KR20100068388A - 자체-편광 다이버시티를 사용한 ｐｍｄ 인센서티브 직접-검출 광 ｏｆｄｍ 시스템들 - Google Patents

자체-편광 다이버시티를 사용한 ｐｍｄ 인센서티브 직접-검출 광 ｏｆｄｍ 시스템들 Download PDF

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Abstract

직접-검출 광 OFDM 시스템에서 PMD와 투쟁하기 위한 자체-편광 다이버시티 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 임의의 동적 편광 제어를 필요로 하지 않고, 하나의 디바이스로 WDM 시스템에서 PMD를 동시에 보상할 수 있다. 시뮬레이션 결과들은 이 기술이 사실상 직접-검출 광 OFDM 시스템들에서 PMD 장애들을 완전히 제거한다는 것을 나타낸다. 수신된 광 신호는 2개의 부분들로 분할되는데, 2개의 부분들 중 제 1 부분은 직접-검출 OFDM 수신기로 공급된다. 제 2 부분은 서큘레이터, 파이버 격자 및 패러데이 로테이터를 통하여 제 2 OFDM 수신기로 공급되고, 상기 2개의 OFDM 수신기들의 출력들이 결합된다. 이것은 수신된 신호의 캐리어 및 서브캐리어들 사이의 편광 오정렬로 인한 영향들을 감소시키기 위한 것이다.

Description

자체-편광 다이버시티를 사용한 ＰＭＤ 인센서티브 직접-검출 광 ＯＦＤＭ 시스템들{PMD INSENSITIVE DIRECT-DETECTION OPTICAL OFDM SYSTEMS USING SELF-POLARIZATION DIVERSITY}
본 발명은 일반적으로 광 통신 분야에 관한 것이며, 특히 직접-검출 광 직교 주파수 분할 멀티 플렉싱(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 시스템들에서 편광 모드 분산(Polarization Mode Dipersion: PMD)을 보상하기 위하여 자체-편광 다이버시티(selp-polarization diversity)를 사용하는 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
직교 주파수 분할 멀티플렉싱(OFDM)은 스펙트럼 효율이 바람직하고, 구현이 용이하고, 다중-경로 전파 및 위상 왜곡에 대해 로버스트(robust)하기 때문에, 무선 셀룰러 시스템(cellular system)들, 디지털 오디오 및 비디오 브로드캐스팅 시스템(digital audio and video broadcasting system)들과 같은 RF 무선 통신 시스템들에서 광범위하게 사용되었다. 최근에, OFDM은 예를 들어, 다중모드 파이버(multimode fiber)에서의 모드 분산(modal dispersion) 단일 모드 파이버(single mode fiber)에서의 색 분산(chromatic dispersion)과 투쟁하기 위하여 광 통신 시스템들에서 사용하도록 제안되었다.
공지된 바와 같이, 2개의 유형들의 OFDM들이 존재한다. 하나는 광 강도 변조 및 직접-검출을 사용하는 직접-검출 광 OFDM이고, 다른 하나는 광 IQ 변조 및 광 코히어런트 검출(optical coherent detection)을 필요로 하는 코히어런트 광 OFDM이다.
OFDM 신호의 심볼 레이트(symbol rate)가 매우 낮기 때문에, 편광 모드 분산(PMD)이 광 OFDM 시스템에서 어떤 상당한 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference: ISI)을 초래하지 않는다. 그러나, 불행히도, PMD는 편광의 상태가 주파수에 따라 변화하도록 한다. 서브-캐리어(sub-carrier)들 및 캐리어 사이의 이 SOP 오정렬은 신호 페이딩(signal fading)을 초래하여, 광 OFDM 시스템에 대한 성능 페널티(performance penalty)들을 발생시킨다.
이 영향을 보상하기 위하여, 코히어런트 광 OFDM 시스템들에 대해 편광 다이버시티가 제안되었다(예를 들어, W.Shieh, W.Chen 및 R.S. Tucker의 Electron Lett., vol. 42, no. 17, 2006 참조). 다행히도, 직접-검출 광 OFDM 시스템에 의하여, PMD는 서브-캐리어 멀티플렉싱 시스템에서와 같이 캐리어의 SOP를 서브-캐리어들과 정렬시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 불행히도, 이 방법은 동적 편광 제어를 필요로 하고, 서브-캐리어들 사이의 SOP 오정렬이 수정되지 않기 때문에 PMD 장애들을 완전히 제거할 수는 없다.
