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 do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và 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 và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa
chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….........................………… với các 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 đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của TS. Hoàng Phương Chi.
Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công
bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ
cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác
nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như
số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích
nguồn gốc.

Nếu phát hiện ra có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
về nội dung luận văn của mình.
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.....................................................................................................................1
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG .2
1.1 Lịch sử phát triển mạng quang ..............................................................................2
1.2. Giới thiệu về mạng quang thụ động .....................................................................3
1.2.1. Công nghệ PON ....................................................................................................3
1.2.2. Kiến trúc mạng PON ............................................................................................4
1.2.3. Một số đặc điểm chính của mạng PON .............................................................8
1.2.4. So sánh giữa PON và AON .................................................................................8
1.3. Các thành phần chính của 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 một số chuẩn của công nghệ PON .................................................... 22
1.5. Tình hình triển khai mạng PON tại 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 sự 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 cơ bản về trƣờng điện từ .................................................................. 52
3.1.1. Hệ Phương trình Maxwell ................................................................................. 52
3.1.2. Các phương trình thế ......................................................................................... 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 trong ống dẫn sóng phẳng...................................... 60
................................................................................................. 62
ủ

3.2.4. Nhữ

ẳng .......................................... 62

..................................................................................... 64
............................................................................ 65
................................................................................................................ 66
3.3. Nguyên lý hoạt động của 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 trong 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 bản về bộ 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 trên nhiều miền đa mode ............................................... 79
4.2. Cấu trúc các bộ chia công suất quang sử dụng cấu trúc PhC..................... 81
4.2.1 Cấu trúc bộ chia hình Y .................................................................................. 81
4.2.2. Thiết kế bộ chia công suất 1:4 hình Y ......................................................... 83
4.3. Cấu trúc bộ chia công suất 1:4 ........................................................................... 87
4.4. Kết quả mô phỏng bằng phƣơng pháp FDTD ở 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 bộ

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

trong 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 và 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 dữ 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 một số chuẩn của công nghệ TDMA PON ................................... 23
Bảng 3.1: Phân loại ống dẫn sóng quang....................................................................... 59
Bảng 3.2: Chỉ số khúc xạ của một số vật liệu thông dụng .......................................... 66

Hình 1.1: Topo hình cây .....................................................................................................4

Hình1.2: Topo dạng Bus .....................................................................................................5
Hình 1.3: Topo dạng vòng..................................................................................................6
Hình 1.4: Topo hình cây kết hợp đường tải phụ ..............................................................7
Hình 1.5: Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng ...........................................................7
Hình 1.6: Topo dạng vòng kết hợp....................................................................................8
Hình 1.7: Mạng quang tích cực AON ............................................................................ 10
Hình 1.8: Mạng quang thụ động PON ........................................................................... 10
Hình 1.9: Cấu trúc chung của mạng quang thụ động (PON) ...................................... 11
Hình 1.10: Sơ đồ các khối chức năng của OLT............................................................ 12
Hình 1.11: Sơ đồ các khối chức năng của ONU........................................................... 13
Hình 1.12: Cấu tạo chung của Splitter 1:N ................................................................... 16
Hình 1.13: Một số loại Splitter ....................................................................................... 17
Hình 1.14: Cấu trúc chung của 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 1 D) .................................................... 28
Hình 2.2: Cấu trúc vùng tương ứng cho 3 trường hợp................................................. 29
Hình 2.3: Mô tả sự phân bố năng l ượng điện trường trong cấu trúc v ùng cho vùng
1 và vùng 2 theo lý thuyết biến phân đã chỉ ra.......................................... 30
Hình 2.4: Mô tả sự tập trung năng lượng điện trường của 2 vùng 1 và 2 có độ chênh
lệch cao........................................................................................................... 31
Hình 2.5: Cấu trúc vùng tinh thể PhC 1D ..................................................................... 32

vii


Hình 2.6: Sai hỏng là một màng có hằng số điện môi khác so với tinh thể PhC 1D....... 33
Hình 2.7: Sai hỏng là dạng kép của màng có hằng số điện môi thấp ........................ 33
Hình 2.8: Mô tả phân bố mật độ trạng thái theo cấu trúc vùng có sai hỏng. ............ 34
Hình 2.9: Mạng vuông của các cột điện môi tinh thể PhC 2D, được cắm trên đế

