基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法及装置
阅读说明：本技术 基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法及装置 (Method and device for generating time delay-free chaos in parallel based on quantum integrated laser ) 是由 郭龑强 张健飞 郭晓敏 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种新型高效率产生多路激光的方法,具体为基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法及装置,解决了现有单路混沌激光产生方法及装置效率低、稳定性差、系统复杂以及集成度不高的问题；本发明可以产生并行两路相互正交的强弱模宽度无时延混沌信号；基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法,包括如下步骤：构建电泵浦量子点微柱型激光器作为光源；搭建产生多路混沌激光的光学系统；抑制时延及并行产生两路相互正交的宽带无时延混沌信号；本发明装置结构简单、稳定输出、成本低、易于集成,可广泛应用于多路光保密通信、激光测距、对激光相干长度的调控等方面。(The invention relates to a novel method for efficiently generating multi-path laser, in particular to a method and a device for generating chaos without time delay based on quantum integrated laser in parallel, which solve the problems of low efficiency, poor stability, complex system and low integration level of the existing method and device for generating single-path chaos laser; the invention can generate parallel two paths of strong and weak mode width non-time-delay chaotic signals which are orthogonal with each other; the method for generating the chaos without time delay in parallel based on the quantum integrated laser comprises the following steps: constructing an electric pumping quantum dot micro-column laser as a light source; constructing an optical system for generating multi-path chaotic laser; suppressing time delay and parallelly generating two paths of mutually orthogonal broadband non-time-delay chaotic signals; the device has simple structure, stable output, low cost and easy integration, and can be widely applied to the aspects of multi-path optical secret communication, laser ranging, laser coherence length regulation and control and the like.)
技术领域
本发明基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法及装置，属于基于量子集成激光器产生多路混沌的装置技术领域。
背景技术
不稳定性是激光器输出特性的一种普遍现象，混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式，具有类噪声宽频谱的特性，基于这一特性，混沌激光在光保密通信、激光测距、对激光相干长度的调控等方面有广泛的应用和发展前景。一方面半导体激光器作为B类激光器在光电反馈(光注入)方式下可实现混沌输出，目前多路混沌激光产生的主要途径是通过分立器件利用光电反馈或注入等方式实现，2008年Uchida等人在《Nature Photonics》上用两个分立光反馈半导体激光器产生两路混沌激光作为随机数的物理熵源，虽然提高了随机数的生成速率，但提升了系统的复杂度，降低了系统的稳定性。另一方面混沌激光的带宽限制了混沌保密通信的传输速率，而时延特征则降低混沌信号的随机性，因此带宽增强和抑制时延特征成为了国内外广泛研究的热点，2003年日本学者Takiguchi等人借鉴强光锁定式注入提高半导体激光器调制带宽的方法，理论上提出利用强光注入锁定增强混沛激光带宽；同年，Uchida等人将光反馈半导激光器的混纯光注入到另一个定态的半导体激光器中，实现宽带混纯激光的输出，但是此方法只能产生单路的宽带混沌激光。