ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SĨNG
1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung
1. Họ và tên SV: Trần Quốc Tuấn
Nguyễn Duy Khánh
Số thẻ SV: 106150151
Lớp: 15DT2
Số thẻ SV: 106150108
Lớp: 15DT2
2. Tên đề tài: Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng
ống dẫn sóng Silic.
3. Người hướng dẫn: Nguyễn Tấn Hưng
Võ Duy Phúc
Học hàm/ học vị: Phó giáo sư, Tiến sĩ
Học hàm/ học vị: Tiến sĩ
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 2đ)
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
2. Về kết quả giải quyết các nội dụng nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp
hoặc nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 1)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá:
………../10 ( lấy đến 1 số lẻ thập phân)
2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2020
Người hướng dẫn
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
STT
Họ và tên sinh viên
Mã số sinh viên
Lớp
Ngành
1
Trần Quốc Tuấn
106150151
15DT2
Điện Tử-Viễn Thông
2
Nguyễn Duy Khánh
106150108
15DT2
Điện Tử-Viễn Thông
1. Tên đồ án :
“Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn
sóng Silic”
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3.
Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Sử dụng cấu trúc Rib/Ridge với lớp nền SiO2 có chiết suất là 1.44 và lớp dẫn
sóng Si có chiết suất là 3.45. Bộ chia công suất bao gồm các thành phần:
4.
-
Bộ giao thoa đa mode MMI
-
Bộ ghép định hướng
Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
➢ Phần chung
STT
Họ và tên
1
Trần Quốc Tuấn
2
Nguyễn Duy Khánh
Nội dung
- Tìm hiểu về cấu trúc, tính chất của vật liệu
làm nên ống dẫn sóng
- Tìm hiểu về lý thuyết truyền ánh sáng trong
sợi quang
➢ Phần riêng
STT
1
Họ và tên
Nguyễn Duy Khánh
Nội dung
- Tìm hiểu về các định lý Maxwell liên quan
đến truyền ánh sáng. Cấu trúc, tính chất và đặc
tính của ống dẫn sóng quang
- Tìm hiểu về bộ giao thoa đa mode MMI, các
cơ chế giao thoa đa mode MMI
2
Trần Quốc Tuấn
- Tìm hiểu về bộ ghép định hướng
- Tìm hiểu về tính tốn suy hao
- Tìm hiểu về WDM, FTTH, ứng dụng và vai
trò của bộ Triplexer
5. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ)
➢ Phần chung
STT
Họ và tên
1
Nguyễn Duy Khánh
2
Trần Quốc Tuấn
Nội dung
- Chạy mơ phỏng và tối ưu hóa thiết kế
- Lấy kết quả và tính tốn
➢ Phần riêng
STT
1
Họ và tên
Trần Quốc Tuấn
Nội dung
-Vẽ bộ Triplexer dựa trên bộ ghép giao thoa đa
mode 2x2 hình cánh bướm và một bộ ghép
định hướng
2
Nguyễn Duy Khánh
-Vẽ bộ Triplexer dựa trên bộ dựa trên phân tầng
hai bộ ghép giao thoa đa mode 2x2 hình cánh
bướm bộ (MMI 2×2)
6. Họ và tên người hướng dẫn: PGS. TS. NGUYỄN TẤN HƯNG
TS. VÕ DUY PHÚC
7.
Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
07/ 09 /2020
8.
Ngày hoàn thành đồ án:
03/ 12 /2020
Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2020
Trưởng Bộ môn Kỹ thuật Viễn Thông
Người hướng dẫn
TÓM TẮT
Tên đề tài : Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm
sử dụng ống dẫn sóng Silic.
Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Tuấn_106150151
Nguyễn Duy Khánh_106150108
Lớp: 15DT2
Lớp: 15DT2
Thông tin sợi quang là một trong những thành tựu nổi bật nhất của con người trong
thế kỷ trước, cung cấp giải pháp hữu hiệu cho vấn đề truyền tải thông tin. Sự ra đời của
mạng Internet mang lại một lợi ích to lớn cho tri thức, nhu cầu trao đổi, lưu trữ và xử lý
thông tin của con người. Với sự bùng nổ của các dịch vụ số liệu trên nền Internet, nhu
cầu băng thông phát triển với tốc độ rất nhanh. Để đáp ứng được nhu cầu này, công nghệ
truyền dẫn theo phương thức ghép kênh phân chia theo bước sóng quang –WDM
(wavelength division multiplexing) có khả năng ghép nhiều bước sóng trên một sợi
quang đã đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tryền số liệu các dịch vụ
video, các dịch vụ cáp sợi quang đến hộ gia đình – FTTH (Fiber to the home) hay các
mạng truy nhập quang thụ động – PON (Passive optical network) khác. Hơn nữa, với sự
phát triển của các bộ khuếch đại quang đã tạo ra những hệ thống thông tin có cự ly
truyền dẫn rất xa cho các mạng quốc gia hay kết nối liên châu lục. Vì vậy nhóm đã chọn
đề tài “Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống
dẫn sóng Silic”. Để thực hiện được những nội dung trên, đồ án sẽ được trình bày thành
bốn chương sau :
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
BƯỚC SÓNG VÀ HỆ THỐNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC SILICON
Chương 3: BỘ GIAO THOA ĐA MODE MMI VÀ BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG
Chương 4: THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG
1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC
i
LỜI NÓI ĐẦU
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Nguyễn Tấn Hưng, TS. Võ Duy Phúc
và Th.S Hồ Đức Tâm Linh đã tận tình chỉ dạy, quan tâm, nhiệt tình hướng dẫn để em có
thể hồn thành tốt đồ án này.
Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn
thông trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng cũng như các anh chị, các bạn đã
cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu tham khảo trong suốt thời gian làm đồ án này.
Đà Nẵng, ngày … tháng… năm 2020
Sinh viên thực hiện
ii
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung đồ án “Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng
1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic” khơng phải là bản sao chép
hồn tồn của bất kỳ đồ án nào đã có trước đó. Nếu vi phạm, em xin chịu trách nhiệm
trước hội đồng bảo vệ.
Đà Nẵng, ngày … tháng… năm 2020
Sinh viên thực hiện
iii
MỤC LỤC
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÓM TẮT ...................................................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... xi
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC
SÓNG VÀ HỆ THỐNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ ..........................................2
1.1 Giới thiệu chương ....................................................................................................2
1.2 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng .......................................2
1.2.1 Mục đích .................................................................................................................3
1.2.2 Ưu điểm của WDM ................................................................................................3
1.3 Giới thiệu về hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH .........................................4
1.3.1 Sơ đồ hệ thống FTTH .............................................................................................4
1.3.2 Ưu điểm của hệ thống.............................................................................................5
1.4 Bộ ghép kênh ba bước sóng trong mạng FTTH ...................................................6
1.4.1 Khái niệm bộ ghép kênh ba bước sóng ..................................................................6
1.4.2 Vai trị bộ ghép kênh ba bước sóng ........................................................................6
1.5 Kết luận chương.......................................................................................................7
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC ............................8
2.1 Giới thiệu chương ....................................................................................................8
2.2 Cơ sở truyền trong ống dẫn sóng ...........................................................................8
2.3 Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng ............................................................10
2.3.1 Giới thiệu về ống dẫn sóng quang học điện mơi ..................................................10
2.3.2 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện ................................................11
2.3.3 Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng .............................................................11
2.3.3.1 Chế độ dẫn .........................................................................................................12
2.3.3.2 Chế độ bức xạ lớp nền .......................................................................................13
iv
2.3.3.3 Chế độ bức xạ lớp phủ-nền................................................................................14
