KR20020027061A - Directly modulated metro-wdm system by a spectral filtering method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템에 관한 것이다. 특히, 직접 변조된 파장분할 다중방식 시스템에서 시스템 성능을 저하시키는 처핑에 의한 색분산 효과, 광 소광비에 의한 페널티를 효과적으로 억제해 줄 수 있는 광 필터링 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a metro wavelength division multiplexing system of direct modulation by light filtering method. In particular, the present invention relates to a light filtering technology capable of effectively suppressing a color dispersion effect due to chirping and a penalty due to light extinction ratio in a directly modulated wavelength division multiplexing system.
최근 메트로-파장분할다중방식(metro-WDM) 시스템은 급증하는 데이터 트래픽을 수용하기 위한 전송 시스템으로 주목을 받고 있다. 광 송신부에서 레이저 다이오드에 신호를 변조하는 방식은 크게 외부변조 방식과 직접변조 방식 두가지가 있다.Recently, the metro-WDM system has attracted attention as a transmission system for accommodating a surge in data traffic. There are two methods of modulating a signal to a laser diode in an optical transmitter, an external modulation method and a direct modulation method.
상기 외부 변조 방식은 레이저에서 나오는 빛을 외부에서 광 변조기를 이용하여 변조를 해 주므로 변조된 광 신호에 처핑이 유기되지 않아서 장거리 전송이 가능하다. 하지만, 외부 변조 방식은 외부에 부수적으로 고가의 광 변조기를 사용해야 하므로 시스템 비용이 증가하게 된다.The external modulation method modulates the light emitted from the laser using an optical modulator from the outside, so that chirping is not induced in the modulated optical signal, thereby enabling long-distance transmission. However, the external modulation method requires an expensive optical modulator incidentally to the outside, thereby increasing the system cost.
이에 반하여, 직접 변조 방식을 채택하면 외부 광 변조기를 추가적으로 사용하기 않기 때문에 시스템 비용이 저렴해지고 시스템 구조가 간단해 지는 잇점이 있다. 이 때, 메트로 용도에 적합한 파장분할 다중방식 네트워크 설계시 우선적으로고려해야 하는 것은 시스템의 비용이다.On the contrary, the direct modulation scheme has the advantage that the system cost is reduced and the system structure is simplified because there is no additional external optical modulator. At this time, it is the cost of the system that should be considered first when designing a wavelength division multiplex network suitable for metro applications.
그러므로, 메트로 파장분할 다중방식 시스템에서는 송신부에 비용이 비싼 외부변조 방식 대신에 저렴한 직접변조 방식이 유리하다.Therefore, in the metro wavelength division multiplexing system, an inexpensive direct modulation scheme is advantageous instead of an expensive external modulation scheme in a transmission unit.
하지만, 레이저 다이오드를 레이저 구동기를 통해서 직접 변조를 하게 되면 레이저의 캐리어의 변화에 따라 광 신호의 주파수가 변하게 되어 처핑이 자연적으로 발생을 하게 된다.However, when the laser diode is directly modulated through the laser driver, the frequency of the optical signal changes according to the change of the carrier of the laser, and chirping occurs naturally.
이 때, 발생한 처핑에 의해 레이저 광 파워 스펙트럼은 넓어지게 되며, 넓어진 광 스펙트럼은 광 선로의 색분산 효과의 영향을 많이 받게 되므로 광 펄스가 빨리 퍼지게 되어 전송거리의 제한을 주게 된다.At this time, the laser light power spectrum is widened by the generated chirping, and the widened light spectrum is affected by the chromatic dispersion effect of the optical line so that the light pulse spreads quickly, thereby limiting the transmission distance.
또한, 직접 변조의 경우 광 신호의 on 준위와 off 준위의 파워비인 광 소광비가 좋지 못해 수신단에서 비트 오율(Bit Error Rate:BER)이 나빠지게 된다.In addition, in case of direct modulation, the bit extinction ratio (BER) worsens at the receiving end because the optical extinction ratio, which is the power ratio of the on level and the off level of the optical signal, is not good.
