KR101539196B1 - 코히어런트 광통신 시스템의 수신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

코히어런트 광통신 시스템의 수신 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 장치는, 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 광 스플리터; 두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 제1 증폭기; 상기 제1 증폭기의 출력 신호를 증폭하는 제2 증폭기; 상기 제2 증폭기의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 코히어런트 수신 모듈을 포함한다. 개시된 장치에 의하면, 주파수 오프셋의 발생을 억제하고 위상 잡음을 최소화할 수 있으며, 추가적인 광원 및 추가적인 광섬유를 요구하지 않고 작은 비용으로 제조 가능한 장점이 있다.

Description

코히어런트 광통신 시스템의 수신 장치 및 방법{Method and Device for Receiving in Coherent Optical Communication System}

본 발명의 실시예들은 광 통신 시스템의 수신 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코히어런트 방식을 이용하는 광 통신 시스템에 사용하는 수신 장치에 관한 것이다.

현재의 광통신 시스템은 송신부에서 전기 신호를 광 신호로 변환한 후 이를 직접 강도 변조(Intensity Modulation)하여 전송하고 수신부에서는 수신된 광 신호를 직접 검파(Direct Detection)하는 IM-DD 방식을 사용하고 있다.

향후의 광대역 종합통신망 서비스를 위한 데이터의 전송 용량은 수백 Gb/s 내지는 수십 Tb/s 이상이 될 것으로 예상되고 있으나, IM-DD 방식은 위상 변조가 불가능하여 대역폭 사용 효율이 낮고 수신 감도 또한 낮기 때문에 10Gb/s 이상의 전송 용량을 갖는 시스템에 대해서는 적용되기 어려울 것으로 예상되고 있다.

이러한 요구에 따라 별도의 국부 발진 신호를 수신 신호와 혼합하여 수신 감도 향상과 위상변조를 통한 대역폭 효율 향상이 가능한 코히어런트 광 통신이 다시 각광을 받고 있다.

코히어런트 광통신이 고용량, 장거리 통신에 실용화되기 위해서는 송신기와 국부 발진기 광원으로 이용되고 있는 반도체 레이저의 스펙트럼 선폭이 매우 좁아야 하며 중심 주파수가 안정되어야 한다.

또한, 코히어런트 광 통신이 안정적으로 수행되려면 수신된 광 신호의 주파수와 국부 발진 신호의 주파수가 동일하여야 하며 두 개의 신호 간 정밀한 위상 제어가 필요하다.

그러나, 주변 환경과 물리적 특성 등으로 인해 완전히 동일한 주파수를 발진하는 두 개의 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)을 만드는 것은 사실상 불가능하다. 따라서, 국부 발진 신호와 수신된 광 신호 사이에는 주파수 오프셋이 발생하게 된다.

또한, 선폭을 가지는 레이저 다이오드의 특성에 의해 위상이 랜덤하게 변하고 그에 따라 위상 잡음이 발생하여 신호가 왜곡된다.

따라서, 코히어런트 광 통신 시스템에서의 수신 장치는 서로 다른 두 광원의 주파수와 위상을 정밀하게 제어하거나 발생한 왜곡을 보상해주는 기법이 추가적으로 적용되어야 했다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 자기 호모다인 코히어런트(Self-homodyne Coherent) 광 통신 시스템이 제안되었다. 자기 호모다인 코히어런트 시스템은 송신 장치에서 광 캐리어를 나누어 코히어런트 수신기에서 국부 발진기로 사용될 광원을 전송하는 시스템이다.

그러나, 기존의 자기 호모다인 코히어런트 시스템은 송신 장치로부터 국부 발진 신호로 사용할 광원을 전송해주는 부가적인 광섬유를 필요로 하기 때문에 효율적이지 않으며 이러한 광섬유를 설치하는 것에 높은 비용이 소모되는 문제점이 있었다.

