一种基于短腔VCSEL的宽带混沌激光产生装置

一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置
技术领域
1.本发明涉及高速混沌通信载波技术领域，具体是一种基于短腔vcsel(垂直腔面发射激光器)的宽带混沌激光产生装置。


背景技术：

2.在宽带中国发展战略及5g通信推动下，光纤通信速率和容量不断提升，应用场景更加多样化，导致高速信息安全传输问题开始凸显，亟需探索物理安全的高速信息保密传输技术。同时，保密通信方面的研究对国防和国家经济安全具有重要的安全意义。
3.混沌信号由于具有频谱宽、类噪声、随机性等特点被广泛应用于混沌保密通信、随机数产生、混沌雷达等方面。在传统的基于外腔反馈半导体激光器系统产生的混沌信号中，激光器的固有参数弛豫振荡频率通常会控制混沌信号的振荡。因此，在混沌信号的频谱中，大部分能量会集中在弛豫振荡频率附近，低频能量得不到有效利用，带宽通常只有几ghz。所以，弛豫振荡频率决定着激光器调制带宽，而激光器调制带宽是传统光通信速率的决定。因此，为了提高混沌光通信速率，需要不断提高混沌激光的带宽。


技术实现要素：

4.针对当前的半导体激光器的混沌载波带宽受限于激光器弛豫振荡频率，影响到光通信速率，本发明提出一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，利用短腔vcsel激光器的短腔结构，使得弛豫振荡频率增加，使得产生带宽增大，从而提高通信速率。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，包括短腔vcsel激光器、偏振控制器、光纤镜面、第一光纤耦合器、光衰减器、第二光纤耦合器；
6.所述短腔vcsel激光器的输出经过偏振控制器后由第一光纤耦合器分为两路；其中一路通过光衰减器入射至光纤镜面，经光纤镜面反射后沿原路返回并反馈到短腔vcsel激光器，所述偏振控制器用于控制反馈光的偏振，另一路经第二光纤耦合器后输出宽带混沌激光。
7.短腔vcsel激光器的腔长小于200μm。
8.所述光衰减器为可调谐光衰减器，用于调节反馈光的反馈强度。
9.所述的一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，还包括光电探测器一、光电探测器二、频谱分析仪、实时示波器；所述第二光纤耦合器为1
×
3光纤耦合器，经第二光纤耦合器后输出的宽带混沌激光被第二光纤耦合器分为三路，一路经光电探测器一转换为电信号后通过频谱分析仪采集其功率谱，另一路经光电探测器二转换为电信号后通过实时示波器采集其时间序列，第三路输出宽带混沌激光。
10.所述短腔vcsel激光器包括依次设置的底部输出耦合镜、谐振腔层、顶部输出耦合镜，所述底部输出耦合镜与顶部输出耦合镜皆采用dbr介质镜。
11.所述底部输出耦合镜包括第一介质dbr和靠近谐振腔层的第一半导体dbr，所述谐
振腔层包括依次设置的n型二次生长层、p型导电层、多量子阱发光区和n型导电层，所述顶部输出耦合镜包括靠近谐振腔的第二半导体dbr和第二介质dbr。
12.所述n型二次生长层内设置有隧道结。
13.所述第二半导体dbr的对比度大于1.2。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
15.本发明提供了一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，利用vcsel激光器的短腔特性，提高弛豫振荡频率，同时，利用折射率对比度高的介质dbr和半导体dbr耦合成dbr介质镜来代替同质外延生长的低对比度dbr，显著降低了光场渗透深度、减小了模场体积，从而具有更大的弛豫振荡频率，进而提升激光器调制带宽，从而产生了带宽更大的混沌激光。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置的结构示意图；
