In the last few years, several optical access network architectures for the last mile have been proposed to meet two primary motivations: the higher bandwidth for the upcoming broadband services and the lower cost per subscriber. A WDM-PON is considered as an ultimate solution to satisfy the high bandwidth requirement; however, it has not yet been practical due to the high cost of the wavelength specified optical sources. Therefore, a color-free optical source such as the wavelength-locked F-P LD with external narrow band incoherent light injection is a very attractive solution to implement low-cost WDM-PON. The injected ASE light forces F-P LD to operate as a quasi-single mode oscillation and suppresses its mode partition noise.
So far, there have been two directions to increase the capacity of the WDM-PON: a) reduce the channel spacing of transmitted data and b) share a wavelength by using hybrid approach such as WDM/TDMA. However, the former is limited by 50 GHz channel spacing because of the LD cavity length and the injection efficiency. As the latter case, there has been proposed a system of time-division multiple access (TDMA) over WDM-PON using wavelength-locked F-P LD source. However, it requires a complicated media access control to avoid the signal conflicts and the high-cost burst mode receivers. Moreover, the bandwidth per subscriber is limited due to the sharing between TDMA users as well.
In this thesis, we propose a subcarrier multiple access (SCMA) system over WDM-PON to share a wavelength. By employing SCMA technique, we can serve dedicated 125 Mb/s datarate connection to each subscriber regardless of the number of shared users. Moreover, we can easily upgrade the capacity of an installed WDM-PON by adding power splatters.
With the numerical analysis, we showed the dominant performance limiting factors of the pro-posed system are the relative intensity noise (RIN) and the optical beat interference (OBI) noise. With 100 GHz channel spaced WDM system, the maximum wavelength-shared SCMA subchannels are 2 without wavelength control after the analysis. In order to reduce the OBI noise, we took a forward error correction (FEC) technique of 20 % redundant bandwidth into account, that enables 3-subchannel sharing a single WDM channel while maintaining color-free operation. We also considered reflective semiconductor optical amplifers (RSOAs) instead of F-P LDs expecting that the RSOA can eliminate the temperature dependent mode structure. However, the RSOA has an instrinsic temperature dependent gain caused by low reflectivity, so that temperature control is critical to get a constant wavelength-locked output. To increase the capacity of WDM-PON using RSOA, 50 GHz spaced WDM router is more advantageous under temperature control. After a numerical analysis, we showed that the identical number of subchannels to the F-P LD case can be shared without or with FEC technique. All of these analysis results are confirmed by the demonstrations of 100 GHz spaced WDM-PON in which one WDM channel is shared by 3 subchannels, both without or with FEC techniques and using F-P LD and RSOA, respectively.
Moreover, we performed a Monte Carlo simulation to see the random polarization and temperature effect by using a simplified reflective Fabry-Perot etalon amplifier model and Guassian shaped spectrum calculation for the wavelength-locked F-P LD and RSOA, respectively. As the result, we can satisfy $10^{-9}$ BER with more than 90 % probability under 3 subchannel-sharing even without FEC in a 100 GHz spaced WDM channel for both optical sources. If we apply FEC to the case, 99 % probability will be achieved while 4 subchannels are shared. We also checked the possibility of mutually injected F -P LD as the broadband light source. Because of the Iow RIN property, a numerical analysis shows 3 subchannels are transmittable without FEC technique at a single 50 GHz spaced WDM channel with the BLS injection. Therefore, assuming 80 WDM channels on 50 GHz spaced WDM-PON, we can accomodate up to 240 subscribers simultaneously within a single PON system, serving each dedicated more than 100 Mb/s datarate connection. Considering the demand of bandwidth in the future, the proposed WDM/SCMA-PON will be a good solution to achieve the two primary motivations: higher bandwidth and lower cost.
