CN110850129A - 一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生方法 - Google Patents

一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生方法，利用高光谱密度混沌激光器作为熵源的光生毫米波噪声，实现大功率、宽带可调控的毫米波噪声的产生，与现有毫米波噪声发生器相比，突破了电子带宽瓶颈，产生的噪声带宽更宽、功率更大、噪声谱更平坦、超噪比大范围可调。可用于解决工作频率上限达325GHz的待测器件的测试需求；同时通过光放大器和光衰减器的组合，可以调控两路混沌光的光功率，从而实现毫米波噪声功率的实时可控输出。本发明解决了现有的噪声发生器均难以满足目前雷达、通信器件等所需的功率大小的问题。

Description

一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生 方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生方法。
背景技术
毫米波通常指波长从10毫米到1毫米、频率从30GHz到300GHz的电磁波，因为毫米波具有带宽大、传输质量高、全天候通信等优势，在通信、雷达、交通、医疗等领域具有广阔应用前景。
由于通信、雷达等领域中普遍存在噪声这一干扰源，因此，噪声系数测量在毫米波测量领域中占有重要的地位，通过向待测器件、模块或系统输入精确已知的噪声，可以检测器件的性能和度量通信等设备接收微弱信号的能力等。噪声发生器作为一种能在特定频段内产生噪声的装置，其输出功率连续可控、噪声功率谱密度均匀平坦，是进行器件参数测设与系统性能的重要设备，在通信、遥感、军事、天文等诸多领域都有着重要用途。目前一些器件的工作频率已接近甚至超过300GHz，而现有的利用数字合成和物理噪声源放大技术的噪声发生器的工作功率多在140GHz以下，远低于一些待测器件的工作频率。因此对毫米波噪声发生器的研究至关重要。
可用作毫米波噪声源的主要器件有电阻、肖特基二极管、场效应管等。以电阻噪声为源的毫米波噪声发生器，通常依据噪声功率与温度的线性变换关系，用“等效噪声温度”来表征噪声源的辐射功率，美国Noisecom公司的NBS标准噪声源已产生了18GHz至325GHz的电噪声，但电阻噪声发生器源存在着需要制冷、体积庞大、输出功率小、耦合困难、不适合机载星载等缺点；以肖特基二极管噪声为源的毫米波噪声发生器，在较高的反向偏压下，二极管的雪崩击穿区的散弹噪声频率可超过100GHz，现已研制出130GHz至170GHz工作频段的噪声发生器芯片，但受雪崩击穿噪声频率的限制，这类噪声发生器的工作频率一般低于170GHz，而且频率越高，输出噪声功率平坦度越差，超噪比低；以场效应管噪声为源的毫米波噪声发生器，场效应管的输入阻抗等效为一个电容和一个阻值极小的电阻，可以替代黑体辐射噪声源，已研制出110GHz的W波段单片集成有源冷噪声发生器，但场效应管的等效噪声温度低，即输出的噪声功率小，且噪声频率尚未超过120GHz。
此外，以上述方法为源的噪声发生器，受到电子瓶颈的限制，带宽较小，难以应用于实际，而基于光学方法的噪声发生器可以产生宽带的噪声。日本电信株式会社(NTT)Song等人利用两个阵列波导光栅对掺铒光纤放大器中放大的自发辐射(ASE)噪声光谱进行滤波，滤波后的高斯光谱通过单行载流子光电探测器进行光谱到频谱的转化通过光谱到频谱的光电转换，产生了均匀的微波电噪声[IEEE T.Micro.Theory Tech.,56(12),2989-2997,2008]。随后，台湾国立中央大学許晉瑋教授用经过平顶/高斯滤波的自发辐射光产生了110GHz的白噪声[IEEE Photon.Tech.Lett.,22(11),847-849,2010]。然而，掺铒光纤放大器的ASE光噪声功率低，滤波后无法满足噪声发生器的功率要求。
综上所述，现有的噪声发生器均难以满足目前雷达、通信器件等所需的功率大小。
发明内容
