KR100480283B1 - 듀오바이너리 광 전송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 듀오바이너리(duobinary) 광 송신 기법을 이용한 듀오바이너리 광 전송장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 듀오바이너리 광 전송장치는 전기적 저역 통과 필터를 사용하지 않고 마하-젠더 광 변조기 자체의 대역폭을 제한함으로써 듀오바이너리 광 신호를 생성하거나, 또는 고가의 저역 통과 필터 대신 하나의 커패시터로써 하나의 폴을 갖는 저역 통과 필터를 구현함으로써 적은 비용으로 간단한 송신기의 구현이 가능하다.

Description

듀오바이너리 광 전송장치{DUOBINARY OPTICAL TRANSMITTER}

본 발명은 듀오바이너리(duobinary) 광 송신 기법을 이용한 듀오바이너리 광 전송장치에 관한 것이다.

고밀도 파장 분할 다중 방식(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)의 광전송 시스템은 하나의 광섬유 내에 서로 다른 파장을 갖는 다수의 채널들로 구성된 광신호를 전송함으로써 전송 효율을 높일 수 있으며, 전송 속도에 무관하게 광신호를 전송할 수 있으므로 최근과 같이 전송량이 증가하고 있는 초고속 인터넷망에 유용하게 쓰이고 있는 시스템이다. 현재 DWDM을 사용하여 100개 이상의 채널들을 하나의 광섬유를 이용하여 전송하는 시스템이 상용화되었으며, 하나의 광섬유에 200개 이상의 40Gb/s 채널들을 동시에 전송하여 10Tbps 이상의 전송속도를 가지는 시스템에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

그러나, 급격한 데이터 트래픽의 증가와 40Gbps 이상의 고속 데이터 전송 요구로 인하여 기존 NRZ를 이용한 광 세기변조 시 50GHz 채널 간격 이하에서는 급격한 채널간 간섭과 왜곡으로 전송용량의 확장에 한계가 있으며, 기존 바이너리(binary) NRZ 전송신호의 DC 주파수 성분과 변조시 확산된 고주파 성분은 광섬유 매질에서의 전파시 비선형과 분산을 초래하여 10Gbps 이상의 고속 전송에 있어서는 전송거리에 한계를 가진다.

최근, 광 듀오바이너리 기술이 색분산(chromatic dispersion)으로 인한 전송거리 제한을 극복할 수 있는 광 전송기술로 주목받고 있다. 듀오바이너리 전송의 주요 장점은 전송 스펙트럼이 일반적인 바이너리 전송에 비해 줄어든다는 것이다. 분산 제한 시스템에 있어서, 전달거리는 전송 스펙트럼 대역폭의 제곱에 반비례한다. 이는, 전송 스펙트럼이 1/2로 줄어들면 전달거리는 4배가된다는 것을 의미한다. 더욱이, 반송파 주파수가 듀오바이너리 전송 스펙트럼 내에서 억압되므로, 광섬유 내에서 자극 받은 브릴루인 산란(Brillouin Scattering)으로 인한 출력 광 전력에 대한 제한을 완화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 광 전송장치의 일 구성예를 나타내고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 A, B, C 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램(eye-diagrams)을 나타낸다.

도 1에서, 종래의 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기(PPG: pulse pattern generator, 10)와, 상기 전기적인 펄스신호를 부호화(encoding)하는 프리코더(pre-coder, 20)와, 상기 프리코더(20)에서 출력되는 2-레벨 신호를 증폭하는 구동 증폭기(30, 31)와, 증폭된 2레벨 신호를 3-레벨 신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 저역 통과 필터(40, 41)와, 반송파를 출력하는 레이저 광원(laser source, 50)과, 상기 증폭된 3-레벨 신호를 수신하여 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변환시키는 마하-젠더 타입의 광세기 변조기(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator, 60)로 구성된다.

상기 펄스신호발생기(10)에서 생성된 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호는 프리코더(20)에 의해 0 또는 1의 정보를 갖는 바이너리 신호로 부호화(encoding) 되며, A 노드에서의 출력 아이-다이어그램은 도 2a에 도시된 바와 같다. 프리코더(20)에서 출력된 2-레벨의 바이너리 신호는 구동 증폭기(30, 31)에 의해 증폭된 후 저역 통과 필터(40, 41)에 각각 입력되고, 저역 통과 필터(40, 41)는 상기 2-레벨 바이너리 신호의 클럭 주파수(clock frequency)의 약 1/4에 해당하는 대역폭을 갖는다. 이러한 대역폭의 과도한 제한으로 인해 코드간의 간섭이 발생하고, 코드간의 간섭으로 인해 상기 2-레벨 바이너리 신호는 3-레벨의 듀오바이너리 신호(3-level Duo-binary signal)로 변환되며, B 노드에서의 출력 아이-다이어그램은 도 2b에 도시된 바와 같다. 증폭된 3-레벨 듀오바이너리 신호는 마하-젠더 광 변조기(60)의 구동신호로 이용되며, 레이저 광원(50)으로부터 출력된 반송파는 마하-젠더 광 변조기(60)의 구동신호에 따라 위상 및 광세기 변조되어 2-레벨의 광 듀오바이너리 신호로 출력된다. C 노드에서의 출력 아이-다이어그램은 도 2c에 도시된 바와 같다. 도 1에서 는 Ｑ의 반전(inverter) 신호를 나타내며, Ｑ와 는 이중 전극 구조의 마하-젠더 광세기 변조기(60)의 양(+)전극 및 음(-)전극에 각각 입력된다.

