In order to accommodate the explosive growth of wireless communication in recent years, network operators are trying to enhance the system capacity by dividing the conventional cell into small microcells. However, for the practical implementation of such systems, it is essential to reduce the size and cost of remote base stations (RBS's). Fiber optic network offers many advantages for this purpose. In these networks, it would be possible to process the complicated operations including modulation/demodulation of radio signals and channel control in the central base station (CBS), which, in turn, allows each RBS to be implemented simply by using an optical source and a photodetector. Nevertheless, the previous fiber optic networks were based on the single-star architecture since the upstream wireless signals requires a dynamic range of >60 dB. Thus, these networks required a lot of optical fibers and high performance optical components for deployment.
In this dissertation, I propose and demonstrate passive optical networks for CDMA wireless communication systems. The proposed networks are based on either double star or ring architecture. The fiber optic link transporting CDMA signals requires dynamic ranges of about 29 and 30 dB for downstream and upstream signals, respectively. These relaxed requirements, compared with >60 dB of TDMA/FDMA systems, are due to the stringent power control included in the CDMA mobile handsets and enable us to use either double-star or ring architecture.
First, I have demonstrated a passive double-star optical network for CDMA PCS. The CBS was connected to 8 RBS's via 1×8 star coupler and each RBS could accommodate up to 120 subscribers with four CDMA signals. Thus, the CBS transmitted 32 intermediate frequencies (=4 signals × 8 RBS's) to identify each RBS. The proposed network was implemented with various optical sources (DFB laser, FP laser, and LED's) to examine the possibility of using inexpensive components. The experimental results showed that the proposed network could be implemented by using a FP laser and LED's for downstream and upstream signals, respectively. These networks were also demonstrated over a single strand of optical fiber. For the bidirectional transmission, either WDM or SCM technique was used to avoid the crosstalk between the downstream and upstream signals. The measured results showed that both techniques satisfied the required dynamic range of CDMA signals.
Passive optical network based on double-star is vulnerable to the fiber failure. It could be resolved by using ring architecture. I demonstrated a bidirectional SCM self healing ring network for CDMA PCS. This network utilizes two transceivers at the CBS and RBS. Thus, it can not only restore the fiber failure but also be robust against equipment failures in the RBS's. Because of the fast switching time of the RF switches, the restoration time of the proposed network was measured to be less than 50 ㎲ when the circumference was 9.3 km.
The cost effectiveness of the proposed network could be further improved by using unisolated optical sources at both CBS and RBS's. In this case, however, the high back reflection of unisolated optical sources might degrade the performance of bidirectional transmission systems. Thus, I have measured the reflection characteristics of commercial unisolated FP lasers and LED's, and analyzed their effects on the performance of bidirectional SCM transmission systems. When the FP lasers were used for both downstream and upstream signals, the system's performance was mainly limited by optical beat intereference (OBI). The dominant source of the OBI was the Rayleigh back-scattering when the fiber is longer than ~10 km. However, when the fiber is short (<10 km), the OBI was mainly caused by the reflection from the optical source at the opposite end. The effect of OBI could be suppressed by replacing the upstream FP lasers with LED's. In this case, the system's performance was limited by the destabilization of the downstream laser caused by optical reflection from the upstream LED when the fiber length is less than 10 km.
이 학위 논문에서는 고속 광 변조기와 이를 이용한 초고주파통신에서의 응용에 대해 연구하였다. 광을 이용한 초고주파 통신은 각 가정에 광섬유를 가설하지 않고도 155 Mbps 급의 통신 서비스를 각 가정과 개인에 제공할 수 있다는 장점 때문에 최근에 많이 연구되고 있다. 이러한 방법이 과도기적 서비스 형태, 또는 가장 현실적인 대안으로 남을 것인지에 아직 많은 연구가 수행되어야 할 것이다. 가입자에게로의 전송수단으로서 고속 광 변조기와 그 응용 소자들은 이러한 통신 시스템에서 매우 중요한 기술이라고 하겠다.
양자우물구조를 이용한 전계 흡수형 광변조기는 적은 구동전압, 작은 소자크기, 다른 광소자와의 집적성에서 장점을 지니며, 무엇보다도 싼 가격에 대량생산 할 수 있다는 점에서 다른 광변조기에 비해 매력적인 소자이다. 이 논문에서는 InGaAsP/InGaAsP 물질을 이용하여 1.55 m 파장에서 고 효율을 얻을 수 있도록 물질 구조와 광 구속 구조를 설계하여 광 변조기를 제작하였다. 16 dBc 소광 비와 3dB 주파수가 20 GHz 급인 전계 흡수형 광 변조기가 제작, 측정되었다. 이러한 주파수 특성은 30 Gbps의 디지털 통신에도 응용될 수 있는 것으로 보인다.
광소자끼리의 집적은 앞으로 광소자 제작기술에 중요한 흐름이 되고 있다. 광소자 집적 회로에서 자주 쓰이는 다중모드 간섭 커플러에 대해 연구하였다. 도파로를 직접 연결하는 버트 연결 재성장 방법을 사용하여 저손실 도파로부분에 대칭형, 비대칭형 다중모드 간섭 커플러를 제작, 측정하였다. 전계 흡수형 광변조기를 사용한 초고주파 대역에 한 응용 분야인 소 신호 변조방식에 필요한 선형 아나로그 광변조기에 대해 제안하였으며 비선형 잡음을 계산함으로써 기존의 방법보다 간단하면서도 30 dBc 이상의 비선형 잡음이 감소될 수 있음이 예측되었다.
2개의 초고속 전계 흡수형 광변조기와 비대칭형 다중모드 간섭 광 커플러를 재성장 방법을 이용, 집적한 2진 위상차변조기를 제작하였다. 제작된 소자는 광 디지털 신호와 초고주파 광 소 신호를 2개의 광변조기에서 발생하여 광 커플러에서 위상차 간섭을 일으킴으로써 변조된 초고주파신호의 위상차를 발생한다. 이 논문에서는 10 GHz 의 초고주파 광 신호와 20 Mbps 에 버금가는 10 MHz 디지털 펄스를 이용 변조시켰다. 이와 같은 방법은 기존의 방법에 비해 간단하고, 두 신호를 발생시키는 회로의 전기적 독립성을 유지시킬 수 있으며, 가용 주파수 대역이 넓기 때문에 수 GHz의 디지털 신호를 MMW 밴드의 초고주파신호로 직접 상향 변환시키는데 쓰일 수 있을 것이다.
