KR101836221B1 - 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치를 개시한다.
복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 각각 처리하여 선택하고, 선택된 브랜치에 대한 신호를 결합하는 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.

Description

광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치{Method and Apparatus for PMD-induced penalty mitigation in IM-DD optical transmission systems}
본 실시예는 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광전송 시스템에서 채널 당 전송속도가 40 Gb/s 또는 그 이상의 데이터율을 갖음에 따라 중요한 장애 요인 중 하나는 편광모드분산(PMD: Polarization Mode Dispersion)이다. 여기서, PMD는 편광상태에 따라 광학 신호의 진행속도가 다르게 나타나는 직교 편광상태에 의한 현상으로써, 섬유 코어의 비대칭, 온도 변화 및 섬유의 내부 또는 외부 응력 등으로 인한 랜덤 복굴절로부터 발생한다. 이러한 PMD는 장거리 고속 광섬유 통신 시스템에서 싱글모드광섬유(SMF: Single Mode Fiber)의 전송용량을 심각하게 저하시킬 수 있다. 예를 들어, PMD로 인해 부호간 상호간섭(ISI: Inter-Symbol Interference), 전송된 광 펄스신호의 시간확장 및 펄스 왜곡 등의 전송 패널티가 존재한다.
일반적으로 광전송 시스템의 광수신기에서 광신호를 검출하고, 광신호를 전기 신호로 다시 변환하는 방법은 코히어런트 검출(Coherent Detection) 및 직접 검출(DD: Direct Detection)이 존재한다.
코히어런트 검출 방법에서, 수신된 신호의 위상정보는 광학-전기 변환 이후 저장되고, 저장된 위상정보는 디지털 신호처리(DSP)를 통해 전자 도메인에서 PMD 및 다른 비선형 왜곡을 완화시킬 수 있다.
하지만, 코히어런트 검출 기반의 광수신기는 고도로 안정된 국부 발진기(Local Oscillator) 레이저, 전력소모가 많은 고가의 고속 ADC(Analog-Digital Converter) 및 DSP(Digital Signal Processor) 유닛이 필요로 한다. 또한, 코히어런트 검출 기반의 광수신기는 비용, 크기, 전력 소비의 증가 외에도, 레이저 위상 잡음으로 인한 손상이 발생하게 된다. 이는, 코히어런트 검출 방법의 중요한 결점이다.
이와 반대로, 직접 검출(DD) 방법은 단순한 구성으로 송신기 및 광수신기를 구성할 수 있다. 직접 검출(DD)은 코히어런트 검출에 비해 적은 전기적 처리를 필요로 하며, 레이저 위상 잡음에 영향을 받지 않는다. 따라서, 직접 검출(DD)은 저가의 중단거리 전송에 적용할 수 있다.
하지만, 직접 검출(DD) 방법을 사용하는 경우에도, PMD는 여전히 IM-DD(Intensity-Modulated Direct-Detection) 광전송 시스템에서 해결되지 않은 문제이다.
하지만, 전술한 직접 검출(DD: Direct Detection) 방법은 동적으로 편광상태를 조정하기 위해 편광 빔 분배기의 일단에 크기가 크고, 고가의 니오브산 리튬(LiNbO3) 편광 변환기 기반의 적응 편광 제어기(Polarization Controller)이 필요로 한다. 또한, 전술한 직접 검출(DD: Direct Detection) 방법은 복잡한 알고리즘, 복수의 방향성 결합기, 편광판(90 ° 광학 하이브리드), 복수의 광 검출기, ADC(Analog-Digital Converter) 및 DSP(Digital Signal Processor) 유닛을 이용한 Stokes 해석을 통해 보상하거나, 주파수 도메인의 등화를 수행하기 위해 FFT 프로세서, 복소 신호 처리 및 고속 ADC 등을 이용한 완벽한 채널 상태 정보(Channel State Information)를 획득하여 보상하는 복잡한 솔루션(Solution)을 필요로 한다.
따라서, 복잡하고 고가의 고속 ADC, 광채널 추정기 또는 복잡한 알고리즘의 추가 없이 IM-DD 전송 시스템에서 PMD를 적응적으로 완화하기 위한 기술이 필요로 한다.
