第49卷第12期Vol.49No.12
Infrared a n d Laser Engineering
2020年12月
柴萌萌u，乔丽君\张明江1’2，卫晓晶u，杨强\徐红春3离心离合器
(1.大原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西太原030024;
2.太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原030024;
3.武汉光迅科技股份有限公司，湖北武汉430205)
摘要：混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性，在保密光通信、高速随机数、混沌激光雷达、混
沌光时域反射仪和分布式光纤传感等领域具有重要的应用价值。光子集成混沌激光器是混沌激光应
用的核心器件，具有体积小、性能稳定、成本低等优点。综述了近十年来光子集成混沌半导体激光器的
进展及其主要应用。首先介绍了混沌半导体激光器的集成方式；接着介绍了光子集成混沌半导体激光改性材料
器的分类，根据其扰动方式讨论了直腔单反馈、多腔反馈、环形腔反馈、二维外腔反馈、互注入等结构，
冯代存并对比分析了各自的优势与输出特性；然后介绍了光子集成混沌半导体激光器在光时域反射仪、保密
光通信和高速随机数产生等方面的应用；最后，讨论了光子集成混沌激光器的关键集成技术、时延特征
抑制及间歇混沌的特性。
关键词：光子集成；混沌半导体激光器；光反馈；互注入
中图分类号：T N242 文献标志码：A D O I：10.3788/I R L A20201066
Progress in photonic integrated chaotic semiconductor laser {Invited) Chai Mengmeng1,2,Qiao Lijun1,Zhang Mingjiang1,2,Wei Xiaojing1,2,Yang Qiang1,Xu Hongchun3
(1. Key Laboratory o f Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education,
Taiyuan University o f Technology, Taiyuan 030024, China;
2. College of Physics and Optoelectronics, Taiyuan University o f Technology, Taiyuan 030024, China;
3. Accelink Technology Co. Ltd., Wuhan 430205, China)
Abstract: Chaotic laser has been widely applied in the fields of secure optical communication,random number generation,chaotic lidar,chaotic optical time domain reflector and distributed optical fiber sensing due to its characteristics of wide-spectrum,noise-like,low-coherence and so on.Photonic integrated chaotic semiconductor laser is a kind of chaotic laser which is small in size,stable and low-cost.The progress of photonic integrated chaotic semiconductor laser and its main applications in recent ten years were reviewed.Firstly,the photonic integrated methods of chaotic semiconductor laser were introduced.Then,the classification of photonic integrated chaotic semiconductor lasers was demonstrated.According to the perturbation mode,the external cavity structures
收稿日期:2020-09-28；修订日期:2020-10-30
基金项目：国家自然科学基金（61527819, 61875146)；山西省重点研发计划（201803D121064,201903D121177)；山西省回国留学人员科研资 助项目（2017-052)；山西省青年基金(201801D221187);“三晋学者”特聘教授(专家）支持计划；山西省高等学校科技成果转化培育 项目资助
作者简介：柴萌萌（1996-)，女，博士生，主要从事光子集成混纯半导体激光器方面的研究T作Email:**************************.edu 导师简介：张明江（1976-)，男，教授，博士生导师，主要从事光子集成混沌激光器与分布式光纤传感方面的研究丁作 Email：***********************
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including straight cavity,multiple-cavity,ring cavity,two-dimensional cavity and mutual injection were discussed.The advantages and characteristics of these devices were compared.Furthermore,the applications of photonic integrated chaotic semiconductor lasers in optical time domain reflectometer,
secure optical communication and random n u m b e r generation were introduced.Finally,the key integration techniques,time delay signature and intermittent chaos in photonic integrated chaotic laser were discussed.
