CN111541134A - 一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，包括依序连接的分布式反馈激光器，光纤隔离器，第一偏振控制器，掺铒光纤放大器，第二偏振控制器，高非线性光纤（HNLF）以及高速光电探测器。本发明方案是利用光学方法实现了毫米波噪声的产生，突破了电子带宽的瓶颈，易于产生超带宽的毫米波噪声且结构简单；输出噪声的功率取决于掺铒光纤放大器的放大功率，相比于现有电子噪声源来讲，其输出功率易于调节而且可输出的最大功率更大；由利用高非线性光纤中非线性效应、调制不稳定以及色散等联合作用实现毫米波噪声的产生，其产生噪声的频谱更加平坦，带宽更大。
Description
技术领域
本发明涉及一种噪声发生器，具体是一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，属于密码学、通信、信息安全等领域。
背景技术
在通信、自动控制、工业测量、航空航天等系统普遍存在随机噪声，尤其是毫米波噪声，对实际应用造成了严重危害。为了克服毫米波噪声的影响，往往需要使用噪声发生器对仪器设备进行抗噪声模拟。因此，需要产生人为可控的毫米波噪声，研制毫米波噪声发生器。
目前，噪声发生器的实现途径主要有数字合成技术和物理器件噪声放大技术两种。数字合成技术是利用DSP或FPGA通过线性同余法、移存器法等算法先产生一段伪随机数序列，再将伪随机数序列进行时频映射转化为噪声。虽然该技术易于实现，但是受限于器件的时钟频率，数学合成法产生的噪声频率往往低于GHz。物理器件噪声放大技术是将电阻、饱和二极管、气体放电二极管、肖特基二极管、场效应晶体管等物理器件中的噪声进行控制与放大，进而产生可控噪声。利用该技术可以产生较大带宽的噪声，而且精度比较高，但是其实现电路往往需要放大，较为复杂，而且随着带宽的增加，其输出噪声功率平坦度越差。
然而，目前噪声发生器的工作频率已经不能满足一些高频器件的工作频率。如何在非常宽的频率范围（上百GHz）内输出功率谱均匀连续、功率稳定可控的连续随机毫米波噪声信号，存在着原理、技术、工艺等诸多层面的困难。因此，发展一种新型高带宽、频谱平坦、输出功率可控且易于实现的毫米波噪声发生器迫在眉睫。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，包括依序连接的分布式反馈激光器，光纤隔离器，第一偏振控制器，掺铒光纤放大器，第二偏振控制器，高非线性光纤（HNLF）以及高速光电探测器；
其中，分布式反馈激光器输出的激光经过光纤隔离器和第一偏振控制器之后，输入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器将原始激光放大到一定功率后，经第二偏振控制器调节偏振态，输入高非线性光纤，最终由高速光电探测器进行光电转换后输出结果；由于高非线性光纤中各类非线性效应、调制不稳定以及色散联合作用，原始激光信号的光谱会发生展宽；同时，原始激光信号的频谱带宽会得到极大增强，最终的输出呈现出毫米波噪声的频谱特性，从而实现毫米波噪声的产生。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，分布式反馈激光器输出的激光的中心波长大于高非线性光纤的零色散波长，即其输出激光的中心波长位于高非线性光纤的反常色散区。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，掺铒光纤放大器将分布式反馈激光器发出的激光放大，从而使其进入高非线性光纤后发生复杂的非线性效应作用，同时不同的放大功率实现最终产生毫米波噪声的功率调节。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，高非线性光纤的非线性系数大于10 W-1km-1，原始激光放大后经过高非线性光纤后会发生一系列的非线性效应、调制不稳定以及色散的联合作用，在实现光谱极大展宽的同时，其频谱也实现极大展宽，最终输出频谱平坦的毫米波噪声。
实现上述本发明所提供的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其优点与积极效果在于：
第一：该技术方案是利用光学方法实现了毫米波噪声的产生，突破了电子带宽的瓶颈，易于产生超带宽的毫米波噪声且结构简单；
第二：该技术方案输出噪声的功率取决于掺铒光纤放大器的放大功率，相比于现有电子噪声源来讲，其输出功率易于调节而且可输出的最大功率更大；
第三：该技术方案是由利用高非线性光纤中非线性效应、调制不稳定以及色散等联合作用实现毫米波噪声的产生，其产生噪声的频谱更加平坦，带宽更大。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器的实验结果图。
图中：1：分布式反馈激光器；2：光纤隔离器；3：第一偏振控制器；4：掺铒光纤放大器；5：第二偏振控制器；6：高非线性光纤（HNLF）；7：高速光电探测器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本发明的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器包括依序连接的分布式反馈激光器1，光纤隔离器2，第一偏振控制器3，掺铒光纤放大器4，第二偏振控制器5，高非线性光纤（HNLF）6以及高速光电探测器7；