17.图2为本发明实施例中vcsel激光器的腔体结构简图；
18.图3为本发明实施例中vcsel激光器的腔体结构示意图；
19.图4为本发明中实施例中vcsel激光器在偏置电流为10毫安，反馈强度为30％情况下，产生的混沌激光的功率谱示意图，该混沌激光的带宽为24.4g；
20.图5为图4的条件下得到的混沌激光的时序图。
21.图中：1、vcsel激光器，2、偏振控制器，3、光纤镜面，4、第一光纤耦合器，5、光衰减器，6、第二光纤耦合器，7、光谱分析仪，8、实时示波器，9、频谱分析仪，10、光电探测器一，11、光电探测器二，13、衬底，14、底部输出耦合镜，15、谐振腔层16、顶部输出耦合镜，141第一介质dbr，142、第一半导体dbr，151、n型二次生长层，152、p型导电层，153、多量子阱发光区，154、n型导电层，155、隧道结，161、第二半导体dbr，162、第二介质dbr。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，包括短腔vcsel激光器1、偏振控制器2、光纤镜面3、第一光纤耦合器4、光衰减器5、第二光纤耦合器6；所述短腔vcsel激光器1的输出经过偏振控制器2后由第一光纤耦合器4分为两路；其中一路通过光衰减器5入射至光纤镜面3，经光纤镜面3反射后沿原路返回并反馈到短腔vcsel激光器1，所述偏振控制器2用于控制反馈光的偏振，另一路经第二光纤耦合器6后输出宽带混沌激光。
24.具体地，本实施例中，采用的短腔vcsel激光器1的腔长小于200μm。
25.进一步地，本实施例中，所述光衰减器5为可调谐光衰减器，用于调节反馈光的反馈强度。进一步地，偏振控制器2也可以设置在光纤镜面3与第一光纤耦合器4之间的光路
上。
26.具体地，如图2所示，本实施例中，所述短腔vcsel激光器1包括依次设置的衬底13、底部输出耦合镜14、谐振腔层15、顶部输出耦合镜16，所述底部输出耦合镜13与顶部输出耦合镜14皆采用dbr介质镜。谐振腔的腔长等于波长/2n，n为整数。
27.进一步地，如图3所示，所述底部输出耦合镜14包括第一介质dbr141和靠近谐振腔层15的第一半导体dbr142，所述谐振腔层15包括依次设置的n型二次生长层151、p型导电层152、多量子阱发光区153和n型导电层154，所述顶部输出耦合镜16包括靠近谐振腔的第二半导体dbr161第二介质dbr162。
28.进一步地，如图3所示，所述n型二次生长层151内设置有隧道结155。
29.具体地，本实施例中的短腔vcsel激光器的制备工艺如下：先采用金属有机化学气相沉积外延设备在衬底13依次生长第一半导体dbr142、n型二次生长层151后利用干法刻蚀设备刻蚀出隧穿结155，然后再次生长p型导电层152、多量子阱发光区153、n型导电层154、第二半导体dbr161，再通过电子束蒸镀设备在第二半导体dbr161表面蒸镀第二介质dbr162形成介质膜，最后将衬底13采用选择性腐蚀工艺去除后，在上第一半导体dbr142上蒸镀第一介质dbr141形成介质膜。
30.vcsel激光器的有效腔长为有源区的厚度加两侧dbr层的穿透深度，vcsel的有源区较薄，通常谐振腔总体长度为几个μm，而传统边缘发射激光器采用边缘发射的方式，腔长一般在几百μm，因此，vcsel激光器相对于传统边缘发射激光器具有较短的腔长。
31.具体地，本实施例中，第二半导体dbr161的折射率对比度大于1.2。本实施例中，折射率对比度指的是dbr结构中两种材料的折射度之差。
32.进一步地，本实施例中，第一半导体dbr142和第二半导体dbr161的材料为algaina/alinas，第一介质dbr141和第二介质dbr162的材料为caf2/si。
