KR20040045137A - 듀오바이너리 광 전송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 저역 통과 필터를 사용하지 않고, 고속 중, 장거리 WDM 전송 시 비선형 및 분산에 대한 내성을 증가시키는 듀오바이너리 광 전송장치에 관한 것이다.

본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 반송파를 출력하는 광원과; NRZ(Non Return to Zero) 신호를 입력하고, 상기 NRZ 신호에 따라 상기 광 반송파를 변조한 변조 광신호를 출력하는 듀오바이너리 광신호 생성부; 및 상기 NRZ 신호를 RZ(Return to Zero) 신호로 변환하는 RZ 신호 생성부를 구비하며, 간섭계 형태의 광 변조기 하나로써 광의 세기뿐만 아니라 위상도 변조할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

듀오바이너리 광 전송장치{DUOBINARY OPTICAL TRANSMITTER}

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

고밀도 파장 분할 다중 방식(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)의 광전송 시스템은 하나의 광섬유 내에 서로 다른 파장을 갖는 다수의 채널들로 구성된 광신호를 전송함으로써 전송 효율을 높일 수 있으며, 전송 속도에 무관하게 광신호를 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 40Gb/s 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 NRZ를 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 전송의 주요 장점은 전송 스펙트럼이 일반적인 바이너리 전송에 비해 줄어든다는 것이다. 분산 제한 시스템에 있어서, 전달거리는 전송 스펙트럼 대역폭의 제곱에 반비례한다. 이는, 전송 스펙트럼이 1/2로 줄어들면 전달거리는 4배가된다는 것을 의미한다. 더욱이, 반송파 주파수가 듀오바이너리 전송 스펙트럼 내에서 억압되므로, 광섬유 내에서 자극 받은 브릴루인 산란(Brillouin Scattering)으로 인한 출력 광 전력에 대한 제한을 완화시킬 수 있다.

또한, 바이너리 NRZ 전송신호보다 10Gbps 이상의 고속 중장거리 전송시 비선형 성분과 분산 특성이 우수한 듀오바이너리 RZ 전송기법이 활발히 연구되고 있다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 RZ 전송기법을 이용한 광 전송장치의 일 구성예를 도시한 것이다.

도 1에서, 종래의 듀오바이너리 광 전송장치는 듀오바이너리 신호 생성부(10)와 RZ 펄스 발생부(20)로 구성되어, 듀오바이너리 RZ 신호를 생성한다.

상기 듀오바이너리 신호 생성부(10)는 입력되는 2-레벨의 NRZ 전기신호를 부호화하는 차동 부호화기(differential precoder)(11)와, 상기 차동 부호화기(11)에서 출력되는 2-레벨의 NRZ 전기신호를 증폭하여 광 변조기 구동신호를 출력하는 변조기 구동 증폭기(121)와, 상기 증폭된 2-레벨의 전기신호를 3-레벨의 전기신호로 변화시키고 신호의 대역폭을 줄이는 저역 통과 필터(13)와, 반송파를 출력하는 레이저 광원(laser source, 14)과, 마하-젠더 타입의 광 변조기(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator, 15)로 구성된다.

듀오바이너리 신호 생성부(10)는 간섭계형 마하-젠더 광 변조기의 전극 구조에 따라 두 가지로 분류할 수 있다. X-컷(cut) 단일전극(single electrode) 마하-젠더 광 변조기의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 한쪽 암(arm)에 변조기 구동 증폭기 및 전기적 저역 통과 필터를 구비하여 한쪽 전극으로 3-레벨 신호를 인가할 수 있도록 한다. 이에 비해 Z-컷(cut) 이중전극(dual electrode) 마하-젠더 광 강도변조기의 경우(도시하지는 않음), 양쪽 암(arm)에 각각 변조기 구동 증폭기 및 전기적 저역 통과 필터를 구비하여 양쪽 전극으로 3-레벨의 전기신호를 인가할 수 있도록 한다.

상기 RZ 펄스 발생부(20)는 마하-젠더 타입의 광 변조기(21)와 비트율(bit rate, T)의 주기를 갖는 클럭 신호를 생성하는 클럭발생장치(22)로 구성된다.

상기 구성을 갖는 종래 듀오바이너리 광 전송장치의 동작은 다음과 같다.

