KR100532305B1

KR100532305B1 - 듀오바이너리 광 송신기

Info

Publication number: KR100532305B1
Application number: KR10-2003-0063350A
Authority: KR
Inventors: 김훈; 황성택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-11-29
Also published as: CN1293709C; JP2005086828A; CN1595844A; DE602004002825D1; DE602004002825T2; EP1515461A1; JP4283192B2; US7277646B2; US20050053382A1; EP1515461B1; KR20050026311A

Abstract

본 발명은 광신호를 발생시키는 광송신기에 있어서, 이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와, CW(continuous wave) 광을 발생시키는 CW 광원과, 상기 CW 광원으로부터의 광 신호를 상기 프리코더의 출력 전기 신호에 따라 그 위상을 변조시키는 광위상 변조기와, 상기 광위상 변조기로부터의 출력을 복굴절시켜 출력하는데, 상기 굴절률 차이가 이진 전기 신호의 한 비트 주기에 해당하는 복굴절 양을 지닌 복굴절 소자와, 상기 복굴절 소자로부터 출력되는 광신호가 인가되면 특정 편광 방향의 광 신호만을 투과하는 편광기를 구비한다.

Description

듀오바이너리 광 송신기{DUOBINARY OPTICAL TRANSMITTER}

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

고밀도 파장 분할 다중 방식(Dense Wavelength Division Multiplexing : 이하 DWDM이라 칭함)의 광전송 시스템은 하나의 광섬유 내에 서로 다른 파장을 갖는 다수의 채널들로 구성된 광신호를 전송함으로써 전송 효율을 높일 수 있으며, 채널 수를 증가시킴으로써 낮은 채널 전송 속도로 대용량 신호를 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 40Gbps 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 NRZ(Non Return to Zero: 이하 NRZ라 칭함)를 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 변조 방식은 광신호의 세기에 정보를 싣고 있으면서 '0' 비트에서 신호의 위상이 역전되는 특징을 가지고 있다. 듀오바이너리 신호는 광 스펙트럼에서 기존의 OOK 신호보다 좁은 선폭을 지니고 있어 고밀도 파장 분할 다중 방식(Dense Wavelength-Division Multiplxing; DWDM)광전송 시스템에서 채널 간격을 좁히는 데 유리하며, 광섬유 분산에 내성이 강하여 OOK 신호를 사용하였을 경우와 비교해서 분산 보상없이 2~3배 더 멀리 전송할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 듀오바이너리 신호는 광 스펙트럼에서 캐리어(carrier) 톤(tone) 성분이 존재하지 않으므로 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering; SBS)에 강하다는 장점도 있다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 광 송신기의 일 구성예를 나타낸 도면이다. 이를 통해 종래 듀오바이너리 광 송신기에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1에서, 종래의 듀오바이너리 광 송신기는 2-레벨의 전기적인 펄스신호를 생성하는 펄스신호발생기(PPG: pulse pattern generator, 10)와, 상기 2-레벨 NRZ 전기신호를 부호화하는 프리코더(20)와, 상기 프리코더(20)에서 출력되는 2-레벨의 NRZ 전기신호를 3-레벨의 전기신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 저대역 필터(30, 31)와, 상기 3-레벨 전기신호를 증폭하여 광 변조기 구동 신호를 출력하는 변조기 구동 증폭기(40, 41)와, 반송파를 출력하는 레이저 광원(laser source, 50)과, 마하-젠더 타입의 광세기 변조기(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator, 60)로 구성된다.

상기 펄스신호발생기(10)에서 생성된 2-레벨의 펄스신호는 프리코더(20)에서 부호화(encoding)된다. 프리코더(20)에서 출력된 2-레벨의 바이너리 신호는 저대역 필터(30, 31)에 각각 입력된다. 저대역 필터는 이상적으로 cosine²필터이지만 베셀-톰슨 필터(Bessel-Thomson filter)로 근사 가능하다. 저대역 필터의 대역폭이 이진 데이터 속도의 1/4 에 해당하는 3-dB 대역폭을 가질 경우(예, 10 Gb/s 데이터의 경우 2.5 GHz 필터) 저대역 필터를 거친 이진 신호는 대역폭이 제한된 3진 신호(band-limited ternary signal)로 변환된다. 즉, 저대역 필터(30, 31)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 변환된다.

