Phân tích thiết kế bộ chia công suất quang dựa trên bộ ghép giao thoa đa mốt cho mạng quang thụ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Quang Minh Phân tích, thiết kế chia cơng suất quang dựa ghép giao thoa đa mốt cho mạng quang thụ động LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ĐÀO NGỌC CHIẾN HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ĐOAN Luận văn hoàn thành sau thời gian tơi nghiên cứu tìm hiểu nguồn tài liệu học, sách báo chuyên ngành thông tin Internet mà theo hồn tồn tin cậy Tơi xin cam đoan luận văn khơng giống với cơng trình nghiên cứu hay luận văn trước mà biết Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Người thực Trần Quang Minh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ .11 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG 11 1.1 Giới thiệu mạng quang thụ động 11 1.1.1 Công nghệ PON 11 1.1.2 Kiến trúc mạng PON 11 1.1.3 Một số đặc điểm mạng PON .15 1.1.4 So sánh PON AON 16 1.2 Các thành phần mạng PON 19 1.2.1 Các đầu cuối mạng PON 19 1.2.2 Mạng phân phối quang (ODN) 23 1.2.3 Bộ chia công suất quang thụ động (Splitter) .23 1.3 Phân loại PON 25 1.3.1 A-PON/B-PON 26 1.3.2 E-PON 27 1.3.3 G-PON 29 1.3.4 WDM-PON 29 1.3.5 CDMA-PON 30 1.3.6 So sánh số chuẩn công nghệ PON 31 1.4 Tình hình triển khai mạng PON Việt Nam 32 1.5 Kết luận chương 33 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MMI 34 2.1 Lý trường điện từ 34 2.1.1 Hệ Phương trình Maxwell 34 2.1.2 Các phương trình 35 a Trường phụ thuộc thời gian biến đổi nhanh .35 b Trường cân 36 c Trường tĩnh gần tĩnh 38 2.1.3 Các điều kiện biên .38 2.1.4 Phương trình sóng 40 2.2 Ống dẫn sóng quang .40 2.2.1 Giới thiệu .40 2.2.2 Phân tích trường điện từ ống dẫn sóng phẳng 42 2.2.3 Vector sóng dọc 43 2.2.4 Những giá trị đặc trưng ống dẫn sóng phẳng 44 2.2.5 Ống dẫn sóng đối xứng 46 2.2.6 Phương pháp số hiệu .47 2.2.7 Vật liệu 48 2.3 Nguyên lý hoạt động MMI .48 2.3.1 Giới thiệu .48 2.3.2 Nguyên lý tự nhân hình ảnh .49 2.3.3 Ống dẫn sóng đa mốt 49 2.3.4 Hằng số truyền .50 2.3.5 Số lượng chế độ dẫn ống dẫn sóng .52 2.3.6 Phân bố trường bên ống dẫn sóng 53 2.3.7 Giao thoa tổng 54 2.3.8 Giao thoa đối xứng 56 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHIA CÔNG SUẤT QUANG DỰA TRÊN PHẦN MỀM OPTIBPM 57 3.1 Phân tích, thiết kế 57 3.1.1 Cấu trúc chia 57 3.1.2 Xác định thông số vật lý chia 58 3.2 Mô 60 3.2.1 Dữ liệu đầu vào 60 3.2.2 Kết mô 62 a Các mốt dẫn miền đa mốt 62 b Phân bố trường Splitter 1:4 66 c Công suất cổng đầu 68 d Mô Splitter 1:8 71 KẾT LUẬN .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 𝛽𝛽 Hệ số truyền 𝜆𝜆0 Bước sóng 𝛾𝛾 Hệ số suy giảm 𝐸𝐸 Điện trường 𝑃𝑃 Cơng suất truyền ống dẫn sóng 𝑛𝑛𝑠𝑠 Chỉ số khúc xạ lớp đế 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng 𝜔𝜔 Tần số góc ℎ Độ rộng vật lý miền đa mốt 𝜇𝜇0 Hệ số từ thẩm không gian tự 𝑐𝑐 Vận tốc ánh sáng khơng gian tự 𝐾𝐾 Vector sóng ngang 𝐻𝐻 Từ trường 𝑛𝑛𝑓𝑓 Chỉ số khúc xạ lớp lõi 𝑛𝑛𝑐𝑐 Chỉ số khúc xạ lớp vỏ 𝑘𝑘0 Vector sóng chân không ℎ𝑒𝑒 Độ rộng hiệu dụng miền đa mốt 𝐿𝐿𝜋𝜋 Chiều dài nhịp chế độ thấp miền đa mốt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng APON ATM Passive Optical Network Chuẩn APON AlGaAs Aluminium Gallium Arsenide Aluminium Gallium Arsenide BPM Beam Propagation Method Phương pháp lan truyền tia BPON Broadband Passive Optical Chuẩn BPON Network CDMA Code Division Multiple Access CDMA - CDMA Passive Optical Network Đa truy nhập phân chia theo mã Chuẩn CDMA-PON PON CO Central Office Tổng đài trung tâm DBA Dynamic Bandwidth Allocation Phân cấp băng thông động EMS Element Management System