硅基光子集成混沌源的动力学特性分析及相关应用探索

Optical chaos has shown attractive prospect in many fields such as secure optical communication, physical random number generation, chaotic optical radar and position measurement and so on. Among them, the photon-integration chaos source (PICS) is compact and mass-producible, and becomes a research hotspot in recent years. Most proposed PICSs are based on III-V semiconductor lasers, while III-V semiconductors are incompatible with the main semiconductor process (complementary metal-oxide semiconductor process, CMOS process). Based on above consideration, we propose this project and plan a systematic study on the silicon-based photonic integration chaos source (SPICS). Firstly, the detailed evolution pattern and distribution maps of optical chaos will be obtained, through systematically investigating the optical chaos and related dynamic states in SPICS chip. A detailed dynamical SPICS model will be built that is more in line with experiment observations and internal physical mechanism. Next, the key influencing factors will be explored for the dynamics of silicon-based photonic chips. Finally, The chaos regulation in SPICS chip will try best to be realized, and a series of new applications of silicon-based photonic chaos source will be explored. By carrying on this project, it is expected to make some original work in the field of integrated optical chaos source and its related applications, to develop CMOS-compatible silicon-optics chaos chips, and so as to provide key technical supportment for the development of China.

光混沌在保密光通信、物理随机数获取、混沌光雷达、测距等多个领域展现出诱人的应用前景。其中，紧凑、可批量生产的光子集成混沌源（PICS）成为近年的研究热点。目前的PICS器件大多基于III-V族材料的半导体激光器，但是III-V族材料存在与主流半导体工艺(CMOS工艺)不兼容的难题。基于此，我们提出本申请，拟开展针对硅基光子集成混沌源（SPICS）的系统研究：通过系统性考察SPICS芯片中光混沌及相关各动力学态，获得光混沌的详细演化规律和分布图谱，力图构建符合实验观测和内在物理机制的SPICS动力学理论模型。在此基础上，探究影响硅基光子芯片动力学特性的关键因素，实现对混沌态的有效调控，并探索发展一系列应用硅基光子集成混沌源的新技术方案。通过本项目的实施，可望在集成光混沌源及其相关应用领域做出一些具有原创性的工作，发展兼容CMOS的硅光混沌芯片，从而为我国相关领域发展提供核心技术支持。

光混沌在保密光通信、物理随机数获取、混沌光雷达、测距等多个领域展现出诱人的应用前景。其中，紧凑、可批量生产的光子集成混沌源（PICS）成为近年的研究热点。目前的PICS器件大多基于III-V族材料的半导体激光器，但是III-V族材料存在与主流半导体工艺(CMOS工艺)不兼容的难题。基于此我们进行了本项目的工作，系统地考察了影响集成硅基激光混沌源（SPICS）输出特性的关键因素，实验实现了硅基光子微腔的混沌高质量同步：实验进行了基于硅光微腔的混沌二维图像加密传输；提出了基于硅光微腔的压缩感知方案。在此基础上，实验实现了硅基光子微腔的介观混沌 Gbps物理随机数产生。进一步的，系统研究了星型激光网络的混沌特性，实验实现了基于多路光注入80千米量级的长距离星型激光网络的混沌同步；并探索发展一系列硅基光子集成新器件方案：如提出了兼具高品质因数和高光机械耦合效率的硅基光纳米梁微腔新方案；研究了Pancharatnam-Berry相位的全介电材料透射式超透镜；提出了用时间卷积网络（TCN）模型进行了混沌时间序列的高精度预测，采用TCN-CBAM神经网络成功实现了高的预测精度和更快训练速度的双优效果；基于硅基光子晶体微腔实验得到了的类神经元脉冲输出；提出并设计了一种超紧凑尺寸的三原色滤光片，其芯片尺寸达到0.5*0.55 平方微米，集成度非常高；还设计了一种尺寸仅3.6*2.4 平方微米的超紧凑多模波长解复用器，它的尺寸大约比传统的集成光器件尺寸小了约两个数量级(约100倍)。通过本项目的实施，获得一系列理论进展和实验技术的突破，从而为我国先进信息安全技术领域发展提供核心技术支持。