Physical layer technologies for an optical burst-mode add-drop multiplexing (OB-ADM) system are proposed to realize an OB-ADM ring network which has been introduced as a practical application of wavelength-division-multiplexed (WDM) optical burst switching (OBS) technologies. In OBS networks, the power of an optical channel fluctuates because optical bursts (OBs) of sub-millisecond in length are generated occasionally. The OBs result in abrupt amplitude changes in input and output signals of optical communications devices. Thus, the OBS network requires stringent devices, e.g., optical transmitters, receivers, and amplifiers that support the burst-mode operation. Another typical feature of the OBS network is that it sends control packets ahead of the corresponding OBs to secure the enough time for control packet processing and to eliminate needs for optical buffers. Thus, stable processing of the control packets is essential to the OBS network. Also, the OBS network requires faster optical switching than circuit-switched networks because of the short length of OBs. Therefore, this dissertation describes physical layer technologies such as stable control packet processing, fast optical switching, burst-mode transmission, amplification, and receipt which are essential to realize the OB-ADM system. New schemes for each technology are proposed and applied to the system.
For the control packet processing, existing optical header generation and processing technologies can be utilized because they can be applied to the OBS network by adoption of the offset time. In this dissertation, carrier-suppressed second harmonic subcarrier-multiplexing (CS-SH-SCM) and wavelength-offset polarization division multiplexing (PDM) are proposed as robust in-band signaling techniques. A dedicated channel allocation is also proposed as a practical out-of-band signaling technique. A burst control packet (BCP) must be strong to the burst-mode operation or crosstalks to deliver payload information safely. The CS-SH-SCM technique doubles the subcarrier frequency of an optical header so that it helps easy separation of the header from a payload and results in crosstalk reduction. Experimental results of two-span transmission of 10-Gb/s payloads with 1.244-Gb/s CS-SH-SCM headers show robustness of this scheme. The wavelength offset PDM technique deviates the header wavelength from the payload wavelength to suppress crosstalk effects induced by polarization variations. 10-GHz wavelength offset reduces the power penalty up to 0.08 dB even for the 20 dB crosstalk case. The dedicated channel allocation technique uses the separate wavelength for BCPs. The implemented BCP processor generates BCPs with information of OBs such as the source address, destination address, and offset time at 311.04 Mb/s rate and OBs based on the just-enough-time protocol and runs the BCP channel in continuous mode using the time division multiplexing method. The out-of-band signaling technique is applied to the OB-ADM system.
To optically amplify OBs in the OBS network, transient effects in output bursts of an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) must be resolved. The transient effects arise when power-fluctuating inputs are fed into the EDFA due to slow gain dynamics. To make less- or non-fluctuating inputs, the all-optical gain clamping (AGC), constant-power beam injection and feed-forward gain control are studied. In the AGC technique, the amplified spontaneous emission noise (ASE) is fed-back to the EDFA to fill up the power of void parts. To maximize performance, the ASE channel has to be allocated as close to burst channels as possible. The injection of a BCP channel with the constant power can further relieve the transient. They are applied to the OB-ADM system together to increase effectiveness. To obtain ideal non-fluctuating inputs, the EDFA is forward-fed by a power- modulated BCP channel beam to compensate the deficient power. As results, The EDFA outputs show a maximum 1.7 dB reduction in the gain transient, and 9.953 Gb/s OBs and 2.488 Gb/s BCPs are transmitted stably. In the feed-forward technique, the number of OB channels and the modulation index of the BCP channel must be decided carefully.
For the burst-mode transmitter (BM-Tx), a laser is turned-on and off by a burst-mode driver in several tens of micro-second length and the burst-mode output of the laser is modulated by an external modulator to make a bundle of data. For the BM-receiver (Rx), an AC-coupled avalanche photo diode, a limiting amplifier, and a clock and data recovery (CDR) device are combined. The clock signal is recovered within 17 ns by using a direct filtering method embedded in the CDR. It is enough fast for the burst-mode operation. For fast optical switching, a polarization independent electro-optic switch with the response rising and falling times of 700 ns and 400 ns, respectively, is selected. According to the response times, a guard time of at least 1 μs is applied before and after an OB to switch the OB safely.
