基于多芯光纤的非均匀间隔光延迟线在微波信号处理中的应用

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引言
微波光子技术(MWP)是一个关键领域,用于利用光子技术生成、处理、控制和分配射频(RF)信号。MWP的一个重要功能是微波滤波,在处理宽带和高频微波信号方面发挥着关键作用。传统的MWP滤波器在非相干状态下工作,通过组合输入信号的正振幅、调整幅度和时延复制品。然而,这些全正系数滤波器存在局限性,包括基带处的一致谐振和较差的选择性。

为克服这些限制,研究人员提出了能处理负系数或复系数的结构设计。在各种设计中,非均匀间隔延迟线方法提供了吸引人的优势。这种技术使用非均匀时间延迟间隔和仅正抽头实现任意带通滤波,简化了系统结构,更适合需要负系数或复系数的微波光子FIR滤波器应用。

% R5 ?! b1 T% |( B9 f2 \% l+ K本文探讨了利用多芯光纤(MCFs)进行微波信号处理的非均匀间隔光延迟线的新颖应用。文中提出了基于异质32芯光纤设计的可调谐方法,并使用均质7芯光纤进行了三个关键应用的概念验证实验:平顶带通滤波、分数希尔伯特变换和微波脉冲相位编码[1]。
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: y8 M3 C9 N4 x4 r# v+ X1 A- ~异质多芯光纤设计
本研究提出了一种新颖的32芯异质MCF设计,每个芯的色散曲线经过定制。这种设计在30 nm光波长范围内实现了可调性,为各种微波信号处理应用提供了灵活性。该光纤包含四种不同的预制棒,具有不同的折射率分布:沟辅助三角形指数、三角形指数和两种沟辅助阶跃指数分布。

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图1显示了四种不同预制棒的芯折射率分布,以及设计的32芯光纤的横截面区域,包括芯分配。
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这些芯的设计目标是在1530 nm波长处呈现7.0到22.0 ps/(km?nm)的色散值。这种非均匀色散分布允许通过选择不同的芯组合来实现各种微波信号处理功能。
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图2显示了设计的32芯光纤每个芯的光谱群延迟和色散,以及不同信号处理应用的建议芯组合。

1 F. ]0 C- z$ K0 h& M% O3 l2 Y对32芯MCF设计的性能进行了评估,包括群延迟、色散和对制造误差的抵抗能力。分析表明,通过在30 nm范围内改变光波长,样本之间的基本延迟可调至40 ps/km。

/ Q8 Z0 `8 x% D# q9 Q0 }实验演示
作为概念验证,研究人员使用均质7芯光纤结合外部可变延迟线进行了实验演示。实现并测试了三个关键的微波信号处理应用:
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9 S! q+ n* `, J0 Z1. 平顶带通滤波器
1 r. H) h. X% s4 G) c研究团队设计并实现了一个中心频率为10 GHz的平顶带通滤波器,使用5和7个芯/抽头。实验设置利用相位调制和25 km标准单模光纤链路的组合来消除基带谐振并实现带通功能。

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图3显示了使用5和7个芯的带通平顶滤波器的测量和模拟频率响应。
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1 R4 Z6 l3 h6 W7 s0 V结果显示成功实现了中心频率为10 GHz的平顶频率响应带通滤波器。使用5和7个抽头/芯时,测量的滤波器带宽分别为4.67和5.03 GHz,基带谐振衰减约30 dB。
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2. 微波分数希尔伯特变换器
2 i  v+ E/ H( ]! ?研究人员构建了一个分数希尔伯特变换器(FHT),用于8 GHz处的不同相移,对应的分数阶从0.22到1.00。实验设置使用强度调制,并使用可变光衰减器和可变延迟线调整每个芯的功率幅度和群延迟。
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图4显示了各种分数阶的模拟和测量FHT相位响应。
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FHT性能分析显示,根据分数阶的不同,波纹和相位偏差有所变化,波纹值在1.25°到4.76°之间,相位偏差在-2.87°到2.46°之间。
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- E7 J! D+ p1 m此外,研究团队对高斯形脉冲进行了实时FHT,以评估系统性能。

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  H4 S; d2 }& s& G6 G1 [图5显示了对高斯输入脉冲应用不同分数阶时的模拟和测量时域FHT响应。

) ~+ n* g6 a$ L7 v: S# m4 U7 H3. 微波脉冲相位编码器
( n  G! Z# u4 O# P6 ]9 `研究人员实现了巴克码和四元巴克码七位序列的微波脉冲相位编码器。实验设置使用3.125 Gb/s强度调制微波信号,对应于脉冲模式。
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* N* I3 X& A; q5 I: o2 x图6显示了巴克相位编码微波信号的测量波形、相移和自相关。
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1 U. y: ?& V! U: ?. ?% L8 Q  f图7显示了四元巴克相位编码微波信号的测量波形、相移和自相关。
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结果显示成功实现了巴克和四元巴克码序列,相移和压缩比与理论预测非常接近。
' d2 a' g5 W& H7 R7 l0 O5 I$ L/ G. q
! l( w3 v% Z/ e  Z4 ?# d结论
8 w; ^' O2 ?2 @- f本文介绍了利用多芯光纤进行微波信号处理的非均匀间隔光延迟线概念。研究提出了新颖的异质32芯光纤设计,通过利用每个芯的空间多样性和定制色散曲线,实现了可调谐和可扩展的应用。使用均质7芯光纤的概念验证实验证明了实现各种微波信号处理功能的可行性,包括平顶带通滤波、分数希尔伯特变换和微波脉冲相位编码。
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与传统技术相比,该方法具有多项优势,包括增加了多功能性,减小了尺寸、重量和功耗。通过利用MCF的空间多样性,该方法为需要负系数的微波光子应用提供了紧凑的解决方案。这种方法获得的能量效率对下一代信息和通信系统特别重要,例如6G无线接入网,需要通过几公里长的链路分配先进处理的信号。

参考文献
[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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