2007年Rontani等人提出利用激光器驰豫振荡频率掩盖反馈时延特征，并于2009年从动力学角度详细分析了外腔半导体激光器的反馈时延特征。综上所述，现有单路混沌激光产生方法及装置存在效率低、稳定性差、系统复杂以及集成度不高的问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于量子集成激光器产生多路混沌的装置硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的装置，包括由脉冲发生器、量子点和微柱型激光器构成作为光源的电泵浦的量子点微柱型激光器，量子点微柱型激光器输出两种正交的线偏振光通过分束棱镜将光分为两部分，其中第一光束经过中性滤波片，再通过第一零度全反镜反射进入作为光源的量子点微柱型激光器，构成光反馈回路，第二光束经过隔离器形成两种线偏振模式的混沌激光；
经隔离器的混沌激光通过半玻片和偏振分束棱镜分成两路正交的混沌激光，其中强模混沌激光进入第一光电探测器，弱模混沌激光经第二零度全反镜进入第二光电探测器；
第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别通过电缆连与FPGA芯片相连。
所述FPGA芯片的信号输出端通过导线分别连接有示波器和频谱仪。
所述电泵浦的量子点微柱型激光器具体采用AlAs/GaAs微腔结构，其中上层和下层为布拉格反射器，中间层为AlAs/GaAs空腔。
上层的布拉格反射器由N型掺杂的对数为23～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，下层的布拉格反射器由P型掺杂的对数为27～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，上下层的厚度均小于一个波长的长度。
中间层的AlAs/GaAs空腔厚度为一个波长的长度，其中心掺杂有单层自组装的In0.3Ga0.7As量子点作为活性介质，量子点面密度为十的九次方每平方厘米量级。
所述量子点微柱型激光器的横截面为椭圆，激光器的输出表现两种线偏振模式；
所述量子点微柱型激光器采用高分辨率电子束蚀刻和等离子体蚀刻，实现上环型接触，微柱结构直径在1～10微米之间。
基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法，包括如下步骤：
步骤一：构建光源：由脉冲发生器、量子点和微柱型激光器，构成电泵浦的量子点微柱型激光器作为光源；
步骤二：搭建产生多路混沌激光的光学系统：量子点微柱型激光器输出两种正交的线偏振光通过分束棱镜将光分为两部分，其中第一光束经过中性滤波片，再通过第一零度全反镜反射进入作为光源的量子点激光器，形成光反馈回路，第二光束经过隔离器形成具有两种线偏振模式的混沌激光；经隔离器的混沌激光通过半玻片和偏振分束棱镜分成两路正交的混沌激光，其中强模混沌激光进入第一光电探测器，弱模混沌激光经第二零度全反镜进入第二光电探测器，将光信号转换为电信号；
步骤三：收集以及处理两路相互正交的混沌信号：将第一光电探测器、第二光电探测器的输出端通过电缆连接FPGA芯片，通过FPGA并行算法，利用FDGA的数字混频滤波，对光电信号实时并行后处理。
所述步骤一中的量子点微柱型激光器采用AlAs/GaAs微腔结构，其中上层和下层为布拉格反射器，中间层为AlAs/GaAs空腔；
上层的布拉格反射器由N型掺杂的对数为23～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，下层的布拉格反射器由P型掺杂的对数为27～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，上下层厚度均小于一个波长的长度；
AlAs/GaAs空腔厚度为一个波长的长度，其中心掺杂有单层自组装的In0.3Ga0.7As量子点作为活性介质，量子点面密度为十的九次方每平方厘米量级；
所述量子点微柱型激光器的横截面为椭圆，微柱结构直径在1～10微米之间，激光器的输出表现为两种线偏振模式。
所述FPGA芯片的信号输出端连接有示波器和频谱仪。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法与装置，利用量子点激光器输出两种线偏振激光的特性，通过光反馈的方式产生两路正交的、稳定输出的强弱模混沌激光，并且量子点激光器在输出光谱纯度、阙值电流、温度特性和调制性等方面的性能均可获得较大幅度的提高。此外本装置利用FPGA并行算法的优势，对两路混沌信号实时并行后处理，可实现多路宽带无时延混沌激光的稳定输出，广泛应用于多路光保密通信、激光测距、对激光相干长度的调控等方面。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明外部光反馈量子点微柱型激光器的输出强度的时间波动图。
图3为本发明外部光反馈量子点微柱型激光器的频谱图。
图4为本发明外部光反馈量子点微柱型激光器的一阶自相关函数。
图5为本发明外部光反馈量子点微柱型激光器的强弱模互相关函数。
图6为本发明外部光反馈量子点微柱型激光器的输入、输出曲线。
图中：1为脉冲发生器；2为量子点；3为微柱型激光器；4为分束棱镜；5为中性滤波片；6为第一零度全反镜；7为隔离器；8为半玻片；9为偏振分束棱镜；10为第二零度全反镜；11为第一光电探测器；12为第二光电探测器；13为FPGA芯片；14为示波器；15为频谱仪。
具体实施方式
