閆西岳,楊玲珍

（太原理工大學物理與光電工程系,山西太原 030024）

隨機信號具有隨機性、不可預測性,在通信領域有著廣泛的應用.自從20世紀60年代以來,由于其對噪聲免疫、優(yōu)異的低截獲率、電子反對抗能力等優(yōu)點[1-3],隨機信號被廣泛的用作雷達系統(tǒng)的發(fā)射信號.近年來,國內(nèi)外開始研制一種新的超寬帶隨機信號雷達,該信號模糊函數(shù)是理想“圖釘形”的,這使得它具有無模糊測距、測速性能和良好的距離、速度分辨率[4-6].

另外,隨機信號還被廣泛用于物理隨機數(shù)的熵源來產(chǎn)生真隨機數(shù),如對電路或電子元件的熱噪聲直接放大、電子振蕩器的低頻抖動等[7-8].利用量子力學基本量的完全隨機性產(chǎn)生隨機數(shù),如放射性元素的衰變,激光斑紋圖案空間分布的隨機性等[9-10].但受物理熵源中電子器件帶寬的限制,以上方法產(chǎn)生的真隨機數(shù)速率比較低,通常僅為幾十Mbit/s.一種比較理想的提高真隨機數(shù)速率的方法是增加熵源的帶寬,比如利用混沌激光作為熵源[11-12].另外利用激光器工作在閾值附近的自發(fā)輻射產(chǎn)生的隨機信號作為熵源也產(chǎn)生了真隨機數(shù)[13-14].本文利用分布反饋式半導體激光器（DFBSL）注入下的八字形光纖環(huán)實現(xiàn)了帶寬增加的光隨機信號輸出.DFBSL工作在閾值附近,其出射的隨機信號經(jīng)過EDFA放大后經(jīng)過八字形光纖環(huán)實現(xiàn)帶寬增加.該隨機信號可以作為隨機信號雷達的發(fā)射信號,亦可做真隨機數(shù)發(fā)生器的熵源.

1 實驗裝置

圖1 帶寬增加的光隨機信號產(chǎn)生的實驗裝置Fig.1 Experimentalsetup of bandw idth-enhanced optical random signalgeneration

圖1為帶寬增加的光隨機信號產(chǎn)生實驗裝置圖.分布反饋式半導體激光器（DFBSL）由一個低噪聲的電流源驅(qū)動,其閾值電流為22.5mA,中心波長為155 5 nm.DFBSL出射的信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后作為輸入信號經(jīng)過99/1的光纖耦合器（FC3）進入八字形環(huán),其中99%的光信號再經(jīng)過70/30的耦合器（FC1）進入右環(huán),分成沿相反方向傳輸?shù)膬墒?它們傳輸一周后,在FC1的端口3輸出,而后經(jīng)過耦合器FC2（90/10）,其中光信號在一個輸出端（10%）輸出并反饋回FC3,另一個輸出端（90%）輸出的光信號經(jīng)由光電探測器（PD,2G帶寬）轉(zhuǎn)換成電信號并由示波器（OSC,500M帶寬）接收.光隔離器（OI）保證了左環(huán)里的光信號單向傳輸.

2 實驗結(jié)果及分析

實驗中,當DFBSL偏置電流為22mA,相應的輸出功率為0.18mW.圖2為DFBSL輸出信號的時序、自相關、功率譜.從時序圖2（a）上看,其在電域的平均值和峰峰值分別為15mV、1mV.由于DFBSL的弛豫振蕩,其自相關圖不是很好的函數(shù),而是存在一些與弛豫振蕩周期相對應的旁瓣.圖2（c）為功率譜圖

圖2 偏置電流為22m A時DFBSL輸出信號的（a）時序（b）自相關（c）功率譜Fig.2（a）time series（b）self-correlation（c）power spectrum of the light from DFBSL biased at22m A

用摻鉺光纖放大器（EDFA）放大DFBSL輸出的信號,其中EDFA與DFBSL的偏置電流分別為22 mA和90mA,從EDFA輸出的光信號的功率為1.02mW.圖3給出了輸出信號的時序圖、自相關圖和功率譜圖.從時序圖（圖 3（a））上看,其平均值（100mV）和峰峰值（10mV）都要比圖 2（a）大的多,但自相關圖和功率譜沒有明顯變化.

圖3 DFBSL、EDFA偏置電流分別為22m A和90m A時EDFA輸出信號的（a）時序（b）自相關（c）功率譜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

經(jīng)過EDFA后,將光信號注入八字形環(huán)形腔.圖4（a）為輸出信號的時序圖,其平均值和峰峰值分別為167mV和84mV.與圖2（a）和圖3（a）相比,該時序圖的信號密度要大的多,反映出輸出信號的帶寬增加了.圖4（b）為自相關圖,典型的函數(shù),從圖中可以看出當延遲時間為15.6 ns時,有一個明顯的旁瓣.經(jīng)過計算,該延遲時間與光在光纖中的傳播速度的乘積約等于整個八字形腔的腔長.這表明輸出信號具有一定的周期性.從功率譜圖（圖4（c））上可以看出,輸出信號的帶寬比圖3（c）的明顯增加了.分析認為這是由于八字形腔對傳輸光信號的整形作用,特別是信號進入其右環(huán)后,分成沿相反方向傳輸?shù)膬墒?它們在右環(huán)內(nèi)相互作用,相干相長或相干相消,使得光場的起伏變化加劇,最終導致輸出信號帶寬的增加.由于示波器帶寬的限制,不能準確測量輸出信號的帶寬和帶寬的增加值.

圖4 DFBSL、EDFA偏置電流分別為22m A和90m A時八字形腔輸出信號的（a）時序（b）自相關（c）功率譜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

圖5 DFBSL、EDFA偏置電流分別為22m A和90m A,左環(huán)無OI時八字形腔輸出信號的（a）時序（b）自相關（c）功率譜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

為了提高輸出信號的隨機性,我們把八字形腔左環(huán)內(nèi)的光隔離器（OI）去掉,保持DFBSL和EDFA的偏置電流22mA和90mA不變.圖5為輸出信號的時序、自相關和功率譜.從自相關圖（圖5（b））上看,原來位置的旁瓣被抑制掉,其他位置也沒有新的旁瓣出現(xiàn),其自相關圖是很好的函數(shù),信號的隨機性確實提高了,實現(xiàn)了隨機性較好的寬帶的隨機信號的輸出.

3 結(jié)論

我們利用分布反饋式半導體激光器（DFBSL）外部注入下的八字形腔實現(xiàn)了帶寬增加的隨機信號的產(chǎn)生.由于DFBSL的偏置電流設置在閾值附近,其輸出的光信號為隨機信號.經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后,光信號注入八字形光纖環(huán),通過光纖環(huán)的干涉效應,最終實現(xiàn)了隨機性較好的寬帶的隨機信號的輸出.

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