2.4 Các loại ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng .................................................14
2.5 Phương pháp mô phỏng truyền chùm tia............................................................16
2.6 Kết luận chương.....................................................................................................17
Chương 3: BỘ GIAO THOA ĐA MODE VÀ BỘ GHÉP .......................................18
3.1 Giới thiệu chương ..................................................................................................18
3.2 Tổng quan về bộ giao thoa đa mode MMI ..........................................................18
3.3 Lý thuyết về bộ giao thoa đa mode MMI ............................................................18
3.4 Khái quát về giao thoa .........................................................................................20
3.4.1 Giao thoa đơn ảnh.................................................................................................20
3.4.2 Giao thoa đa ảnh ...................................................................................................21
3.5 Công thức Bachmann giải thích pha của trường đầu vào và ra ở các cổng của
bộ MMI .........................................................................................................................21
3.5.1 Sự biểu diễn các mode riêng lẻ .............................................................................21
3.5.1.1 Phân tích các mode riêng lẻ ...............................................................................21
3.5.1.2 Phân bố trường đầu ra .......................................................................................22
3.5.2 Nguồn gốc của pha các cổng đầu vào hoặc ra với giá trị 𝑴 = 𝟏 .........................23
3.6 Một số thông số khác của bộ MMI.......................................................................24
3.6.1 Chất lượng ảnh .....................................................................................................24
3.6.2 Suy hao trong bộ giao thoa đa mode MMI ...........................................................24
3.6.2.1 Insertion Loss (dB) ............................................................................................25
3.6.2.2 Crosstalk (dB) ....................................................................................................25
3.7 Bộ ghép định hướng ..............................................................................................25
3.7.1 Giới thiệu về bộ ghép định hướng ........................................................................25
3.7.2 Nguyên lý hoạt động ............................................................................................26
3.8 Kết luận chương....................................................................................................26
Chương 4: THIẾT BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm/1490nm/1550nm
SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC .........................................................................27
4.1 Giới thiệu chương ..................................................................................................27
4.2 Thiết kế bộ triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 hình cánh
bướm và một bộ ghép định hướng sử dụng các ống dẫn sóng Silic. .......................29
4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc ....................................................................................29
4.2.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................34
4.3 Thiết kế bộ triplexer dựa trên phân tầng hai bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh
bướm sử dụng ống dẫn sóng Silic. .............................................................................36
4.3.1 Phân tích thiết kế và tối ưu cấu trúc .....................................................................36
v
4.3.2 Kết quả và thỏa luận .............................................................................................39
4.4 Kết luận chương .....................................................................................................41
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................45
vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
𝐸⃗
Vectơ cường độ điện trường
⃗
𝐻
Vectơ cường độ từ trường
⃗
𝐷
Vectơ cảm ứng điện
⃗
𝐵
Vectơ cảm ứng từ
⃗⃗⃗
𝐽𝑑
Vectơ mật độ dòng điện
𝜌𝑡𝑑
⃗⃗⃗⃗⃗
Vectơ mật độ điện tích
𝜇𝑜
Hằng số độ từ thẩm tuyệt đối
𝜀0
Hằng số độ điện thẩm tuyệt đối
𝜀𝑟
Hằng số điện môi tương đối
𝜇𝑟
Hệ số từ thẩm tương đối
∇
Toán tử nabla (Hamilton)
∇2
Toán tử Laplace
𝑖𝑥
Vectơ đơn vị trên trục 𝑥
𝑖𝑦
Vectơ đơn vị trên trục 𝑦
𝑖𝑧
Vectơ đơn vị trên trục 𝑧
MMI
Multimode Interference
𝑊𝑀𝑀𝐼
Độ rộng của bộ MMI
vii
𝐿𝑀𝑀𝐼
Chiều dài của bộ MMI
𝐿𝑖𝑛
Chiều dài phần đế ống dẫn sóng
𝑛𝑟
Hệ số chiết suất (hiệu dụng) lõi
𝑛𝑐
Hệ số chiết suất (hiệu dụng) vỏ
𝜆
Bước sóng khơng gian tự do
𝐿𝜋
Nửa chiều dài phách giữa hai mode bậc thấp nhất
𝑃𝑏𝑎𝑟
Công suất cổng đầu ra thẳng
𝑃𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠
Công suất cổng đầu ra chéo
𝜓()
Trường quang truyền trong ống dẫn sóng
𝑣
Số thứ tự mode
𝑐𝑣
Hệ số kích thích mode bậc thứ 𝑣
𝑝
Biểu thị bản chất định kỳ của hình ảnh dọc theo
ống dẫn sóng đa mode
𝐿
Khoảng cách có các ảnh.