따라서, 메트로용 파장분할 다중방식 시스템에서의 변조 방식으로 가격이 저렴한 직접 변조 방식을 선택하는 것이 당연하나 직접 변조된 광 신호에는 레이저 변조시 유기되는 처핑으로 인하여 전송거리가 제한되는 문제점이 있다.Therefore, it is natural to select an inexpensive direct modulation method as a modulation method in the wavelength division multiplexing system for metro, but the transmission distance is limited in the direct modulated optical signal due to chirping induced during laser modulation.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 직접변조 방식에서 발생하는 처핑에 의한 색분산 효과 및 광 소광비에 의한 페널티그리고 멀티 채널 전송시 발생하는 비선형 효과도 효과적으로 억제하여 전송거리를 늘릴 수 있도록 하는 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to effectively suppress and transmit the chromatic dispersion effect due to the chirp generated in the direct modulation scheme, the penalty caused by the optical extinction ratio, and the nonlinear effect generated during the multi-channel transmission. The present invention provides a direct-modulation metro wavelength division multiplexing system using an optical filtering method for increasing the distance.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은 메트로용 광 네트워크에 직접 변조 방식을 채택하기 위하여 광 필터링 방법을 이용해 1) 직접 변조 과정에서 발생하는 처핑을 효과적으로 제거하여 색분산에 의한 페널티를 줄이며; 2) 광소비를 향상시키기 위해 off 준위의 광 신호에너지도 함께 제거하여 광소광비에 의한 페널티를 줄이며; 3) 또한, 높은 파워의 광신호를 파장분할 다중화 시켜 송신할 경우 발생하는 상호위상 변조와 4광파 혼합과 같은 비선형 효과를 효과적으로 억제할 수 있는 광 필터링 방법에 의한 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중방식 시스템이 제시된다.As a technical idea for achieving the above object, the present invention uses an optical filtering method in order to adopt a direct modulation scheme in an optical network for metro 1) effectively eliminates the chirp generated during the direct modulation process to reduce the penalty of color dispersion. ; 2) the optical signal energy of the off level is also removed to improve the light consumption, thereby reducing the penalty due to the light extinction ratio; 3) Metro wavelength division multiplexing using direct modulation by optical filtering method that can effectively suppress non-linear effects such as cross-phase modulation and 4-wave mixing that occur when multiplexing and transmitting high power optical signals. The system is presented.
도 1은 본 발명에 따른 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중 시스템의 개략 구성도1 is a schematic configuration diagram of a metro wavelength division multiplexing system of a direct modulation method according to the present invention;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용하기 전(前)과 후(後)의 광 스펙트럼을 나타낸 도면2a to 2c show the light spectrum before and after using the light filtering method according to the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 거치기 전(前)과 후(後)의 광 펄스를 나타낸 도면3A and 3B illustrate light pulses before and after undergoing a light filtering scheme according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용했을 때의 전송 거리에 대한 아이 페널티(eye penalty)를 나타낸 그래프4 is a graph showing an eye penalty for a transmission distance when an optical filtering method is used according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따라 광 필터 대역폭의 변화에 따라 수신기에 수신되는 파워에 대한 비트 오율을 나타낸 그래프5 is a graph showing the bit error rate for the power received at the receiver according to the change in the optical filter bandwidth according to the present invention
도 6은 본 발명에 따라 광 필터 위치와 채널 간격에 따라 광 선로에 입사되는 광 파워의 변화에 따른 파워 페널티를 나타낸 그래프6 is a graph showing the power penalty according to the change of the optical power incident on the optical line according to the optical filter position and channel spacing according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 레이저 다이오드 20 : 제 1도파관열격자10 laser diode 20 first waveguide lattice
30 : 제 1광출력 증폭기 40 : 제 1단일모드 광섬유30: first optical output amplifier 40: first single mode optical fiber
50 : 인-라인 증폭기 60 : 제 2단일모드 광섬유50: in-line amplifier 60: second single mode optical fiber
70 : 제 2도파관열 격자 80 : 광수신기70 second waveguide column grating 80 optical receiver
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중 시스템의 개략 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a metro wavelength division multiplexing system of a direct modulation method according to the present invention.
