半导体激光器属于B类激光器，外加扰动可产生混沌激光。目前InP基的DFB激光器工艺成熟，因此集成混沌半导体激光器多采用DFB激光器作为光源。基于半导体激光器产生混沌激光的方式主要有光反馈、光注入、光电反馈等，其中光反馈是产生混沌激光的典型方式，在光子集成混沌半导体激光器中也最容易实现。光子集成混沌半导体激光器与分立器件组成的混沌激光器产生混沌激光的原理一致，均是半导体激光器在外部扰动或者调制下产生非线性动力学特性。根据外腔结构和扰动方式的不同，光子集成混沌半导体激光器主要包括以下几种结构。

直腔单反馈结构以半导体激光器为光源，以直波导作为外腔结构传输光，在波导横截面上镀高反膜提供光反馈，并集成其他的半导体器件对激光进行相位调制、光放大等产生混沌激光。这种结构产生混沌激光的原理是：半导体激光器加载外部电流出射激光，激光通过器件截面处的反射膜反射回半导体激光器内腔，对激光器内腔载流子-光子的平衡进行扰动，造成激光强度的不稳定。直腔单反馈结构单片集成混沌半导体激光器输出动态特性的不同主要是由于研究者们在集成器件中设计了不同的调制器件以达到相位调制、光放大等功能。

2008 年，Apostolos Argyris 等人提出一种四段式直腔单反馈光子集成混沌半导体激光器[13-14]。如图1(a)所示，该芯片由DFB激光器区、增益/吸收区、相区和末端镀有高反膜的无源光波导采用选区外延法集成。其 中，无源光波导末端所镀的高反膜为DFB激光器提供单反馈光；相区以亚波长分辨率精确地调整腔的往返时间；增益/吸收区可用于调节反馈光的强度，在反向偏置的工作条件下，该区是一个可调光衰减器；当增益/吸收区不加电流时，它是一个损耗很大的吸收区；当增益/吸收区正向偏置时，它是一个半导体光放大器 (Semiconductor Optical Amplifier, SOA)，为经过的光提供光增益。该四段式结构能够在不同的参数空间下产生丰富的动力学状态，包括稳态、周期态、复杂混沌。例如，当DFB激光器区偏置电流和增益/吸收区电流固定时，调节相区电流从4.1 mA至11.3 mA, 该芯片先按倍周期路径进入混沌状态，再通过反倍周期路径从混沌状态回到稳态[15]。通过改变DFB激光器的偏置电流，可以改变激光器的驰豫振荡频率，采用这种方式可以改变DFB激光器芯片的驰豫振荡频率和外腔振荡频率之比，从而使激光器处于长腔光反馈或者短腔光反馈。2015年，Joshua P. Toomey 等人基于此机制，通过调节DFB激光器区的偏置电流研究了该四段式单片集成芯片短腔和长腔机制之间的过渡转换。研究结果表明，长腔结构的混沌激光源能更好地满足应用需求。在该四段式结构中，腔长为1 cm的条件下，DFB区的偏置电流大于40 mA，可保证该器件工作在长腔结构下，输出宽带平坦的混沌激光 [16]。在DFB激光器区电流、相位区电流、增益/吸收区电流这三个参数构成的空间内，该四段式单片集成混沌激光器输出的动力学特性和复杂度各不相同，Joshua P. Toomey等人提出了一种时间尺度独立排序熵对这些混沌信号的复杂度进行表征[17]，复杂度高的混沌激光更适合应用于随机数的产生或者混沌保密光通信等。

图  1  直腔单反馈结构单片集成混沌半导体激光器。（a）四段式，（b） AFL，（c）双SOA，（d）光子晶体反馈。DFB-LD：分布式反馈半导体激光器；G/As：增益/吸收区；PH：相区；SOA： 半导体光放大区；HRC：高反膜；Passive waveguide：无源光波导；Photonic crystal waveguide：光子晶体波导

