可调谐光混沌信号发生装置及产生方法
【专利摘要】本发明可调谐光混沌信号发生装置包括可调谐激光器，半导体环形激光器和Bragg波导光栅；两段直波导分别与有源环形谐振腔的直波导部分平行，用于光信号的输入输出。可调谐光混沌信号产生方法包括调谐过程和光混沌信号产生过程，其中调谐过程为调节可调谐激光器金属电极上的注入电流信号。该装置将SRL、用于光注入的可调谐激光器以及用于光反馈的Bragg波导光栅集成在一个芯片上，制作过程简单，集成度高，稳定性高，成本较低，适合于光子芯片集成。同时提出的光混沌信号产生方法基于发生装置提出了混沌信号的产生步骤，使方案更简单明了，产生混沌信号的过程更加高效。
【专利说明】可调谐光混沌信号发生装置及产生方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光通信【技术领域】，涉及保密光通信【技术领域】中的混沌信号产生的技术 领域，具体涉及一种基于半导体环形激光器的可调谐光混沌信号发生装置以及光混沌信号 的产生方法。
【背景技术】
[0002]随着信息技术的不断发展，特别是在金融、商业等领域，通信的保密性需求越来越 高，信息加密技术也受到越来越多的关注。传统的软件加密技术是基于算法的复杂程度和 密钥的长度，这种方法的保密性能随着信息量的增加而降低，而且由于加密算法需要消耗 一定的时间，加密速度受到严重限制。自从20世纪60年代混沌现象被发现后，在物理层运 用混沌载波进行编码的通信方式大大提高了通信系统的保密性能和加密速度，成为信息加 密技术的新选择。光混沌信号具有类随机性、对初始条件的敏感依赖性和类似噪声的宽带 功率谱密度等特性，使得其特别适合用于保密光通信。目前，光混沌信号在保密光通信中的 应用已成为混沌应用中最为重要的、最有前途的应用领域之一。
[0003]光混沛信号按其产生方式一般可分为光注入、光反馈和光电反馈三种方式。外部 光注入混沌系统是指在激光器上增加一个适当强度的外部注入光，使其与激光互相作用从 而产生混沌信号。光反馈是指在激光器外部，通过放置反馈器件使得激光器的输出光的一 部分经过反射器件后返回到原来的激光器中，使得激光器产生混沌信号。光电反馈是指把 激光器的输出光的一部分转换成电信号，经放大延时后与激光器的偏置叠加在一起去控制 激光器产生混沌信号。然而，以上三种方式产生的光混沌信号的带宽较窄，而混沌保密光通 信中信号的传输速率和传输容量取决于作为载波的光混沛信号的带宽.因此，提高光混沛 信号的带宽是实现高速混沌激光保密通信的必由之路。
[0004]目前，国内外出现了多种产生宽带混沌信号的方式，最普遍的是基于光反馈和光 注入两种方式的结合，并且已经产生了宽带的光混沌信号。其中，最为常见的两种方法是利 用两个激光器分别作为主、从激光器:其中一种方法是在主激光器腔外设置光反馈回路，然 后将具有反馈回路的主激光器的输出的一部分光信号注入到从激光器，使之输出宽带混沌 信号；另一种方法是在从激光器腔外设置光反馈回路，同时用自由运转的主激光器向从激 光器进行光注入，使之输出宽带混沌信号。这两种方式都能产生带宽较宽的光混沌信号。但 是，由于系统是由多个独立器件构成，既不利用器件的单片集成，又影响系统的稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的为克服现有技术中的不足，提供了一种可调谐光混沌信号发生装置 及产生方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案是:可调谐光混沌信号发生装置，其特征在 于，包括可调谐激光器，半导体环形激光器(SRL/有源环形谐振腔)和Bragg波导光栅；两段 直波导分别与有源环形谐振腔的直波导部分平行，用于光信号的输入输出，直波导由波导有源区和波导无源区连接组成，激光器连接于直波导之一的波导有源区一端，另一直波导 的波导有源区一端为Bragg波导光栅。
[0007]进一步的，所述直波导的波导无源区一端耦合有输出波导，输出波导与直波导呈 钝角，用于降低界面反射。
[0008]进一步的，上述钝角为173°。
[0009]进一步的，Bragg波导光栅形成于波导有源区的上包层上。
[0010]进一步的，波导有源区上包含金属电极，用于调节混沌信号波长。
[0011]进一步的，可调谐激光器上镀有金属电极，用于调节可调谐激光器的注入电流。
[0012]可调谐光混沌信号产生方法，包括调谐过程和光混沌信号产生过程，其中调谐过 程为调节可调谐激光器金属电极上的注入电流信号；
[0013]光混沌信号产生过程为:可调谐激光器产生的光信号输入直波导的有源区并放 大，放大的激光信号经过波导无源区耦合到半导体环形激光器中并沿逆时针方向传输，同 时逆时针方向传输的激光激励起的顺时针的弱光耦合到跑道形波导另一侧的直波导中，然 后经过有源区放大输入到Bragg波导光栅并经Bragg波导光栅反射后一部分依次沿有源 区、波导无源区耦合到半导体环形激光器中与原逆时针方向传输的激光信号产生非线性作 用，产生混沌信号，混沌信号依次通过波导无源区和输出波导输出。
[0014]进一步的，上述调谐过程包括调节可调谐激光器上金属电极和/或Bragg波导光 栅上的金属电极的注入电流，用以改变可调谐激光器产生的激光信号和Bragg波导光栅反 射的激光信号的波长和强度。
