近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用

1.本发明涉及半导体光电子学、光通信、科学计算领域，具体涉及一种自发混沌的近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用。


背景技术：

2.随机数作为蒙特卡洛模拟、保密通信的密钥采样源，在科学计算、通信安全以及人们的日常生活中具有重要的应用价值。随机数在经典和量子密码系统的密钥生成、现代网络社会的可靠性和随机模拟等方面起着至关重要的作用。随机数的产生可分为两类，一类为基于算法种子源的伪随机数发生器，但不可预测性有限，随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，极大地威胁了国防安全、金融安全以及个人隐私；另一类为基于自然界物理熵源的真随机数发生器，包括电阻热噪声、混沌电路、振荡器相位噪声、单光子随机性等，已经被应用于产生非确定性的真随机数序列。然而，由于物理噪声的低信号水平和后处理放大的要求，随机过程产生的非确定性随机数序列的产生率小于100mbps。其与目前科学计算和通信系统的速率之间仍有很大差距。
3.混沌半导体激光器已经被广泛研究用于产生真随机数和安全通信为了实现混沌激光器，目前的研究主要集中在外光反馈半导体激光器和光注入半导体激光器以及无源反馈腔集成激光器等。具有外部光反馈的混沌半导体激光器通常用于随机数产生、光时域反射测量和混沌激光雷达等。然而，激光输出中的时滞周期性会降低了系统的安全性和随机性，通常需要进行后处理。
4.目前所研制出的混沌激光器芯片均采用了时延光反馈结构。无论是多反馈腔还是单反馈腔，其反馈腔长都是固定值。固定的反馈腔长会使产生的混沌信号携带时延特征，使混沌信号具有一定的周期性，这对混沌激光在保密通信、高速随机数产生等领域的应用是非常不利的。
5.以回音壁模式微盘激光器为代表的光学微腔激光器是利用侧壁全反射来实现对光场的强限制，微腔中产生了品质因子(q因子)极高的回音壁模式，具有很小的模式体积、低功耗、高速率的特点。通过合理的设计，微腔可以实现其不同纵模的基横模和一阶横模都具有较高的品质因子，并能够控制不同横模的波长间隔，从而可以得到近简并多模进而产生混沌信号。相比于激光器外部光注入或光反馈等其它混沌信号的产生方法，利用微腔激光器产生混沌信号的系统结构简单、体积小、成本低、易于集成等优点。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
7.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种自发混沌的近简并多模微腔激光器，包括：
8.一n电极层，用于提供电流注入通道；
9.一n型衬底，用于提供激光器机械支撑；
10.一第一限制层，用于提供激光光场限制；
11.一有源区层，用于提供激光增益介质；
12.一第二限制层，用于提供激光光场限制；
13.一欧姆接触层，用于降低接触电阻；以及
14.一p电极层，用于提供电流注入通道；
15.所述第一限制层、有源区层、第二限制层、欧姆接触层、p电极层形成自发混沌的近简并多模谐振腔和耦合于近简并多模谐振腔的直连光波导，所述直连光波导端面设有出光口。
16.作为本发明的另一个方面，还提供了一种随机数产生装置，包括：
17.一如上所述的近简并多模微腔激光器，用于产生混沌激光；
18.一光电探测器，用于将混沌激光的光信号转换为电信号；
19.一隔直电容器，用于将电信号的直流分量滤波，只保留交流分量；以及
20.一模数转换器，将模拟电信号高速转换为数字信号，提取adc最低有效位作为真随机数将模拟滤波后的电信号转换为数字信号，提取模数转换器最低有效位作为真随机数。
21.作为本发明的又一个方面，还提供了如上所述的近简并多模微腔激光器或如上所述的随机数产生装置在蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域的应用。