Figure 1.  Single-feedback monolithically integrated chaotic semiconductor laser with straight external cavity. (a) Four-section structure, (b) AFL, (c) double-SOA structure, (d) photonic crystal structure. DFB-LD: Distributed feedback laser diode; G/As: Gain/Absorption section; PH: Phase section; SOA: Semiconductor optical amplifier; HRC: High reflection film

2013 年，夏光琼等人提出了一种AFL芯片产生混沌激光 [18-20]。如图1(b)所示，该芯片包含DFB激光器区、相区和SOA区。在该AFL芯片中，DFB激光器区和SOA区采用相同的多量子阱结构。采用量子阱混杂技术使得相区带隙波长蓝移，降低相区的吸收损耗。通过在SOA端涂覆高反膜产生高反射率。在该芯片中，由SOA区控制反馈光强度，由相位区调节反馈光相位。当SOA区电流较小时，通过调节相区电流，该AFL芯片输出状态路径为稳态-单倍周期-二倍周期-混沌，当SOA区电流较大的时候，激光器会产生M-B（mode-beating）脉冲，单倍周期振荡的频率大概为10 GHz，M-B脉冲频率最大可达40 GHz。为了进一步增大混沌激光的带宽，潘碧玮等人提出了基于该AFL芯片的自注入扰动法，如图2(a)所示，在该AFL芯片外部加光纤环进行自注入扰动，用于产生宽带的混沌激光。AFL芯片自由运行时输出双模激光，经过外部的光纤环路提供光反馈扰动，两个激光模式的混沌激光相互耦合可以产生频谱覆盖范围超过50 GHz，有效带宽为28 GHz，频谱平坦度为6.3 dB的混沌激光[21]。夏光琼等人提出了另一种增强混沌激光带宽的方法，如图2(b)所示，该方法研究了在外光注入扰动下该AFL芯片输出混沌激光的带宽特性。引入外光注入后，通过调节注入光功率大小及失谐频率大小，能够使AFL芯片产生的混沌激光有效带宽从14.36 GHz增加到36.00 GHz [22]。虽然调节AFL芯片的增益区和相区电流大小也可以改变激光器输出的动态特性，但是调节范围很小。而在外光注入下，通过调节合适的注入强度和频率失谐总能使其他动态特性下的单片集成半导体激光器进入混沌状态，较大的SOA区电流也有助于获得广泛而连续的混沌范围[23]。

图  2  （a）基于AFL芯片的自注入扰动法；（b）基于AFL芯片的外光注入法

Figure 2.  (a) Self-injection based on the AFL； (b) Optical-injection based on the AFL

为了进一步增加AFL芯片的功能，赵玲娟等人将PD (光电探测器)集成在该芯片上，用于实现光电转换，实现了一种基于光子集成芯片的光电振荡器[24]。

2011年，Takahisa Harayama等人提出一种双SOA结构的单片集成混沌半导体激光器芯片，如图1(c)所示，该芯片由一个PD、一个DFB激光器、两个SOA和一段无源光波导组成。其中DFB区、SOA区、和PD区为多量子阱结构，通过MOCVD (金属-有机化合物气相外延法)生长在InP基衬底上。DFB区的光栅刻蚀深度为30 nm，栅间距为234 nm，布拉格波长为1550 nm。该结构中主要通过SOA区控制反馈光的强度和相位，其中两个SOA区是独立的，长度分别为200 μm和100 μm [25]。这一结构的优势在于两个SOA的长度不同，可以对光反馈强度和相位进行粗调和细调。该结构中PD 的探测带宽为20 GHz，PD和器件的其他部分隔离开制作，以此来避免光电流和注入电流的混合。该器件的外腔为DFB区的右截面与反射镜面之间的部分，可以通过调节无源光波导的长度改变外腔反馈时延。通过调节反馈强度，双SOA结构的混沌半导体激光器芯片可以输出稳态、自脉冲、准周期状态和混沌状态。

2014年，赵清春等人提出以光子晶体波导作为外腔的单片集成混沌半导体激光器仿真模型，该结构包括：DFB激光器，SOA区，无源光波导，光子晶体波导，在光子晶体波导的末端镀有反射膜，为DFB激光器提供光学反馈，如图1(d)所示。在该模型中，通过引入光子晶体波导的慢光效应可在较小的长度内提供大的时间延迟，该结构可以减小器件的尺寸，降低功耗[26]。

