KR100617709B1 - 주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법 - Google Patents

주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치는, 제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호와 제2 주파수(f2)의 제2 톤 신호를 생성하기 위한 광생성부와; 입력 데이터에 따라 상기 광생성부로부터 입력된 제1 및 제2 톤 신호들 중 하나를 선택적으로 출력하기 위한 제2 변조기를 갖는 광변조부를 포함한다.
주파수 변조, 광송신 장치, 마하젠더 변조기, 레이저

Description

주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FREQUENCY-SHIFT-KEYING OPTICAL TRANSMISSION}
도 1은 제1 예에 따른 전형적인 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면,
도 2는 제2 예에 따른 전형적인 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 제2 변조기의 파장 응답 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성의 파장 이동을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면.
본 발명은 광송신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법에 관한 것이다.
주파수 변조(frequency-shift-keying: FSK) 방식은 광신호의 주파수에 정보를 싣는 변조 방식이다. FSK 방식은 최근 각광을 받고 있는 위상 변조(phase-shift-keying: PSK) 방식과 마찬가지로 높은 수신감도(기존의 온/오프 변조(on-off keying) 방식에 비하여 약 3 dB 높음)와 강한 광섬유 비선형성 허용치를 특징으로 한다. 정보가 광신호의 세기가 아닌 주파수에 실려 있으므로, 광섬유의 커어 비선형성(Kerr nonlinearity)에 적게 영향을 받게 된다. 뿐만 아니라, 신호의 반송파(carrier) 주파수 성분이 억제되므로, 브릴루앙(Brillouin) 비선형 효과에도 강하다. 최근의 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 결과에 따르면, 주파수 변조 방식이 위상 변조 방식보다 광섬유 비선형성에 더 강하다는 것을 알게 된다. 이는 신호를 재생없이 보다 먼 거리를 전송할 수 있다는 것을 의미하므로, 이러한 성질을 이용하여 장거리 광전송 시스템을 보다 경제적으로 구현할 수 있게 된다.
FSK 신호를 발생시키기 위해서는 전기 데이터 신호(electric data signal)에 따라 서로 다른 광주파수를 발생시키는 장치가 필요하다. 기존의 방법은 레이저 다이오우드(laser diode)의 처핑(chirpping)을 이용하는 방법이었다. 레이저 다이오우드의 경우에 인가되는 전류량에 따라 레이저 다이오우드에서 발산되는 광신호의 주파수가 변화하기 때문에, 이를 이용하여 FSK 신호를 발생시킬 수 있다.
도 1은 제1 예에 따른 전형적인 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면이다. 상기 광송신 장치(100)는 분포 귀환형 레이저(distributed feedback laser: DFB, 110)와, 바이어스-티 회로(bias-tee circuit, 120)를 포함한다.
상기 분포 귀환형 레이저(110)는 입력되는 데이터 신호에 따라 서로 다른 주파수의 두 톤 신호들(tone signal)을 생성할 수 있다. 상기 분포 귀환형 레이저(110)는 입력 데이터가 '0' 비트인 경우에 제1 톤 신호를 생성하고, 입력 데이터가 '1' 비트인 경우에 제2 톤 신호를 생성한다. 이는, 상기 분포 귀환형 레이저(110)가 입력 데이터의 세기에 따라 출력 주파수 및 세기가 변화하는 특성을 갖는다는 점을 이용한 것이다. 상기 분포 귀환형 레이저(110)에는 상기 데이터 신호와 함께 일정한 전류값을 갖는 바이어스 신호(bias signal)가 입력된다. 이러한 직접 변조 방식을 취할 경우에, 상기 분포 귀환형 레이저(110)의 출력 주파수뿐만 아니라 출력 세기도 변조되므로, 출력 신호의 왜곡(distortion)이 발생하게 된다.
상기 바이어스-티 회로(120)는 교류 성분을 차단하기 위해 바이어스 단자와 상기 분포 귀환형 레이저(110)의 사이에 배치되는 인덕터(inductor: L, 130)와, 직류 성분을 차단하기 위해 데이터 단자와 상기 분포 귀환형 레이저(110)의 사이에 배치되는 콘덴서(condenser: C, 140)를 포함한다.