其中，分布式反馈激光器1输出的激光经过光纤隔离器2和第一偏振控制器3之后，输入掺铒光纤放大器4，掺铒光纤放大器4将原始激光放大到一定功率后，经第二偏振控制器5调节偏振态，输入高非线性光纤6，最终由高速光电探测器7进行光电转换后输出结果；由于高非线性光纤6中各类非线性效应、调制不稳定以及色散等联合作用，原始激光信号的光谱会发生展宽；同时，原始激光信号的频谱带宽会得到极大增强，最终的输出呈现出毫米波噪声的频谱特性，从而实现毫米波噪声的产生。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，分布式反馈激光器1输出的激光的中心波长大于高非线性光纤6的零色散波长，即其输出激光的中心波长位于高非线性光纤6的反常色散区。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，掺铒光纤放大器3将分布式反馈激光器1发出的激光放大，从而使其进入高非线性光纤6后发生复杂的非线性效应作用，同时不同的放大功率实现最终产生毫米波噪声的功率调节。
在本发明所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器中，高非线性光纤6的非线性系数大于10 W-1km-1，原始激光放大后经过高非线性光纤6后会发生一系列的非线性效应、调制不稳定以及色散的联合作用，在实现光谱极大展宽的同时，其频谱也实现极大展宽，最终输出频谱平坦的毫米波噪声。
如附图1所示，分布式反馈激光器1输出的中心波长为1551.400 nm的激光，经过光纤隔离器2以及第一偏振控制器 3后输入掺铒光纤放大器4，掺铒光纤放大器4将原始激光信号放大到1.0 W，放大后的激光信号输入进入长度为2.0 km，零色散波长为1550 nm，非线性系数为10 W-1km-1的高非线性光纤6，最终产生的毫米波噪声信号由高速光电探测器7进行光电转换后输出。由于放大的原始激光信号在经过高非线性光纤6时会产生非线性效应、调制不稳定以及色散等联合作用，其光谱会发生极大地展宽（展宽至几十nm）。同时，原始激光信号的频谱会得到极大抬高与展宽。最终的输出呈现出毫米波噪声的频谱特性。原理上，最终输出毫米波噪声信号的带宽可高达100 GHz以上，但是受限于高速光电探测器、频谱仪等测试设备带宽，实验上仅给出了50 GHz的结果，如图2所示。
需要特别指出的是，提高掺铒光纤放大器4的放大功率、使用非线性系数更高的高非线性光纤6以及增加高非线性光纤6的长度均可以进一步提高最终产生毫米波噪声的带宽以及频谱平坦度。此外，通过调节掺铒光纤放大器4的放大功率也可以实现最终输出毫米波噪声的功率调节。因此，本发明所公开的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器所产生的毫米波噪声带宽大（带宽可达上百GHz）、频谱平坦且功率可调节。
实现上述本发明所提供的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其优点与积极效果在于：
第一：该技术方案是利用光学方法实现了毫米波噪声的产生，突破了电子带宽的瓶颈，易于产生超带宽的毫米波噪声且结构简单；
第二：该技术方案输出噪声的功率取决于掺铒光纤放大器的放大功率，相比于现有电子噪声源来讲，其输出功率易于调节而且可输出的最大功率更大；
第三：该技术方案是由利用高非线性光纤中非线性效应、调制不稳定以及色散等联合作用实现毫米波噪声的产生，其产生噪声的频谱更加平坦，带宽更大。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其特征在于，包括：
依序连接的分布式反馈激光器，光纤隔离器，第一偏振控制器，掺铒光纤放大器，第二偏振控制器，高非线性光纤（HNLF）以及高速光电探测器；
其中，分布式反馈激光器输出的激光经过光纤隔离器和第一偏振控制器之后，输入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器将原始激光放大到一定功率后，经第二偏振控制器调节偏振态，输入高非线性光纤，最终由高速光电探测器进行光电转换后输出结果；由于高非线性光纤中各类非线性效应、调制不稳定以及色散联合作用，原始激光信号的光谱会发生展宽；同时，原始激光信号的频谱带宽会得到极大增强，最终的输出呈现出毫米波噪声的频谱特性，从而实现毫米波噪声的产生。
2.根据权利要求1所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其特征在于，分布式反馈激光器输出的激光的中心波长大于高非线性光纤的零色散波长，即其输出激光的中心波长位于高非线性光纤的反常色散区。
3.根据权利要求1所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其特征在于，掺铒光纤放大器将分布式反馈激光器发出的激光放大，从而使其进入高非线性光纤后发生复杂的非线性效应作用，同时不同的放大功率实现最终产生毫米波噪声的功率调节。
4.根据权利要求1所述的基于高非线性光纤的光生毫米波噪声发生器，其特征在于，高非线性光纤的非线性系数大于10 W-1km-1，原始激光放大后经过高非线性光纤后会发生一系列的非线性效应、调制不稳定以及色散的联合作用，在实现光谱极大展宽的同时，其频谱也实现极大展宽，最终输出频谱平坦的毫米波噪声。
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