Due to the rapid growth of data-centric services, the capacity demand on the optical transport network has been drastically increased. As a result, the spectral efficiency (SE) has become one of the most critical issues for the realization of the next-generation high-speed optical transport network. To solve this problem, a wide variety of modulation formats has been proposed and demonstrated. Among them, multi-level phase shift keying (PSK) format has attracted considerable interests due to the possibility of obtaining the SE greater than 1 bit/s/Hz/polarization (which is often referred as the Nyquist limit) and its simple configuration in comparison with the other multi-level modulation formats such as QAM. In fact, using these PSK formats, 100 Gb/s-based high-speed transmission experiments have been already demonstrated. However, in the WDM system, the transmission performance of optical signal can be seriously degraded by the filtering effect caused by the reconfigurable optical add-drop multiplexers (ROADMs) and various optical filters placed along the transmission links. Since the performance degradation caused by this filtering effect depends not only on the channel spacing but also the modulation format, it is necessary to evaluate the filtering effect per each modulation format used.
In this thesis, the effects of optical filtering on various types of PSK signals are thoroughly investigated by comparing the BER performances of BPSK, QPSK and 8PSK signals operating at 40 Gb/s. The results show that the QPSK signal is robust against the optical filtering although it has wider spectrum than the 8PSK signal. For example, in the WDM system having a channel spacing of 25 GHz, the OSNR penalty caused by a narrow optical filter is almost same for both QPSK and 8PSK signals operating at 40 Gb/s. Thus, it is concluded that the QPSK signal can provide better transmission performances than the 8PSK signal in the densely-spaced WDM networks implemented for the high-spectral efficiency.
최근 각종 데이터 서비스의 급격한 증가와 정보화의 발전으로 광통신망의 전송 용량의 확대가 점점 더 요구되고 있다. 이러한 요구로 인해 현재 대부분의 광전송 시스템에서 채택하고 있는 10 Gb/s급 광신호를 40 Gb/s로 증가시키는 작업이 진행되고 있으며, 최근에는 이를 100 Gb/s 급으로 증가시키는 방안의 표준화 작업이 IEEE, ITU 등에서 진행되고 있다. 또한 50 GHz의 채널 간격 (channel spacing)으로 파장분할다중화 (Wavelength Division Multiplexing: WDM) 되어있는 구조를 25 GHz 등의 조밀한 간격으로 향상시키려는 노력이 계속되고 있다. 이러한 변화는 높은 주파수 효율을 가지는 시스템이라는 장점에서 기인한 것으로 한정된 주파수 대역 안에서 얼마나 많은 용량을 전송할 수 있는지에 대한 문제로 귀결된다. 기존의 이진 변조방식들의 주파수 효율이 1 bit/s/Hz/polarization에 한정 되어있는 것에 비해, 한 심볼에 2개 이상의 비트를 사용하는 경우에는 그 이상의 주파수 효율을 얻을 수 있기 때문에 이러한 멀티레벨 변조방식을 사용하여 많은 연구팀들에서 100 Gb/s이상의 초고속 전송 실험이 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 차동 4위상변조 (Differential Quadrature Phase Keying) 방식을 balanced detection으로 전송하거나 [1]-[2], 편광 다중화된(Polarization-multiplexed: PolMux) RZ-QPSK(Return-to-zero Quadrature Phase Keying) 신호를 코히어런트 수신기를 사용해서 전송한 연구결과가 있었다 [3]-[4]. 그 밖에도PolMux-RZ-8PSK나 PolMux-16QAM 신호의 코히어런트 수신기를 사용한 전송 실험이 이루어졌다 [5]-[6]. 하지만 이러한 신호를 실제 WDM 구조로 전송할 시에는 채널간의 정보를 분리하기 위한 interleaver나 Arrayed Waveguide Grating (AWG)으로 인해 필터링 효과를 겪게 된다. 또한 메트로 망에서는 가변 광파장다중화기 (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer: ROADM)의 직렬적 연결로 인해 필터링 효과가 중첩되어 전송 성능의 열화가 생길 수 있다. 따라서 채널 간격에 따라 ROADM의 추가적인 필터링 영향이 감안된 가장 적합한 변조방식을 분석하기 위해서는 필터링 대역폭에 따른 각 변조방식의 성능 변화가 반드시 고려되어야 한다. 그러나, 지금까지 이에 대한 자세한 연구는 보고된 바 없다.
본 논문에서는 특정한 채널 간격을 가진 시스템에서 최적의 변조방식을 찾기 위해, 총 비트 전송률을 고정시키고 변조방식을 바꾸어 가면서 광신호 대 잡음비 (Optical-signal-to-noise ratio: OSNR)에 따른 비트오율 (Bit-error ratio)을 측정하였다. 특히, 멀티레벨 위상변조방식 (Phase Shift Keying: PSK) 신호는 변조와 복조 과정이 비교적 간단하며, 광섬유의 비선형 현상에 강한 내성을 가지고 있고, OOK (On-Off Keying) 방식보다 좋은 수신감도를 가지고 있는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 BPSK, QPSK, 8PSK의 신호를 멀티레벨 신호 수신에 적합한 코히어런트 수신기 (Coherent receiver)를 사용하여 비교를 하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 높은 주파수 효율을 위한 멀티레벨 변조방식을 기술하고, 특별히 멀티레벨 위상변조방식에 대해 논의한다. 제 3장에서는 코히어런트 수신기에 대해 다루고 이를 사용해 멀티레벨 위상변조방식의 성능을 측정하였다. 제 4장에서는 단일 채널에서의 각 변조방식의 필터링 영향을 살펴보았다. 그리고 WDM 채널에서의 40 Gb/s 신호의 전송에 대해 제 5장에서 기술하였다. 마지막으로 제 6장에서는 본 논문의 내용을 요약하고 결론을 맺는다.
