Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu trong bộ khuếch đại quang và tác động của nó đến hiệu năng của mạng t

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay ở Việt Nam mạng thông tin quang đã phát triển rất mạnh cả về độ dài toàn tuyến truyền dẫn lẫn dung lượng thông tin truyền trong cáp quang. Sự tiến bộ này do các công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDM) đã được triển khai tốt ở tất cả các tuyến đường trục, mạng Metro và thậm chí cả mạng truy nhập trong thời gian từ năm 2006 đến nay. Để triển khai có hiệu quả các mạng đa bước sóng ở bất kỳ cấp độ nào thì khuếch đại quang sợi đóng vai trò rấ quan trọng do chúng có khả năng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần quá trình biến đổi quang điện. Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) đã được nghiên cứu và phát

triển tại Việt Nam từ cuối những năm 90 của thế kỷ XX và hiện nay đã có được công nghệ chế tạo với các thông số đạt yêu cầu sử dụng trên tuyến truyền dẫn quang. Tuy nhiên, EDFA chỉ có thể khuếch đại tín hiệu quang hiệu quả trong dải bước sóng 1530-1565 nm (độ rộng băng tần khoảng 35 nm), trong khi nhu cầu về số lượng bước sóng cần ghép trong sợi quang ngày càng cao để tăng dung lượng thông tin trong toàn tuyến cáp. Ngoài ra, khuếch đại EDFA mới chỉ được triển khai trên mạng đường trục và mạng Metro sử dụng công nghệ WDM, chưa được triển khai trên các mạng truy nhập, đặc biệt là mạng quang thụ động (PON) sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDMA).
Vì sự giới hạn về băng tần khuếch đại của EDFA, từ năm 2000 đã có các nghiên cứu về mặt công nghệ sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức để khuếch đại tín hiệu quang trong các vùng nằm ngoài vùng phổ 1530-1565 nm. Hiện nay khuếch đại quang Raman (Fiber Raman Amplifier – FRA) đã trở thành sản phẩm thương mại trên thị trường, tuy nhiên còn rất nhiều vấn đề về khoa học và công nghệ của khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức cần được nghiên cứu chuyên sâu nhằm giải quyết các vấn đề về mở rộng băng tần khuếch đại, phẳng phổ khuếch đại, nâng cao hệ số khuếch đại của FRA và ảnh hưởng của phân cực của chùm bơm và tín hiệu lên tín hiệu khuếch đại của FRA, hoặc việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các bộ khuếch đại FRA với công suất bơm thấp (<1W) trên hệ thống mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật DWDM, cũng như việc đánh giá ảnh hưởng của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và tán sắc màu đến hiệu năng của hệ thống mạng là một vấn đề đáng để quan tâm. Vì vậy luận án mong muốn đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu năng của hệ thống mạng truy nhập sử dụng kỹ thuật OCDMA, DWDM với các bộ khuếch đại EDFA và Raman bơm bằng công suất thấp. Các kết quả tính toán và mô phỏng sẽ là công cụ hỗ trợ tốt cho việc nghiên cứu triển khai hệ thống mạng truy nhập LR-PON trên thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu và tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống mạng LR-PON đa bước sóng sử dụng công nghệ OCDMA và DWDM dưới tác động của nhiễu ASE, NF, chiều bơm (do việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA và DRFA) và ảnh hưởng của tán sắc màu. Bên cạnh đó, luận án cũng mong muốn chế tạo một bộ khuếch đại quang Raman được bơm bằng công suất thấp (< 1W) sử dụng trong mạng truy nhập quang đa bước sóng.

Đối tượng nghiên cứu

Mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng công nghệ DWDM kết hợp với bộ khuếch đại quang Raman phân bố bơm bằng công suất thấp và;
Mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng công nghệ OCDMA kết hợp với bộ khuếch đại quang EDFA.

Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu được giới hạn đó là mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng kỹ thuật OCDMA và DWDM.
- Tham số hiệu năng của hệ thống được đánh giá và khảo sát trong luận án là tỉ lệ lỗi bit (BER) và tỉ số SNR.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là kết hợp giữa tính toán, mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm công nghệ. Để đạt được các mục tiêu đề ra, các bước nghiên cứu sẽ được tiến hành cụ thể như sau:

- Vận dụng các kiến thức về toán học, vật lý và quang học quang phổ để tính toán cho hệ thống truyền dẫn quang và khuếch đại quang.
- Sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như Optisystem để thiết kế các hệ thống mạng quang LR-PON.
- Thiết kế chế tạo các bộ khuếch đại quang Raman được bơm bằng công suất thấp bằng kỹ thuật điện tử và quang tử.
- Đo đạc, đánh giá đặc tính của sản phẩm được chế tạo, thử nghiệm trên tuyến truyền dẫn thực tế, so sánh với các sản phẩm thương mại.

Ý nghĩa của luận án

Luận án đánh giá ảnh hưởng của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) trong các bộ khuếch đại, NF và tán sắc màu đến hiệu năng của các hệ thống mạng LR-PON, từ đó chỉ ra vị trí thích hợp để đặt các bộ khuếch đại và cấu hình bơm thích hợp trên mạng.
Nghiên cứu một cách có hệ thống về bộ khuếch đại quang Raman, qua đó đề xuất phương án chế tạo bộ khuếch đại quang Raman bơm bằng công suất thấp, giá thành hạ và sử dụng nó có hiệu quả trong các mạng truy nhập quang đa bước sóng tại Việt Nam.