직접 검출 광 OFDM 시스템에서 PMD를 보상하기 위하여 자체-편광 다이버시티 기술이 사용되는 본 발명의 원리들에 따라 종래 기술에서 진보가 행해진다. 종래 기술에 현저하게 대조적으로, 본 발명은 직접-검출 광 OFDM 시스템에서 PMD 장애들을 실질적으로 제거하면서, 동적 편광 제어를 사용하지 않는다.
본 발명의 양태에 따르면, 광 신호는 자신이 2개의 독립적인 광 신호들로 분할되는 수신기에서 수신된다. 상기 독립적인 신호들 중 하나는 직접-검출 광 OFDM 수신기로 지향된다. 상기 독립적인 신호들 중 다른 하나는 우선 광 캐리어 및 서브-캐리어 성분들로 분할되고, 상기 광 캐리어의 SOP가 실질적으로 90도만큼 회전되고 나서, 상기 캐리어 및 서브-캐리어들이 재결합된 후, 또 다른 직접-검출 광 OFDM 수신기 내로 지향된다. 그 후, 프로세싱된 신호들이 재결합되고, 복조기 내로 지향된다. 다행히도, PMD 영향들이 실질적으로 제거되고, 종래 기술의 PMD 보상기들이 사용하는 바와 같은 동적 편광 제어가 필요하지 않다. 최종적으로, 이 기술은 단일 수신기 디바이스만을 사용하면서, 모든 채널들에 대해 파장 분할 멀티플렉싱된(Wavelength Division Multiplexed; WDM) 시스템에서 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 동적 편광 제어를 사용함이 없이 직접-검출 광 OFDM 시스템에서 PMD 장애들을 실질적으로 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 자체-편광 다이버시티를 갖는 직접-검출 광 OFDM의 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 수신기에서의 위치들(A 및 B)에서의 캐리어 및 서브-캐리어들(도 2(a))이고, 도 1에 도시된 수신기에서의 위치(C)에서의 캐리어 및 서브-캐리어들(도 2(b))의 SOP의 도면.
도 3은 위상 수정 이전(도 3(a)), 위상 수정 이후(도 3(b)), 편광 다이버시티를 갖는 것(도 3(c)을 도시한 일련의 컨스텔레이션 도면(costellation diagram)들이며, 여기서 DGD=50 ps이고, 별들, 원들 및 점들이 각각 0, π/4, 및 π/3의 편광 각도들에 대한 것들이다.
도 4는 최악의 경우에서 1차 PMD를 갖는 및 갖지 않는 BER 대 OSNR(도 4(a)); 및 편광 다이버시티를 갖는 및 갖지 않는 11-dB OSNR PoID에서 50 ps의 1차 PMD를 갖는 BER 대 입력 편광(도 4(b))을 도시한 일련의 그래프들을 도시한 도면.
도 5는 OSNR=11dB에서 100 ps 평균 DGD를 갖는 링크에서 BER의 샘플들을 도시한 그래프를 도시한 도면.
본 발명의 더 완전한 이해는 첨부 도면들을 참조하여 실현될 수 있다.
다음은 단지 본 발명의 원리들을 설명한다. 따라서, 본원에 명시적으로 설명 또는 도시되지 않을지라도, 본 발명의 원리들을 구현하고 본 발명의 정신과 범위 내에 포함되는 다양한 장치들을 당업자들이 고안할 수 있을 것이라는 점이 이해될 것이다.
더욱이, 본원에 기술된 모든 예들 및 조건적인 언어는 주로 명백히 본 발명의 원리들 및 기술을 진행시키는데 본 발명자(들)에 의해 기여된 개념들을 이해하는데 있어서 독자들을 돕기 위한 교육적 목적들만을 위한 것이며, 이와 같은 특정하게 기술된 예들 및 조건들에 대한 제한이 없는 것으로 해석되어야 한다.
