To accommodate the ever-increasing growth of data traffic, the transmission capacity of the lightwave network should be increased. For this purpose, there have been many efforts to utilize the ultrahigh-speed (＞40 Gb/s) channels in the wavelength-division-multiplexed (WDM) system. However, as the bit-rate increases, the transmission performance becomes more vulnerable to the chromatic dispersion, polarization-mode dispersion (PMD), and fiber nonlinearities. To solve these problems, various types of advanced modulation formats have been proposed. However, the use of these new modulation formats could raise a range of different technical issues vital for the design of the next-generation lightwave network. In this dissertation, I attempted to identify some of these issues and provide adequate solutions. Firstly, a simple technique to convert the non-return-to-zero (NRZ) modulation format to the return-to-zero (RZ) modulation format have been proposed and demonstrated. Secondly, the effects of using various types of advanced modulation formats in distributed Raman amplified (DRA) systems have been evaluated with respect to the multi-path interference (MPI) noises. Thirdly, the effects of using various types of advanced modulation formats have been evaluated for the optical performance monitoring technique based on pilot tones. Finally, an ultra-fast clock recovery technique based on the pre-embedded sub-harmonic clock has been proposed for the burst-mode receiver and its performance has been evaluated for various types of advanced modulation formats.
RZ modulation format has high immunity to fiber nonlinearities and PMD as well as superior receiver sensitivity compared to the conventional NRZ format. However, RZ coding could increase the complexity of the transmitter since it generally requires an additional optical modulator for the pulse carving. To solve this problem, a simple technique has been proposed and demonstrated to convert the NRZ signals into the RZ signals by using a polarimetric filter.
This filter, consisted of a birefringent device and a polarizer, could eventually be integrated in a planar waveguide structure. The proposed converter generated a chirp-free RZ signal. In addition, the duty ratio of the converted signal could be changed simply by varying the birefringence of the filter. The results showed that the receiver sensitivity of the converted RZ signal with 50% duty ratio was 2 dB better than that of the NRZ signal. The stability of receiver sensitivity was measured within 0.2 dB due to polarization controlling-error. The difference in the receiver sensitivities by using other duty ratios (30%, 50%, 70%, and 90%) was measured to be less than 1 dB.
Distributed Raman amplifier (DRA) has been considered as one of the most important elements for the development of the next-generation lightwave network. This is because DRA can improve the optical-signal-to-noise ratio (OSNR) and reduce the impacts of fiber nonlinearities. However, as the gain of DRA increases, it could generate significant MPI noises and limit the system’s performance. Thus, to optimize the DRA gain, it would be necessary to quantify the effects of MPI noises. However, these effects of MPI noises (on the system’s performance) should be dependent on the modulation format. To quantify this, the effects of using various types of modulation formats, such as NRZ, RZ, Differential Phase-Shift Keying (DPSK), Return-to-Zero differential Phase-Shift Keying (RZ-DPSK), duobinary, Return-to-Zero Alternate-Mark-Inversion (RZ-AMI), on the MPI noises have been evaluated in the DRA system. The results showed that, as the Raman gain increased, the improvements of Q-factors achievable by using DRA were different for various modulation formats by about 1 dB. This was because the relative impact of MPI noise was increased with Raman gain. The results also confirmed that the RZ formats, such as RZ, RZ-DPSK, and RZ-AMI, had more tolerance to the MPI noises due to their broad signal bandwidths. In particular, RZ-DPSK was the most tolerant modulation format to the MPI noises.
To ensure the proper operation of the dynamic all-optical network, it is essential to monitor various parameters of WDM signals including optical powers, wavelengths, and optical paths, etc. A pilot-tone based technique provides a cost-effective solution for monitoring these parameters in the optical domain. This monitoring technique typically utilizes a small amplitude-modulated (AM) pilot tone dedicated to each WDM channel. Thus, it can monitor these optical parameters without using the expensive demultiplexing filter. However, one of the major drawbacks of this technique is that the AM tone and data could interfere with each other and cause deleterious effects. However, the effect of this mutual interference could be dependent on the modulation format. To evaluate this dependency, the mutual interference between the pilot tones and DPSK signals has been investigated and the results were compared with those of OOK signals. In addition, using the results of this investigation, the maximum number of WDM channels that can be monitored simultaneously by using the pilot-tone based monitoring technique (i.e., by using a single photodiode (PD) without optical demultiplexer) has been evaluated. The results showed that, by utilizing the DPSK format instead of OOK, this number of WDM channels could be increased by more than two orders of magnitudes.