The physical layer of the OB-ADM system is implemented by using the control packet processor, burst-mode amplifier, BM-Tx/Rx, and the fast optical switches. In ADM operations, OBs of 10- to 100-μs in length are successfully generated by the BCP processor and some of the OBs are dropped from and added into the ring network in an intermediate node in the sub-wavelength level. In transmission experiments, OBs at 9.953 Gb/s rate show acceptable penalties of less than 1.1 dB per hop originated from burst-mode transmission, receipt, and amplification functions. The OBs can be transported up to 10 nodes in maximum when a BM-Rx with over the 11 dB dynamic range is used. The demonstration shows that the proposed physical layer technologies can realize burst-mode operation of an optical ADM system and the OB-ADM system can successfully provide sub-wavelength granularity to a WDM ring network.
파장 분할 다중화 기반의 광 버스트 교환 (OBS) 기술의 실용적인 응용으로 제안된 광 버스트 모드 합차 다중화(OB-ADM) 링 망을 실현하기 위한 OB-ADM 시스템의 물리계층 구현 기술을 제안한다. OBS 망에서는 수 밀리 초 길이의 광 버스트가 시간 간격을 두고 생성되기 때문에 광 채널의 출력이 요동친다. 생성된 광 버스트는 광통신 소자의 입출력 신호에 급격한 변화를 초래 한다. 따라서, OBS 망에는 버스트 모드 동작을 지원하는 광 송신기, 수신기 및 증폭기 등 까다로운 소자들이 필요하다. 또 다른 OBS 망의 전형적인 특징은 제어 패킷을 처리할 충분한 시간을 확보하고, 광 버퍼의 필요성을 제거하기 위해서 제어 패킷을 광 버스트 보다 앞서 전송한다는 점이다. 따라서, 안정적인 제어 패킷 처리는 OBS 망의 필수 요소이다. 또한, OBS 망에서는 광 버스트의 길이가 짧기 때문에 보다 빠른 속도의 광 스위칭이 필요하다. 따라서, 본 논문은 OB-ADM 시스템을 구현하기 위해 필요한 안정적인 제어 패킷 처리, 고속 광 스위칭, 버스트 송신, 증폭 및 수신의 물리 계층 관련 기술에 대해 연구한다. 또한, 각각의 기술에 대한 새로운 기법이 제안되고 실제 시스템에 적용된다.
기존의 헤더 생성 및 처리 기술에 오프셋 시간을 적용한다면 OBS 망에서 제어 패킷 처리를 위해서 사용할 수 있다. 본 논문에서는, 반송파 억제된 2차 하모닉 부반송파 다중화 (CS-SH-SCM) 와 파장 이동된 편광 분할 다중화 (PDM) 방식이 밴드내 시그널링 기술로 제안된다. 또한, 전용 채널 할당 방식이 밴드외 시그널링 기술로 제안되었다. 버스트 제어 패킷 (BCP) 은 페이로드 정보를 안전하게 전달하기 위해서 버스트 모드 동작 및 페이로드에 의한 누화에 강해야 한다. CS-SH-SCM 기술은 광 헤더의 부반송파 주파수를 두 배로 늘려주어 페이로드와 헤더의 분리를 쉽게 해주며 누화를 억제한다. 10 Gb/s 페이로드와 1.244 Gb/s 헤더에 대한 2 구간 전송 실험 결과는 제안한 방식의 우수함을 보여준다. 파장 이동된 PDM 기술에서는 편광 변화에 의해 발생하는 누화를 억제하기 위해서 헤더의 파장을 페이로드 파장으로부터 조금 벗어나게 한다. 10 GHz 의 파장 이동은 20 dB 누화 발생 시에도 0.08 dB 이하의 패널티를 발생시킨다. 전용 채널 할당 방식은 BCP를 위하여 별도의 파장을 사용한다. 구현된 BCP 처리기는 생성지 주소, 목적지 주소, 오프셋 시간 등의 광 버스트의 정보를 포함한 311.04 Mb/s 속도의 BCP 와 JET 프로토콜 기반의 광 버스트를 생성하고, 시분할 다중화 방법을 이용하여 BCP 채널을 연속 모드로 작동한다. OB-ADM 시스템에는 밴드외 시그널링 방법이 이용된다.