[0015]本发明的有益效果:本发明提供的可调谐光混沌信号发生装置基于半导体环形激 光器，产生的混沌信号是基于具有一定频率和强度的光反馈和光注入下的半导体环形激光 器(SRL)内非线性作用而产生。该装置将SRL、用于光注入的可调谐激光器以及用于光反馈 的Bragg波导光栅集成在一个芯片上,制作过程简单，集成度高，稳定性高，成本较低，适合 于光子芯片集成。同时提出的光混沌信号产生方法基于发生装置提出了混沌信号的产生步 骤，使方案更简单明了，产生混沌信号的过程更加高效。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的光混沌信号发生装置的结构示意图；
[0017]图2是可调谐激光器的结构图；
[0018]图3是Bragg波导光栅的结构图。
[0019]附图标记说明:可调谐激光器1，沉底层11，有源层12，上包层13，光栅区14，半导 体环形激光器(SRL) 2, Bragg波导光栅3,沉底层31,有源层32,上包层33,光栅区34,波导 有源区41,波导有源区42,波导无源区51,波导无源区52,金属电极6,输出波导71,输出波 导72，
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明做进一步详细说明。
[0021]如图1所示，本实施例的一种可调谐光混沌信号发生装置，包括可调谐激光器1，有源环形谐振腔2和Bragg波导光栅3 ;两段直波导在跑道形波导两侧分别与跑道形波导 耦合组成有源环形谐振腔2，直波导由波导有源区41 (42)和波导无源区51 (52)连接组 成，可调谐激光器I连接于直波导之一的波导有源区41 一端，另一直波导的波导有源区42 一端为Bragg波导光栅3。
[0022]上述直波导的波导无源区51 (52)—端均f禹合有输出波导71 (72),输出波导71
(72)与直波导呈钝角，用于降低输出反射。并且上述钝角优选为173°，即输出波导相对于 波导无源区倾斜7°。在本方案中，可调谐激光器I为半导体激光器，利用半导体工艺制成； Bragg波导光栅形成于波导有源区上，并且在波导有源区上包含金属电极，用于调整反馈信 号波长。
[0023]为了实现可调谐激光器处调谐，本实施例在可调谐激光器上设置了金属电极，该 金属电极用来调节可调谐激光器的注入电流，进而实现调节输出激光信号的波长和强度。
[0024]本实施例的一种可调谐光混沌信号产生方法包括调谐过程和光混沌信号产生过 程，其中调谐过程为调节上述实施例的光混沌信号发生装置的金属电极的输入信号；以达 到调谐的目的。光混沌信号产生过程为:可调谐激光器产生激光信号输入直波导的有源 区并放大，放大的激光信号经过波导无源区耦合到半导体环形激光器中并沿逆时针方向传 输，同时逆时针方向传输的激光激励起的顺时针的弱光耦合到跑道形波导另一侧的直波导 中，然后经过有源区输入到Bragg波导光栅并经Bragg波导光栅反射后一部分依次沿有源 区、波导无源区耦合到跑道形波导中与原逆时针方向传输的激光信号产生非线性作用，产 生混沌信号，混沌信号依次通过波导无源区和输出波导输出。作为优选实施例，在调谐方法 中调谐过程包括调节可调谐激光器上金属电极和/或Bragg波导光栅上的金属电极的注入 电流，用以改变可调谐激光器产生的激光信号和Bragg波导光栅反射的激光信号的波长和 强度。
[0025]由于本方案的主要优势在于可以采用半导体工艺进行整体制作，以克服现有的系 统由多个独立器件构成不利用器件的单片集成同时影响系统的稳定性的缺陷。因此，本方 案的另一优选实施例如下=Bragg波导光栅制作在SRL直波导的有源区的一端。可调谐激 光器由低噪声电源驱动，输出的光信号经直波导的有源区放大后，逆时针注入到SRL中。同 时，SRL顺时针方向输出的弱光通过Bragg波导光栅选择性反射后，再次经由有源波导的放 大后进入SRL。具有一定频率和强度的注入光和反馈光在SRL (有源环形谐振腔)内激光场 的非线性作用下，在SRL输出端输出宽带混沌信号。改变可调谐激光器光栅区和布拉格光 栅的注入电流可以改变注入波长和反馈波长，调节注入波长和反馈波长可以产生更宽的混 沛信号。
[0026]上述方案中，SRL在低噪声电源的驱动下，可以产生以逆时针方向为主的双向激光 输出，与谐振腔平行的两根直波导分别由一段有源波导和一段无源波导组成，并在一端的 尾部设置一定的倾角。可调谐激光器是通过现有的有源器件制作工艺集成在SRL的输入波 导的有源区的一端。由低噪声电源驱动，并通过改变注入波长实现波长的调谐。Bragg波导 光栅是用电子束曝光的方法在包层上刻蚀光栅，其制作在SRL直接波导的有源区一端，改 变注入电流可以改变反射波长。
[0027]上述装置的工作原理如下:
