一种量子相位波动产生毫米波噪声的装置及方法与流程

本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种量子相位波动产生毫米波噪声的装置及方法。

背景技术：

量子相位波动是指单模激光器工作在阈值电流之下所产生的现象，这种现象会导致激光器光谱的展宽。噪声是信号传输中的主要干扰，在光学领域中，仪器设备或元器件所产生的噪声会大大干扰系统的动态范围、灵敏度等参数，从而降低系统的性能。因此，只要能够处理好噪声的问题，就可以在雷达、通信等工程技术领域中具有更开阔的应用前景。

噪声源的应用广泛，主要用于信号的干扰、通信和雷达系统的测试、接收机的相位跟踪等方面。目前使用最广泛的噪声源可分为天然噪声源和人造噪声源。天然噪声源是天然的辐射体，它们能够稳定地对外输出能量。人造噪声源也叫电子噪声源，包括电阻热噪声，散弹噪声等制作的噪声源。如基于以电阻热噪声为源的噪声源，现已产生输出噪声的工作频段为90ghz～100ghz，但存在着需要制冷且所需仪器体积庞大，输出功率小，耦合困难等问题，这对于实际应用是很不利的；基于以散弹噪声为源的噪声源，如雪崩二极管，现国内学者研制出频率范围为10mhz～50ghz、超噪比为5～19db的噪声，但很难满足高频的需要且测试方法比较落后，测试器件和研究目的都比较单一的问题。

基于上述的方法为源产生的毫米波噪声，受设备带宽的瓶颈限制，难以在实际中运用。而基于光学的方法产生毫米波噪声，可以解决这个问题。西班牙巴仑西亚理工大学的纳米技术中心vidal等人利用高斯滤波器对掺铒光纤放大器中放大自发辐射噪声的光谱进行滤波，经过光电探测器进行光谱到频谱的转换，产生20ghz的电噪声(ieeephoton.tech.lett.,32(10),592-594,2020)，但是经过滤波后的掺铒光纤放大器产生放大自发辐射噪声的平坦度较差。美国国家标准与技术研究院kautz教授提出利用混沌光产生白噪声的设想(j.appl.phys.,86(10),5794-5800,1999)，随后，电子科技大学江宁教授提出利用延迟自相位调制的光反馈的产生带宽为40ghz的混沌噪声谱(opt.express,27(9),12336-12348,2019)，太原理工大学张明江教授提出利用光反馈环路结合高非线性光纤产生频率范围超过50ghz的混沌噪声谱(opt.letters,45(7),1750-1753,2020)。利用混沌可以产生大功率的白噪声，但存在着频谱范围较窄的功率谱的缺点。

综上所述，当前的噪声源产生的噪声功率谱主要存在平坦度差，带宽窄的特点，因此难以在实际运用中使用。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的当前的噪声源产生的噪声功率谱主要存在平坦度差，带宽窄的缺陷，提供一种量子相位波动产生毫米波噪声的装置及方法。

所述装置包括：第一单模激光器、第二单模激光器、光耦合器以及单行载流子平衡光电探测器；

所述第一单模激光器的输出端接光耦合器的第一输入端口；所述第二单模激光器的输出端接光耦合器的第二输入端口；所述光耦合器的第一输出端口接单行载流子平衡光电探测器的第一输入端口；所述光耦合器的第二输出端口接单行载流子平衡光电探测器的第二输入端口；所述平衡光电探测器的输出端口输出宽带毫米波噪声信号。

本发明主要利用两个不同中心波长单模激光器作为宽带噪声源，工作在低于阈值电流状态下产生具有量子相位波动的光信号，两个单模激光器的输出通过光耦合器将两束光源进行耦合，光耦合器的输出通过波导集成的单行载流子平衡光电探测器，进行光谱到频谱转换从而产生毫米波噪声。本发明解决了现有噪声源的平坦度差且频谱范围较窄的问题。