도 2는 제2 예에 따른 전형적인 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면이다.
상기 광송신 장치(200)는 분포 귀환형 레이저(210)와, 세기 변조기(intensity modulator: MOD, 260)와, 반전 증폭기(inverting amplifier, 250)와, q바이어스-티 회로(220)를 포함한다.
상기 분포 귀환형 레이저(210)는 입력되는 데이터 신호에 따라 서로 다른 주파수의 두 톤 신호들을 생성할 수 있다. 상기 분포 귀환형 레이저(210)는 입력 데이터가 '0' 비트인 경우에 제1 톤 신호를 생성하고, 입력 데이터가 '1' 비트인 경우에 제2 톤 신호를 생성한다. 상기 분포 귀환형 레이저(210)에는 상기 데이터 신호와 함께 일정한 전류값을 갖는 바이어스 신호가 입력된다.
상기 반전 증폭기(250)는 입력된 상기 데이터 신호를 반전하여 상기 세기 변조기(260)로 출력한다.
상기 세기 변조기(260)는 입력된 반전 데이터 신호(inverted data signal)에 따라 상기 분포 귀환형 레이저(210)로부터 입력된 톤 신호의 세기를 변화시킨다. 즉, 상기 세기 변조기(260)는 상기 분포 귀환형 레이저(210)에 입력되는 데이터 신호의 세기 변화로 인한 출력 신호의 왜곡을 상기 반전 데이터 신호를 이용하여 상쇄시킨다. 이로 인하여, 상기 세기 변조기(260)의 출력 신호는 그 주파수와 상관없이 세기가 일정하게 된다.
상기 바이어스-티 회로(220)는 교류 성분을 차단하기 위해 바이어스 단자와 상기 분포 귀환형 레이저(210)의 사이에 배치되는 인덕터(L, 230)와, 직류 성분을 차단하기 위해 데이터 단자와 상기 분포 귀환형 레이저(210)의 사이에 배치되는 콘덴서(C, 240)를 포함한다.
상기 광송신 장치(200)는 제1 예에 따른 광송신 장치(100)에 비하여 출력 신호의 세기 왜곡이 적다는 이점이 있으나, 마찬가지로 직접 변조 방식을 취하므로 변조 속도에 제한이 있다는 문제점이 있다. 통상적으로, 레이저의 변조 대역폭은 레이저의 이완 진동 주파수(relaxation oscillation frequency)에 의하여 결정된다. 이완 진동 주파수는 레이저의 바이어스 전류의 제곱근(square root)으로 증가하지만, 대체적으로 20 GHz 미만이다. 따라서, 40 Gbps 이상의 고속 전송 시스템에는 적용하기 곤란하다. 또한, 레이저의 처핑에 의하여 발생한 광주파수는 인가되는 전류의 모습과 다소 차이가 있기 때문에 처핑이 적은 깨끗한 FSK 신호를 발생시키가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 40 Gbps 이상의 변조 속도를 지원할 수 있는 주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치는, 제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호와 제2 주파수(f2)의 제2 톤 신호를 생성하기 위한 광생성부와; 입력 데이터에 따라 상기 광생성부로부터 입력된 제1 및 제2 톤 신호들 중 하나를 선택적으로 출력하기 위한 제2 변조기를 갖는 광변조부를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면이다. 상기 광송신 장치(300)는 광생성부(light generator, 310)와, 광변조부(light modulator, 340)를 포함한다.
상기 광생성부(310)는 서로 다른 주파수의 제1 및 제2 톤 신호들을 생성하며, 본 실시예에서 상기 광생성부(310)는 상기 제1 및 제2 톤 신호들을 갖는 CSRZ(carrier-suppressed return-to-zero) 신호를 생성한다.
상기 광생성부(310)는 광원(light source, 320)와 제1 변조기(MOD1, 330)를 포함한다.
상기 광원(320)은 연속발진 레이저(continuous wave laser: CW)를 포함하며, 기준 주파수(f0)를 갖는 광신호를 연속적으로 출력한다.