이와 같이 마하-젠더 광 변조기는 변조기의 전극구조에 따라서 Z-컷(cut) 구조와 X-컷(cut) 구조의 두 가지로 분류할 수 있다. 두 개의 전극(dual electrode)을 갖는 Z-컷(cut) 구조의 마하-젠더 광 변조기의 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 양쪽 암(arm)에 각각 변조기 구동 증폭기(30, 31) 및 전기적 저역 통과 필터(40, 41)를 구비하여 양쪽 전극으로 3-레벨의 전기신호를 인가할 수 있도록 한다. 하나의 전극(sing electrode)을 갖는 X-컷(cut) 구조의 마하-젠더 광 변조기의 경우 도시하지는 않았으나, 한쪽 암(arm)에 변조기 구동 증폭기 및 전기적 저역 통과 필터를 구비하여 한쪽 전극으로 3-레벨 신호를 인가할 수 있도록 한다.

도 3a 및 도 3b는 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램으로, 전송거리가 0km(도 3a)에서 160km(도 3b)까지 아이-다이어그램이 비교적 깨끗하게 유지됨을 알 수 있다.

그러나, 상기 종래기술은 전기적 저역 통과 필터를 사용하여 3-레벨의 전기신호를 발생시키므로 저역 통과 필터의 투과특성에 따른 전송품질의 의존성과 의사잡음 비트 시퀀스(PRBS: Pseudo Random Bit Sequence)의 길이에 따라서 특성의 차이가 발생해 시스템에 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 일반적으로 신호의 0-레벨에서 1-레벨로 변환할 때의 기울기와 1-레벨에서 0-레벨로 감소할 때의 기울기가 서로 다르다. 하지만 전기적 저역 통과 필터를 사용하는 듀오바이너리 광 전송장치의 경우는 서로 다른 기울기를 가지는 부분이 동시에 합쳐져서 0-레벨에서 1-레벨, 1-레벨에서 0-레벨로 천이가 일어나므로 출력 파형의 지터(jitter)가 커질 수밖에 없는 구조적인 단점을 안고 있다. 이는 Z-컷 또는 X-컷 구조를 갖는 종래 구조에서 동일하게 발생되며, 이러한 신호 패턴의 의존성은 실제 광 전송 시 한계를 갖게 한다.

또한, 두 개의 전극(dual electrode)을 갖는 Z-컷(cut) 구조의 마하-젠더 광 변조기를 사용할 경우 프리-코더의 출력인 Ｑ와 신호가 양측 암의 저역 통과 필터로 입력되어 증폭기에 의해 증폭된 후 변조기의 양단에 인가된다. 이때, Z-컷(cut) 구조의 변조기는 푸시풀(push-pull) 동작을 하기 때문에 양단에 인가되는 전기 신호는 극성이 정확하게 반대가 되어야 하며, 그렇지 않을 경우 지연선(delay line)을 사용한 위상 조정이 필요하다. 그리고, 두 개의 저역 통과 필터 및 증폭기도 동일한 특성을 가져야 한다. 그러나, 아무리 잘 만들어진 것도 약간의 차이가 나기 마련이므로 정확하게 동일한 특성을 갖도록 하는 것을 불가능하다.