본 실시예는 복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 각각 처리하여 선택하고, 선택된 브랜치에 대한 신호를 결합하는 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하기 위한 장치에 있어서, 송신기로부터 수신된 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배하는 전력 분배부; 상기 복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 분리처리하기 위하여 상기 복수의 브랜치 각각에 대한 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 편광 처리부; 기 설정된 임계값에 근거하여 상기 복수의 브랜치 중 적어도 하나 이상의 브랜치를 선택하는 브랜치 선택부; 선택된 브랜치 각각에 대한 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부; 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호 간 시간 지연을 측정하는 시간지연 판단부; 상기 시간 지연이 측정되면, 상기 시간 지연에 근거하여 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호를 정렬하는 시간 정렬부; 및 정렬된 전기 신호를 결합하여 출력되도록 하는 신호 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 광전송 시스템의 광수신기에서 편광모드분산을 완화하기 위한 방법에 있어서, 송신기로부터 수신된 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배하는 전력 분배과정; 상기 복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 분리처리하기 위하여 상기 복수의 브랜치 각각에 대한 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 편광 처리과정; 기 설정된 임계값에 근거하여 상기 복수의 브랜치 중 적어도 하나 이상의 브랜치를 선택하는 브랜치 선택과정; 선택된 브랜치 각각에 대한 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환과정; 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호 간 시간 지연을 측정하는 시간지연 판단과정; 상기 시간 지연이 측정되면, 상기 시간 지연에 근거하여 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호를 정렬하는 시간 정렬과정; 및 정렬된 전기 신호를 결합하여 출력되도록 하는 신호 결합과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 복잡하고 고가의 고속 ADC, 광채널 추정기 또는 복잡한 알고리즘의 추가 없이 IM-DD 전송 시스템에서 PMD를 적응적으로 완화할 수 있는 효과가 있다. 또한, IM-DD 전송 시스템에서 데이터 전송의 정확도 및 전송률을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래의 기술에 비해, PMD를 완화하는 비용을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 IM-DD 광전송 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 IM-DD 광전송 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 최적의 RSS 임계값을 결정하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기의 브랜치의 개수를 결정하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기와 종래의 광수신기를 비교 결과에 대한 그래프이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
고속 광섬유 통신 시스템은 장거리를 넘어 정보를 전송하도록 구성된다. 장거리의 광섬유에서, 편광모드분산(Polarization Mode Dispersion, 이하, PMD으로 기재)는 랜덤 방향을 갖는 편광 상태(SOP: State Of Polarizations)에 대한 복수의 복굴절 세그먼트의 연결을 의미한다. 여기서, PMD는 고차 PMD(Higher-Order PMD)로 불리며, 고차 PMD는 [수학식 1]과 같이, 주파수별 Jones’ matrix를 사용하여 모델링 될 수 있다.
Figure 112016007884378-pat00001
(H(ω): high-order PMD, N: 연결된 광섬유 세그먼트의 개수, Bn: n 번째 세그먼트의 복굴절 행렬, ω: 광 주파수(radians per second), τn: n 번째 광 세그먼트의 차동 군지연(Differential Group Delay), R: 임의의 회전행렬 및 θ: [0.. π] 내에 균일하게 분포되어 있는 소정의 각도)
도 1은 본 실시예에 따른 IM-DD 광전송 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 IM-DD(Intensity-Modulated Direct-Detection) 광전송 시스템은 광송신기(110) 및 다이버시티 광수신기(120)를 포함한다. 도 1에서 실선은 광학 신호의 흐름을 나타내고, 파선은 전기 신호의 흐름을 나타낸다. 여기서, 광학 신호가 흐르는 영역은 광학 도메인을 의미하고 전기 신호가 흐르는 영역은 RF(Radio Frequency) 도메인을 의미한다.