𝑚𝑜𝑑
Phép tốn lấy phần dư
𝐿𝑆
Chiều dài của ống nối hình Sin
𝐿𝐶
Chiều dài bộ ghép định hướng
PICs
Photonic Intergrated Circuits
TE
Transverse Electric
I.L
Insertion Loss (Suy hao chèn)
viii
Cr.T
BPM
GPON
WDM
Crosstalk (Xuyên nhiễu)
Beam Propagation Method (Phương pháp truyền
chùm)
Gigabit Passive Optical Networks (Mạng truy
cập thụ động Gigabit)
Wavelength Division Multiplexing (phương
thức ghép kênh theo bước sóng)
RF
Radio Frequency
OTN
Optical Transport Network
EIM
FTTH
TDM
Efective Index Method (Phương pháp hệ số
hiệu dụng)
Fiber to the home (Cáp quang đến tận nhà)
Time Division Multiplexing (Phương thức ghép
kênh phân chia theo thời gian)
Synchronous Digital Hierarchy
SHD/SONET
Synchronous Optical Network (Giao thức ghép
kênh phan chia theo thời gian)
DWDM
CATV
Dense Wavelength Division Multiplexing
(Ghép kênh phân chia theo bước sóng dày đặc)
Community Access Television (Truyền hình
cáp)
IPTV
Internet Protocol Tivi (Truyền hình Internet)
HFC
Hybrid Fiber Coaxial (Ghép lai sợi quang và
ix
cáp đồng trục)
FEM
SOI
Finite Element Method (Phương pháp phần tử
hữu hạn)
Silicon on Insulator (Silic trên nền chất cách
điện)
x
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng FTTH tại Đà Nẵng .............................................. 4
Hình 1.2 Sơ đồ FTTH truyền dẫn trên một sợi quang .......................................... 5
Hình 1.3 Sơ đồ mạng FTTH truyền dẫn trên hai sợi quang khác nhau ................ 5
Hình 2.1 Mơ hình trường quang của một vài ống dẫn sóng thường sử dụng ..... 10
Hình 2.2 (a) Ống dẫn sóng phẳng (b) Ống dẫn sóng khơng phẳng ................... 11
Hình 2.3 (a) Ống dẫn chiết suất phân bậc (b) Ống dẫn sóng chiết suất biến đổi
tần ........................................................................................................................ 11
Hình 2.4 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện ............................... 11
Hình 2.5 Các bậc của mode................................................................................. 13
Hình 2.6 (a) Chế độ cơ bản (b) Chế độ bậc cao thứ nhất(c) Chế độ bức xạ bề mặt
(d) Chế độ bức xạ lớp phủ-nền............................................................................ 13
Hình 2.7 Các ống dẫn sóng dạng kênh dẫn sóng tiêu biểu. ................................ 15
Hình 3.1 Sơ đồ của một ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu bằng ..... 19
Hình 3.2 Ống dẫn sóng đa mode biểu diễn trường vào, ảnh đơn giao thoa soi
gương ................................................................................................................... 21
Hình 3.3 Bộ MMI với ống dẫn sóng truy nhập mô tả với trường hợp 𝑁 chẵn. .. 24
Hình 3.4 Bộ MMI với ống dẫn sóng truy nhập mơ tả với trường hợp N lẻ. ....... 24
Hình 3.5 Bộ tách quang ....................................................................................... 26
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ ghép kênh hai bước sóng sử dụng bộ ghép đa mode
2×2 ....................................................................................................................... 27
Hình 4.2 Mơ hình thiết kế bộ Tripler dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2x2
hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng: .................................................... 29
Hình 4.3 Mơ phỏng 3D BPM cho sự thay đổi chiều dài của bộ ghép giao thoa đa
mode hình cánh bướm. ........................................................................................ 31
Hình 4.4 Mơ phỏng 3D-BPM cho vị trí tối ưu của ống dẫn sóng truy nhập của bộ
ghép đa mode. ..................................................................................................... 32
xi
Hình 4.5 Mơ phỏng 3D-BPM cho chiều rộng đáy lớn tối ưu của các ống dẫn sóng
hình búp măng…………………………………………………………………..32
Hình 4.6 Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu Lc của bộ ghép định
hướng……...........................................................................................................33
Hình 4.7 Mẫu điện trường (dạng đường bao) cho triplexer đề xuất tại ba bước
sóng:(a) 1310 nm, (b)1550 nm và (c) 1490 nm…………………………………34
Hình 4.8 Đáp ứng bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng cho ba bước sóng
............................................................................................................................. 35
Hình 4.9 Dung sai chế tạo theo chiều dài cho triplexer đề xuất ……………….36
Hình 4.10 Mơ hình thiết kế bộ Tripler dựa trên phân tầng hai bộ ghép giao thoa
đa mode 2x2 hình cánh bướm: ............................................................................ 37
Hình 4.11 Mơ phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu của bộ ghép đa mode hình
cánh bướm thứ hai. .............................................................................................. 38
Hình 4.12 Đường bao phân bố điện trường cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng:
(a) 1310 nm, (b) 1550 nm và (c) 1490 nm .......................................................... 39
Hình 4.13 Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng ................ 40
Hình 4.14 Dung sai chế tạo theo chiều dài cho triplexer được đề xuất…………41
xii
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
LỜI MỞ ĐẦU
