一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器及其使用方法与流程

本发明涉及混沌半导体激光器技术领域，特别是涉及一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器及其使用方法。

背景技术：

近年来，混沌激光在混沌保密光通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、高速真随机数产生、混沌超宽带信号发生器和分布式光纤传感等方面得到了广泛应用，成为了国内外学者的研究热点。通过给半导体激光器提供扰动可以产生混沌激光，其中光反馈方式结构简单、易于调节和控制成为主要的混沌激光产生方式。

但是目前光反馈方式产生的混沌激光，其输出信号会携带与反馈腔长有关的信息，即存在时延特征(Wu Y,et al.IEEE Journal of Quantum Electronics,2012,48(11):1371-1379.)。时延特征的存在对混沌激光在许多领域的应用是有害的，例如：在利用混沌激光作为物理熵源产生高速物理真随机数时，会降低随机数的随机特性；在混沌保密光通信中，混沌激光具有时延特征信息会导致安全漏洞；在混沌雷达和光时域反射仪的应用中，会引入虚警和误判，因此必须消除时延特征。再者因为半导体激光器弛豫振荡频率占据了混沌激光的主要能量，导致输出的混沌信号带宽仅维持在10GHz以下，且混沌频谱不平坦。窄带宽会限制混沌通信中信息的传输速率、数据加密速率、随机序列的生成速率，混沌频谱不平坦会限制低频成分能量，为实际应用中后续电路采集和处理带来困难。因此，针对于光反馈方式产生混沌激光存在的这些问题，许多研究者提出了不同的解决方案。

2008年王安帮等人针对于混沌激光带宽的增强进行了研究(Wang A,et al.IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(19):1633-1635.)，具体为从激光器输出的连续光经过光纤环形器将一部分光反馈回从激光器产生扰动，使其输出混沌激光，与此同时一注入激光器将其输出的连续光注入到从激光器中，发现从激光器输出的混沌激光的带宽大约为无连续光注入时的三倍，实现了混沌激光的带宽的增强。

2011年太原理工大学发明了一种光反馈混沌激光器(见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6)，其选择合适的单一连续后向散射体、或提供连续后向散射并放大的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，利用连续反馈腔对单个半导体激光器的随机反馈扰动，使半导体激光器产生混沌激光，以此实现消除光反馈半导体激光器的时延特征的目的。

2012年大连理工大学公开了一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法(见专利：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951.0)，该单片集成混沌激光器包括两个分布式反馈半导体激光器DFB、一个半导体光放大器和一段无源光波导，采用单向光注入法产生了宽带的混沌激光。具体工作过程为：主分布反馈半导体激光器产生连续光，连续光经过半导体光放大器单向放大，放大后的连续光经无源光波导注入到从分布反馈半导体激光器，此处无源光波导仅仅起一个传输光的作用。通过调节主从分布反馈半导体激光器的注入电流使其中心波长失谐，同时调节半导体光放大器的放大倍数实现注入强度调节，进而主从分布反馈半导体激光器产生拍现象，此时从分布反馈半导体激光器可以产生出宽带的混沌激光。

值得注意的是，王安帮等人研究发现(Wang A B,et al.Optics Letters,2009,34(8):1144-1146.)，单注入型结构易产生注入锁定，且单注入存在混沌激光频谱不平坦、输出不稳定的缺点，而且往往包含两个激光器的拍频信息，会使混沌激光的频谱出现典型的拍频振荡成份，同样会影响混沌光时域反射仪和混沌激光雷达的分辨率、限制混沌光通信的传输速率以及产生随机数的码率。

2014年太原理工大学发明了一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器(见专利：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号：ZL201410435033.9)，该发明精确控制倒装贴片工艺精度和掺铒的无源光波导的长度、左分布式反馈半导体激光芯片的长度、右分布式反馈半导体激光器芯片的长度、无隔离双向放大的半导体光放大芯片的长度，将掺铒的无源光波导作为连续散射体构成连续分布式反馈腔，并采用半导体光放大芯片控制左、右分布式反馈半导体激光芯片相互注入的光功率大小和掺铒的无源光波导对左分布式反馈半导体激光芯片的反馈强度，目的是产生无时延特征、频谱平坦、宽带的混沌激光。光在掺铒光纤中传播时产生的后向散射光较弱，后向散射光原路反馈的过程中，由于光纤长度、光纤材料及光波导中的结构缺陷等原因产生损耗，部分反馈光可能还未进入半导体光放大芯片就已经完全损耗。因此，掺铒光纤中部分位置对半导体激光器产生反馈，且仅左反馈光对左分布式反馈半导体激光器的扰动进行放大。

