半導體激光器因其體積小，成本低，高壽命，易于直調等優點，在光通信網絡中發揮著重要作用。隨著對半導體激光器非線性失穩機理研究的深入以及時代發展需要，其非線性特點也被逐漸應用到微波信號產生、安全加密和光信息處理等領域。光反饋是目前經常被采用的實現混沌激光器的方法，但反饋會引入固有的時延周期性，體現在時間序列的強度自相關函數中會存在相關性較高的固定時延峰，這種弱周期性降低了混沌信號質量。同時，受制于弛豫振蕩頻率，簡單光反饋實現的混沌信號頻譜帶寬并不高。回音壁微腔因具有高品質因子、小模式體積，已成為激光非線性研究的重要光學平臺。
日前，在國家自然科學基金重點項目支持下，中國科學院半導體研究所黃永箴研究員指導博士生李建成，開展了變形微腔激光器的非線性動力學狀態特別是自發混沌研究。主要圍繞微腔激光器的非線性動力學特性進行研究。
研究提出并工藝制備了一種雙橫模作用的弧邊四邊形微腔混沌激光器。在微腔激光器中，實驗上首次發現了簡并模拍頻引起的脈沖包現象。隨電流連續變化，首次在實驗上清晰給出微腔激光器周期一—周期三—混沌的連續演化路徑，揭示了簡并模在混沌產生過程中的重要作用。雙橫模作用弧邊四邊形微腔激光器混沌態的工作電流范圍不低于10 mA, 最大有效帶寬為22.4 GHz, 平坦度±4 dB，微腔混沌激光器的性能指標極大改善，使其封裝應用成為現實。與單模反饋混沌激光器相比，多模作用混沌激光器可以有效避免混沌頻譜中的低頻能量掉落問題，獲得平坦寬帶混沌信號。多模競爭也導致微腔激光器混沌態時的相對強度噪聲較高。混沌態時不同組縱模及所有模的整體頻譜輸出特性表明，不同縱模可以具有不同頻譜特征的混沌特性。
研究提出了一種通過光子—光子諧振實現片上混沌帶寬增強的方法，設計并工藝制備了混沌帶寬增強的三橫模微腔混沌激光器。通過三個橫模的相互作用，實現了33.9 GHz混沌帶寬，混沌關聯維數11.6。將三模微腔混沌輸出作為隨機數的熵源，在100 Gsa/s實時采樣下，通過延時做差與保留5位最低有效位后處理，獲得了通過NIST SP 800-22標準隨機性檢測的物理隨機數。
研究基于一個混沌信號時序強度分布呈雙峰結構的微腔混沌激光器，在僅采用保留4位最低有效位后處理情況下，實現了400 Gb/s物理隨機數的產生。對保留多位有效位的數據做傅里葉變換后的頻譜研究表明，保留多位最低有效位等效于混沌帶寬增強。利用制備的微腔混沌激光器搭建了混沌光相關性光時域反射計，實現了25 km的光纖探測距離和4.5 mm的空間分辨率。
研究提出并設計了一種雙端口微腔混沌激光器，在同一電流下，兩個輸出端口能分別獲得混沌輸出。單模光纖耦合收集的兩個端口的功率—電流曲線隨電流增大，呈現出功率交替處于較高位置的情況，表明兩個端口收集到的是不同性質的光。這種不同性質的混沌光，更有利于片上隨機數的實現。
研究在微腔激光器中首次發現了閾值附近與激光器無阻尼弛豫振蕩相關的自脈沖現象。8 mA時，激光器工作在脈沖態，光譜呈現展寬的“兔子耳朵”形狀，對應頻譜中基次諧波頻率為4.4 GHz，與時域信號的脈沖重復頻率一致，擬合的脈沖寬度為30-40 ps。自脈沖的出現初步歸因于模式競爭選擇并加強了噪聲中與弛豫振蕩頻率相等的成分。隨電流增加，激光器無阻尼振蕩被抑制，進入連續波激射態，實驗觀察到30.7 GHz與10.7 GHz模式頻率間隔的雙模激射和邊模抑制比為35 dB的單模激射。相對強度噪聲的研究進一步表明微腔激光器中自脈沖的出現與弛豫振蕩相關。在微腔激光器中，我們同時發現了多模相互作用的雙穩態現象，當電流從小往大增時，激光器工作在非線性態；當電流從大往低降時，激光器表現為穩定多模激射。自脈沖和雙穩態的發現進一步豐富了微腔激光器的非線性動力學特性。
（a）
（b）
(c)
研制的自發混沌變形正方形微腔激光器（a）干法刻蝕后的變形正方形腔，（b）具有圓形注入電極的變形正方形微腔激光器, (c)由高速光探測器測得的自發混沌激光器輸出交流信號
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