광송신기(110)는 광학 신호를 생성하고, 생성된 광학 신호를 다이버시티 광수신기(120)로 전송한다. 예를 들어, 광송신기(110)는 NRZ-OOK(Non-Return-to-Zero On-Off Keying) 방식의 광학 신호를 다이버시티 광수신기(120)로 전송하며, 40 GHz의 NRZ-OOK 방식 기반의 광학 신호는 입력 데이터 또는 231 - 1의 패턴 길이를 갖는 PRBS(Pseudo-random Bit Sequence) 발생기에 의해 구동되는 직접변조 다이오드레이저 송신기, 또는 연속파(CW: Continuous Wave)의 레이저 소스(Laser Source) 및 외부 MZI(Mach-Zehnder Interferometer) 변조기에 의해 실현된다.
광송신기(110)는 생성된 광학 신호를 선택적으로 광증폭기EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)를 이용하여 증폭한 후 다이버시티 광수신기(120)로 전송한다. 여기서, 광학 신호는 싱글모드광섬유(SMF: Single Mode Fiber)를 이용하여 전송되며, 이러한 전송과정에서 편광모드분산(Polarization Mode Dispersion, 이하, PMD으로 기재)이 발생하게 된다.
다이버시티 광수신기(120)는 IM-DD 광전송 시스템에서 PMD의 페널티를 완화하기 위한 M-브랜치 다이버시티 광수신기를 의미한다. 여기서, M은 광송신기(110)로부터 수신된 광학 신호를 분배한 복수의 브랜치(Branch)에 대한 개수를 의미한다.
다이버시티 광수신기(120)는 광대역통과필터부(OBPF: Optical Band Pass Filter, 130), 전력 분배부(Power Splitter, 140), 편광 처리부(PBS: Polarization Beam Splitter, 150), 브랜치 선택부(160), 광전 변환부(170), 저역 필터부(Low-Pass Filter, 180), 시간지연 판단부(Time Delay estimation, 192), 시간 정렬부(Time Alignment, 194), 신호 결합부(196) 및 신호 결정부(198)를 포함한다.
광대역통과필터부(130)는 다이버시티 광수신기(120) 내에서 광학 신호의 노이즈를 억제하도록 배치되며, 증폭과정에서 발생하는 노이즈(Noise)을 제거한다. 여기서, 노이즈는 증폭 과정에서 증폭기(EDFA) 자체에서 일반적으로 발생되는 배경잡음인 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 노이즈일 수 있으며, 광신호대잡음비(OSNR: Optical Signal to Noise Ratio)에 영향을 미친다. 여기서, 광대역통과필터부(130)의 대역폭은 광학 신호가 어떠한 왜곡 없이 통과할 수 있도록 큰 것으로 가정한다.
전력 분배부(140)는 노이즈가 제거된 광학 신호의 전력을 복수의 브랜치로 균등하게 분배한다. 여기서, 복수의 브랜치는 M 개인 것이 바람직하며, 독립적으로 변동하는 페이딩파일 수 있다. 다시 말해, 전력 분배부(140)는 입력된 광학 신호를 M 쌍의 직교 편광으로 균등하게 분할하여 M 개의 독립적인 다이버시티의 브랜치로 분배한다.
편광 처리부(150)는 복수의 브랜치 각각에 대응하는 복수의 편광 분석기(PA: Polarization Analyzer) 및 편광 빔 분배기(PBS: Polarization Beam Splitter)를 포함하는 형태로 구현된다.
편광 처리부(150)는 복수의 브랜치 각각의 광학 신호를 서로 다른 각도를 갖는 편광 분석기를 통과시켜 편광 상태(SOP: State Of Polarizations)를 추출하고, 추출된 편광 상태를 편광 빔 분배기를 이용하여 푸앙카레 원구(Poincare Sphere) 상에 균등하게 이격하여 수평 편광 및 수직 편광을 포함하는 직교 편광으로 분할한다. 여기서, 수평 편광은 x 편광로 표시되고, 수직 편광은 y 편광으로 표시된다.
예를 들어, 3 - 브랜치 다이버시티 광수신기의 경우, 편광 처리부(150)는 0°, 60° 및 120°를 지향하는 편광 분석기에 3 개의 브랜치 각각의 광학 신호를 각각 x 편광으로 정렬하여 통과시키고, 이에 대한 직교 성분인 y 편광 출력은 폐기한다.
