figure 6 ACF and DMI of chaotic laser before and after Brillouin backscattering obtained experimentally

3.3 光纖光柵反饋

相比于上述需要額外電器件的反饋相位調(diào)制和需要足夠長單模光纖的光纖散射效應(yīng)來抑制時延特征的方案，光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)因體積小、集成方便而受到研究者的青睞. 文獻[72]提出利用光纖布拉格光柵分布反饋產(chǎn)生時延特征抑制的混沌激光，將光柵帶寬和反饋強度對時延特征的影響進行了數(shù)值分析；文獻[73]通過實驗研究了頻率失諧的光纖光柵對時延特征的抑制作用. 文獻[74]從理論和實驗兩方面研究了在啁啾光纖布拉格光柵(chirped fiber Bragg grating, CFBG)色散光反饋作用下半導(dǎo)體激光器的時延特性，在相同的反饋強度下，與鏡面反饋相比，CFBG 反饋產(chǎn)生的混沌激光在外腔反饋時延處的自相關(guān)系數(shù)降低了90%，約為0.04.

圖7 散射反饋產(chǎn)生無時延特征混沌激光的實驗裝置和結(jié)果Figure 7 Experimental setup and result for chaotic laser without time-delay signature generated by scattering feedback

文獻[75]提出利用光纖隨機光柵的隨機分布反饋作用產(chǎn)生時延抑制的混沌激光. 實驗裝置如圖8 所示，DFB-LD 輸出激光被放大后注入光纖隨機光柵，所產(chǎn)生的隨機散射反饋擾動激光器產(chǎn)生混沌激光. 隨機光柵的反饋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了沿光柵分布的許多相位不相關(guān)的F-P 腔，并提供波長不相關(guān)的的隨機分布反饋，引入多個相位不相關(guān)的外腔模式，降低了DFB-LD 輸出光與反饋光之間的相關(guān)性，從而抑制了混沌激光的時延特征. 圖9 分別給出了利用鏡面反饋和光纖隨機光柵反饋實驗產(chǎn)生混沌激光的輸出特性. 由自相關(guān)函數(shù)可以看出，利用光纖隨機光柵反饋時的時延特征值被抑制至0.008 8.

圖8 光纖隨機光柵反饋產(chǎn)生時延特征抑制的混沌激光實驗裝置圖Figure 8 Experimental setup for generation of time-delay signature suppressed chaotic laser by fiber random grating feedback

4 集成化混沌激光器

為了進一步推廣混沌激光的應(yīng)用，研究者開展了一系列集成混沌激光器的研制工作，并取得了有效進展. 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，混沌激光器的集成方案主要分為光子集成混沌激光器和基于系統(tǒng)器件集成的混沌激光器.

圖9 分別利用鏡面反饋和光纖隨機光柵反饋實驗產(chǎn)生混沌激光的特性Figure 9 Characteristics of chaotic laser generated experimentally by using mirror feedback and fiber random grating feedback respectively

光子集成混沌激光器主要分為單片集成混沌激光器和混合集成混沌激光器. 單片集成混沌激光器是將激光器、擾動元件及其他相關(guān)功能元件置于同一襯底材料上制作而成的，故其體積小，性能穩(wěn)定. 2008年，希臘雅典大學(xué)Argyris 等率先研制了單腔四段式結(jié)構(gòu)的單片集成混沌信號發(fā)生器芯片[82]，并用于混沌保密通信[83]；文獻[84]研制了帶有空氣隙的雙反饋光子集成混沌信號發(fā)生器；文獻[85]研制了環(huán)形無源光波導(dǎo)結(jié)合兩個半導(dǎo)體光放大器（semiconductor optical amplifier, SOA）結(jié)構(gòu)的單片集成混沌半導(dǎo)體激光器；文獻[86]研制了三段式單腔結(jié)構(gòu)的混沌信號發(fā)生器芯片；文獻[87]研制了一種超短延遲時間的互耦合注入的混沌激光器芯片；文獻[88]提出一種“Y”型波導(dǎo)連接的互耦合集成混沌激光器芯片結(jié)構(gòu)，并研究了其同步特性；文獻[89]研制了一種包括DFB 激光器區(qū)、SOA 區(qū)、相位區(qū)和無源光波導(dǎo)區(qū)的單片集成混沌半導(dǎo)體激光器芯片，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)相位隨機調(diào)制，用于混沌同步系統(tǒng)以及密鑰分發(fā)；文獻[90]將長度為10 cm 的反饋腔集成在5.5 mm2的區(qū)域內(nèi)，用于隨機數(shù)的生成. 單片集成生產(chǎn)過程需要專業(yè)的技術(shù)、特殊的昂貴儀器和精細的操作，且存在工藝復(fù)雜、成品率較低、成本較高的不足之處，故目前來說實現(xiàn)門檻較高.