도 1를 살펴 보면, 송신단에 구비되며, 레이저 구동기를 통하여 직접 변조되어 레이저의 캐리어를 변화시키는 레이저 다이오드(Laser Diode: LD)(10)와, 파장 분할되는 신호를 다중화시킴과 더불어 광 필터링하는 제 1도파관열 격자(Arrayed-Waveguide Grating: AWG)(20)와, 상기 제 1도파관열 격자(20)로부터 발생되는 광신호를 출력하여 증폭시키는 제 1광출력 증폭기(Booster Amplifier)(30)와, 상기 제 1광출력 증폭기(30)로부터 출력된 광 증폭신호를 광선로를 통해 전송하는 제 1단일모드 광섬유(Single Mode Fiber :SMF)(40)와, 상기 광증폭신호를 인-라인을 통하여 재 증폭시키는 인-라인 증폭기(In-Line Amplifier)(50)와, 상기 재 증폭된 광신호를 광선로를 통해 수신단으로 전송하는 제 2단일모드 광섬유(60)와, 상기 송신단에서 다중화된 광신호를 역다중화 시킴과 더불어 광 필터링하는 제 2도파관열 격자(70)와, 상기 제 2도파관열 격자(70)로부터 발생되는 광신호를 수신하는 광수신기(Receiver)(80)로 이루어져 있다.Referring to FIG. 1, a laser diode (LD) 10 provided at a transmitting end and directly modulated by a laser driver to change a carrier of a laser, and multiplexing and multiplexing a signal having a wavelength division An arrayed-waveguide grating (AWG) 20, a first optical amplifier 30 for outputting and amplifying an optical signal generated from the first waveguide string grating 20; A first single mode fiber (SMF) 40 for transmitting the optical amplified signal output from the first optical output amplifier 30 through an optical path, and re-amplifying the optical amplified signal through in-line An in-line amplifier (50), a second single mode optical fiber (60) for transmitting the re-amplified optical signal to a receiving end through an optical path, and demultiplexing the optical signal multiplexed at the transmitting end. 1st light filtering with Sikkim And a second waveguide column grating 70 and an optical receiver 80 for receiving an optical signal generated from the second waveguide column grating 70.
상기 구성 요소의 작용에 대하여 살펴 보면, 송신기의 레이저 다이오드(10)는 레이저 구동기를 이용해서 직접 변조를 하였으며, 제 1도파관열 격자(20)는 파장 분할된 신호를 다중화 시킴과 동시에 광 필터링 역할을 해준다.Looking at the operation of the component, the laser diode 10 of the transmitter was directly modulated using a laser driver, the first waveguide grating 20 serves to filter the wavelength-divided signal and at the same time act as optical filtering. Do it.
광 필터로서 제 1도파관열 격자(20) 이외에도 페블릿-페롯(Fabry Perot)필터, 다층박막소자, 광섬유 격자, 집적광학소자와 같은 광 필터를 사용할 수도 있다.As the optical filter, in addition to the first waveguide column grating 20, an optical filter such as a Fabry Perot filter, a multilayer thin film device, an optical fiber grating, and an integrated optical device may be used.
수신단에서는 송신단에서 다중화된 광 신호를 제 2도파관열 격자(70)로 역다중화 시켜준다.The receiving end demultiplexes the optical signal multiplexed by the transmitting end into the second waveguide string grating 70.
여기서, 제 2도파관열 격자(70)는 광 필터로써 역할을 하며, 다층박막소자, 광섬유 격자, 집적광학소자와 같은 광 필터를 사용할 수도 있다. 수신단에서만 광 필터링 방법을 사용할 경우는 도파관열 격자 대신 광 결합기(coupler)를 사용할 수 있다.Here, the second waveguide column grating 70 serves as an optical filter, and an optical filter such as a multilayer thin film device, an optical fiber grating, and an integrated optical device may be used. If the optical filtering method is used only at the receiving end, an optical coupler may be used instead of the waveguide grating.
또한, 시스템에 사용한 광 선로는 포설된 제 1,2단일모드 광섬유(40)(70)를 사용하였다.In addition, the optical fiber used for the system used the first and the second single mode optical fibers 40 and 70.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 사용하기 전(前)과후(後)의 광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.Figures 2a to 2c is a view showing the light spectrum before and after using the light filtering method according to the present invention.
도 2a는 광 필터를 거치기 전의 광 스펙트럼으로서 직접변조 과정에서 발생한 처핑에 의해서 스펙트럼이 넓다.Figure 2a is a light spectrum before passing through the optical filter, the spectrum is wide due to the chirp generated in the direct modulation process.
그러나, 도 2b의 광 스펙트럼 필터링을 거치면 도 2c에 도시된 바와 같이, 광 필터의 중심을 광 스펙트럼 최대치에 맞추어 필터링을 하게 되면 처핑 성분이 잘라 나가면서 스펙트럼의 폭이 좁아진다. 따라서, 광 선로의 색분산에 의한 페널티를 줄일 수 있다.However, when the optical spectral filtering of FIG. 2B is performed, as shown in FIG. 2C, when the center of the optical filter is filtered according to the maximum optical spectrum, the chirp component is cut off and the width of the spectrum is narrowed. Therefore, it is possible to reduce the penalty caused by the color dispersion of the optical path.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 광 필터링 방식을 거치기 전(前)과 후(後)의 광 펄스를 나타낸 도면이다.3A and 3B are diagrams showing light pulses before and after undergoing an optical filtering method according to the present invention.
