KR100330484B1

KR100330484B1 - 광도파관시스템및통신방법

Info

Publication number: KR100330484B1
Application number: KR1019950002988A
Authority: KR
Inventors: 앤드류알.크라플리비; 파브리죠포기에리; 로버트윌리암트카크
Original assignee: 에이티 앤드 티 코포레이션
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 2002-12-02
Also published as: MXPA95000921A; CA2139957A1; DE69529357D1; CN1068484C; HK1004731A1; JP3869027B2; EP0668675A3; DE69529357T2; EP0668675A2; UA40599C2; EP0668675B1; US5546210A; AU695556B2; BR9500500A; AU1225995A; CN1120274A; RU2134491C1; JPH07264166A; RU95102146A; CA2139957C

Abstract

광 파이버 통신 시스템(optical fiber communication system)에서 파장 분할 다중화된 채널(Wavelength Division Multiplexed Channel)은 채널 반송파(channel carriers)와 4파 믹싱 결과파(4-wave mixing products)와의 실질적인 일치(substantial coincidence)를 저지하는 채널간 주파수 간격(channel-to-channel frequency spacing)을 가지므로 시스템 용량은 증가한다.

Description

광 도파관 시스템 및 통신 방법

본 발명은 파장 분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexing)을 제공하는 고용량 광 파이버 통신(high capacity optical fiber communication)에 관한 것이다.

에르븀 도핑된 파이버 증폭기(erbium-doped fiber amplifier: EDFA)의 도입및 상업화는 광 파이버 통신에 상당한 효과를 가져왔다. 이 증폭기는 단일 채널 시스템(single-channel system)에서 일정한 역할을 담당하고 있는 바, 상당한 파이버 스팬 길이(substantial fiber span lengths)에 걸쳐 광학적 신호를 전기적 신호로 중계하는 중계기(optical-to-electronic repeaters)를 대체하는 역할을 한다. 이 중계기의 동작은 약 1550nm에 집중되어 있으며, 이는 실리카 기저 파이버(silica-based fiber)의 바람직한 저 손실 영역(a desirable low-loss region)과 일치한다. 터미널 및 다른 부수적인 장치가 이 파장에서 적절하게 사용될 수 있도록 설계되어 있다.

EDFA는 파장 분할 멀티플렉싱(WDM)의 실제적인 구현을 가능하게 한다. 시스템은, 현재 기술의 주파수 안정화를 수용하기에 충분한 간격을 가짐과 동시에 EDFA의 통과대역(passband) 내에 전체 대역폭을 갖는 채널들을 구비하는 다중 채널 동작을 제공한다.(모든 채널들을 동시에 증폭하는) 이러한 능력은 WDM에 대한 관심을 고조시키고 있다.

1993년 5월 28일 출원된 미국 특허 출원 번호 S.N. 08/069952는 예전에 간과된 문제점을 해결하는 시스템을 개시하고 이에 대한 권리를 주장한다. 대부분의 진보된 단일 채널 시스템은 분산 쉬프트된 파이버(dispersion-shifted fiber : DSF)를 이용한다. 이러한 유형의 파이버를 설계하는 것은 단일 모드 실리카 파이버의 분산 널 포인트(dispersion null point)를 일반적인 1310nm 반송파 파장(carrier wavelength) 위치에서 원하는 1550nm 반송파 파장의 위치로 "쉬프팅(shifting)" 하는데 의존한다. 이러한 색 분산(chromatic dispersion)의 제거는 수백킬로미터의스팬 길이상에 걸쳐 2.5Gb/sec(Gigabits/second)의 비트 전송율로 시스템이 동작하는 것을 가능하게 한다. 불행하게도, WDM 동작 혹은 WDM 동작에 대한 계획된 갱신(planned upgrade)을 제공하는 시스템의 설치는 4파동 믹싱(4 wave mixing:4WM)에 의한 비선형 효과(nonlinear effect)에 의해 제한된 고려 조건(contemplated conditions)하에서 다중 채널 동작의 구현에 의해 방해된다. 일반적으로 예상되는 거리 및 비트 전송율을 위해, 4 채널 시스템은 배제된다. 인용된 계류중인 특허 출원의 핵심은 너무 낮은 분산에서의 동작을 배제하는 것이다. 정확하게 정의된(precisely defined) 작은 색 분산의 공급은 그렇지 않았다면 DSF를 사용한 4WM에 의해 저지되었을 채널당 비트 전송율에서의 동작에 대해서 충분하다. 이 출원의 다른 시스템 디자인은 4WM의 영향(implication)를 감소시키는 위상 부정합(phase-mismatch)을 보장하기 위해 연결된 분산(concatenated) 및 분산 보상된 시스템(dispersion compensated system)을 이용한다.

특허 계류중인 또다른 미국 특허 출원 S.N. 08/069962은 바람직한 약 1550nm 동작 파장 근처에 중심을 둔 다중 채널에서 사용하기 위한 특정의 유한 분산(specific finite-dispersion) 파이버를 개시하고 이에 대한 권리를 주장한다("파장 분할 다중화 파이버" 혹은 "WDMF"). 이 출원에서 특허 청구된 파이버 디자인은 현재의 비트율을 여전히 허용하면서도, 근래에 인식된 DSF를 사용하는 단일 채널 시스템을 허용한다. 제공된 분산이 매우 긴 스팬 길이에 걸쳐 및/또는 실질적으로 현재~ 1m와트 이상의 전력 레벨에 대한 고비트율의 동작(high bit-rate operation)과 간섭을 일으킬 가능성으로 인해, WDMF는 일반적으로 제안되는 보상파이버(compensating fiber)에 의해 분산 보상(dispersion- compensated)될 수도 있다. 보상될 비교적 작은 분산으로 인해, 더 낮은 도핑 레벨 혹은 더 짧은 보상 파이버가 사용될 수 있으며, 그 결과 추가적인 삽입 손실(insertion loss)이 감소한다.