2-레벨의 NRZ 데이터는 상기 듀오바이너리 신호 생성부(10)에 위치한 차동 부호화기(11)에 의해 2-레벨의 바이너리 신호로 부호화(encoding)되며, 변조기 구동 증폭기(12)에 의해 증폭된다. 증폭된 2-레벨의 바이너리 신호는 저역 통과 필터(13)에 입력되고, 상기 저역 통과 필터(13)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. 변환된 3-레벨 듀오바이너리 신호는 마하-젠더 타입의 광 변조기(15)의 구동신호로 이용되며, 레이저 광원(14)으로부터 출력된 반송파는 마하-젠더 타입의 광 변조기(15)에 의해 위상 및 광세기 변조되어 광 듀오바이너리 신호로 출력된다. 이렇게 하여 상기 듀오바이너리 신호 생성부(10)에서 생성된 광 듀오바이너리 신호는 RZ 변환을 위해 상기 RZ 펄스 발생부(20)에 위치한 마하-젠더 타입의 광 변조기(21)에 입력된다. 일반적으로 NRZ 신호를 RZ 신호로 변환하기 위해서는 비트율(bit rate, T)의 주기를 갖는 클럭(22) 신호를 광 변조기에 인가하여 변조기에입력되는 NRZ 신호를 RZ 신호로 변환하게 되는데, 마찬가지로 상기 광 변조기(21)에 입력된 광 듀오바이너리 신호는 비트율(bit rate, T)의 주기를 갖는 클럭(22) 신호에 동기된 상기 마하-젠더 타입의 광 변조기(21)에 의해 RZ 신호로 변환된다. 따라서, 도 1의 출력신호를 나타낸 도 2a 및 도 1의 출력신호의 광 스펙트럼 특성을 나타낸 도 2b에 도시된 바와 같이 NRZ 및 RZ 보다 비트당 주파수 효율성 및 비선형 특성이 향상된 듀오바이너리 RZ 신호의 구현이 가능하다.

그러나, 상기 종래기술은 전기적 저역 통과 필터를 사용하여 3-레벨의 전기신호를 발생시키므로 저역 통과 필터의 투과특성에 따른 전송품질의 의존성과 의사잡음 비트 시퀀스(PRBS: Pseudo Random Bit Sequence)의 길이에 따라서 특성의 차이가 발생해 시스템에 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 일반적으로 신호의 0-레벨에서 1-레벨로 변환할 때의 기울기와 1-레벨에서 0-레벨로 감소할 때의 기울기가 서로 다르다. 하지만 전기적 저역 통과 필터를 사용하는 듀오바이너리 광 전송장치의 경우는 서로 다른 기울기를 가지는 부분이 동시에 합쳐져서 0-레벨에서 1-레벨, 1-레벨에서 0-레벨로 천이가 일어나므로 출력 파형의 지터(jitter)가 커질 수밖에 없는 구조적인 단점을 안고 있다. 이는 Z-컷 또는 X-컷 구조를 갖는 종래 구조에서 동일하게 발생되며, 이러한 신호 패턴의 의존성은 실제 광 전송 시 한계를 갖게 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 의사잡음비트시퀀스(PRBS)의 길이에 영향을 받지않고 일정한 전송특성을 갖는 듀오바이너리(duobinary) 광 송신 기법을 이용한 듀오바이너리 광 전송장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기적 저역 통과 필터를 사용하지 않고, 고속 중, 장거리 WDM 전송 시 비선형 및 분산특성을 향상시켜 가격 경쟁력과 전송품질을 보장하는 듀오바이너리 광 전송장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 반송파를 출력하는 광원과; NRZ(Non Return to Zero) 신호를 입력하고, 상기 NRZ 신호에 따라 상기 광 반송파를 변조한 변조 광신호를 출력하는 듀오바이너리 광신호 생성부; 및 상기 NRZ 신호를 RZ(Return to Zero) 신호로 변환하는 RZ 신호 생성부를 구비하며,

상기 듀오바이너리 광신호 생성부는

상기 NRZ 신호를 부호화하여 출력하는 차동 부호화기와; 상기 부호화된 신호를 증폭하여 변조기 구동신호를 출력하는 변조기 구동 증폭기와; 상기 변조기 구동 증폭기로부터 입력된 구동 신호에 따라 상기 광 반송파의 위상을 변조하는 제1 마하-젠더 광 변조기와; 상기 위상 변조된 신호의 대역폭을 제한하는 광대역 통과 필터를 포함하여 구성되며,

상기 RZ 신호 생성부는

비트율의 주기를 갖는 클럭신호를 생성하는 클럭발생장치와; 상기 클럭신호에 동기 되어 상기 NRZ 신호를 RZ 신호로 변환하는 제2 마하-젠더 광 변조기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 마하-젠더 광 변조기의 전달곡선의 최소점(Null-point)에서 변조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제2 마하-젠더 광 변조기의 전달곡선의 최대점과 최소점 사이의 중간점(Quad point)에서 클럭신호를 인가하여 변조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 듀오바이너리 광 전송장치의 일 구성예를 나타낸 도면,