Recently, there have been increasing interests on the optical packet switching (OPS) technology. This is mainly because OPS could enable the routing and forwarding of the high-speed packets directly in the optical layer. In OPS networks, the optical packets arrive at the receiver in bursts since they are originated from various sources and traveled different distances. Thus, it is necessary to extract the synchronized clock signal instantaneously for each optical burst. To solve this problem, an ultra-fast clock recovery technique based on the pre-embedded sub-harmonic clock has been proposed and demonstrated for the use in the burst-mode receiver. The proposed technique was simple, transparent to the modulation formats (including the phase-encoded data) and data rates. However, when the proposed clock-recovery technique was used, the system’s performance could become dependent on the modulation format. To evaluate this dependency, the effects of using this proposed technique in the DPSK system were measured, and the results were compared with those in NRZ system. For the evaluation, either 10-GHz or 20-GHz sub-harmonic clock was added to the packets at the transmitter node. The proposed technique was then used to recover the clock signal in the burst-mode systems operating with 40-Gb/s NRZ and DPSK signals. The results showed that the recovered clock could be used to detect 40-Gb/s burst-mode NRZ and DPSK signals with power penalties of 0.95 dB and 0.1 dB, respectively, after the transmission through 4 km of SMF.
광통신망은 신호전송거리에 따라 장거리 통신망 (＞200 km), 메트로 망 (100 ~ 320 km), 메트로 엑세스 망 (20 ~ 100 km), 그리고 루프 엑세스 망 (1 ~ 20 km)으로 나뉘어 진다. 최근 다양한 가입자 서비스의 출현과 인터넷을 비롯한 각종 데이터 서비스가 급격히 증가함에 따라 차세대 WDM 광통신망은 각 노드와 노드 사이의 용량증가가 큰 이슈로 부각되고 있다. 이처럼 신호가 고속화 되면서 광통신망에서의 신호변조방식이 시스템에 미치는 효과는 더욱 커지게 된다. 즉, 광통신망에서 어떤 신호변조방식을 선택하느냐에 따라 전송 중 신호품질을 나쁘게 하는 여러 가지 현상 (예: 색분산, 편광모드분산, 필터링, 광섬유의 비선형성 등)에 대한 시스템의 관용도와 수신감도가 달라질 수 있고, 또한 그 선택은 시스템 전반에 걸쳐 영향을 미치게 된다. 특히, 라만 증폭기를 사용하는 초고속 WDM 광통신망에서, 그 성능을 제한하는 주요한 요인인 다중경로간섭잡음은 망에서 사용되는 신호변조방식에 따라 시스템에서 미치는 영향이 다르게 된다. 그러므로, WDM 광전송 시스템에서 라만 증폭기의 효율적인 사용을 위해서, 라만 증폭기를 사용함으로 인해 겪을 수 있는 다중경로간섭잡음의 신호변조방식에 따른 특성분석이 꼭 필요하다.
또한, 차세대 WDM 광통신망에서는 전송신호의 고속화로 신호의 품질 보장이 요구되며, 이를 위하여 신호성능 감시가 필수적으로 선행되어야 한다. 따라서, 광통신망에 신호감시기술의 경제적이고 효율적인 적용이 중요하며, 신호감시성능은 망에서 사용되는 신호변조방식에 크게 따라 달라 질 수 있다. 그러므로, 신호감시기술을 WDM 광통신망에 효율적으로 적용하기 위해서는 신호변조방식에 따른 신호감시기술의 특성 연구가 요구된다.
이와 더불어, 차세대 WDM 광통신망에서는 망의 투명성 (Transparency)보장을 위하여 전송되는 신호가 전기적인 변환 없이 광계층에서만 운용되는 전광전송망으로 구현 될 것으로 예상된다. 따라서, 망과 망 사이에 서로 다른 신호변조방식을 사용하는 경우 망들을 서로 연결하기 위해서는 전기적 변환 없이 광영역에서 신호변조방식을 효율적으로 변환할 수 있는 신호변조방식 광변환장치가 반드시 필요하게 된다.
그러므로, 본 논문에서는 새로운 구조의 NRZ-to-RZ 변조방식 광변환기를 제안하고 그 성능을 검증한다. 또한 라만 증폭기를 사용하는 WDM 광통신망에서 다중경로간섭잡음에 대한 신호변조방식의 영향을 실험적/이론적으로 증명/분석한다. 이와 더불어 신호감시를 위한 파일럿 톤 감시기술을 DPSK 시스템에 적용할 경우에 대해 OOK 시스템의 경우와 비교/분석한다. 추가로, 광 Burst/Packet망에서 초고속 클럭 추출 방법을 제안하고, 신호변조방식에 따른 그 성능을 비교/분석 하는 것을 목적으로 한다. 본 논문의 세부적인 목적과 동기는 다음과 같다.