용어의 정의

WDM 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing) : 하나의 파이버 내에 다중 채널을 제공하는 것. 이러한 접근 방식은 하나의 희토류 도핑된 파이버 증폭기(a single rare earth-doped fiber amplifier)에 의한 채널 세트(a set of channels)의 동시적인 증폭을 허용하므로 중요하다. 에르븀 도핑된 파이버 증폭기는 10-20nm의 영역에서 사용가능한 대역폭(a usable bandwidth) △λ 를 가진다. 일반적으로, 고려된 WDM 시스템은 이 영역 내에 소정의 채널에 대한 전체 대역폭을 갖는다.

스팬(SPAN) : 중계기를 갖지 않는 파이버 길이로서, 광 증폭기를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 스팬의 양쪽 끝에는 전기적 신호와 광학적 신호사이의 상호 변환이 제공된다. 변환은 송신기(transmitter), 수신기(receiver), 혹은 중계기(repeater)에 의해 성취될 수 있다.

DSF : 분산 쉬프트된 파이버(Division-shifted Fiber). 전체 색 분산이 반송파 파장에 대해 소정의 기준 파장으로부터 쉬프트된다.

WDMF : 파장 분할 다중화 파이버(Wave Division Multiplexing Fiber. 1993년, 5월 28일 출원된 미국 출원 SN 08/069962에서 개시되고 권리 청구되어 있다.WDMF는 1550nm의 파장에서 1.5-4ps/nm-km의 분산의 절대 크기를 가진다.

4WM : 4파장 믹싱(Four Wave Mixing). 전술한 바와 같이, 일반적으로 고려되는 WDM 시스템에 대한 주도적인 비선형 용량 제한(nonlinear capacity limit)이다.

EDFA : 에르븀 도핑된 파이버 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier).

종래 기술에서 개시된 시스템에서 일관되게 사용된, 균등 이격(evenly-spaced) WDM 채널의 동작과 대조적으로, 본 발명의 시스템은 비균등 이격 채널간 동작을 수행할 수 있게 설계된다. 바람직한 실시예에서는, 지정된 공칭 채널 반송파(nominal channel carrier)와 어떠한 4WM 결과파와도 일치되는 것을 금지하는 알고리즘(algorithm)을 만족시킨다. 최소 간격을 제공하는 알고리즘 디자인 기준에 대해서도 바람직하게 적용될 수 있으며, 이러한 디자인 기준에 의해 원하는 통과대역 내, 가령 EDFA 내에 최소의 전체 대역폭이 얻어진다.

유한 분산 공급(provision of infinite dispersion)을 제공하는 것에 대한 대안으로서 비균등 이격 채널이 먼저 고려된다.

WDMF의 사용에 대한 대안으로서, 개시된 WDM 시스템은 DSF의 동작을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 이 시스템의 사용에 의해, 이미 DSF를 사용하여 설치된 시스템은 다중 채널 사용을 조정하기에 충분하게 채널 비트 전송율당 갱신될 수 있다. 본 명세서의 상세한 설명에서의 정보는(균등 이격 채널 동작과 비교하여)4 배로 증가된 최적으로 이격된 채널의 용량을 제안한다.

주어진 알고리즘에 따른 채널 간격의 더 중요한 의미는 사용가능한 시스템(예를 들면, 모든 4WM-제한된 동작 영역에 걸쳐 WDMF를 동작시키는 시스템)에서 상기와 동일한 4 배의 증가가 가능하다는 것이다. 보상 혹은 연결된 파이버를 사용하는 또 다른 사용가능한 시스템에서 동일한 장점이 성취된다. 이리한 시스템에 제공되는 파이버는(도핑 레벨과 관련된 감소된 손실을 포함하는 바람직한 영향과 함께) 비균등 채널 간격에 의해 현재 허용된 더 작은 분산 레벨을 사용할 수도 있다.

실험은 EDFA 통과 대역내에 그대로 머물면서도 8 혹은 그 이상의 WDM 채널 동작의 실용 가능성(feasibility)을 확립한다. 장치는 필요한 채널 안정화(channel stabilization)-아마 균등 채널 간격(일정한 최소 간격)에서 보다 큰 순서로-를 보장하는데 유용하다.

본 발명의 시스템 설계 및 시스템 동작은 용량에서 4WM이 지배적인 제한 요소(dominant limitation)인 경우 유용하다. 이러한 사실은 DSF를 이용하는 장거리 다중 채널 시스템(long-haul multi channel system)에 잘 적용된다. "장거리 다중 채널 시스템"이라는 말은 스팬 길이 360km와, 3개의 균등 이격 EDFA를 가지며, 통과 대역 요구조건을 만족시키는 전체 대역폭의 4 채널을 가지는 것으로 정의된다. 예로서, EDFA의 통과 대역은 최대 약 30nm 이다. 현재의 실무에서, 시스템은 전체 대역폭이 10nm 에서 20nm 가 되도록 제공된다. 또 다른 시스템 요구조건은 대역이 약 1550nm의 파장에 집중되어지는 것이며, 비트 에러율이 10-6/sec 와 같거나 작게 되는 것이다.

이러한 전제와 일치하여, 360km 스팬 길이와, 4-채널을 가지며, 1mw/채널로 균등하게 이격되어 DSF와 동작하는 WDM 시스템은 모두 약 2Gb/sec의 용량을 갖는다. 이들 목적을 성취하기 위해서는, 이 DSF 시스템은 "비활성화된(disabled)" 것으로 간주된다. 본 발명은 이러한 비활성화 시스템에 적용된다. 알고리즘적으로 결정된(algorithmically determined) 비균등 채널 간격을 사용하여, 용량은 동일한 곱셈기(multiplier)에 의해 다른 실험적인 작업에 의해 판단되는 바와 같이 적어도 4 배 증가한다(혹은 동일한 전체 대역폭에 대해 약 12Gb/sec로.)