本发明为解决现有的噪声发生器均难以满足目前雷达、通信器件等所需的功率大小的问题，提供了一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其信号发生方法。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器，包括两套相同的混沌光发生装置、光耦合器以及光子混频器，每套混沌光发生装置的输出端分别连接光耦合器的两个输入端，所述光耦合器的输出端连接光子混频器的输入端，所述光子混频器的输出端作为所述光子毫米波噪声信号发生器的输出端；其中两套混沌光发生装置的输出分别为负荷预设光功率以及高斯分布的混沌光。
上述方案中，利用高光谱密度混沌激光器作为熵源的光生毫米波噪声，实现大功率、宽带可调控的毫米波噪声的产生，与现有毫米波噪声发生器相比，突破了电子带宽瓶颈，产生的噪声带宽更宽、功率更大、噪声谱更平坦、超噪比大范围可调。可用于解决工作频率上限达325GHz的待测器件的测试需求。
优选的，所述混沌光发生装置具体包括三区集成激光器、光滤波器、光放大器以及光衰减器，所述三区集成激光器的输出端连接光滤波器的输入端，所述光滤波器的输出端连接光放大器的输入端，所述光放大器的输出端连接光衰减器的输入端，所述光衰减器的输出端为混沌光发生装置的输出端。在本优选方案中，将输出的混沌光信号经过光滤波器进行滤波整形处理，辅以优化混沌光子熵源参数的方法，通过结合光子混频器的具体响应曲线来分段校正补偿，保证宽带噪声信号的频谱平坦；同时光放大器和光衰减器的组合，可以调控两路混沌光的光功率，从而实现毫米波噪声功率的实时可控输出。
优选的，所述三区集成激光器包括增益区以及分别设于增益区两端的第一DFB激光区和第二DFB激光区。在本优选方案中，第一DFB激光区和第二DFB激光区的谐振腔与弱增益耦合光栅结构相结合，避免了单反馈激光器因部分光反馈造成的输出功率损失，产生的混沌光带宽更宽，同时实现光谱线宽的大范围调谐，其光谱密度显著高于自发辐射光噪声，能够作为大带宽、高超噪比的毫米波噪声的光子熵源。
优选的，所述光子混频器为采用波导耦合及双耗尽层结构的单行载流子光电探测器。在本优选方案中，该单行载流子光电探测器比传统光电探测器的响应带宽更宽，从而实现宽谱光噪声到高频电噪声的映射，将拍频信号直接通过光子混频器进行光电转换，输出了高功率的毫米波电噪声信号。
优选的，所述光子混频器的截止带宽为325GHz。
本发明还提供了一种基于上述光子毫米波噪声信号发生器的光子毫米波噪声信号发生方法，两套混沌光发生装置中的三区集成激光器分别输出两束中心频率不同的高斯型光谱的混沌光，所述混沌光分别进入滤波器进行滤波整形，所述滤波器输出符合标准高斯分布的混沌光，所述符合标准高斯分布的混沌光输入所述光放大器进行放大后进入所述光衰减器，通过所述光衰减器对其光信号功率进行控制，两个光衰减器的输出均进入光耦合器进行拍频处理，所述光耦合器输出的拍频信号进入光子混频器进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明的宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器及其光子毫米波噪声信号发生方法，利用高光谱密度混沌激光器作为熵源的光生毫米波噪声，实现大功率、宽带可调控的毫米波噪声的产生，与现有毫米波噪声发生器相比，突破了电子带宽瓶颈，产生的噪声带宽更宽、功率更大、噪声谱更平坦、超噪比大范围可调。可用于解决工作频率上限达325GHz的待测器件的测试需求；同时通过光放大器和光衰减器的组合，可以调控两路混沌光的光功率，从而实现毫米波噪声功率的实时可控输出。
本发明解决了现有的噪声发生器均难以满足目前雷达、通信器件等所需的功率大小的问题。
附图说明
图1为本发明的模块示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器，包括两套相同的混沌光发生装置7(分别位于图1的上下两侧)、光耦合器5以及光子混频器6，每套混沌光发生装置7的输出端分别连接光耦合器5的两个输入端，所述光耦合器5的输出端连接光子混频器6的输入端，所述光子混频器6的输出端作为所述光子毫米波噪声信号发生器的输出端；其中两套混沌光发生装置7的输出分别为两束中心频率不同的高斯型光谱的混沌光。
其中，所述混沌光发生装置7具体包括三区集成激光器1、光滤波器2、光放大器3以及光衰减器4，所述三区集成激光器1的输出端连接光滤波器2的输入端，所述光滤波器2的输出端连接光放大器3的输入端，所述光放大器3的输出端连接光衰减器4的输入端，所述光衰减器4的输出端为混沌光发生装置7的输出端。
其中，所述三区集成激光器1包括增益区12以及分别设于增益区12两端的第一DFB激光区11和第二DFB激光区13。