3-레벨 듀오바이너리 신호는 변조기 구동 증폭기(40, 41)에 의해 증폭된 후 마하-젠더 타입의 광세기 변조기(60)의 구동신호로 이용되며, 레이저 광원(50)으로부터 출력된 반송파는 마하-젠더 타입의 광세기 변조기(60)의 구동신호에 따라 위상 및 광세기 변조되어 2-레벨의 광 듀오바이너리 신호로 출력된다. 여기에서 참고로 저대역 필터(30,31)와 변조기 구동 증폭기(40,41)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.

도 1의 광송신기에서 발생한 듀오바이너리 신호는 저대역 필터의 특성에 크게 의존하므로 인가 되는 이진 신호의 패턴 길이에 따라 그 성능이 크게 변화한다. 또한 마하젠더 변조기를 사용하므로 바이어스 전압의 변화에도 민감하다. 따라서 광송신기의 온도 변화등으로 인하여 마하젠더 변조기의 바이어스 전압이 변화할 경우 시스템의 성능이 열화할 수 있다.

이러한 듀오바이너리 광 송신기는 분산이 강하고, 신호 대역폭이 좁은 문제점이 있었고, 이를 해결하기 위해 위상 변조기와 광학 필터를 이용하는 듀오바이너리 광 송신기가 제안되었다.

도 2는 위상 변조기와 광학 필터를 이용하는 듀오바이너리 광송신기의 블록도를 나타낸 도면이다. 도 2의 프리코더, 구동 증폭기 및 레이저 광원은 도 1에서의 구성요소와 동일하므로 그 설명을 생략한다.

도 2를 참조하면, 프리코더로부터의 부호화된 이진 데이터 신호는 구동 증폭기를 통해 광위상 변조기에 인가된다. 광위상 변조기는 입력되는 광신호의 위상을 변조한다. 위상 변조된 광신호는 대역폭이 이진 신호 전송 속도의 약 70%에 해당하는 대역폭(예, 10Gb/s 데이터의 경우 7 GHz 필터)을 가진 광학 필터를 통해 듀오바이너리 신호로 변환된다.

