外部注入八字形腔實(shí)現(xiàn)帶寬增強(qiáng)的隨機(jī)信號(hào)輸出

閆西岳,楊玲珍

（太原理工大學(xué)物理與光電工程系,山西太原 030024）

隨機(jī)信號(hào)具有隨機(jī)性、不可預(yù)測(cè)性,在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.自從20世紀(jì)60年代以來(lái),由于其對(duì)噪聲免疫、優(yōu)異的低截獲率、電子反對(duì)抗能力等優(yōu)點(diǎn)[1-3],隨機(jī)信號(hào)被廣泛的用作雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào).近年來(lái),國(guó)內(nèi)外開始研制一種新的超寬帶隨機(jī)信號(hào)雷達(dá),該信號(hào)模糊函數(shù)是理想“圖釘形”的,這使得它具有無(wú)模糊測(cè)距、測(cè)速性能和良好的距離、速度分辨率[4-6].

另外,隨機(jī)信號(hào)還被廣泛用于物理隨機(jī)數(shù)的熵源來(lái)產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù),如對(duì)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(dòng)等[7-8].利用量子力學(xué)基本量的完全隨機(jī)性產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),如放射性元素的衰變,激光斑紋圖案空間分布的隨機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)信號(hào)作為熵源也產(chǎn)生了真隨機(jī)數(shù)[13-14].本文利用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFBSL）注入下的八字形光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)了帶寬增加的光隨機(jī)信號(hào)輸出.DFBSL工作在閾值附近,其出射的隨機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)EDFA放大后經(jīng)過(guò)八字形光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)帶寬增加.該隨機(jī)信號(hào)可以作為隨機(jī)信號(hào)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào),亦可做真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的熵源.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 帶寬增加的光隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentalsetup of bandw idth-enhanced optical random signalgeneration

圖1為帶寬增加的光隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置圖.分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFBSL）由一個(gè)低噪聲的電流源驅(qū)動(dòng),其閾值電流為22.5mA,中心波長(zhǎng)為155 5 nm.DFBSL出射的信號(hào)經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后作為輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)99/1的光纖耦合器（FC3）進(jìn)入八字形環(huán),其中99%的光信號(hào)再經(jīng)過(guò)70/30的耦合器（FC1）進(jìn)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(guò)耦合器FC2（90/10）,其中光信號(hào)在一個(gè)輸出端（10%）輸出并反饋回FC3,另一個(gè)輸出端（90%）輸出的光信號(hào)經(jīng)由光電探測(cè)器（PD,2G帶寬）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(hào)單向傳輸.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)DFBSL偏置電流為22mA,相應(yīng)的輸出功率為0.18mW.圖2為DFBSL輸出信號(hào)的時(shí)序、自相關(guān)、功率譜.從時(shí)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(guān)圖不是很好的函數(shù),而是存在一些與弛豫振蕩周期相對(duì)應(yīng)的旁瓣.圖2（c）為功率譜圖