Key words: photonic integration;chaotic semiconductor laser;optical feedback;mutual injection
〇引言
I960年，第一台红宝石激光器诞生m，不久之后, 就有学者观察到激光器中的非线性动力学状态[2]。随 着混沌理论的发展，1980年代，混沌激光这一概念被 提出[3]，随后围绕混沌激光的产生方式[44]与应用展开 了系列研究。混沌激光是激光器一种不稳定的输出 状态，具有低相干性、宽频谱、时序随机和初始值敏 感等特性，由于具有以上特性，混沌激光在保密光通 信、高速随机数、激光雷达、光存储、分布式光纤传 感等领域>12]具有重要的应用价值。混沌激光可以 用作分布式光纤传感的宽带激光源，以及产生高速随 机数的物理熵源，也可以作为载波信号在保密光通信 系统中对信息进行加密等。
传统混沌激光源是由分立器件搭建而成的，系统 庞大、易受外界环境影响、功耗大等问题都限制着混 沌激光在实际工程中的应用。伴随着半导体激光器、光电探测器以及平面介质光波导等研究的不断发展，和微纳加工技术的日臻完善，将不同功能的光学有源 器件和无源器件集成在一起实现激光产生、
调制等功 能成为可能，基于光子集成技术的混沌半导体激光器 的研究逐渐兴起。与分立器件组成的混沌激光源相 比，集成混沌激光器体积小、性能稳定、成本低，更易 于应用到保密光通信，随机数发生器，以及分布式光 纤传感检测等工程中。
文中系统地介绍了近年来光子集成混沌激光器 的研究动态和不同结构的光子集成混沌半导体激光 器，并对集成混沌半导体激光器的性能进行了分析与 总结。同时，总结了光子集成混沌激光器在光时域反 射仪、保密光通信和随机数产生等领域的应用。
1混沌半导体激光器集成方式
根据目前已有的技术方案，实现混沌半导体激光 器集成主要包括单片集成和混合集成两种方式。
单片集成混沌半导体激光器是将激光源、调制 器、光波导等半导体器件在同一衬底上制作，通过设 计不同区域的材料和波导结构在单个芯片上实现发 光、调制、传输等功能，并通过光反馈、光注人、光电 调制等结构产生混沌激光信号。例如，2013年，赵玲 娟等人提出了一种放大反馈激光器芯片（Amplifier Feedback Laser,A F L)，激光器区和放大区多量子阱米 用I n G a A s P材料，并采用量子阱混杂技术使有源区带 隙波长蓝移以制作相区。目前，光子集成芯片的制备 主要是基于桂（Silicon,Si)基和I n P基，由于S i属于 间接带隙半导体材料，发光效率较低，而在混沌半导 体激光器中光源是必不可少的组成部分，因此I n P基 是目前较理想的实现单片集成混沌半导体激光器的 材料
平台，基于该平台可以设计具有光产生、光放 大、和光电探测等功能的有源器件。
混合集成是将不同的光电子元件通过机械耦合、键合和粘合等技术手段集成在一起。通过混合集成 的方法也可以进行光子集成混沌半导体激光器的设计。例如，笔者所在课题组于2017年提出混合集 成短外腔混沌半导体激光器，通过机械耦合的方式将 分布式反馈(Distributed Feedback,D F B)激光器芯片与 准直透镜、半透半反镜、聚焦透镜耦合，实现混沌激 光的输出。采用混合集成的设计方法不仅可以实现 微型光学器件的集成，还可以实现S i基无源器件与 I n P基上制作的有源器件集成，较好的利用目前成熟 的S i或者绝缘衬底上的桂（Silicon-o n-Insulator，S O I)工艺，例如S O I波导、衍射光栅等。但是I n P基材料 与其他材料之间存在晶格失配，光子集成难度较大。而且集成器件的出光面和体积较小，耦合时光路对准 难度较大，对准精度的不足会造成较大的传输损耗。
目前，光子集成工艺加工平台主要有欧洲JePPIX 平台，例如，G u y Verschaffelt等人提出的螺旋波导长 腔混沌半导体激光器便是基于此平台设计加工的。
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此外，日本N T T公司和美国Infmera等公司也具备光 子集成芯片设计与加工平台。
2光子集成混沌激光器的分类