도 3a를 살펴 보면, 광 필터를 거치기 전의 펄스 모양으로써 직접 변조시 레이저에서 발생하는 완화 발진현상이 나타나 있으며, 광 소광비가 나쁘다.Referring to FIG. 3A, the oscillation phenomenon generated by the laser during direct modulation as a pulse shape before passing through the optical filter is shown, and the optical extinction ratio is bad.
그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이 광 필터를 사용하게 되면 완화 발진현상이 제거 되면서 펄스 모양이 부드러워지고, 광 소광비도 향상 시킬수 있다. 따라서, 광 소광비에 의한 페널티를 줄일 수 있다.However, when the optical filter is used as shown in FIG. 3B, the pulse shape is softened while the relaxation oscillation phenomenon is removed, and the optical extinction ratio can be improved. Therefore, the penalty by the light extinction ratio can be reduced.
도 4는 본 발명에 따라 광 필터링 방법을 사용했을 때의 전송 거리에 대한 아이 페널티(eye penalty)를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an eye penalty for a transmission distance when an optical filtering method is used according to the present invention.
도 4를 살펴 보면, 광 필터를 사용하지 않고 전송을 했을 경우 광 선로의 색분산 효과에 의해 페널티가 급격히 증가함을 볼 수 있다.Referring to FIG. 4, when the transmission is performed without using the optical filter, the penalty may be rapidly increased due to the color dispersion effect of the optical line.
그러나, 광 필터링 방법을 사용하게 되면 우선 전송전 페널티가 광 소광비 향상으로 인해 줄어든다.However, using the light filtering method, the pre-transmission penalty is first reduced due to the improved optical extinction ratio.
또한, 광 필터에 의해 처핑이 줄어 들었기 때문에 색분산 페널티는 240km 전송 후에도 아이 페널티가 전송 전과 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 4에 도시된 아이 페널티는 사용된 광 필터의 대역폭에 따라 달라지게 된다.In addition, since the chirp is reduced by the optical filter, the chromatic dispersion penalty is not significantly different from before the transmission even after 240 km transmission. And, the eye penalty shown in FIG. 4 depends on the bandwidth of the optical filter used.
도 5는 본 발명에 따른 광 필터 대역폭의 변화에 따라 수신기에 수신되는 파워에 대한 비트 오율를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the bit error rate for the power received by the receiver according to the change of the optical filter bandwidth according to the present invention.
도 5를 살펴 보면, 광 필터의 대역폭이 최적치 값에 가까워 지면 광 필터를 사용하지 않은 경우 보다 최대 3dB 이상의 페널티를 줄일 수 있다.Referring to FIG. 5, when the bandwidth of the optical filter approaches an optimum value, a penalty of up to 3 dB or more may be reduced than when the optical filter is not used.
그러나, 광 필터의 대역폭이 최적치보다 더 작아지게 되면 on 준위의 펄스 에너지까지 광 필터가 잘라내기 때문에 오히려 페널티가 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.However, it can be seen that if the bandwidth of the optical filter becomes smaller than the optimum value, the penalty is increased because the optical filter cuts out to the pulse energy of the on level.
도 6은 본 발명에 따라 광 필터 위치와 채널 간격에 따라 광 선로에 입사되는 광 파워의 변화에 따른 파워 페널티를 도시한 그래프 이다.6 is a graph illustrating a power penalty according to a change in optical power incident on an optical line according to an optical filter position and a channel spacing according to the present invention.
도 6를 살펴 보면, 광 선로에 파장분할 다중화된 신호를 입사하게 되면 상호위상 변조와 4광파 혼합과 같은 비선형 효과로 인해 신호의 품질이 나빠지게 된다.Referring to FIG. 6, when a wavelength division multiplexed signal is incident on an optical line, signal quality is deteriorated due to nonlinear effects such as interphase modulation and four-wave mixing.
따라서, 광 선로에 입사하는 광 파워를 높이거나 채널간격을 줄이게 되면 비선형 효과가 커져서 비트 오률 페널티가 증가하게 된다.Therefore, increasing the optical power incident on the optical line or reducing the channel spacing increases the nonlinear effect and increases the bit error rate penalty.
