基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器

本发明涉及半导体光电子领域，特别是一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器。

背景技术：

1、混沌激光具有内在随机性、初值敏感性、低相干性、宽频谱等特性。近年来，混沌激光在保密光通信、超宽带技术、激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等领域都具有重要的应用价值。

2、通过对半导体激光器附加扰动是获取混沌激光的有效方式，典型的扰动方法包括光反馈、光注入以及光电反馈等，例如：太原理工大学王云才课题组，利用dfb激光器外加光学反馈系统实现混沌激光的输出(ieee photon.technol.lett.,20(19):1633～1635,2008)；lin f y等人利用延迟光电反馈的方式产生了混沌激光(quantum electronics,ieee journal of,39(4):562-568,2003)。二极管结构半导体激光器凭借功耗低、寿命长、易集成等优势，成为目前混沌激光产生的首选光源。然而，二极管激光器的调制带宽受到弛豫振荡频率的限制。相应的，利用二极管激光器产生的混沌带宽也受到限制。针对以上问题研究者们提出了多种方法提升混沌激光的带宽，2011年，日本ntt通信科学实验室s.sunada等人研制了外腔结构为无源环形光波导的单片集成混沌半导体激光器。该芯片由一个dfb激光器、两个soa、一个pd和一段环形光波导组成，输出的混沌激光带宽可达10ghz。2022年，黄永箴研究员团队在实验中利用弧边六角微腔激光器内部模式之间相互作用产生无时延特征、频谱带宽为11.6ghz的混沌激光。但以上基于二极管激光器产生混沌激光的方式由于传统的二极管激光器产生混沌激光的频谱由驰豫振荡频率主导，导致其带宽较窄，严重限制混沌光通信速率和容量，限制高速真随机数的码率限制混沌分布式光纤传感与混沌激光雷达空间分辨率；且由于传统的二极管激光器产生混沌激光依赖于外部进行扰动，导致存在明显时延特征，从而降低随机数的随机特性以及混沌保密光通信具有安全漏洞。因此产生频谱平坦的无时延宽带混沌激光对于推进混沌保密光通信和随机数产生等领域的发展具有重要意义。

3、晶体管激光器是一种新型的半导体激光器件，其特有的晶体管结构使基区中少数载流子呈倾斜分布，因而理论预测这种激光器输出的激光可以获得较大直接调制带宽。feng和holonyak(2004)实现了iii–v hbt基区的辐射复合，并在基区中插入量子阱(qw)，缩短辐射复合寿命，实现激光出射。通过晶体管激光器中的快速受激复合实现的高效基极电流调制为晶体管和晶体管激光器的带宽增强。2009年feng等人提出gaas基隧穿晶体管激光器，隧道结的引入使得qw中载流子密度和输出激光可以同时受到电流和集电极电压的调制。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，利用隧穿结晶体管激光器可进行电压调制的特性以及晶体管激光器高带宽、低驰豫振荡峰的特点，通过隧穿集电结对量子阱中载流子浓度进行非线性调控，以产生带宽宽、平坦度较好、复杂度更高的混沌激光信号。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，包括隧穿晶体管激光器、电压源和电流源，隧穿晶体管激光器的集电结为隧道结；所述电流源与隧穿晶体管激光器的基极连接，用于调节隧穿晶体管激光器的驱动电流，所述电压源的正负两端分别与隧穿晶体管激光器的集电极和基极连接，用于实现隧穿晶体管激光器基极-集电极电压反偏，还用于调节集电极电压进而实现线宽增强因子的调控，隧穿晶体管激光器的发射极接地。

3、隧穿晶体管激光器为n-p-n型晶体管激光器，其中，所述隧穿晶体管激光器的集电区层靠近基区层的材料为重掺杂，使集电结成为隧道结。

4、所述隧穿晶体管激光器的外延层包括依次设置的n型衬底，n型集电区层，i型集电区层，p型基区层，i型缓冲层，有源层，i型上分别限制层，n型发射区层和n型接触层；所述i型集电区层的材料为1.2qingaasp。

5、所述n型衬底的材料为inp，n型集电区层的材料为inp，i型集电区层的材料为1.2qingaasp，p型基区层的材料为1.2qingaasp，i型缓冲层的材料为1.2qingaasp，i型上分别限制层的材料为1.2qingaasp，n型发射区层的材料为inp和n型接触层的材料为ingaasp。