bán dẫn ........................................................................................................... 35
Hình 2.10: Cấu trúc vùng mạng vuông của các cột điện môi .................................... 37
Hình 2.11: Mô tả sự dịch chuyển điện trường cho mode TM, TE ở điểm X ............ 39
Hình 2.12: Mạng vuông của các vein điện môi ............................................................ 39
Hình 2.13: Cấu trúc vùng cho mạng vuông các vein điện môi................................... 40
Hình 2.14: Mô tả sự dịch chuyển điện trường của mode TM ở điểm X ................... 40
Hình 2.15: Mô tả dịch chuyển điện trường của mode TE ở điểm X......................... 41
Hình 2.16: Cấu trúc tinh thể PhC là mạng tam giác của các lỗ không khí................ 42
Hình 2.17: Cấu trúc vùng cấm cho mạng tam giác của các lỗ không khí ................. 42
Hình 2.18: Mô hình các sai hỏng được tạo ra trong mạng vuông của các cột điện
môi .................................................................................................................. 43
Hình 2.19: Trạng thái sai hỏng tồn tại trong vùng cấm cho phép định vị ánh sáng . 44
Hình 2.20: Cấu trúc được đề nghị bởi yabnolovite ...................................................... 45
Hình 2.21: Cấu trúc dạng woodpile được đề nghị bởi Ho (1994) và 2 nhà khoa học
khác................................................................................................................. 45
Hình 2.22: Cấu trúc dạng tổ hợp loại mạng đó là mạng lỗ và cột .............................. 46
Hình 2.23: Cấu trúc vùng cho tinh thể PhC 3d ............................................................. 46
Hình 2.24: Mô tả sai hỏng điểm bao gồm sai hỏng không khí và sai h ỏng điện môi..... 47
Hình 2.25: Sai hỏng điểm do thiếu cột điện môi .......................................................... 48
Hình 2.26: Sai hỏng điểm do có cột điện môi kích thước lớn hơn bình thường. ..... 48
Hình 2.27: Sai hỏng điểm do lỗ lớn hơn bình thường ................................................. 49
Hình 2.28: Trạng thái sai hỏng điểm định vị trong vùng cấm Mô hình Sai hỏng
đường:............................................................................................................. 49
Hình 2.29: Sai hỏng đường dạng thiếu cột điện môi ................................................... 50
Hình 2.30: Cấu trúc vùng mô tả trạng thái sai hỏng đường trong cấu trúc vùng cấm
......................................................................................................................... 50
Hình 3.17: Ống dẫn sóng phẳng ..................................................................................... 60
viii

Hình 3.2: Điện ngang (TE) và Từ ngang (TM) ............................................................ 60
Hình 3.3: Vector sóng dọc (β) và vector sóng ngang (k) ............................................ 61
Hình 3.4: Phân bố điện trường ngang trong ống dẫn phẳng ....................................... 62
Hình 3.5: Ống dẫn sóng đối xứng................................................................................... 64
Hình 3.6: Mô tả phương pháp chỉ số hiệu quả .............................................................. 65
Hình 3.7: Ống dẫn sóng đa mốt chỉ số bước ................................................................. 68
Bảng 3.3: Số lượng chế độ dẫn hỗ trợ bởi ống dẫn sóng............................................. 71
Hình 3.8: Ví dụ về chuẩn hóa biên độ của trường ngang
Hình 3.9: Mô tả trường đầu vào

.................................... 72

của ống dẫn sóng đa mốt ............................... 74

Hình 4.1: (a) Cấu trúc LDWG, (b) c ấu trúc dải của PC LDW. .................................. 77
Hình 4.2: Truyền ánh sáng trong ống dẫn sóng uốn cong 90 0 .................................... 78
Hình 4.3: (a) Bộ chia công suất cơ bản hình chữ Y(1:2), (b) phổ truyền(các tham số
và mô phỏng )tại hai đầu ra #1 và #2 ở bước sóng từ 1350nm đến
1600nm........................................................................................................... 78
Hình 4.4: Sơ đồ bộ chia công suất quang sử dụng cấu trúc PC dùng ghép định
hướng.............................................................................................................. 79
Hình 4.5: Phổ truyền công suất ra theo phương pháp FDTD ..................................... 79
Hình 4.6: (a) Cấu trúc bộ chia dùng hai hốc cộng hưởng, (b) cấu trúc bộ chia dùng
hai hốc cộng hưởng có tối ưu. ..................................................................... 80
Hình 4.7: Phổ công suất đầu ra: ...................................................................................... 80
Hình 4.8: Mô hình 3D FDTD cho cấu trúc Y ............................................................... 81
Hình 4.9. Mặt cắt bộ chia Y cấu trúc hình Hexagonal................................................. 81
Hình 4.10: Kết quả mô phỏng phân bố trường dạng vector Poynting. ...................... 82
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng phân bố trường dạng EY............................................. 82
Hình 4.12: Kết quả mô phỏng phổ truyền tại hai cổng ra của bộ chia Y. ................. 83

