The wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM PON) based on the reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) is one of the most promising candidates for the next-generation broadband access network. This network is usually configured in loop-back architecture for the colorless operation of optical network units (ONUs). For example, the seed light provided from the central office (CO) is directly modulated by the RSOA located at the ONU, and sent back to the CO as an upstream signal. As a result, the maximum reach of this network is often restricted by the power budget of the upstream signal. In principle, there are two methods to improve the power budget of the upstream signal; increment of the power of the seed light and improvement of the receiver sensitivity. However, if we simply increase the output power of the seed light, the reflection tolerance can be deteriorated since the power of the reflected seed light is also increased. For the improvement of the receiver sensitivity, either the coherent receiver or the direct-detection receiver with an optical pre-amplifier can be used. In particular, by using the coherent detection technique, it is possible to utilize the phase information for the signal’s modulation and achieve the near quantum-limited receiver sensitivity.
In this dissertation, the limited transmission distance of the RSOA-based WDM PON is extended by utilizing the coherent receivers and phase-modulated RSOAs. For a demonstration, 1.25-Gb/s differential phase-shift keying (DPSK) signal, generated by directly modulating the RSOA, is transmitted over 110-km long single mode fiber (SMF) link without using any optical amplifiers. In addition, the operating speed of this system is increased to 5 Gb/s by using the quadrature phase-shift keying (QPSK) format in a transmission experiment over 100-km long SMF link. These results showed that the long-reach (>100 km), high-speed (>5 Gb/s) RSOA-based WDM PON can be realized by utilizing the phase modulation technique of the RSOA and coherent receiver.
Firstly, it is proposed to generate the DPSK signal from the directly modulated RSOA. When the RSOA is directly modulated, both the amplitude and phase of the output signal vary with the modulation current (due to the changes in the carrier density of the RSOA). Thus, the RSOA can be considered as an external phase modulator having a gain on the amplitude of the signal. The advantages of generating the DPSK signal, instead of the amplitude-shift keying (ASK) signal, from the directly modulated RSOA are as follows. Firstly, it is possible to improve the receiver sensitivity since the symbol distance of the DPSK signal is twice longer than that of the ASK signal. In addition, it is noted that there is no significant difference in the complexities of the coherent receivers for the ASK and DPSK signals. Secondly, it is possible to reduce the modulation current (and the power consumption) required to generate the upstream signal since it requires much less current to achieve the ideal phase modulation (PM) index of $\pi$/2 than the ideal amplitude modulation (AM) index of 1. Thus, the modulation current is optimized to achieve the maximum phase shift of $\pi$ instead of maximizing the extinction ratio. However, when the RSOA is utilized as a phase modulator, the system’s performance can be deteriorated by the unwanted AM components. This effect is evaluated by estimating the symbol distances from the measured values of the AM and PM indices of the RSOA. The results show that the maximum symbol distance can be obtained at the PM index of ~$\pi$/2, indicating that the power penalty caused by the unwanted AM components is negligibly small. Thus, even when the RSOA is utilized as a phase modulator, the receiver sensitivity is almost identical to the case of using the conventional external phase modulator such as a $LiNbO_3$-based phase modulator. In addition, by using the RSOA as a phase modulator, the excellent receiver sensitivity of -49.8 dBm at the bit-error rate (BER) of $10^{-4}$ is achieved for the 1.25-Gb/s DPSK signal.
When the DPSK signal is generated by using the directly modulated RSOA, its bit rate is limited to 1.25 Gb/s due to the inherently narrow bandwidth of the RSOA. Thus, to further increase the operating speed of the RSOA, it is necessary to utilize the multi-level modulation formats and electronic equalization techniques. There are two options for the multi-level modulation format; 4-ary pulse amplitude modulation (PAM) and QPSK. However, the QPSK signal is more attractive than the 4-ary PAM signal since its sensitivity is superior to the 4-ary PAM signal by 6.6 dB. Thus, the QPSK signal can be generated by directly modulating the RSOA with a proper 4-level electrical signal. However, unlike in the case of using the conventional phase modulator, the unwanted AM component can distort the signal’s constellation and degrade the receiver sensitivity. This degradation, which is dependent on the linewidth enhancement factor, $\alpha$, of the RSOA, is calculated to be 1 dB for the RSOA used in this dissertation (i.e., $\alpha$ = 12.8). This result shows that, in spite of this 1-dB penalty, the QPSK signal is better than the 4-ary PAM signal for the high-speed operation of the RSOA. The receiver sensitivity of the 5-Gbps QPSK signal generated by using the pro-posed technique is measured to be -42.6 dBm at the BER of $10^{-4}$.