OBS 망에서 광 버스트를 광학적으로 증폭하기 위해서는 EDFA 의 출력에서 발생하는 트랜지언트 효과가 반드시 해결되어야 한다. 트랜지언트 효과는 광출력이 요동치는 신호가 EDFA로 입력될 때 EDFA의 느린 이득 특성 때문에 발생한다. 안정적인 입력 신호를 생성하기 위해, 전광 이득 억제 (AGC), 안정적인 빔 주입 및 전방 되먹임 이득 제어 (FFGC) 방법이 연구된다. AGC 기술은 광 출력이 빈 공간을 메우기 위해 EDFA 의 자발 방출 잡음 (ASE) 을 되먹인다. ASE 채널은 버스트 채널과 가능하면 가까이 두어 성능을 최대화한다. 안정적인 광출력을 갖는 BCP 채널을 주입하면 트랜지언트를 더 억제할 수 있다. 효율을 높이기 위해 이 두 가지 기술이 OB-ADM 시스템에 함께 적용된다. 이상적인 요동 없는 입력을 만들기 위해 광출력이 부족한 부분을 보상하기 위해서 출력이 변조된 BCP 채널을 전방 되먹임 한다. 결과로, 1.7 dB 의 트랜지언트가 감소하고, 9.953 Gb/s 광버슬와 2.488 Gb/s BCP 가 안정적 으로 전송된다. FFGC 방법에서는 OB 채널의 수와 BCP 채널의 변조 계수가 신중하게 결정되어야 한다.
버스트 데이터를 만들기 위해서, 버스트 모드 구동기로 수십 마이크로 초 길이로 레이저를 점등 및 소등하고 버스트 모드 출력을 외부 변조기로 변조하는 방식으로 버스트 모드 송신기를 구현한다. 버스트 모드 송신기는 AC 결합된 광 다이오드, 제한 증폭기, 시간 및 데이터 복구 장치 (CDR) 로 구성된다. CDR 에 내장된 직접 필터링 방식을 이용하여 17 ns 내에 시간 정보가 복구된다. 고속 광 스위칭을 위해서 700 ns 및 400 ns 의 상승 및 하강 시간을 갖는 편광 무관한 전광 스위치가 사용된다. 반응 시간에 대한 분석을 통해, 광 버스트를 안정적으로 스위치하기 위해서 광 버스트 앞뒤로 최소 1 $\mus$ 이상의 보호 시간이 적용된다.
제어 패킷 처리기, 버스트 모드 증폭기, 송신기 및 수신기 그리고 고속 광 스위치를 이용하여 OB-ADM 시스템의 물리 계층을 구현한다. 10 에서 100 $\mus$ 길이의 광 버스트들이 BCP 처리기에 의해서 생성되고, 일부 광 버스트가 링 망의 중간 노드에서 부파장 수준으로 합차된다. 전송 실험에서는, 9.953 Gb/s 속도의 광 버스트가 버스트 모드 송수신 및 증폭 기능에 의해 홉당 1.1 dB 라는 패널티를 보인다. 이 경우, 만약 11 dB 이상의 작동 범위를 가지는 수신기를 사용하면 최대 10 노드를 전송할 수 있다. ADM 및 전송 시연은 제 안된 물리 계층 기술로 OB-ADM 시스템을 구현할 수 있음을 보여주고, OB-ADM 시스템이 파장 분할 다중화 기반의 링 망에서 데이터를 부파장 단위로 제어할 수 있음을 보여준다.
