Bộ chia công suất quang ứng dụng cho hệ thống thông tin quang tới hộ gia đình FTTH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN VINH BỘ CHIA CÔNG SUẤT QUANG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỚI HỘ GIA ĐÌNH FTTH Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN VINH BỘ CHIA CÔNG SUẤT QUANG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỚI HỘ GIA ĐÌNH FTTH Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG PHƢƠNG CHI Hà Nội – Năm 2016 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: NGUYỄN VĂN VINH Đề tài luận văn: Bộ chia công suất quang ứng dụng cho hệ thống thông tin quang tới hộ gia đình FTTH Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông Mã số SV CA140090 : Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………………………… …………… ……………………………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………… ……………………………………………………………… ………………………………………… Ngày Giáo viên hƣớng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Hoàng Phương Chi Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Văn Vinh i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC B ẢNG, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .vii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển mạng quang 1.2 Giới thiệu mạng quang thụ động .3 1.2.1 Công nghệ PON 1.2.2 Kiến trúc mạng PON 1.2.3 Một số đặc điểm mạng PON .8 1.2.4 So sánh PON AON 1.3 Các thành phần mạng PON 11 1.3.1 Thiết bị đầu cuối mạng PON 11 1.3.2 Mạng phân phối quang (ODN) 15 1.3.3 Bộ chia công suất quang thụ động (Splitter) 15 1.4 Phân loại PON 17 1.4.1 A-PON/B-PON 17 1.4.2 E-PON 19 1.4.3 G-PON 20 1.4.4 WDM-PON 21 1.4.5 CDMA-PON 22 1.4.6 So sánh số chuẩn công nghệ PON 22 1.5 Tình hình triển khai mạng PON Việt Nam 24 1.6 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG II: TINH THỂ PHOTONIC CRYSTAL (PhC) 26 2.1 Định nghĩa 26 ii 2.2 Sóng điện từ cho tinh thể PhC 26 2.3 Phân loại tinh thể PhC theo tuần hoàn 28 2.3.1 Tinh thể PhC 1D 28 2.3.2 Tinh thể PhC 2D 35 2.3.3 Tinh thể PhC 3D 45 Kết luận chƣơng 45 CHƢƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MMI 52 3.1 Lý thuyết trƣờng điện từ 52 3.1.1 Hệ Phương trình Maxwell 52 3.1.2 Các phương trình 53 3.1.3 Các điều kiện biên 56 3.1.4 Phương trình sóng 58 3.2 Ống dẫn sóng quang 58 3.2.1 Giới thiệu 58 3.2.2 Phân tích trường điện từ ống dẫn sóng phẳng 60 62 ủ 3.2.4 Nhữ ẳng 62 64 65 66 3.3 Nguyên lý hoạt động MMI 67 3.3.1 Giới thiệu 67 3.3.2 Nguyên lý tự nhân hình ảnh 67 3.3.3 Ống dẫn sóng đa mốt 67 3.3.4 Hằng số truyền 68 3.3.5 ế độ dẫ ống dẫn sóng 70 71 73 3.3 74 iii 3.4 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD 75 KẾT LUẬN CHƢƠNG 76 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHIA CÔNG SUẤT QUANG SỬ DỤNG CẤU TRÚC PHC DÙNG PHƢƠNG PHÁP FDTD 77 4.1 Cơ chia công suất quang sử dụng cấu trúc PhC 77 4.1.1 Ống dẫn sóng (LDW) 77 4.1.2 Bộ chia hình chữ Y (1:2) 78 4.1.3 Bộ chia công suất sử dụng ghép định hướng 79 4.1.4 Bộ chia công suất nhiều miền đa mode 79 4.2 Cấu trúc chia công suất quang sử dụng cấu trúc PhC 81 4.2.1 Cấu trúc chia hình Y 81 4.2.2 Thiết kế chia công suất 1:4 hình Y 83 4.3 Cấu trúc chia công suất 1:4 87 4.4 Kết mô phƣơng pháp FDTD chế độ TE 87 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động ONU Optical Network Unit Đơn vị mạng quang OLT Optical Line Terminal Kết cuối đường quang ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn cận đồng Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing bước sóng AON Active Optical Network Mạng quang chủ động MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập EMS Element Management System Hệ thống quản lý phân tử ODN Optical Delay Network Mạng trễ quang Finite-difference time-domain Phương pháp vi sai hữu hạn method miền thời gian Multimode Interference Giao thoa đa mode WDM FDTD MMI TDMA B-PON E-PON G-PON WDM-PON CDMA-PON Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Broadband Passive Optical Mạng quang thụ động băng Network rộng Ethernet Passive Optical Mạng quang thụ động ethernet Network Gigabit Passive Optical Network Mạng quang thụ động tốc độ cao Wavelength Division Mạng quang thụ động ghép Multiplexing PON kênh phân chia theo bước sóng Code Division Multiple Access Mạng quang thụ động đa truy PON nhập phân chia theo mã v PLOAM Physical Layer Operation Lớp vật lý vận hành quản Administration