Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án tập trung giải quyết vấn đề nâng cao hiệu năng cho mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA, ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM và các bộ khuếch đại quang EDFA, khuếch đại quang Raman phân bố được bơm bằng công suất thấp (
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Trung Ninh NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU TRONG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 62.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2016 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP LRPON 1.1 Tổng quan mạng truy nhập Những tiến mặt công nghệ mạng đường trục, mạng doanh nghiệp mạng gia đình với bùng nổ lưu lượng truy cập Internet làm chậm đáng kể dung lượng mạng truy nhập Tại phần cuối mạng viễn thông tồn “điểm tắc nghẽn” mạng LAN dung lượng cao mạng đường trục Để giảm bớt “tắc nghẽn” băng thông này, sợi quang nút quang đưa tới gần phía người dùng công nghệ mạng quang thụ động PON ngày ý ngành công nghiệp viễn thông xem giải pháp hữu ích cho mạng truy nhập 1.2 Các công nghệ hỗ trợ PON Các công nghệ hỗ trợ PON bao gồm TDM, WDM OCDM 1.3 Mạng quang thụ động khoảng cách dài LR-PON Mạng LR-PON kiến trúc đề xuất cho phép kết hợp mạng metro mạng truy nhập lại với nhau, mở rộng khoảng cách mạng truy nhập từ 20 km chuẩn tới 100 km Các kỹ thuật kéo dài khoảng cách hoàn toàn thụ động thu hút nhà mạng Các nghiên cứu gần cho thấy, việc sử dụng khuếch đại quang tổng đài trung tâm (CO) và/hoặc tổng đài nội hạt cần thiết để quỹ công suất mạng PON khoảng cách dài (LR-PON) đảm bảo 1.4 Một số kiến trúc LR-PON đƣợc triển khai Một số kiến trúc LR-PON triển khai LR-PON dựa TDM, GPON, WDM, TDM CWDM, TDM DWDM, CDM DWDM 1.5 Các tham số đánh giá hiệu hệ thống mạng LR-PON Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR): Được định nghĩa tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu Tỉ lệ lỗi bít BER: Là tỉ số số bit thu bị lỗi tổng số bit phát đơn vị thời gian 1.6 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu mạng LR-PON Đối với mạng LR-PON đa bước sóng sử dụng cơng nghệ OCDMA DWDM giới hạn hiệu chủ yếu yếu tố sau: suy hao, tán sắc, nhiễu khuếch đại, nhiễu đa truy nhập MAI, hiệu ứng tự điều pha, hiệu ứng điều chế xuyên pha, hiệu ứng trộn bốn bước sóng, tán sắc mốt phân cực… 1.7 Nhiễu kỹ thuật xử lý nhiễu mạng LRPON Như trình bày phần 1.7 yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến hiệu mạng LR-PON nhiễu khuếch đại quang, khuếch đại sử dụng mạng Trong phần khảo sát cụ thể loại nhiễu kỹ thuật sử dụng để khắc phục ảnh hưởng chúng Các giải pháp đề xuất để hạn chế nhiễu MAI nhiễu ASE hệ thống mạng sử dụng kỹ thuật OCDMA bao gồm: tăng độ dài mã quang, sử dụng hấp thụ bão hòa dựa sợi (SA) cửa sổ thời gian quang (OTG) kết hợp SA với tách sóng hấp thụ hai photon (TPA) thu kết hợp khuếch đại quang bán dẫn có hệ số khuếch đại nằm vùng bão hòa SA (SASOA) cho phép cải thiện hiệu mạng quang thụ động tương đương với kỹ thuật xác định ngưỡng dựa sợi (bộ lọc Mamyshev) Tuy nhiên số vấn đề gặp phải với giải pháp yêu cầu chiều dài sợi phi tuyến và/hoặc xung clock đồng để khơi phục thành cơng tín hiệu gốc có mặt MAI, dễ bị ảnh hưởng thay đổi điều kiện mơi trường, chi phí cao, tăng độ phức tạp hệ thống thu phát Các kỹ thuật sử dụng để để hạn chế ảnh hưởng nhiễu khuếch đại Ranman mạng LR-PON bao gồm: sử dụng lọc dải phổ lọc miền thời gian để giảm nhiễu trộn ASE băng ngồi băng dựa vào tính chất phân cực nhiễu tín hiệu để khử nhiễu ASE Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép sử dụng cách ly quang đặt khuyếch đại Ví dụ với hệ thống sử dụng khuyếch đại Raman tập trung cách ly quang cho hệ số tạp âm thấp 5.5 dB Để giảm ảnh hưởng nhiễu RIN, cấu hình bơm ngược sử dụng để thay đổi thời gian sống (tại trạng thái lượng cao) cân với thời gian truyền dẫn qua sợi, cấu hình bơm thuận sử dụng, u cầu nguồn bơm phải có độ ổn định cao nhiễu thấp để tránh ảnh hưởng nhiễu RIN Các phương pháp xử lý nhiễu nêu nghiên cứu áp dụng mạng đường trục mà chưa nghiên cứu triển khai hệ thống mạng truy nhập, đặc biệt mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật ghép kênh DWDM khuếch đại Raman 1.8 Các nghiên cứu liên quan đến luận án Các hướng nghiên cứu hệ thống LR-PON bao gồm: tăng khoảng cách truyền dẫn, tăng tỉ lệ chia, giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu khuếch đại quang gây ra, sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman kích thích để mở rộng khoảng cách băng tần khuếch đại 1.9 Vấn đề nghiên cứu luận án Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, vấn đề nghiên cứu đề xuất luận án là: đề xuất thiết kế chế tạo khuếch đại quang Raman bơm công suất thấp ( 1200 mW < 1000 mW 10 ÷ 18 dB 11 ÷ 16 dB < 3.7 dB 3.68 dB Số bước sóng tắt bơm G.652, G.653, G.654, 1425.3 1452 nm Khoảng bước sóng OSC Vùng cơng cơng suất tín hiệu vào Bộ khuếch đại chế tạo Công suất nguồn bơm kết hợp Vùng hệ số khuếch đại – ba nguồn bơm sợi G.652 Hệ số NF công suất bơm 880mW, bơm ngược Dòng cung cấp với nguồn bơm Nhiệt độ hoạt động Công suất nhiễu ASE công suất bơm 880 mW, ngược 1.5 A 1.1 A -5 ÷ 55 oC ÷ 70 oC -36 dBm - 35 dBm Từ bảng so sánh thấy khuếch đại quang Raman chúng tơi chế tạo có hệ số khuếch đại tương đương với khuếch đại quang thương mại sử dụng tuyến công suất bơm yêu cầu thấp dòng cung cấp cho nguồn bơm thấp 2.9 Thử nghiệm khuếch đại quang Raman chế tạo tuyến thực Chúng tiến hành thử nghiệm khuếch đại quang Raman tuyến WDM thực tế nhằm đánh giá thông số thiết bị hoạt động tuyến so sánh với kết khảo sát tĩnh phòng thí nghiệm kết mô 12 2.10 Kết luận đề xuất phƣơng án chế tạo khuếch đại quang Raman phục vụ tuyến thông tin quang WDM băng rộng Chương hoàn thành việc thiết kế chế tạo khuếch đại Raman sử dụng laser bán dẫn cơng suất 350 mW, có độ ổn định cơng suất phát quang +/-1%, ổn định nhiệt độ đế laser bơm +/-0.10C chế độ dòng bơm cho laser đến 1200 mA Nguồn laser bơm kiểu cộng công suất chế tạo hộp để thuận tiện cho lắp ráp nhiều laser có điều khiển đồng thích hợp với thiết bị khuếch đại quang sử dụng tuyến thơng tin quang thực tế Bên cạnh đó, thiết kế chế tạo thành công tổ hợp quang tử cho khuếch đại quang sợi Raman theo cấu trúc phân bố cộng công suất quang Sợi quang thông tin tiêu chuẩn SMF-28 kết hợp với sợi bù tán sắc DCF thiết kế để đưa vào thử nghiệm tán xạ Raman cưỡng Các linh kiện quang tử thụ động khảo sát kỹ để phù hợp với bước sóng Stokes bước sóng tín hiệu nhằm thu hệ số khuếch đại quang tối ưu với cơng suất quang có Các kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo khảo sát khuếch đại quang Raman tuyến thông tin WDM cho phép đưa đề xuất phương án chế tạo loạt nhỏ thiết bị khuếch đại quang Raman dựa tiêu chí sau: - Mạng thơng tin quang WDM ln có bước sóng định thời sử dụng bước sóng 1508 nm, khuếch đại 13 quang cần phải khuếch đại tín hiệu Phương án tối ưu sử dụng sóng bơm Raman vùng 14201430 nm để khuếch đại tín hiệu quang vùng 15001520 nm - Mạng thông tin quang WDM có bước sóng chuẩn để định dạng lưới bước sóng thông tin, khuếch đại quang bắt buộc phải khuếch đại bước sóng với cường độ đủ lớn cho tồn tuyến Các