더구나, 본 발명의 원리들, 양태들, 및 실시예들 뿐만 아니라, 이의 특정 예들을 기술하는 본원의 모든 진술들이 이의 구조적 및 기능적 등가물들 둘 모두를 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 이와 같은 등가물들이 현재 공지된 등가물들 뿐만 아니라, 미래에 개발되는 등가물들, 즉, 구조에 관계없이, 동일한 기능을 수행하는 개발될 임의의 요소들 둘 모두를 포함하게 된다.
따라서, 예를 들어, 본원의 도면들이 본 발명의 원리들을 구현하는 설명적인 구조들의 개념적인 도면들을 나타낸다는 점이 이해될 것이다.
직접-검출 광 OFDM 시스템에 대한 PMD 영향들
OFDM에서, 신호들은 다수의 직교 서브-캐리어들을 통하여 송신된다. OFDM 기저대역 신호는:
Figure pct00001
로서 기록되며, 여기서 Ci ,k는 i번째 서브-캐리어에서의 k번째 OFDM 심볼의 정보이고, Nsc는 서브-캐리어들의 수이며, Ts, Tfft, Tg, 및 Tw는 각각 OFDM 심볼 기간, 유효 부분 시간(effective part time), 가드 시간(guard time) 및 윈도잉 시간(windowing time)이고, fi=(i-1)/Ts는 i번째 서브-캐리어의 주파수이며, w(t)는 윈도잉 함수이다.
당업자들은 가드 시간이 분산에 의해 유발된 부분적인 신호 중첩이 존재할 때 서브-캐리어들 사이의 직교성(orthoggonality)을 보존하는데 사용되며, 윈도잉 함수가 대역을 벗어난 스펙트럼(out-of-band spectrum)을 감소시키는데 사용된다는 점을 용이하게 인식할 것이다. 직접-검출 광 OFDM 시스템에 대하여 - 송신기에서 - 복소 기저대역 OFDM 신호가 실수 및 허수 성분들을 RF-캐리어로 변조함으로써 실수 신호로 변환된다. 그 후, 이 신호는 광 강도 변조에 의해 광 신호로 변환된다.
PMD가 직접-검출 광 OFDM 시스템 성능에 영향을 주는 방법을 이해하기 위하여, 신호가 선형 편광되고, 1차 PMD만이 존재한다고 가정된다. 수신기 측에서, 캐리어 및 서브-캐리어들의 존스 벡터(Jones vector)는 각각
Figure pct00002
및
Figure pct00003
로서 표현되며, 여기서, ω0 및 ωi는 캐리어 및 서브-캐리어들의 각 주파수(angular frequency)들이고,
Figure pct00004
는 차동 그룹 지연(Differential Group Delay: DGD)이고, θ는 입력 편광각이고, 위첨자 T는 벡터 트랜스포즈(vector transpose)이다.
광검출기 이후의 믹싱 항(mixing term)은:
Figure pct00005
로서 표현된다.
당업자들은 식 (2)가 PMD가 광 OFDM 시스템에 2개의 영향들을 미친다는 것을 나타낸다는 점을 용이하게 인식할 것이다. 특히, 신호가 주요 편광 상태(Principal State of Polarization: PSP)(θ=0 또는 π/2)와 정렬될 때, PMD는 위상 시프트(phase shift)를 유발하고, 이것이 2개의 PSP들 사이를 동등하게 분할할 때
Figure pct00006
, 신호 페이딩을 발생시킨다.
일반적인 경우에, 위상 시프팅(phase shifting) 및 신호 페이딩 둘 모두가 존재한다. 위상 시프트는 OFDM 수신기에서의 "1-탭 등화기(tap equalizer)"에 의해 용이하게 수정될 수 있지만, 신호 페이딩은 신호 레벨을 증가시키는 것이 또한 잡음을 증가시키기 때문에 증폭기 자발 방출(amplifier apontaneous emission: ASE) 잡음 제한 시스템들에서 등화될 수 없으므로, 개선이 성취될 수 없다.
자체-편광 다이버시티를 갖는 직접-검출 광 OFDM 시스템
자체-편광 다이버시티를 갖는 직접-검출 광 OFDM 시스템의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 상부에 도시된 송신기는 종래의 직접-검출 광 OFDM 송신기이다. 본 발명에 따라 구성된 수신기는 도 1의 하부에 도시되어 있다.
