基于多芯光纖的非均勻間隔光延遲線(xiàn)在微波信號(hào)處理中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
9 d3 Q, \" x) d1 d6 u5 D微波光子技術(shù)(MWP)是一個(gè)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(hào)。MWP的一個(gè)重要功能是微波濾波,在處理寬帶和高頻微波信號(hào)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(guò)組合輸入信號(hào)的正振幅、調(diào)整幅度和時(shí)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。

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(jì)。在各種設(shè)計(jì)中,非均勻間隔延遲線(xiàn)方法提供了吸引人的優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)使用非均勻時(shí)間延遲間隔和僅正抽頭實(shí)現(xiàn)任意帶通濾波,簡(jiǎn)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(hào)處理的非均勻間隔光延遲線(xiàn)的新穎應(yīng)用。文中提出了基于異質(zhì)32芯光纖設(shè)計(jì)的可調(diào)諧方法,并使用均質(zhì)7芯光纖進(jìn)行了三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):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]。


異質(zhì)多芯光纖設(shè)計(jì)
" l7 v$ a1 I8 C% F6 J* `本研究提出了一種新穎的32芯異質(zhì)MCF設(shè)計(jì),每個(gè)芯的色散曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)定制。這種設(shè)計(jì)在30 nm光波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)性,為各種微波信號(hào)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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$ P& O0 i. B( m. |. j  d2 `* I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(jì)的32芯光纖的橫截面區(qū)域,包括芯分配。

2 _9 T) A" q# v0 E' u* S這些芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在1530 nm波長(zhǎng)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(guò)選擇不同的芯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種微波信號(hào)處理功能。
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1 z2 G) d, n* |- y+ S6 o圖2顯示了設(shè)計(jì)的32芯光纖每個(gè)芯的光譜群延遲和色散,以及不同信號(hào)處理應(yīng)用的建議芯組合。

+ Z8 z& N& ]! F; Q對(duì)32芯MCF設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行了評(píng)估,包括群延遲、色散和對(duì)制造誤差的抵抗能力。分析表明,通過(guò)在30 nm范圍內(nèi)改變光波長(zhǎng),樣本之間的基本延遲可調(diào)至40 ps/km。

實(shí)驗(yàn)演示
作為概念驗(yàn)證,研究人員使用均質(zhì)7芯光纖結(jié)合外部可變延遲線(xiàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)現(xiàn)并測(cè)試了三個(gè)關(guān)鍵的微波信號(hào)處理應(yīng)用:
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1. 平頂帶通濾波器
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中心頻率為10 GHz的平頂帶通濾波器,使用5和7個(gè)芯/抽頭。實(shí)驗(yàn)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(lái)消除基帶諧振并實(shí)現(xiàn)帶通功能。


( W% v& l6 D; |- ~8 o; }% N' G圖3顯示了使用5和7個(gè)芯的帶通平頂濾波器的測(cè)量和模擬頻率響應(yīng)。

& ?: F  R7 J& G$ [. A結(jié)果顯示成功實(shí)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(gè)抽頭/芯時(shí),測(cè)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
研究人員構(gòu)建了一個(gè)分?jǐn)?shù)希爾伯特變換器(FHT),用于8 GHz處的不同相移,對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)階從0.22到1.00。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)調(diào)整每個(gè)芯的功率幅度和群延遲。

圖4顯示了各種分?jǐn)?shù)階的模擬和測(cè)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。

/ Y5 Q5 o7 S6 f! f1 c/ E此外,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高斯形脈沖進(jìn)行了實(shí)時(shí)FHT,以評(píng)估系統(tǒng)性能。
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0 d& `% B9 r7 \圖5顯示了對(duì)高斯輸入脈沖應(yīng)用不同分?jǐn)?shù)階時(shí)的模擬和測(cè)量時(shí)域FHT響應(yīng)。
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3. 微波脈沖相位編碼器
! l- Q, T2 F2 _9 c$ K4 G研究人員實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)置使用3.125 Gb/s強(qiáng)度調(diào)制微波信號(hào),對(duì)應(yīng)于脈沖模式。

1 q/ t# y  [. s. f% n( n" ^* O圖6顯示了巴克相位編碼微波信號(hào)的測(cè)量波形、相移和自相關(guān)。
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圖7顯示了四元巴克相位編碼微波信號(hào)的測(cè)量波形、相移和自相關(guān)。

4 }1 z6 b* V1 p結(jié)果顯示成功實(shí)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(cè)非常接近。
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& b  m. H2 o- x- ~8 I" ^結(jié)論
本文介紹了利用多芯光纖進(jìn)行微波信號(hào)處理的非均勻間隔光延遲線(xiàn)概念。研究提出了新穎的異質(zhì)32芯光纖設(shè)計(jì),通過(guò)利用每個(gè)芯的空間多樣性和定制色散曲線(xiàn),實(shí)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了實(shí)現(xiàn)各種微波信號(hào)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(xiàng)優(yōu)勢(shì),包括增加了多功能性,減小了尺寸、重量和功耗。通過(guò)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(duì)下一代信息和通信系統(tǒng)特別重要,例如6G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng),需要通過(guò)幾公里長(zhǎng)的鏈路分配先進(jìn)處理的信號(hào)。

參考文獻(xiàn)
[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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