混合集成具有結(jié)構(gòu)簡單、易集成、低成本等優(yōu)勢，在集成混沌半導(dǎo)體激光器的研制中是不可或缺的. 混合集成混沌激光器是將分立的激光器芯片、擾動元件及其他相關(guān)功能元件組合安裝在同一襯底上制作而成的. 本課題組和中科院半導(dǎo)體研究所合作研制了混合集成混沌半導(dǎo)體激光器[91-92]，如圖10 所示. 該集成混沌激光器采用DFB-LD 芯片、準直透鏡、透反鏡、聚焦透鏡、光纖組件耦合的形式，其中透反鏡提供單腔反饋擾動DFB-LD 芯片，準直透鏡和聚焦透鏡整形光路以提高耦合效率. 光束由光纖組件尾纖輸出，可產(chǎn)生頻譜寬度大于5 GHz、無時延特征的混沌激光，輸出特性如圖11 所示.

圖10 混合集成混沌半導(dǎo)體激光器的實物圖Figure 10 Photograph of hybrid integrated chaotic semiconductor laser

目前，光子集成混沌激光器仍處于起步發(fā)展階段，輸出帶寬等關(guān)鍵性能指標尚有待提高，推廣應(yīng)用還需較長時間，因而將分立器件搭建的實驗系統(tǒng)集成為輸出穩(wěn)定、便于攜帶的混沌激光器樣機具有現(xiàn)實意義. 本課題組和武漢光迅科技股份有限公司基于放大自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission, ASE）信號擾動聯(lián)合互注入方式合作研制了寬帶混沌激光源樣機[93].圖12 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖，該混沌激光源主要包括2 個DFB-LD 和1 個SOA，利用SOA 產(chǎn)生的ASE 信號擾動DFB-LD 產(chǎn)生混沌激光，并通過DFB-LD 互注入的拍頻效應(yīng)進一步實現(xiàn)帶寬增強和頻譜整形. 混沌激光源有4 個輸出端口，包括2 個混沌激光輸出信號端口和2 個反饋功率監(jiān)測端口. 調(diào)節(jié)反饋強度、頻率失諧量和耦合強度，可以產(chǎn)生頻譜范圍超過50 GHz、平坦度為±2.5 dB、光譜線寬為0.56 nm 的混沌激光，其輸出特性如圖13 所示.

5 結(jié)語

圖11 混合集成混沌半導(dǎo)體激光器的輸出特性圖Figure 11 Output characteristics of hybrid integrated chaotic semiconductor laser

圖12 寬帶混沌激光源的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖Figure 12 Device diagram and photograph of broadband chaotic laser source

圖13 寬帶混沌激光源的輸出特性Figure 13 Output characteristics of broadband chaotic laser source

本文闡述了混沌半導(dǎo)體激光器輸出信號的帶寬增強、時延特征抑制以及集成化混沌激光器的研究進展，對與其相關(guān)的研究與應(yīng)用具有借鑒意義. 混沌半導(dǎo)體激光器未來的發(fā)展趨勢主要有以下兩方面：一是繼續(xù)提高激光器的輸出性能，同時實現(xiàn)高帶寬、頻譜平坦且無時延特征的混沌激光；二是發(fā)展功耗低、性能穩(wěn)定、易與其他光電器件集成的光子集成混沌半導(dǎo)體激光器，以推進其應(yīng)用化和產(chǎn)業(yè)化. 高性能的混沌半導(dǎo)體激光器在絕對安全的高速保密光通信、高速高質(zhì)量的隨機數(shù)生成、長距離高分辨率的混沌激光雷達和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.