Hình 4.13: Bộ chia công suất 1:4 sử dụng hai tần bộ chia Y ...................................... 84
Hình 4.14: Phân bố trường dưới dạng vector Poynting ............................................... 84
Hình 4.15: Phân bố trường dưới dạng EY..................................................................... 85
Hình 4.16: Phổ công suất ra bộ chia Y 1:4 tại cổng ra số 1 ........................................ 85
Hình 4.17: Phổ công suất ra bộ chia Y 1:4 tại cổng ra số 2 ........................................ 86

ix


Hình 4.18: Phổ công suất ra bộ chia Y 1:4 tại cổng ra số 3 ........................................ 86
Hình 4.19: Phổ công suất ra bộ chia Y 1:4 tại cổng ra số 4 ........................................ 86
Hình 4.20: Bộ chia công suất 1:4 ................................................................................... 87
Hình 4.21: Phân bố trường dưới dang EY..................................................................... 87
Hình 4.22: Phân bố trường dưới dạng Poynting Vector. ............................................. 88
Hình 4.23. Phổ công suất ra tại cổng 1 và cổng 4. ....................................................... 88
Hình 4.24. Phổ công suất ra tại cổng 2 và cổng 3. ....................................................... 89

x


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến truyền
dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là phương thức
truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Để đáp ứng
nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự
phát triển mạnh về cả quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng
hiện đại để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Mạng quang đã đáp ứng các nhu cầu về: băng thông lớn, tốc độ truyền dữ liệu
cao, chất lượng tốt, bảo mật thông tin…,do đó số lượng người dùng mạng ngày
càng cao. Để làm giảm chi phí cho kênh truyền và chống tắc nghẽn trong hệ thống

đòi hỏi phải có những thay đổi về cấu trúc mạng. Cấu trúc kết nối “điểm - điểm”
trước kia không giải quyết được vấn đề trên nữa, các nhà khoa học đã đề xuất ra cấu
trúc mạng kết nối “điểm - đa điểm’’ đó chính là cấu trúc của mạng công nghệ PON
hiện nay.
Mạng quang thụ động (PON: Passive Optical Network) là mạng điểm đến đa
điểm và không có các thành phần tích cực trong tuyến truyền dẫn từ nguồn đến
đích, về cơ bản mạng PON bao gồm sợi quang và các thiết bị thụ động. Việc thay
thế các thiết bị chủ động bằng các thiết bị thụ động sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà
cung cấp dịch vụ: chi phí về thiết bị, chi phí bảo dưỡng. Thành phần chủ yếu được
nhắc đến trong mạng PON là bộ chia công suất quang (Splitter).
Với luận văn này, mục đích của tôi là tìm hiểu về công nghệ PON và tập
trung nghiên cứu “Bộ chia công suất quang ứng dụng cho hệ thống thông tin
quang tới hộ gia đình FTTH ” dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn trong
miền thời gian (FDTD).
Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận
văn còn nhiều thiếu sót. Nên em mong các thầy cô trong ban chấm luận văn và giáo
viên hướng dẫn đóng góp thêm nhiều ý kiến để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự chỉ bảo hướng dẫn
chi tiết của giảng viên hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Phương Chi.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ
MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG
Trong chương này tôi trình bày cơ bản về lịch sử hình thành, phát triển của
mạng cáp quang và tập trung đi sâu nghiên cứu về kiến trúc hạ tầng mạng quang
dựa trên công nghệ PON, các thành phần chính của mạng PON và các loại mạng
PON. Tài liệu tham khảo chính [3], [4], [5], [6].