Gần đây, các thiết bị dựa trên ống dẫn sóng đa mode (Multimode Interference MMI) là các thành phần hữu dụng trong các mạch tích hợp quang (Photonic Intergrated
Circuits – PICs) bởi vì một số ưu điểm nổi bật về băng thơng, kích thước nhỏ, suy hao
thấp và dung sai chế tạo tương đối lớn. Bên cạnh đó, ống dẫn sóng Silic là một giải pháp
hứa hẹn cho các bộ ghép đa mode để xây dựng các vi mạch quang tích hợp như bộ
triplexer bởi một số ưu điểm như: độ tương phản chiết suất cao (khi vật liệu chế tạo ống
dẫn sóng phổ biến là Silic trên nền vật liệu - SOI) cho phép bắt giữ ánh sáng tốt và cấu
trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn. Hơn nữa, nó rất tương thích
với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ hơn những vật liệu khác. Tiếp
tục nghiên cứu dựa trên những báo cáo và kết quả thực nghiệm trước đó nhóm đã nghiên
cứu và đề xuất cho ra một “Bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử
dụng ống dẫn sóng Silic” sử dụng 2 bộ giao thoa đa mode MMI 2x2 hình cánh bướm
hoặc một bộ giao thoa đa mode 2x2 kết hợp với một bộ ghép định hướng trên nền vật
liệu SOI (Silicon on insulator). Ưu điểm của cấu trúc đưa ra là thiết kế dễ hơn (dung sai
chế tạo lớn), kích thước nhỏ gọn và đạt suy hao rất thấp. Sử dụng phương pháp BPM
(Beam Propagation Method) để phân tích và mơ phỏng. Để thực hiện những nội dung
trên, đồ án được chia thành 4 chương như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
BƯỚC SĨNG VÀ HỆ THƠNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ
Chương 2: BỘ GIAO THOA ĐA MODE VÀ BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG
Chương 3: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC SILICON
Chương 4: THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP KÊNH BA BƯỚC SÓNG
1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC
1
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
BƯỚC SÓNG VÀ HỆ THỐNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ
1.1 Giới thiệu chương
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta chứng kiến nhiều sự thay đổi quan trọng
trong nền cơng nghiệp viễn thơng có ảnh hưởng to lớn đến cuộc sống của chúng ta. Trước
hết đó là sự gia tăng liên tục về dung lượng mạng. Nhân tố chính cho sự gia tăng này là
sự phát triển nhanh chóng của Internet, giảm giá thành cho những người sử dụng và triển
khai nhanh hơn những kỹ thuật và dịch vụ mới. Những nhân tố này đã dẫn đến sự phát
triển của mạng quang dung lượng cao. Công nghệ để đáp ứng việc xây dựng các mạng
quang dung lượng cao này là công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM. Mạng
cáp quang được đưa đến địa chỉ thuê bao FTTH giúp khách hàng sử dụng được đa dịch
vụ trên mạng viễn thông chất lượng cao, kể cả dịch vụ truyền hình giải trí.
1.2 Giới thiệu ngun lý ghép kênh quang theo bước sóng
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận
dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang
đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành
của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có q
trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng
truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang cịn tạo ra khả năng xây dựng các
tuyến thơng tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ
nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc
độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không
thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải
pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp địi hỏi cơng nghệ rất cao. Kỹ
thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên.
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi
nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước
sóng cùng một lúc này khơng gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh
quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước
sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ
thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước
kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc
độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà
2
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn
các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử
dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s
truyền trên một sợi đơn.
Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy
hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu
hoá thành phần cơng suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm
ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh
giữa các bước sóng. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM
truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi
thiết kế tuyến [7].
Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ
ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ
“bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để
xét cho cả bộ ghép và bộ tách.
1.2.1 Mục đích
Do băng thơng quang rất lớn (khoảng 100Ghz-km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục
đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng cơng nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng
băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng
trên cùng một sợi quang. Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng
và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz
[7].