본 발명의 시스템 접근 방식은 활성화된 시스템-스팬을 구성하는 파이버의 주요 부분(major portion)에 대해 적어도 1.5ps/nm-km의 절대값의 최소 색 분산을 제공하는 균등 이격 시스템에 적용할 수 있다. (360km, 4 채널이라는 점을 제외하고는 상기한 시스템과 동일한 시스템은 약 120Gb/sec의 용량을 갖는다). 이 시스템에 대해, 전술한 바와 같은 4 배 이상의 동일한 증가가 성취된다(약 900Gb/sec). 이러한 최소 한계를 크게 초과하는 분산값에 대해 동일한 곱셈기가 적용된다. 적어도 단기간의 목적을 위해(near-term purpose), 약 4ps/nm-km을 초과하는 파이버 분산은 균등하게 이격된 채널에 대한 충분한 용량을 보장한다. 따라서, 사용가능한 시스템에서 비균등 채널 간격에 대한 바람직한 실시예는 1.5-4ps/nm-km의 파이버 분산 영역을 갖는다.

제 3 도 및 제 4 도는 10 채널 시스템과 관련되어 있다. 제 2 도 및 예 1, 2는 실험적인 8 채널 시스템을 기술하고 있다. 최적의 광대역폭 Bopt에 대해, 본 시스템 및 보다 복잡한 시스템이 EDFA 통과 대역 내에 들어맞게 될 수 있다. 더 적은 채널로 동작하는 시스템은, 동일한 대역폭을 점유할 경우 더 넓게 이격될 수도 있다. 증가된 대역폭에 대한 트레이드 오프(trade-offs)는 주파수 안정화 및 4 파장 믹싱이 덜 필요하게 된다는 것이다.

본 발명의 목적은 4WM에 의해 용량이 제한된 시스템에서의 용량을 증가시키는데 있다. 달리 표현하면, 균등 이격 채널들을 갖는 동일한 시스템은 4WM에 의해 용량 제한된다. DSF, WDMF, 연결 혹은 보상 동작의 여부에 관계없이, 용량 증가는 동일한 전체 대역폭에 대해 동일하게 될 것이다. 이 곱셈기는, 결과로서 얻어지는 비균등 이격 시스템이 4WM에 의해 계속하여 제한될 것이라는 가정에 전제를 두고 있다. 그렇지 않으면, 증가는 감소할 것이다. 본 발명의 기법은 4WM, 색 분산 혹은 다른 비선형적인 효과의 궁극적인 제한에 관계없이 용량 증가가 실질적으로 이루어지는 곳에 유용하게 적용될 수 있다.

4ps/nm-km이상의 분산 파이버를 이용한 균등 이격 채널 WDM 시스템은 일반적으로 4WM에 의해 제한되지 않으므로, 바람직한 실시예는 0-4ps/nm-km의 절대값 영역내의 분산을 갖는 파이버를 사용한다. 본 발명은 장래에 더욱 빠른 비트 전송율이 요구될 때 더 많은 수의 파이버 분산을 가짐으로써, 유용하게 이용될 것이다. 장래의 갱신을 위해 비균등 채널 간격이 조정될 수도 있다.

약 1550 nm의 시스템 파장에 대해 특별히 기술한다. EDFA의 광범위한 채용(widespread acceptance)에 기인하여, 시스템에 대한 본 발명의 최초의 영향은 이 파장에 있는 시스템에 대한 것이 될 것이다. 본 발명은 보다 광범위하게 적용될 수 있다. 본 시스템은 광 파이버상으로 전송되는 다른 광 주파수들에서도 동작할 수 있다. 예를 들면, 1310nm 에서의 시스템 동작은 상대적으로 덜 관심을 받는다. 이러한 파장에서 효과적인 파이버 증폭기가 등장한다면 이러한 편견이 극복될 것이며, 그 결과로 양 파장에서(분산 편평형 파이버(dispersion-flattened fiber)의 사용으로)동시 동작이 가능해질 수도 있다. 따라서, 특정 파장의 견지에서의 논의는 단지 예시적인 것으로만 간주되어야 한다. 예를 들면, "비활성" 및 "활성" 시스템이라는 논의는 선택된 시스템 파장의 분산값에 대응하는 시스템을 대표하는 것으로 간주될 것이다.

시스템의 파장에 대해 분산값이 정의된다. 일반적으로, 이 파장값은 송신기에 의해 설정된다. 예를 들어, 갱신 동안, 다른 시스템 파장을 대치하거나 혹은 부가함으로써, 분산 값을 변화시킬 수도 있다(제 5 도 참조).

유사하게, 일반적으로 동질 파이버(homogeneous fiber)의 스팬에 관해 주로 논의가 이루어진다. 본 발명의 시스템은 상이한 길이의 파이버들로 구성된 스팬에서의 사용에 있어서 한층 더 의의가 있게 될 것이다. 접합 시스템(concatenated system)의 논의는 이러한 사실을 암시적으로 나타낸다. 보상된 시스템은 상대적으로 짧은 길이의 보상 파이버들(95% 이상은 동질 파이버이고, 나머지는 보상 파이버)을 포함하는 스팬들을 사용한다.

[최적 채널 간격]

채널 할당은 "Golomb Ruler"에 근거한 정수 선형 프로그램(ILP)을 이용한다. 자세한 논의는 J.P 로빈슨에 의해 1979년 12월에 발표된 IEEE Transactions on Computers Vol. c-28 No.12, pp.943, 944, "Optimum Golomb Ruler"에 개시된다. 용량을 증가시키기 위해 비균등 채널 간격의 실용 가능성을 나타낸 개선이 주목된다. 좀 더 구체적인 견지에서, 익숙하지 않은 문제점들에 순전히 수학적인 Golomb Ruler상의 변동이 유용하게 적용될 수 있다. 4WM 문제는, 큰 채널 간 간격이 전통적으로 적용되는 문제에 대해 이러한 문제의 동등한 척도에 관련된다.