如图1至图6所示本发明提供的基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的装置是采用以下技术方案实现的：脉冲发生器1、量子点2和微柱型激光器3，构成电泵浦的量子微柱型激光器作为光源；量子点微柱型激光器输出两种正交的线偏振光通过分束棱镜4将光分为两部分，其中第一光束经过中性滤波片5，再通过第一零度全反镜6反射进入作为光源的量子点激光器，形成光反馈回路，第二光束经过隔离器7形成两种线偏振模式的混沌激光；经隔离器的混沌激光通过半玻片8和偏振分束棱镜9分成两路正交的混沌激光，其中强模混沌激光进入第一光电探测器11，弱模混沌激光经第二零度全反镜10进入第二光电探测器12；光电探测器的输出端通过电缆连接有FPGA芯片13，FPGA芯片的信号输出端连接有示波器14和频谱仪15。
本发明充分利用了电泵浦量子点微柱激光器的优势，量子点激光器在输出光谱纯度、阙值电流、温度特性和调制性等方面的性能优良，可产生稳定的，两种正交的线偏振光，而且结构简单，易于集成。
进一步的，此装置使用的是电泵浦的量子集成激光器，该器件基于高质量的AlAs/GaAs微腔结构，其中上层和下层为布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)，中间层为AlAs/GaAs空腔。
进一步的，所述的上层布拉格反射器由N型掺杂的对数为23～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，下层布拉格反射器由P型掺杂的对数为27～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，上下层厚度都为几分之一波长的长度。
进一步的，所述AlAs/GaAs空腔厚度为一个波长的长度，其中心掺杂有单层自组装的In0.3Ga0.7As量子点作为活性介质，量子点面密度为十的九次方每平方厘米量级。
进一步的，所述量子点作为活性介质嵌入在上下分布的布拉格反射器(DBR)之间，微柱型激光器横截面为椭圆，激光器的输出表现两种线偏振模式，其中量子点密度为十的九次方每平方厘米量级，微柱结构直径为微米量级。
进一步的，利用高分辨率电子束蚀刻和等离子体蚀刻技术，实现上环型接触，微柱结构直径在1～10微米之间。
进一步的，微柱型激光器横截面为椭圆，激光器的输出表现两种线偏振模式。
量子点激光器使用上述参数，输出特性最佳，产生稳定的激光。
进一步的，所述量子点所述的分束棱镜4的分束比为30/70，其中第一光束的比例为光源的30％，第二光束的比例为光源的70％。
进一步的，还包括充分调用FPGA并行算法优势，利用FDGA的数字混频滤波技术，对光电信号实时并行后处理。
基于量子集成激光器并行产生无时延混沌的方法，包括如下步骤：
(一)构建光源：脉冲发生器1、量子点2和微柱型激光器3，构成电泵浦的量子微柱型激光器作为光源。
进一步的，此装置使用的是电泵浦的量子集成激光器，该器件基于高质量的AlAs/GaAs微腔结构，其中上层和下层为布拉格反射器(DBR)，中间层为AlAs/GaAs空腔。
进一步的，所述的上层布拉格反射器由N型掺杂的对数为23～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，下层布拉格反射器由P型掺杂的对数为27～50之间的AlAs/GaAs镜像对组成，上下层厚度都为几分之一波长的长度。
进一步的，所述AlAs/GaAs空腔厚度为一个波长的长度，其中心掺杂有单层自组装的In0.3Ga0.7As量子点作为活性介质，量子点面密度为十的九次方每平方厘米量级。
进一步的，所述量子点作为活性介质嵌入在上下分布的布拉格反射器(DBR)之间，微柱型激光器横截面为椭圆，激光器的输出表现两种线偏振模式，其中量子点密度为十的九次方每平方厘米量级，微柱结构直径为微米量级。
进一步的，利用高分辨率电子束蚀刻和等离子体蚀刻技术，实现上环型接触，微柱结构直径在1～10微米之间。
进一步的，微柱型激光器横截面为椭圆，激光器的输出表现两种线偏振模式。
(二)搭建产生多路混沌激光的光学系统：量子点微柱型激光器输出两种正交的线偏振光通过分束棱镜4将光分为两部分，其中第一光束经过中性滤波片5，再通过第一零度全反镜6反射进入作为光源的量子点激光器，形成光反馈回路，第二光束经过隔离器7形成具有两种线偏振模式的混沌激光；经隔离器的混沌激光通过半玻片8和偏振分束棱镜9分成两路正交的混沌激光，其中强模混沌激光进入第一光电探测器11，弱模混沌激光经第二零度全反镜10进入第二光电探测器12，将光信号转换为电信号。
进一步的，所述的分束棱镜4的分束比为30/70，其中第一光束的比例为光源的70％，第二光束的比例为光源的30％。
(三)收集以及处理两路相互正交的混沌信号：光电探测器的输出端通过电缆连接有FPGA芯片13，FPGA芯片的信号输出端连接有示波器14和频谱仪15。
进一步的，还包括充分调用FPGA并行算法优势，利用FDGA的数字混频滤波技术，对光电信号实时并行后处理。
本发明的装置结构示意图如图1所示，图中实线为电连线，虚线为光连线。
具体实施时量子点微柱型激光器的中心波长为1550nm，其微腔直径为3.6μm；上层布拉格反射器对数为23，下层布拉格反射器对数为27，上下层厚度都为四分之一波长的长度，中心空腔厚度为一个波长的长度；量子点密度为5＝10-9cm2。
所述的第一光电探测器和第二光电探测器为高灵敏、高带宽光电探测器。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
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。