All-optical label switching networks require a simple and effective method to swap optical headers in real time without affecting payload data in order to realize low-latency packet forwarding and routing. An optical subcarrier multiplexed (OSCM) optical header attatched to each optical packet can be processed and replaced using relatively low-speed optoelectronics, while the high-speed payload data easily separated from the optical header data remains transparently in the optical domain.
This dissertation proposes a novel method to generate the $2^{nd}$ harmonic subcarrier (2$\omega_{sc}$) multiplexed optical header signals and detect the optical headers without RF fading effects from interaction between the double-sideband (DSB)-OSCM header signal and the optical payload signal. By separating the $2^{nd}$ harmonic DSB-OSCM optical header signal from the combined signal with a conventional fiber Bragg grating filter at the receiver node, we can detect the optical header by a simple square law detector.
The proposed scheme is validated by numerical analysis, simulation and finally by experiments. We first derive an analytic expression for the $2^{nd}$ harmonic optical subcarrier label signal. We can generate the conventional $1^{st}$ harmonic DSB-OSCM signal and the $2^{nd}$ harmonic DSB-OSCM signal by adjusting the bias voltage of external MZ intensity modulator.
Next, we simulate the proposed $2^{nd}$ harmonic DSB-OSCM using VPITransmissionMaker. From the simulation study, we obtain the optimum modulation depth of header signals and improve receiver sensitivity. To confirm the proposed scheme experimentally, optical spectra before and after an FBG filter are compared. BER measurements also show that the header power penalties are maintained within 0.5 dB against $\plusmn$0.04nm wavelength shifts of the fiber Bragg grating filter's center frequency. Our scheme is proved to be robust under environmental change.
From several experiments, it is confirmed that our proposed scheme is successfully applicable to all optical label switching network. By adopting independent modulation and the optical combination of both signals for the DSB-OSCM label signals and the payload signals, we can make the baseband payload signals with any encoding formats and maintain both label and payload signals with high extinction ratio. Also, it is confirmed that the power penalty induced by the linear crosstalk of DSB-OSCM label signal is very small (below about 0.3dB) at a BER of $10^{-9}$ using the proposed technique. Finally, two-span transmission of the payload of 10Gb/s with the $2^{nd}$ harmonic DSB-OSCM label of 1.244Gb/s are demonstrated. In twospan transmission experiments, optical spectra and BER values of both DSB-OSCM label signals and payload signals are analyzed. The spectra of extracted payload and label of back-to-back, after one span, and after two span are little changed. The payload signal experiences very small power penalties induced by crosstalk with label for each span. The penalties are within 0.2 dB. Even though passing multiple optical switching nodes, the optical payload signals maintain high extinction ratio with the DSB-OSCM label signals.
저지연(low-latency) 패킷 포워딩과 라우팅 (packet forwarding and routing)을 달성하기 위해서는 페이로드 데이터에 영향을 미치지 않고 광 헤더를 실시간으로 교환할 수 있어야 한다. 전광 패킷교환망의 각 광교환 노드에서 광 페이로드 데이터 를 광 상태로 투명하게 전달하고 광 헤더 데이터만을 빠른 속도로 교환하려면 간단하고 효율적인 광 헤더 교환 방법이 필요하게 된다. 각 광패킷에 부가된 광 부캐리어다중화 (Optical Subcarrier Multiplexed: OSCM) 헤더 기술을 이용하면, 초고속의 페이로드 데이터를 광 헤더로부터 쉽게 분리하여 광 신호 상태로 광-전 변환없이 투명하게 다음 광 교환노드로 보낼 수 있으며, 광 교환노드에서는 상대적으로 저속의 광전자 기술을 이용하여 다른 광 헤더로 광-전 변환 기술을 이용하여 교환, 처리될 수 있다.
본 논문에서는 2 차 하모닉 OSCM 헤더 신호를 발생시키는 새로운 방식을 제안하고, 발생시킨 2 중 측파대 (Double-sideband: DSB) OSCM 헤더 신호와 광 페이로드 신호를 표준 광브라그 그레이팅(fiber Bragg grating: FBG) 필터를 이용하여 분리하여 상호간섭에 의한 라디오 주파수대 페이딩 효과 (FR fading) 없이 간단한 광수신기 (square-law detector)를 이용하여 광 헤더 신호를 검출할 수 있는 방안을 제시 하였다.
제안한 방식은 수학적 해석방식, 시뮬레이션 적용 및 실험적인 방법으로 검증하였다. 먼저 2 차 하모닉 OSCM 헤더 신호를 발생시킬 수 있는 수학적 해석식 을 유도하고, 유도한 식들로부터 마하젠더 (Mach-Zehnder: MZ) 변조기에 인가되는 바이어스 전압을 조정하여 1 차 하모닉 OSCM 헤더 신호 및 2 차 하모닉 OSCM 헤더 신호를 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
다음으로 광 시뮬레이터 (VPITransmissionMaker)를 사용하여 기존의 1 차 하모닉 OSCM 헤더처리 방식과 제안한 2 차 하모닉 OSCM 헤더 처리 방안을 시뮬레이션을 적용하여 비교하였다. 실험을 하기 전에 제안한 방식에 대한 헤더 신호의 최적 변조 깊이 (modulation depth) 및 수신 감도 개선에 대한 값을 도출하였다. 제안한 방식을 실험결과로부터 검증하기 위해 FBG 필터를 지나기 전,후의 광스펙트럼들을 비교하였고, BER 측정값으로부터 FBG 필터의 중심파장이 $\plusmn$0.04nm 파장변위를 하여도 헤더 파워의 페널티 (power penalty)는 0.5 dB 이내로 유지됨을 알 수 있고, 따라서 제안한 방식이 주변 환경변화에 매우 견조함을 확인하였다.
제안한 2 차 하모닉 OSCM 헤더 처리 방식이 전광 레이블 교환망에 성공적 으로 적용될 수 있음을 확인하기 위해 먼저 DSB-OSCM 레이블 신호와 포맷에 제약을 받지 않는 페이로드 신호를 독립적으로 발생시킨 후 광학적으로 다중화 하였을 때, 상호간섭에 의한 광신호의 왜곡이 없이 각각 높은 소광비를 유지함을 확인 하였다. 또한 $10^{-9}$ BER 기준 값에서 DSB-OSCM 레이블 신호의 선형 누화(crosstalk) 값에 의한 파워 페널티가 매우 작음(약 0.3dB 이하)을 확인하였다. 마지막으로 1.244Gb/s $2^{nd}$ harmonic DSB-OSCM 레이블 신호가 인가된 10Gb/s 속도의 페이로드 광 신호가 광-전 변환없이 각 50 km 거리의 2 구간 광교환노드를 통과하는 전송실험 을 한 후, 광스펙트럼 형태와 BER 값을 분석하였다. 각 광교환노드에서 페이로드 와 레이블의 광스펙트럼의 형태는 거의 변화가 없었으며, 페이로드 신호도 각 교환노드에서 레이블 신호와의 누화에 의한 파워 페널티가 0.2 dB 이내를 유지함을 보여준다. 따라서 제안한 2 차 하모닉 DSB-OSCM 레이블 교환 방식을 이용하여, 광 페이로드 신호를 여러 단계의 교환노드를 통하여 전송이 가능함을 확인하였다.