편광 처리부(150)는 복수의 브랜치 각각에 대한 직교 편광 중 하나의 편광을 검출하여 브랜치 선택부(160)로 전송하고, 나머지 다른 편광은 폐기한다. 예를 들어, 편광 처리부(150)는 제곱 광검파기(Square-law Photodetector)를 이용하여 복수의 브랜치 각각에 대한 직교 편광 중 x 편광을 검출한다.
브랜치 선택부(160)는 복수의 브랜치에 대한 편광을 획득하고, 기 설정된 광신호대잡음비(OSNR)의 임계값을 기반으로 복수의 브랜치 중 일부 브랜치를 선택한다.
브랜치 선택부(160)는 M 개의 다이버시티 브랜치 중 L 개의 다이버시티 브랜치를 선택할 수 있다. 여기서, L은 1 ≤ L ≤ M 이다. 브랜치 선택부(160)는 M 개의 브랜치 각각에 대한 광신호대잡음비(OSNR)를 확인하고, 기 설정된 임계값 이상에 해당하는 L 개의 브랜치를 선택한다. 브랜치 선택부(160)는 광신호대잡음비(OSNR)에 근거하여 L 개의 브랜치를 선택함에 따라 다이버시티 광수신기(120)의 출력을 극대화할 수 있다.
브랜치 선택부(160)는 소정의 시간에서 광신호대잡음비(OSNR)에 근거하여 복수의 브랜치 각각에 대한 상대적 신호 강도(RSS: Relative Signal Strength)를 확인하고, 확인된 상대적 신호 강도에 근거하여 M 개의 브랜치 중 L 개의 브랜치를 선택할 수도 있다. 여기서, 브랜치 선택부(160)는 상대적 신호 강도가 기 설정된 임계값 이하인 경우 왜곡이 발생했거나 왜곡이 발생할 브랜치인 것으로 판단하여 해당 브랜치의 신호를 폐기한다.
브랜치 선택부(160)에서 상대적 신호 강도(RSS)를 수학식 2를 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112016007884378-pat00002
(
Figure 112016007884378-pat00003
: 소정의 시간에서 OSNR의 최대값(
Figure 112016007884378-pat00004
),
Figure 112016007884378-pat00005
: (모든 편광 방향축에 고르게 ASE 노이즈가 존재한다는 조건하에서) i 번째 브랜치의 OSNR 값, RSSi: i 번째 브랜치의 상대적 신호 강도(
Figure 112016007884378-pat00006
))
다시 말해, 브랜치 선택부(160)는 상대적 신호 강도(RSS)가 기 설정된 임계값(
Figure 112016007884378-pat00007
) 이상인 경우 검출하고, 기 설정된 임계값(
Figure 112016007884378-pat00008
)보다 작은 경우 폐기한다.
브랜치 선택부(160)에서 모든 M 개의 브랜치를 이용하는 경우, PMD의 패널티로 인해 M 브랜치의 일부는 심하게 왜곡되거나 전체 결합 에너지(다이버시티 광수신기(120)의 출력)를 생성하기에 너무 약하게 된다. 또한, 모든 M 개의 브랜치를 이용하는 경우, 다이버시티 광수신기(120)의 출력에서 ASE 노이즈 레벨은 증가하게 된다. 따라서, 브랜치 선택부(160)는 소정의 브랜치를 폐기하고 L 개의 브랜치만을 선택함으로써, 다이버시티 광수신기(120)의 하드웨어 복잡도를 줄이고, 처리 전력을 절약할 수 있다.
광전 변환부(170)는 L 개의 브랜치에서 출력되는 광학 신호를 전기 신호로 변환(O/E conversion)한다. 저역 필터부(180)는 기 설정된 차단 주파수보다 낮은 주파수 성분만을 통과시킨다. 저역 필터부(180)는 통과된 신호를 시간지연 판단부로 전송한다.
시간지연 판단부(192)는 L 개의 브랜치 간의 상대적인 도착시간의 차이를 측정한다. 시간지연 판단부(192)는 위상동기루프(PLL: Phase-Locked Loop) 기반으로 연속 시간 도메인의 지연을 확인한다. 여기서, 일반적인 디지털 신호 기반의 시간 지연 추정기술을 IM-DD 광전송 시스템에 적용하는 경우, 고속 ADC, FFT, DSP 및 회로 등을 필요로 한다. 하지만, 본 실시예에 따른 시간지연 판단부(192)는 위상동기루프(PLL: Phase-Locked Loop) 방식을 적용함으로써, IM-DD 광전송 시스템에서 L 개의 브랜치 간의 상대적인 시간 지연을 측정한다.
