衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片的制作方法

本发明涉及一种混沌激光器领域，特别是一种用于衬底掺杂反馈垂直腔面的发射混沌激光芯片。

背景技术：

混沌激光由于高带宽、类噪声等特性，被广泛应用于随机数发生器、保密通信、雷达等领域。

利用光反馈扰动半导体激光器可方便地获得混沌激光，然而，常规光反馈方式产生的混沌光信号会携带与反馈腔长有关的时延特征，在时域上呈弱周期性，在自相关曲线上出现旁瓣（journalofquantumelectronics，vol.45，p.879-891，2009）。

时延特征的存在严重影响混沌激光应用性能，例如它会降低混沌物理随机数发生器的随机性，破坏混沌光通信系统的安全性，增加混沌雷达和光时域反射仪误判等。

为了减弱或消除时延特征问题，相关学者提出了众多方法来优化光反馈半导体激光器，典型地，法国学者d.rontani证明当外腔反馈强度极弱时，光反馈半导体激光器的时延特性可得到抑制（opticsletters，vol.32，p.2960-2962，2007）；吴加贵等人发现采用双重反馈外腔，在适当条件下，光反馈半导体激光器的时延特性可以被很好的隐藏（opticsexpress，vol.17，p.20124-20133，2009）。

然而，值得注意的是，现有技术可以在一定程度上改善光反馈半导体激光器的时延特性，但它们整体系统复杂且条件苛刻，除此之外，目前光反馈半导体激光器大多是基于dfb激光器实现的，dfb激光器阈值电流较大，功耗比较高，且输出光沿着衬底片平行的方向，可集成度低，与之相比，垂直腔面发射激光器具有不可比拟的优势：首先，它的有源区体积小，能得到很低的阈值电流，功耗小，寿命长；其次，它具有较高的驰豫振荡频率，动态调制范围大；此外，其输出光斑为圆形，发散角小，与光纤的耦合效率高；最后，光输出沿着垂直于衬底片的方向，易于形成二维阵列集成。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片，主要解决的技术问题是在衬底材料中掺杂杂质元素，为混沌激光芯片提供随机的后向散射，对出射激光造成随机的扰动，导致光反馈过程没有固定的外腔长信息，以此消除混沌激光芯片所产生的时延特征，提高混沌通信的保密性、混沌雷达的准确性以及随机数的随机性。

为了解决上述问题以及实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片，该芯片主要包括垂直腔面发射激光器结构和衬底掺杂杂质元素结构两个部分。

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，实现粒子数反转，出射激光。

所述衬底掺杂杂质元素结构由衬底和大颗粒杂质元素构成，这一结构可对出射光实现随机的后向散射过程，造成随机扰动，最终产生没有时延特征的混沌激光。

基于上述技术方案，所附加的技术特征在于：

所述p型分布布拉格反射镜和n型分布布拉格反射镜的反射谱中心波长为980nm或1550nm。

所述有源区的中心光谱为980nm或1550nm。

所述衬底材料是低折射率介质材料，衬底厚度在百μm量级。

所述杂质元素是大颗粒元素，可以是硅、铬、铁、硼等元素。

本发明上述所提供的一种衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片，与现有技术相比，其优点与积极效果如下。

本发明采用衬底掺杂杂质元素结构作为混沌光产生的核心结构，利用随机光反馈产生混沌光，增强了其随机性，消除了混沌激光器的时延特征。

本发明直接通过在衬底材料中掺杂杂质元素来提供光反馈所需反馈腔和反馈物质，且与垂直腔面发射激光器集成在一起，结构紧凑，稳定性好，集成度高；

本发明基于垂直腔面发射激光器，其阈值电流低，功耗小，输出光沿着垂直于衬底片的方向，易于大规模二维阵列集成，工艺简单，成本低，可实现工业化大生产，广泛应用于保密通信、激光雷达、物理随机数产生等领域。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术特征，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，其中：

图1是本发明衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片的示意图。

图2是本发明衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片所产生混沌激光的自相关图。

图中：1：p面电极；2：p型分布布拉格反射镜；3：有源区；4：n型分布布拉格反射镜；5：衬底；6：杂质元素；7：n面电极。

具体实施方式

本发明一种衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片，是在现有垂直腔面发射激光器制造工艺的基础上，通过直接对衬底掺杂合适的杂质元素这一结构，对出射激光实现随机的后向散射过程，造成随机扰动，最终产生彻底消除时延特征的混沌激光。

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。

如附图1所示，是本发明一种衬底掺杂反馈垂直腔面发射混沌激光芯片的具体结构示意图，从图中可以看出，整套装置主要由从上到下依次紧密排列的p面电极1、p型分布布拉格反射镜2、有源区3、n型分布布拉格反射镜4、衬底5、杂质元素6以及n面电极7构成。

其具体实施方式为：p型分布布拉格反射镜2、有源区3、n型分布布拉格反射镜4紧密排列，组成有源谐振腔，为激光激射提供所需增益物质，实现粒子数反转，出射激光；p型分布布拉格反射镜2、n型分布布拉格反射镜4均由从上至下依次紧密排列的一层或几层材料层组成；有源区3由几个量子阱组成，中心光谱为980nm或1550nm；衬底5固定在n型分布布拉格反射镜4的下表面，作为光反馈的外腔，其材料为低折射率介质材料，厚度为百μm量级，即反馈腔长为百μm；在衬底5中掺杂合适的大颗粒杂质元素6，实现随机的后向散射过程。

本实施方式中，p型分布布拉格反射镜2和n型分布布拉格反射镜4分别由30对和10对交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层组成，反射谱中心波长均为980nm，反射率分别为99.9%及88%。

根据已有的垂直腔面发射激光器的生长技术，一般与有源区3接触的为低折射率材料层，与p面电极1和衬底5接触的为高折射率材料层，材料层的材料为铝镓砷材料。

本实施方式中，有源区3由三个inas/gaasp量子阱组成，中心光谱为980nm。

本实施方式中，p面电极1和n面电极7的材料为ti/au合金材料；衬底5的材料为gaas材料，折射率为3.3，厚度为400μm。

本实施方式中，大颗粒的杂质元素6为硅元素。

本实施方式中，首先有源谐振腔提供增益物质，实现粒子数反转，发射出激光；然后，出射光经过衬底掺杂杂质元素实现随机的后向散射过程，对激光附加随机的光反馈扰动，最终产生混沌激光，因为反馈过程没有固定的外腔长信息，以此消除了混沌激光所产生的时延特征。

为了能够清楚的判断本装置产生的混沌激光是否含有时延信息，我们给出了本实施例所产生的混沌激光的自相关图，如附图2所示。从自相关图图2可以看出，所产生混沌激光没有明显的旁瓣，而且在主峰附近看不到明显的尖峰，表明本装置所产生的混沌激光的时延信息得到了彻底地消除。

应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。