동작될 때 - 수신기에서 - 수신된 신호는 스플리터(splitter)의 작용을 통하여 2개의 부분들로 동등하게 분할된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스플리터는 3dB 50/50 스플리터이다. 당업자들은 50/50 이외의 분할비들이 3dB 이외의 특성들과 함께 가능하다는 점을 인식할 것이다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 동시에 참조하면, 도 1에 도시된 수신기의 위치들(A 및 B)에서의 캐리어 및 서브-캐리어들의 SOP가 도 2(a)에 도시되어 있는 반면, 도 2(b)는 도 1에 도시된 수신기의 위치(C)에서의 캐리어 및 서브-캐리어들을 도시한다. 당업자들은 물론 도 2(a)에 도시된 광 캐리어 및 OFDM 서브-캐리어들에 대한 PMD에 의한 편광 오정렬 원인을 인식할 것이다.
수신기의 논의를 계속하면, 분할된 신호의 한 부분은 직접-검출 광 OFMD 수신기로 진행한다. 다른 부분은 서큘레이터(circulator)로 진행한다. 패러데이 로테이터 미러(Faraday rotator mirror)에서 끝나는 파이버 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG)가 서큘레이터의 포트 2에 연결된다. 유용하게도, 우리의 목적들을 위하여, FBG는 캐리어만을 통과시키고 서브-캐리어는 반사시킨다.
패러데이 로테이터 미러는 입력 SOP가 무엇이든지 간에 캐리어의 출력 SOP가 캐리어의 입력 SOP에 직교이도록 하는 방식으로 캐리어를 회전시킨다. 그러므로, 도 1의 위치들(B 및 C)에서의 서브캐리어들의 SOP들은 동일한 반면, 이러한 2개의 위치들에서의 캐리어의 SOP는 서로 직교이다.
당업자들은 이 방식으로, 편광 다이버시티가 임의의 동적 편광 제어 없이 성취된다는 점을 용이하게 인식할 것이다. FBG의 FSR(Free Spectral Range)가 WDM 시스템의 채널 간격과 동일한 경우에, 모든 채널들에 대해 동시에 자체-편광 다이버시티를 성취하기 위하여 WDM 시스템에서 단일 디바이스가 사용될 수 있다. 2개의 부분들은 OFDM 수신기의 단일-탭 등화기 이후에 결합되고, 데이터를 복구하기 위하여 서브-캐리어 복조기로 송신된다.
시뮬레이션 결과들
본 발명을 평가하기 위하여, 본 발명에 따라 구성된 10-Gb/s 직접-검출 OFDM 시스템이 시뮬레이션들의 사용을 통해 이해될 수 있다. 25.6 ns의 심볼 기간, 800 ps의 가드 시간 및 800 ps의 윈도우 시간이 시뮬레이션들에서 사용된다. 직교 위상 시프트 키잉(Quadrature Phase Shift Keying: QPSK)으로 변조되는 240개의 서브-캐리어들이 존재한다. 기저대역 OFDM 신호가 5GHz 대역폭을 차지하고, 이는 I-Q 변조기를 사용하여 6GHz의 RF-캐리어로 변조된다. 그 후, 이 신호는 선형 광 변조기로 광 캐리어로 변조된다. 변조기의 출력에서, 단측파대역(Single-Side Band: SSB) 필터가 일측파대역(one side-band)을 제거하고, 광 캐리어 및 측파대역에서 동일한 파워를 만들기 위하여 캐리어를 감쇠시킨다. ASE 잡음을 거부하기 위하여 수신기에서 20-GHz 3-dB 대역폭을 갖는 3차 가우스 광 필터(Gaussian optical filter)가 사용된다.
도 3은 수신된 컨스텔레이션들에 대한 1-차 PMD의 영향들을 도시한다. PMD는 위상 시프트 및 신호 페이딩 둘 모두를 초래한다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 위상 시프트는 등화기에 의해 용이하게 수정될 수 있다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 편광 멀티플렉싱은 신호 페이딩을 완전히 제거한다.