4WM은 3 개의 주파수 파장, fi, fj, fk(k≠i,j)가 광 파이버의 제 3차 전기 자화율을 통해 상호 작용하여 주파수 파장을 발생시키는 비선형 프로세스이다.

fijk = fi + fj - fk 수학식(1)

따라서, 4WM에 의해 3 개의 함께 전파하는 파장(copropagating waves)은 새로운 9 개의 광 파장을 발생시킨다.

WDM 시스템에서, 3개의 채널 파의 가능한 모든 선택에 대해 이리한 광 파장을 발생시킨다. 더 많은 채널에 대해서는 악화되는 문제점이 발생한다. 8 개의 채널 시스템에서는 4WM에 의해 수백개의 새로운 파가 발생한다. 통상적인 WDM 시스템에서 전형적으로 채널들은 주파수 면에서 균일하게 이격된다. 균등한 주파수 간격은 4WM에 의한 효과를 반감시킨다. 왜냐하면, 시스템의 대역폭 내에 드는 모든 WDM 적항(product terms)은 정확하게 채널 주파수에 해당하게 되어 신호대 잡음비를 감소시키기 때문이다. 부가하여, "1" 비트상의 왜곡은 검출기에서의 파라메트릭 이득(parametric gain)에 의해 증가되며, 한층 더 신호 대 잡음 비를 감소시킨다.

WDM 시스템의 어떠한 2 개의 채널의 주파수 분할도 다른 모든 채널 쌍과 상이하다면, 공칭 채널 주파수에서 어떠한 4WM 파도 발생하지 않을 것이다. 전술한 요구조건을 만족시키기 위해 디자인 방법론(design methodology)이 제공된다. 이 방법은 라디오 시스템에서의 제 3 차 준누화 간섭(Intermodulation interference)의 효과를 감소시키기 위해 제안된 방법과 연관된다. 자세한 논의는 W.C 밥콕에 의해 1953년 1월 발표된 Bell Syst. Tech. J., vol.31, pp.63-73, "Intermodulationinterference in radio system" 및 1986년 6월 M.D 엣킨슨, N. 산토로, 및 J. 우루티아에 의해 발표된 IEEE Trans. Commun., vol. COM-34, pp.614-617, "Integer sets with distinct sums and difference and carrier ferquency assignments for nonlinear repeaters."에 개시된다. 시뮬레이션 및 실험적인 결과는 제안된 채널 할당이 4WM에 기인한 성능 저하의 상당한 감소를 허용한다는 것을 확증한다.

채널 할당 디자인(channel allocation design)은 사용 가능한 광 대역폭을 4WM에 의해 점유된 대역폭(예를 들면, 0.1nm 대 0.15nm와 같이, 항상 채널의 대역폭보다 큰) 보다 큰 대역폭 △f의 균등한 슬롯으로 나눔으로써, 정수 선형 프로그래밍(integer linear programming:ILP)문제로 집약(reduce)될 수 있다. (임의의) 기준 광 주파수, fo가 주어지고, i 번째 슬롯은 광 주파수 fi = fo + ni△f 주위에 집중된다. 여기서, ni는 i 번째 주파수 슬롯의 슬롯 번호라 지칭되는 정수이다. 슬롯 번호의 견지에서, 수학식(1)은

n_ijk= n_i+ n_j- n_k(k≠i, j) 수학식(1a)

n_ijk가 i, j, k의 어떠한 선택에 대한 어떠한 채널 슬롯 번호와도 일치하지 않을 경우에는, 임의의 채널 슬롯상에 생성된 신호에 의해 어떠한 4WM 파도 발생하지 않는다. 만약 N 이 전송될 채널의 수이면,(증가하는 슬롯 번호에 대해)

수학식(2)

이 되도록 N 채널을 선택하는 것으로 충분하다.

수학식(2)는, 채널 슬롯의 임의의 상이한 두 쌍에 대해, 각각의 쌍 내의 채널 간 주파수 분리가 상이해야 할 것을 요구하는 것과 동등하다.

그러면, 4WM 문제는 인접한 원소의 N(N-1)/2 부분합

수학식(3)

혹은 주파수 단위로 표기할 때,

수학식(3a)

이 모두 서로 상이하도록 N-1 개의 양의 정수 벡터(m₁, m₂, ...m_N-1)를 찾는 ILP 문제로 집약된다. 일반적인 시스템에서는, 채널의 근접도에 있어서 얼마간의 실제적인 제약이 존재하며, 최소 전체 대역폭에 대한 필요성이 존재한다. 이것은 WDM 시스템에 의해 점유된 전체 광 대역폭(B_opt= S△f)을 최소화하도록 합

이 최소로 되어야 한다는 요건으로서 표현될 수 있다.

수신기 측에서, 검출 전에 채널들을 분할하기 위해 광 파이버가 사용된다.

원하지 않는 채널들을 적절한 양만큼 거부할 수 있도록 채널 슬롯사이에 최소 주파수 간격(△fc = n△f)이 제공되어야 한다. 이러한 사실은 ILP 문제에 부가적인 제약 조건 mi ≥ n을 부과하며, 여기서, n△f는 인접한 채널들 사이의 최소주파수 분할이다.

이러한 ILP 문제는 NP-완전(complete)이라는 것을 보일 수 있으며, 따라서 이것을 풀 일반적인 효율적인 방법은 알려져 있지 않으며, 최적의 해는 전수 컴퓨터 탐색에 의해서만 구할 수 있다.

필요한 전체 광 대역폭 B_opt에 대한 하위 경계는 m_i의 값이 서로 상이해야 한다는(그리고 n 보다는 크다) 조건으로부터 구할 수 있다.

이 경계는,

로 표기된다. 여기서, Bc =(N-1)△fc는 △fc에 의해 균등 이격 채널을 가진 통상적인 WDM 시스템의 전체 광 대역폭이다.