22.基于上述技术方案可知，本发明的近简并多模微腔激光器、随机数产生装置及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
23.本发明提出的一种自发混沌的近简并多模微腔激光器具有体积小和不需要外光反馈或光电反馈的优点，使混沌信号在保密通讯、光纤故障检测、随机数产生等领域的应用更加有利，并有效推动了混沌激光在科学研究、工程技术等领域的价值；
24.本发明的自发混沌的近简并多模微腔激光器及随机数产生装置，结构简单，性能稳定，最终可以获得无时延的宽带的混沌激光信号和真随机数；
25.本发明适用于混沌保密通信、混沌激光雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感以及光纤网络故障检测、蒙特卡洛仿真、大规模并行计算等领域。
附图说明
26.图1是本发明提供的实施例中随机数产生装置的结构示意图；
27.图2是本发明提供的实施例中自发混沌的近简并多模微腔激光器的结构示意图；
28.图3是本发明提供的实例中带输出波导的弧边六边形谐振腔结构示意图；
29.图4是本发明提供的实例中对应图2结构，在波长1551.6nm处基横模h0和一阶横模h1的了z方向磁场|hz|模场分布图；
30.图5是本发明提供的实例中微腔激光器的功率-电流、电压-电流曲线图；
31.图6是本发明提供的实例中微腔激光器在注入电流为24.7ma时的精细光谱图；
32.图7是本发明提供的实例中微腔激光器在注入电流为24.7ma时的频谱图；
33.图8是本发明提供的实例随机数产生装置获得的随时间变化的强度序列图(a图)和强度序列的概率密度分布图(b图)；
34.图9是本发明提供的实例中宽带混沌波形的自相关函数图；
35.图10所示是本发明提供的实例中实验获得的强度序计算动力学的相关维度图。
36.附图标记说明：
37.1-近简并多模微腔激光器，2-高速光电探测器，3-隔直电容器，4-电放大器，5-模数转换器adc；
38.11-谐振腔，12-直连光波导，101-n电极层，102-n型衬底，103-下限制层，104-有源区层，105-上限制层，106-欧姆接触层，107-p电极层，108-出光口。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
40.本发明为了解决现有混沌半导体激光器所产生的混沌激光带有时延特征，所产生的真随机数具有一定的弱周期性的问题，提供了一种自发混沌的近简并多模微腔激光器及随机数产生装置，具有不需外注入和/或光(电)反馈产生混沌的特征，通过光电转换和模数转换，实现一种随机数产生装置，有效解决现有混沌激光源体积大以及需要外光反馈或光电反馈等结构复杂的问题。
41.本发明公开了一种自发混沌的近简并多模微腔激光器，包括：
42.一n电极层，用于提供电流注入通道；
43.一n型衬底，用于提供激光器机械支撑；
44.一第一限制层，用于提供激光光场限制；
45.一有源区层，用于提供激光增益介质；
46.一第二限制层，用于提供激光光场限制；
47.一欧姆接触层，用于降低接触电阻；以及
48.一p电极层，用于提供电流注入通道；
49.所述第一限制层、有源区层、第二限制层、欧姆接触层、p电极层形成自发混沌的近简并多模谐振腔和耦合于谐振腔的直连光波导，所述直连光波导端面设有出光口。
50.在本发明的一些实施例中，所述的近简并多模谐振腔基于全内反射模式或回音壁模式。
51.在本发明的一些实施例中，所述出光口为解理面或者端面镀膜结构。
52.在本发明的一些实施例中，所述近简并多模谐振腔包括弧边六边形、弧边四边形、弧边八边形结构。
53.在本发明的一些实施例中，所述有源区层为无掺杂多量子阱或量子点结构。
54.在本发明的一些实施例中，所述欧姆接触层为p型掺杂结构。
55.在本发明的一些实施例中，所述近简并多模微腔激光器无需外光注入、无需光或电反馈。
56.本发明还公开了一种随机数产生装置，包括：
57.一如上所述的近简并多模微腔激光器，用于产生混沌激光；