이제 도 4를 참조하면, 자체-편광 다이버시티를 갖는 및 갖지 않는 본 발명에 따른 직접-검출 광 OFDM의 비트 에러 레이트(Bit Error Rate: BER)에 대한 1차 PMD의 영향들이 도시되어 있다. BER을 계산하기 위하여, 1000개의 OFDM 심볼들이 사용된다. 광 신호 대 잡음비(OSNR)는 0.1-nm 대역폭에서의 (캐리어 및 서브-캐리어들을 포함한) 신호 파워 대 ASE 잡음 파워의 비로서 정의된다. 이것은 PMD가 직접-검출 광 OFDM에서 큰 페널티들을 초래하지만, 자체-편광 다이버시티로, PMD 영향들이 사실상 제거된다는 것을 명백하게 설명한다.
도 5는 모든-차수 PMD의 존재에서 자체-편광 다이버시티의 성능을 도시한다. 100 ps의 평균 DGD가 도면에서 사용되고, 500개의 PMD 샘플들의 결과들이 제공된다. 이것은 자체-편광 다이버시티가 존재하지 않을 때 직접-검출 광 OFDM의 BER이 PMD로 인한 큰 변동(7.3e-3으로부터 0.35로)을 가지는 반면, 자체-편광 다이버시티가 사용될 때, PMD 유발 BER 변동이 무시 가능하다는 것을 나타낸다.
이 점에서, 본 발명이 어떤 특정 예들을 사용하여 논의 및 설명되었지만, 당업자들은 상기 내용들이 그렇게 제한되지 않는다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에 첨부된 청구항들의 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (10)

  1. 광 신호를 수신하는 방법에 있어서:
    OFDM 광 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 신호를 2개의 부분들로 분할하는 단계;
    상기 부분들 중 하나를 직접-검출 OFDM 수신기로 지향시키고, 다른 부분을 서큘레이터로 지향시키는 단계;
    상기 서큘레이터로 지향된 상기 신호의 캐리어 부분을 회전시켜서, 상기 서큘레이터 이전 및 이후에 측정된 바와 같은 상기 캐리어의 편광의 상태가 서로 직교인 반면, 서브-캐리어들에 대한 편광의 상태가 상기 서큘레이터 이전 및 이후에 측정된 것과 동일하도록 하는 단계;
    상기 서큘레이터의 출력을 또 다른 OFDM 수신기로 지향시키는 단계;
    2개의 OFDM 수신기들의 출력들을 결합하는 단계; 및
    상기 결합된 출력들을 복조기로 지향시킴으로써 임의의 데이터를 복조하는 단계를 포함하는, 광 신호 수신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스플리터는 <5dB를 나타내는, 광 신호 수신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스플리터는 비대칭 스플리터인, 광 신호 수신 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스플리터는 대칭 50/50 스플리터인, 광 신호 수신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 부분 편광 회전은 광 필터 및 패러데이 로테이터 미러의 작용을 통하여 수행되는, 광 신호 수신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 부분 회전은 파이버 브래그 격자(FBG) 필터 및 패러데이 로테이터 미러의 작용을 통하여 수행되는, 광 신호 수신 방법.
  7. 광 신호를 수신하는 방법에 있어서:
    OFDM 광 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 신호를 2개의 부분들로 분할하는 단계;
    상기 부분들 중 하나를 직접-검출 OFDM 수신기로 지향시키고, 다른 부분을 서큘레이터로 지향시키는 단계;
    상기 서큘레이터로 지향된 상기 신호의 서브-캐리어 부분을 회전시켜서, 상기 서큘레이터 이전 및 이후에 측정된 바와 같은 상기 서브-캐리어들의 편광의 상태들이 서로 직교인 반면, 캐리어에 대한 편광의 상태들이 상기 서큘레이터 이전 및 이후에 측정된 것과 동일하도록 하는 단계;
    상기 서큘레이터의 출력을 또 다른 OFDM 수신기로 지향시키는 단계;
    2개의 OFDM 수신기들의 출력들을 결합하는 단계; 및
    상기 결합된 출력들을 복조기로 지향시킴으로써 임의의 데이터를 복조하는 단계를 포함하는, 광 신호 수신 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스플리터는 <5dB를 나타내는, 광 신호 수신 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스플리터는 비대칭 스플리터인, 광 신호 수신 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 스플리터는 대칭 50/50 스플리터인, 광 신호 수신 방법.
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