Meanwhile, the transmission performance of the wavelength-locked F-P LD depends on the detuning between the wavelength of injected spectrum-sliced ASE and a lasing mode wavelength of the LD. Additionally, since F-P LD has inherent polarization-dependent internal gain, we can't use a polarized ASE such as a high power super-luminescent diode (SLD) as an injection light. We propose a new wavelength-locked optical source, two polarization-multiplexed F-P LDs, to eliminate both the temperature and the polarization dependence. This source has the properties of increased SNR, doubled output power and improved ASE power utilization for un-polarized injected light. We showed that the worst case power penalty can be reduced within about 1.2 dB, even if the locking effect is degraded by temperature variation. The proposed source also shows good immunity from the polarization state of injected polarized light. In addition, we can expand the operational wavelength range of the proposed source by using F-P LDs of different gain peak wavelengths. Also, if we packaged this module with a pair of WDM filters and photodetectors, then we can make a new polarization-independent BiDi (Bi-directional) module. The two photodetectors can be configured as a balanced receiver to enhance the sensitivity when we use this module for both the upstream and the downstream. Thus, we can increase reliability of the system, since either LD operates as a backup of the other one. Therefore, the proposed source is very practical to use in the economic optical access networks.
최근들어, 가입자단의 액세스망은 초고속 대용량 데이터 전송을 위해 대역폭을 높이고, 가입자당 단가를 낮추어 경제적으로 구현하기 위한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다. 파장 분할 다중 방식 수동형 광가입자망 (WDM-PON) 은 높은 대역폭의 요구조건을 만족시키기 위한 궁극적인 해결책으로 생각되고 있으나, 파장에 의존적인 광원을 구현, 적용하고 유지보수하기 위한 단가가 높아 경제성을 만족시키기 어렵다. 따라서, 스펙트럼 분할된 비간섭성 광을 주입한 파장 잠김된 F-P LD 와 같은 파장 무의존성 광원과 같은 기술은 경제적인 WDM-PON 을 구현하기 위한 매력적인 대안으로 주목받았다. 주입된 비간섭성 광은 F-P LD 를 유사 단일 모드로 발진시켜 모드 분할 잡음을 감소시키는 특징이 있다.
WDM-PON 의 용량을 확장하는 방법은 크게 두가지로 분류할 수 있다. 첫째, WDM 채널 간격을 줄이거나, 둘째, WDM 채널 간격을 그대로 유지하면서 별도의 변조 포맷을 적용한 복수의 부채널을 전송하는 혼합형 구성 방법이다. 앞의 경우는 LD 와 광파장 라우터의 온도 의존성이 심화되고 더 높은 파워의 비간섭성 광원이 필요하므로 최대 전송 가능한 채널간격이 50 GHz 정도로 제한된다. 두번째 방법으로는 최근 파장 잠김된 F-P LD 를 사용한WDM-PON 시스템에 TDMA 를 혼합한 WDM/TDMA-PON 시스템이 제안되었으나, 복잡한 MAC 과 높은 단가의 버스트 모드 수신기가 필요하며, 가용 대역폭 감소와 같은 기존 TDM-PON 의 단점을 그대로 갖고 있어 미래의 가입자망에 바람직하지 않다. 본 논문에서는 부반송파 다중화 액세스 방식을 혼합한 WDM/SCMA-PON을 제안한다. 이는 기존 WDM-PON 의 장점인 점대점 연결을 그대로 유지하면서 각 가입자는 동시 사용자 수에 관계없이 항상 일정한 대역폭을 보장받을 수 있으며, 기 설치된 WDM-PON 에 광분배기만 추가함으로써 손쉽게 용량 확장을 가능하게 하므로 고대역폭과 경제성을 동시에 만족시킬 수 있다.
먼저, 파장 잠김된 광원을 채용한 혼합형 WDM/SCMA-PON 의 구조를 제안하고 이때 발생할 수 있는 주요 잡음 요인에 대해 분석하였으며, 이 가운데 상대 강도 잡음 (RIN) 과 광비팅 간섭 잡음 (OBI) 이 신호대 잡음비 (SNR) 을 열화시키는 주요 요인임을 밝혔다. 다음으로, 각 잡음 요인에 대한 SNR 의 열화를 수치 분석하여, $10^{-9}$ BER 을 만족하면서 각 가입자당 125 Mb/s 의 전송 대역폭을 보장할 때의 전송 용량을 추정하였다. 100 GHz 채널 간격의 시스템에서는 파장을 제어해주지 않더라도 최대 2 채널의 파장 공유를 가능하게 할 수 있었다. OBI 에 의한 신호 열화를 극복하기 위해 오류 정정 부호 (FEC) 기법을 적용하였으며 이때는 파장 제어 없이 3 개 부채널의 파장 공유가 가능하였다. 한편, F-P LD 대신 파장 잠김된 RSOA 를 WDM 광원으로 고려하여 전송 용량을 같은 방법으로 추정하였다. RSOA 는 모드 구조의 부재에 따른 온도 무의존적 특성을 보일 것으로 예상하였으나, 낮은 반사율에 따른 온도 의존적 이득 특성을 보여 온도 제어가 필수적으로 필요할 것으로 예상되었으며, 이때 파장 잠김된 F-P LD 와 거의 같은 전송 용량을 가짐을 보였다. 이러한 분석 결과는 실제로 100 GHz 채널 간격을 갖는 혼합형 WDM/SCMA-PON 전송 실험을 통하여 FEC 기법의 적용 여부 및 F-P LD / RSOA 각각의 경우에 대해 검증하였다.