58.一光电探测器，用于将混沌激光的光信号转换为电信号；
59.一隔直电容器，用于将电信号的直流分量滤波，只保留交流分量；以及
60.一模数转换器，将模拟电信号高速转换为数字信号，提取adc最低有效位作为真随
机数将模拟滤波后的电信号转换为数字信号，提取模数转换器最低有效位作为真随机数。
61.在本发明的一些实施例中，所述的随机数产生装置还包括用于放大电信号的电放大器，所述电放大器设置在隔直电容器和模数转换器之间。
62.本发明还公开了如上所述的近简并多模微腔激光器或如上所述的随机数产生装置在蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域的应用。
63.在一个示例性实施例中，本发明基于自发混沌的近简并多模微腔激光器的随机数产生装置，包括如下结构：
64.一可产生高品质因子(q因子)基横模、一阶横模的近简并多模微腔半导体激光器1；
65.一高速光电探测器2；
66.一隔直电容器3；
67.一电放大器4；
68.一模数转换器adc5。
69.其中，自发混沌的近简并多模微腔激光器1包括如下结构：
70.一基于全内反射模式(回音壁模式)谐振腔11；
71.一直接耦合于谐振腔的直连光波导12，波导端面形成的出光口为解理面或者端面镀膜结构；
72.一n电极层101；
73.一n型衬底102；
74.一下限制层103(即第一限制层)；
75.一无掺杂多量子阱有源区层104；
76.一上限制层105(即第二限制层)；
77.一p型重掺杂欧姆接触层106；
78.一p电极层107；
79.一出光口108。
80.其中，所述回音壁模式谐振腔11与直连波导12共同作为一个整体的谐振腔，其内部因半导体的自发辐射和外电流注入形成放大的受激辐射光场，光场在谐振腔内形成对应不同纵模阶数的基横模、一阶横模等，这些近简并多模拍频，形成混沌激光。合适的谐振腔结构参数，和/或合适的电流注入参数，使得产生的不同的模式间隔不可过大，同时避免出现半导体激光器单周期振荡、双周期振荡、四波混频等非线性过程。使得不同模式的q因子比较接近，形成近简并模式。所述混沌激光在外电流注入的情况下沿直连光波导12，在出光口108输出。
81.所述的近简并多模微腔激光器1无需外光注入和/或光(电)反馈。
82.其中，所述的近简并多模微腔激光器1中给直接耦合于谐振腔的直连光波导12施加电流，直连光波导可作为光放大器。
83.其中，所述的高速光电探测器2是将光信号转换为电信号。
84.其中，所述的隔直电容器3是将电信号的直流分量滤波，只保留交流分量。
85.其中，所述的电放大器4是将交流电信号进行放大。如果交流电信号强度可以满足需要，所述的电放大器4可以从系统中省略。
86.其中，所述的模数转换器adc5是将模拟电信号高速转换为数字信号，提取adc最低有效位作为真随机数。
87.其中所述谐振腔结构可以是但不仅限于本发明实例形状，也可以是其他谐振腔结构。其特征在于谐振腔可以产生近简并多模。
88.以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
89.参阅图1所示，本实施例的随机数产生装置，包括：一可产生高q因子基横模、一阶横模的近简并多模微腔激光器1，一高速光电探测器2，一隔直电容器3，一电放大器4，一模数转换器adc5。
90.其中一可产生高q因子基横模、一阶横模的近简并多模微腔激光器1包括：一基于全内反射模式(回音壁模式)谐振腔11，一直接耦合于谐振腔的直连光波导12，波导端面为解理面或者端面镀膜结构，一n电极层101，一n型衬底102，一下限制层103，一无掺杂多量子阱有源区层104，一上限制层105，一p型重掺杂欧姆接触层106，一p电极层107，一出光口108。
91.近简并多模微腔激光器1输出的混沌光信号被高速光电探测器2接收，经过该光电转换过程转换为电信号，通过隔直电容器3，滤除该电信号直流分量保留交流信号，再通过电放大器4将交流信号放大(当交流电信号强度可以满足需要，所述的电放大器4可以从系统中省略)，将交流电信号接入8位高速adc5，采样频率为5gsa/s，选取最低2位有效位，作为真随机数输出。其中近简并多模微腔激光器1中直接耦合于谐振腔的直连光波导12施加电流，直连光波导可作为光放大器。