제 13 도는 최소 분할 파라메터 n의 다양한 값에 대한 Bopt/Bc 대 N(WDM 시스템에서의 채널의 수)으로서 정의된 대역폭 확장 계수(bandwidth expansion factor)를 도시한다. 실선(golid line)은 컴퓨터 전수 탐색으로부터 획득한 값으로부터 도시되며, 점선(dash-dotted line)은 수학식(4)의 하위 경계(lower bound)를 나타낸다. n≥5에 대해, 10 채널까지, 하위 경계를 구할 수 있다.

n≥5이라는 이러한 고려는, 대역폭 확장 계수가 적용되는지 적용되지 않는지에 관계없이 대부분의 시스템에 대해서는 중요한 요소이다. 이러한 최소 채널 간격 및 어떠한 채널에 대한 어떠한 4WM 곱의 최소거리의 n 비율은 자기 위상 변조(self-phase modulation)에 기인한 채널 확장(channel broadening)을 제공한다.

실질적인 분할을 보장함으로써 또한 WDM 결과파및 채널에 의해 발생되는 비트 결과(beat products)는 감소한다. 5의 비율이 성취될 수 있고 적당한 분할을 보장한다. 적은 수의 채널에 대해(예를 들면, 4 채널), 큰 비율이 가능하도록(10 및 그 이상까지) 통과대역 요구조건은 완화될 수 있다. 다른 환경 하에서는, 2만큼 작은 비율로 충분할 것이다.

채널 주파수 슬롯외부의 믹싱 결과파를 유지하는 제안된 비균등 채널 간격의 효과가 제 3 도 및 제 4 도에 도시된다. 여기서, 각 주파수 슬롯 △f 상에서 발생하는(falling) 믹싱 결과파의 수는 n= 5 및 fc = 1nm를 갖는 10 채널 시스템의 경우에 대해 도시된다. 제 3 도에서, 대부분의 4WM 믹싱 결과파는 채널 반송파와 일치한다. 따라서, 전체 대역폭은 9nm가 된다. 시스템의 대역폭에서 모든 믹싱 결과파는 채널들에 의해 점유된 슬롯상에 위치되며, 최대 간섭을 발생한다는 사실 및 어떠한 채널상에서는 50개 이상의 4WM파가 존재한다는 사실을 유의해야 한다. 제 4 도는 비균등 간격을 사용한 효과를 도시한다. 제 13 도로부터 대역폭 확장 계수는 1.8이며, 따라서 대역폭은 16nm까지 증가하지만, 현재에는 채널들에 의해 점유된 슬롯상에는 믹싱 결과파가 존재하지 않는다. 이들 믹싱 결과파는 모두 채널들 사이의 슬롯상에 균등하게 분배되고, 이들의 효과는 수신기에서 필터링될 수 있다.

원하는 채널을 선택하기 위해 수신기에서 사용되는 광 필터는 채널 슬롯 근처의 슬롯에서 발생된 4WM 파를 약간 감쇠시켜 통과시킬 것이다. 채널 및 그들 4WM 파들사이의 비팅(beating)에 의해 발생된 파들은 또한 필터링되어야 한다. 이러한필터링은 전자적인 필터에 의해 수행된다. 따라서, △f는 채널 파와 4WM 파 사이의 약간의 중첩(overlap)도 피할 수 있을 정도로 충분히 커야 하며, 따라서 채널 주파수들에서의 불안정성(instability)을 허용하게 된다. 4WM 파의 rms 주파수 지터(jitter)는 채널의 주파수 지터의 3 배이므로, △f 가 2R보다 크다면(여기서, R은 비트 전송율), 주파수 안정성이 △f/10의 차수(order)일때, 스펙트럼의 중첩(superimposition)은 무시될 수 있다. 원하는 채널의 왜곡없이 적절한 양의 저지를 제공하기 위해, 최소 채널 분할 △fc ≥ 10R 이 제공되어야 하며, 따라서 n=△ fc /△f= 5가 적당하다.

궁극적으로, 본 발명은 경비면에서 장점을 가진다. 신중하게(conservatively), 알고리즘적으로 결정된 채널 간격의 효과적인 사용을 위해서는 ±0.5 Å(+-5GHZ)의 채널 안정화가 필요하다. 비교에 의해, 균등 이격 채널(비균등 채널 이격 시스템에 대한 가장 작은 간격 값과 균등한 간격을 가진)에 대한 요구조건은 단순히 채널 중첩을 피하는 것이다. 즉, 더 적은 요구의 순서로 ±0.5nm에서 안정화를 이루는 것이다. 예를 들면, △f와 동일한 자유 스펙트럼 영역(free spectral range)을 갖는 파브리 페로 필터(Fabry-perot filter)의 선택된 모드에 대해 채널을 고정시킴으로써, 원하는 레벨에서의 안정화가 성취된다.

제 3 및 4 도는 채널 주파수 슬롯의 외부에 믹싱 결과파를 유지하는 알고리즘적으로 결정된 비균등 채널 간격의 효과를 도시한다. 제 3 도는 1550nm의 공칭 반송파 파장에 대해 집중된 10 개의 균등 이격(125GHZ로 이격된) 채널을 도시한다.(컴퓨터를 이용한 해법은 1, 6, 11, 16 등의 번호로 채널을 나타낸다.)

세로 좌표(ordinate)는 믹싱 결과파의 수를 나타낸다. 채널간 간격은 1nm이며(여기서 광 파이버 채널 선택을 위해 최소 채널 간격으로 고려한다), 따라서 전체 대역폭은 9nm가 된다. 이 대역폭내의 모든 믹싱 결과파는 채널 슬롯상에 위치한다.

