APL Photonics封面成果：KAUST用五边形激光腔刷新物理随机数生成极限——800Gb/s！
前言
沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）光子实验室的Boon Ooi教授团队在《APL Photonics》发表最新成果，通过创新设计垂直腔面发射激光器（VCSEL）的腔体几何形状，成功实现了800 Gb/s的物理随机数生成速率，逼近现有测量系统的物理极限！
该研究首次探索了垂直腔面发射激光器（VCSEL）的腔型几何结构对其混沌动力学的影响，旨在优化其作为高效熵源的性能。通过对比圆形、D形和五边形三种腔型设计，研究团队发现五边形腔型通过引入更多在空间和光谱上重叠的模式，显著增强了多模相互作用，从而驱动了强模式竞争和超快混沌激光动力学。这使得五边形VCSEL能够实现高达800 Gb/s的超高速随机数生成（RNG）速率，且只需极少的后处理，接近测量系统的物理极限。此外，与传统圆形设计相比，五边形VCSEL的光功率密度提高了85%，兼具高效率和紧凑性，适用于可扩展的安全超快通信。D形腔型则表现出比圆形VCSEL高65%的功率，且在研究的形状中发射最稳定，适合需要高功率和稳定输出的应用。该研究还强调了定制VCSEL腔型几何结构在下一代低相干光源和先进光子技术中的巨大潜力。
核心突破
1. 几何形状决定性能
圆形（O-VCSEL）：传统设计，光功率密度低（1.5 kW/cm²），模式竞争弱，随机数生成速率仅600 Gb/s。
D形（D-VCSEL）：通过切割圆形边缘形成平坦区，功率提升62%（2.6 kW/cm²），但模式稀疏，稳定性高，适合高功率稳定光源。
五边形（P-VCSEL）：颠覆性设计！光功率密度达2.9 kW/cm²（比圆形高85%），密集多模竞争引发超快混沌动力学，随机数生成速率飙升至800 Gb/s，且仅需简单异或（XOR）后处理。
2. 技术亮点
混沌动力学增强：五边形腔体通过密集光谱重叠（39模/纳米）和低偏振稳定性（正交偏振抑制比仅2.59），驱动强模式竞争，产生不可预测的量子噪声信号。
能效革命：单位比特能耗低至0.49皮焦耳，比传统设计优化20%以上。
可扩展性：支持二维阵列集成，未来或实现拍比特/秒（Pb/s）级并行随机数生成！
3. 关键机制与发现
五边形腔型的优势源于其独特的几何结构：打破了腔的对称性，增加了模式密度和模式重叠，促进了强模式竞争和混沌动力学。
多模相互作用的增强使得五边形VCSEL具有更高的射频功率和更快的强度波动，同时保持了低时间相关性，这是实现高速随机数生成的关键。
实验还发现，五边形VCSEL的散热性能更好，这有助于其在高电流下稳定工作。
01
具有不同腔体形状的VCSEL布局与结构。
(a) 制备的D形腔体（D-VCSEL）、圆形腔体（O-VCSEL）和五边形腔体（P-VCSEL）VCSEL的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了台面结构和隔离层。图中同时标注了金属接触层（n型焊盘和p型焊盘）。
(b) VCSEL结构的横截面示意图，包括p型AlGaAs和n型AlGaAs分布式布拉格反射器（DBRs）、氧化孔径、含有多量子阱（MQWs）的谐振腔以及金属接触层。
02
不同腔体形状VCSEL的光功率特性对比。
(a) 半径17 微米的圆形腔体VCSEL（O-VCSEL）；
(b) 半径18 微米的D形腔体VCSEL（D-VCSEL），其直径垂直方向带有7 微米平坦区段；
(c) 边长21 微米的五边形腔体VCSEL（P-VCSEL）。各图插图为对应腔体形状的俯视图及25 微米氧化深度的结构示意。
(d) O-VCSEL、D-VCSEL与P-VCSEL在最大光功率和发光区域最大功率密度上的对比。其中P-VCSEL展现出最高功率密度，接近3 kW/cm²，显著优于传统O-VCSEL。
03
D形、O形及P形VCSEL的光谱特性与模式分析。
(a) D-VCSEL、O-VCSEL与P-VCSEL的归一化激射光谱，呈现多模发射特性。插图展示各腔体形状的近场光斑分布。(b) 三种腔体的模式数量与20dB光谱宽度对比。P-VCSEL具有最多模式数（41个）和最窄20dB谱宽（1.06纳米），而D-VCSEL的20dB谱宽最大（4.48纳米）。
(c) 各腔体光谱密度（单位纳米模式数）及均方根谱宽对比。P-VCSEL展现出最高谱密度（38模/纳米）和最小均方根谱宽（0.07纳米）。
(d) 三种腔体前100个模式的归一化Q因子分布。P-VCSEL在多数模式中保持更高Q因子，支持增强模式相互作用及多模激射动力学特性。
(e) D形、O形及P形VCSEL的正交偏振抑制比（OPSR）测量结果。
04
D形、O形及P形VCSEL光信号动态特性分析。
(a) 实验装置包含CCD相机（Thorlabs DCU224C）、二向色镜（Thorlabs DMSP650 Ø1）、物镜（Nikon CF Plan）、光电探测器（Newport 818-BB-35A）及信号采集示波器（Tektronix DPO-72004C）。通过信号后处理生成最终随机比特。
(b) 三种VCSEL器件的归一化射频功率谱，显示最高10 GHz频率成分。各频谱均以P-VCSEL频谱最大值为基准进行归一化处理。
(c) 光信号自相关函数（ACF）绝对值曲线，插图为局部放大曲线及指数衰减拟合结果。D-VCSEL、O-VCSEL与P-VCSEL的衰减常数α分别测得为0.33、0.78和0.86。
05
随机数生成实验结果。
(a) 不同VCSEL腔体形状的归一化加权射频功率与归一化积分自相关函数（ACF）对比。
(b) 各VCSEL器件的平均与最大随机数生成（RNG）速率，其中P-VCSEL实现最高800 Gb/s的极限生成速率。(c) P-VCSEL原始光信号及经异或（XOR）后处理信号的概率分布，显示处理后数据呈现均匀分布特性。
(d) P-VCSEL原始信号与异或处理后信号的ACF对比，处理后信号相关性降至近零水平，表明具备高随机性特征。
科学价值
该研究首次系统地研究了VCSEL腔型几何结构对混沌动力学和随机数生成性能的影响，为设计高效熵源提供了新的理论和实验依据。
揭示了腔型设计在调控激光模式竞争、增强混沌动力学方面的关键作用，拓展了人们对半导体激光器物理特性的理解。
这项研究不仅在随机数生成领域取得了突破性进展，还为光子技术的创新发展提供了新的思路和方向。随着技术的进一步成熟，我们有理由期待它将在未来的信息社会中发挥重要作用，为信息安全和高速通信保驾护航。
Boon Ooi教授展望
“这项研究不仅突破了VCSEL的性能极限，更打开了‘腔体几何工程’的新维度。未来，我们计划将五边形设计应用于大规模阵列，推动超高速通信与计算技术的实用化。
结语
从圆形到五边形，KAUST团队用“几何魔法”重新定义了激光器的可能性。这项研究不仅是光子学领域的里程碑，更为数字经济时代的信息安全筑起了一道“物理防线”。或许在不远的未来，你的每一笔加密交易背后，都有这样一颗五边形激光器在默默守护！
Doi：https://doi.org/10.1063/5.0250843
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