광 선로의 비선형 효과를 고려했을 때 제안된 광 필터링 방법의 효과는 광 필터의 위치에 따라 달라지게 된다.Considering the nonlinear effect of the optical path, the effect of the proposed light filtering method depends on the position of the optical filter.
파장분할 다중방식 시스템의 경우 수신단에 채널 선택을 위해 광 필터가 필수적이므로 수신단에 존재하는 광 필터는 채널 선택 기능 외에 광 필터링 효과 기능도 갖게 된다.In the wavelength division multiplexing system, since an optical filter is necessary for channel selection at the receiver, an optical filter existing at the receiver has an optical filtering effect in addition to the channel selection function.
여기에 부수적으로 광 필터를 송신단에도 설치하게 되면 수신단에만 광 필터를 사용하는 경우 보다 페널티가 훨씬 줄게 된다.Incidentally, if the optical filter is also installed at the transmitting end, the penalty is much lower than using the optical filter only at the receiving end.
이는 송신단에서 광 필터를 거친 펼스의 경우 완화 발진 피크(relaxation oscillation peak)가 광 필터의 의해 제거되므로 이웃 채널 펄스가 서로 스쳐 지나갈 때 주고 받는 펄스간의 상호 간섭의 영향이 줄어들어 상호위상변조(cross-phase modulation)와 4광파 혼합(four wave mixing) 효과가 줄어 들기 때문이다.This is because the relaxation oscillation peak is removed by the optical filter in the case of the spread through the optical filter at the transmitting end. This is because the effects of modulation and four wave mixing are reduced.
도 6에 도시된 post는 수신단에만 광 필터를 사용한 경우이고, pre는 송신단에도 사용한 경우를 나타내는데, pre의 경우가 post 경우보다 파워 페널티가 작고 그 효과는 파워가 증가함에 따라 훨씬 두드러지는 것을 알 수 있다.6 shows the case where the optical filter is used only at the receiving end, and pre indicates the case where the pre filter is also used at the transmitting end. The pre case shows a smaller power penalty than the post case, and the effect is more prominent as the power increases. have.
또한, 채널간격이 200 GHz이고, 광 필터를 송신단에 사용한 경우가 페널티가 가장 작은 경우 파워의 증가에 따라 페널티가 감소하는 것은 상호위상 변조 효과가 충분히 억제되어 광 선로에서 발생하는 비선형 효과중에 자기위상 변조(self-phase modulation) 효과가 지배적이기 때문이다.In addition, if the channel spacing is 200 GHz and the optical filter is used for the transmitting end, the penalty is the smallest when the penalty is the smallest due to the increase in power. This is because the effect of self-phase modulation is dominant.
즉, 자기위상 변조 효과는 직접변조에서 발생하는 처핑을 보상해 주기 때문에 파워가 증가할수록 펄스를 압축시켜 주므로 페널티를 줄여 준다.In other words, the self-phase modulation effect compensates for the chirp generated by direct modulation, thus compressing the pulse as power increases, thereby reducing the penalty.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 파장분할 다중방식 전송에 있어서 광 필터링 방법을 송신단에서 사용하게 되면 광 선로에 발생하는 비선형 효과도 효과적으로 억제할 수 있다.As described above, according to the present invention, when the optical filtering method is used at the transmitting end in the wavelength division multiplex transmission, it is possible to effectively suppress the nonlinear effect generated in the optical line.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 광 필터링 방법은 직접변조 방식의 메트로 파장분할 다중화 시스템의 성능을 향상시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 상기와 같은 시뮬레이션 결과를 통해서 제안된 광 필터링 방법은 직접변조방식의 메트로 파장분할 다중화 시스템에 적합하다는 것을 알 수 있다.As described above, it was confirmed through simulation that the optical filtering method according to the present invention can improve the performance of the direct wavelength modulation Metro wavelength division multiplexing system. The simulation results show that the proposed light filtering method is suitable for the direct modulation type metro wavelength division multiplexing system.
따라서, 본 발명에서 제안한 광 필터링 방법을 사용하면 광 소광비를 향상시키고, 처핑에 의한 색분산 효과와 비선형 효과를 효과적으로 제거하여 경제적인 직접변조 송신방식으로도 양질의 신호를 전송할 수 있다.Therefore, by using the light filtering method proposed in the present invention, it is possible to improve the optical extinction ratio and to effectively remove color dispersion and nonlinear effects due to chirping, and to transmit a good signal even in an economical direct modulation transmission method.
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