铌酸锂电光调制器及Radio over Fiber组网设计

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。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 RoF技术介绍

1．2．2 铌酸锂电光调制器的研究现状

1．3 课题的研究目的及意义

1．4 相关工作安排

第二章 铌酸锂晶体及调制器基础

2．1 铌酸锂晶体的电光性质

2．1．1 电光效应的折射率椭球表示

2．1．2 铌酸锂晶体的电光调制原理

2．1．3 铌酸锂薄膜材料

2．2 铌酸锂的双折射特性

2．2．1 o光和e光的介绍

2．2．2 铌酸锂晶体实现偏振复用的原理

2．3 MZ调制器的工作原理

2．4 电光调制器的设计要求

2．4．1 几种典型的电光调制器

2．4．2 电光调制器的主要性能参数

2．4．3 电光调制器设计应考虑的问题

2．5 本章小结

第三章 基于铌酸锂MZI结构的偏振复用和解复用器的设计

3．1 多模干涉的原理

3．1．1 导模传输分析法

3．1．2 多模干涉的成像分析

3．2 铌酸锂薄膜的仿真设计

3．3 基于多模干涉原理的铌酸锂耦合器设计

3．3．1 输出无相差耦合器的设计

3．3．2 输出相差π/2的耦合器的设计

3．4 MZI结构的偏振复用器及解复用器设计

3．5 本章小结

第四章 铌酸锂偏振复用IQ调制器的设计

4．1 MZM的光波导设计

4．1．1 Y分叉与MMI耦合器的比较

4．1．2 TE／TM偏振态MZM的设计

4．2 无相位延迟线的IQ调制器设计

4．2．2 IQ调制器工作原理

4．2．3 铌酸锂IQ调制器的设计

4．3 集成偏振复用IQ调制器的设计

4．4 本章小结

第五章 铌酸锂模拟电光调制器设计

5．1 模拟调制器的设计分析

5．1．1 模拟调制与数字调制的比较

5．1．2 电光调制器电极设计要求及分析方法

5．1．3 TE／TM对应的晶体切向与电极结构

5．1．4 模拟调制器总体结构设计

5．2 MZM电极设计

5．2．1 电极设计分析

5．2．2 MZM(TM)电极设计

5．2．3 MZM(TE)电极设计

5．3 本章小结

第六章 基于RoF的分布式天线组网及业务承载

6．1 承载的业务体域网简介

6．1．1 体域网研究概述

6．1．2 体域阿通信标准与ZigBee协议比较

6．1．3 体域网网络架构的设计思路

6．2 以RoF为基础的分布式天线组网设计

6．2．1 ZigBee无线组网

6．2．3 承载体域网业务的分布式无线组网

6．3 实验展示及业务呈现

6．3．1 实验系统搭建

6．3．2 传感数据处理与发布

6．4 本章小结

第七章 总结

7．1 论文总结与创新

7．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间研究成果