优选地，所述第一单模激光器与第二单模激光器为半导体激光器。

优选地，所述第一单模激光器与第二单模激光器工作在低于阈值电流条件下。

优选地，所述第一单模激光器与第二单模激光器产生不同中心频率的量子相位波动，使得激光器的光谱进行频谱的展宽。

优选地，所述单行载流子平衡光电探测器为采用波导集成的单行载流子平衡光电探测器。

本发明所述方法包括以下步骤：

s1：利用第一单模激光器和第二单模激光器产生不同中心波长的量子相位波动的光谱；

s2：将s1产生的具有量子相位波动的光谱输入光耦合器进行耦合；

s3：将光耦合器输出的耦合信号输入单行载流子平衡光电探测器进行拍频，即光谱到电谱的转换，从而输出毫米波噪声信号。

优选地，s3具体为：单行载流子平衡光电探测器将不同中心频率的量子相位波动的光谱进行自卷积产生对应中心频率的电噪声。

优选地，中心频率的计算公式为：

其中，c为波速，λ1为第一单模激光器的中心波长，λ2为第二单模激光器的中心波长。

优选地，s3输出的毫米波噪声信号的功率谱的计算公式为：

其中，si(f)为功率谱，表示单行载流子平衡光电探测器的响应度，s(ν1)为第一单模激光器的光谱表达式，s(ν2)为第一单模激光器的光谱表达式。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明的宽带噪声信号是以单模激光器为源，其在低阈值条件下产生宽光谱且输出强度和相位具有随机性的量子噪声，突破了电子器件带宽的限制，能够产生带宽更宽、功率谱更平坦的电噪声信号。

附图说明

图1为实施例1所述量子相位波动产生毫米波噪声的装置示意图。

图2为单模激光器的光谱示意图。

图3为毫米波噪声信号的功率谱示意图。

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：

本实施例提供一种量子相位波动产生毫米波噪声的装置，如图1所示，所述装置包括第一单模激光器、第二单模激光器、光耦合器以及单行载流子平衡光电探测器。所述第一单模激光器的输出端接光耦合器的第一输入端口；所述第二单模激光器的输出端接光耦合器的第二输入端口；所述光耦合器的第一和第二输出端口接单行载流子平衡光电探测器的第一和第二输入端口；所述平衡光电探测器的输出端口输出宽带毫米波噪声信号。

需要说明的是，所述第一单模激光器与第二单模激光器工作在低于阈值电流条件下，激光器内部产生量子相位波动，使得激光器的光谱进行频谱的展宽。

所述光耦合器内部，两束不同中心频率的单模激光器汇聚一起进行自卷积产生对应中心频率的电噪声。

所述光耦合器使用2×2的光耦合器，其中两个输入端分别连接不同中心波长单模激光器与单模激光器，两个输出端连接单行载流子平衡光电探测器。

所述单行载流子平衡光电探测器为采用波导集成的单行载流子平衡光电探测器。

实施例2：

本实施例提供一种量子相位波动产生毫米波噪声的方法，所述方法基于实施例1所述装置实现。所述方法包括以下步骤：

s1：利用第一单模激光器和第二单模激光器产生不同中心波长的量子相位波动的光谱；

s2：将s1产生的具有量子相位波动的光谱输入光耦合器进行耦合；

s3：将光耦合器输出的耦合信号输入单行载流子平衡光电探测器进行光谱到电谱的转换，从而输出毫米波噪声信号。

其中，s3具体为：单行载流子平衡光电探测器将不同中心频率的量子相位波动的光谱进行自卷积产生对应中心频率的电噪声。

中心频率的计算公式为：

其中，c为波速，λ1为第一单模激光器的中心波长，λ2为第二单模激光器的中心波长。

s3输出的毫米波噪声信号的功率谱的计算公式为：

其中，si(f)为功率谱，表示单行载流子平衡光电探测器的响应度，s(ν1)为第一单模激光器的光谱表达式，s(ν2)为第一单模激光器的光谱表达式。

作为一个具体的实施例，本实施例中，两个单模激光器利用温度控制器调谐其中心波长λ1＝1549.8nm和λ2＝1550.2nm，输出两激光器均工作在低阈值条件下所产生具有量子相位波动现象的光谱，如附图2所示，其光谱表达式为s(ν1)和s(ν2)，通过2×2的光耦合器将两束光汇聚在一起后，通过在单行载流子平衡光电探测器中进行自卷积，产生在中心频率fth＝50ghz处的电噪声，如附图3所示，fth取决于两个单模激光器的中心波长。

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。