使用单根少模光纤的平衡微波光子链路研究

美国海军研究实验室的研究人员首次展示了平衡微波光子链路，该链路利用模分复用将其光路合并到一根六模少模光纤中。由于不可忽略的模态串扰，与等效的传统平衡链路相比，该链路表现出过多的射频增益波动。

在迫在眉睫的光通信容量紧缩的推动下，少模光纤 (FMF) 旨在提高数字光纤链路的数据容量，是众多不同研究的课题之一。通过利用空间模式作为额外的自由度，数字通信链路的容量可以乘以 FMF中的模式数。另一个好处是，最近对 FMF 和模分复用方法的研究可以在数字通信之外的其他应用中得到利用。重要的是，它们还被证明可用于多种模拟射频 (RF) 和微波光子应用，包括用于提高光功率处理能力的传统模拟光子链路以及创建有限脉冲响应滤波器和真实时间延迟。同时，另一个潜在的应用可能受益于FMFs提供的额外自由度，即平衡微波光子链路。与具有直接检测 (IMDD) 的标准强度调制光子链路相比，平衡微波光子链路表现出改进的射频增益和噪声性能。

在平衡链路中，Mach-Zehnder 强度调制器 (MZM) 的两个输出都被检测到，与标准 IMDD 链路相比，光电流增加了一倍，因此射频增益提高了 6 分贝 (dB)。此外，共模噪声，例如来自激光源和光放大器的噪声，在光电检测后通过差分光电流被拒绝。然而，平衡链路往往比标准 IMDD 链路更难构建和操作。它们对于更长距离（即长途）和更高频率的操作尤其具有挑战性；单独的光纤路径必须精确地进行 RF 相位匹配，并且在操作中，两个单独的单模光纤 (SMF) 跨度之间的任何温差变化和/或机械应力都会导致它们的光路径长度发生相对变化。例如，温度波动可以在 1550 nm处将通过 SMF 的传播延迟改变高达 40 ps/km/K。

图注. (a) 基于 FMF 的平衡链路的体系结构，它利用两个 MDM 组合，然后将MZM的两个输出分离到单个FMF范围内。图中还显示了 FMF 的模式强度分布 (|E2|)。 (b) 传统平衡光子链路的架构，它利用两个独立的 SMF 跨度。可变光衰减器：VOA； 光学移相器：8个； 平衡光电探测器对；PDs。

这里，不是利用两个单独的 SMF 跨度来传播 MZM 的两个互补 RF 调制光信号，而是可以将两个输出模分复用 (MDM) 到单个 FMF 跨度中。由于大部分链路由单个 FMF 跨度组成，因此只有链路前端和后端的短光纤部分需要光路长度匹配。这大大减轻了构建链接的挑战，尤其是对于非常长的长度。此外，主要基于 FMF 的架构可能对环境扰动更具弹性，因为这两个信号在同一个 FMF 核心内共同传播。然而，沿着同样的思路，共同传播模式之间不可忽略的串扰可能会对链路的性能产生不利影响。

为此，研究人员首次展示了一种平衡的微波光子链路，Mach-Zehnder (MZM) 的两个输出都被模分复用到单个六模FMF中或从单个六模FMF中输出。通过测量了多对模式的射频增益谱（S21s）和单个频率的射频增益随时间的变化（零跨度），所有这些都显示平衡链路的射频增益提高了+6 dB。与所有其他模式组合相比，在射频增益和增益稳定性方面，LP02 + LP01 模式对的整体性能是最佳的，而其他模式对显示出不可忽略的光强度波动，因此，不利的射频增益波动。研究人员将基于FMF 的链路性能与基于等效长度单模光纤 (SMF) 的平衡链路进行了比较，并讨论了过量射频增益波动的来源。

研究表明，多路复用和传播期间的模态串扰会导致有害的射频增益波动，从而对平衡链路的性能产生不利影响，最终限制了其实用性。考虑到多余的射频增益波动是不可避免的，基于少模光纤的平衡链路在现场可能不实用或不可靠。