專利名稱：基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及保密光通信技術(shù)領(lǐng)域中混沌信號產(chǎn)生的光集成芯片技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在金融、商業(yè)等領(lǐng)域，通信的保密性需求越來越高，信息加密技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的軟件加密技術(shù)是基于算法的復(fù)雜程度和密鑰的長度，這種方法的保密性能隨著信息量的增加而降低，而且由于加密算法需要消耗一定的時間，加密速度受到嚴重限制。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，量子加密技術(shù)成為軟件加密的新寵，但是這種加密方法是采用光量子的特性將密鑰進行傳輸，因此對整體信息的保密性能有所下降。隨著對大容量和高速率的保密通信的需求的增加，以上的加密技術(shù)已不能滿足人們的需求。自從20世紀60年代混沌現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，在物理層運用混沌載波進行編碼的通信方式大大提高了通信系統(tǒng)的保密性能和加密速度，成為信息加密技術(shù)的新選擇。光混沌信號具有類隨機性、對初始條件的敏感依賴性和類似噪聲的寬帶功率譜密度等特性， 使得其特別適合用于保密光通信。目前，光混沌信號在保密光通信中的應(yīng)用已成為混沌應(yīng)用中最為重要的、最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。另外，光混沌信號的自相關(guān)曲線具有類似于δ 函數(shù)的線形，這一特性使得混沌信號也廣泛應(yīng)用于激光測距雷達系統(tǒng)中。目前，世界各國都在對光混沌信號的產(chǎn)生及應(yīng)用進行相關(guān)研究。光混沌信號按其產(chǎn)生方式一般可分為光注入、光反饋和光電反饋三種方式。外部光注入混沌系統(tǒng)是指在激光器上增加一個適當強度、適當頻率的外部注入光，使特定頻率和特定強度的注入光與激光腔內(nèi)激光場互相作用從而使激光器工作在混沌狀態(tài)，產(chǎn)生混沌信號。光反饋是指在激光器外部，通過放置反射器件使得激光器的輸出光的一部分經(jīng)過反射器件后返回到原來的激光器中，通過調(diào)節(jié)反饋光的強度，使得受一定強度的反饋光擾動的激光器工作在混沌狀態(tài)，產(chǎn)生混沌信號。光電反饋是指把激光器的輸出光的一部分轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大延時后與激光器的偏置電流疊加在一起去控制激光器產(chǎn)生混沌信號。然而，以上三種方式產(chǎn)生的光混沌信號的帶寬較窄，而混沌保密光通信中信號的傳輸速率和傳輸容量取決于作為載波的光混沌信號的帶寬.因此，提高光混沌信號的帶寬是實現(xiàn)高速混沌激光保密通信的必由之路。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種產(chǎn)生寬帶混沌信號的方式，最普遍的是基于光反饋和光注入兩種方式相結(jié)合的方式，并且已經(jīng)產(chǎn)生了帶寬較寬的光混沌信號。其中，最為常見的是利用兩個分離的DFB激光器分別作為主、從激光器。一種是在主DFB激光器腔外構(gòu)置一面反射鏡，將主DFB激光器的輸出光用分光器件分成兩部分，一部分光經(jīng)反射鏡反射后作為反饋光重新進入主DFB激光器中，另一部分光通過隔離器、衰減器等光學(xué)器件的調(diào)整后注入到從DFB激光器中，使從DFB激光器工作在混沌狀態(tài)，輸出寬帶混沌信號；另一種是在從激光器腔外構(gòu)置一面反射鏡，自由運轉(zhuǎn)的主DFB激光器輸出的光經(jīng)隔離器和衰減器等光學(xué)器件的調(diào)整后向從DFB激光器進行光注入，同時，從DFB激光器輸出的光經(jīng)分束器件分成兩部分，一部分光經(jīng)腔外反射鏡反射后作為反饋光重新進入從DFB激光器，另一部分光作為輸出信號。這兩種方式都能產(chǎn)生帶寬較寬的光混沌信號，但由于產(chǎn)生混沌信號的系統(tǒng)是由多個獨立光學(xué)器件構(gòu)成，因此現(xiàn)有的用于產(chǎn)生混沌信號的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模DFB激光器。上述輸入波導(dǎo)的延長段、輸出波導(dǎo)的延長段還形成一個與自身呈一定夾角的閑置端，所述閑置端用以避免光反射對正常光的干擾。上述閑置端與輸入波導(dǎo)呈5-10度夾角。上述的環(huán)形激光器的波導(dǎo)諧振腔是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的源芯片結(jié)構(gòu)用于代替現(xiàn)有的用于產(chǎn)生混沌信號的系統(tǒng)，由于在波導(dǎo)諧振腔中逆時針傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)的耦合輸入段被分離為兩路光進行傳輸，在耦合輸出段又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)中的傳輸光相對于波導(dǎo)諧振腔中傳輸?shù)墓庥幸欢ǖ臅r間延遲，從而形成了反饋光，因此一定失諧頻率和強度的注入光、一定強度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔中逆時針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號。并且該芯片結(jié)構(gòu)將環(huán)形激光器與用于光注入的DFB激光器有機的集成在一起，具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等諸多優(yōu)勢。