半导体激光器属于B类激光器，外加扰动可产生 混沌激光。目前I n P基的D F B激光器工艺成熟，因此 集成混沌半导体激光器多采用D F B激光器作为光 源。基于半导体激光器产生混沌激光的方式主要有 光反馈、光注人、光电反馈等，其中光反馈是产生混 沌激光的典型方式，在光子集成混沌半导体激光器中 也最容易实现。光子集成混沌半导体激光器与分立 器件组成的混沌激光器产生混沌激光的原理一致，均 是半导体激光器在外部扰动或者调制下产生非线性 动力学特性。根据外腔结构和扰动方式的不同，光子 集成混沌半导体激光器主要包括以下几种结构。
2.1直腔单反馈结构
直腔单反馈结构以半导体激光器为光源，以直波 导作为外腔结构传输光，在波导横截面上镀高反膜提 供光反馈，并集成其他的半导体器件对激光进行相位 调制、光放大等产生混沌激光。这种结构产生混沌激 光的原理是：半导体激光器加载外部电流出射激光，激光通过器件截面处的反射膜反射回半导体激光器 内腔，对激光器内腔载流子-光子的平衡进行扰动，造 成激光强度的不稳定。直腔单反馈结构单片集成混 沌半导体激光器输出动态特性的不同主要是由于研 究者们在集成器件中设计了不同的调制器件以达到 相位调制、光放大等功能。
2008年，Apostolos Argyris等人提出一种四段式 直腔单反馈光子集成混沌半导体激光器丨|3—14]〇如图1(a)所示，该芯片由D F B激光器区、增益/吸收区、相区和 末端镀有高反膜的无源光波导采用选区外延法集成。其中，无源光波导末端所镀的高反膜为D F B激 光器提供单反馈光；相区以亚波长分辨率精确地调整 腔的往返时间；增益/吸收区可用于调节反馈光的强 度，在反向偏置的工作条件下，该区是一个可调光衰 减器；当增益/吸收区不加电流时，它是一个损耗很大 的吸收区；当增益/吸收区正向偏置时，它是一个半导 体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,S O A)，为经过的光提供光增益。该四段式结构能够在不同 的参数空间下产生丰富的动力学状态，包括稳态、周期态、复杂混沌。例如，当D F B激光器区偏置电流和 增益/吸收区电流固定时，调节相区电流从4.1 m A至11.3m A，该芯片先按倍周期路径进人混沌状态，再通 过反倍周期路径从混沌状态回到稳态[15]。通过改变 D F B激光器的偏置电流，可以改变激光器的驰豫振荡 频率，采用这种方式可以改变D F B激光器芯片的驰豫 振荡频率和外腔振荡频率之比，从而使激光器处于长 腔光反馈或者短腔光反馈。2015年，Joshua P.T o o m e y 等人基于此机制，通过调节D F B激光器区的偏置电 流研究了该四段式单片集成芯片短腔和长腔机制之 间的过渡转换。研究结果表明，长腔结构的混沌激光 源能更好地满足应用需求。在该四段式结构中，腔长 为1c m的条件下，D F B区的偏置电流大于40 m A，可 保证该器件工作在长腔结构下，输出宽带平坦的混沌 激光[16]。在D F B激光器区电流、相位区电流、增益/吸收区电流这三个参数构成的空间内，该四段式单片
(a)
—DFB-LD G/As PH Passive vraveguide HRC
(b)
DFB-LD PH SOA HRC
(c)
电视制作一DFB-LD SOA 1Passive waveguide HRC
(d)
SOA2led闪光灯
m m m
DFB_LD S0A—
HRC
图1直腔单反馈结构单片集成混沌半导体激光器。（a)四段式，
(b) AFL, (c)双SOA, (d)光子晶体反馈。DFB-LD：分布式反馈
半导体激光器;G/AS：增益/吸收区;PH：相区;SOA：半导体光放 大区；H RC：高反膜；Passive waveguide：无源光波导；Photonic
crystal waveguide：光子晶体波导
Fig. 1Single-feedback monolithically integrated chaotic semiconductor laser with straight external cavity, (a) Four-section structure,
(b) AFL, (c) double-SOA structure, (d) photonic crystal structure.