Hệ thống quản lý thiết bị EIM Effective index method Phương pháp số hiệu EPON Ethernet Passive Optical Network Chuẩn EPON FSAN Full Service Access Network Mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FTTH Fiber to the home Cáp quang đến thuê bao GaAs Gallium arsenide Gallium arsenide GEM GPON Encapsulation Method Phương thức đóng gói GPON GPON Gigabit Passive Optical Network Chuẩn GPON GTC GPON Transmission Conversion InGaAsP Indium Gallium Arsenide Cấu trúc khung truyền GPON Indium Gallium Arsenide Phosphide Phosphide InP Indium Phosphide Indium Phosphide MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập theo địa MMI Multi-mode interference Giao thoa đa mốt ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối kênh quang ONU Optical Network Unit Thiết bị kết cuối mạng quang Physical Layer Operation Tế bào quản lý vận hành lớp Administration and Maintenance vật lý PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động SiO2 Silica- Silicon Dioxide Silica- Silicon Dioxide TDMA Time Division Multiple Access Đa chia nhập phân chia theo PLOAM thời gian TE Transverse Electric Điện ngang TM Transverse Magnetic Từ ngang VDSL Very-High-Speed Digital Đường dây thuê bao số tốc độ Subscriber Line cao VPI/VCI Virtual Path Identifier/ Virtual Nhận dạng đường ảo/Nhận dạng kênh ảo Circuit Identifier WDM- Wavelength Divisions Multiplex - PON Passive Optical Network Chuẩn WDM-PON DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Suy hao chia Splitter 25 Bảng 2: So sánh số chuẩn công nghệ TDMA PON 31 Bảng 3: Phân loại ống dẫn sóng quang .41 Bảng 4: Chỉ số khúc xạ số vật liệu thông dụng 48 Bảng 5: Số lượng chế độ dẫn hỗ trợ ống dẫn sóng .52 Bảng 6: Khoảng cách ống dẫn sóng độ lớn công suất khớp nối .58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Topo hình .12 Hình 2: Topo dạng Bus .13 Hình 3: Topo dạng vòng 14 Hình 4: Topo hình kết hợp đường tải phụ 14 Hình 5: Topo hình kết hợp topo dạng vịng 15 Hình 6: Topo dạng vòng kết hợp 15 Hình 7: Mạng quang tích cực AON 18 Hình 8: Mạng quang thụ động PON 18 Hình 9: Cấu trúc chung mạng quang thụ động (PON) .19 Hình 10: Sơ đồ khối chức OLT 20 Hình 11: Sơ đồ khối chức ONU 21 Hình 12: Cấu tạo chung Splitter 1:N 24 Hình 13: Một số loại Splitter .25 Hình 14: Cấu trúc chung chuẩn ABON/BPON 27 Hình 15: Cấu trúc chung E-PON 28 Hình 16: Cấu trúc chung WDM-PON .30 Hình 17: Ống dẫn sóng phẳng 42 Hình 18: Điện ngang (TE) Từ ngang (TM) 42 Hình 19: Vector sóng dọc (β) vector sóng ngang (k) 43 Hình 20: Phân bố điện trường ngang ống dẫn phẳng 44 Hình 21: Ống dẫn sóng đối xứng 46 Hình 22: Mơ tả phương pháp số hiệu 47 Hình 23: Ống dẫn sóng đa mốt số bước 50 Hình 24: Ví dụ chuẩn hóa biên độ trường ngang 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 54 Hình 25: Mơ tả trường đầu vào 𝐸𝐸𝐸𝐸, ống dẫn sóng đa mốt .56 Hình 26: Cấu trúc chung chia công suất quang 1:N 57 Hình 27: Cấu trúc mô chia công suất quang 1:4 .59 Hình 28: Thiết lập thơng số vùng bán dẫn 60 Hình 29: Thiết lập thơng số lớp dẫn 60 Hình 30: Thiết lập thông số lớp vỏ 61 Hình 31: Chọn chế độ mô 61 Hình 32: Thiết lập thơng số chạy mô .62 Hình 33: mốt sóng vùng MMI Splitter 1:4 .63 Hình 34: Mốt sóng từ – vùng MMI Splitter 1:4 63 Hình 35: Mốt sóng từ – 11 vùng MMI Splitter 1:4 64 Hình 36: Mốt sóng từ 12 – 15 vùng MMI Splitter 1:4 64 Hình 37: Mốt sóng từ 16 – 19 vùng MMI Splitter 1:4 65 Hình 38: Mốt sóng từ 20 – 23 vùng MMI Splitter 1:4 65 Hình 39: Mốt sóng từ 24 – 27 vùng MMI Splitter 1:4 66 Hình 40: Phân bố trường Splitter 1:4 chế độ TE 67 Hình 41: Mơ Splitter 1:4 chế độ TM 68 Hình 42 (a) (b): Cơng