본 발명의 일 측면은 주파수 오프셋의 발생을 억제하고 위상 잡음을 최소화할 수 있는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 추가적인 광원 및 추가적인 광섬유를 요구하지 않고 적은 비용으로 제조 가능한 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 광 스플리터; 두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 제1 증폭기; 상기 제1 증폭기의 출력 신호를 증폭하는 제2 증폭기; 상기 제2 증폭기의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 코히어런트 수신 모듈을 포함하는 코히런트 광 통신 시스템의 수신 장치가 제공된다.

상기 제1 증폭기는 출력 신호의 최솟값이 상기 제2 증폭기의 포화 영역 내에 속하도록 상기 제2 광 신호를 증폭한다.

상기 제2 증폭기는 유니폼 신호와 유사한 신호를 출력한다.

상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 광 스플리터; 두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭기; 상기 증폭기의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 코히어런트 수신 모듈을 포함하는 코히런트 광 통신 시스템의 수신 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 단계(a); 두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 단계(b); 상기 단계(b)의 출력 신호를 증폭하는 단계(c); 상기 단계(c)의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 단계(d)를 포함하는 코히런트 광 통신 시스템에서 수신 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 주파수 오프셋의 발생을 억제하고 위상 잡음을 최소화할 수 있으며, 추가적인 광원 및 추가적인 광섬유를 요구하지 않고 적은 비용으로 제조 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 코히이런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 구조를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 구조를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제1 증폭기로 입력되는 광 신호의 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제1 증폭기의 출력 파형을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제2 증폭기의 출력 파형을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히이런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 동작을 도시한 순서도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 종래의 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 구조를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 코히어런트 광 통신 시스템에서 수신 장치는 광 수신부(100), 국부 발진기(110), 광 혼합기(120) 및 광 검출기(130)를 포함한다.

광 수신부(100)는 외부로부터 전송되는 광 신호를 수신한다. 광 신호는 광케이블과 같은 광전송 선로를 통해 수신될 수 있다.

국부 발진기(110)는 수신되는 신호와 동일한 주파수를 가지는 별도의 광 신호를 생성하는 기능을 한다. 국부 발진기(110)에서 생성되는 국부 발진 신호는 데이터 성분은 포함되어 있지 않으며 주파수만 수신 신호와 동일한 신호이다.

수신된 광 신호와 국부 발진기(110)에서 생성되는 국부 발진 신호는 광 혼합기(120)를 통해 혼합된다. 광 혼합기(120)는 수신된 광 신호와 국부 발진기(100)의 국부 발진 신호가 합산되도록 혼합이 이루어진다.

광 혼합기에서 광 혼합이 이루어지면 광 검출기(130)는 혼합된 광 신호를 검출한다. 일반적인 포토 디텍터가 광 검출기로 사용될 수 있다. 광 검출기(130)는 광 신호를 전기 신호로 변환하며, 코히어런트 광 시스템 수신 장치에서는 변환된 전기 신호에 대한 추가적인 신호 처리가 이루어질 수 있다.

도 1에는 도시되어 있지 않으나, 수신 광 신호와 국부 발진 신호를 편광 성분별로 분리하는 편광 분리기가 추가적으로 사용될 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치는 별도의 국부 발진기(110)를 필요로 한다. 국부 발진기(110)의 국부 발진 신호의 주파수와 수신되는 광 신호의 주파수는 동일하여야 하나 실질적으로 수신 신호와 동일한 주파수의 국부 발진 신호를 발생시키기는 어려우며, 따라서 수신된 광 신호와 국부 발진 신호간의 주파수 오프셋이 발생하여 신호의 왜곡이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치는 별도의 국부 발진기를 필요로 하였기에 제작비용이 증가되는 문제점이 있었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 구조를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치는 광 스플리터(200), 제1 증폭기(210), 제2 증폭기(220) 및 코히어런트 수신 모듈(230)을 포함한다.

광 스플리터(200)는 송신단으로부터 전송되는 코히어런트 광 신호를 전송하는 광케이블과 결합되어 있으며, 수신되는 신호를 제1 경로(202) 및 제2 경로(204)의 두 개의 경로로 분리하는 기능을 한다. 제1 경로(202)로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 경로(204)로 분리되는 제2 광 신호의 세기는 광 스플리터(200)에 의해 제어될 수 있다.