첫째, 새로운 구조의 NRZ-to-RZ 광변환기를 제안하고, 그 성능을 검정한다. 라만 증폭기를 사용하는 WDM 광전송 시스템에서 RZ 신호변조방식은 다른 신호변조방식에 비해 상대적으로 더 큰 이득을 얻을 수 있다. 또한 일반적인 신호변조방식인 NRZ 신호에 비해 광섬유의 비선형성과 편광모드분산현상에 강하고, 수신감도 이득을 가진다. 이러한 장점을 가지는 신호변조방식을 쉽게 사용하고, 기존의 NRZ 시스템을 RZ 시스템으로 업그레이드 하기 위해 NRZ-to-RZ 광변환기에 대한 연구가 이루어져 왔다. 이에 대한 이전 연구들은 비선형 프로세스를 사용하기 때문에 신호의 파워에 민감하고, 추가적인 처업이 발생하게 되는 문제점이 있다. 그러므로, 본 논문에서는 polarimetric 필터를 사용하는 수동형 NRZ-to-RZ 광변환기를 제안하고, 그 성능을 검증한다.
둘째, NRZ (None-Return-to-Zero), RZ (Return-to-Zero), DPSK (Differential Phase-Shift Keying), RZ-DPSK (Return-to-Zero differential Phase-Shift Keying), RZ-AMI (Return-to-Zero Alternate-Mark-Inversion), 그리고 duobinary 신호변조방식을 사용하여 라만 증폭기를 사용하는 40-Gb/s WDM 광통신 시스템을 구현한다. 구현된 시스템을 바탕으로 다중경로간섭잡음의 효과를 실제 라만 증폭기 시스템에서 실험적으로 평가/분석 한다. 그러므로, 라만 증폭기를 사용하는 WDM 광전송 시스템에서 라만 증폭기 이득을 최대화하기 위한 신호변조방식을 제시하고, 그에 따른 시스템 구성 측면에서의 이득을 분석한다.
셋째, 파일럿 톤 감시기술을 사용하는 OOK (On-Off-Keying) 와 DPSK (Differential Phase-Shift-Keying) 시스템 각각에 대해 파일럿 톤에 의해 신호가 받는 영향과, 신호에 의해 파일럿 톤이 받는 영향을 비교/분석하고, 이를 바탕으로 파일럿 톤 감시기술을 사용하여 하나의 PD를 사용하여 동시에 감시할 수 있는 WDM 채널 수를 신호 변조방식 별로 비교 한다. 그러므로 최근 초고속 시스템에 적합한 신호변조방식으로 많은 연구가 이루어지고 있는 DPSK 을 사용하는 시스템에서 파일럿 톤 감시기술의 적합성을 기존의 OOK 시스템에서의 경우와 비교/평가한다.
넷째, 광 Burst/Packet망에서 새로운 초고속 클럭 추출방법을 제안하고, 신호변조방식에 따른 그 성능을 비교한다. 광 Burst/Packet 망에서 신호는 여러 곳으로부터 보내지며 다양한 경로를 겪기 때문에, 신호 복구를 위한 수신기에서 burst 신호로 입력되게 된다. 따라서 burst 신호로부터 신호복구를 위해서 클럭을 지연 없이 추출하는 효율적인 방법이 필수적으로 요구된다. 그러므로 본 논문에서는 이러한 방법을 제안하고, 이 방법의 신호변조방식에 따른 성능을 비교/분석한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2 장에서는 새로운 구조의 NRZ-to-RZ 광변환기를 제안한다. 이를 위해 먼저 NRZ-to-RZ 광변환기에 대한 이전연구들을 살펴보고 그 문제점들을 기술한다. 그리고, 본 논문에서 제안하는 새로운 구조의 NRZ-to-RZ 광변환기의 동작원리를 설명하고, 실험구성을 통해 그 성능을 평가한다.
제 3 장에서는 WDM 광통신 시스템에 사용되는 신호변조방식에 대해 살펴보고, 라만 증폭기를 사용하는 시스템에서 그 성능을 제한하는 다중경로간섭잡음에 대해 신호변조방식이 주는 영향을 실험적, 이론적으로 비교/평가한다. 또한 이를 바탕으로 라만 증폭기를 사용하는 시스템에 적합한 신호변조 방식을 사용할 경우에 시스템 측면에서의 이득을 분석한다.
제 4 장에서는 WDM 광통신망의 성능을 감시하는 방법으로 사용하는 파일럿 톤 감시방법에 대해 살펴보고, 신호감시를 위해 파일럿 톤 감시방법을 OOK와 DPSK 시스템에 적용했을 경우에 대해 그 차이를 비교하고 실험적으로 검증한다. 세부적으로는 각 시스템에서 파일럿 톤이 데이터 신호에 주는 영향과 데이터 신호가 파일럿 톤에 주는 영향을 각각 비교/평가한다. 이를 바탕으로 DPSK 시스템에 파일럿 톤 감시방법을 적용할 경우에 대해 그 확장성을 기존의 OOK 시스템과 비교하여 분석한다.
제 5장에서는 광 Burst/Packet 망에서 초고속으로 클럭을 추출할 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법을 각각 40 Gb/s 속도의 NRZ 변조방식을 사용하는 시스템과 DPSK 변조방식을 사용하는 시스템에 적용할 경우 그 성능을 비교/분석 한다. 마지막으로 제 6 장에서는 본문의 내용을 요약/정리한다.
