光子集成混沌激光器：前景可待，未来可期
激光的问世推动了人类发展的进程，被称为二十世纪的四项重大科技发明之一。混沌激光是区别于连续激光、脉冲激光的一种特殊激光形式，具有随机、宽频谱、高熵值等特性，已在诸多领域显示出重要的研究和应用价值。20世纪90年代以来，各国研究者们相继提出并完善混沌控制和混沌同步系统，使得混沌激光在混沌保密通信、高速真随机数产生、混沌激光雷达、混沌密钥分发、混沌光时域反射仪、混沌微波光子雷达、混沌激光传感等方面的应用得以快速发展。
然而，产生混沌激光的各种混沌信号发生器，都是在实验室利用激光器加上各种外部分立光学元件搭建而成，体积庞大、易受环境影响，并且输出不稳定。要真正实现混沌激光的实用化和产业化，必须研制体积小、性能稳定、低成本的光子集成混沌激光器。
目前，国外开展光子集成混沌半导体激光器研制的主要机构有：希腊雅典大学、意大利帕维亚大学、西班牙巴利阿里群岛大学、德国海因里希-赫兹研究院以及日本埼玉大学、NTT公司等。在国内，光子集成混沌半导体激光器的研究主要集中在太原理工大学、武汉光迅科技股份有限公司、西南大学、中科院半导体研究所和清华大学等。
为了进一步推进混沌激光的实际应用，设计并制作小型、紧凑、稳健性好的光子集成混沌半导体激光器成为今后的发展趋势。在这样的背景下，我们课题组设计并制作出一种新型集成混沌半导体激光器。该激光器与现有集成混沌激光器相比，制作工艺简单、成本低，更有利于光子集成混沌激光器的大规模生产。
混沌激光的产生可以通过光反馈、光注入、光电反馈等多种方式，其中采用半导体激光器的短腔光反馈方式，具有结构简单、易于操作、容易产生高维混沌激光以及易集成的优点，因此我们设计了一种短腔光反馈新型集成混沌激光器。
该激光器主要由半导体激光芯片（Laser chip）、准直透镜（Collimating lens）、透反镜（Transflective mirror）和聚焦透镜（Focusing lens）组成。半导体激光器芯片固定在衬底（Sub-mount）上，衬底固定在制冷模块（Heat sink）上，平面透镜光纤（Optical fiber）由一个Ω支架（Ω holder）固定在制冷模块上，最后以上部分都被封装至商用蝶形壳体中。
图1：新型光子集成混沌激光器结构
短腔结构的混沌激光器对外部条件（如外反馈腔长、反馈强度）的变化极度敏感，因此制作此集成混沌半导体激光器之前必须通过仿真模拟获得精确的制作参数。此外，半导体激光器芯片的内部参数对半导体激光器的动态特性影响较大，不同的激光器芯片产生混沌的外部条件也不相同，必须通过实验精准提取半导体激光器芯片的内部参数，并建立有效的仿真模型以模拟光子集成混沌半导体激光器的系统动态特性。
图2：激光器芯片参数提取实验装置
最大李雅普诺夫指数是判定系统是否处于混沌态最重要的衡量指标之一，描述的是空间距离最近的两个振荡轨迹的离散度。如果两个不同的初始点经过不断的迭算后相互分离，系统的最大李雅普诺夫指数为正数，表明此时系统处于混沌态；如果两个不同的初始点经过不断的迭算后相互汇聚，则系统的最大李雅普诺夫指数为负数或零附近的数，表明此时系统处于稳态或倍周期振荡状态。为了获得半导体激光器芯片的最优制作参数，利用最大李雅普诺夫指数对系统的动态特性进行表征，图3和图4为相应的动力学特性图。
图3为混沌半导体激光器芯片1的动态特性图，图中红色和黄色表示最大李雅普诺夫指数大于零，系统为混沌态；绿色表示最大李雅普诺夫指数在零附近，系统为倍周期振荡状态；蓝色表示最大李雅普诺夫指数小于零，系统处于稳定状态。从数值模拟结果中看到，混沌半导体激光器芯片1产生混沌信号的短腔最优制作参数为：反馈腔长L=4 mm，反馈强度在0.12-0.2之间。
图3：混沌半导体激光器芯片1的动态特性图。
图4为混沌半导体激光器芯片2的动态特性图。数值模拟结果显示，混沌半导体激光器芯片2产生混沌信号的短腔最优制作参数为：反馈腔长L= 5 mm，反馈强度在0.07-0.12之间。
图4：混沌半导体激光器芯片2的动态特性图。
从仿真模拟结果中可以看出，长腔比短腔机制更容易产生高维混沌激光。对比图3和图4的研究结果，不难发现对于短腔反馈结构，不同的芯片产生混沌激光的参数范围完全不同。因此，通过数值模拟得到混合集成混沌半导体激光器的准确制作参数，对其制作具有重要的指导意义。
在国家国际科技合作专项、国家重大科研仪器研制项目、特色重点学科建设项目等课题的支持下，我们课题组建立了光子集成封装实验室。
图5：光子集成封装实验室
通过对封装工艺的不断探索，我们从起初的操作不熟练到驾轻就熟，一步步积累经验并最终实现了混沌激光器的集成封装。本实验室制作新型集成混沌激光器的主要工艺流程：
1) 利用环氧贴片机将激光器芯片用导电胶贴装于芯片衬底上，为了监测激光器芯片的温度，热敏电阻也被贴装在芯片衬底上靠近半导体激光器芯片的位置；
2) 利用超声波金丝球焊机将激光器芯片正极和芯片衬底用金线连接；
3) 将芯片衬底、准直透镜、透反镜、聚焦透镜均固定在热沉上，然后将整个热沉固定于半导体制冷片上，最后将以上所有部分封装于普通商用14脚蝶形激光器管壳之中；
4) 利用超声波金丝球焊机将芯片衬底和激光器蝶形管壳之间用金线连接，以实现通过管脚给激光器芯片提供驱动电流；
5) 利用耦合焊接平台移动光纤，找准出光位置后通过激光焊接将光纤固定在热沉上。
图6：新型集成混沌半导体激光器实物图
在工艺制作过程中，主要用到的设备有环氧贴片机、超声波金丝球焊机、微电脑加热平台和耦合焊接机等。
图7：集成混沌激光器的典型混沌输出状态（温度T=12.4 ℃ ，I=2.01 Ith）（a）：时序图，（b）：频谱图，（c）：相图，（d）：自相关曲线图。
由上图可以看出，在偏置电流为2.01倍的阈值电流，工作温度为12.4℃时，器件处于混沌状态输出。此时时序呈现随机性波动，频谱连续抬升12 GHz左右，频谱80%带宽为6.5 GHz，相图数据点分布分散，自相关曲线呈图钉型分布。
与现有的单片集成混沌激光器相比，本实验室制作的新型混合集成混沌半导体激光器具有制作成本低、结构简单等优点，更适合集成混沌激光器的大规模生产。
作者简介：
张明江，教授，博士生导师，太原理工大学物理与光电工程学院副院长，新型传感器与智能控制教育部重点实验室永久成员。入选青年三晋学者、山西省学术技术带头人、山西省高等学校中青年拔尖创新人才，中国激光杂志社首届青年编辑委员会编委、光迅科技国家认定企业技术中心外部专家。主要研究方向为新型光子集成混沌激光器、混沌激光产生及其在分布式光纤传感、微波光子雷达领域的应用。发表学术论文80多篇，授权国家发明专利30多项，软件著作权5项，获山西省技术发明二等奖2项、自然科学二等奖2项。
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