This thesis first proposes a novel method to generate advanced modulation formats that includes carrier suppressed return-to-zero (CSRZ) and CSRZ-differential phase shift keying (DPSK), in order to provide a cost-effective transmitter configuration for 400bit/s wavelength division multiplexed (WDM) transmission systems. The proposed method requires a broadband radio frequency (RF) mixer for electrical data encoding, and a single stage Mach-Zehnder (MZ) intensity modulator for optical signal generation. Thus, it saves one modulator in comparison with the conventional method, which uses two cascaded MZ intensity modulators. The proposed scheme is validated numerically and experimentally.
We next evaluate the effects of electrical band-limitation on the transmission performance of CSRZ and CSRZ-DPSK signals. The proposed method makes it possible to band-limit the generated signals in the electrical domain rather than in the optical domain by employing a band-limiting low pass filter (LPF). The electrical band-limitation causes spectral compactness as optical pre-filtering, however, it is immune to the stability of optical filters. Numerical results for eye opening penalty (EOP) show that the tolerances against both the chromatic dispersion of the optical fiber and the coherent crosstalk from adjacent WDM channels are improved due to the narrowed optical spectrum bandwidth. On the other hand, signal distortion is increased due to electrical filtering in the transmitter side. In addition, fiber nonlinear effects are expected to have greater influence on the transmission performance of the electrically band-limited signals; and, the simulation shows that the additional penalty is negligibly small in the simulated 7-channel WDM transmission over 640 km single mode fiber link. Besides, taking into account all of the impacts of electrical band-limitation, we show that the optimal bandwidth for the electrical band-limitation can be selected at around 240Hz for 40Gbit/s ETDM signals.
Furthermore, we investigate the influence of receiver bandwidths for electrically band-limited (EB) CSRZ and CSRZ-DPSK signals in an amplified spontaneous emission (ASE) noise-limited system. It is shown by numerical calculation of Q penalty that the optical filter bandwidth for electrically band-limited signals can be decreased due to spectral narrowing, while the electrical filter bandwidth should be increased due to cascaded filtering effects in comparison with conventional signals.
광통신 시스템은 지난 30 년간의 지속적인 발전으로 파장 다중 광전송 시스템의 데이터 전송 속도가 파장 당 40Gbit/s 까지 진화되어 대용량의 신호 전송을 가능하게 만들었다. 그렇지만 40Gbit/s 전송 시스템은 기존의 10Gbit/s 시스템과는 다르게 실제 사용에 있어 여러가지 어려움을 겪고 있다. 그 중에서도 가장 주요한 원인은 10Gbit/s 신호를 위해 새로운 네트워크를 구축했던 서비스 공급자들이 40Gbit/s 신호에 대해서는 기존에 구축했던 네트워크에서 사용될 수 있기를 요구하고 있는 것이다. 그럼으로 인해 40Gbit/s 신호는 광섬유의 분산 및 비선형 현상에 대한 영향을 줄이면서, 송수신기의 구조가 복잡해지지 않도록 요구되어 진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 40Gbit/s 신호를 위해서는 기존의 NRZ 방식에서 진화된 CSRZ 및 CSRZ-DPSK 의 새로운 광신호 변조 방식의 사용이 효과적인 해결책으로 연구되어 왔다. 그렇지만, 이러한 광신호 변조 방식을 위해서는 NRZ 방식에 비해 광펄스를 발생시키는 외부 변조기가 추가로 요구되어져 광송신기의 구성이 복잡해지는 단점이 있었다. 따라서 본 논문에서는 파장 다중 광전송 시스템에서 40Gbit/s 광신호의 구조 및 성능 개선을 위한 방안으로 전기적 부호화와 전기적 대역 제한을 제안하고 그에 따른 광신호의 전송 성능을 분석한다.
본 논문에서는, 우선, 40Gbit/s 파장 다중 광전송 시스템을 위해 광신호 변조방식을 의한 새로운 광송신기 구조를 제안하였다. 제안된 광송신기 구조에서는 단일 마하 젠더 간섭기 형태의 외부 변조기와 광대역 혼합기를 사용하여 기존의 방법에 비해 외부 변조기 수를 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 이때, 광대역 혼합기는 기존의 펄스를 발생시키는 외부 변조기를 대신하여, CSRZ 또는 CSRZ-DPSK 변조 신호가 단일 외부 변조기에 의해 생성될 수 있도록 전기적 영역에서 NRZ 데이터를 부호화하는 역할을 한다. 그러므로 제안된 방법에 의해 생성된 CSRZ 또는 CSRZ-DPSK 광신호는 기존의 방법에 의해 생성된 광신호처럼 NRZ 방식에 비해 광섬유의 비선형 현상에 강한 특성을 가지면서 송신기 구조는 간단해지는 장점을 갖는다. 제안된 방법에 의한 광신호 발생은 수치적 분석 및 실험을 통해서 검증되었다.
본 논문은, 또한, 전기적 영역에서의 대역 제한 방법을 제안하였다. 광신호의 대역 제한은 높은 주파수 효율을 위해 광학적 영역에서 주로 수행되었지만, 이는 광신호 및 광 필터의 주파수 안정에 많은 영향을 받는 단점이 있다. 전기적 대역에서의 CSRZ 및 CSRZ-DPSK 광신호 대역 제한은 본 논문에서 제안된 송신기 구조에서 수행될 수 있으며, 그 결과로 광신호의 스펙트럼 대역폭을 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이에 따른 광 전송 시스템의 성능은 주파수 효율, 광섬유 분산 및 비선형 현상, 그리고 필터에 의한 신호 왜곡에 대해 모의 실험을 통해 EOP를 계산하여 조사되었다. 전기적 대역 제한은 CSRZ 및 CSRZ-DPS 광신호의 주파수 효율 및 광섬유 분산 특성을 개선하는 결과를 얻을 수 있으며, 광섬유의 비선형 특성에는 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다. 반면에 필터에 의한 신호왜곡이 증가하여 과도한 대역 제한은 광전송 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 되므로, 40Gbit/s 광신호의 전기적 대역 제한을 위한 저대역 통과 필터의 대역폭을 24GHz 에서 얻을 수 있음을 보였다.
그리고 본 논문에서, 추가로, 전기적 대역 제한된 CSRZ 및 CSRZ-DPSK 광신호를 위해 수신기의 펄터 대역폭에 따른 성능을 분석하였다. 전기적 대역 제한된 광신호는 기존의 광신호에 비해 광신호 스펙트럼 대역폭의 축소로 수신기의 광학필터의 대역폭은 감소시킬 수 있게 되지만, 수신기의 저대역 필터의 대역폭은 신호 왜곡이 증가하므로 증가시켜야 한다. 본 논문에서는 ASE 잡음에 제한된 광전송 시스템의 수치적 모의 실험을 통해서 이러한 결과가 검증되었다.