bước sóng bơm Raman vùng 1450-1470 nm đáp ứng tốt yêu cầu - Để mở rộng băng tần khuếch đại quang cho toàn dải 1525-1600 nm, cấu hình bơm đa bước sóng cần sử dụng Cơng suất quang bơm có u cầu > 300 mW cho độ dài sợi quang > 30km Hệ số khuếch đại Raman phụ thuộc bước sóng bơm thơng số tham khảo có ích cho thiết kế khuếch đại Raman Kết so sánh băng tần khuếch đại Raman bơm bước sóng 1452 nm 1470 nm cho thấy hồn tồn mở rộng băng tần khuếch đại quang đến vài chục nano-mét vùng bước sóng 1550 nm Đây ưu điểm quan trọng khuếch đại quang Raman cho thông tin WDM - Kết hợp khuếch đại quang sợi EDFA FRA cho phép nâng cao hiệu tuyến thông tin quang 14 WDM băng tần, hệ số tạp âm NF điều chỉnh cơng suất tín hiệu thu Kết mô so sánh với thực nghiệm khuếch đại quang Raman tuyến truyền dẫn thông tin thực tế nêu trình bày Chương luận án Ngoài ra, chương tiến hành thử nghiệm khuếch đại quang Raman tuyến truyền dẫn WDM thực tế, kết thu phản ánh khuếch đại chế tạo đáp ứng tiêu chí đặt hệ số khuếch đại cao (lên đến 16dB cho bước sóng 1555.36nm), có phổ khuếch đại phù hợp với khuếch đại sử dụng tuyến, khuếch đại đồng thời bước sóng định thời 1508.6nm (tuy chưa cao nguồn bơm có bước sóng khác với nguồn bơm sử dụng tuyến thực) CHƢƠNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OCDMA VÀ EDFA 3.1 Xây dựng mô hình mạng LR-PON sử dụng OCDMA EDFA Trong chương đề xuất kiến trúc mạng truy nhập quang thụ động đa bước sóng khoảng cách dài (LR-PON) sử dụng kỹ thuật mã hóa biên độ phổ kết hợp với đa truy nhập phân chia theo mã quang (SAC/OCDMA) 15 3.1.1 Nhiễu gây khuếch đại EDFA Nhiễu chủ yếu khuếch đại quang nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) Nhiễu ASE tạo phổ rộng xung quanh tín hiệu khuếch đại, thân chúng khuếch đại qua khuếch đại Vì ASE tạo trước photodiode, làm tăng ba thành phần nhiễu khác thu quang 3.1.2 Phân tích lý thuyết Kiến trúc mạng LR-PON dựa kỹ thuật SAC/OCDMA minh họa hình 3.1 Kết cuối đường truyền quang OLT Ngƣời dùng C1 Mã hóa phổ Ptx Ngƣời dùng K C2 C1 Sợi quang L1 EDFA Mã hóa phổ Sợi quang L2 Chia công suất 1:K Ptx Ngƣời dùng Cộng công suất K:1 Ptx Giải mã + - I+(t) Ngƣỡng I-(t) Ngƣời dùng Giải mã C1 Thiết bị mạng quang ONU Mã hóa phổ K CK Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống mạng LR-PON dựa SAC/OCDM 3.2 Mô hệ thống phần mềm Optisystem Trong phần sử dụng phần mềm OptiSystem để mô hệ thống mạng LR-PON đề cập 3.3 Phân tích kết mô so sánh kết với lý thuyết 16 Các thí nghiệm mơ thực để nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu ASE vị trí khuếch đại EDFA đến hiệu mạng truy nhập quang đa bước sóng LR-PON dựa công nghệ SAC/OCDM Các kết khảo sát BER theo cơng suất phát, BER theo vị trí khuếch đại, BER theo số lượng người dùng đồng thời hệ số khuếch đại theo khoảng cách truyền dẫn cho thấy kết mơ hồn tồn phù hợp với tính tốn lý thuyết 3.4 Đánh giá hiệu hệ thống mạng sử dụng thu APD Thay thu PIN thu photodiode thác lũ (APD) khảo sát ảnh hưởng nhiễu ASE đến hiệu hệ thống trên, ngồi chúng tơi đánh giá tầm quan trọng thu APD tìm hệ số khuếch đại dòng APD phù hợp cho hệ thống Các kết tính tốn lý thuyết mô cho thấy BER số lượng người dùng cải thiện đáng kể sử dụng thu APD (với hệ số khuếch đại dòng thích hợp M=3) 3.5 Kết luận chƣơng Trong phạm vi chương này, đề xuất kiến trúc mạng truy nhập quang thụ động khoảng cách dài (LR-PONs) sử dụng kỹ thuật mã hóa biên độ phổ/đa truy nhập phân chia theo mã quang (SAC/OCDMA) Dựa mơ hình mạng đề xuất, khảo sát ảnh hưởng nhiễu ASE loại nhiễu khác Theo kết tính tốn mơ phỏng, để đạt tỉ lệ lỗi bít thấp khuếch đại EDFA nên