또한 저역 통과 필터로 주로 사용되는 Bessel-Thomoson 형태의 저역 통과 필터의 경우 가격이 비싸며 이로 인해 전체 광 전송장치의 가격 경쟁력이 약화되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 고가의 전기적 저역 통과 필터를 사용하지 않고, 송신기에 사용되는 부품의 수를 줄이고, 가격을 낮추면서도 고속 중, 장거리 WDM 전송 시 비선형 및 분산에 대한 내성을 증가시키는 듀오바이너리 광 전송장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 의사잡음비트시퀀스(PRBS)에 대한 전송특성의 영향을 받지 않는 듀오바이너리(duobinary) 광 송신 기법을 이용한 듀오바이너리 광 전송장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기와; 상기 전기적인 펄스신호를 부호화하는 프리코더와; 상기 프리코더에서 출력되는 2-레벨의 전기신호를 증폭하는 증폭기와; 반송파를 출력하는 광원과; 상기 증폭된 2-레벨의 전기신호를 수신하여 3-레벨의 전기신호로 변환시키고 변환된 3-레벨의 전기신호에 의해 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시킬 수 있도록 낮은 대역폭을 갖는 마하-젠더 광 변조기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 낮은 대역폭을 갖는 마하-젠더 광 변조기의 대역폭은 데이터 전송속도의 1/5 정도인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기와; 상기 전기적인 펄스신호를 부호화하는 프리코더와; 상기 프리코더에서 출력되는 2-레벨의 전기신호를 증폭하는 증폭기와; 상기 증폭된 2-레벨의 전기신호를 3-레벨의 전기신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 하나의 커패시터로 구성된 저역 통과 필터와; 반송파를 출력하는 광원과; 상기 저역 통과 필터에서 출력되는 상기 3-레벨의 전기신호에 의해 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시키는 마하-젠더 광 변조기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 단일-전극(single electrode) 구조의 X-컷 마하-젠더 타입의 광 변조기를 사용한 구조에 대해 설명할 것이나, 이중-전극(dual electrode) 구조의 Z-컷 마하-젠더 광 변조기로도 구현할 수 있음은 물론이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기(PPG, 100)와, 상기 전기적인 펄스신호를 부호화(encoding)하는 프리코더(101)와, 상기 프리코더(101)에서 출력되는 2-레벨 신호를 증폭하는 구동 증폭기(102)와, 반송파를 출력하는 레이저 광원(103)과, 상기 증폭된 2-레벨 신호를 수신하여 3-레벨로 변환시키고 변환된 3-레벨 신호에 의해 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시키는 마하-젠더 타입의 광 변조기(104)를 포함하여 구성된다.

상기 펄스신호발생기(100)에서 생성된 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호는 프리코더(101)에 의해 0 또는 1의 정보를 갖는 바이너리 신호로 부호화 되며, R 노드에서의 출력 아이-다이어그램은 도 5a에 도시된 바와 같다. 이와 같이 부호화됨으로써 수신기의 변화 없이도 이중 바이너리 송수신이 가능하게 된다. 프리코더(101)에서 출력된 2-레벨의 바이너리 신호는 구동 증폭기(102)에 의해 증폭된다. 이때, 증폭되는 전기신호의 크기는 마하-젠더 광 변조기(104)의 스위칭 전압(switching voltage) 값의 두배 가까이 증폭하여야 한다. 증폭된 신호는 X-컷 단일-전극 구조의 마하-젠더 광 변조기(104)의 변조 단자(RF)로 입력되어 변조기(104) 자체의 낮은 대역폭에 의해 2-레벨에서 3-레벨로 변환되고, 변환된 3-레벨 신호는 레이저 광원(103)으로부터 인가되는 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시킨다. 마하-젠더 광 변조기(104)에 의해 2-레벨에서 3-레벨로 변환되는 과정이 도 1에 도시된 종래의 듀오바이너리 광 전송장치에서의 전기적 저역 통과 필터를 통과하는 방식과 동일한 기능을 수행하는 과정이다. 일반적으로 듀오바이너리 변조방식에 사용되는 bessel-thomson 저역 통과 필터의 대역폭은 2-레벨 바이너리 신호의 클럭 주파수의 1/4, 즉 2.5GHz가 사용된다. 그러나, 광 변조기의 주파수 특성은 기울기가 작기 때문에 10Gbps를 사용할 경우 저역 통과 필터의 대역폭이 1.75GHz 정도일 때 가장 좋은 특성이 얻어진다. 따라서, 본 실시예에서는 마하-젠더 광 변조기(104)의 대역폭을 데이터 속도의 약 1/5 정도의 낮은 대역폭을 갖도록 함으로써 대역폭의 과도한 제한으로 인해 코드간의 간섭이 발생하고, 코드간의 간섭에 의해 2-레벨 신호가 3-레벨로 변환되도록 한다. 마하-젠더 광 변조기(104)의 출력인 S 노드에서의 아이-다이어그램은 도 5b에 도시된 바와 같다. 참고로, 도 6은 최적의 대역폭을 설정하기 위해 이용된 다양한 대역폭을 갖는 변조기의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 7a 및 도 7b는 도 4의 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램으로, 도 3a 및 도 3b와 마찬가지로 전송거리가 0km(도 7a)에서 160km(도 7b)까지 아이-다이어그램이 비교적 깨끗하게 유지됨을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면이다. 본 실시예에서도 마찬가지로 단일-전극(single electrode) 구조의 X-컷 마하-젠더 타입의 광 변조기를 사용한 구조에 대해 설명할 것이나, 이중-전극(dual electrode) 구조의 Z-컷 마하-젠더 광 변조기로도 구현할 수 있음은 물론이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기(PPG, 200)와, 상기 전기적인 펄스신호를 부호화(encoding)하는 프리코더(201)와, 상기 프리코더(201)에서 출력되는 2-레벨 신호를 증폭하는 구동 증폭기(202)와, 상기 증폭된 2-레벨 신호를 3-레벨 신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 하나의 커패서터로 구현된 하나의 폴(single pole)을 가지는 저역 통과 필터(203)와, 반송파를 출력하는 레이저 광원(204)과, 상기 3-레벨 신호에 의해 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시키는 마하-젠더 광 변조기(205)를 포함하여 구성된다.