其中，所述光子混频器6为采用波导耦合及双耗尽层结构的单行载流子光电探测器，其截止带宽为325GHz。
本实施例1的工作原理如下：
在混沌光发生装置7中，两个三区集成激光器1输出两束中心频率不同、高斯型光谱的混沌光信号，两束混沌光信号分别经过光滤波器2进行滤波整形处理，通过对光滤波器2的光谱响应进行控制即可输出符合标准高斯分布的混沌光，辅以优化混沌光子熵源参数的方法，通过结合光子混频器6的具体响应曲线来分段校正补偿，保证宽带噪声信号的频谱平坦，即当光子混频器6的高频响应较低时，调整混沌光子熵源产生的光谱，使对应产生该高频响应信号的光谱增强从而实现反向补偿，实际中一般通过观察频谱仪上毫米波信号的平坦度来进行光谱的精细调整；宽带噪声信号调整后，通过光放大器3和光衰减器4的组合，可以调控两路混沌光的光功率，从而实现毫米波噪声功率的实时可控输出，两个光衰减器4的输出均进入光耦合器5进行拍频处理，所述光耦合器5输出的拍频信号进入光子混频器6进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
实施例2
本实施例2为基于实施例1的光子毫米波噪声信号发生器的光子毫米波噪声信号发生方法，两套混沌光发生装置7中的三区集成激光器1分别输出两束中心频率不同的高斯型光谱的混沌光，所述混沌光分别进入滤波器进行滤波整形，所述滤波器输出符合标准高斯分布的混沌光，所述符合标准高斯分布的混沌光输入所述光放大器3进行放大后进入所述光衰减器4，通过所述光衰减器4对其光信号功率进行控制，两个光衰减器4的输出均进入光耦合器5进行拍频处理，所述光耦合器5输出的拍频信号进入光子混频器6进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
需要说明的是，以上实施例中所使用的各个组成部件均可采用市面上的商用产品，本发明旨在保护它们的连接关系及其实现原理，因此并未对每个产品本身的型号等进行限定。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带可控的光子毫米波噪声信号发生器，其特征在于，包括两套相同的混沌光发生装置(7)、光耦合器(5)以及光子混频器(6)，每套混沌光发生装置(7)的输出端分别连接光耦合器(5)的两个输入端，所述光耦合器(5)的输出端连接光子混频器(6)的输入端，所述光子混频器(6)的输出端作为所述光子毫米波噪声信号发生器的输出端；其中两套混沌光发生装置(7)的输出分别为负荷预设光功率以及高斯分布的混沌光。
2.根据权利要求1所述的光子毫米波噪声信号发生器，其特征在于，所述混沌光发生装置(7)具体包括三区集成激光器(1)、光滤波器(2)、光放大器(3)以及光衰减器(4)，所述三区集成激光器(1)的输出端连接光滤波器(2)的输入端，所述光滤波器(2)的输出端连接光放大器(3)的输入端，所述光放大器(3)的输出端连接光衰减器(4)的输入端，所述光衰减器(4)的输出端为混沌光发生装置(7)的输出端。
3.根据权利要求2所述的光子毫米波噪声信号发生器，其特征在于，所述三区集成激光器(1)包括增益区(12)以及分别设于增益区(12)两端的第一DFB激光区(11)和第二DFB激光区(13)。
4.根据权利要求1所述的光子毫米波噪声信号发生器，其特征在于，所述光子混频器(6)为采用波导耦合及双耗尽层结构的单行载流子光电探测器。
5.根据权利要求4所述的光子毫米波噪声信号发生器，其特征在于，所述光子混频器(6)的截止带宽为325GHz。
6.基于权利要求2～5任一项所述光子毫米波噪声信号发生器的光子毫米波噪声信号发生方法，其特征在于，两套混沌光发生装置(7)中的三区集成激光器(1)分别输出两束中心频率不同的高斯型光谱的混沌光，所述混沌光分别进入滤波器进行滤波整形，所述滤波器输出符合标准高斯分布的混沌光，所述符合标准高斯分布的混沌光输入所述光放大器(3)进行放大后进入所述光衰减器(4)，通过所述光衰减器(4)对其光信号功率进行控制，两个光衰减器(4)的输出均进入光耦合器(5)进行拍频处理，所述光耦合器(5)输出的拍频信号进入光子混频器(6)进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
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