한편, 파장 잠김된 광원의 편광과 온도 의존성에 따른 전송 특성을 살펴보기 위해 Monte Carlo 기법으로 모의 시행하여 전송 가능 확률을 살펴보았다. 파장 잠김된 F-P LD 는 간략하게 F-P etalon 증폭기로 정적 모델링하여 임의의 편광과 발진 파장에 따른 전송 특성을 살펴보았으며, 파장 잠김된 RSOA 는 더 간단하게 Gaussian 형태의 광 스펙트럼을 계산함으로써 임의의 편광에 대한 전송 특성을 살펴 보았다. 이에 따라 100 GHz 채널 간격을 가진 WDM 시스템에서 오류 정정 부호 기법의 유무에 따라 90 % 이상의 확률로 3 ~ 4 배의 전송 용량을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, 상호 주입된 F-P LD 를 응용한 저잡음의 비간섭성 광원을 이용하면 오류 정정 부호화 기법을 적용하지 않더라도 50 GHz 채널 간격을 가진 WDM-PON 에서 3 개의 부채널의 파장 공유가 가능할 것으로 예상되어, 최대 240 가입자에게 125 Mb/s 대역폭을 보장하는 대용량 퍄장 다중 분할 방식 광가입자망을 구현할 수 있는 가능성에 대해 논하였다. 따라서, 안정적인 고대역폭과 경제성을 만족시키는 차세대 광가입자망으로서 손색이 없음을 보였다.
마지막으로, 기존의 파장 잠김된 광원에서 문제점으로 대두되었던 온도 및 편광 의존성을 극복하고 파장 선택성을 보다 넓은 범위로 확장시키는 새로운 광원을 제안하였으며 그 효과를 검증하였다. 새로운 광원은 F-P LD 를 상호 수직으로 편광 다중화하여 하나의 송신 광원을 구성한 것으로, 편광된 비간섭성 광원을 사용하더라도 무오류 전송이 가능한 편광 무의존성 광원을 구현할 수 있다. 또한 온도에 따라 주기적으로 전송 성능이 변하는 기존 광원의 단점을 개선하여 온도가 변하더라도 약 1.2 dB 이내의 power penalty 내에서 전송 성능을 유지할 수 있다. 또한, 서로 다른 이득 프로필을 갖는 LD 를 사용하여 약 25 ~ 30 nm 의 넓은 동작 범위를 가지며 29 dB 이상의 높은 인접 모드 억제율 (SMSR) 을 유지할 수 있어 우수한 파장 선택성을 갖는다. 나아가 2 개의 F-P LD 를 한 채널 송신기로 사용함에 따르는 단가 상승을 줄이고 편광 의존 소자들을 쉽게 집적하기 위해 작은 패키지에 구현된 모듈을 제안하였으며, 여기에 WDM 필터와 광수신기 쌍을 첨가하여 새로운 무편광 양방향 광전송 모듈을 제안하였다. 이 모듈은 편광 의존성이 없으므로 WDM 필터의 guard band 를 줄여 채널 할당 대역을 넓힐 수 있는 장점이 있으며, 2 개의 광송수신기 쌍이 존재하므로 한쪽이 다른쪽의 백업 시스템으로 기능함으로써 광송수신기의 신뢰도를 높일 수 있다. 따라서, 경제적이고 높은 신뢰성을 가진 파장 분할 다중 방식 광가입자망에 부합하는 광원 기술이다.