상기 제1 변조기(330)는 동일한 길이의 제1 및 제2 암들(arm)을 갖는 대칭형 마하젠더 변조기(symmetric Mach-Zehnder modulator)를 포함한다. 상기 대칭형 마하젠더 변조기의 예로는 X-cut LiNbO3 마하젠더 변조기를 들 수 있으며, 제1 및 제2 암들의 사이에 구동 신호가 인가되는 가열 전극(heat electrode)이 배치되고, 제1 및 제2 암들 각각의 외측에 접지(ground)가 배치된다. 상기 제1 변조기(330)는 상기 광원(320)으로부터의 광신호와 구동 신호를 수신한다. 상기 구동 신호는 클럭 신호(clock signal)로서 데이터의 클럭 주파수(fd)의 1/2에 해당하는 주파수(fd/2) 를 갖는다. 상기 제1 변조기(330)는 상기 광원(320)으로부터 광신호를 수신하고, 이로부터 제1 주파수(f1)를 갖는 제1 톤 신호와 제2 주파수(f2)를 갖는 제2 톤 신호를 갖는 CSRZ 신호(carrier-suppressed return-to-zero signal)를 생성한다. 이 때, 제1 주파수는 (f0-fd/2)이며, 제2 주파수는 (f0+fd/2)이다. 상기 제1 톤 신호는 '0' 비트를 나타내고, 상기 제2 톤 신호는 '1' 비트를 나타낸다. 이는 선택적인 사항으로서, 상기 제1 톤 신호가 '1' 비트를 나타내고, 상기 제2 톤 신호가 '0' 비트를 나타내도록 할 수도 있다.
상기 광변조부(340)는 상기 광생성부(310)로부터 입력된 CSRZ 신호로부터 입력 데이터에 따라 제1 또는 제2 톤 신호를 선택적으로 출력하며, 상기 광변조부(340)는 제2 변조기(MOD2, 350)를 포함한다.
상기 제2 변조기(350)는 서로 다른 길이의 제1 및 제2 암들을 갖는 비대칭형 마하젠더 변조기(asymmetric Mach-Zehnder modulator)를 포함한다. 상기 비대칭형 마하젠더 변조기의 예로는 X-cut LiNbO3 마하젠더 변조기를 들 수 있으며, 제1 및 제2 암들의 사이에 데이터 신호가 인가되는 가열 전극이 배치되고, 제1 및 제2 암들 각각의 외측에 접지가 배치된다. 상기 제1 및 제2 암들의 길이차는 1/2 비트에 해당한다. 예를 들어, 40 Gbps인 경우에 비트 시간이 25㎰이므로, 상기 제1 및 제2 암들의 길이차는 12.5㎰에 해당한다.
도 4는 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성을 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성은 사인(sine) 파형의 양 상을 보인다. 즉, 상기 제2 변조기(350)의 투과도(transmittance)는 파장이 변화함에 따라 주기적으로 고저를 반복하는 사인 파형을 나타낸다. 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성의 주기는 상기 제1 및 제2 암들의 길이차에 의해 결정되며, 상기 길이차가 1/2 비트에 해당하므로, 상기 파장 응답 특성의 주기는 2 비트(2 bit duration)에 해당한다. 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성은 광대역의 증폭 자발 방출광(broadband amplified spontaneous emission: broadband ASE)을 출력하는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium doped fiber amplifier: EDFA) 또는 파장 가변 레이저(wavelength tunable laser)를 이용하여 측정할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 제2 변조기(350)는 상기 제1 변조기(330)로부터의 CSRZ 신호와, 데이터 신호를 수신한다. 상기 제2 변조기(350)는 입력 데이터에 따라 제1 또는 제2 톤 신호를 선택적으로 출력한다. 즉, 상기 제2 변조기(350)는 입력 데이터의 비트가 '0'인 경우에 상기 제1 톤 신호를 선택적으로 출력하고, 입력 데이터의 비트가 '1'인 경우에 상기 제2 톤 신호를 선택적으로 출력한다. 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성은 인가되는 전압 레벨에 따라 파장 이동한다. 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성은 '0' 비트와 '1' 비트의 전압 레벨차에 대하여 '1' 비트에 해당하는 파장 변화량만큼 파장 이동한다.