Cấu trúc của luận án

Chương 1: Tổng quan về mạng truy nhập LR-PON bao gồm: giới thiệu về mạng quang thụ động (PON), mạng LR-PON, các công nghệ ghép kênh được sử dụng trong mạng; các kiến trúc LR-PON đã được triển khai, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng LR-PON, khảo sát các nghiên cứu có liên quan để tìm ra các hạn chế và đề xuất hướng nghiên cứu.
Chương 2: Thiết kế chế tạo và khảo sát đặc tính của bộ khuếch đại quang Raman bao gồm: thiết kế phần điện tử của bộ khuếch đại, thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển nguồn bơm laser và thiết kế phần quang tử cho khuếch đại quang Raman. Khảo sát các đặc tính của bộ khuếch đại quang đã chế tạo như: khảo sát phổ phát xạ Raman tự phát, khuếch đại quang bằng hiệu ứng Raman cưỡng bức. Thử nghiệm bộ khuếch đại Raman đã chế tạo trên hệ thống mạng WDM trong thực tế, so sánh công suất nhiễu và tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang (OSNR) giữa mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên tuyến thực. Đề xuất các phương án chế tạo khuếch đại quang Raman phục vụ tuyến thông tin quang băng rộng.
Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu do bộ khuếch đại EDFA gây ra đến hiệu năng của mạng truy nhập quang đa bước sóng LR-PON sử dụng kỹ thuật OCDMA bao gồm: đề xuất kiến trúc mạng, đánh giá ảnh hưởng của nhiễu phát xạ tự phát đến hiệu năng của mạng, tìm ra vị trí thích hợp để đặt bộ khuếch đại trên tuyến.
Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của nhiễu do bộ khuếch đại Raman gây ra đến hiệu năng của mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng kỹ thuật DWDM và nguồn bơm công suất thấp (<1W) bao gồm: xây dựng mô hình mạng, đánh giá ảnh hưởng của nhiễu ASE, hệ số tạp âm và tán sắc màu trong các cấu hình bơm khác nhau.
Kết luận: Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của luận án cùng với những thảo luận xung quanh đóng góp mới cả về ưu điểm và nhược điểm từ đó đưa ra những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN .ii
MỤC LỤC .iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii
DANH MỤC CÁC BẢNG . x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1 5
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP LR-PON 5
1.1. Tổng quan về mạng truy nhập 5
1.1.1. Các giải pháp băng rộng đang tồn tại 5
1.1.2. Sợi quang cho mạng truy nhập 6
1.1.3. Mạng truy nhập thế hệ sau .7
1.1.4. PON - lựa chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập .8
1.2. Các công nghệ hỗ trợ PON .9
1.2.1. Mạng PON ghép kênh theo thời gian (TDM-PON) .11
1.2.2. Mạng PON ghép kênh theo bước sóng (WDM PON) .12
1.2.3. Mạng PON ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDM-PON) 13
1.3. Mạng quang thụ động khoảng cách dài (LR-PON) 18
1.4. Một số kiến trúc LR-PON đã được triển khai 20
1.4.1. LR-PON dựa trên TDM .20
1.4.2. LR-PON dựa trên GPON hiện có 22
1.4.3. LR-PON dựa trên WDM-PON 23
1.4.4. LR-PON dựa trên TDM và CWDM 23
1.4.5. LR-PON dựa trên TDM và DWDM 24
1.4.6. LR-PON dựa trên CDM và DWDM 25
1.5. Các tham số đánh giá hiệu năng của hệ thống mạng LR-PON 25
iv
1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng LR-PON .26
1.7. Nhiễu và các kỹ thuật xử lý nhiễu trong mạng LR-PON .28
1.7.1. Nhiễu của bộ khuếch đại EDFA trong mạng LR-PON .28
1.7.2. Nhiễu của bộ khuếch đại Raman trong mạng LR-PON .30
1.8. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án 33
1.8.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 33
1.8.1.1. Các công nghệ tăng khoảng cách truyền dẫn .33
1.8.1.2. Sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman để mở rộng băng tần khuếch đại 35
1.8.2. Các công trình nghiên cứu trong nước .37
1.9. Vấn đề nghiên cứu của luận án .38
CHƯƠNG 2 41
THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI
QUANG RAMAN 41
2.1. Nghiên cứu thiết kế phần điện tử của thiết bị FRA 41
2.1.1. Yêu cầu của nguồn laser bơm cho khuếch đại quang Raman 41
2.1.2. Mô hình của bộ khuếch đại quang Raman .42
2.1.3. Thiết kế phần điện tử bơm cho laser bán dẫn 43
2.2. Xây dựng phần mềm điều khiển nguồn laser bơm .49
2.3. Chế tạo phần điện tử cho laser bán dẫn 50
2.4. Thiết kế bộ nguồn bơm cho hệ RFA cấu trúc kiểu cộng công suất quang .51
2.5. Thiết kế phần quang tử cho khuếch đại quang sợi Raman .52
2.5.1. Laser bán dẫn công suất cao để bơm cho khuếch đại quang Raman .53
2.5.2. Mô-đun laser bán dẫn 34-0250-DW0-300 .53
2.5.3. Mô-đun laser bán dẫn SLA5653-QD-71/CV1 .54
2.5.4. Cấu hình quang tử thụ động của khuếch đại quang Raman .55
2.6. Kết quả khảo sát đặc trưng của mô-đun laser bơm 56
2.7. Kết quả khảo sát phổ phát xạ Raman tự phát sử dụng 3 nguồn laser bơm 59
2.8. Kết quả khảo sát khuếch đại quang bằng hiệu ứng Raman cưỡng bức 62
2.9. Kết quả khảo sát khuếch đại quang Raman khi sử dụng sợi đệm 68
2.10. So sánh các thông số của khuếch đại Raman thương mại và chế tạo 68
2.11. Thử nghiệm khuếch đại quang Raman đã chế tạo trên tuyến thực 72
v
2.12. Kết luận và đề xuất các phương án chế tạo khuếch đại quang Raman phục vụ
tuyến thông tin quang WDM băng rộng .77
CHƯƠNG 3 80
NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƯỚC SÓNG SỬ
DỤNG KỸ THUẬT OCDMA VÀ EDFA 80
3.1. Xây dựng mô hình mạng LR-PON sử dụng OCDMA và EDFA .80
3.2. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Optisystem .89
3.3. Phân tích các kết quả mô phỏng và so sánh kết quả với lý thuyết .91
3.4. Đánh giá hiệu năng hệ thống mạng khi sử dụng bộ thu APD 95
3.5. Kết luận chương .100
CHƯƠNG 4 102
NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƯỚC SÓNG SỬ
DỤNG KỸ THUẬT DWDM VÀ KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM BẰNG CÔNG
SUẤT THẤP . 102
4.1. Xây dựng mô hình mạng LR-PON sử dụng DWDM và khuếch đại Raman .102
4.2. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Optisystem .111
4.2.1. Cài đặt mô phỏng .111
4.2.2. Các kết quả mô phỏng .112
4.3. Kết luận chương .117
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 118
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN . 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 122