suất cổng đầu Splitter 1:4 70 Hình 43: Mơ Splitter 1:8 chế độ TE .71 Hình 44: Mô Splitter 1:8 chế độ TE .71 Hình 45 (a), (b): Công suất cổng đầu Splitter 1:8 73 Hình 39: Mốt sóng từ 24 – 27 vùng MMI Splitter 1:4 b Phân bố trường Splitter 1:4 Trong hình trình bày kết mơ phân bố trường Splitter 1: chế độ TE TM Chế độ TE: 66 Hình 40: Phân bố trường Splitter 1:4 chế độ TE Chế độ phân cực TM: 67 Hình 41: Mơ Splitter 1:4 chế độ TM Hình 40, 41 mơ tả phân bố trường, lan truyền tia sáng Splitter 1:4 chế độ TE TM Ta thấy lan truyền tia sáng chế độ gần tương tự Trường miền đa mốt kích thích trường đầu vào, sau lan truyền với số truyền khác Tương ứng với số truyền mốt dẫn khác nhau, giao thoa chế độ dẫn khác nhau, dẫn đến nguyên lý tự nhân hình ảnh tức trường đầu vào tái tạo lại cổng đầu (số lượng hình ảnh tái tạo đầu phụ thuộc vào chiều dài miền đa mốt) c Công suất cổng đầu 68 (a) 69 Hình 42 (a) (b): Công suất cổng đầu Splitter 1:4 70 Hình 42 a, b cho thấy lượng đầu Splitter 1:4 tương đối ngang nhau, đạt 24% cho sóng TE TM so với lượng đầu vào Năng lượng truyền đạt chia đạt 98%, suy hao không 2% d Mô Splitter 1:8 Với bước phân tích, thiết kế tương tự với Splitter 1:4, thực mô Splitter 1:8 kết sau: Hình 43: Mơ Splitter 1:8 chế độ TE Hình 44: Mơ Splitter 1:8 chế độ TE 71 (a) 72 Hình 45 (a), (b): Công suất cổng đầu Splitter 1:8 73 Hình 45 a, b cho thấy lượng cổng đầu Splitter 1:8 tương đối ngang nhau, đạt 12% cho sóng TE TM so với lượng đầu vào Năng lượng truyền đạt chia đạt 98%, suy hao không 2% Như vậy, với luận văn thực thiết kế mô chia công suất quang với tỷ lệ 1:4 1:8 dựa giao thoa đa mốt Kết mô cho thấy chia đạt hệ số truyền đạt lượng cao 98% Trong thời gian tới, có hội tiếp tục nghiên cứu lĩnh vực này, tiếp tục phát triển chia với tỷ lệ chia tách cao 74 KẾT LUẬN Công nghệ PON đời mở tiềm lớn cho triển khai dịch vụ băng rộng thay dần hệ thống mạng truy nhập cáp đồng Với nhiều ưu điểm vượt trội tiết kiệm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ, băng thông cao, chất lượng tốt…Công nghệ PON xu hướng phát triển Việt Nam thời gian tới Trong nội dung luận văn trình bày nét tổng quan cơng nghệ PON như: đặc điểm, cấu trúc mạng, ưu nhược điểm, phân loại…và tập trung sâu nghiên cứu vào Splitter, thành phần chủ yếu nhắc đến công nghệ PON Splitter thiết kế dựa giao thoa đa mốt (MMI) có nhiều ưu điểm vượt trội so với chia công suất khác như: suy hao thấp, cấu trúc đơn giản, tỷ lệ chia tách cao, bước sóng hoạt động rộng Với ưu điểm Splitter MMI tiếp tục ứng dụng rộng rãi phát triển tương lai Hướng phát triển nghiên cứu: Tác giả xin đề cập số hướng nghiên cứu thời gian tới:  Nghiên cứu phân tích, thiết kế chia cơng suất quang có tỷ lệ chia cao 1:16; 1:32; 1:64 1:128  Nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị quang thụ động  Nghiên cứu đưa giải pháp triển khai công nghệ PON Việt Nam  Nghiên cứu thêm ứng dụng MMI: thiết kế chế tạo thiết bị quang (điều chế quang, ghép kênh quang…)… Trong thời gian thực nghiên cứu hoàn thiện luận văn này, em nhận giúp đỡ hướng dẫn tận tình TS Đào Ngọc Chiến Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy toàn thể anh, chị, bạn Lab nghiên cứu Em xin chân thành cám ơn! 