1.1 Lịch sử phát triển mạng quang
Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa
con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết
định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn
minh của nhân lọai.
Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử
dụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng) và không gian,
thì việc sử dụng ánh sáng như phương tiện trao đổi thông tin cũng được khai thác có
hiệu quả. Cùng với thời gian, thông tin quang đã phát triển và ngày càng hoàn thiện
với những mốc lịch sử như sau:
- 1790: CLAU DE CHAPPE, kĩ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện
báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó. Tin tức vượt qua chặng
đường 200km trong vòng 15 phút.
- 1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể
dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần.
- 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL người Mỹ, giới thiệu hệ thống thông
tin Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không
khí. Tuy nhiên chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN

R. FRENCH người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống

thông tin quang sử dụng các thanh thủy tinh để truyền dẫn.
2


- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và
phát triển Laser.
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là

phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kỹ sư phòng thí
nghiệm Stanrdard Telecommunication của Anh đã đề xuất dùng sợi thủy tinh dẫn
ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn nhiều hạn chế nên suy
hao quá lớn ( 100 dB/km).
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với suy hao 4 [dB/km].
- 1983 Sợi đơn mode (SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
- Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với suy hao chỉ còn
khoảng 0,2 [dB/km] ở bước sóng 1550 nm.
1.2. Giới thiệu về mạng quang thụ động
1.2.1. Công nghệ PON
Mạng viễn thông hiện nay hầu hết hoạt động dựa trên các thiết bị chủ động
(switch, router, các trạm lặp, thiết bị chuyển tiếp, một số thiết bị trên đường
truyền…). Với các thiết bị chủ động này, thường phải cung cấp nguồn cho một số
thành phần như: bộ xử lý, các chíp nhớ…
Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là công nghệ truy nhập
quang giúp tăng cường kết nối giữa các nút mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch
vụ và người sử dụng. Trong công nghệ PON, tất cả thành phần chủ động giữa tổng
đài của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó
là các thiết bị quang thụ động, việc điều hướng lưu lượng trên mạng dựa trên việc
phân chia năng lượng tới các điểm đầu cuối trên đường truyền. Trong mạng truyền
dẫn, PON là một dạng của mạng truy nhập quang. So với mạng truy nhập cáp đồng
3


truyền thống, PON có nhiều ưu điểm vượt trội như: băng thông lớn hơn, cung cấp
dịch vụ đa dạng, chi phí thấp. . . .
Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng
lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi, mặc dù các bộ nối định hướng cho
phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống

truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng
một bước sóng riêng. Trong mạng PON các bước sóng được sử dụng là 1490nm
hoặc 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu hướng lên.
1.2.2. Kiến trúc mạng PON
Mạng PON có thể triển khai linh động trong nhiều kiến trúc nhờ sử dụng một
tapcoupler quang 1:2 hoặc bộ chia công suất (splitter) 1:N.
a. Topo hình cây
Thông thường các mạng đều được xây dựng theo topo hình cây, trong đó chỉ
sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia. Từ bộ chia, sẽ có
đường cáp quang kết nối tới mỗi ONU.

Hình 1.1: Topo hình cây
Ưu điểm của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm nên
dễ dàng xác định được những sự cố của mạng. Tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ
có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ
gần tương tự như nhau. Kiến trúc này cho phép các ONU được sử dụng chung OLT
về cả khả năng xử lý và truyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất
hạ giá thành các thiết bị mạng. Hơn nữa, kết nối điểm - đa điểm của mạng PON

4


cũng giảm trạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm – điểm thông
thường. Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng bị giới hạn bởi
suy hao và nhu cầu băng thông của người sử dụng, do dung lượng của người sử
dụng phải phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đó
cũng là một lý do hạn chế số lượng người sử dụng.
b. Topo dạng Bus
Topo dạng bus cũng sử dụng 1 đường cáp quang từ OLT tới khách hàng nên
cũng gặp phải những vấn đề tương tự như topo hình cây ở trên. Mỗi thuê bao được

kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ
đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng. Ưu điểm của kiến
trúc này là khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết
nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng (khi có thêm
ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào
mạng). Nhược điểm của topo này là: tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên
ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá kém sau
khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh. Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu
một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều.

Hình1.2: Topo dạng Bus

c. Topo dạng vòng
Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả
năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền. Trong topo dạng vòng, tồn

5


tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc
thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt.
Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị
phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong
vòng tại mỗi ONU. Do đó, topo dạng vòng cũng có những nhược điểm tương tự
như topo dạng bus về dự trữ công suất trên đường truyền. Khi tín hiệu quang được
truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể điều này đã gây ra giới hạn cho
khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topo dạng vòng. Dung lượng của
mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2
cáp quang trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất
nhiên, số lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong

mạng có topo dạng bus và hình cây.

