All-optical packet switching technologies play an important role for future optical networks. They carry out both header processing and packet routing in optical domain and remove the need of optic-electronic-optic (O/E/O) conversion. So, they provide high throughput, excellent flexibility, band-width efficient optical layer, and overcoming the limitations of electrical routers.
To implement all-optical packet switching, largely two functions should be carried out in optical domain. : All-optical header recognizer and all-optical flip-flop memory. A variety of header processing schemes have been achieved using tunable fiber Bragg gratings (FBGs), a terahertz optical asymmetric demultiplexer (TOAD), and the two-pulse correlation principles in a semiconductor laser amplifier in loop optical mirror (SLALOM). These techniques are mature. However, the disadvantages of these schemes are bulky structure, no cost-efficient, and the need of extra all-optical flip-flop. In this thesis, we achieved two all-optical packet switches using low-cost commercial FP-LDs with external optical injection. The key principle of the optical switch is based on the change of locking threshold by external injection condition and the red-shift of absorption nulls by injection-locking. In first method, we used the properties of multi-wavelength injection-locking of FP-LD and absorption modulation. The optical switch was operated by control signals and CW holding signals, and the extinction ratio of the switched data signals was measured by ~ 6.92 dB. In second method, we used the properties of single-wavelength injection-locking of FP-LD and absorption modulation. Because this optical switch use directly modulated FP-LD by electrical control signal, we can reduce an optical source of control signals. And the extinction ratio of the switched data signals was measured by ~ 5.56 dB. Two optical switches commonly used the header processing rate at 1.25 Gb/s and the payload data rate at 10 Gb/s. The proposed implementation techniques of all-optical packet switch have the advantages of a simple and cost-effective configuration, and solve the problem of the defectively switched data by the finite response time of FP-LD. Moreover, the proposed scheme simultaneously performs both all-optical header processing and packet forwarding without electrical processing and any optical memory.
본 학위논문에서는 주입 잠김 된 페브리 페롯 레이저 다이오드 (FP-LD)의 흡수 변조 특성과 주입 조건에 의한 잠김 문턱 파워의 변화 특성을 이용하여 새로운 방식의 전광 패킷 스위치를 제시하고, FP-LD를 이용한 전광 패킷 스위치는 기존에 널리 연구되어온 비선형 간섭계를 이용한 전광 패킷 스위치에 비해 가격 효율적이고 간단한 구조를 지녔으며, 추가적인 광 형태의 메모리 없이도 전광 헤더 처리 및 그에 따른 패킷 전송을 구현할 수 있다.
FP-LD는 외부 주입광에 대하여 주입광의 편광과 주입광 파장과 자체 공동 모드의 파장 간의 일치 정도에 따라 각기 다른 특성을 보인다. TE 모드의 광이 FP-LD의 발진 모드에 매칭되어 주입되는 경우, 주입 잠김 특성이 나타나며, 이와 달리 TM 모드 광에 대해서는 공동 내부의 낮은 TM 모드 이득에 의해 흡수골이 각 모드 위치에 나타나게 된다. 또한, 주입 잠김된 FP-LD의 출력은 주입 잠김에 의해 공동 모드의 장파장 쪽으로의 천이 (red-shift), 광 쌍안정성 곡선 등의 특성을 나타낸다.
이러한 FP-LD의 주입 잠김에 의한 흡수 골의 red-shift를 이용하여, TM 편광 성분의 패킷 데이터를 주입 잠김 전에 흡수 골에 빠뜨려 놓으면, 다른 TE 편광 성분의 신호들이 FP-LD의 주입 잠김을 일으키면, TM 편광 성분의 패킷 데이터는 흡수 골로부터 빠져 나와 FP-LD를 통해 전송하게 된다. 이와 같은 스위치 동작을 구현하기 위해서는 TE 편광 된 신호와 TM 편광 된 신호의 파장 조건 및 파워를 적절히 조절해야 한다.