도 2의 광송신기에서 발생한 듀오바이너리 신호는 비록 광섬유의 분산에 대한 내성이 도 1의 광송신기의 그것과 비교해서 다소 떨어지지만 도 1의 광송신기의 문제점인 패턴 길이 및 마하젠더 변조기의 바이어스 위치에 대한 의존성 문제를 해결한 방법이다. 그러나, 도 2의 광송신기는 분산 특성이 뛰어나면서 통과 대역이 좁은 광학 필터를 요구하므로 구현이 용이하지 않다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존의 듀오바이너리 광송신기의 단점을 제거하여 패턴 길이 및 마하젠더 변조기의 바이어스 위치에 대한 의존성 문제를 해결한 새로운 듀오바이너리 광송신기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 기존의 듀오바이너리 광송신기의 단점을 제거하여 통과 대역이 좁은 광학 필터가 필요한 문제점도 해결한 듀오바이너리 광송신기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 듀오바이너리 광 송신기는, 이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와, CW(continuous wave) 광을 발생시키는 CW 광원과, 상기 CW 광원으로부터의 광 신호를 상기 프리코더의 출력 전기 신호에 따라 그 위상을 변조시키는 광위상 변조기와, 상기 광위상 변조기로부터의 출력을 복굴절시켜 출력하는데, 상기 굴절률 차이가 이진 전기 신호의 한 비트 주기에 해당하는 복굴절 양을 지닌 복굴절 소자와, 상기 복굴절 소자로부터 출력되는 광신호가 인가되면 특정 편광 방향의 광 신호만을 투과하는 편광기를 구비한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 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 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기의 구성을 나타낸 도면이고 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교대 표시 반전(alternate mark inversion: AMI) 광 송신기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 듀오바이너리/교대 표시 반전 광송신기의 원리를 설명하기 위한 신호 파형의 일예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기는 연속파 광 신호를 발생하는 CW(continuous wave) 레이저(230), CW 레이저(230)로부터의 광신호의 위상을 인가되는 전기 신호에 맞추어 변조시키는 위상변조기(240), 상기 2-레벨 NRZ 전기신호를 부호화하는 프리코더(210), 상기 2-레벨 전기신호를 증폭하여 광 변조기 구동 신호를 출력하는 변조기 구동 증폭기(220), 두 개 이상의 굴절률을 가지고 있는 복굴절 소자(250), 그리고 특정한 편광 방향의 광 신호만이 투과될 수 있는 편광기(260)로 구성된다. 여기에서 CW 레이저(230)는 연속파 광 신호를 발생시키며, 발생된 연속파 광 신호를 광 위상 변조기(240)에 제공하는데, 연속파 레이저 다이오드가 사용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기는 제1 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기와는 편광기만 제외하고 동일한 구성을 갖는다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 듀오바이너리 광 송신기의 동작을 도 5의 파형도를 참조하여 설명한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기(200,300)에는 도 5의 (a)의 이진 데이터 신호가 입력된다. 이 이진 데이터 신호는 먼저 듀오바이너리 광송신기(200,300)의 프리코더(210,310)에 입력된다. 본 실시예에서는 도 5의 (a)에서와 같이, 이진 데이터 신호가 "01011000111010101" 데이터 열을 갖는다. 이진 데이터 신호는 프리코더(210,310)에서 도 5의 (b)와 같이 코딩된다. 프리코더(210,310)는 공지된 바와 같이, 이진 입력 시퀀스를 다른 시퀀스로 변환한다. 이러한 프리코더(210,310)는 통상적으로 입력 시퀀스와 그의 1비트 지연된 시퀀스를 입력으로 갖는 배타적 논리합(XOR) 게이트와 상기 입력 시퀀스를 1비트 지연시켜 배타적 논리합 게이트로 출력하는 지연기로 구성되어 있다. 프리코딩 처리는 광 전송 시스템에서 이진 데이터를 전송되기에 적합하게 변경하기 위한 것이다. 프리코더(210,310)로부터의 이진 데이터 신호는 변조기 구동 증폭기(220,310)를 거쳐 위상 변조기에 인가된다.

위상 변조기(240,340)는 구동 증폭기(220,320)로부터 제공되는 광 신호에 대해 인가되는 전기 신호에 맞추어 그 위상을 변조시킨다. 도 5의 (c)는 위상 변조된 신호를 보여준다. 도 5의 (c)에서 검은색으로 표시된 부분은 광신호가 존재하는 부분이며, 각 비트에 '0' 또는 'π'로 표시된 내용은 광 신호의 상대적 위상을 의미한다.

이러한 도 5의 (c)에서와 같이 위상 변조된 신호는 복굴절 소자(250)에 입사된다. 이 때, 복굴절 소자(250,350)의 편광축은 입력 신호의 편광 축과 45°를 이루도록 설정한다. 그에 따라 복굴절 소자(250,350)에 인가되는 광 신호의 절반은 빠른 편광축(fast axis)으로 전파하며, 나머지 절반은 느린 편광축(slow axis)으로 전파한다. 도 5의 (c)가 빠른 편광축으로 입사한 광 신호라고 가정하면 도 5의 (d)는 느린 편광축에 입사한 광 신호이다. 도 5에서 복굴절 소자(250,350)의 빠른 편광축은 x-편광축과 동일한 방향이며, 느린 편광축은 y-편광축과 동일한 방향이다.

복굴절 소자(250)의 굴절률 차이는 위상 변조기(340,340)에 인가되는 이진 신호의 전송 속도의 한 비트 주기와 동일하도록 설정한다. 복굴절 소자(250,350)의 굴절률 차이가 정해져 있을 경우 복굴절 소자(250)의 길이는 다음과 수학식 1과 같이 주어진다.

여기에서 Dn은 느린 편광축 굴절률과 빠른 편광축 굴절률 차이이고, L은 복굴절 소자 길이, c는 광속, 그리고, T는 이진 신호의 비트 주기(bit duration)이다. 복굴절 소자(250,350)을 통과한 신호는 빠른 편광축과 느린 편광축을 지난 신호의 편광 및 위상 관계에 따라 도 5의 (e)와 같이 나타난다.