đặt gần 17 phía phát (tức OLT) cụ thể khoảng từ 10 đến 20 km từ OLT với tổng khoảng cách tuyến truyền dẫn 90km Chúng khảo sát hệ thống trường hợp sử dụng thu PIN APD thấy sử dụng thu APD có hệ số khuếch đại dòng thích hợp (M=3) cho phép cải thiện hiệu hệ thống Ngoài kỹ thuật OCDMA khuếch đại quang EDFA triển khai hiệu mạng truy nhập quang đa bước sóng bên cạnh cơng nghệ khác DWDM khuếch đại Raman giúp nâng cao hiệu năng, tăng số lượng người truy nhập băng thông khoảng cách mạng truy nhập, nội dung trình bày Chương luận án CHƢƠNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG ĐA BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DWDM VÀ KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM BẰNG CƠNG SUẤT THẤP 4.1 Xây dựng mơ hình mạng LR-PON sử dụng DWDM khuếch đại Raman Để khắc phục nhược điểm hệ thống LR-PON triển khai trình bày phần đầu Chương 4, đồng thời mở rộng băng tần khuếch đại cho hệ thống mạng Chúng đề xuất kiến trúc mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật DWDM (khoảng cách bước sóng 0.4 nm) khuếch đại Raman phân bố DRA bơm công suất thấp 18 4.1.1 Mơ hình khuếch đại quang sử dụng tán xạ Raman kích thích Mơ hình lý thuyết để giải thích hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng sử dụng khuếch đại quang dựa hệ thống cặp phương trình vi phân mơ tả thay đổi cơng suất nguồn bơm, công suất phát xạ ngẫu nhiên cơng suất tín hiệu khuếch đại dọc theo trục sợi quang (trục z) Các hệ phương trình áp dụng cho kiểu bơm bơm nhiều bước sóng cho khuếch đại Raman, đồng thời ảnh hưởng chiều bơm, chiều tín hiệu ảnh hưởng nhiệt độ tới xạ Raman tự phát khuếch đại (ASE) 4.1.2 Phân tích lý thuyết mơ hình mạng đề xuất Trong phần chúng tơi phân tích khuếch đại Raman phân bố hệ thống truyền dẫn DWDM sử dụng hai cấu hình bơm thuận bơm ngược Tính tốn loại nhiễu gây thu, từ suy tỉ lệ lỗi bit tỉ số SNR hệ thống 4.2 Mô hệ thống phần mềm Optisystem 4.2.1 Cặt đặt mô Trong phần thiết lập mơ hình mạng DWDM LR-PON việc sử dụng phần mềm Optisystem để so sánh công suất nhiễu ASE với kết thực nghiệm chương Trong mơ hình chúng tơi sử dụng khuếch đại Raman phân bố với hai chế bơm khác bơm thuận bơm ngược 19 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM sử dụng khuếch đại Raman phân bố 4.2.2 Các kết mô Mô thực để đánh giá ảnh hưởng nhiễu ASE, NF, tán sắc màu đến hiệu mạng cấu hình bơm khác Chúng ta thấy trường hợp bơm thuận công suất nhiễu DRA thuận ngược nhỏ công suất nhiễu trường hợp bơm ngược Như bơm thuận có nhiều ưu điểm bơm ngược đứng quan điểm tối ưu nhiễu (ASE) Ngoài ra, so sánh với phổ ASE khuếch đại chế tạo chương thấy chúng tương đồng (khoảng -35dBm), điều chứng tỏ kết khảo sát mô đáng tin cậy phù hợp với thực nghiệm Các kết khảo sát hệ số tạp âm NF theo chiều dài khuếch đại, BER theo cơng suất phát cho hai trường hợp có khơng có nhiễu ASE cấu hình bơm thuận bơm ngược cho thấy ảnh hưởng nhiễu ASE tăng 20 trường hợp bơm ngược, ảnh hưởng tán sắc màu tăng trường hợp bơm ngược có nhiễu ASE 4.3 Kết luận Trong chương này, chúng tơi đề xuất mơ hình mạng LR-PON sử dụng kỹ thuật DWDM khuếch đại quang Raman phân bố để tăng khoảng cách truyền dẫn làm phẳng băng thông độ lợi Thông qua mơ hình khảo sát, chúng tơi so sánh ảnh hưởng nhiễu ASE, hệ số tạp âm NF tán sắc màu cấu hình bơm khác Các kết mơ cho thấy cấu hình bơm thuận có nhiều ưu điểm cấu hình bơm ngược đứng quan điểm tối ưu nhiễu (nhiễu ASE) Hệ số tạp âm NF cho kết tốt cơng suất bơm tăng cao cấu hình bơm thuận, điều bị ảnh hưởng tán xạ Rayleigh kép, nhân tố định việc lựa chọn khuếch đại Raman bơm công suất thấp (