도 2a는 도 1의 출력신호를 나타낸 도면,

도 2b는 도 1의 출력신호의 광 스펙트럼 특성을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 듀오바이너리 RZ 출력신호의 변환과정을 나타낸 도면,

도 5a는 도 3의 출력신호를 나타낸 도면,

도 5b는 도 3의 출력신호의 광 스펙트럼 특성을 나타낸 도면.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 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 일 실시예에 따른 듀오바이너리 광 전송장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치는 반송파를 출력하는 광원(50)과; NRZ 전기신호를 입력하고, 상기 NRZ 전기신호를 듀오바이너리 광신호로 변조하는 듀오바이너리 광신호 생성부(100); 및 RZ 펄스를 발생시키는 RZ 펄스 생성부(200)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 듀오바이너리 광신호 생성부(100)가 앞단에 위치하고, RZ 펄스 생성부(200)가 뒷단에 위치한 구조에 대해 설명할 것이나 이들 신호 발생부의 위치는 서로 바뀌어도 무방하다.

상기 광원(50)은 정보를 실을 수 있는 반송파를 생성 출력하며, 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.

상기 듀오바이너리 광신호 생성부(100)는 입력된 NRZ 전기신호를 듀오바이너리 광신호로 변환하여 출력하며, 차동 부호화기(110), 변조기 구동 증폭기(120), 마하-젠더 타입의 광 변조기(130) 및 광대역통과필터(140)를 포함하여 구성된다.

상기 차동 부호화기(110)는 입력된 NRZ 전기신호를 부호화하며, 2-레벨의 바이너리 신호를 부호화함으로써 수신기의 변화 없이도 듀오바이너리 송수신이 가능하게 한다.

상기 변조기 구동 증폭기(120)는 상기 부호화된 바이너리 신호를 증폭하여 출력하며, 증폭된 신호는 상기 광 변조기(130)의 구동신호로 이용된다.

상기 마하-젠더 타입의 광위상 변조기(130)는 변조 단자(RF)를 통해 입력된 2-레벨 바이너리 신호에 따라 상기 반송파를 위상 변조하여 출력한다.

상기 광대역 통과 필터(140)는 대역폭이 비트율(bit rate)의 0.7/T이며, 상기 대역폭을 벗어난 신호를 제거함으로써, 상기 위상 변조된 듀오바이너리 광신호의 대역폭을 제한한다.

상기 RZ 펄스 생성부(200)는 NRZ 변조된 신호를 RZ로 변환하는 기능을 수행하며, 마하-젠더 타입의 광 변조기(210)와 클럭발생기(220)로 구성된다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 듀오바이너리 RZ 출력신호의 변환과정을 나타낸 도면으로, 이를 통해 본 발명의 듀오바이너리 광 전송장치의 동작을 살펴보자.

도 3 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, NRZ 방식의 전기신호는 듀오바이너리 광신호 생성부(100)의 차동 부호화기(110)에 입력되어 0 또는 1의 정보를 갖는 바이너리 신호로 부호화된다. 부호화된 바이너리 신호는 변조기 구동 증폭기(120)에 인가되어 마하-젠더 타입의 광 변조기(130)의 구동신호(A)로 이용된다. 광 변조기(130)의 변조곡선(B)의 널-포인트(null point, N)에서 변조가 이루어지며, 변조크기는 2Vπ이다. 참고로, Vπ는 ON/OFF를 위해 요구되는 변조크기이다. 이 경우, 0 또는 1의 비트는 세기변조 없이 동일한 크기로 광 출력(D)되지만, 0 또는 1의 비트는 일렉트릭 필드(C)에서 0 또는 π의 위상차를 갖는 위상정보로 변환된다. 따라서, 일반 간섭계형 광 변조기를 이용하여 위상변조 할 수 있음을 알 수 있다. 상기 마하-젠더 타입의 광 변조기(130)에 의해 위상 변조된 광 신호는 전송 비트율의 0.7/T를 갖는 광대역통과필터(140)를 통과한다. 이때의 과정이 도 1에 도시된 종래의 듀오바이너리 광전송장치에서 전기적 저역 통과 필터를 통과하는 방식과 동일한 기능을 수행하는 과정이다. 그러므로, 광대역 통과 필터를 통과한 광신호는 도 4b에 도시된 바와 같이 듀오바이너리 광신호로 변환된다. 본 실시예에서는 2Vπ의 전압을 인가하며, 대역폭이 0.7/비트율인 광대역 통과필터를 사용하여 듀오바이너리 광신호를 발생시켰으나, 인가전압, 광대역 통과필터의 대역폭 등을 조절하여 출력되는 듀오바이너리 광신호의 특성을 조절한다.