제 4 도에서 제 3 도와 유사한 비교가 도시되며, 여기서는 1, 6, 16, 22, 30, 39, 50, 57, 69, 82에서 알고리즘적으로 설계된 채널을 갖는다. 최소 허용된 채널 간격을 유지함으로써, 1.8의 대역폭 확장 계수(수학식.4) 혹은 16nm의 전체 대역폭이 발생한다. 모든 믹싱 결과파는 채널 슬롯들 사이의 슬롯상에 위치하며, 이들의 효과는 필터링 될 수 있다.

[예(Examples)]

제 2 도의 회로상에서 예 1 및 2에 나타난 실험적인 데이타의 대부분이 얻어졌다. 예 2는 다른 동일한 시스템들에 대해 균등 채널 간격을 비균등 채널 간격과 비교한다. 비교의 결과는 제6, 7, 8, 9 및 10도에 도시된다.

제 2 도는 137km의 DSF에 걸쳐 8개의 10-Gb/sec 채널들의 중계기없는 전송을 제공하는 8 개의 채널 회로를 도시한다. 방사 파장(emission wavelength) λ1 에서 λ8의 측면에서 도시된 8개의 외부 공동 레이저(external-cavity lasers)는 2x1 수동 결합기(passive coupler)(32)와 함께 4x1 수동 결합기(30 및 31)에 의해 다중화 된다.

2 개의 EDFA(33 및 34)는 결합기 손실(coupler loss)을 보상한다.

LiNbO3 변조기(35)는 10Gb/sec 의사 랜덤 비트 스트림(pseudorandom birstream)을 발생한다. 1550nm에서 16ps/nm-km의 색 분산을 갖는 낮은 편파 모드 분산(polarization mode dispersion L : PMD) 쉬프트되지 않은 파이버의 20km의 스풀(spool)은 개별적인 지연을 발생하여, 10Gb/sec의 속도에서 채널당 3 비트 쉬프트를 발생한다.

(이러한 방법으로, 모든 채널상에서 동시에 중첩된 동일한 10-Gb/sec 비트 스트림은 개별적으로 변조된 채널들을 시뮬레이션하기 위해 설정된다.) 낮은 PMD는(균등 채널 간격 그리고 비균등 채널 간격 모두에 대해)4WM에 대한 가장 나쁜 경우(a worst case)를 제공한다.

EDFA(37)에 의해 증폭된 후, 발신된 전력(launched power)을 조정하기 위해 신호는 가변 전력 감쇠기(variable power attenuator)(38)를 통하여 전송된다. 구성 요소(38)는 DSF의 137km 스풀(39)과 함께 삽입 손실 및 4WM을 충당한다. 분산 쉬프트된 파이버는 0.24dB/km 삽입 손실을 갖는다. 최악의 계획(a worst case scenario)은 균등 간격 및 비균등 간격 모두에 대한 채널 주파수가 선택되어 채널 2 및 3(각각의 반송파 파장은 λ2 및 λ3)사이에서 등 간격인 분산 파장 λ0 를 위치시키는 것이다. 입력 및 출력 스펙트럼은 접합부(41 혹은 42)에서 획득된 신호로서 광 스펙트럼 분석기(40)에서 보여진다. 이 신호는 이후 차례로 EDFA(43), 가변광 필터(44, 45), EDFA(46) 및 가변 광 필터(47)로 전송된다. (원하는 판별을 위해 3개의 off-the-shelf 필터가 요구된다. 필터 배치는 선택되지 않은 채널들의 23dB 이상을 저지하도록 배치된다.) 구성 요소(48 및 49)가 제공되어 광학적 신호를 전기적 신호로 변환하고 전자 필터링을 수행한다.

통상적으로 상업적 중계기에 포함된 전자 필터는 채널 반송파와 밀접하게 이격된 4WM 결과사이의 비팅의 결과로서 얻어진 의사 신호(spurious signals)를 펄터링하는데 적합하다. 이 결과는 비트 에러율 테스트 세트(bit error rate test set((50) 및 오실로스코프(oscilloscope)(51)의 사용으로 관측된다. 구성 요소(50)는 실험에서 231 - 1 비트를 포함하는 의사랜덤 비트 스트림을 발생시킨다.(52)에서 발생된 스트림과(53)에 입력된 스트림사이의 비교가 이루어진다.

[예 1]

제 2 도의 시스템은 1.6nm에서 균등 이격 채널에 대해 사용되어, 전체 대역폭이 11.2nm가 된다. 이 시스템의 입력 및 출력 스펙트럼이 제 6 도 및 제 8 도에 도시된다. 출력 아이 도(eye diagram)가 제 10 도에 도시된다. 발신 전력은 3dBm(2mw)이다.

[예 2]

발신된 전력 5dBm 를 갖는 비균등 이격 채널에도 동일한 시스템이 사용된다. 동일한 전체 대역폭 11.2nm를 유지하는 목적을 갖는 이같은 실 예에서, 최소 간격은 1nm 최소 채널 간격에서 설정된다. 입력 및 출력 스펙트럼이 제 7 도 및 9 도에 도시되고, 출력 아이 도가 제 11 도에 도시된다. 이러한 예 및 예(1) 모두에서, 아이 도는 제 3 채널(가장 나쁜 채널)에 대한 것이다.

발신된 전력이 더 높기 때문에 믹싱 결과파의 레벨은 비균등 간격(제 8 및 9 도)에서 더 높다. 동일하지 않은 간격에 대한 비교적 개방 아이는 높은 발신 전력에도 불구하고 본 발명의 요점이 된다. 제 8 도(균등 간격) 및 제 9 도(비균등 간격)를 비교함으로써, 비균등 간격에 대한 채널 대역폭의 외부에 4WM 결과가 발생되는 것이 도시된다.

이 시스템에 대한 브리유앵 임계값(Brillouin threshold)은 최고의 발신 전력, 9dBm 이상의 10dBm로 설정되어진다. 이러한 및 다른 고려는 이 시스템이 개선되어지더라도, 계속적으로 4WM에 의한 용량 제한을 받는다는 것을 입증한다.

