KR100342429B1 - 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할다중방식 시스템 - Google Patents

광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할다중방식 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템에 관한 것이다.
종래의 직접 변조 방식은 변조시 레이저 다이오드에서 발생하는 처핑에 의한 색분산 효과와 광 소광비가 좋지 못하므로 전송에 제한을 받게 된다.
이에, 본 발명은 메트로용 광 네트워크에 직접 변조 방식을 채택하기 위해 광 필터링 방법을 이용하여 1) 직접 변조 과정에서 발생하는 처핑을 효과적으로 제거하여 색분산에 의한 페널티를 줄인다. 2) 광소비를 향상시키기 위해 off 준위의 광 신호에너지도 함께 제거하여 광소광비에 의한 페널티를 줄인다. 3) 또한, 높은 파워의 광신호를 파장분할 다중화 시켜 송신할 경우 발생하는 상호위상 변조와 4광파 혼합과 같은 비선형 효과를 효과적으로 억제한다.
따라서, 본 발명에서 제안한 광 필터링 방법을 사용하면 광 소광비를 향상시키고, 처핑에 의한 색분산 효과와 비선형 효과를 효과적으로 제거하여 경제적인 직접변조 송신방식으로도 양질의 신호를 전송할 수 있다.

Description

광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템{DIRECTLY MODULATED METRO-WDM SYSTEM BY A SPECTRAL FILTERING METHOD}
본 발명은 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템에 관한 것이다. 특히, 직접 변조된 파장분할 다중방식 시스템에서 시스템 성능을 저하시키는 처핑에 의한 색분산 효과, 광 소광비에 의한 페널티를 효과적으로 억제해 줄 수 있는 광 필터링 기술에 관한 것이다.
최근 메트로-파장분할다중방식(metro-WDM) 시스템은 급증하는 데이터 트래픽을 수용하기 위한 전송 시스템으로 주목을 받고 있다. 광 송신부에서 레이저 다이오드에 신호를 변조하는 방식은 크게 외부변조 방식과 직접변조 방식 두가지가 있다.
상기 외부 변조 방식은 레이저에서 나오는 빛을 외부에서 광 변조기를 이용하여 변조를 해 주므로 변조된 광 신호에 처핑이 유기되지 않아서 장거리 전송이 가능하다. 하지만, 외부 변조 방식은 외부에 부수적으로 고가의 광 변조기를 사용해야 하므로 시스템 비용이 증가하게 된다.
이에 반하여, 직접 변조 방식을 채택하면 외부 광 변조기를 추가적으로 사용하기 않기 때문에 시스템 비용이 저렴해지고 시스템 구조가 간단해 지는 잇점이 있다. 이 때, 메트로 용도에 적합한 파장분할 다중방식 네트워크 설계시 우선적으로고려해야 하는 것은 시스템의 비용이다.
그러므로, 메트로 파장분할 다중방식 시스템에서는 송신부에 비용이 비싼 외부변조 방식 대신에 저렴한 직접변조 방식이 유리하다.
하지만, 레이저 다이오드를 레이저 구동기를 통해서 직접 변조를 하게 되면 레이저의 캐리어의 변화에 따라 광 신호의 주파수가 변하게 되어 처핑이 자연적으로 발생을 하게 된다.
이 때, 발생한 처핑에 의해 레이저 광 파워 스펙트럼은 넓어지게 되며, 넓어진 광 스펙트럼은 광 선로의 색분산 효과의 영향을 많이 받게 되므로 광 펄스가 빨리 퍼지게 되어 전송거리의 제한을 주게 된다.
또한, 직접 변조의 경우 광 신호의 on 준위와 off 준위의 파워비인 광 소광비가 좋지 못해 수신단에서 비트 오율(Bit Error Rate:BER)이 나빠지게 된다.
