基于多芯光纖的非均勻間隔光延遲線在微波信號處理中的應用

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引言
& {( s# G& M5 g( J2 l微波光子技術(MWP)是一個關鍵領域,用于利用光子技術生成、處理、控制和分配射頻(RF)信號。MWP的一個重要功能是微波濾波,在處理寬帶和高頻微波信號方面發(fā)揮著關鍵作用。傳統(tǒng)的MWP濾波器在非相干狀態(tài)下工作,通過組合輸入信號的正振幅、調整幅度和時延復制品。然而,這些全正系數濾波器存在局限性,包括基帶處的一致諧振和較差的選擇性。
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為克服這些限制,研究人員提出了能處理負系數或復系數的結構設計。在各種設計中,非均勻間隔延遲線方法提供了吸引人的優(yōu)勢。這種技術使用非均勻時間延遲間隔和僅正抽頭實現任意帶通濾波,簡化了系統(tǒng)結構,更適合需要負系數或復系數的微波光子FIR濾波器應用。
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本文探討了利用多芯光纖(MCFs)進行微波信號處理的非均勻間隔光延遲線的新穎應用。文中提出了基于異質32芯光纖設計的可調諧方法,并使用均質7芯光纖進行了三個關鍵應用的概念驗證實驗:平頂帶通濾波、分數希爾伯特變換和微波脈沖相位編碼[1]。
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  s! Z+ A9 ]5 U異質多芯光纖設計
( F) X" F  ^7 ~1 z, i; j本研究提出了一種新穎的32芯異質MCF設計,每個芯的色散曲線經過定制。這種設計在30 nm光波長范圍內實現了可調性,為各種微波信號處理應用提供了靈活性。該光纖包含四種不同的預制棒,具有不同的折射率分布:溝輔助三角形指數、三角形指數和兩種溝輔助階躍指數分布。

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# ^' L9 ^5 w& Y. R8 m圖1顯示了四種不同預制棒的芯折射率分布,以及設計的32芯光纖的橫截面區(qū)域,包括芯分配。

9 c0 ]) O% g9 @8 [/ h0 S9 r8 ?& ]這些芯的設計目標是在1530 nm波長處呈現7.0到22.0 ps/(km?nm)的色散值。這種非均勻色散分布允許通過選擇不同的芯組合來實現各種微波信號處理功能。


圖2顯示了設計的32芯光纖每個芯的光譜群延遲和色散,以及不同信號處理應用的建議芯組合。

0 _. H  ^- J8 H  |  u. O; E對32芯MCF設計的性能進行了評估,包括群延遲、色散和對制造誤差的抵抗能力。分析表明,通過在30 nm范圍內改變光波長,樣本之間的基本延遲可調至40 ps/km。

實驗演示
! i7 _% m1 G( N! U9 ~5 n7 o7 E作為概念驗證,研究人員使用均質7芯光纖結合外部可變延遲線進行了實驗演示。實現并測試了三個關鍵的微波信號處理應用:
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1. 平頂帶通濾波器
0 I% L8 P* {/ Q3 T+ d研究團隊設計并實現了一個中心頻率為10 GHz的平頂帶通濾波器,使用5和7個芯/抽頭。實驗設置利用相位調制和25 km標準單模光纖鏈路的組合來消除基帶諧振并實現帶通功能。


* P- I( q# d" y9 O- r6 V7 \9 _) J; K圖3顯示了使用5和7個芯的帶通平頂濾波器的測量和模擬頻率響應。

結果顯示成功實現了中心頻率為10 GHz的平頂頻率響應帶通濾波器。使用5和7個抽頭/芯時,測量的濾波器帶寬分別為4.67和5.03 GHz,基帶諧振衰減約30 dB。

8 V% a# Q! s. e, [- z6 a1 Z1 b$ n2. 微波分數希爾伯特變換器
/ n0 S) a0 L" c研究人員構建了一個分數希爾伯特變換器(FHT),用于8 GHz處的不同相移,對應的分數階從0.22到1.00。實驗設置使用強度調制,并使用可變光衰減器和可變延遲線調整每個芯的功率幅度和群延遲。
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圖4顯示了各種分數階的模擬和測量FHT相位響應。

FHT性能分析顯示,根據分數階的不同,波紋和相位偏差有所變化,波紋值在1.25°到4.76°之間,相位偏差在-2.87°到2.46°之間。
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此外,研究團隊對高斯形脈沖進行了實時FHT,以評估系統(tǒng)性能。

9 n7 q" N- C6 a# ?* v圖5顯示了對高斯輸入脈沖應用不同分數階時的模擬和測量時域FHT響應。
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. \+ m, B2 A7 U8 x2 }3. 微波脈沖相位編碼器
7 X2 Y8 c8 M; \4 m1 b( ~. ~研究人員實現了巴克碼和四元巴克碼七位序列的微波脈沖相位編碼器。實驗設置使用3.125 Gb/s強度調制微波信號,對應于脈沖模式。

圖6顯示了巴克相位編碼微波信號的測量波形、相移和自相關。
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& n) M2 @' L+ i* i3 r) a8 A& M0 K圖7顯示了四元巴克相位編碼微波信號的測量波形、相移和自相關。
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& ~+ n& j( Q! i4 [4 [7 B! y結果顯示成功實現了巴克和四元巴克碼序列,相移和壓縮比與理論預測非常接近。
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結論
本文介紹了利用多芯光纖進行微波信號處理的非均勻間隔光延遲線概念。研究提出了新穎的異質32芯光纖設計,通過利用每個芯的空間多樣性和定制色散曲線,實現了可調諧和可擴展的應用。使用均質7芯光纖的概念驗證實驗證明了實現各種微波信號處理功能的可行性,包括平頂帶通濾波、分數希爾伯特變換和微波脈沖相位編碼。
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) y2 u7 z7 [( b- \6 _與傳統(tǒng)技術相比,該方法具有多項優(yōu)勢,包括增加了多功能性,減小了尺寸、重量和功耗。通過利用MCF的空間多樣性,該方法為需要負系數的微波光子應用提供了緊湊的解決方案。這種方法獲得的能量效率對下一代信息和通信系統(tǒng)特別重要,例如6G無線接入網,需要通過幾公里長的鏈路分配先進處理的信號。
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! i: h) H& ~( x參考文獻
$ ^3 b2 K6 O* o[1] M. A. González, E. Nazemosadat and I. Gasulla, "Multicore Fiber Nonuniformly-Spaced Optical Delay Line for Microwave Signal Processing," in IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3470023.
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