以上这些直腔单反馈集成混沌半导体激光器都是基于单片集成工艺进行设计和研制的。除此之外，微型光学器件之间的混合集成也可以用于集成混沌半导体激光器的设计，具有易于制作，成本较低等优势。2017年，笔者所在课题组提出了一种混合集成短腔反馈的混沌半导体激光器。如图3所示，该激光器由 DFB 激光器芯片、准直透镜、透反镜、聚焦透镜、光纤组件耦合而成，其中透反镜为DFB 激光器芯片提供单反馈，准直透镜和聚焦透镜用于光路整形以提高耦合效率，产生的混沌激光由光纤组件尾纤输出[27]。该结构的反馈强度是由透反镜的反射率进行调节。为了确定该结构中的外腔长度和反射镜的反射率，建立了与本结构相对应的仿真模型，提取不同DFB激光器芯片的内部参数，通过Lang-Kobayashi方程对其关键参数进行仿真模拟，以此对器件的设计和封装进行指导 [28]。

图  3  混合集成混沌半导体激光器的示意图 。（a）结构示意图；（b）实物图

Figure 3.  Hybird integrated chaotic semiconductor laser. (a) Structure diagram； (b) Object picture

在此混合集成混沌半导体激光器中，通过调节DFB激光器的偏置电流，混沌激光的频谱、带宽、峰值功率和中心频率都会发生变化，图4是该混合集成混沌半导体激光器一个典型的输出状态，从图4(a)可以看出，混沌激光的时序随时间无规则变化，图4(b)为激光器频谱图，频谱在0~9 GHz内抬升，80%带宽为5 GHz左右，图4(c)所示的相图中数据点分散分布，在图4(d)中自相关曲线呈图钉型分布，最大李雅普诺夫指数为0.049935，说明此时激光器输出混沌状态。

图  4  混合集成混沌半导体激光器典型输出。 （a）时序；（b）频谱；（c）相图；（d）自相关曲线

Figure 4.  Typical dynamics of Hybrid integrated chaotic semiconductor laser. (a) Time series; (b) Power spectra; (c) Phase portraits; (d) Autocorrelation curve

2009年，Vasile Z. Tronciu等人提出了带有空气隙的多反馈结构光子集成混沌半导体激光器芯片，如图5所示，包括一个 DFB 激光器区、两个相区、一个空气隙，以及两段无源波导部分。其中，空气隙的两端面以及芯片右端面镀的高反膜构成三腔反馈，两个相区可以控制反馈光相位[29-30]。与单腔反馈相比，多腔光反馈的结构可以从原理上消除或者抑制混沌激光的时延特征，多腔反馈在较低的反馈强度下即可生成高维混沌激光。

图  5  空气隙结构集成混沌半导体激光器

Figure 5.  Photonic integrated chaotic semiconductor laser with air gap structure

2011年，Satoshi Sunada等人研制出了带有无源环形光波导的单片集成混沌半导体激光器，如图6所示，该芯片由一个DFB激光器、两个SOA、一个PD和一段环形光波导组成。其中，DFB激光器出射的光经过顺时针或者逆时针的方向进行传输；无源环形光波导作为延时光反馈环，可以在一定的芯片体积下获得更大的外腔长；光信号的强度可以通过PD进行探测；SOA可以同时控制反馈信号的光强和相位，通过调节两个SOA的注入电流，可产生混沌激光，混沌激光带宽可达10 GHz，平坦度为±6.5 dBm。该结构的优点在于不用精确控制切割反射面的反射率和不用要求高反射率就可以实现强光反馈，产生频谱平坦的宽带混沌[31]。