제1 경로(202)로 분리되는 제1 광 신호는 별도의 처리 없이 코히어런트 광 수신 모듈(230)로 입력된다.

제2 경로(204)로 분리되는 제2 광 신호는 제1 증폭기(210)로 입력된다. 제1 증폭기(210)는 제2 광 신호 중 가장 작은 신호가 미리 설정된 신호 레벨 이상이 되도록 제2 광 신호를 증폭한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 증폭기(210)는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제1 증폭기로 입력되는 광 신호의 파형을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1 증폭기(210)로 입력되는 제2 광 신호는 다수의 신호 레벨을 가지고 있다. 제2 광 신호의 세기는 광 스플리터(200)에 의해 조절될 수 있을 것이다. 제1 증폭기의 증폭률은 제2 증폭기의 포화 영역에 기초하여 정해진다. 구체적으로 제1 증폭기의 증폭률은 제1 증폭기의 출력 신호 레벨이 제2 증폭기의 포화 영역에 속하도록 설정된다.

증폭기는 특정 입력 신호 레벨 영역에서는 선형적으로 증폭을 수행하나, 입력 신호 레벨이 특정 임계치를 초과하게 되면 증폭이 선형적으로 이루어지지 않게 된다. 이와 같이 증폭이 선형적으로 이루어지지 않는 신호 레벨 영역을 포화 영역이라고 하며, 제1 증폭기(210)는 제1 증폭기(210)의 출력 신호 레벨이 제2 증폭기(220)의 포화 영역에 존재하도록 입력 신호를 증폭하는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제1 증폭기의 출력 파형을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 시간에 따른 신호 레벨이 도시되어 있으며 제1 증폭기(210)는 증폭기 증폭률의 한계로 인해 출력 신호가 소정의 임계치를 초과하지는 않는다.

앞서 설명한 바와 같이, 제1 증폭기(210)는 출력 신호의 최솟값이 제2 증폭기의 포화 영역에 존재하도록 증폭을 수행한다. 제1 증폭기(210)의 증폭률 설정을 위해 수신되는 광 신호의 최솟값이 예측될 필요가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템에서 제2 증폭기의 출력 파형을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 도 4와 같은 제1 증폭기(210)의 출력이 제2 증폭기(220)의 입력단으로 입력된다. 도 5를 참조하면, 제1 증폭기(210)가 출력 신호가 제2 증폭기의 포화 영역(Saturation Region)에 있다는 점을 확인할 수 있다.

제2 증폭기(220)로의 입력 신호 레벨이 모두 포화 영역에 존재하게 될 경우 선형적으로 증폭이 이루어지지 않으므로 제2 증폭기(220)의 출력 신호들의 레벨은 서로 유사한 값을 가지게 된다. 결국 제2 증폭기(220)의 출력 신호는 데이터를 포함하지 않는 유니폼 신호와 유사한 신호가 되며 이와 같은 제2 증폭기(220)의 출력 신호는 국부 발진기의 국부 발진 신호와 동일한 형태를 가진다. 제2 증폭기(220)의 출력 신호는 수신된 광 신호를 변환한 신호이기에 수신된 광 신호와 주파수가 동일하며, 종래의 코히어런트 광 수신 장치에서 발생하는 주파수 오프셋에 관한 문제를 해결할 수 있게 된다.

또한, 송신단과 연결되는 별도의 광섬유를 필요로 하지 않기에 기존의 자기 코히어런트 방식에 비해 간단하고 적은 비용으로 구현될 수 있는 장점이 있다.

코히어런트 수신 모듈(230)은 광 스플리터(200)에서 분리되는 제1 광 신호 및 제2 증폭기(220)로부터 출력되는 신호를 혼합하고 검출하는 기능을 한다. 코히어런트 수신 모듈(230)의 동작은 일반적인 코히어런트 광통신 시스템의 수신 장치에서 사용하는 모듈의 동작과 동일하다. 코히어런트 수신 모듈(230)은 제2 증폭기(220)의 출력 신호를 국부 발진 신호로 간주하여 제2 증폭기(220)와 제2 광신호의 혼합 동작을 수행하고, 혼합된 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출 동작을 수행한다.