Hình 1.3: Topo dạng vòng
d. Topo dạng cây kết hợp với đƣờng tải phụ hoặc topo dạng vòng
Kiến trúc này sử dụng 2 cáp quang cho OLT nhằm mục đích tăng sự mềm dẻo
trong việc khai thác mạng. Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt, cáp còn lại vẫn có
khả năng hoạt động trong mạng. Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2
đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khác nhau nhằm mục đích tránh khả
năng xảy ra 2 đường cáp quang bị đứt tại cùng một thời điểm. Các bộ ghép quang hình
sao cũng được sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch một cách chủ
động trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONU tham gia vào mạng hoặc
khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lên gấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi
ONU. Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được

6


giảm một nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trong mạng mà vẫn
đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào mạng.

Hình 1.4: Topo hình cây kết hợp đường tải phụ
Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp có thể
cung cấp một mạng có khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất
lượng dịch vụ trong các mạng 2 chiều. Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và
topo hình cây mang lại khả năng phân phối mềm dẻo và tối ưu trong việc thiết kế
mạng quang trên từng đoạn.

Hình 1.5: Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng

Một phương pháp khác là sự kết hợp của 2 topo dạng vòng trên mỗi đoạn

mạng cung cấp khả năng linh hoạt trong việc phân phối mạng. Tuy nhiên, phương
7


pháp này sử dụng những giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong
quá trình thiết lập mạng.

Hình 1.6: Topo dạng vòng kết hợp
1.2.3. Một số đặc điểm chính của mạng PON
 PON là mạng điểm tới đa điểm.
 PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet.
 PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao.
 Khả năng cung cấp băng thông lớn.
 Trong hệ thống PON băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều
này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng.
 Khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần
và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết
để kết nối giữa OLT và splitter.
 PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng
1 sợi quang.
 PON có thể hỗ trợ kiến trúc hình cây, sao, bus và ring.
1.2.4. So sánh giữa PON và AON
Mạng quang tích cực (AON: Active Optical Network) sử dụng một số thiết
bị

ể phân chia tín hiệu: switch, router và multiplexer. Mỗi tín hiệu

đi ra từ phía nhà cung cấp chỉ được đưa trực tiếp tới khách hàng yêu cầu nó. Do đó,
8

để tránh xung đột tín hiệu ở đoạn phân chia từ nhà cung cấp tới người dùng, cần
phải sử dụng một thiết bị điện có tính chất “đệm” cho quá trình này.
Từ năm 2007, một loại mạng cáp quang phổ biến đã xuất hiện là Ethernet
tích cực (Active Ethernet). Đó chính là bước đi đầu tiên cho sự phát triển của chuẩn
802. 3ah nằm trong hệ thống chuẩn 802. 3 được gọi là Ethernet in First Mile (EFM).
Mạng Ethernet tích cực này sử dụng chuyển mạch Ethernet quang để phân phối tín
hiệu cho người sử dụng, nhờ đó cả phía nhà cung cấp và khách hàng đã tham gia
vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet tương tự như mạng máy tính
Ethernet sử dụng trong các trường học. Tuy nhiên, 2 mạng này cũng có sự khác biệt
đó là Ethernet trong trường học mục đích chủ yếu là liên kết giữa máy tính và máy
in còn mạng chuyển mạch Ethernet tích cực này để dùng cho kết nối từ phía nhà
cung cấp tới khách hàng. Mỗi một khối chuyển mạch trong mạng Ethernet tích cực
có thể điều khiển lên tới 1000 khách hàng nhưng thông thường trong thực tế, một
chuyển mạch chỉ sử dụng cho từ 400 đến 500 khách hàng. Các thiết bị chuyển mạch
này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3. Chuẩn 802. 3ah
cũng cho phép nhà cung cấp dịch vụ cung cấp đường truyền 100Mbps song công tới
khách hàng và tiến tới cung cấp đường truyền 1Gbps song công.
Mục tiêu chính của PON và AON đều là mang tín hiệu quang tới tận nhà
từng khách hàng để tăng chất lượng truyền và băng thông. Tuy nhiên, AON thì mỗi
khách hàng sử dụng một đường quang riêng được nối từ nhà cung cấp còn PON thì
nhiều khách hàng cùng chia sẻ chung một kênh truyền.
Sự khác nhau chủ yếu giữa mạng quang tích cực (AON) và mạng quang thụ
động (PON) đó là PON không sử dụng các thành phần tích cực từ nguồn tới đích.
PON sử dụng một thiết bị chia tín hiệu quang thụ động passive optical power
splitter. Về cơ bản, splitter là một lăng kính, dùng để khuếch tán tín hiệu quang tới
khách hàng mà không dùng thiết bị điện. Do đó, nó có tên là bộ chia công suất
quang thụ động.
So với AON, PON có những ưu điểm như: PON sử dụng các bộ
rẻ, không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết

9


bị giữa tổng đài trung tâm và người sử dụng. Nhờ đó mà kiến trúc PON giảm được
chi phí về đầu tư, chi phí về bảo dưỡng và vận hành. Ngoài ra, PON còn có ưu điểm
là số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối và cáp quang ít.
Tuy nhiên so với AON, PON cũng có một vài nhược điểm như: phạm vi
cung cấp dịch vụ nhỏ hơn (PON: 20km; AON: 70km), băng thông thấp hơn (PON:
2,5Gbps; AON có thể lên tới 10 Mbps hoặc hơn), tuy vậy với băng thông hiện tại
của mạng PON cũng đã đáp ứng được đầy đủ nhu cầu về các dịch vụ băng rộng của
khách hàng. PON phù hợp khi triển khai tại các khu vực có số lượng thuê bao lớn
và khách hàng phân bố tập trung, AON phù hợp triển khai tại các khu vực mà số
lượng thuê bao còn hạn chế và khách hàng phân bố phân tán.

Hình 1.7: Mạng quang tích cực AON

Hình 1.8: Mạng quang thụ động PON
10


1.3. Các thành phần chính của mạng PON

Hình 1.9: Cấu trúc chung của mạng quang thụ động (PON)
Một hệ thống mạng PON bao gồm các thiết bị kết cuối kênh quang OLT đặt tại
nhà cung cấp dịch vụ (CO) và bộ các thiết bị kết cuối mạng quang ONU/ONT được đặt
tại vị trí người sử dụng. Giữa OLT và ONU là hệ thống phân phối mạng quang (ODN)
bao gồm cáp quang, các thiết bị ghép/tách thụ động (splitter). Hoạt động của mạng
PON được điều khiển bởi giao thức truy nhập theo địa chỉ MAC (lớp 2).
1.3.1. Thiết bị đầu cuối mạng PON

a. OLT (Thiết bị kết cuối kênh quang)
OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động và
mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video. OLT
cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý
EMS (Element Management System). OLT có thể được đặt ở bên trong tổng đài
hay tại một trạm từ xa.

11


Hình 1.10: Sơ đồ các khối chức năng của OLT
Một OLT có thể được chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung.
Phần lõi:
Phần lõi OLT bao gồm:
 Chức năng kết nối chéo được số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng
lõi/metro với phần mạng phối quang ODN.
 Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên
mạng phối quang ODN. Ví dụ như dữ liệu đi từ mạng lõi/metro đến mạng phối quang
ODN thì nó có nhiệm vụ là truyền còn dữ liệu đi từ mạng phối quang ODN đến mạng
lõi/metro thì nó phải được ghép kênh trước khi truyền đến mạng lõi/metro.
 Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang kết nối
OLT với một hoặc nhiều ONU bằng việc sử dụng thiết bị thụ động. Nó điều khiển
quá trình chuyển đổi quang/điện và điện/quang. Để có thể thực hiện cơ chế chuyển
mạch bảo vệ và làm dễ dàng cho việc xử lí thiết bị thụ động splitter thì ở OLT sẽ có
các chức năng giao diện ODN giống như phần mạng phối quang ODN.
Phần dịch vụ:
Phần dịch vụ của OLT có chức năng cổng dịch vụ. Các cổng dịch vụ sẽ
truyền ít nhất tốc độ ISDN và sẽ có thể cấu hình một số dịch vụ hay có thể hỗ trợ
đồng thời hai hay nhiều dịch vụ khác nhau ví dụ như dịch vụ truyền hình độ phân
12