2015年，中国科学院半导体所发明了一种基于集成外腔半导体激光器的宽带混沌光发生器(见专利：基于集成外腔半导体激光器的宽带混沌光发生器，专利号：201510028646.5)，该发明利用一个集成外腔半导体激光器芯片和一个外部的光反馈回路实现了宽带稳定大范围的混沌光信号产生，具体工作过程为集成外腔半导体激光器芯片输出光通过光纤环形器、耦合器，通过耦合器将集成外腔半导体激光器输出光经由光环形器的光信号按照预设的功率比一部分送入反馈回路构成光反馈，从而产生宽带稳定大范围的混沌光信号。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是设计一种结构简单、易于操作和实现的基于随机分布式光反馈结合光互注入联合扰动的，产生具有弱时延特征、频谱宽且平坦的混沌激光的混沌半导体激光器。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器，包括左分布式反馈半导体激光器1、光纤耦合器2、泵浦激光器3、波分复用器4、掺铒光纤5和右分布式反馈半导体激光器6，具体的：

所述左分布式反馈半导体激光器1连接所述光纤耦合器2的第一端口，其中，所述光纤耦合器2通过第二端口与所述波分复用器4耦合，同时与波分复用器4耦合的还有泵浦激光器3；

所述波分复用器4还与所述掺铒光纤5的一端相连，其中，掺铒光纤5的另一端与所述右分布式反馈半导体激光器6相连；

其中，混沌半导体激光器以所述光纤耦合器2的第三端口作为混沌激光信号的输出端口。

优选的，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的输出光波长的失谐为0GHz-30GHz，输出功率偏差低于70％。

优选的，所述左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20nm，所述泵浦激光器3的波长为980nm±20nm。

优选的，所述光纤耦合器2的分光比在20:80至80:20区间，其中，在区间两端处，光纤耦合器2通过第二端口和第三端口的光信号输出比为20:80和80:20。

优选的，所述掺铒光纤长度选择5-150m。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器的使用方法，左分布式反馈半导体激光器1发出连续光，经过光纤耦合器2分光后，第一部分连续光从b端输入波分复用器4的接收端d，第二部分光作为输出端h；

泵浦激光器3与波分复用器4的接收端c连接，使信号光与泵浦光一起输入到掺铒光纤5内，实现信号光与泵浦光在掺铒光纤5内的双向传播；其中，波分复用器4的发送端e与掺铒光纤5的端口f连接，同时实现光双向放大的作用；

所以左分布式反馈半导体激光器输出的连续光经过波分复用器4和掺铒光纤5后实现了放大，放大后的连续光传输至右分布式反馈半导体激光器6，对其产生光注入扰动；同时右分布式反馈半导体激光器输出的连续光经掺铒光纤5放大，放大后的连续光经光纤耦合器4传输至左分布式反馈半导体激光器1，对其产生光注入扰动。

优选的，左分布式反馈半导体激光器1输出的连续光经掺铒光纤5传输产生左随机后向散射反馈光，同时实现对左随机反馈光的放大，放大后的左随机反馈光对左分布式反馈半导体激光器1产生随机光反馈扰动；右分布式反馈半导体激光器输出的连续光经掺铒光纤5传输产生右随机后向散射反馈光，同时实现了对右随机反馈光的放大，放大后的右随机反馈光对右分布式反馈半导体激光器产生随机光反馈扰动。

优选的，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的输出光波长的失谐为0GHz-30GHz，输出功率偏差低于70％。

优选的，所述左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20nm，所述泵浦激光器3的波长为980nm±20nm。

优选的，所述第一部分连续光和所述第二部分连续光之间的分光比在20:80至80:20区间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明根据掺铒光纤中的增益介质铒粒子较大，散射系数高，单位长度产生的后向散射强特性，在双端光信号注入下，相对激光器而言，掺铒光纤提供较强的双向的随机后向散射光；又因为后向散射与前向放大同步进行，实现了对双向随机后向散射光的放大，所以可以保证后向散射光在传输过程中不会被完全损耗，实现整段掺铒光纤任意位置对左、右分布式反馈半导体激光器的随机扰动，随机扰动信号没有固定的外腔长信息，因此可以消除时延特征。