도 2에는 두 개의 증폭기(210, 220)를 이용하여 증폭을 수행하는 구조가 도시되어 있으나, 제2 광신호의 세기가 충분히 크다면 하나의 증폭기만으로 유니폼 신호와 유사한 신호를 출력할 수 있다는 점을 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

하나의 증폭기만이 사용되는 경우 입력되는 제2 광신호의 레벨은 미리 설정된 임계치 이상이어야 하며, 바람직하게는 제2 광신호의 레벨은 사용되는 증폭기의 포화 영역에 있어야 한다. 해당 증폭기의 출력 신호는 도 2의 제2 증폭기(220)의 출력 신호와 같이 유니폼 신호와 유사한 형태를 가진다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치의 동작을 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 수신되는 광 신호를 두 개의 경로로 분리한다(단계 600). 수신되는 광 신호의 분리는 광 스플리터에 의해 수행될 수 있으며, 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호는 독립적으로 처리된다.

분리된 신호 중 제2 광 신호에 대해 제1 증폭기를 이용하여 제1 증폭을 수행한다(단계 602). 제1 증폭기는 출력 파워의 최솟값이 제2 증폭기의 포화 영역에 위치하도록 증폭을 수행한다.

제1 증폭이 이루어지면, 제1 증폭 신호는 제2 증폭기로 입력되어 제2 증폭을 수행한다(단계 604). 제1 증폭에 의해 제1 증폭 신호의 최솟값이 제2 증폭기의 포화 영역에 위치하기 때문에 포화 영역에서의 증폭이 이루어진다.

포화 영역에서는 선형적인 증폭이 이루어지지 않기에 결국 제2 증폭 신호는 모든 신호 레벨이 유사한 유니폼 형태의 신호를 가지게 된다.

스플리터에 의해 분리된 광 신호 및 제2 증폭된 제2 증폭 신호간 코히어런트 광 혼합이 이루어진다(단계 606). 제2 증폭 신호는 기존의 코히어런트 광 통신 시스템에서의 국부 발진 신호로 이용된다. 제1 광 신호 및 제2 증폭 신호는 동일한 신호로부터 분리된 신호이기에 주파수가 동일하며 주파수 오프셋의 발생을 억제할 수 있게 된다.

광 혼합이 이루어지면, 혼합된 광 신호를 검출한다(단계 608). 광 신호 검출은 포토 디텍터(Photo Detector) 등을 이용하여 수행될 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

1. 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 광 스플리터;
   두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 제1 증폭기;
   상기 제1 증폭기의 출력 신호를 증폭하는 제2 증폭기;
   상기 제2 증폭기의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 코히어런트 수신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 코히런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 증폭기는 출력 신호의 최소값이 상기 제2 증폭기의 포화 영역 내에 속하도록 상기 제2 광 신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 증폭기는 유니폼 신호와 유사한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
5. 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 광 스플리터;
   두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭기;
   상기 증폭기의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 코히어런트 수신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 코히런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 증폭기는 유니폼 신호와 유사한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 증폭기는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템의 수신 장치.
8. 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 단계(a);
   두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 단계(b);
   상기 단계(b)의 출력 신호를 증폭하는 단계(c);
   상기 단계(c)의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코히런트 광 통신 시스템에서 수신 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 단계(b)는 출력 신호의 최소값이 상기 단계(c)에서 사용되는 증폭기의 포화 영역 내에 속하도록 상기 제2 광 신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템에서 수신 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 단계(c)의 증폭 신호는 유니폼 신호와 유사한 신호인 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템에서 수신 방법.
11. 수신된 광 신호를 두 개의 경로로 분리하는 단계(a);
    두 개의 경로로 분리되는 제1 광 신호 및 제2 광 신호 중 상기 제2 광 신호를 증폭하는 단계(b);
    상기 단계(b)의 출력 신호 및 상기 제1 광 신호를 혼합하고 검출하는 단계(c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코히런트 광 통신 시스템에서 수신 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 단계(b)의 출력 신호는 유니폼 신호와 유사한 신호인 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 통신 시스템에서 수신 방법.
    
    

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