생성된 듀오바이너리 광신호(E)는 RZ 변환을 위해 상기 RZ 펄스 생성부(200)의 마하-젠더 타입의 광세기 변조기(210)에 인가된다. 일반적으로 NRZ 신호를 RZ신호로 변환하기 위해서는 비트율의 주기를 갖는 클럭(220)을 광세기 변조기(210)에 인가하여 상기 듀오바이너리 광신호(E)를 RZ로 변환하게 되며, 도 4c에 도시된 바와 같이 전달곡선의 최대점과 최소점의 중간점인 쿼드 포인트(quad point, Q)에서 Vπ의 진폭과 비트율(bit rate, T)의 주기를 갖는 클럭신호를 인가하여 도 4d에 도시된 바와 같은 듀오바이너리 RZ로 변환된 신호를 출력한다.

도 5a 및 도 5b는 상기 도 3의 출력신호 및 광 스펙트럼 특성을 나타낸 도면으로, 도 2a 및 도 2b의 출력과 유사한 특성을 갖는 듀오바이너리 RZ 광신호가 생성됨을 확인 할 수 있다.

상기 과정을 통해 전기적인 저역 통과 필터를 사용하지 않고 듀오바이너리 RZ 광신호를 생성할 수 있으며, 2-레벨의 전기적인 신호를 3-레벨로 변환하는 과정에서 발생하는 신호의 왜곡을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 생성된 듀오바이너리 RZ 광신호는 RZ 광신호 생성부(200)에 위치한 광 변조기에서 생성된 RZ 신호의 소광비와 처프(chirp)에 의해 광섬유의 분산에 대한 내성이 결정되므로, 광 변조기의 특성을 고려하여 최적의 소광비와 처프를 결정한다.

한편, 본 실시예에서는 X-컷 단일전극(single electrode) 간섭계 형태(마하-젠더 타입)의 광 변조기를 사용한 구조에 대해 설명하였으나, Z-컷 이중전극(dual electrode) 간섭계 형태의 광 변조기로도 구현할 수 있음은 물론이다. 또한, 본 실시예의 설명에서는 블록 내에서의 변조기의 기능 파악이 용이하도록 광세기 변조기 또는 광위상 변조기로 표기하였으나, 간섭계 형태의 광 변조기 하나로써 광의 세기뿐만 아니라 위상도 변조할 수 있음에 유의해야 한다.

또한, 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 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 듀오바이너리 광 전송장치는 전기적 저역 통과 필터를 사용하지 않고, 저가의 일반화된 간섭계형 광 변조기를 이용하여 듀오바이너리 RZ 광신호를 생성할 수 있다. 따라서, 전기적 저역 통과 필터의 투과특성에 따른 전송품질의 의존성과 비트 패턴의 의존성을 극복하고, 10Gbps 이상의 고속 중, 장거리 WDM 전송 시에 비선형 및 분산특성을 획기적으로 향상시키는 듀오바이너리 광 전송장치의 구현이 가능하다.

Claims (5)

1. 반송파를 출력하는 광원과; NRZ(Non Return to Zero) 신호를 입력하고, 상기 NRZ 신호에 따라 상기 광 반송파를 변조한 변조 광신호를 출력하는 듀오바이너리 광신호 생성부; 및 상기 NRZ 신호를 RZ(Return to Zero) 신호로 변환하는 RZ 신호 생성부를 구비하며,

   상기 듀오바이너리 광신호 생성부는

   상기 NRZ 신호를 부호화하여 출력하는 차동 부호화기와; 상기 부호화된 신호를 증폭하여 변조기 구동신호를 출력하는 변조기 구동 증폭기와; 상기 변조기 구동 증폭기로부터 입력된 구동 신호에 따라 상기 광 반송파의 위상을 변조하는 제1 마하-젠더 타입의 광 변조기와; 상기 위상 변조된 신호의 대역폭을 제한하는 광대역 통과 필터를 포함하여 구성되며,

   상기 RZ 신호 생성부는

   전송 비트율의 주기를 갖는 클럭신호를 생성하는 클럭발생장치와; 상기 클럭신호에 동기 되어 상기 NRZ 신호를 RZ 신호로 변환하는 제2 마하-젠더 타입의 광 변조기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 마하-젠더 타입의 광 변조기의 전달곡선의 최소점(Null-point)에서 변조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 듀오바이너리 광전송장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 마하-젠더 타입의 광 변조기의 전달곡선의 최대점과 최소점 사이의 중간점(Quad point)에서 클럭신호를 인가하여 변조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광대역 통과 필터의 대역폭을 조절함으로써 듀오바이너리 광신호의 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광대역 통과 필터의 대역폭은 0.7/비트율 정도인 것을 특징으로 하는 듀오바이너리 광 전송장치.