제 12 도는 예 1 및 예 2의 시스템 동작을 위한 가로 좌표(abscissa)상의 발신 전력에 대한 세로 좌표상의 대수에서 에러 확률(error probability)을 도시한다. 비균등 간격에 대한 데이타 지점(point)은 원형으로 표시되고, 균등 간격에 대한 데이타의 지점은 사각형으로 표시된다. -2dBm이하의 낮은 전송된 전력에 대해, 균등 시스템 및 비균등 시스템은 4WM에 대해 동일하게 수행한다. 전력이 증가됨에 따라, 균등 이격 시스템에서 성능은 급격히 감소하여 비트 에러율이 10-6 정도로 발생한다. 그러나, 비균등 이격 시스템은 +7dB까지는 발신 전력이 증가함에 따라 계속적으로 성능은 향상된다.(비트 에러율의 초기 증가는 증폭기 노이즈의 상대적인 감소에 기인한다.)

제 12 도의 동일하지 않게 이격된 시스템은 본질적으로 2dBm 에서 7dBm의 영역에서는 에러가 발생하지 않는다(에러율 ≤ 10-11이다).

비균등 이격 시스템에 대한 에러율의 상승은 부분적으로 전력이 채널 대역의 외부로 하락하는 4WM 결과로 전송됨에 따라 발생하는 간단한 전력 공핍(simple power depletion)에 기인한다고 여겨진다.

[다른 특성들(other figuers)]

제 1 도는 WDM 시스템이다. 이 시스템은 4개의 전송기(10, 11, 12 및 13)를 포함하며, 이 접속기는 하나의 수동 4: 1 결합기(14)로 결합된다. 결합된 신호는 2개의 광 증폭기(16 및 17)을 구비하는 파이버 전송 라인(15)으로 전송된다. 수신기의 단말에서, 4 채널 신호는

디멀티플렉서(18)에 의해 분할되며, 이후에, 분할된 신호는 4 개의 재발생기(regenerators)(19, 20, 21 및 22)로 라우트된다.

제 5 도는 균등 이격 시스템에 대한 비트 용량과 비균등 이격 시스템에 대한 비트 용량을 분산 함수로서 비교한다. 세로 좌표의 값은 360km 스팬 길이의 4 채널 시스템에 대한 용량이다. 0 분산에서, 균등 이격 시스템은 약 2Gb/sec의 용량을 가진다. 비균등 이격 시스템에서, 여전히 0 분산 파이버를 사용하면, 용량은 약 12Gb/sec까지 증가한다. 곡선을 비교하면, 사용가능한 시스템이 WDMF를 사용하여 1550nm의 시스템 파장에서 동작하는 동안(이 파장에서 파이버는 2.0ps/nm-km의 분산을 가진다), 분산 값의 모든 영역에 대해 동일한 증가가 이루어지며, 약 120Gb/sec의 용량은 약 900Gb/sec까지 증가한다.

동일한 곡선 형태 및 동일한 상대적 용량이 좀 더 복잡한 시스템에 제공된다. 8 채널 시스템에 대한 예 1 및 예 2 가 도시된다.

용량의 개선을 논의하는 과정에서 한 가지 가정(assumption)이 설정된다. 4배의 증가는 변화되지 않은 전체 대역폭의 가정에서 존재한다. 이러한 사실은 전체 대역폭은 일반적으로 통과 대역 고려 조건(considerations),- 즉 EDFA 통과 대역에 의한-에 의해 제한된다는 이유에 기인한다. 4WM 효율은 감소된 간격에 대해 증가하므로, 상기 가정은 본 발명의 접근 방식을 손상시키며, 4 배의 곱셈기는 보존된다. 한편, 만약 최소 채널간 간격이 최소로 보존되어, 전체 대역폭이 확장된다면, 믹싱 효율은 단일 채널 쌍을 제외한 모두에 대해 감소된다. 이러한 확장된 대역폭에 대해, 증가는(8배의 계수에 의해 곱셈되어) 약 9 dB이다.

제 5 도는 현재 고려되는 4 채널 이상을 포함하는 본 발명의 시스템을 나타낸다. 더 긴 시스템은 더 긴 스팬 혹은 다중의 스팬을 포함할 수 있으며, 4 개의 전송기가 재 발생을 위해 사용될 수 있다.

고려되는 균등 이격 4 채널 시스템에 대해, 스팬 길이는 360km가 되고, 증폭기 간격은 120km가 된다. 채널 간격, 즉 반송파 파장사이의 차이는 200GHz(혹은 약 1.5nm)이다. 대응하는 본 발명의 시스템은 180, 200 및 220 GH로 이격된 채널을 사용한다. 전술한 바와 같이, 파이버 경로는 주로 일정한 파이버의 끝 대 끝으로 이루어지거나, 또는 연결된 혹은 보상된 파이버로 구성될 수 있다.

제 13 도에 도시된 데이타는 일정한 대역폭의 경우에 대한 최소의 채널 간격을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 채널은 확장 계수의 역(inverse)에 의해 단순히 감소된다.

이상 본 발명은 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변경 가능함은 물론이다.