圖2 偏置電流為22m A時(shí)DFBSL輸出信號(hào)的（a）時(shí)序（b）自相關(guān)（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(hào),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(hào)的功率為1.02mW.圖3給出了輸出信號(hào)的時(shí)序圖、自相關(guān)圖和功率譜圖.從時(shí)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(guān)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(shí)EDFA輸出信號(hào)的（a）時(shí)序（b）自相關(guān)（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(guò)EDFA后,將光信號(hào)注入八字形環(huán)形腔.圖4（a）為輸出信號(hào)的時(shí)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(shí)序圖的信號(hào)密度要大的多,反映出輸出信號(hào)的帶寬增加了.圖4（b）為自相關(guān)圖,典型的函數(shù),從圖中可以看出當(dāng)延遲時(shí)間為15.6 ns時(shí),有一個(gè)明顯的旁瓣.經(jīng)過(guò)計(jì)算,該延遲時(shí)間與光在光纖中的傳播速度的乘積約等于整個(gè)八字形腔的腔長(zhǎng).這表明輸出信號(hào)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(hào)的帶寬比圖3（c）的明顯增加了.分析認(rèn)為這是由于八字形腔對(duì)傳輸光信號(hào)的整形作用,特別是信號(hào)進(jìn)入其右環(huán)后,分成沿相反方向傳輸?shù)膬墒?它們?cè)谟噎h(huán)內(nèi)相互作用,相干相長(zhǎng)或相干相消,使得光場(chǎng)的起伏變化加劇,最終導(dǎo)致輸出信號(hào)帶寬的增加.由于示波器帶寬的限制,不能準(zhǔn)確測(cè)量輸出信號(hào)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(shí)八字形腔輸出信號(hào)的（a）時(shí)序（b）自相關(guān)（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(wú)OI時(shí)八字形腔輸出信號(hào)的（a）時(shí)序（b）自相關(guān)（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(hào)的隨機(jī)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(hào)的時(shí)序、自相關(guān)和功率譜.從自相關(guān)圖（圖5（b））上看,原來(lái)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(guān)圖是很好的函數(shù),信號(hào)的隨機(jī)性確實(shí)提高了,實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)性較好的寬帶的隨機(jī)信號(hào)的輸出.

3 結(jié)論

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

[1]SobhyM I,Shehata AR.Chaotic radar systems[J].IEEEMTT-SInt.Microwave Symp.Dig.,2000,3：1701-1704.

[2]Liu G,Gu H,SuW.Development of random signal radars[J].IEEETrans.Aerosp.Electron.Syst.,1999,35（3）：770-777.

[3]Garmatyuk DS,Narayanan RM.ECCM capabilities of an ultrawideband bandlimited random noise imaging radar[J].IEEETrans.Aerosp.Electron.Syst.,2002,38（4）：1243-1255.

[4]Wang B J,Wang YC,Kong LQ,et al.Multi-target real-time rangingwith the chaotic laser radar[J].Chinese Optics Letters,2008,6（11）：868-870.

[5]Sun H,Lu Y,Liu G.Ultra-wideband technology and random signal radar：an idealcombination[J].IEEEAerospaceand Electronic SystemsMagazine,2003,18（11）：3-7.

[6]Lin F,Liu J.Chaotic radarusingnonlinear laser dynamics[J].IEEE J.Quant.Electron,2004,40（6）：815-820.

[7]Petrie CS,Connelly JA.A noise-based IC random numbergenerator forapplications in cryptography[J].IEEETranson Circuits and Systems I：Fundamental Theory and Applications,2000,47（5）：615-621.

[8]BucciM.A high-speed oscillator-based truly random numbersource for cryptographic applicationson a smartcard IC[J].IEEE Transon Computers,2003,52（4）：403-409.

[9]廖靜,梁創(chuàng),魏亞軍,等.基于光量子的真隨機(jī)源[J].物理學(xué)報(bào),2001,50（3）：467-472.

[10]馮明明,秦小林,周春源,等.偏振光量子隨機(jī)源[J].物理學(xué)報(bào),2003,52（1）：72-76.

[11]Uchida A,Amano K,InoueM,etal.Fastphysical random bitgenerationwith chaotic semiconductor laser[J].Nat.Photonics,2008,2（12）：728-732.

[12]Reidler I,Aviad Y,Rosenbluth M,et al.Ultrahigh-speed random number generation based on a chaotic semiconductor laser[J].Phys.Rev.Lett.,2009,103（2）：1-4.

[13]QiB,ChiY M,Lo H K,et al.Experimentaldemonstration of a high speed quantum random number generation scheme based on measuring phasenoise of a signlemode laser[J].Quantum Information Science,2009,9：64-65.

[14]Guo H,TangW Z,Liu Y,et al.Truly random number generation based onmeasurement of phase noise of a laser[J].Phys.Rev.E,2010,arXiv：0908.2893v3.