도 5는 상기 제2 변조기(350)의 파장 응답 특성의 파장 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는, '0' 비트가 인가된 경우의 파장 응답 특성(430)과, '1' 비트가 인가된 경우의 파장 응답 특성(440)과, 제1 톤 신호(410) 및 제2 톤 신호(420)가 도시되어 있다. 상기 제2 변조기(350)에 '0' 비트가 인가된 경우에 파장 응답 특성(430)의 최대 투과점과 제1 톤 신호(410)가 일치하고 파장 응답 특성(430)의 최소 투과점과 제2 톤 신호(420)가 일치하므로, 상기 제2 변조기(350)는 제1 주파수의 제1 톤 신호(410)를 선택적으로 출력한다. 상기 제2 변조기(350)에 '1' 비트가 인가된 경우에 파장 응답 특성(440)의 최대 투과점과 제2 톤 신호(420)가 일치하고 파장 응답 특성(440)의 최소 투과점과 제1 톤 신호(410)가 일치하므로, 상기 제2 변조기(350)는 제2 주파수의 제2 톤 신호(420)를 선택적으로 출력한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치를 나타내는 도면이다. 상기 광송신 장치(500)는 광생성부(510)와, 광변조부(550)를 포함한다. 상기 광송신 장치(500)는 도 3에 도시된 광송신 장치(300)와 유사하고 상기 광생성부(510)의 구성에만 차이가 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 광생성부(510)는 제1 및 제2 광원들(520,530)과 광결합기(optical coupler: OC, 540)를 포함하며, 서로 다른 주파수의 제1 및 제2 톤 신호들을 출력한다. 상기 제1 광원(520)은 제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호를 출력하고, 상기 제2 광원(530)은 제2 주파수(f2)의 제2 톤신호를 출력한다. 상기 제1 및 제2 광원들(520,530)은 각각 기설정된 주파수를 갖는 광신호를 연속적으로 출력하기 위한 연속발진 레이저(CW)를 포함한다. 상기 광결합기(540)는 제1 내지 제3 포트들(540.1)을 가지며, 상기 제1 포트(540.1)는 상기 제1 광원(520)과 연결되고, 상기 제2 포 트(540.2)는 상기 제2 광원(530)과 연결되며, 상기 제3 포트(540.3)는 상기 광변조부(550)와 연결된다. 상기 광결합기(540)는 제1 포트(540.1)에 입력된 제1 톤 신호와 제2 포트(540.2)에 입력된 제2 톤 신호를 결합하여 제3 포트(540.3)로 출력한다. 상기 광결합기(540)는 파장 선택 결합기(wavelength selective coupler: WSC), 파장분할 다중화기(wavelength division multiplxer: WDM) 등을 포함한다.
상기 광변조부(550)는 입력 데이터에 따라 상기 광생성부(510)로부터 입력된 제1 및 제2 톤 신호들 중 하나를 선택적으로 출력하며, 상기 광변조부(550)는 상기 광결합기(540)의 제3 포트(540.3)와 연결된 변조기(560)를 포함한다.
