We propose and demonstrate a new eye closure penalty monitoring technique for optical signals. By measuring the power of clock-frequency component extracted from a signal, we can calculate the eye closure penalty induced by chromatic dispersion, chirping, nonlinear effect, and limited filter bandwidth for both NRZ and RZ signals.
Recent progress in high-speed optical transmission systems requires the development of simple technique for performance monitoring. There have been many proposals to measure the optical power and the optical signal-to-noise ratio (OSNR). However, they could not cover the signal distortion induced by many reasons: chromatic dispersion, nonlinear effect, and so on. To accomplish this, there are some efforts to measure Q-factor of optical signals directly It is an advanced method, however, this direct Q-factor measurement scheme is too complex and requires a lot of signal-processing time.
In this paper, we propose a new eye closure penalty monitoring technique based on power measurement of clock-frequency component of signals. We show that this technique can be used to monitor the signal distortion induced by chromatic dispersion, chirping, nonlinear effect (self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and four-wave mixing (FWM)), and limited filter bandwidth for both NRZ and RZ signals.
Because the clock-frequency component of NRZ signal is very small, we should use a clock-extracting process. We should choose the best clock-extracting method to estimate the eye closure penalty of signals most accurately. In this paper, we choose the "$\midA(t)-A(t-T/2)\mid$ method" (A(t) is a waveform of input signal, T is bit period of the signal) because the clock-frequency component with this method is changed greatly as the eye closure penalty is increased, also has one-to-one correspondence to the eye closure penalty, and remains its trend in various cases. In RZ signal format, we extract the clock-frequency component from base-band signal by the band-pass filter (BPF).
With the proposed clock-extracting method, we prove that eye penalties calculate from the clock-frequency component agree with the real eye penalties in various cases: changes in receiver bandwidth, several transmission rates, changes in dispersion compensating ratio, changes in signal power, and changes in pre-chirping. The mean value of estimating error is below 0.05 dB.
And, we realize the "$\midA(t)-A(t-T/2)\mid$ method" and made an eye closure penalty monitoring experiment. It is the 2.5 Gb/s, NRZ signal format case changes in receiver filter bandwidth. The experiment results agree with the simulation results.
If we use the eye closure penalty monitoring technique, we can continuously optimize the 40 Gb/s transmission system in which the quality of signals can be changed seriously with a trivial change in condition: e.g. dispersion changes induced by temperature changes. However, such a system optimization cannot be done in the OSNR monitoring system.
Therefore, "A new eye closure penalty monitoring technique using the clock-frequency component" could contribute greatly to management in the optical transmission system.
본 논문에서는 광섬유의 색분산, 광섬유의 비선형성, 처핑, 유효 대역폭 감소 등으로 인해 발생되는 광신호의 아이 페널티를 간단히 측정하는 새로운 방법을 제안하고, 이를 시뮬레이션과 실험으로 증명하였다.
본 논문에서 새롭게 제안한 방법은 광신호의 클럭 주파수 성분을 측정하여 이의 세기로부터 과인호의 아이 페널티를 환산하는 방법이다. 이 방법의 가장 중요한 요소인 클럭 성분을 측정함에 있어서, RZ 신호의 경우에는 클럭 주파수 성분을 협대역 필터로 직접 추출하는 방법을 이용하였고, NRZ 신호의 경우에는 "$\midA(t)-A(t-T/2)\mid$ 방법으로 클럭 성분을 추출하는 것이 아이 페널티를 측정하기에는 가장 좋음을 보였다.
이 방법을 이용하여 추출된 클럭 성분을 이용하면, 광섬유의 색분산, 광섬유의 비선형성, 처핑, 유효 대역폭 감소 등으로 인해 발생되는 광신호의 아이 페널티를 측정할 수 있다는 것을 다양한 시뮬레이션(전송속도의 변화, 입력 파워의 변화, 분산 보상비의 변화, 프리 처핑의 변화, 유효 대역폭의 변화, 채널 간격의 변화)을 통해 증명하였다. 시뮬레이션의 결과를 전체적으로 보았을 때, 클럭 성분으로부터 과신호의 아이 페널티를 측정하는 방법이 갖는 오차의 평균은 NRZ, RZ 경우 모두 0.05 dB정도로 볼 수 있다.
또한, 이 방법의 실효성을 실험으로 증명하기 위하여 NRZ 신호에 대해 아이 페널티 감시장치를 구현하였으며, 이를 가지고 2.5 Gb/s 전송속도, NRZ 신호 형태, 수신단 대역폭이 변하는 경우에 대해 실험하였고, 이 실험 결과가 시뮬레이션 결과와 일치함을 보였다.
본 논문에서 제안한 방법을 이용하면, 40 Gb/s 전송 시스템과 같이 사소한 벼놔로 인해 발생되는 변화(예: 온도 변화로 인한 광섬유의 색분산 변화)가 전송 품질에 큰 차이를 보여주는 시스템에서 최적의 조건으로 전송 시스템이 운영/ 유지 되도록 하는데 큰 기여를 할 것이다. 이는 기존의 광시노대 잡음비 감시방법에서는 할 수 없었던 일이었다.
즉, 이 논문에서 제안한 방법으로 이용하면 기존의 광신호대 잡음비 감시방법에서 측정할 수 없었던 한 차원 높은 신호의 품질 정보를 더 간다나게 얻을 수 있다. 따라서, “클럭 주파수 성분을 이용한 광신호의 아이 페널티 감시방법” 은 초고속 광통신망의 운영/유지에 크나큰 이바지를 할 것이다.