따라서, 메트로용 파장분할 다중방식 시스템에서의 변조 방식으로 가격이 저렴한 직접 변조 방식을 선택하는 것이 당연하나 직접 변조된 광 신호에는 레이저 변조시 유기되는 처핑으로 인하여 전송거리가 제한되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 직접변조 방식에서 발생하는 처핑에 의한 색분산 효과 및 광 소광비에 의한 페널티그리고 멀티 채널 전송시 발생하는 비선형 효과도 효과적으로 억제하여 전송거리를 늘릴 수 있도록 하는 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은 메트로용 광 네트워크에 직접 변조 방식을 채택하기 위하여 광 필터링 방법을 이용해 1) 직접 변조 과정에서 발생하는 처핑을 효과적으로 제거하여 색분산에 의한 페널티를 줄이며; 2) 광소비를 향상시키기 위해 off 준위의 광 신호에너지도 함께 제거하여 광소광비에 의한 페널티를 줄이며; 3) 또한, 높은 파워의 광신호를 파장분할 다중화 시켜 송신할 경우 발생하는 상호위상 변조와 4광파 혼합과 같은 비선형 효과를 효과적으로 억제할 수 있는 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템이 제시된다.
도 1은 본 발명에 따른 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중 시스템의 개략 구성도
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용하기 전(前)과 후(後)의 광 스펙트럼을 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 거치기 전(前)과 후(後)의 광 펄스를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용했을 때의 전송 거리에 대한 아이 페널티(eye penalty)를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 따라 광 필터 대역폭의 변화에 따라 수신기에 수신되는 파워에 대한 비트 오율을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명에 따라 광 필터 위치와 채널 간격에 따라 광 선로에 입사되는 광 파워의 변화에 따른 파워 페널티를 나타낸 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 레이저 다이오드 20 : 제 1도파관열격자
30 : 제 1광출력 증폭기 40 : 제 1단일모드 광섬유
50 : 인-라인 증폭기 60 : 제 2단일모드 광섬유
70 : 제 2도파관열 격자 80 : 광수신기
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중 시스템의 개략 구성도이다.
도 1를 살펴 보면, 송신단에 구비되며, 레이저 구동기를 통하여 직접 변조되어 레이저의 캐리어를 변화시키는 레이저 다이오드(Laser Diode: LD)(10)와, 파장 분할되는 신호를 다중화시킴과 더불어 광 필터링하는 제 1도파관열 격자(Arrayed-Waveguide Grating: AWG)(20)와, 상기 제 1도파관열 격자(20)로부터 발생되는 광신호를 출력하여 증폭시키는 제 1광출력 증폭기(Booster Amplifier)(30)와, 상기 제 1광출력 증폭기(30)로부터 출력된 광 증폭신호를 광선로를 통해 전송하는 제 1단일모드 광섬유(Single Mode Fiber :SMF)(40)와, 상기 광증폭신호를 인-라인을 통하여 재 증폭시키는 인-라인 증폭기(In-Line Amplifier)(50)와, 상기 재 증폭된 광신호를 광선로를 통해 수신단으로 전송하는 제 2단일모드 광섬유(60)와, 상기 송신단에서 다중화된 광신호를 역다중화 시킴과 더불어 광 필터링하는 제 2도파관열 격자(70)와, 상기 제 2도파관열 격자(70)로부터 발생되는 광신호를 수신하는 광수신기(Receiver)(80)로 이루어져 있다.
상기 구성 요소의 작용에 대하여 살펴 보면, 송신기의 레이저 다이오드(10)는 레이저 구동기를 이용해서 직접 변조를 하였으며, 제 1도파관열 격자(20)는 파장 분할된 신호를 다중화 시킴과 동시에 광 필터링 역할을 해준다.
광 필터로서 제 1도파관열 격자(20) 이외에도 페블릿-페롯(Fabry Perot)필터, 다층박막소자, 광섬유 격자, 집적광학소자와 같은 광 필터를 사용할 수도 있다.
수신단에서는 송신단에서 다중화된 광 신호를 제 2도파관열 격자(70)로 역다중화 시켜준다.