图  6  环形腔单片集成混沌半导体激光器

Figure 6.  Integrated chaotic semiconductor laser on chip with ring cavity

二维外腔结构可以将光场限制在一个比较小的区域，缩小体积，降低损耗。同时，二维外腔反馈结构可以消除固定外腔反馈带来的时延特征。2014年，Satoshi Sunada等人研制出二维外腔结构的混沌半导体激光器芯片。如图7(a)所示，该芯片包括一个激光器部分和一个二维的外腔部分，二维外腔结构如图7(b) 所示，垂直方向包括一个平面镜，一个曲面镜，水平方向包括两个平行放置的平面镜。该激光器的整体尺寸小于 230 μm × 1 mm。其中，二维外腔部分能够使激光产生多次反馈以产生更大的光延迟，通过注入外腔的电流控制反馈强度产生混沌激光 [32]。

图  7  (a) 二维外腔集成混沌半导体激光器结构示意图；(b) 二维外腔结构示意图

Figure 7.  (a) Integrated chaotic semiconductor laser with two-dimensional external cavity； (b) Structure diagram of two-dimensional external cavity

研究者们还在一些微腔结构中观察到了混沌激光，这些器件也有望应用于光子集成混沌半导体激光器的设计当中，以实现混沌激光器的微型化和集成化。2016年，黄永箴等人提出了将光注入圆盘腔微型激光器（半径为6 μm）产生非线性动力学状态，基于这种结构产生了注入锁定、周期振荡、混沌等动力学状态[33]。2020年，王安帮等人提出了采用弧边六角微腔激光器外加镜面反馈产生频谱平坦的宽带混沌激光，并建立了数值仿真模型，这种微腔激光器具有更宽的小信号调制范围，对弛豫振荡的响应小，更容易产生频谱平坦的宽带混沌激光[34]。

外腔长度是影响混沌激光特性的关键参数，长腔和短腔通常以反馈时延τf和弛豫振荡周期τr的大小进行划分，τf>τr，为长腔，τf

2017年，Guy Verschaffelt等人基于JePPIX平台提出了一种片上集成混沌半导体激光器。该激光器是基于JePPIX平台标准工艺的功能模块进行设计的。该结构主要包括一个可调谐分布式布拉格反射镜 (Distributed Bragg Reflection, DBR)，一个SOA1连接的两个螺旋光波导，和一个前面带有一个放大器SOA2和移相器的DBR反射镜，结构如图8所示。DBR激光器包括前光栅区、增益区和后光栅区，增益区和光栅区都加有电极，调节光栅区的偏置电流可以改变光栅区的布拉格反射波长。螺旋光波导的引入用于实现长腔，整个反馈腔长可以达到10 cm。两个螺旋光波导之间的SOA1用于补偿螺旋光波导中的光损耗。该结构比较复杂，可变参量较多，例如，增加前光栅和后光栅之间的失谐量，DBR激光器的输出阈值就会增加。调节两个SOA 不仅对输出信号的功率有影响，也对输出信号的动力学特性有影响，这主要是因为调节SOA改变了反馈强度。通过调节SOA1，该激光器可以实现从脉冲状态进入混沌状态 [38]。

图  8  长外腔结构集成混沌半导体激光器

Figure 8.  Integrated chaotic semiconductor laser with long external cavity

除了光反馈结构外，一些基于光注入的光子集成混沌半导体激光器也被提出。注入结构中一个激光器的输出会对另外一个激光器内腔造成扰动，在一定的频率失谐情况下，不同光频成分之间会发生丰富的非线性效应，而且光注入结构容易产生高频信号。互注入结构的器件在混沌同步等领域具有重要的应用价值。

2009年，M.P. Vaughan等人提出一种基于DBR激光器的互耦合结构，如图9(a)所示，该结构包括两个DBR激光器，两激光器输出经过一个多模干涉仪进入SOA，输出非线性动力学状态。在该结构中，低耦合高增益时可观察到混沌状态，在低增益的时候，调节两激光器之间的失谐量，也会出现多模激光，研究表明该激光器状态的改变不仅是由SOA中的非线性效应造成的，还有互耦合作用[39-40]。