본 실시예의 구성은 상기 저역 통과 필터(203)를 하나의 커패시터(C)로써 구현한 데 특징이 있는 것으로, 그 외의 구성은 상기 도 1 및 도 4와 유사하므로 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 8에서, 하나의 폴(single pole)을 가지는 저역 통과 필터(203)는 상기 구동 증폭기(202)와 마하-젠더 광 변조기(205) 사이에 하나의 커패시터(C)가 션트(shunt) 구조로 연결된 구성이며, 상기 커패시터(C)의 커패시턴스에 의해 대역폭이 결정된다. 도 9는 본 실시예에 따라 구현된 저역 통과 필터의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예의 듀오바이너리 광 송신장치(도 8)의 X, Y, Z 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램이다. 저역 통과 필터를 사용한 상기 도 1의 A, B, C 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램과 비교하면 그 특성 차이가 거의 없음을 알 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램이다. 전송거리가 160km까지 아이-다이어그램이 비교적 깨끗하게 유지되며, 이는 도 3a 및 도 3b와 도 6a 및 도 6b의 결과와 유사함을 알 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치와 종래기술에 의한 듀오바이너리 광 전송장치의 전송거리에 따른 BER(bit error rate) 특성을 비교하여 나타낸 도면이다. 도면에서 실선(solid line)은 종래의 듀오바이너리 송신기를 사용한 경우를, 점선은 본 발명의 일 실시예에 따라 변조기의 대역폭을 제한한 듀오바이너리 송신기를 사용한 경우를, 일점 쇄선은 본 발명의 다른 실시예에 따라 커패시터를 이용한 듀오바리어리 송신기를 사용한 경우를 각각 나타낸다. 각각의 장치에 대해 0km, 80km, 160km 전송 후의 BER 특성을 나타낸 것으로, 160km 전송거리까지 상기 세 종류의 송신기가 유사한 BER 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 NRZ, RZ 등의 다른 변조방식과 비교할 때 2배 이상 분산에 강하고, 또한 고가의 저역 통과 필터를 사용하지 않고 듀오바이너리 광신호를 생성함으로써, 종래의 전기적 저역 통과 필터를 사용한 송신기에 비해 적은 비용으로 간단한 송신기의 구현이 가능하다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 광 전송장치의 일 구성예를 나타낸 도면,

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 A, B, C 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램(eye-diagrams)을 나타낸 도면,

도 3a 및 도 3b는 종래의 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램(eye-diagrams),

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면,

도 5a 및 도 5b는 도 4의 R, S 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램,

도 6은 다양한 대역폭을 갖는 변조기의 주파수 특성을 나타낸 도면,

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구현된 저역 통과 필터의 주파수 특성을 나타내는 도면,

도 10a 내지 도 10c는 도 8의 X, Y, Z 노드에서의 출력신호의 아이-다이어그램,

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치를 이용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전송한 아이-다이어그램,

도 12는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치와 종래기술에 의한 듀오바이너리 광 전송장치의 전송거리에 따른 BER(bit error rate) 특성을 비교하여 나타낸 도면.

Claims (4)

1. NRZ 방식의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기와;

   상기 전기적인 펄스신호를 부호화하는 프리코더와;

   상기 프리코더에서 출력되는 2-레벨의 전기신호를 증폭하는 증폭기와;

   상기 증폭된 2-레벨의 전기신호를 3-레벨의 전기신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 하나의 커패시터로 구성된 저역 통과 필터와;

   반송파를 출력하는 광원과;

   상기 저역 통과 필터에서 출력되는 상기 3-레벨의 전기신호에 의해 상기 반송파를 2-레벨의 광신호로 변조시키는 마하-젠더 광 변조기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 커패시터는

   상기 증폭기와 상기 마하-젠더 광 변조기 사이에 션트(shunt) 구조로 연결됨을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.
3. 삭제
4. 삭제