铌酸锂电光调制器及Radio over Fiber组网设计

发布时间：2020-08-03 09:49

【摘要】：云计算和大数据技术的发展,对通信系统信息传输速率提出了更高的要求,光纤由于其大带宽、抗干扰能力强、成本低等优点被广泛应用于光通信网络中。光通信系统中比较关键的器件之一为调制器,调制器在高速数字通信系统和模拟通信系统中都发挥着重要的作用。RoF技术可以解决光纤覆盖灵活性差的缺点,与无线通信相结合,提高了信息的传送距离和覆盖范围,且通过简化基站设计和中心站汇聚复杂设备的设计,大大降低了系统的运营成本。本文主要包含两部分工作:基于铌酸锂材料的相关光波导器件的研究和RoF组网相关的设计。本文研究内容如下:首先对高速光通信系统应对通信要求飞涨的优势和RoF及其关键器件铌酸锂调制器进行了简单的介绍,对铌酸锂材料的重要物理特性电光效应和双折射效应进行了相应理论基础的介绍以及分别用于电光调制和偏振复用的原理分析推导,并对MZ调制的原理以及MZ调制器的设计性能参数提出了要求。对多模干涉理论及自影像效应进行了相关介绍并以此为基础设计了以铌酸锂为材料的输出相差为π/2和输出相差为0的]MMI耦合器,它们是本文光波导设计中的耦合器部分的结构。以输出相差为π/2的MMI耦合器为分光和合光结构,设计了以铌酸锂为材料的基于MZI结构的偏振复用解复用器,为和铌酸锂调制器集成提供了条件。以输出相差为0的MMI耦合器代替传统Y分叉设计的MZM,以输出相差为π/2的MMI耦合器代替传统IQ调制中的移相器结构,以MZM为强度调制器结构设计了铌酸锂材料IQ调制器,并和偏振复用解复用器集成在同一块铌酸锂基片上设计了集成偏振复用IQ调制器,该集成调制器为全铌酸锂薄膜材料,全部采用MMI耦合结构。通过对高速模拟电光调制器的分析介绍了行波电极的选用原则及准静态保角变换的数学分析方法,根据铌酸锂晶体的z切向、调制电场和TE、TM线偏振的关系,分别设计了工作在TE和TM模式下的CPW行波电极和MSL行波电极结构,使得调制器可以利用最大电光系数,减少为了获得单一偏振态而带来的光能量损耗,提高了调制带宽和调制效率。最后分析了体域网通信标准IEEE802.15.6和ZigBee协议标准,将ZigBee传感器应用于体域网的传感中。以RoF为基础实现了 ZigBee天线拉远,设计了承载体域网相关业务的基于RoF的分布式天线组网,利用RoF链路将远距离大范围的传感终端与中心站进行数据交换,采用B/S架构的方式来对体域网相关数据信息进行业务呈现,增加了系统的覆盖范围和信息处理能力。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN761
【图文】：

双工,链路,基站

ＲｏＦ可以充分发挥光纤通信的优点和无线通信灵活覆盖的优点，解决射频逡逑信号传输距离短损耗大的缺陷。ＲｏＦ技术的高灵活度和高性价比使其成为光纤无逡逑线接入技术最有前景的解决方案之一。ＲｏＦ系统由基站和中心站组成，如图１－１逡逑所示。基站的数量是很庞大的，所以基站的设计应该尽可能的简单以便降低整个逡逑系统的成本。很多基站共同接入同一个中心站，微波毫米波信号在中心站产生和逡逑处理，通过光纤传输将所需要的射频信号馈送到基站进行天线发送，基站只需要逡逑完成基本的电光转换后直接通过天线实现无线覆盖。上行方向基站完成天线信号逡逑加载到到光载波上传输到中心站，下行方向中心站射频信号加载到光载波传输到逡逑基站。中心站集中了邋ＲｏＦ系统中所有复杂成本高的设备［１３］，完成对信号的编码、逡逑运算处理等复杂操作，基站功能简化为只完成电光和光电转换即可，大幅度的降逡逑低了系统的运营成本［１４］，同时便于对中心站的升级和维护操作。逡逑中心站逦基站逡逑逦逦下行方向ｔ逡逑丨辟柯邋＿＿ｒ＾－］＿逦（Ｄ逦ｒ＾－ｉ逡逑｜与发送逦Ｅ／0邋Ｉ逦＾邋Ｑ／Ｅ逦１逦馨逡逑逦ｍｍ逡逑Ｉ邋胃sE邋＿＿逦ＳＤ逦ｒ＾ｎ逦Ｔ逡逑和处理邋ｉ邋ｔ／ｕ邋ｒ逦０／Ｅ逡逑上行方向逡逑？４＾逦逦逦逡逑图１－１邋ＲｏＦ基本双工链路的组成逡逑光载射频通信系统（ＲｏＦ）可以充分发挥光纤通信的优点和无线通信灵活覆逡逑盖的优点