상기 변조기(560)는 서로 다른 길이의 제1 및 제2 암들을 갖는 비대칭형 마하젠더 변조기(asymmetric Mach-Zehnder modulator)를 포함한다. 상기 비대칭형 마하젠더 변조기의 예로는 X-cut LiNbO3 마하젠더 변조기를 들 수 있으며, 제1 및 제2 암들의 사이에 데이터 신호가 인가되는 가열 전극이 배치되고, 제1 및 제2 암들 각각의 외측에 접지가 배치된다. 상기 제1 및 제2 암들의 길이차는 1/2 비트에 해당한다. 예를 들어, 40 Gbps인 경우에 비트 시간이 25㎰이므로, 상기 제1 및 제2 암들의 길이차는 12.5㎰에 해당한다. 상기 변조기(560)는 입력 데이터의 비트가 '0'인 경우에 상기 제1 톤 신호를 선택적으로 출력하고, 입력 데이터의 비트가 '1'인 경우에 상기 제2 톤 신호를 선택적으로 출력한다. 상기 변조기(560)의 파장 응답 특성은 인가되는 전압 레벨에 따라 파장 이동한다. 상기 변조기(560)의 파장 응답 특성은 '0' 비트와 '1' 비트의 전압 레벨차에 대하여 '1' 비트에 해당하는 파장 변 화량만큼 파장 이동한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 변조 방식의 광송신 장치 및 방법은 직접 변조 방식이 아닌 외부 변조 방식을 채택함으로써 40 Gbps 이상의 고속 신호 생성에 사용될 수 있으며, 주파수 변조 방식을 채택함으로써 처핑 및 신호 왜곡이 발생하지 않아 최적의 FSK 신호를 발생시킬 수 있어 광전송 시스템의 성능을 제고한다는 이점이 있다.

Claims (15)

  1. 주파수 변조 방식의 광송신 장치에 있어서,
    제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호와 제2 주파수(f2)의 제2 톤 신호를 생성하기 위한 광생성부와;
    입력 데이터에 따라 상기 광생성부로부터 입력된 제1 및 제2 톤 신호들 중 하나를 선택적으로 출력하기 위한 제2 변조기를 갖는 광변조부를 포함하고,
    상기 제2 변조기의 파장 응답 특성이 인가되는 전압 레벨에 따라 파장 이동함으로써, 상기 제2 변조기는 입력 데이터의 비트가 '0'인 경우에 상기 제1 톤 신호를 선택적으로 출력하고, 입력 데이터의 비트가 '1'인 경우에 상기 제2 톤 신호를 선택적으로 출력함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광생성부는,
    기준 주파수(f0)를 갖는 광신호를 생성하기 위한 광원과;
    구동 신호에 따라 상기 광신호로부터 제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호와 제2 주파수(f2)의 제2 톤 신호를 갖는 CSRZ(carrier-suppressed return-to-zero) 신호를 생성하기 위한 제1 변조기를 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원은 연속발진 레이저를 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 변조기는 동일한 길이의 제1 및 제2 암들을 갖는 대칭형 마하젠더 변조기를 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 구동 신호는 상기 데이터의 클럭 주파수(fd)의 1/2에 해당하는 주파수를 갖는 클럭 신호임을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 (f0-fd/2)이며, 상기 제2 주파수는 (f0+fd /2)임을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변조기는 서로 다른 길이의 제1 및 제2 암들을 갖는 비대칭형 마하젠더 변조기를 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 암들의 길이차는 상기 데이터의 1/2 비트에 해당함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변조기의 투과도는 파장이 변화함에 따라 2 비트 주기로 고저를 반복하는 사인 파형을 나타냄을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 광생성부는,
    제1 주파수(f1)의 제1 톤 신호를 출력하기 위한 제1 광원과;
    제2 주파수(f2)의 제2 톤 신호를 출력하기 위한 제2 광원과;
    상기 제1 및 제2 톤 신호를 결합하여 출력하기 위한 광결합기를 포함함을 함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광원들은 각각 연속발진 레이저를 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 주파수 변조 방식의 광송신 방법에 있어서,
    '0' 비트를 나타내는 제1 톤 신호와 '1' 비트를 나타내는 제2 톤 신호를 생성하는 광생성 과정과;
    입력 데이터의 비트가 '0'인 경우에 상기 제1 톤 신호를 선택적으로 출력하고, 입력 데이터의 비트가 '1'인 경우에 상기 제2 톤 신호를 선택적으로 출력하는 광변조 과정을 포함하고, 상기 광생성 과정은,
    제1 주파수의 제1 톤 신호를 생성하는 제1 서브 과정과;
    제2 주파수의 제2 톤 신호를 생성하는 제2 서브 과정과;
    상기 제1 및 제2 톤 신호들을 결합하는 제3 서브 과정을 포함함을 특징으로 하는 주파수 변조 방식의 광송신 방법.
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