1.2.2 Ưu điểm của WDM
Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng như mạng
quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội:
* Dung lượng truyền dẫn lớn:
Sử dụng cơng nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều
kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quang lại ứng với một tốc
độ bit nào đó (TDM). Hiện nay đã thử nghiệm thành cơng hệ thống WDM 80 bước sóng
với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ
là 200Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung
lượng 40 Gbit/s).
* Tính trong suốt của mạng WDM
Mạng trong suốt: Trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các
dịch vụ với bất kì tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào. Như vậy nhà cung cấp dịch vụ
có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất.
3
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Như vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dich vụ mới một cách
hiệu quả, nhanh chóng mà khơng làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó.
* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt.
Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có
thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bên cạnh đó nó cũng mở ra
một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc sợi hay
cáp quang. việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các card mới trong khi hệ
thống vẫn hoạt động (Plug and Play).
* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo
Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng
WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo
yêu cầu thực tế. Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình
mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng
quang trong suốt.
* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trước
đó, giảm được chi phí đầu tư mới. Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn [7].
1.3 Giới thiệu về hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH
1.3.1 Sơ đồ hệ thống FTTH
Internet cáp quang là cách gọi khác của FTTH, FTTH là cụm từ viết tắt của thuật
ngữ Fiber-To-The-Home, hay còn gọi là cáp quang đến tận nhà. Là dịch vụ truy cập
Internet hiện đại nhất với đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang đến địa chỉ thuê
bao. Mạng cáp quang được đưa đến địa chỉ thuê bao giúp khách hàng sử dụng được đa
dịch vụ trên mạng viễn thông chất lượng cao, kể cả dịch vụ truyền hình giải trí.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng FTTH tại Đà Nẵng.
FTTH là một dịch vụ dựa trên cơng nghệ quang có tốc độ rất cao, và có thể sử
dụng để cung cấp dịch vụ triple play chạy cả Internet tốc độ cao, Voip lẫn Iptv trên cùng
đường truyền [6].
4
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
1.3.2 Ưu điểm của hệ thống
-
Đường truyền có tốc độ ổn định; tốc độ truy cập Internet cao.
Khơng bị suy hao tín hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp.
An toàn cho thiết bị, không sợ sét đánh lan truyền trên đường dây.
-
Nâng cấp băng thông dễ dàng mà không cần kéo cáp mới.
Hình 1.2 Sơ đồ FTTH truyền dẫn trên một sợi quang.
Hình 1.3 Sơ đồ mạng FTTH truyền dẫn trên hai sợi quang khác nhau.
Do chất lượng tín hiệu cao và tốc độ bit lớn, các mạng FTTH được chuẩn bị tốt
để cung cấp dịch vụ truyền hình. Họ cũng cho phép một sự tự do lớn trong việc lựa chọn
công nghệ phát sóng truyền hình. Hai cơng nghệ cơ bản là cái gọi là CATV (truyền hình
“quang học”) và IPTV. CATV [10] sử dụng kiểu truy cập quảng bá và IPTV thường là
phát đa hướng hoặc ít thường xuyên hơn là đơn phát. Công nghệ CATV đơn giản và
nổi tiếng trong mạng HFC và có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như:
- Không tiêu thụ tốc độ bit được sử dụng bởi Internet.
- FTTH là cách dễ nhất và đảm bảo hầu hết hiệu quả chi phí để xây dựng.
- Không cần thiết phải cung cấp cho thuê bao một bộ giải mã, có nghĩa là chi phí cho
nhà khai thác sẽ nhỏ hơn nhiều.
5
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
- Chuyển kênh rất nhanh.
1.4 Bộ ghép kênh ba bước sóng trong mạng FTTH
1.4.1 Khái niệm bộ ghép kênh ba bước sóng
Bộ ghép ba bước sóng quang hay còn được gọi với cái tên khác là bộ lọc song
côn là một trong những các yếu tố quan trọng của mạng truy nhập quang băng thông
rộng thế hệ tiếp theo, ví dụ như cáp quang hệ thống gia đình (FTTH), mạng quang thụ
động (PON), v.v.. [5]. Hệ thống truy cập FTTH là một giải pháp mang đến cơ hội khách
hàng sử dụng các dịch vụ thoại truyền thống và băng thông rộng trong một nền tảng
đồng nhất. ITU xây dựng gói khuyến nghị G.983 sử dụng cho FTTH thụ động mạng mà
ba bước sóng được sử dụng phổ biến là 1310nm,1490nm và 1550nm, cho các kênh kỹ
thuật số ngược dịng, kỹ thuật số xi dịng và kênh tương tự. Có vài loại được phát triển
gần đây cho bộ ghép ba. Một là để phân tầng các bộ lọc như bộ lọc màng mỏng nhưng
loại này gặp khó khăn trong việc tích hợp với thiết bị quang học khác. Vì vậy, điều này
làm cho chi phí của họ đắt hơn. Hai là cách tử, ví dụ như cách tử ống dẫn sóng dạng
mảng.
