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(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
. C- E: {+ b8 E微波光子技術(shù)(MWP)是一個關(guān)鍵領(lǐng)域,用于利用光子技術(shù)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(guān)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(diào)整幅度和時延復(fù)制品。然而,這些全正系數(shù)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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" P( n5 O3 Z  O6 z; K為克服這些限制,研究人員提出了能處理負(fù)系數(shù)或復(fù)系數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在各種設(shè)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(shù)使用非均勻時間延遲間隔和僅正抽頭實現(xiàn)任意帶通濾波,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),更適合需要負(fù)系數(shù)或復(fù)系數(shù)的微波光子FIR濾波器應(yīng)用。
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本文探討了利用多芯光纖(MCFs)進(jìn)行微波信號處理的非均勻間隔光延遲線的新穎應(yīng)用。文中提出了基于異質(zhì)32芯光纖設(shè)計的可調(diào)諧方法,并使用均質(zhì)7芯光纖進(jìn)行了三個關(guān)鍵應(yīng)用的概念驗證實驗:平頂帶通濾波、分?jǐn)?shù)希爾伯特變換和微波脈沖相位編碼[1]。
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  C1 S, a: C" G, `; S" b6 w異質(zhì)多芯光纖設(shè)計
本研究提出了一種新穎的32芯異質(zhì)MCF設(shè)計,每個芯的色散曲線經(jīng)過定制。這種設(shè)計在30 nm光波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了可調(diào)性,為各種微波信號處理應(yīng)用提供了靈活性。該光纖包含四種不同的預(yù)制棒,具有不同的折射率分布:溝輔助三角形指數(shù)、三角形指數(shù)和兩種溝輔助階躍指數(shù)分布。
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# N; M& d4 D+ p圖1顯示了四種不同預(yù)制棒的芯折射率分布,以及設(shè)計的32芯光纖的橫截面區(qū)域,包括芯分配。
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. D2 c2 g$ U4 N: a* l) c1 E這些芯的設(shè)計目標(biāo)是在1530 nm波長處呈現(xiàn)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(xiàn)各種微波信號處理功能。
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4 g$ m& N, ?8 F8 V- }, n0 G圖2顯示了設(shè)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(yīng)用的建議芯組合。

對32芯MCF設(shè)計的性能進(jìn)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(nèi)改變光波長,樣本之間的基本延遲可調(diào)至40 ps/km。

實驗演示
作為概念驗證,研究人員使用均質(zhì)7芯光纖結(jié)合外部可變延遲線進(jìn)行了實驗演示。實現(xiàn)并測試了三個關(guān)鍵的微波信號處理應(yīng)用:

1. 平頂帶通濾波器
研究團(tuán)隊設(shè)計并實現(xiàn)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(shè)置利用相位調(diào)制和25 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖鏈路的組合來消除基帶諧振并實現(xiàn)帶通功能。


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(yīng)。
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結(jié)果顯示成功實現(xiàn)了中心頻率為10 GHz的平頂頻率響應(yīng)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。

2. 微波分?jǐn)?shù)希爾伯特變換器
( \  g, }% g# B6 P9 b研究人員構(gòu)建了一個分?jǐn)?shù)希爾伯特變換器(FHT),用于8 GHz處的不同相移,對應(yīng)的分?jǐn)?shù)階從0.22到1.00。實驗設(shè)置使用強(qiáng)度調(diào)制,并使用可變光衰減器和可變延遲線調(diào)整每個芯的功率幅度和群延遲。

# T0 m9 h5 S7 F; v6 i$ f+ @5 b圖4顯示了各種分?jǐn)?shù)階的模擬和測量FHT相位響應(yīng)。

FHT性能分析顯示,根據(jù)分?jǐn)?shù)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。

此外,研究團(tuán)隊對高斯形脈沖進(jìn)行了實時FHT,以評估系統(tǒng)性能。
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圖5顯示了對高斯輸入脈沖應(yīng)用不同分?jǐn)?shù)階時的模擬和測量時域FHT響應(yīng)。

% g) D7 r2 c& b- k. j, @0 J3. 微波脈沖相位編碼器
研究人員實現(xiàn)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(shè)置使用3.125 Gb/s強(qiáng)度調(diào)制微波信號,對應(yīng)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(guān)。
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+ z2 y8 B: ?6 x+ k  T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(guān)。

結(jié)果顯示成功實現(xiàn)了巴克和四元巴克碼序列,相移和壓縮比與理論預(yù)測非常接近。

結(jié)論
本文介紹了利用多芯光纖進(jìn)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(zhì)32芯光纖設(shè)計,通過利用每個芯的空間多樣性和定制色散曲線,實現(xiàn)了可調(diào)諧和可擴(kuò)展的應(yīng)用。使用均質(zhì)7芯光纖的概念驗證實驗證明了實現(xiàn)各種微波信號處理功能的可行性,包括平頂帶通濾波、分?jǐn)?shù)希爾伯特變換和微波脈沖相位編碼。
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與傳統(tǒng)技術(shù)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(fù)系數(shù)的微波光子應(yīng)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(wǎng),需要通過幾公里長的鏈路分配先進(jìn)處理的信號。
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, Z* a3 e. I' o- I9 _. F! W參考文獻(xiàn)
( t+ p& e1 C7 J[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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