而且，本方案中，多個功能單元通過波導(dǎo)連接，有效的減少了損耗，能產(chǎn)生高質(zhì)量的寬帶光混沌信號。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記說明環(huán)形激光器1、波導(dǎo)諧振腔11、輸入波導(dǎo)12、輸入波導(dǎo)的輸入段 121、輸入波導(dǎo)的延長段122、輸入波導(dǎo)的耦合段123、輸入波導(dǎo)的閑置端124、輸出波導(dǎo)13、 輸出波導(dǎo)的延長段132、輸出波導(dǎo)的輸出段131、輸出波導(dǎo)的耦合段133、輸出波導(dǎo)的閑置端 134、弧形反饋波導(dǎo)14、弧形反饋波導(dǎo)的耦合輸入段141、弧形反饋波導(dǎo)的耦合輸出段142、 單模DFB激光器2、電極3。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步的說明。如圖1所示，本實施例的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個環(huán)形激光器1，環(huán)形激光器1包括一個波導(dǎo)諧振腔11和分別與波導(dǎo)諧振腔11耦合的一段輸入波導(dǎo)12和一段輸出波導(dǎo)13。輸入波導(dǎo)12根據(jù)其相對于波導(dǎo)諧振腔11的位置和光的主要傳輸方向，被人為設(shè)定為該輸入波導(dǎo)的輸入段121、延長段122和耦合段123，輸入段 121和延長段122分別位于整個輸入波導(dǎo)12的兩端部，耦合段123位于中部，輸入段121是環(huán)形激光器1外部光的注入端口，輸入段121位于整個輸入波導(dǎo)12的一端并位于波導(dǎo)諧振腔11的一側(cè)，耦合段123用于將在輸入波導(dǎo)中傳輸?shù)墓怦詈线M入波導(dǎo)諧振腔11中，因此耦合段123位于整個輸入波導(dǎo)12的中部并大致上與波導(dǎo)諧振腔11相切，延長段122用于將從輸入段121注入并沒能通過耦合段123進入波導(dǎo)諧振腔11的光傳播出去，但是當延長段 122的端面與光線垂直時，仍有少部分光平行于入射光反射回輸入段121中去，就容易對正常傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生一些非必要的干擾。同樣的，輸出波導(dǎo)13根據(jù)其相對于波導(dǎo)諧振腔11的位置和光的主要傳輸方向也被人為設(shè)定了該輸出波導(dǎo)的延長段132、輸出段131和耦合段 133，延長段132和輸出段131分別位于整個輸出波導(dǎo)12的兩端部，耦合段133位于中部，輸出段131是環(huán)形激光器1內(nèi)部光的輸出端口，輸出段131位于整個輸出波導(dǎo)13的一端并位于波導(dǎo)諧振腔11的一側(cè)，耦合段133用于將在波導(dǎo)諧振腔11中傳輸?shù)墓怦詈线M入輸出波導(dǎo)13中，因此該耦合段133位于整個輸出波導(dǎo)13的中部并大致上與波導(dǎo)諧振腔11相切； 輸入波導(dǎo)12的輸入段121和輸出波導(dǎo)13的輸出段131位于波導(dǎo)諧振腔11的同一側(cè)。所述環(huán)形激光器1還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔11另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔11耦合的弧形反饋波導(dǎo)14，所述弧形反饋波導(dǎo)14包括分別與波導(dǎo)諧振腔11耦合連接的耦合輸入段141和耦合輸出段142。同時，該芯片結(jié)構(gòu)還包括一個連接在輸入波導(dǎo)12的輸入段121的單模DFB 激光器2，單模DFB激光器2與輸入波導(dǎo)12的輸入段121構(gòu)成了光注入通道，弧形反饋波導(dǎo)14則構(gòu)成了光反饋通道，輸入波導(dǎo)12與波導(dǎo)諧振腔11構(gòu)成了光輸入通道，輸出波導(dǎo)13 與波導(dǎo)諧振腔11構(gòu)成了光輸出通道。由于在波導(dǎo)諧振腔11中逆時針傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)14的耦合輸入段141被分離為兩路光進行傳輸，在耦合輸出段142又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)14中的光傳輸時間延遲形成一個反饋光，因此一定失諧頻率和強度的注入光、一定強度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔11中逆時針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號。上述方案的輸入波導(dǎo)12的耦合段123和輸出波導(dǎo)13的耦合段133處還設(shè)置有電極3，圖1中已經(jīng)示出，另外在單模DFB激光器2和波導(dǎo)諧振腔11上也設(shè)置有電極，圖1中未示出，這些電極的作用是在電極之上加入不同的偏置電流用以控制和調(diào)節(jié)激光的輸入輸出頻率、耦合比例和傳輸方向，由于本發(fā)明中各種電極的設(shè)置被視本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，因此本實施例中未對各種電極的詳細分布情況進行說明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到，本實施例的芯片結(jié)構(gòu)的各部件工作時電極往往會按照公知的方式產(chǎn)生公知的作用。按照上述已經(jīng)公開的結(jié)構(gòu)，我們知道，上述輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的延長段 122、132如果其端面垂直于波導(dǎo)時，反射后的光往往會與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)中正常傳輸?shù)墓馄叫?