33.相比于传统vcsel激光器(长腔垂直腔面发射激光器，lc-vcsel)，本实施例的短腔vcsel激光器的顶部输出耦合镜采用第二介质dbr162和折射率对比度为1.3的第二半导体dbr161耦合成dbr介质镜，相对于现有技术中同质外延生长的对比度为1的半导体dbr，显著降低了光场渗透深度、减小了模场体积，从而具有更大的弛豫振荡频率。
34.进一步地，本实施例的一种短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，还包括光电探测器一10、光电探测器二11、频谱分析仪8、实时示波器9；所述第二光纤耦合器6为1
×
3光纤耦合器，经第二光纤耦合器6后输出的宽带混沌激光被第二光纤耦合器6分为三路，一路经光电探测器一10转换为电信号后通过频谱分析仪9采集其功率谱，另一路经光电探测器二11转换为电信号后通过实时示波器8采集其时间序列，第三路输出宽带混沌激光。光谱分析仪7可以用于分析输出宽带混沌激光的光谱。
35.具体地，本实施例中，所述第一光纤耦合器4为分光比为20:80的光纤耦合器，其中80％的一路为反馈路，与光衰减器5连接，20％的一路为输出路，与第二光纤耦合器6连接。第二光纤耦合器6为分光比为30:30:40的1
×
3光纤耦合器。本实施例中，将80％的一路光作为反馈路，在不考虑光传输损耗的理想状况下，激光器镜面反馈强度最高可以达到80％。但对于混沌激光的产生来说，并不是反馈强度越高，激光器输出激光的混沌状态就越好，反馈光的反馈强度在调节到一定的反馈比时，会使激光器进入较好的混沌状态，产生较高的混沌带宽，但如果调节过高的反馈强度反而会使混沌状态变差，产生带宽减小。因此，需要通
过可调谐的光衰减器5来调节反馈强度。
36.理论上，垂直腔面发射激光器的弛豫振荡频率满足以下条件：
[0037][0038][0039]
其中l代表vcsel激光器的腔长，f
ro
表示弛豫振荡频率，i
th
表示激光器的阈值电流，r1、r2分别为顶部与底部反射镜幅度反射率，i表示偏置电流，表示线宽增强因子，e表示激光器慢变场的振幅大小,n表示载流子数,n
th
表示阈值载流子密度，gn表示增益函数，kf表示反馈光的强度，vg表示光的传播速度，α是线宽增强因子,τf表示反馈延时。所以从理论上讲降低vcsel激光器的腔长可以有效的增强弛豫振荡频率。目前市面上大部分激光器腔长一般在250到400微米，本发明采用腔长在200微米以下的短腔vcsel激光器，而且，在短腔vcsel激光器的有源腔体结构中，其顶部输出耦合镜与底部输出耦合镜皆采用折射率对比度高的dbr介质镜，显著降低了光场渗透深度、减小了模场体积，从而拥有了更大的弛豫振荡频率。
[0040]
本发明的工作原理为：短腔vcsel激光器1的输出由第一光纤耦合器4为两路，一路通过光纤镜面3反射后沿原路返回并反馈回到短腔vcsel激光器1，使其进入混沌状态，产生混沌激光，另一路经过第二光纤耦合器6将光路分为三路，分别采集观察混沌带宽的光谱、频谱、时序。通过光衰减器5调节反馈光的强度，偏振控制器2、调节反馈光的偏振，通过观察其功率谱和时间序列，可以将短腔vcsel激光器1的反馈状态调至最佳，使其产生带宽更大的混沌激光。
[0041]
图4为本发明中实施例中vcsel激光器在偏置电流为10毫安，反馈强度为30％情况下，产生的混沌激光的功率谱示意图，该混沌激光的带宽为24.4ghz；图5为图4的条件下得到的混沌激光的时序图。通过图4～5可以看出，本发明的宽带混沌激光产生装置可以产生带宽大于10ghz的混沌激光，ieee在2010年发布的40ge/100ge通信标准，以复用方式实现40gb/s(4
×
10gb/s)和100gb/s(4
×
25gb/s、10
×
10gb/s)数据传输。为实现相应的速率匹配，混沌光通信速率至少要达到10gb/s。因此，本发明的混沌激光完全可以提供应用于混沌光通信领域。
[0042]
综上所述，本发明提供一种基于短腔垂直腔面发射激光器的宽带混沌激光产生装置，利用vcsel激光器的短腔特性，提高弛豫振荡频率，同时，输出镜利用介质dbr和折射率对比度高的半导体dbr耦合成dbr介质镜来代替同质外延生长的低对比度dbr，显著降低了光场渗透深度、减小了模场体积，从而具有更大的弛豫振荡频率，进而提升激光器调制带宽，从而产生了较高的宽带混沌。
