Recently, service providers have increased the network capacity significantly by using the wavelength-division-multiplexing (WDM) technology. Thus, it becomes increasingly important to ensure the reliability of these modern WDM networks due to their enormous capacities. Previously, the performance monitoring of fiber-optic network has been mostly achieved by using the SONET/SDH layer. However, in the modern WDM network, the optical signals are frequently added/dropped or cross-connected in the optical layer without the optical-to-electrical conversions. Thus, to ensure the reliability of these dynamically reconfigurable WDM networks, it is essential to monitor the quality of WDM signals directly in the optical layer.
For the efficient operation, administration and maintenance (OAM) of WDM network, it is necessary to monitor the various parameters such as power, optical frequency, optical signal-to-noise ratio (OSNR) of each WDM signal, as well as polarization-mode dispersion (PMD) and chromatic dispersion. In this dissertation, various monitoring techniques have been proposed and demonstrated for these parameters.
Firstly, a simple technique to monitor the optical frequencies of multiple WDM signals has been proposed and demonstrated by using pilot tones and an arrayed-waveguide grating (AWG). Unlike the previous technique, the proposed technique requires only one photodetector and one AWG port per each WDM channel. In addition, the performance of this technique is almost insensitive to the cross-gain modulation of the EDFA since it monitors the optical frequencies after demultiplexing the WDM channels. The results show that the optical frequencies of multiple WDM signals could be monitored with accuracy better than ±1 GHz even after the transmission over 640 km of single mode fiber (SMF).
Secondly, we have developed a couple of innovative techniques that can be used to monitor the OSNR of each WDM channel in a modern, dynamically reconfigurable WDM network. In this modern WDM network, the conventional linear interpolation technique could not monitor the OSNR accurately since each WDM channel could traverse through different optical paths and erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs). To overcome this problem, we have proposed two OSNR monitoring techniques based on the high-frequency receiver noise characteristics and the orthogonal delayed-homodyne method. The result shows that the OSNR of WDM signal could be monitored with accuracy better than 0.5 dB in the range of 12 ~ 35 dB. In addition, we have demonstrated a simple technique that could estimate the Q-parameter by measuring the low-frequency noise at the receiver. The result shows that the proposed technique agrees with the conventional decision threshold technique within 1 dB when the Q-parameter was less than 21 dB.
When the double side-band (DSB) tone operating at the high frequency propagates along optical fiber, the amplitude of this tone is affected by both the chromatic dispersion and the polarization mode dispersion (PMD) of optical fiber. However, the single side band (SSB) tone is not sensitive to the chromatic dispersion since it has only a single tone in the optical domain. Thus, we have proposed a technique to monitor the PMD using a single side-band (SSB) tone. The results confirm that SSB tone could be used to monitor the PMD without the effect of chromatic dispersion. In addition, we have demonstrated a simple technique that could measure the chromatic dispersion of optical fiber by using the spectral characteristics of group delay. This technique could measure the chromatic dispersion of various types of optical fiber with accuracy better than 0.3 ps/nm/km.
최근, 광통신망의 서비스 공급자들은 파장분할다중방식 기술을 사용하여 광통신망의 전송 용량을 급격히 증가 시키고 있다. 따라서, 대용량의 파장분할다중방식 광통신망의 신뢰성을 보장하기 위해 광신호의 성능 감시가 점점 중요해지고 있다. 이전에는 광통신망의 성능 감시는 SONET/SDH 계층을 이용하여 수행 되었다. 그러나, 현재의 파장분할다중방식 광통신망에서 광신호들은 광전변환없이 종종 광계층에서 광회선분기/결합되거나 광회선분배된다. 따라서, 이러한 동적으로 경로가 재설정 가능한 파장분할다중방식 광통신망의 신뢰성을 보장하기 위하여 광계층에서 직접 광신호의 품질을 감시하는 것이 필수적으로 요구된다.
파장분할다중방식 광통신망의 효율적인 운영, 유지 및 관리를 위하여 파장분할다중화된 각 광신호의 광전력, 광주파수, 광신호대잡음비, 편광모드분산 및 색분산과 같은 요소를 감시하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 요소들에 대하여 여러 가지 감시 또는 측정 기술을 제안하고 구현하였다.
먼저, arrayed-waveguide grating(AWG)와 파일럿 톤을 이용하여 파장분할다중화된 광신호들의 광주파수를 감시할 수 있는 간단한 방법을 제안하였다. 이전의 기술과 달리 제안된 기술은 하나의 광신호를 감시하기 위하여 단지 하나의 광검출기와 AWG 포트만 필요하다. 또한, 제안된 기술의 성능은 파장분할다중화된 채널을 역다중화한 후 감시하므로 EDFA의 상호이득변조 효과에 거의 영향을 받지 않을 수 있다. 제안된 기술은 640-km 길이의 단일모드광섬유 전송 후에도 파장분할다중화된 채널의 광주파수를 ±1 GHz 이내의 오차로 감시할 수 있었다.
둘째, 현재의 경로가 재설정 가능한 파장분할다중방식 광통신망에서도 각 채널의 광신호대잡음비를 감시할 수 있는 혁신적인 기술들을 개발하였다. 현재의 파장분할다중방식 광통신망에서는 파장분할다중화된 각 광채널들은 서로 다른 경로와 다른 수의 광증폭기를 통과하므로 기존의 선형 근사법을 이용한 방법으로 광신호대잡음비를 감시할 수 없다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 고주파수 수신기 잡음을 이용한 방법과 orthogonal delayed-homodyne 방법을 이용한 광신호대잡음비 감시 방법을 제안하였다. 제안된 기술은 광신호대잡음비를 12 ~ 35 dB 범위에서 0.5 dB 이내의 오차로 감시할 수 있었다. 또한, 저주파수 수신기 잡음을 측정하여 광신호의 Q 값을 측정할 수 있는 간단한 기술을 구현하였다. 제안된 기술은 Q 값이 21 dB 보다 작을 때, 기존의 수신기 판별 수준을 이용한 방법과의 차이가 1 dB 이내였다.
고주파수에서 동작하는 double side-band (DSB) tone이 광섬유로 진행할 때, 톤의 크기는 광섬유의 편광모드분산뿐만 아니라 색분산에 의해서도 영향 받는다. 그러나, single side band (SSB) tone은 광주파수에서 하나의 톤만 존재하므로 색분산에 의해 거의 영향 받지 않을 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 SSB 톤을 이용한 편광모드분산 감시 방법을 제안하였다. 제안된 기술은 색분산에 의한 영향 없이 편광모드분산을 감시할 수 있었다. 또한, group delay의 스펙트럼 특성을 이용하여 광섬유의 색분산을 측정할 수 있는 간단한 방법을 제안하였다. 제안된 기술은 여러 종류의 광섬유에서 0.3 ps/nm/km 이내의 오차로 색분산을 측정할 수 있었다.