우선 3장에서 제안한 전광 패킷 스위치를 살펴보면, 데이터 신호를 비롯, 제어 신호와 CW 고정 신호가 동시에 FP-LD로 주입이 된다. 이때, 데이터 신호는 1.25 Gb/s의 헤더 비트와 10 Gb/s의 페이로드 비트로 이루어져 있고, TM 편광 성분과 TE편광 성분을 동시에 지니도록 편광 조절기에 의해 맞춘다. 데이터의 TE 편광 성분은 제어 신호에 의한 주입 잠김 동작을 보조하는 역할을 하며, 데이터의 TM 편광 성분은 FP-LD 스위치의 출력 신호로 나오게 된다. 제어 신호는 트리거와 트레일러로 이루어진 2 단계 파워를 지니고 있다. 따라서, 펄스 폭 800 ps 를 지닌 제어 신호의 트리거가 데이터 신호의 헤더 비트와 매칭되면, 데이터 신호의 헤더 비트의 TE 편광 성분은 잠김 문턱 파워를 순간적으로 낮추는 역할을 하기 때문에, 이때 FP-LD의 주입 잠김이 일어 난다. 이와 같은 동작은 오직 제어 신호의 트리거와 데이터의 헤더 비트가 만날 때만 일어나며, 그렇지 않은 경우에는 FP-LD의 주입 잠김이 일어나지 않는다. 한편, 주입 잠김이 일어 난 후에는 제어 신호의 트레일러의 파워 레벨에 의해 주입 잠김 상태가 유지가 된다. 주입 잠김의 활성 여부에 따라 TM 모드 흡수 변조가 일어나 데이터의 TM 편광 성분의 온/오프 스위칭이 일어난다. 이때 스위칭 된 데이터의 소광비는 약 6.92 dB이다. 다음으로 4장에서 제안한 전광 패킷 스위치는 앞서 제안된 스위치와 비교, CW 고정신호와 제어 신호를 위한 외부 광원을 생략하였다. 대신, 스위치 역할을 하는 FP-LD 자체가 전기 제어 신호로 직접 변조가 되면서 제어 신호의 광원 역할을 하였다. 따라서, 입력되는 데이터 신호 단독으로 FP-LD의 주입 잠김을 일으키고 그와 동시에 스위칭 되는 출력 신호 역할을 한다. 마찬가지로, 입력 데이터 신호는 편광 조절기를 통해 TE 편광 성분과 TM 편광 성분을 동시에 적절히 지니도록 맞춰진다. 데이터의 TE 편광 성분은 FP-LD의 주입 잠김 동작을 일으키며, 데이터의 TM 편광 성분은 FP-LD 스위치의 출력 신호로 나온다. 이때, TE 편광 성분의 파워는 FP-LD 스위치의 주입잠김의 문턱 파워 이상이 되어야 한다. 전기 제어 신호와 광 데이터 패킷의 비트 속도와 비트 패턴은 앞서 제안한 스위치와 같다. 이 스위치에서는 FP-LD가 2 단계 파워를 지닌 전기 제어 신호로 직접 변조가 되기 때문에, FP-LD의 변조 파워의 값에 따라 FP-LD의 장파장 천이 값이 결정이 되고, 이에 따라 FP-LD의 잠김 문턱 파워가 조절이 된다. FP-LD의 트리거 레벨 파워에서 잠김 문턱 파워가 순간적으로 낮아지기 때문에, 앞서 제안된 스위치와 마찬가지로, 이때 데이터의 헤더 비트가 매칭이 되면, FP-LD의 주입 잠김이 일어나며, 그렇지 않은 경우에는 주입 잠김이 일어나지 않는다. 이때, 입력되는 데이터의 1비트와 0비트의 파워는 FP-LD 스위치의 주입 잠김에 대한 문턱 파워에 의해 결정된다. 즉, 3장의 스위치와 달리, 이 스위치는 입력 데이터의 소광비를 조절해야 한다. TM 모드 흡수 변조에 따라 스위칭 된 데이터의 소광비는 약 ~5.56 dB이다.
본 논문에서 제안된 전광 패킷 스위치는 1.25 Gb/s의 헤더 처리 속도를 지니며, 흡수 변조를 이용함으로써, 이전에 제안된 FP-LD를 이용한 전광 패킷 스위치가 FP-LD의 응답 속도로 인해 불완전한 스위칭 동작이 일어나 OFF되어야 하는 헤더 비트의 일부분이 전송되는 문제를 해결할 수 있었다. 또한 FP-LD 칩 하나로 헤더 처리와 패킷 전송을 동시에 수행할 수 있는 간단한 구조를 지녔으며, 저가의 FP-LD를 이용하였기에 가격 효율적인 장점을 지닌다.