1.4.2 Vai trị bộ ghép kênh ba bước sóng
Triplexer (bộ ghép kênh ba bước sóng) đóng một vai trị rất quan trọng trong các
hệ thống thơng tin quang như: các hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH (fiber to the
home), các mạng quang truy nhập thụ động, v.v… Có ba bước sóng nói chung thường
được sử dụng là 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm (theo khuyến nghị ITU-G.983) cho lưu
lượng đường lên, lưu lượng đường xuống và các dịch vụ chồng lấn lựa chọn, chẳng hạn
dịch vụ truyền video tương tự hay các dịch vụ số liệu khác trong các cửa sổ bước sóng
thơng tin quang. Do đó, ta cần một thiết bị mà có thể ghép kênh hoặc phân kênh truy
nhập những bước sóng này trong thực tế ứng dụng. Hiện tại, có một số kiểu thiết kế cho
các bộ triplexer. Một là sử dụng cấu trúc phân tách các bộ lọc, chẳng hạn các bộ lọc
màng mỏng (thin film filters) nhưng kiểu này có một hạn chế là khó tích hợp với các
cấu kiện quang khác nên đắt tiền. Hai là sử dụng các cách tử như cách tử ống dẫn sóng
được sắp mảng (AWG) và cách tử phản xạ Bragg nhưng kích cỡ của những loại này vẫn
cịn khá lớn. Loại khác nữa dùng các kỹ thuật mạch tích hợp quang phẳng (PLCs) như
các tinh thể quang (photonic crystals) hoặc các ống dẫn sóng Silic ghép định hướng [5].
Gần đây, các thiết bị dựa trên ống dẫn sóng MMI là các thành phần hữu dụng
trong các mạch tích hợp quang (PICs) bởi vì một số ưu điểm nổi bật về băng thơng, kích
thước nhỏ, suy hao thấp và dung sai chế tạo tương đối lớn. Bên cạnh đó, ống dẫn sóng
Silic là một giải pháp hứa hẹn cho các bộ ghép đa mode để xây dựng các vi mạch quang
tích hợp như bộ triplexer bởi một số ưu điểm như: độ tương phản chiết suất cao (khi vật
6
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
liệu chế tạo ống dẫn sóng phổ biến là Silic trên nền vật liệu- SOI) cho phép bắt giữ ánh
sáng tốt và cấu trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn. Hơn nữa, nó
rất tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ hơn những vật
liệu khác. Chương này của đồ án sẽ đề xuất các thiết kế mới của cấu kiện triplexer dựa
trên các bộ ghép giao thoa đa mode trên nền tảng vật liệu Silic và thủy tinh Silic.
Bộ triplexer bởi một số ưu điểm như:
➢ Độ tương phản chiết suất cao suất cao (khi vật liệu chế tạo ống dẫn sóng phổ biến
là Silic trên nền vật liệu-SOI) cho phép bắt giữ ánh sáng tốt.
➢ Cấu trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn.
➢ Hơn nữa, nó rất tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ
hơn những vật liệu khác.
1.5 Kết luận chương
Qua chương này, nhóm đã giới thiệu sơ lược về khái niệm, vai trò quan trọng, ưu
điểm của phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM). Từ đó ta thấy được ứng dụng
và lợi ích của phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM) sử dụng trong hệ thống
cáp quang đến tận nhà (FTTH). Mạng FTTH phục vụ cho hầu hết các nhu cầu internet
của chúng ta hiện nay, với những ưu điểm ưu việt của mạng này mang lại. Nhóm giới
thiệu bộ ghép kênh ba bước sóng trong hệ thống mạng FTTH sử dụng ống dẫn sóng đa
mode Silic. Vật liệu Silic có độ tương phản cao, được sử dụng phổ biến cho phép bắt
giữ ánh sáng tốt, tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS. Triplexer giúp giảm
suy hao và xuyên nhiễu trên đoạn nối.
7