여기서, 제 2도파관열 격자(70)는 광 필터로써 역할을 하며, 다층박막소자, 광섬유 격자, 집적광학소자와 같은 광 필터를 사용할 수도 있다. 수신단에서만 광 필터링 방법을 사용할 경우는 도파관열 격자 대신 광 결합기(coupler)를 사용할 수 있다.
또한, 시스템에 사용한 광 선로는 포설된 제 1,2단일모드 광섬유(40)(70)를 사용하였다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용하기 전(前)과후(後)의 광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2a는 광 필터를 거치기 전의 광 스펙트럼으로서 직접변조 과정에서 발생한 처핑에 의해서 스펙트럼이 넓다.
그러나, 도 2b의 광 스펙트럼 필터링을 거치면 도 2c에 도시된 바와 같이, 광 필터의 중심을 광 스펙트럼 최대치에 맞추어 필터링을 하게 되면 처핑 성분이 잘라 나가면서 스펙트럼의 폭이 좁아진다. 따라서, 광 선로의 색분산에 의한 페널티를 줄일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 거치기 전(前)과 후(後)의 광 펄스를 나타낸 도면이다.
도 3a를 살펴 보면, 광 필터를 거치기 전의 펄스 모양으로써 직접 변조시 레이저에서 발생하는 완화 발진현상이 나타나 있으며, 광 소광비가 나쁘다.
그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이 광 필터를 사용하게 되면 완화 발진현상이 제거 되면서 펄스 모양이 부드러워지고, 광 소광비도 향상 시킬수 있다. 따라서, 광 소광비에 의한 페널티를 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 광 필터링 방법을 사용했을 때의 전송 거리에 대한 아이 페널티(eye penalty)를 도시한 도면이다.
도 4를 살펴 보면, 광 필터를 사용하지 않고 전송을 했을 경우 광 선로의 색분산 효과에 의해 페널티가 급격히 증가함을 볼 수 있다.
그러나, 광 필터링 방법을 사용하게 되면 우선 전송전 페널티가 광 소광비 향상으로 인해 줄어든다.
또한, 광 필터에 의해 처핑이 줄어 들었기 때문에 색분산 페널티는 240km 전송 후에도 아이 페널티가 전송 전과 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 4에 도시된 아이 페널티는 사용된 광 필터의 대역폭에 따라 달라지게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 광 필터 대역폭의 변화에 따라 수신기에 수신되는 파워에 대한 비트 오율를 나타낸 그래프이다.
도 5를 살펴 보면, 광 필터의 대역폭이 최적치 값에 가까워 지면 광 필터를 사용하지 않은 경우 보다 최대 3dB 이상의 페널티를 줄일 수 있다.
그러나, 광 필터의 대역폭이 최적치보다 더 작아지게 되면 on 준위의 펄스 에너지까지 광 필터가 잘라내기 때문에 오히려 페널티가 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라 광 필터 위치와 채널 간격에 따라 광 선로에 입사되는 광 파워의 변화에 따른 파워 페널티를 도시한 그래프 이다.
도 6를 살펴 보면, 광 선로에 파장분할 다중화된 신호를 입사하게 되면 상호위상 변조와 4광파 혼합과 같은 비선형 효과로 인해 신호의 품질이 나빠지게 된다.
따라서, 광 선로에 입사하는 광 파워를 높이거나 채널간격을 줄이게 되면 비선형 효과가 커져서 비트 오률 페널티가 증가하게 된다.
광 선로의 비선형 효과를 고려했을 때 제안된 광 필터링 방법의 효과는 광 필터의 위치에 따라 달라지게 된다.
파장분할 다중방식 시스템의 경우 수신단에 채널 선택을 위해 광 필터가 필수적이므로 수신단에 존재하는 광 필터는 채널 선택 기능 외에 광 필터링 효과 기능도 갖게 된다.
여기에 부수적으로 광 필터를 송신단에도 설치하게 되면 수신단에만 광 필터를 사용하는 경우 보다 페널티가 훨씬 줄게 된다.
