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 rất 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, 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 tƣợng 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. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phƣơng 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 Chƣơng 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. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 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. Chƣơng 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.
Chƣơng 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. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP LR-PON 1. Tổng quan về mạng truy nhập Như chúng ta đã biết, những tiến bộ về mặt công nghệ trong mạng đường trục, mạng doanh nghiệp và mạng gia đình cùng với sự bùng nổ của lưu lượng truy cập Internet đã làm chậm đáng kể dung lượng của mạng truy nhập.
Tại phần cuối của mạng viễn thông hiện nay vẫn còn tồn tại ―điểm tắc nghẽn‖ giữa mạng LAN dung lượng cao và mạng đường trục. Các giải pháp băng rộng đang tồn tại Trước đây hầu hết các giải pháp băng rộng được triển khai rộng rãi là mạng đường dây thuê bao số (DSL) và dịch vụ truyền hình cáp (CATV). Mặc dù chúng đã được cải tiến so với đường kết nối quay số 56 kb/s nhưng chúng cũng không thể cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ mới như video theo yêu cầu (VoD), trò chơi tương tác trực tuyến, hoặc hội nghị truyền hình hai chiều… [1]. a) Đƣờng dây thuê bao số (DSL) DSL sử dụng chính cặp dây đồng xoắn như đường dây điện thoại tương tự và yêu cầu một modem tại phía thuê bao và một bộ tập trung đường dây thuê bao số (DSLAM) phía tổng đài trung tâm (CO).
Tiền đề của công nghệ DSL là chia phổ tần của đường dây cáp đồng thành các kênh con có độ rộng khoảng 4 kHz, trong đó vùng tần số thấp hơn 4 kHz được sử dụng để truyền thoại, còn các tần số cao hơn được cấp phát cho các dịch vụ truyền thông số tốc độ cao hơn. Có bốn kiểu kết nối cơ bản của DSL: - Mạng số tích hợp đa dịch vụ (ISDN): ISDN tốc độ cơ bản gồm 2 kênh B và 1 kênh D (tốc độ tổng cộng 144 kb/s), cung cấp các dịch vụ về dữ liệu, hình ảnh, thoại… - Đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL): Được thiết kế phù hợp với chuẩn T1=1,544 Mb/s và E1=2,048 Mb/s sử dụng một, hai hoặc ba đôi dây để truyền dẫn hai chiều. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL): Là đường dây thuê bao được triển khai phổ biến nhất, nó sử dụng đường dây điện thoại để truyền dẫn và có tốc độ bất đối xứng. Trong hướng xuống, ADSL có thể hỗ trợ tốc độ lên tới 8 Mb/s, còn trong hướng lên, tốc độ có thể đạt tới 1,5Mb/s tùy thuộc vào độ dài và trạng thái truyền dẫn, đã trở nên thông dụng trong những thập niên 1990.
- Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao (VDSL): Có thể có tốc độ đối xứng hoặc không đối xứng, nó đạt được tốc độ cao hơn nhiều HDSL hoặc ADSL nhưng hoạt động với khoảng cách ngắn hơn nhiều.