复合波,单轴晶体,电光调制,晶体

旋转椭球面和球面的切向关系又分为负单轴和正单轴，负单轴晶体的复合波面图逡逑中旋转椭球面的短半轴等于球面半径并且椭球面外切于球面，这类晶体以方解石逡逑为代表，ＬＮ晶体也属于负半轴晶体。如图２－１所示为单轴晶体中的复合波面图。逡逑ｚ逦ｚ逡逑Ｓ逡逑？邋ｘ逦？邋ｘ逡逑ｎ0邋ｊ逦ＩＩ。逡逑＼邋＞邋／／邋＾邋，逡逑￣＾邋￣￣邋Ｊ逦ｒｉ逦ｒ－７邋￣逡逑ｎ0邋＞ｉｉｅ逦ｎ0邋＜ｎ＾逡逑负单轴晶体逦正单轴晶体逡逑图２－１单轴晶体中的复合波面图逡逑与光的电光调制类似，0光和ｅ光在晶体中传播时也会因为折射率的不同而逡逑传播速度不同。入射到晶体中的一束平行光在晶体内分解为0光和ｅ光传播方向逡逑不变，但折射率不同，根据光程的定义逡逑式中Ｓ为光程，ｎ为晶体的折射率，Ｌ为晶体的长度逡逑可得0光和ｅ光的光程分别为％ｉ？，由此带来的相位延迟分别为逡逑办所产生的0光对ｅ光的相差为＃邋＝逦－？）１，逡逑Ａ逦ｅ邋Ａ邋ｅ逦Ａ邋°邋ｅ逡逑而因为ｏ光和ｅ光振动方向垂直所以它们不会发生干涉现象，通过控制Ｌ的长度逡逑可以任意控制它们之间的相差来达到偏振分离的目的。波长为１５５０ｎｍ的入射光逡逑通过ＬＮ晶体时

结构图,调制器,结构图,光信号

ＭＺＩ）将单根光波导的相位调制变化转换为强度调制的变化，其数学分析比较容逡逑易，且具有优良的特性。逡逑如图２－２为一个基于ＭＺＩ结构调制器的示意图，蓝色为通光波导，黄色为金逡逑属电极并连接输入信号。输入光信号经过Ｙ型分支等分为两路功率相等的光信逡逑号进入两路干涉臂传播，每一路相当于一个相位调制器，在输出端两个波导臂的逡逑信号合并为一路信号输出。逡逑调制信ｐｖ】（ｔ）逡逑N逦／＂／邋士逦飞Ｖ逡逑输入光｛ｇ号Ｅｉｎ（ｔ），金属‘极逦＿逦＼邋输出光信号Ｅｇ邋（ｔ）逡逑＼逦＼逦调制信号％（０邋厂逡逑＼逦１邋Ｊ逡逑图２－２马赫曾德尔调制器（ＭＺＭ）结构图逡逑假定输入光信号Ｅｍ（ｔ）进入一个理想的３ｄＢ邋Ｙ分支，则输出光信号为逡逑Ｅ逦ｅｊ＾＋＾Ｅ逡逑２逦２逦＋邋２邋ｎｉｎｅ逡逑，逦、０），＋＾逦（２－１７）逡逑＝邋￡ｗｃｏｓ邋—；—邋ｅ逡逑＼逦厶逦Ｊ逡逑１３逡逑

【参考文献】