半导体激光器因其体积小，成本低，高寿命，易于直调等优点，在光通信网络中发挥着重要作用。随着对半导体激光器非线性失稳机理研究的深入以及时代发展需要，其非线性特点也被逐渐应用到微波信号产生、安全加密和光信息处理等领域。光反馈是目前经常被采用的实现混沌激光器的方法，但反馈会引入固有的时延周期性，体现在时间序列的强度自相关函数中会存在相关性较高的固定时延峰，这种弱周期性降低了混沌信号质量。同时，受制于弛豫振荡频率，简单光反馈实现的混沌信号频谱带宽并不高。回音壁微腔因具有高品质因子、小模式体积，已成为激光非线性研究的重要光学平台。

日前，在国家自然科学基金重点项目支持下，中国科学院半导体研究所黄永箴研究员指导博士生李建成，开展了变形微腔激光器的非线性动力学状态特别是自发混沌研究。主要围绕微腔激光器的非线性动力学特性进行研究。

研究提出并工艺制备了一种双横模作用的弧边四边形微腔混沌激光器。在微腔激光器中，实验上首次发现了简并模拍频引起的脉冲包现象。随电流连续变化，首次在实验上清晰给出微腔激光器周期一—周期三—混沌的连续演化路径，揭示了简并模在混沌产生过程中的重要作用。双横模作用弧边四边形微腔激光器混沌态的工作电流范围不低于10 mA, 最大有效带宽为22.4 GHz, 平坦度±4 dB，微腔混沌激光器的性能指标极大改善，使其封装应用成为现实。与单模反馈混沌激光器相比，多模作用混沌激光器可以有效避免混沌频谱中的低频能量掉落问题，获得平坦宽带混沌信号。多模竞争也导致微腔激光器混沌态时的相对强度噪声较高。混沌态时不同组纵模及所有模的整体频谱输出特性表明，不同纵模可以具有不同频谱特征的混沌特性。

研究提出了一种通过光子—光子谐振实现片上混沌带宽增强的方法，设计并工艺制备了混沌带宽增强的三横模微腔混沌激光器。通过三个横模的相互作用，实现了33.9 GHz混沌带宽，混沌关联维数11.6。将三模微腔混沌输出作为随机数的熵源，在100 Gsa/s实时采样下，通过延时做差与保留5位最低有效位后处理，获得了通过NIST SP 800-22标准随机性检测的物理随机数。

研究基于一个混沌信号时序强度分布呈双峰结构的微腔混沌激光器，在仅采用保留4位最低有效位后处理情况下，实现了400 Gb/s物理随机数的产生。对保留多位有效位的数据做傅里叶变换后的频谱研究表明，保留多位最低有效位等效于混沌带宽增强。利用制备的微腔混沌激光器搭建了混沌光相关性光时域反射计，实现了25 km的光纤探测距离和4.5 mm的空间分辨率。

研究提出并设计了一种双端口微腔混沌激光器，在同一电流下，两个输出端口能分别获得混沌输出。单模光纤耦合收集的两个端口的功率—电流曲线随电流增大，呈现出功率交替处于较高位置的情况，表明两个端口收集到的是不同性质的光。这种不同性质的混沌光，更有利于片上随机数的实现。

研究在微腔激光器中首次发现了阈值附近与激光器无阻尼弛豫振荡相关的自脉冲现象。8 mA时，激光器工作在脉冲态，光谱呈现展宽的“兔子耳朵”形状，对应频谱中基次谐波频率为4.4 GHz，与时域信号的脉冲重复频率一致，拟合的脉冲宽度为30-40 ps。自脉冲的出现初步归因于模式竞争选择并加强了噪声中与弛豫振荡频率相等的成分。随电流增加，激光器无阻尼振荡被抑制，进入连续波激射态，实验观察到30.7 GHz与10.7 GHz模式频率间隔的双模激射和边模抑制比为35 dB的单模激射。相对强度噪声的研究进一步表明微腔激光器中自脉冲的出现与弛豫振荡相关。在微腔激光器中，我们同时发现了多模相互作用的双稳态现象，当电流从小往大增时，激光器工作在非线性态；当电流从大往低降时，激光器表现为稳定多模激射。自脉冲和双稳态的发现进一步丰富了微腔激光器的非线性动力学特性。

（a）

（b）

(c)

研制的自发混沌变形正方形微腔激光器（a）干法刻蚀后的变形正方形腔，（b）具有圆形注入电极的变形正方形微腔激光器, (c)由高速光探测器测得的自发混沌激光器输出交流信号