[0043]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，包括短腔vcsel激光器(1)、偏振控制器(2)、光纤镜面(3)、第一光纤耦合器(4)、光衰减器(5)、第二光纤耦合器(6)；所述短腔vcsel激光器(1)的输出经过偏振控制器(2)后由第一光纤耦合器(4)分为两路；其中一路通过光衰减器(5)入射至光纤镜面(3)，经光纤镜面(3)反射后沿原路返回并反馈到短腔vcsel激光器(1)，所述偏振控制器(2)用于控制反馈光的偏振，另一路经第二光纤耦合器(6)后输出宽带混沌激光。2.根据权利要求1所述的一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，短腔vcsel激光器(1)的腔长小于200μm。3.根据权利要求1所述的一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，所述光衰减器(5)为可调谐光衰减器，用于调节反馈光的反馈强度。4.根据权利要求1所述的一种基于短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，还包括光电探测器一(10)、光电探测器二(11)、频谱分析仪(8)、实时示波器(9)；所述第二光纤耦合器(6)为1
×
3光纤耦合器，经第二光纤耦合器(6)后输出的宽带混沌激光被第二光纤耦合器(6)分为三路，一路经光电探测器一(10)转换为电信号后通过频谱分析仪(9)采集其功率谱，另一路经光电探测器二(11)转换为电信号后通过实时示波器(8)采集其时间序列，第三路输出宽带混沌激光。5.根据权利要求1所述的一种短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，所述短腔vcsel激光器(1)包括依次设置的底部输出耦合镜(14)、谐振腔层(15)、顶部输出耦合镜(16)，所述底部输出耦合镜与顶部输出耦合镜皆采用dbr介质镜。6.根据权利要求5所述的一种短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，所述底部输出耦合镜(14)包括第一介质dbr(141)和靠近谐振腔层(15)的第一半导体dbr(142)，所述谐振腔层(15)包括依次设置的n型二次生长层(151)、p型导电层(152)、多量子阱发光区(153)和n型导电层(154)，所述顶部输出耦合镜(16)包括靠近谐振腔的第二半导体dbr(161)和第二介质dbr(162)。7.根据权利要求6所述的短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，所述n型二次生长层(151)内设置有隧道结(155)。8.根据权利要求6所述的短腔vcsel的宽带混沌激光产生装置，其特征在于，所述第二半导体dbr(161)的对比度大于1.2。

技术总结
本发明涉及高速混沌通信载波技术领域，包括短腔VCSEL激光器、偏振控制器、光纤镜面、第一光纤耦合器、光衰减器、第二光纤耦合器；所述短腔VCSEL激光器的输出经过偏振控制器后由第一光纤耦合器分为两路；其中一路通过光衰减器入射至光纤镜面，经光纤镜面反射后沿原路返回并反馈到短腔VCSEL激光器，所述偏振控制器用于控制反馈光的偏振，另一路经第二光纤耦合器后输出宽带混沌激光。本发明利用VCSEL激光器的短腔特性，提高弛豫振荡频率，可以产生带宽更大的混沌激光。更大的混沌激光。更大的混沌激光。


技术研发人员：王龙生 狄呈震 贾志伟 赵彤 王安帮 王云才
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/5