图  9  互注入光子集成混沌半导体激光器。(a)双DBR-LD通过Y型波导互耦合；(b)双DFB-LD互注入；(c)双DFB-LD通过Y型波导互注入

Figure 9.  Mutual injection photonic integrated chaotic semiconductor laser. (a) Two DBR-LD coupled by the Y-type waveguide; (b) Two DFB-LD mutual injected; (c) Two DFB-LD mutual injected by the Y-type waveguide

2014年，孙长征等人研制了一种超短延迟时间的互耦合单片集成混沌半导体激光器芯片，如图9(b)所示，该芯片由两个互耦合的 DFB 激光器和中间的相区构成。两个DFB激光器的光栅刻蚀和激光器内腔设计均相同，DFB激光器区为InGaAlAs多量子阱材料，激射波长为1550 nm[41-43]。调节相区可以实现耦合强度和时延的微调，调节两个DFB激光器的偏置电流可以实现两个激光器之间频率失谐的调节。在互注入结构中可以通过调节两个激光器的失谐量对输出特性进行调节。该结构的芯片也可以产生丰富的动力学状态，包括互注入锁定、单倍周期、频率锁定、倍周期振荡和混沌。其中产生混沌的原因主要是四波混频和两个激光器模式之间的拍频效应。

2017年，日本埼玉大学Shoma Ohara等人提出一种用Y型波导连接的互耦合光子集成激光器芯片。如图9(c)所示，该光子集成芯片包括两个互注入的DFB激光器，两个PD，一个SOA，一个无源Y型光波导，和一个外腔镜。每一个DFB激光器输出的光经过外腔镜反馈注入到另外一个激光器中，在此结构中外腔镜提供的光反馈和互注入耦合以实现共延时反馈耦合，该结构可以在两个激光器互注入耦合的单个芯片上实现混沌同步[44]。

互注入结构中存在两个模式之间的拍频效应，可以产生宽带混沌激光，但是固定的外腔结构无法避免混沌激光存在时延特征的问题。针对混沌激光带宽受限、暗含周期性的问题，笔者所在课题组提出了一种基于随机光栅与互注入的单片集成混沌半导体激光器。该混沌激光器为五段式结构，结构如图10所示，基于随机光栅的互注入单片集成混沌半导体激光器包括两个DFB激光器 (DFB-LD)、两个SOA和一段无源光波导，光栅沿着无源光波导随机分布。两个分布式反馈激光器互注入实现混沌信号整形和带宽增强，无源波导中的随机光栅提供随机光反馈以消除混沌信号时延特征。基于半导体激光器速率方程，建立了互注入与随机反馈联合扰动产生混沌激光的仿真模型，速率方程如下：

图  10  基于随机光栅的互注入单片集成混沌半导体激光器结构图

Figure 10.  Structure of mutual injection monolithically integrated chaotic semiconductor laser based on random grating

式中：下标1和2分别代表DFB-LD1和DFB-LD2；E为激光器的电场；N为激光器的载流子密度。

图11为该仿真模型输出的混沌激光特性，时序呈现出不规律特性，时延特征值为0.06、带宽达 13.12 GHz，相图呈现复杂，遍历和有界的混沌吸引子特性。在该结构中，反馈系数、互注入系数和失谐量等参数对混沌激光时延特性和带宽等均存在一定的影响。结果表明，在一定的参数空间内，可以实现宽带混沌激光时延特征的抑制[45]。

图  11  宽带无时延混沌激光特性。 (a)时序图；(b)频谱图；(c)自相关；(d)相图

Figure 11.  Broadband chaotic laser without TDS. (a) Time series; (b) Power spectra; (c) Autocorrelation curve; (d) Phase portraits

表1对目前光子集成混沌半导体激光器的特性进行了分析，将不同结构的光子集成半导体混沌激光器从扰动方式、外腔结构、带宽特性、器件长度和性能特征等方面进行了对比。从表1的分析中可以看出，这些单片集成混沌激光器结构简单，带宽在GHz以上，最小的器件长度为780 μm，集成度高，性能稳定，并且可以实现带宽调节，混沌同步等功能，有利于混沌激光在通信和随机数产生等领域的应用。

表 1  典型光子集成混沌半导体激光器