另一方面，本发明采用分立结构，工艺简单，在随机光反馈和互注入的联合扰动下，提高了对混沌激光的可控性，能够产生低时延频谱宽且平坦的混沌激光的混沌激光，经光纤耦合器的输出端h输出，有效的解决了当前混沌激光带有时延特征、信号带宽窄、频谱不平坦的问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器测试结果示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，例如“第二进/出光口”表明该端口既可以进光也可以出光。而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况，例如“背向散射光和/或反射光”，则表明其可以表达单独的“背向散射光”，单独的“反射光”，以及“背向散射光和反射光”三种含义中的任意之一。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器，如图1所示，包括左分布式反馈半导体激光器1、光纤耦合器2、泵浦激光器3、波分复用器4、掺铒光纤5和右分布式反馈半导体激光器6，具体的：

所述左分布式反馈半导体激光器1连接所述光纤耦合器2的第一端口(如图1中标注有a的端口所示)，其中，所述光纤耦合器2通过第二端口(如图1中标注有b的端口所示)与所述波分复用器4耦合，同时与波分复用器4耦合的还有泵浦激光器3；

所述波分复用器4还与所述掺铒光纤5的一端(如图1中标注有f的端口所示)相连，其中，掺铒光纤5的另一端(如图1中标注有g的端口所示)与所述右分布式反馈半导体激光器6相连；

其中，混沌半导体激光器以所述光纤耦合器2的第三端口作为混沌激光信号的输出端口。

本发明实施例根据掺铒光纤中的增益介质铒粒子较大，散射系数高，单位长度产生的后向散射强特性，在双端光信号注入下，相对激光器而言，掺铒光纤提供较强的双向的随机后向散射光；又因为后向散射与前向放大同步进行，实现了对双向随机后向散射光的放大，所以可以保证后向散射光在传输过程中不会被完全损耗，实现整段掺铒光纤任意位置对左、右分布式反馈半导体激光器的随机扰动，随机扰动信号没有固定的外腔长信息，因此可以消除时延特征。

在本发明实施例中，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的输出光波长的失谐频率为0GHz-30GHz，输出功率偏差要求低于70％。其中，左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的失谐频率相差越大，则产生的混沌激光带宽越宽(参见OpticsLetters,34(8):1144-1146,2009给出的变化趋势)；而两者的输出功率偏差之所以选择70％作为一个参考节点，是因为过大的注入强度会使激光器进入注入锁定状态，而失去相互扰动产生混沌激光的效果。

在给予了上述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的失谐频率之后，还提供给了一组针对具体中心波长的可实现参数配组，其中，所述左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20nm，所述泵浦激光器3的波长为980nm±20nm。此时，考虑到右分布式反馈半导体激光器6两者之间的输出光波长的失谐频率为0GHz-30GHz，则在左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20nm时，相应的右分布式反馈半导体激光器6的波长为1550nm±20.27nm。

在本发明实施例中，还提供了一组可选的光纤耦合器的配置参数，具体的，所述光纤耦合器2的分光比为50:50，其中，光纤耦合器2通过第二端口和第三端口的光信号输出比为1:1。其中，所述分光比还可以是其他的配比参数，具体的h端口输出的功率可以更大或者更小，即最终的混沌激光输出功率的大小会因此而变化；系统内部的光注入功率相应调节范围也会有增减。相对而言，如果第三端口的分光占比较大，则输出功率会相应的变大，另一方面，系统内部的光注入功率相应调节范围也会相应变小。反之，如果第三端口的分光占比较小，则输出功率会相应的变小，另一方面，系统内部的光注入功率相应调节范围也会相应变大。

在本发明实施例中，所述掺铒光纤长度选择5-150m。之所以选择该区间值是因为掺铒光纤的长度与散射光的强度相关，越长散射回的反馈光越强，但达到150m后，散射光在掺铒光纤中的损耗会更大，导致无法传输至激光器使激光器产生混沌激光，因此优选的是5-150m区间内。

本发明实施例提出一种结构简单、易于操作和实现的基于随机分布式光反馈结合光互注入联合扰动的低时延、频谱宽且平坦的混沌激光的混沌半导体激光器，对推动混沌激光在科学研究、基础应用、工程技术等领域的应用具有重要的意义和价值。