92.以弧边六边形作为回音壁模式谐振腔为例，说明本发明的目的和优点，结合实例和附图说明。
93.由于回音壁模式具有高的q因子，结合弧边引起的不同横模的周期长度不同，可以实现具有可调模式间隔的多横模激光器。用弧边代替六边形平边，可以进一步提高模式q因子，并将不同纵模数的横向模式频率间隔调整到ghz量级。在实际的非理想光滑边界微谐振器中，除了不同的横模外，还存在两个横模和纵模数目相同的简并模，简并模发生分裂。据此设计有四个模式的频率间隔在ghz的范围，这会导致在微谐振器内部的近简并多模拍频。
94.用二维有限元法模拟了x-y平面上如图3所示的弧边六边形带输出波导谐振腔结构，其中r为弧边半径，a为原六边形的平边长度，w为输出波导与顶点以θ的角度连接的宽度，δ为变形参数。将algainas/inp多量子阱激光谐振腔的有效折射率取为3.2，谐振腔外有效折射率为1.54。对于a＝10μm、w＝1.5μm和θ＝55
°
的谐振腔，计算得出在激射波长附近所有高q因子的模式，在δ＝1.015μm时，其中两个基横模h0的简并模的q因子约为6.0
×
105，两个一阶横模h1的q因子约为1.0
×
104。
95.图4中绘制了z方向磁场(|h
z
|)分布，其中波导部分场强放大了10倍。对于波长为1551.6nm、q因子较高的h0和h1模，输出波导中的场被放大5倍的情况下，如图4a和4b。由于弧边的凹面镜效应，六边形的模场分布受到很好的限制，六边形顶点处的模场分布很弱，辐射损耗小，q因子高。
96.考虑简并模，有四个高q模，分别标记为h
0，1
和h
0，2
，h
1，1
和h
1，2
，第一下标和第二下标分别表示横模数和简并模数。为了模拟实际器件，模拟了由随机涨落调制的侧壁变形六边
形谐振器。取50nm的涨落幅度，h0和h1模的q因子分别为0.3
×
105和0.8
×
104，分裂简并模h
0，1
和h
0，2
的模频间隔为ghz量级。
97.图5给出了本实例中，微腔激光器的功率-电流、电压-电流曲线。该曲线表明器件实现了室温连续电注入激射。
98.图6给出了本实例中微腔激光器在注入电流为24.7ma时的其精细光谱图。可以看出光谱的谱线展宽，整个观测到的光谱表现为混沌光谱。
99.图7给出了本实例中微腔激光器输出光信号经过放大后在高速光电探测器转换产生的电信号的功率谱，灰色的是频谱仪噪底。其中注入电流为24.7ma，此结果证明该实例中微腔激光器产生混沌。
100.图8所示是采用本实例所述的随机数产生装置获得的随时间变化的强度序列(a)图和强度序列的概率密度分布(b)图，此结果证明该实例中产生了随机序列。
101.图9所示是本实例中由于本方法不采用反馈方式，不涉及时滞，宽带混沌波形的自相关函数表为δ函数形式，对于超过中心峰值时间宽度，没有出现相关性。
102.图10所示是本发明提供的实例中为了确定混沌吸引子的维度，随机数产生装置获得的强度序列在不同的嵌入维度d下，使用gp算法(关联维度算法)计算动力学的相关维度，结果表明本发明提供的实例所获得的随机数相关维度为5.4。
103.表1是本实例提供的随机数产生装置中获得随机比特位通过美国国家标准与技术研究院nist 800-22随机数序列测试模板进行检验，说明产生的比特位是真随机数。
[0104][0105]
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0106]
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
[0107]
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0108]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。