DFB-LD: Distributed feedback laser diode; G/As: Gain/Absorp-
tion section; PH: Phase section; SOA: Semiconductor optical
amplifier; HRC: High reflection film
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集成混沌激光器输出的动力学特性和复杂度各不相 同，Joshua P.T o o m e y等人提出了一种时间尺度独立 排序熵对这些混沌信号的复杂度进行表征n7]，复杂度 高的混沌激光更适合应用于随机数的产生或者混沌 保密光通信等。
2013年，夏光琼等人提出了一种A F L芯片产生 混沌激光[|8~2°]。如图1(b)所示，该芯片包含D F B激 光器区、相区和S O A区。在该A F L芯片中，D F B激 光器区和S O A区采用相同的多量子阱结构。采用量 子阱混杂技术使得相区带隙波长蓝移，降低相区的吸 收损耗。通过在S O A端涂覆高反膜产生高反射率。在该芯片中，由S O A区控制反馈光强度，由相位区调 节反馈光相位。当S O A区电流较小时，通过调节相 区电流，该A F L芯片输出状态路径为稳态-单倍周期- 二倍周期-混沌，当S O A区电流较大的时候，激光器 会产生M-B(m o d e-beating)脉冲，单倍周期振荡的频 率大概为10 G H z,M-B脉冲频率最大可达40 G H z。为了进一步增大混沌激光的带宽，潘碧玮等人提出了 基于该A F L芯片的自注人扰动法，如图2(a)所示，在 该A F L芯片外部加光纤环进行自注人扰动，用于产 生宽带的混沌激光^ A F L芯片自由运行时输出双模 激光，经过外部的光纤环路提供光反馈扰动，两个激 光模式的混沌激光相互耦合可以产生频谱覆盖范
Circulator EDFA ISO 丨〇/9〇______
、、…x V vV t-------,
0-J H H I s a]
PC VOA
图2⑷基于A F L芯片的自注人扰动法；（b)基于A F L芯片的外光 注人法
Fig.2 (a) Self-injection based on the AFL；(b) Optical-injection based on the AFL 围超过50 G H z，有效带宽为28 G H z，频谱平坦度为6.3 d B的混沌激光P l]。夏光琼等人提出了另一种增 强混沌激光带宽的方法，如图2(b)所示，该方法研究 了在外光注人扰动下该A F L芯片输出混沌激光的带 宽特性。引人外光注人后，通过调节注人光功率大小 及失谐频率大小，能够使A F L芯片产生的混沌激光 有效带宽从14.36 G H z增加到36.00 G H z[221。虽然调 节A F L芯片的增益区和相区电流大小也可以改变激 光器输出的动态特性，但是调节范围很小。而在外光 注人下，通过调节合适的注人强度和频率失谐总能使 其他动态特性下的单片集成半导体激光器进人混沌 状态，较大的S O A区电流也有助于获得广泛而连续 的混沌范围
为了进一步增加A F L芯片的功能，赵玲娟等人 将P D(光电探测器）集成在该芯片上，用于实现光电 转换，实现了一种基于光子集成芯片的光电振荡器[24]。
201丨年，Takahisa H a r a y a m a等人提出一种双S O A 结构的单片集成混沌半导体激光器芯片，如图1(c)所 示，该芯片由一个P D、一个D F B激光器、两个S O A 和一段无源光波导组成。其中D F B区、S0A区、和 P D区为多量子阱结构，通过M O C V D(金属-有机化合 物气相外延法）生长在I n P基衬底上。D F B区的光栅 刻蚀深度为30 n m，栅间距为234 n m，布拉格波长为 1550 n m。该结构中主要通过S O A区控制反馈光的强度和相位，其中两个S O A区是独立的，长度分别 为200 (x m和100 p m[2\这一结构的优势在于两个S0A的长度不同，可以对光反馈强度和相位进行粗调 和细调。该结构中P D的探测带宽为20 G H z,P D和器件的其他部分隔离开制作，以此来避免光电流和注 入电流的混合。该器件的外腔为D F B区的右截面与 反射镜面之间的部分，可以通过调节无源光波导的长 度改变外腔反馈时延。通过调节反馈强度，双S O A 结构的混沌半导体激光器芯片可以输出稳态、自脉 冲、准周期状态和混沌状态。