如图2所示，传统混沌激光频谱如图2中标有“现有技术”所示的曲线，在驰豫振荡附近有一个明显的峰值，导致带宽很小，平坦度很差。但是本发明实施例要达到的混沌激光频谱如图2中标注有“本发明实施例”字样的曲线，平坦度达到±3dB，带宽也超过26.5GHz。因此本发明实施例提供了一种频谱宽且平坦的混沌激光的混沌半导体激光器。

实施例2：

本发明除了提供如实施例1所述的混沌半导体激光器结构以外，还提供了一种基于随机光反馈的混沌半导体激光器的使用方法，用于从光信号走向和被处理的方式角度，阐述实施例1所述的激光器结构如何被使用并产生相应效果的混沌激光信号。参考图1所述的结构进行阐述，左分布式反馈半导体激光器1发出连续光，经过光纤耦合器2分光后，第一部分连续光从b端输入波分复用器4的接收端d，第二部分光作为输出端h，具体如下：

泵浦激光器3与波分复用器4的接收端c连接，使信号光与泵浦光一起输入到掺铒光纤5内，实现信号光与泵浦光在掺铒光纤5内的双向传播；其中，波分复用器4的发送端e与掺铒光纤5的端口f连接，同时实现光双向放大的作用；

所以左分布式反馈半导体激光器输出的连续光经过波分复用器4和掺铒光纤5后实现了放大，放大后的连续光传输至右分布式反馈半导体激光器6，对其产生光注入扰动；同时右分布式反馈半导体激光器输出的连续光经掺铒光纤5放大，放大后的连续光经光纤耦合器4传输至左分布式反馈半导体激光器1，对其产生光注入扰动。

本发明实施例根据掺铒光纤中的增益介质铒粒子较大，散射系数高，单位长度产生的后向散射强特性，在双端光信号注入下，相对激光器而言，掺铒光纤提供较强的双向的随机后向散射光；又因为后向散射与前向放大同步进行，实现了对双向随机后向散射光的放大，所以可以保证后向散射光在传输过程中不会被完全损耗，实现整段掺铒光纤任意位置对左、右分布式反馈半导体激光器的随机扰动，随机扰动信号没有固定的外腔长信息，因此可以消除时延特征。

在本发明实施例中，左分布式反馈半导体激光器1输出的连续光经掺铒光纤5传输产生左随机后向散射反馈光，同时实现对左随机反馈光的放大，放大后的左随机反馈光对左分布式反馈半导体激光器1产生随机光反馈扰动；右分布式反馈半导体激光器输出的连续光经掺铒光纤5传输产生右随机后向散射反馈光，同时实现了对右随机反馈光的放大，放大后的右随机反馈光对右分布式反馈半导体激光器产生随机光反馈扰动。

在本发明实施例中，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的输出光波长的失谐频率为0GHz-30GHz，输出功率偏差要求低于70％。其中，左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的失谐频率相差越大，则产生的混沌激光带宽越宽(参见OpticsLetters,34(8):1144-1146,2009给出的变化趋势)；而两者的输出功率偏差之所以选择70％作为一个参考节点，是因为过大的注入强度会使激光器进入注入锁定状态，而失去相互扰动产生混沌激光的效果。

在给予了上述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6两者之间的失谐频率之后，还提供给了一组针对具体中心波长的可实现参数配组，其中，所述左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20nm，所述泵浦激光器3的波长为980nm±20nm。此时，右分布式反馈半导体激光器6的波长为左分布式反馈半导体激光器1的波长为1550nm±20.27nm。

在本发明实施例中，所述第一部分连续光和所述第二部分连续光之间的分光比为50:50。除此以外，还可以是20:80之80:20间任一的分光比，其中，所述分光比还可以是其他的配比参数，具体的h端口输出的功率可以更大或者更小，即最终的混沌激光输出功率的大小会因此而变化；系统内部的光注入功率相应调节范围也会有增减。相对而言，如果第三端口的分光占比较大，则输出功率会相应的变大，另一方面，系统内部的光注入功率相应调节范围也会相应变小。反之，如果第三端口的分光占比较小，则输出功率会相应的变小，另一方面，系统内部的光注入功率相应调节范围也会相应变大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。