[0028]如图1所示，可调谐激光器I在低噪声电源驱动下产生单纵模，经过直波导的有源区41放大之后，通过直波导的无源区51将光耦合到跑道形波导中，在低噪声电源的驱动 下，逆时针注入到跑道形波导中的光会激励起顺时针的弱光，顺时针的弱光通过跑道形波 导另一侧的波导无源区52耦合出去。并经过有源区42进入到Bragg波导光栅2中。进入 到Bragg波导光栅2中的光会因为光栅的反射有一部分沿波导有源区42、波导无源区52耦 合到半导体环形激光器中，逆时针的注入光和顺时针的反馈光在半导体环形激光器中的非 线性作用下产生混沌信号，通过波导无源区51和52耦合出来，沿输出波导71和72输出来。 通过调节金属电极6，可以改变可调谐激光器I和Bragg波导光栅的注入电流，从而可以改 变注入光和反馈光的波长和强度，实现可调谐的混沌信号的输出。半导体环形激光器在该 装置中用于产生宽带混沌信号，而具有一定倾斜角度的输出波导71和72是为了防止输出 光的端面反射。
[0029]如图2所示是可调谐激光器，是由沉底层11、有源层12、上包层13和光栅区14构 成，通过在波导有源区41的一端采用电子束曝光的方式在包层的两端刻蚀一定深度、不同 周期的两种光栅而成的。由低噪声电源驱动，通过调节注入电流，两端光栅的反射谱会在不 同的波长处产生叠加，因而可以实现输出波长的调谐。该可调谐激光器在装置中作为主激 光器，向从激光器SRL的逆时针方向注入一定频率一定强度的光信号。
[0030]如图3所示是Bragg波导光栅3，是由沉底层31，有源层32，上包层33，光栅区34 构成，通过在波导有源区42的一端采用电子束曝光的方法在包层上刻蚀一定深度和周期 的光栅而成的。Bragg波导光栅对入射的光具有选择反射作用，通过电极控制注入电流可以 调节Bragg波导光栅的反射波长，用来为SRL提供反馈光。波导有源区42和42用于放大 光信号功率。有一定倾斜角度(7°左右)的输出波导71和72是为了防止输出光的端面反 射。
[0031]由于可调谐激光器、SRL、Bragg波导光栅及其波导有源区41和42都是具有增益 功能的结构，且他们的结构都相同，包括衬底层、有源层以及包层，所以这几部分的制作可 以同时进行，即在沉底材料上同时生长量子阱有源层，然后涂覆包层，利用掩膜版在可调谐 激光器和Bragg波导光栅的包层上采用电子束曝光的方式刻蚀一定规格的光栅。由于刻蚀 过程中并不刻穿有源层，因而不会对有源材料产生阈值损伤，且制作方式简单，制作过程中 所以单元可一次成形，即节约了成本，又大大增加了成品率。
[0032]以上所述仅为本发明的【具体实施方式】，本领域的技术人员将会理解，在本发明所 揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例 来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。
【权利要求】
1.一种可调谐光混沌信号发生装置，其特征在于，包括可调谐激光器，半导体环形激光 器(SRL/有源环形谐振腔)和Bragg波导光栅；两段直波导分别与有源环形谐振腔的直波导 部分平行，用于光信号的输入输出，直波导由波导有源区和波导无源区连接组成，激光器连 接于直波导之一的波导有源区一端，另一直波导的波导有源区一端为Bragg波导光栅。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直波导的波导无源区一端耦合有输 出波导，输出波导与直波导呈钝角，用于降低界面反射。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述钝角为173°。
4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的装置，其特征在于，Bragg波导光栅形成 于波导有源区的上包层上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，波导有源区上包含金属电极，用于调节混 沛信号波长。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，可调谐激光器上镀有金属电极。
7.可调谐光混沌信号产生方法，包括调谐过程和光混沌信号产生过程，其中调谐过程 为调节可调谐激光器金属电极上的注入电流信号；光混沌信号产生过程为:可调谐激光器产生的光信号输入直波导的有源区并放大，放 大的激光信号经过波导无源区耦合到半导体环形激光器中并沿逆时针方向传输，同时逆时 针方向传输的激光激励起的顺时针的弱光耦合到跑道形波导另一侧的直波导中，然后经过 有源区放大输入到Bragg波导光栅并经Bragg波导光栅反射后一部分依次沿有源区、波导 无源区耦合到半导体环形激光器中与原逆时针方向传输的激光信号产生非线性作用，产生 混沌信号，混沌信号依次通过波导无源区和输出波导输出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，调谐过程包括调节可调谐激光器上金属 电极和/或Bragg波导光栅上的金属电极的注入电流，用以改变可调谐激光器产生的激光 信号和Bragg波导光栅反射的激光信号的波长和强度。
【文档编号】H04L9/00GK103501200SQ201310444536
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】袁国慧, 王卓然, 何涛, 郭慧 申请人:电子科技大学