시간 정렬부(194)는 시간지연 판단부(192)에서 판단된 시간 지연에 근거하여 시간 정렬을 수행한다. 여기서, 시간 정렬부(194)는 L 개의 브랜치에 대한 전기 신호를 다양한 길이의 전기적 지연 라인을 통과시켜 시간 정렬을 수행한다.
신호 결합부(196)는 시간 정렬이 완료된 L 개의 브랜치에 대한 전기 신호를 하나의 출력 신호로 결합하고, 신호 결정부(198)에서 결합된 출력 신호를 외부 장치(미도시)로 출력한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 IM-DD 광전송 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이버시티 광수신기(120)는 편광 처리부(150)에서 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배한 후 광전 변환부(170)에서 광학 신호를 전기 신호로 변환(O/E conversion)한다.
다이버시티 광수신기(120)는 브랜치 선택부(160)에서 복수의 브랜치에 대한 전기 신호에 대한 신호대잡음비(SNR)에 근거하여 복수의 브랜치 중 일부 브랜치를 선택한다. 도 2에서 브랜치 선택부(160)의 동작은 신호대잡음비(SNR)을 이용한다는 점이 도 1의 브랜치 선택부(160)와 상이하며, 나머지 동작을 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다. 또한, 도 2에 도시된 다이버시티 광수신기(120)에서 편광 처리부(150), 브랜치 선택부(160) 및 광전 변환부(170)를 제외한 나머지 구성요소는 도 1에 도시된 내용과 동일하므로 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
다이버시티 광수신기(120)는 광송신기(110)로부터 광학 신호를 수신하고(S310), 수신된 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배한다(S320). 여기서, 복수의 브랜치는 M 개인 것이 바람직하며, 독립적으로 변동하는 페이딩파일 수 있다. 다시 말해, 다이버시티 광수신기(120)는 수신된 광학 신호를 M 쌍의 직교 편광으로 균등하게 분할하여 M 개의 독립적인 다이버시티의 브랜치로 분배한다.
다이버시티 광수신기(120)는 복수의 브랜치에 대한 광학 신호를 서로 다른 각도로 편광처리하여 수평 편광 및 수직 편광으로 분할한다(S330). 다이버시티 광수신기(120)는 복수의 브랜치 각각의 광학 신호를 서로 다른 각도를 갖는 편광 분석기를 통과시켜 편광 상태(SOP: State Of Polarizations)를 추출하고, 추출된 편광 상태를 편광 빔 분배기를 이용하여 수평 편광 및 수직 편광을 포함하는 직교 편광으로 분할한다. 예를 들어, 3 - 브랜치 다이버시티 광수신기의 경우, 편광 처리부(150)는 0°, 60° 및 120°를 지향하는 편광 분석기에 3 개의 브랜치 각각의 광학 신호를 통과시키고, 편광 빔 분배기를 이용하여 각각의 브랜치에 대한 직교 편광(x 편광 및 y 편광)을 출력한다.
다이버시티 광수신기(120)는 복수의 브랜치 각각에 대한 직교 편광 중 하나의 편광 예컨대 수평 편광을 검출하여 수집한다(S340). 여기서, 다이버시티 광수신기(120)는 나머지 하나의 편광 예컨대, 수직 편광을 폐기한다.
다이버시티 광수신기(120)는 복수의 브랜치에 대한 편광을 획득하고, 기 설정된 광신호대잡음비(OSNR)의 임계값을 기반으로 복수의 브랜치 중 일부 브랜치를 선택한다(S350). 예컨대, 다이버시티 광수신기(120)는 M 개의 브랜치 각각에 대한 광신호대잡음비(OSNR)를 확인하고, 기 설정된 임계값 이상에 해당하는 L 개의 브랜치를 선택할 수 있다. 여기서, L은 1 ≤ L ≤ M 이다.