And Maintenance trị ONT Optical Networh Terminal Đầu cuối mạng quang FSAN Full Service Access Network Mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ LLID Link Logic ID Đường logic ID Multi Point Control Protocol Data Giao thức đơn vị liệu điều Unit khiển đa điểm GEM G-PON Encapsulation Method Phương pháp G-PON GTC G-PON Transmission Conversion Chuyển đổi truyền dẫn G-PON AWG Arrayed Waveguide Grating Lưới dẫn sóng mảng PhC Photonic Crystal Tinh thể quang tử TM Transverse Magnetic Từ ngang TE Transverse Electric Điện ngang PIC PhC Intergrate Circuits Mạng tích hợp quang tử Plane Wave Expansion Method Phương pháp sóng mở rộng MPCPDU PWEM vi DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Bảng 1.1: So sánh số chuẩn công nghệ TDMA PON 23 Bảng 3.1: Phân loại ống dẫn sóng quang 59 Bảng 3.2: Chỉ số khúc xạ số vật liệu thông dụng 66 Hình 1.1: Topo hình .4 Hình1.2: Topo dạng Bus .5 Hình 1.3: Topo dạng vòng Hình 1.4: Topo hình kết hợp đường tải phụ Hình 1.5: Topo hình kết hợp topo dạng vòng Hình 1.6: Topo dạng vòng kết hợp Hình 1.7: Mạng quang tích cực AON 10 Hình 1.8: Mạng quang thụ động PON 10 Hình 1.9: Cấu trúc chung mạng quang thụ động (PON) 11 Hình 1.10: Sơ đồ khối chức OLT 12 Hình 1.11: Sơ đồ khối chức ONU 13 Hình 1.12: Cấu tạo chung Splitter 1:N 16 Hình 1.13: Một số loại Splitter 17 Hình 1.14: Cấu trúc chung chuẩn ABON/BPON 18 Hình 1.15: Cấu trúc chung E-PON 20 Hình 1.16: Cấu trúc chung WDM-PON 21 Hình 2.1: Màng điện môi đa lớp (tinh thể PhC D) 28 Hình 2.2: Cấu trúc vùng tương ứng cho trường hợp 29 Hình 2.3: Mô tả phân bố l ượng điện trường cấu trúc v ùng cho vùng vùng theo lý thuyết biến phân 30 Hình 2.4: Mô tả tập trung lượng điện trường vùng có độ chênh lệch cao 31 Hình 2.5: Cấu trúc vùng tinh thể PhC 1D 32 vii CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHIA CÔNG SUẤT QUANG SỬ DỤNG CẤU TRÚC PHC DÙNG PHƢƠNG PHÁP FDTD Trong chương thiết kế, mô chia công suất quang (1:2, 1:4) hình chữ Y, ứng dụng cho hệ thống thông tin quang tới hộ gia đình FTTH, sử dụng phần mềm mô chia theo phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian OptiFDTD Tài liệu tham khảo [1], [2], [9], [10] 4.1 Cơ chia công suất quang sử dụng cấu trúc PhC 4.1.1 Ống dẫn sóng (LDW) Ống dẫn sóng phần tử quan trọng vi mạch quang tử (PIC PhC Intergrate Circuits) Nó kết nối với phần tử ghép, dò, nguồn điều chế Một ống dẫn sóng quang tử đơn giản tạo cách gỡ bỏ hàng cấu trúc quang tử 4.1a Phương pháp sóng phẳng mở rộng sử dụng để mô thuộc tính cấu trúc ống dẫn sóng tinh thể quang tử Hình 4.1b mô tả cấu trúc dải ống dẫn sóng tinh thể quang tử ( hình 4.1.a) Hình 4.1: (a) Cấu trúc LDWG, (b) cấu trúc dải PC LDW 77 Hình 4.2: Truyền ánh sáng ống dẫn sóng uốn cong 90 4.1.2 Bộ chia hình chữ Y (1:2) Ví dụ chia hình chữ Y hình sau: Hình 4.3: (a) Bộ chia công suất hình chữ Y(1:2), (b) phổ truyền(các tham số mô )tại hai đầu #1 #2 bước sóng từ 1350nm đến 1600nm 78 Cấu trúc PhC đúc sẵn lớp Silicon lớp cách điện Tấm Si dày t= 220nm, lớp silica dày Cấu trúc có dạng mắt lưới hình tam giác, đường kính d=0,57a, với a khoảng cách mắt lưới (a=435 nm) Cấu trúc chia Y gồm nhánh có góc 120 4.1.3 Bộ chia công suất sử dụng ghép định hướng EI-Hang Lee thiết kế chia công suất gồm ghép hai bên ống dẫn sóng Hình 4.4: Sơ đồ chia công suất quang sử dụng cấu trúc PC dùng ghép định hướng Kết phổ truyền sau: Hình 4.5: Phổ truyền công suất theo phương pháp FDTD Như hình ta thấy hiệu suất truyền đạt 46-47% bước sóng chuẩn hóa khoảng = 0,258 4.1.4 Bộ chia công suất nhiều miền đa mode Cấu trúc chia công suất hình sau: 79 (a) (b) Hình 4.6: (a) Cấu trúc chia dùng hai hốc cộng hưởng, (b) cấu trúc chia dùng hai hốc cộng hưởng có tối ưu Tín hiệu vào từ A đến hốc cộng hưởng thứ (cavity1) qua định hướng dẫn sóng sau tới hốc cộng hưởng thứ hai cổng B Mô phổ công suất đầu ra: Hình 4.7: Phổ công suất đầu ra: Đường màu đỏ kết cấu trúc PhC mắt lưới hình vuông đường màu xanh kết cấu trúc mắt lưới tam giác 80 4.2 Cấu trúc chia công suất quang sử dụng cấu trúc PhC 4.2.1 Cấu trúc chia hình Y a) cấu trúc 3D chia Y Mode Source: Tín hiệu vào Power Monitor: Quan sát tín hiệu Hình 4.8: Mô hình 3D FDTD cho cấu trúc Y b) Thiết kế chia Y sử dụng phương pháp FDTD Bộ chia Phc hình Y mảng gồm không khí n=1, cột điện môi dày a = 550nm có chiết suất 3,47 (đối với silicon) Để đạt công suất lớn ta phải chọn cho 0,27