복굴절 소자는 방해석(calcite)과 같은 물질을 이용하여 구성할 수도 있으나 광통신 시스템에서 적용되기 위해서는 광섬유 형태의 소자가 적합하다. 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber; PMF)는 광섬유의 형태로 복굴절 성질을 가지고 있으므로 본 발명의 복굴절 소자로 이용될 수 있다.

복굴절 소자(250,350)를 통과한 광신호는 편광기(260,360)에 입력된다. 편광기(260,360)는 복굴절 소자(250,350)로부터의 광신호를 듀오바이너리 신호 또는 교대 반전 신호로 변환한다. 이와같이 변환되는 신호의 성질은 편광기(260,360)의 편광축에 좌우된다. 도 5의 (f)와 같이 편광기의 축이 45°축과 일치할 경우 듀오바이너리 신호가 발생하며, 도 5의 (g)와 같이 편광기의 축이 135°축과 일치할 경우 교대 반전 신호가 발생한다. 도 4는 편광기의 축이 135°축과 일치하도록 설정한 경우로서 교대 반전 신호를 발생하는 광송신기의 실시예이다.

도 3 또는 도 4의 광송신기의 경우 편광기의 축 방향만의 차이로 듀오바이너리 또는 교대 반전 신호 변조기로 바뀌므로 축의 방향이 가변가능한 편광기를 사용함으로써 필요에 따라 듀오바이너리 또는 교대 반전 신호로 변환도 가능하다. 또 다른 방법으로는 편광기를 대신하여 편광 분파기(polarization beam splitter)를 사용할 경우 편광 분파기의 한 쪽 출력으로는 듀오바이너리 신호가 다른 한 쪽 출력으로는 교대 반전 신호가 발생하여 듀오바이너리/교대 반전 신호 광송신기의 구성도 가능하다.

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 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명의 듀오바이너리 광 송신기는 위상 변조기와 복굴절 소자, 그리고 편광기로 구성되므로 광변조기의 바이어스에 무관하며, 삼진 신호를 이용하지 않으므로 패턴 의존성도 없다. 또한, 본 발명의 듀오바이너리 광 송신기는 구현이 용이하지 않은 협대역 광학 필터를 이용하지 않으므로 경제적 구현 또한 가능하다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 광 송신기의 일 구성예를 나타낸 도면,

도 2는 위상 변조기와 광학 필터를 이용하는 듀오바이너리 광 송신기의 블록도를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀오바이너리 광 송신기의 구성을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교대 표시 반전 광 송신기의 구성을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 듀오바이너리/교대 표시 반전 광 송신기의 원리를 설명하기 위한 신호 파형의 일례를 나타낸 도면.

Claims

광신호를 발생시키는 광송신기에 있어서,

이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와,

CW(continuous wave) 광을 발생시키는 CW 광원과,

상기 CW 광원으로부터의 광 신호를 상기 프리코더의 출력 전기 신호에 따라 그 위상을 변조시키는 광위상 변조기와,

상기 광위상 변조기로부터의 출력을 복굴절시켜 출력하는데, 상기 굴절률 차이가 이진 전기 신호의 정수배 비트 주기에 해당하는 복굴절 양을 지닌 복굴절 소자와,

상기 복굴절 소자로부터 출력되는 광신호가 인가되면 특정 편광 방향의 광 신호만을 투과하는 편광기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 송신기.
제1항에 있어서, 상기 광위상 변조기는 마하젠더 변조기로 구성됨을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 광 송신기.
제1항에 있어서, 상기 복굴절 소자는 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber; PMF)로 구성됨을 특징으로 하는 광 송신기.
제1항에 있어서, 상기 편광기는 편광 분파기(polarization beam splitter)로 구성되어 한 쪽 출력으로는 듀오바이너리 신호를 발생시키고, 다른 한 쪽 출력으로는 AMI 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광 송신기.
제4항에 있어서, 상기 편광 분파기로부터의 2개의 출력을 환형 광통신망의 신뢰성 향상을 위하여 각각 경로 스위칭(path switching)시키는 것을 특징으로 하는 광 송신기.