다이버시티 광수신기(120)는 선택된 일부 브랜치(L 개의 브랜치)에서 출력되는 광학 신호를 전기 신호로 변환(O/E conversion)한다(S360).
다이버시티 광수신기(120)는 전기 신호의 상대적인 도착시간에 대한 시간 지연을 측정하고, 전기적 지연 라인을 통과시켜 시간 정렬을 수행한다(S370).
다이버시티 광수신기(120)는 시간 정렬이 완료된 일부 브랜치(L 개의 브랜치)에 대한 전기 신호를 결합한 출력 신호를 출력한다(S380).
도 4는 본 실시예에 따른 최적의 RSS 임계값을 결정하기 위한 그래프이다.
도 4는 M(= 3) 브랜치 다이버시티 광수신기(120)에 대한 최적의 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00009
)과 차동군지연(DGD)에 대한 그래프를 나타낸다. 이하, 14 dB의 OSNR에서 2.82 ps 및 16.97 ps의 차동군지연(DGD)에 대한 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00010
) 함수의 BER을 기초로 최적의 임계값을 측정하는 동작을 가정하여 설명하도록 한다.
다이버시티 광수신기(120)는 기 정의된 파라미터인 최적의 RSS 임계치(
Figure 112016007884378-pat00011
)를 결정하여야 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 그래프는 최적의 최적의 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00012
)과 차동군지연(DGD) 값 사이의 그래프를 나타내며, 그래프의 하단에는 서로 다른 DGD에 대한 광 임계값을 근사화한 BER 대 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00013
)의 그래프를 표시한다.
RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00014
)이 0에 가까워지는 경우, 다이버시티 광수신기(120)는 모든 브랜치를 선택하는 것이고, RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00015
)이 1에 가까워지는 경우, 다이버시티 광수신기(120)는 가장 센 브랜치를 선택하는 것을 의미한다.
다이버시티 광수신기(120)는 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00016
)이 0인 경우 BER 값이 가장 높은 즉, 가장 오류률이 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 M 개의 브랜치 중 일부가 PMD로 인해 왜곡된 것을 의미한다. 왜곡된 브랜치는 의미있는 정보를 전달할 수 없을 뿐만 아니라, 시간 지연을 측정하기 어렵기 때문에 시간 정렬도 할 수 없다. 다시 말해, 왜곡된 브랜치는 결합된 신호 결과에서 ASE 노이즈가 증가하게 될 뿐만 아니라, 심볼 간 간섭(ISI: Inter Symbol Inteference)이 추가될 것이다.
RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00017
)이 0인 경우, 왜곡된 브랜치들이 추가됨에 따라 BER 값이 증가하게 된다. RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00018
)이 1인 경우, 가장 센 브랜치를 선택하고, 나머지 브랜치들은 폐기한다. 가장 센 브랜치를 선택하는 경우, 일부 유효한 정보가 폐기될 수 있다. 즉, 최고의 BER 성능은 모든 브랜치에서 따라 달라진다는 것을 알 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 낮은 DGD 값(2.82 ps)에서 BER의 성능과 높은 DGD 값(16.97 ps)에서의 BER의 성능을 비교한 결과, 낮은 DGD 값(2.82 ps)에서 높은 DGD 값(16.97 ps)보다 큰 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00019
)으로 최고의 BER 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는, 낮은 DGD 값에서 가장 센 브랜치는 유효한 정보의 대부분을 포함하고 있기 때문이다. 이와 반대로, 높은 DGD 값에서 강한 브랜치는 크게 영향을 미치지 않고, 다른 브랜치가 반드시 필요하다.
따라서, 다이버시티 광수신기(120)는 가장 큰 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00020
)을 갖는 브랜치뿐만 아니라, 가장 큰 RSS 임계값(
Figure 112016007884378-pat00021
)보다 작은 임계값(
Figure 112016007884378-pat00022
)을 추출하기 위해 기준 임계값을 설정해야 한다.
도 5는 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기의 브랜치의 개수를 결정하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 따른 복수의 브랜치 예컨대, 2(다이아몬드), 3(원), 4(사각형), 6(삼각형) 개의 브랜치 다이버시티 광수신기(120)의 BER 성능과 OSNR 간의 상관관계를 그래프로 나타낸다.