제 1 도는 비균등 이격 채널을 사용하는 WDM 시스템에 대한 일반화된 회로도,

제 2 도는 본 명세서에 개시되는 소정의 데이타를 개선하는 데 사용된 실험 적인 WDM 시스템에 대한 회로도,

제 3 도는 통상적인 균등 채널 간격의 WDM 채널 주파수와 4파 믹싱 결과파의 주파수와의 관련을 도시한 도면,

제 4 도는 바람직한 비균등 이격 시스템에 대한 제 3 도와 같은 특성의 도면,

제 5 도는 균등 이격 그리고 비균등 이격 다중 채널 WDM 시스템에 대한 전체 용량과 색 분산의 크기와의 관련을 도시한 도면,

제 6 내지 9 도는 균등 이격 채널들의 스펙트럼 및 알고리즘적 으로 결정된 간격을 비교한 도면,

제 6 도는 균등 이격 채널들의 입력 스펙트럼,

제 7 도는 비균등 이격 채널들의 입력 스펙트럼,

제 8 도는 균등 이격 채널들의 출력 스펙트럼,

제 9 도는 비균등 이격 채널들의 출력 스펙트럼,

제 10 도 및 11 도는 mw의 전력 및 ns의 시간의 좌표상에서 각기 제 8 도 및 제 9 도의 조건에 대한 균등 채널 간격 및 비균등 채널 간격에 대한 도면,

제 12 도는 에러 확률 및 발신된 전력의 좌표상에서 균등 채널 간격, 그리고 비균등 채널 간격에 대한 이들 좌표값의 관계를 비교한 도면,

제 13 도는 본 발명의 시스템에 대한 동일한 최소 채널간 분할을 유지하는데 요구되는 대역폭 확장을 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 11, 12, 13 : 전송기 19, 20, 21, 22 : 수신기

14 : 결합기 16, 17 : 광 증폭기

18 : 디멀티플렉서 30, 31 : 수동 결합기

33, 34, 37, 43, 46 : 에르븀 도핑된 파이버 증폭기

38 : 가변 전력 감쇠기 44, 45, 47 : 가변 광 필터

48, 49 : 필터

Claims

파장 분할 다중화된 광 도파관 시스템(Wavelength division multiplexed optical waveguide system)에서,

상기 시스템은,

"시스템 파장(system wavelength)" 근처에 분포된 "전체 대역폭(total bandwidth)"내에 "반송파 파장(carrier wavelength)"을 갖는 한 세트(a set)의 다중화된 채널 반송파(a set of multiplexed channel carriers)를 생성하고, 변조하여 광 전송 라인(optical transmission)으로 도입하는 송신기(transmitter)와;

채널 반송파의 디멀티플렉싱(de-multiplexing)을 포함하는 기능을 수행하는 수신기(receiver)와;

광 증폭기들(optical amplifiers)과;

한쪽의 단말은 송신기에 의해 규정되고 다른쪽의 단말은 수신기에 의해 규정되는 적어도 하나의 파이버 스팬(fiber span)을 포함하되, 상기 파이버 스팬은 적어도 하나의 광 증폭기를 포함하는 광 파이버의 전송 라인을 포함하되,

적어도 4개의 채널 파장(channel wavelengths), λ1, λ2, λ3, λ4을 제공하며, 상기 파장은 충분히 좁은 전체 대역폭(total bandwidth)을 가짐으로써, 채널 반송파가 성취가능한 시스템 용량(attainable system capacity)을 제한하는 4파 믹싱 결과파(four-wave-mixing:4WM)를 발생하며,

상기 시스템은,

채널간 주파수 간격(channel-to-channel frequency spacing)은 균등하지 않고 상기 간격의 크기는 어떠한 채널 반송파 파장도 어떠한 4WM 결과파와 실질적으로 일치하지 않음을 보장하며, 이로 인해 용량에 대한 4WM의 제한이 감소하는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

(최소 채널간 간격(minimum channel-to-channel spacing))과(임의의 채널로 부터의 임의의 4WM 결과의 최소 간격)의 비는 적어도 2의 값을 가지는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 비는 적어도 5의 값을 가지는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

스팬의 상당한 부분(substantial part)을 구성하는 파이버의 분산(dispersion)은 0-4ps/nm-km의 시스템 파장에서 측정된 것과 같은 분산 값(dispersion value)을 가지는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 분산은 1.5-4ps/nm-km인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 시스템 파장은 대략 1550nm인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 광 증폭기는 에르븀 도핑된 파이버 증폭기(an erbium-doped fiber amplifier)인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 대역폭은 30nm인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 대역폭은 10nm-20nm인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 세트는 적어도 4 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 세트는 적어도 8 개의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 4 항에 있어서,

분산 쉬프트된 파이버(Dispersion Shifted Fiber)가 상기 스팬의 상당한 부분을 구성하는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 최소 채널간 간격은 최대 0.8nm인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

채널당 비트 전송율은 적어도 2.5Gb/sec인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 14 항에 있어서,

채널당 비트 전송율은 적어도 5.0Gb/sec인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

스팬 길이는 적어도 360km 이며, 시스템 용량은 적어도 10Gb/sec인 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 스팬은 적어도 2 개의 광 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 채널간 주파수 간격, mi△f, i=1,...,N-1,(여기서 N은 채널의 수이고, △f는 임의의 채널로부터의 임의의 4WM 결과파의 최소 간격)은, 임의의 2 채널 사이의 간격

이 (여기서 n 은 1 보다 큰 정수이고 n△f는 허용된 최소 간격) 임의의 다른 쌍의 채널의 간격과 상이해야 한다는 조건을 만족시키며, 모든 mi ≥ n 인 제약 조건에 구속되는 것을 특징으로 하는

광 도파관 시스템.
적어도 4개의 통신 채널(communication channels)에 걸쳐 동시에 디지탈 신호(digital signals)를 발신하는 단계를 포함하는 광 파이버 통신 시스템(optical fiber communication system)에 대한 통신 방법에 있어서,

상기 방법은,

적어도 4 채널이 30nm까지의 통과 대역(passband)을 갖는 단일 파이버 증폭기(a single fiber amplifier)를 통해 동시에 지나가며, 상기 채널당 비트 스트림(bit stream per channel)은 적어도 2.5Gb/sec이며, 상기 발신 지점(launch point)으로부터 적어도 360km 떨어진 수신기에서 디지탈 신호를 수신하며,

상기 방법은,

채널간 주파수 간격은 균등하지 않고 상기 간격의 크기는 어떠한 채널 반송파 파장도 어떠한 4WM 결과파와 실질적으로 일치하지 않음을 보장하며, 이에 의해 용량에 대한 4WM의 제한이 감소하는 것을 특징으로 하는

통신 방법.