6、所述n型集电区层的厚度为200nm，i型集电区层的厚度为150nm，p型基区层的厚度为300nm，i型缓冲层的厚度为90nm，i型上分别限制层的厚度为80nm，n型发射区层的厚度为800nm，n型接触层的厚度为100nm。

7、所述有源层包括5个压应变ingaasp阱和6个ingaasp垒。

8、所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，还包括设置在n型衬底和n型inp集电区层之间的n型inp缓冲层。

9、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

10、1、本发明基于晶体管激光器产生混沌激光，突破了传统集成混沌半导体激光器的复杂结构，通过隧穿集电结对量子阱中载流子浓度进行非线性调控，无需外加扰动源和反馈回路即可产生无时延的混沌激光，其结构简单、易于集成且稳定性好、成本低，具有很好的推广应用价值。

11、2、本发明利用晶体管激光器具有高带宽、低驰豫振荡峰的特点，突破传统二极管激光器内部弛豫振荡的限制，可产生更高带宽的混沌激光。

12、3、本发明采用隧穿晶体管激光器，利用隧穿效应可以进一步提高产生混沌激光的带宽，同时还可以通过电压调制调节激光器的线宽增强因子，从而提高产生混沌激光的复杂度。本发明的混沌激光器可以广泛应用与混沌同步与保密光通信、高速随机数密钥生成、激光雷达、光纤网络故障检测、超宽带技术以及分布式光纤传感等领域。

技术特征：

1.一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，包括隧穿晶体管激光器(3)、电压源和电流源，隧穿晶体管激光器(3)的集电结为隧道结；所述电流源与隧穿晶体管激光器(3)的基极连接，用于调节隧穿晶体管激光器(3)的驱动电流，所述电压源的正负两端分别与隧穿晶体管激光器(3)的集电极和基极连接，用于实现隧穿晶体管激光器(3)基极-集电极电压反偏，还用于调节集电极电压进而实现线宽增强因子的调控，隧穿晶体管激光器(3)的发射极接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，隧穿晶体管激光器(3)为n-p-n型晶体管激光器，其中，所述隧穿晶体管激光器(3)的集电区层靠近基区层的材料为重掺杂，使集电结成为隧道结。

3.根据权利要求1所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，所述隧穿晶体管激光器(3)的外延层包括依次设置的n型衬底(101)，n型集电区层(103)，i型集电区层(104)，p型基区层(105)，i型缓冲层(106)，有源层(107)，i型上分别限制层(108)，n型发射区层(109)和n型接触层(110)；所述i型集电区层(104)的材料为1.2qingaasp。

4.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，所述n型衬底(101)的材料为inp，n型集电区层(103)的材料为inp，i型集电区层(104)的材料为1.2qingaasp，p型基区层(105)的材料为1.2qingaasp，i型缓冲层(106)的材料为1.2qingaasp，i型上分别限制层(108)的材料为1.2qingaasp，n型发射区层(109)的材料为inp和n型接触层(110)的材料为ingaasp。

5.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，所述n型集电区层(103)的厚度为200nm，i型集电区层(104)的厚度为150nm，p型基区层(105)的厚度为300nm，i型缓冲层(106)的厚度为90nm，i型上分别限制层(108)的厚度为80nm，n型发射区层(109)的厚度为800nm，n型接触层(110)的厚度为100nm。

6.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，所述有源层(107)包括5个压应变ingaasp阱和6个ingaasp垒。

7.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器，其特征在于，还包括设置在n型衬底(101)和n型inp集电区层(103)之间的n型inp缓冲层(102)。

技术总结
本发明涉及半导体光电子领域，特别是一种基于隧穿晶体管的宽带无时延混沌激光器。包括隧穿晶体管激光器、电压源和电流源，隧穿晶体管激光器的集电结为隧道结；所述电流源与隧穿晶体管激光器的基极连接，用于调节隧穿晶体管激光器的驱动电流，所述电压源的正负两端分别与隧穿晶体管激光器的集电极和基极连接，用于实现隧穿晶体管激光器基极‑集电极电压反偏，还用于调节集电极电压进而实现线宽增强因子的调控，隧穿晶体管激光器的发射极接地。本发明易于集成，且可以产生带宽宽、平坦度较好、复杂度更高的混沌激光信号。

技术研发人员：乔丽君,刘怡佳,章宸旸,唐鑫,张明江
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8