外部注入八字形腔实现带宽增强的随机信号输出

闫西岳,杨玲珍

（太原理工大学物理与光电工程系,山西太原 030024）

随机信号具有随机性、不可预测性,在通信领域有着广泛的应用.自从20世纪60年代以来,由于其对噪声免疫、优异的低截获率、电子反对抗能力等优点[1-3],随机信号被广泛的用作雷达系统的发射信号.近年来,国内外开始研制一种新的超宽带随机信号雷达,该信号模糊函数是理想“图钉形”的,这使得它具有无模糊测距、测速性能和良好的距离、速度分辨率[4-6].

另外,随机信号还被广泛用于物理随机数的熵源来产生真随机数,如对电路或电子元件的热噪声直接放大、电子振荡器的低频抖动等[7-8].利用量子力学基本量的完全随机性产生随机数,如放射性元素的衰变,激光斑纹图案空间分布的随机性等[9-10].但受物理熵源中电子器件带宽的限制,以上方法产生的真随机数速率比较低,通常仅为几十Mbit/s.一种比较理想的提高真随机数速率的方法是增加熵源的带宽,比如利用混沌激光作为熵源[11-12].另外利用激光器工作在阈值附近的自发辐射产生的随机信号作为熵源也产生了真随机数[13-14].本文利用分布反馈式半导体激光器（DFBSL）注入下的八字形光纤环实现了带宽增加的光随机信号输出.DFBSL工作在阈值附近,其出射的随机信号经过EDFA放大后经过八字形光纤环实现带宽增加.该随机信号可以作为随机信号雷达的发射信号,亦可做真随机数发生器的熵源.

1 实验装置

图1 带宽增加的光随机信号产生的实验装置Fig.1 Experimentalsetup of bandw idth-enhanced optical random signalgeneration

图1为带宽增加的光随机信号产生实验装置图.分布反馈式半导体激光器（DFBSL）由一个低噪声的电流源驱动,其阈值电流为22.5mA,中心波长为155 5 nm.DFBSL出射的信号经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后作为输入信号经过99/1的光纤耦合器（FC3）进入八字形环,其中99%的光信号再经过70/30的耦合器（FC1）进入右环,分成沿相反方向传输的两束光.它们传输一周后,在FC1的端口3输出,而后经过耦合器FC2（90/10）,其中光信号在一个输出端（10%）输出并反馈回FC3,另一个输出端（90%）输出的光信号经由光电探测器（PD,2G带宽）转换成电信号并由示波器（OSC,500M带宽）接收.光隔离器（OI）保证了左环里的光信号单向传输.

2 实验结果及分析

实验中,当DFBSL偏置电流为22mA,相应的输出功率为0.18mW.图2为DFBSL输出信号的时序、自相关、功率谱.从时序图2（a）上看,其在电域的平均值和峰峰值分别为15mV、1mV.由于DFBSL的弛豫振荡,其自相关图不是很好的函数,而是存在一些与弛豫振荡周期相对应的旁瓣.图2（c）为功率谱图

图2 偏置电流为22m A时DFBSL输出信号的（a）时序（b）自相关（c）功率谱Fig.2（a）time series（b）self-correlation（c）power spectrum of the light from DFBSL biased at22m A

用掺铒光纤放大器（EDFA）放大DFBSL输出的信号,其中EDFA与DFBSL的偏置电流分别为22 mA和90mA,从EDFA输出的光信号的功率为1.02mW.图3给出了输出信号的时序图、自相关图和功率谱图.从时序图（图 3（a））上看,其平均值（100mV）和峰峰值（10mV）都要比图 2（a）大的多,但自相关图和功率谱没有明显变化.

图3 DFBSL、EDFA偏置电流分别为22m A和90m A时EDFA输出信号的（a）时序（b）自相关（c）功率谱Fig.3（a）time series（b）self-correlation（c）power spectra of the light from EDFA when the bias currents of DFBSL and EDFA are setat22m A and 90 m A,respectively

经过EDFA后,将光信号注入八字形环形腔.图4（a）为输出信号的时序图,其平均值和峰峰值分别为167mV和84mV.与图2（a）和图3（a）相比,该时序图的信号密度要大的多,反映出输出信号的带宽增加了.图4（b）为自相关图,典型的函数,从图中可以看出当延迟时间为15.6 ns时,有一个明显的旁瓣.经过计算,该延迟时间与光在光纤中的传播速度的乘积约等于整个八字形腔的腔长.这表明输出信号具有一定的周期性.从功率谱图（图4（c））上可以看出,输出信号的带宽比图3（c）的明显增加了.分析认为这是由于八字形腔对传输光信号的整形作用,特别是信号进入其右环后,分成沿相反方向传输的两束光,它们在右环内相互作用,相干相长或相干相消,使得光场的起伏变化加剧,最终导致输出信号带宽的增加.由于示波器带宽的限制,不能准确测量输出信号的带宽和带宽的增加值.

图4 DFBSL、EDFA偏置电流分别为22m A和90m A时八字形腔输出信号的（a）时序（b）自相关（c）功率谱Fig.4（a）time series（b）self-correlation（c）power spectra of the lightout from figure-8 cavity when the bias currents of DFBSL and EDFA are setat22m A and 90m A,respectively

图5 DFBSL、EDFA偏置电流分别为22m A和90m A,左环无OI时八字形腔输出信号的（a）时序（b）自相关（c）功率谱Fig.5（a）time series（b）self-correlation（c）power spectra of the outputwhen the left loop is w ithoutOIand the bias currents of DFBLD and EDFA are 22 m A and 90m A

为了提高输出信号的随机性,我们把八字形腔左环内的光隔离器（OI）去掉,保持DFBSL和EDFA的偏置电流22mA和90mA不变.图5为输出信号的时序、自相关和功率谱.从自相关图（图5（b））上看,原来位置的旁瓣被抑制掉,其他位置也没有新的旁瓣出现,其自相关图是很好的函数,信号的随机性确实提高了,实现了随机性较好的宽带的随机信号的输出.

3 结论

我们利用分布反馈式半导体激光器（DFBSL）外部注入下的八字形腔实现了带宽增加的随机信号的产生.由于DFBSL的偏置电流设置在阈值附近,其输出的光信号为随机信号.经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后,光信号注入八字形光纤环,通过光纤环的干涉效应,最终实现了随机性较好的宽带的随机信号的输出.

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