The wavelength interleaved bidirectional transmission system is attractive since it can reduce not only the number of fibre links, but also the non-linear effects between adjacent channels. However, the maximum gain of a bidirectional EDFA and the maximum transmission length are limited due to accumulation of the relative intensity noise (RIN) caused by Rayleigh backscattering. Thus, this thesis proposes and demonstrates the new optical device and the bidirectional optical amplifier to overcome this problem. We also demonstrated a possibility og long-haul bi-directional transmission with the proposed device.
Firstly, the new optical device, non-reciprocal optical filter, is proposed to suppress the RIN. It has a simple structure that consists of a conventional polarisation independent optical isolator and a wavelength sensitive retardation plate (WSRP). Moreover, it is suitable for the wavelength interleaved bidirectional system since it has different periodic transfer function with respect to the propagation direction. We demonstrated the proposed device with two types of birefringent crystals, Calcite and YVO4. In the case of 17-mm long Calcite, the measured free spectral range (FSR) and the extinction ratio are 98.8 GHz and 16 dB, respectively. In the case of 7.1-mm long $YVO_4$, those are 196 GHz and 21 dB. The insertion loss is 1.5 dB and the 3 dB bandwidth is about a half of FSR.
Secondly, we implement the 24-dB bidirectional amplifier with the non-reciprocal filter as a mid-stage device. In order to evaluate the performance the amplifier, we transmitted wavelength- division multiplexed 8-channel 2.5 Gb/s signals bidirectionally. We observed negligible power penalty of less than 0.2 dB in spite of the high amplifier gain. The long-haul transimission experiment is simulated at a recirculating loop. After 10 amplifiers, the measured excess power penalty is less than 0.4 dB. The scalability of the bidirectional transmission systems with the proposed amplifier is discussed. The bandwidth-narrowing effect due to cascaded non-reciprocal filters becomes the dominant limiting factor. Thus, the filter with the flat-top transfer characteristics is required. This filter can be achieved by using the optical birefringent network for the WSRP.
Finally, a numerical model for bidirectional amplifiers is realized. The model includes not only the steady state response but also the transient response. Based on numerical simulation and experiment, we show a possibility of the automatic-gain control in bi-directional optical amplifiers by controlling the pump power with the monitored signal power in only direction.
These results can be used for realization of long-haul bidirectional WDM transimission systems and networks.
본 논문에서는 파장 교대 양방향 광전송 시스템에서의 핵심인 양방향 광증폭기에 대해 논의하였다. 양방향 광전송 시스템의 경우 인접한 채널 간격을 넓힐 수 있으므로 비선형 현상에 의한 영향을 줄이고, 전송 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 광네트워크로 사용될 경우 광섬유 수를 반으로 줄일 수 있고, 필요한 광파장 수 및 최대 전송 거리를 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 다중 반사에 의한 RIN이 발생하게 되며 이는 전송 시스템의 확장성에 제한 요인이 된다.
먼저 본 논문에서는 다중 반사광에 의한 성능 제한을 극복하고 양방향 증폭기의 이득을 증가시키기 위하여 비가역 광파장 필터를 제안하였다. 비가역 광파장 필터는 방향에 따라 서로 다른 주기적인 동작 특성을 가지므로, 파장 분할 다중화된 양방향 전송 시스템에 적합하다. 제안된 비가역 광파장 필터는 기존의 광단향관에 파장 의존 위상 지연판을 삽입하여 쉽게 구현이 가능하다. 파장 의존 위상 지연판으로는 100 GHz의 FSR을 가지도록 17 mm의 Calcite를 이용하였고, 200 GHz의 FSR을 가지도록 7.14 mm의 YVO4가 사용되었다. 제작된 소자의 삽입손실은 1.5 dB였으며, 소광비는 각각 16 dB 이상, 21 dB 이상이었다.
제안된 소자의 성능을 검증하기 위해 양방향 광증폭기의 중간단 소자로 사용하였다. 제작된 양방향 광증폭기의 이득은 24 dB였다. 일반적인 양방향 광증폭기의 경우 1 dB 미만의 수신 감도 패널티를 유지하기 위해서는 이득이 19 dB 미만으로 제한된다. 제한된 양방향 광증폭기의 성능을 평가 하기 위해 2.5 Gbps x 8 ch 양방향 광전송을 하였다. 전송 결과 단방향 광증폭기를 사용한 경우와 비교하여, RIN으로 인한 추가 수신 감도 패널티는 거의 발생하지 않았다. 또한 recirculating loop를 이용하여 필터의 대역폭 변화를 실험적으로 확인하였으며, 장거리 전송 실험을 하였다. Recirculating loop 실험 결과 10회 recirculating 하였을 때 단방향 광증폭기를 이용한 경우에 비해 약 0.4 dB 정도의 추가 수신 감도 패널티가 발생하였다. 따라서 제안된 양방향 광증폭기를 장거리 전송에도 이용 가능하리라 기대 된다. 양방향 광증폭기를 10 Gb/s 이상의 시스템에 사용하는 경우 다른 요인 보다 필터 대역폭 감소에 의한 영향이 확장성의 제한이 되므로, 이를 방지하기 위해 이방성 결정의 조합을 이용한 대역폭 평탄화에 대해 살펴 보았다.
최근 광통신 시스템은 다양한 사용자의 요구를 만족 시키기 위하여 애드/드롭 다중화기 및 광회선 분배기를 이용한 광네트워크로 발전하고 있다. 양방향 광네트워크를 구현하기 위해서는 양방향 광증폭기에서 자동 이득 조절 기능이 필수적이다. 이를 위해 전산 모의를 통하여 광증폭기의 정상 상태 응답 및 과도 상태 응답에 관해 연구하고, 양방향 광증폭기에서의 자동 이득 조절에 대해 살펴 보았다. 이전의 전산 모의를 이용한 광증폭기의 연구는 주로 단방향 광증폭기에 대해 이루어졌으며, 양방향 광증폭기에 관한 연구는 다소 미흡했었다. 본 연구를 통하여 양방향 광증폭기의 동작 특성을 이론적으로 고찰하였다. 그리고 양방향 광증폭기의 자동 이득 조절 방법으로 양방향 광신호 중 단방향 광신호의 변화만을 모니터링하여 펌프광을 제어하여도 양방향 모두에 대해 자동 이득 조절이 가능함을 전산 모의 통해 검증하였다.