이하, 본 실시예에 따른 복수의 브랜치 다이버시티 광수신기(120)에서 최적의 브랜치 수를 결정하는 동작에 대해 설명하도록 한다.
직관적으로는 복수의 브랜치 다이버시티 광수신기(120)는 많은 수의 브랜치를 갖을수록 더 나은 성능을 갖게 된다. 하지만, 현실적으로 복수의 브랜치 다이버시티 광수신기(120)를 구현하기 위한 시스템 성능 및 구현 비용과 복잡성을 고려해야만 한다. 따라서, 브랜치의 수를 제한하는 것을 필수적이다.
도 5는 2, 3, 4 및 6 개의 브랜치를 갖는 다이버시티 광수신기(120)의 OSNR에 대한 BER 성능을 비교한다. 그래프 상에서, 다이아몬드, 원, 사각형, 삼각형은 각각 M = 2, 3, 4 및 6에 대한 BER들 다이버시티 브랜치를 나타낸다.
도 5에서 브랜치 수의 증가는 BER 성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 브랜치의 개수가 M = 2, 3, 4 및 6인 경우, 기 설정된 BER 성능(10-3)을 얻는 것을 기준으로 할 때, 2 개의 브랜치는 16.15 dB, 3 개의 브랜치는 14.14 dB, 4 개의 브랜치는 13.71 dB 및 6 개의 브랜치는 13.55 dB인 것을 확인할 수 있다. 여기서, 3 개의 브랜치를 갖는 다이버시티 광수신기의 경우, 2 개의 브랜치를 다이버시티 광수신기보다 2.01 dB의 이득이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 2 dB 이상의 이득은 1 개의 브랜치를 추가하는 비용에 대해 합리적이다.
한편, 3 개의 브랜치를 갖는 다이버시티 광수신기에 비해, 4 개 및 6 개의 브랜치를 갖는 다이버시티 광수신기 각각은 0.43 dB 및 0.59 dB의 이득이 존재한다. 즉, 브랜치 수가 증가함에 따라 이득의 크기는 줄어든다.
즉, 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기(120)는 브랜치의 수를 증가함에 따라 PMD를 완화시킬 수 있고, 3 개의 브랜치로 구현될 때 가장 효율적으로 PMD를 제거할 수 있으며, 고차 PMD로 인한 소정의 왜곡 예컨대, 심볼 간 간섭(ISI)만이 존재한다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기(120)는 3 개의 브랜치로 구현하는 경우, 광수신기의 복잡성과 구축 비용을 증가시키지 않고, PMD에 의한 손상이 발생하는 상황에서도 높은 데이터 전송율을 유지할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 다이버시티 광수신기와 종래의 광수신기를 비교 결과에 대한 그래프이다.
도 6은 10-3의 보정 BER에 대해 요구되는 OSNR과 차동군지연(DGD)에 대해 3 브랜치 다이버시티 광수신기(원), 3P-COMB(three pairs of orthogonal polarizations with a simple combiner) 광수신기(사각형) 및 일반적인 NRZ-OOK IM-DD 광수신기(다이아몬드)의 동작을 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 1 dB의 OSNR 패널티에 대해 PMD 허용 오차는 3 브랜치 다이버시티 광수신기에서 15.27 ps, 3P-COMB 광수신기에서 12.57 및 일반적인 NRZ-OOK IM-DD 광수신기에서 8.84 ps이 측정된다. 따라서, 본 실시예에 따른 3-브랜치 다이버시티 광수신기는 3P-COMB 광수신기 및 일반적인 NRZ-OOK IM-DD 광수신기에 비해 각각 1.2 및 1.7 배의 향상된 PMD를 갖는다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 광송신기 120: 다이버시티 광수신기
130: 광대역통과필터부 140: 전력 분배부
150: 편광 처리부 160: 브랜치 선택부
170: 광전 변환부 180: 저역 필터부
192: 시간지연 판단부 194: 시간 정렬부
196: 신호 결합부 198: 신호 결정부(198)

Claims (13)

  1. 광전송 시스템에서 편광모드분산을 완화하기 위한 장치에 있어서,
    송신기로부터 수신된 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배하는 전력 분배부;
    상기 복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 분리처리하기 위하여 상기 복수의 브랜치 각각에 대한 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 편광 처리부;
    기 설정된 임계값에 근거하여 상기 복수의 브랜치 중 적어도 하나 이상의 브랜치를 선택하는 브랜치 선택부;
    선택된 브랜치 각각에 대한 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부;
    상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호 간 시간 지연을 측정하는 시간지연 판단부;