이는 송신단에서 광 필터를 거친 펼스의 경우 완화 발진 피크(relaxation oscillation peak)가 광 필터의 의해 제거되므로 이웃 채널 펄스가 서로 스쳐 지나갈 때 주고 받는 펄스간의 상호 간섭의 영향이 줄어들어 상호위상변조(cross-phase modulation)와 4광파 혼합(four wave mixing) 효과가 줄어 들기 때문이다.
도 6에 도시된 post는 수신단에만 광 필터를 사용한 경우이고, pre는 송신단에도 사용한 경우를 나타내는데, pre의 경우가 post 경우보다 파워 페널티가 작고 그 효과는 파워가 증가함에 따라 훨씬 두드러지는 것을 알 수 있다.
또한, 채널간격이 200 GHz이고, 광 필터를 송신단에 사용한 경우가 페널티가 가장 작은 경우 파워의 증가에 따라 페널티가 감소하는 것은 상호위상 변조 효과가 충분히 억제되어 광 선로에서 발생하는 비선형 효과중에 자기위상 변조(self-phase modulation) 효과가 지배적이기 때문이다.
즉, 자기위상 변조 효과는 직접변조에서 발생하는 처핑을 보상해 주기 때문에 파워가 증가할수록 펄스를 압축시켜 주므로 페널티를 줄여 준다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 파장분할 다중방식 전송에 있어서 광 필터링 방법을 송신단에서 사용하게 되면 광 선로에 발생하는 비선형 효과도 효과적으로 억제할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 광 필터링 방법은 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중화 시스템의 성능을 향상시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 상기와 같은 시뮬레이션 결과를 통해서 제안된 광 필터링 방법은 직접변조방식의 메트로 파장분할 다중화 시스템에 적합하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안한 광 필터링 방법을 사용하면 광 소광비를 향상시키고, 처핑에 의한 색분산 효과와 비선형 효과를 효과적으로 제거하여 경제적인 직접변조 송신방식으로도 양질의 신호를 전송할 수 있다.

Claims (10)

  1. 송신단에 구비되며, 레이저 구동기를 통하여 직접 변조되어 레이저의 캐리어를 변화시키는 레이저 다이오드와;
    파장 분할되는 신호를 다중화시킴과 더불어 광 필터링하는 제 1도파관열 격자와;
    상기 제 1도파관열 격자로부터 발생되는 광신호를 출력하여 증폭시키는 제 1광출력 증폭기와;
    상기 제 1광출력 증폭기로부터 출력된 광 증폭신호를 광선로를 통해 전송하는 제 1단일모드 광섬유와;
    상기 광 증폭신호를 인-라인을 통하여 재 증폭시키는 인-라인 증폭기와;
    상기 재 증폭된 광신호를 광선로를 통해 수신단으로 전송하는 제 2단일모드 광섬유와;
    상기 송신단에서 다중화된 광신호를 역다중화 시킴과 더불어 광 필터링하는 제 2도파관열 격자와;
    상기 제 2도파관열 격자로부터 발생되는 광신호를 수신하는 광수신기를 포함하여 구성됨으로서 광 필터링을 통한 직접변조 방식을 이용하여 처핑에 의한 색분산, 광 소광비에 의한 패널티를 억제하는 것을 특징으로 하는 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 송신단의 제 1도파관열 격자를 광 필터로 이용하여 상호위상 변조 또는 4광파 혼합과 같은 광 선로의 비선형 효과를 제거하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 송신단의 제 1도파관열 격자 대신에 페브릿 패롯 필터를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 송신단의 제 1도파관열 격자 대신에 다층박막소자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 송신단의 제 1도파관열 격자 대신에 광섬유 격자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 송신단의 제 1도파관열 격자 대신에 집적광학소자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2도파관열 격자를 송신단에서 이용하지 않고, 수신단에서만 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 수신단의 제 2도파관열 격자 대신에 다층박막소자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 수신단의 제 2도파관열 격자 대신에 광섬유 격자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 수신단의 제 2도파관열 격자 대신에 집적광학소자를 광 필터로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 필터 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템.
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