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO Abdulaziz Mohammed Ali Al-Hetar, Optical power splitter based on multimode interference, 2007 Cedric F Lam, Passive optical networks - principles and practice, Elsevier Inc, 2007 ITU-T G.983, A broadband optical access system with increased service capability using dynamic bandwidth assignment (DBA), 2001 ITU-T G.984, Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON), 2003 ITU-T G.983, ONT management and control interface specification for B-PON, 2005 ITU-T G.983, Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON), 2005 L.B Soldano, F.B Veerman, M.K Smit, B.H Verbeek, A.H Dubost and E.C.M Pennings (1992), Planar Monomode Optical Couplers Based on Multimode Interference Effects, IEEE Journal of Lightwave Technology 10(12): 1843-1850 L.B Soldano and E.C.M Pennings (1995), Optical Multimode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications, IEEE Journal of Lightwave Technology 13(4): 615-627 O Bryngdahl (1973), Image Formation Using Self-Imaging Technique, Journal of the Optical Society of America, 63(4): 416-419 10 R Ulrich (1975), Image formation by phase coincidences in optical waveguides, Optics Commun, 13(3):259-264 76 PHỤ LỤC Phụ lục A: Thông số vật lý thiết lập q trình mơ chia công suất 1:4 chế độ TE TM sử dụng OptiBPM trình bày đây: SIMULATION PARAMETERS Simulation Type: 2D Starting Field: Type: Modal Z Position: 2.000000 Label: InputPlane1 Wavelength (µm): 1.550000 Global Reference Index: Type: Modal Value: (3.44769387141653, 0.00000000000000) User Interface Configuration: Number of Displays: Simulation Technique: 250 Simulate As Is 2D PARAMETERS Polarization: TE Mesh: Number of points/µm: 10.8909 Number of points: 600 BPM Solver: Pade(1,1) Engine: Finite Difference Scheme Parameter: 0.5000 Propagation Step: 1.5500 Wafer Width (µm): 55.0000 Boundary Condition: TBC 77 SIMULATION PARAMETERS Simulation Type: 2D Starting Field: Type: Modal Z Position: 2.000000 Label: InputPlane1 Wavelength (µm): 1.550000 Global Reference Index: Type: Modal Value: (3.44763871322617, 0.00000000000000) User Interface Configuration: Number of Displays: Simulation Technique: 250 Simulate As Is 2D PARAMETERS Polarization: TM Mesh: Number of points/µm: 10.8909 Number of points: 600 BPM Solver: Pade(1,1) Engine: Finite Difference Scheme Parameter: 0.5000 Propagation Step: 1.5500 Wafer Width (µm): 55.0000 Boundary Condition: TBC 78 Phụ lục B: Đoạn code mô mốt dẫn vùng MMI sử dụng Matlab clear; clear beta; clear atten; um=1e-6; nf=3.45189744 ; % Chỉ số khúc xạ lớp lõi (GaAs) nc=3.36755329 ; % Chỉ số khúc xạ lớp vỏ (GaAs with 5% AL) h_mmi=28.61*um; % Độ rộng ống dẫn sóng đa mốt lambda=1.55*um; % Bước sóng ánh sáng không gian tự hef=h_mmi+(lambda/pi)/sqrt(nf^2-nc^2); k0=2*pi/lambda; %%% Gọi hàm tính tốn beta [beta]=GuidedModesSolve0(nf, nc, lambda, h_mmi); nef=beta/k0; %%======================================================== v=length(beta); atten=sqrt(beta.^2-(k0*nc)^2); pic = approx(v,4); if pic==1 num=v; else num=4; end s1=1; x = -7.5*1e-6:1e-9:10*1e-6; for r=1:pic if(r>1) r3=figure; end 79 for a=s1:num su1=num/(r*2); su2=a-(r-1)*4; subplot(su1,2,su2), plot(x,Field(a, atten(a), hef, h_mmi, x)); xlabel('Width of waveguide' ) ylabel('Ey - The field intensity') mode=a-1; title(mode) end s1=num+1; num=num+4; if r==pic-1 r1=pic-v/4; r2=r1*4; num=num-r2; end end 80 ... tích, thiết kế chia cơng suất quang thụ động (Splitter) cho mạng PON dựa giao thoa đa mốt 10 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu mạng quang thụ động 1.1.1 Công. .. phí cho nhà cung cấp dịch vụ: chi phí thiết bị, chi phí bảo dưỡng, nguồn… Thành phần chủ yếu nhắc đến mạng PON chia công suất quang (Splitter) Bộ chia công suất thiết kế dựa giao thoa đa mốt. .. đến mạng PON chia công suất (Splitter) Splitter đóng vai trị trung tâm mạng phân phối quang thụ động, có chức chia cơng suất quang từ sợi nhiều sợi khác Splitter hoạt động dựa giao thoa đa mốt