    상기 시간 지연이 측정되면, 상기 시간 지연에 근거하여 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호를 정렬하는 시간 정렬부; 및
    정렬된 전기 신호를 결합하여 출력되도록 하는 신호 결합부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는,
    상기 광학 신호를 상기 복수의 브랜치 각각에 균등하게 분배하되, 상기 복수의 브랜치 각각에 분배된 광학 신호는 독립적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 처리부는,
    상기 복수의 브랜치 각각의 광학 신호를 서로 다른 각도를 갖는 편광 분석기를 통과시켜 편광 상태(SOP: State Of Polarizations)를 추출하고, 추출된 편광 상태를 기초로 편광 빔 분배기를 이용하여 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 편광 처리부는,
    상기 수평 편광 및 상기 수직 편광을 포함하는 직교 편광 중 하나의 편광을 검출하여 상기 브랜치 선택부로 전송하고, 검출된 하나의 편광을 제외한 나머지 편광을 폐기하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택부는,
    상기 복수의 브랜치 각각에 대한 편광 신호의 광신호대잡음비(OSNR)에 근거하여 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택부는,
    상기 광신호대잡음비가 기 설정된 임계값 이상인 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택부는,
    상기 광신호대잡음비를 이용하여 복수의 브랜치 각각에 대한 상대적 신호 강도(RSS: Relative Signal Strength)를 산출하고, 상기 상대적 신호 강도가 기 설정된 임계값 이상인 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
  8. 광전송 시스템의 광수신기에서 편광모드분산을 완화하기 위한 방법에 있어서,
    송신기로부터 수신된 광학 신호를 복수의 브랜치로 분배하는 전력 분배과정;
    상기 복수의 브랜치에 대한 광학 신호 각각을 서로 다른 편광각도로 분리처리하기 위하여 상기 복수의 브랜치 각각에 대한 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 편광 처리과정;
    기 설정된 임계값에 근거하여 상기 복수의 브랜치 중 적어도 하나 이상의 브랜치를 선택하는 브랜치 선택과정;
    선택된 브랜치 각각에 대한 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환과정;
    상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호 간 시간 지연을 측정하는 시간지연 판단과정;
    상기 시간 지연이 측정되면, 상기 시간 지연에 근거하여 상기 선택된 브랜치 각각의 상기 전기 신호를 정렬하는 시간 정렬과정; 및
    정렬된 전기 신호를 결합하여 출력되도록 하는 신호 결합과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 편광 처리과정은,
    상기 복수의 브랜치 각각의 광학 신호를 서로 다른 각도를 갖는 편광 분석기를 통과시켜 편광 상태를 추출하고, 추출된 편광 상태를 기초로 편광 빔 분배기를 이용하여 수평 편광 및 수직 편광으로 분할하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 편광 처리과정은,
    상기 수평 편광 및 상기 수직 편광을 포함하는 직교 편광 중 하나의 편광을 검출하여 상기 적어도 하나 이상의 브랜치를 선택하는 브랜치 선택부로 전송하고, 검출된 하나의 편광을 제외한 나머지 편광을 폐기하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택과정은,
    상기 복수의 브랜치 각각에 대한 편광 신호의 광신호대잡음비(OSNR)에 근거하여 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택과정은,
    상기 광신호대잡음비가 기 설정된 임계값 이상인 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 브랜치 선택과정은,
    상기 광신호대잡음비를 이용하여 복수의 브랜치 각각에 대한 상대적 신호 강도를 산출하고, 상기 상대적 신호 강도가 기 설정된 임계값 이상인 상기 하나 이상의 브랜치를 선택하는 것을 특징으로 하는 편광모드분산을 완화하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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