2014年，赵清春等人提出以光子晶体波导作为外 腔的单片集成混沌半导体激光器仿真模型，该结构包 括：D F B激光器，S O A区，无源光波导，光子晶体波 导，在光子晶体波导的末端镀有反射膜，为D F B激光 器提供光学反馈，如图1(d)所示。在该模型中，通过 引人光子晶体波导的慢光效应可在较小的长度内提
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Time/ns
Frequence/GHz
-0.004 -0.002熏蒸床
A^+l
0.002 0.004
C 2
1.2(d )
3
1.0
| 0.8-J 0.6-
| 0.4-§0.2 B
〇
< -0.2-
-i
i -40
-20
0 20
Time/ns
40
图4混合集成混沌半导体激光器典型输出。（a )时序;(b )频谱;(c )相图;(d )自相关曲线
Fig.4 Typical dynamics o f Hybrid integrated chaotic semiconductor laser, (a) Time series; (b) Power spectra; (c) Phase portraits; (d) Autocorrelation
供大的时间延迟，该结构可以减小器件的尺寸，降低功耗[26】。
以上这些直腔单反馈集成混沌半导体激光器都 是基于单片集成工艺进行设计和研制的。除此之外， 微型光学器件之间的混合集成也可以用于集成混沌 半导体激光器的设计，具有易于制作，成本较低等优 势。2017年，笔者所在课题组提出了一种混合集成短 腔反馈的混沌半导体激光器。如图3所示，该激光器 由D F B 激光器芯片、准直透镜、透反镜、聚焦透镜、 光纤组件耦合而成，其中透反镜为D F B 激光器芯片 提供单反馈，准直透镜和聚焦透镜用于光路整形以 提高耦合效率，产生的混沌激光由光纤组件尾纤输
(a )
Transflective mirror
Collimating lens Laser chip
rfl
Q holderj
Focusing lens
Hi
r o
l^m in
Sub-mount
出[271。该结构的反馈强度是由透反镜的反射率进行 调节。为了确定该结构中的外腔长度和反射镜的反 射率，建立了与本结构相对应的仿真模型，提取不同
D F B 激光器芯片的内部参数，通过L a n g -Kobayashi 方
程对其关键参数进行仿真模拟，以此对器件的设计和 封装进行指导[28]。
在此混合集成混沌半导体激光器中，通过调节
D F B 激光器的偏置电流，混沌激光的频谱、带宽、峰
值功率和中心频率都会发生变化，图4是该混合集成 混沌半导体激光器一个典型的输出状态，从图4(a )可 以看出，混沌激光的时序随时间无规则变化，图4(b ) 为激光器频谱图，频谱在〇~9 G H z 内抬升，80%带宽
Optical fiber
Transflective film
Heat sink
• Antfreflection coat
I
图3混合集成混沌半导体激光器的示意图：（a )结构示意图;(b )实物图
Fig.3 Hybird integrated chaotic semiconductor laser, (a) Structure diagram ； (b) Object picture
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