，這樣反射后的光就容易對正常傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生一些非必要的干擾，而這些干擾是我們希望排除的。因此我們還可以在上述輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的延長段122、132 上還分別形成一個與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13呈一定夾角的閑置端124、134，所述閑置端124、134用以避免輸入波導(dǎo)12的反射光對注入光和輸出波導(dǎo)13的反射光對輸出光的干擾， 閑置端124、134與輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13的夾角最優(yōu)的角度范圍是呈5_10度夾角，其它角度也可以，但是效果會比較差。上述方案的環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。輸入波導(dǎo)12和輸出波導(dǎo)13是脊型波導(dǎo)，其作用是用于耦合光功率輸入和輸出波導(dǎo)諧振腔11， 輸入波導(dǎo)12、輸出波導(dǎo)13與波導(dǎo)諧振腔11邊緣直接耦合，位置大致相切，并由電極3控制耦合比，以此來調(diào)節(jié)注入光和反饋光的功率。環(huán)形激光器加電后，調(diào)節(jié)偏置電流可使環(huán)形激光器產(chǎn)生以逆時針方向為主的雙方向發(fā)光的狀態(tài)，并且，輸出的光波長的改變可以通過微調(diào)加在電極的偏置電流來實現(xiàn)。上述方案的單模DBF激光器由電極驅(qū)動，并由此調(diào)節(jié)其輸出光波長。上述方案的工作工程大致如下參見圖1中虛線部分所示，通過微調(diào)DFB激光器2 的偏置電流，可以調(diào)節(jié)DFB激光器2輸出光的波長，從而可以調(diào)節(jié)注入光與自由運轉(zhuǎn)的環(huán)形激光器1的輸出光的頻差，即失諧頻率。DFB激光器2輸出的光注入到輸入波導(dǎo)12，大部分光再通過耦合逆時針方向注入到環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11中，同時，環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔11可以在偏置電流的作用下處于單向發(fā)光的狀態(tài)，即逆時針方向傳輸?shù)墓猓鏁r針方向傳輸?shù)墓庠诨⌒畏答伈▽?dǎo)14的耦合輸入段141被分離為兩路光進行傳輸，在耦合輸出段142又再次匯合為一路光，由于分離后的兩路光的傳輸路徑長度不一致，因此在弧形反饋波導(dǎo)14中的傳輸光相對于波導(dǎo)諧振腔中傳輸?shù)墓庥幸欢ǖ臅r間延遲，從而形成了反饋光，因此一定失諧頻率和強度的注入光、一定強度的反饋光以及在波導(dǎo)諧振腔11中逆時針方向傳輸?shù)墓馊呋ハ嘧饔檬沟铆h(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)，從而輸出混沌信號。 本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)正常工作時，即不斷的重復(fù)上述過程。DFB激光器2的注入光和弧形反饋波導(dǎo)的反饋光的功率可以通過耦合段的電極來調(diào)節(jié)，在具有一定失諧頻率、一定功率的注入光和反饋光以及環(huán)形激光器1的波導(dǎo)諧振腔 11產(chǎn)生的激光場的非線性作用下，使環(huán)形激光器1工作在混沌狀態(tài)輸出寬帶混沌信號；并且調(diào)節(jié)注入光的失諧頻率和注入光、反饋光功率，可使環(huán)形激光器輸出的混沌信號的帶寬最大。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模Dra激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)的延長段、輸出波導(dǎo)的延長段還形成一個與自身呈一定夾角的閑置端，所述閑置端用以避免光反射對正常光的干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述閑置端與輸入波導(dǎo)呈5-10度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形激光器的寬帶混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述的環(huán)形激光器的波導(dǎo)諧振腔是跑道型、圓環(huán)形、多邊形或碟形。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于環(huán)形激光器的寬帶光混沌信號源芯片結(jié)構(gòu)，包括一個環(huán)形激光器，所述環(huán)形激光器包括一個波導(dǎo)諧振腔和分別與波導(dǎo)諧振腔耦合的一段輸入波導(dǎo)和一段輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)的輸入段和輸出波導(dǎo)的輸出段位于波導(dǎo)諧振腔的同一側(cè)，所述輸入波導(dǎo)包括輸入段、延長段和耦合段，所述輸出波導(dǎo)包括延長段、耦合段和輸出段，其特征在于，所述環(huán)形激光器還包括一段位于波導(dǎo)諧振腔另一側(cè)并與波導(dǎo)諧振腔耦合的弧形反饋波導(dǎo)，所述弧形反饋波導(dǎo)包括分別與波導(dǎo)諧振腔耦合連接的耦合輸入段和耦合輸出段；所述芯片結(jié)構(gòu)還包括一個連接在輸入波導(dǎo)輸入段的單模DFB激光器。本發(fā)明的有益效果具有低成本、小尺寸、低功耗和高集成度等諸多優(yōu)勢。
文檔編號H04L9/00GK102280814SQ20111018999
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者張鑫, 王卓然, 袁國慧 申請人:電子科技大學(xué)