For the detection of both the DPSK and QPSK signals, a coherent receiver is used. However, the conventional coherent receiver can be prohibitively expensive for the use in the access network since it requires an extra light source for the local oscillator (LO) and its frequency-control circuitry. To cope with this problem, a cost-effective self-homodyne receiver is implemented by using a portion of the seed light as the LO. Thus, there is no need to use any extra light sources for the LO and its frequency-control circuitry. In addition, since the reflected seed light has the same optical frequency with the LO, the beating noise between the reflected seed light and LO falls into the low-frequency region near dc. Thus, this reflection-induced noise can be easily eliminated by using a high-pass filter. As a result, the tolerance to the reflection of the seed light can be significantly improved. To further improve the cost-effectiveness of this self-homodyne receiver, a 3x3 fiber coupler is used as a 120-degree optical hybrid instead of using an expensive 90-degree optical hybrid. The imperfections of the 3x3 fiber coupler (such as the asymmetric coupling ratios and phase shifts) as well as the different responsitivities of the photo-detectors can be easily compensated. By using the implemented self-homodyne receiver, the error-free transmission of 1.25-Gb/s DPSK signal over 110-km long SMF link and 5-Gb/s QPSK signal over 100-km long SMF link without using any optical amplifiers have been demonstrated. In addition, it is shown that the realized system is completely immune to the reflection of the seed light.
최근 인터넷의 보급률이 증가하고 각종 멀티미디어 서비스가 일반화됨에 따라서 광가입자망(optical access network)의 전송 용량 확대가 지속적으로 요구되고 있다. 이러한 요구를 수용하기 위하여 광섬유를 각 가정에 있는 가입자 단말 장치(optical network unit)까지 연결하여 초고속 광대역 데이터의 전송을 가능하게 해주는 FTTH(Fiber-to-the-home) 방식 광가입자망에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 FTTH 방식 광가입자망의 구조로는 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망(WDM PON: Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network)이 주목 받고 있다. WDM PON은 각 가입자 별로 서로 다른 파장을 할당하여 통신을 하기 때문에 넓은 대역폭(bandwidth)을 제공할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 망을 구성할 때 별도의 전원공급이 필요 없는 수동형 광소자 및 부품을 사용하기 때문에 망의 관리나 유지 보수가 쉽다는 장점도 가지고 있다. 그러나 이와 같은 장점에도 불구하고, 각 가입자마다 고유한 파장을 할당해야 하므로 가입자 광원에 대한 가격적인 부담으로 인하여 널리 포설되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 WDM PON을 경제적으로 구현하기 위해서는 colorless 특징을 갖는 가입자 광원의 사용이 필수적으로 요구되고 있다. 이를 위하여 최근 RSOA가 WDM PON의 경제적인 가입자 광원으로 주목받고 있다. RSOA를 가입자 광원으로 사용하는 WDM PON이 차세대은 일반적으로 중앙기지국(central office)에서 시드광원(seed light)을 가입자 단말 장치에 위치한 RSOA로 전송하고, RSOA는 이를 직접 변조(direct modulation)하여 상향신호(upstream signal)를 생성한 후, 다시 중앙기지국으로 전송하는 loop-back 구조로 구성된다. 따라서 loop-back 구조를 가지는 RSOA 기반 WDM PON의 최대 전송거리는 상향신호의 power budget에 의해 제한되는 문제점이 있다. 또한 시스템의 전송 링크(transmission link)에서 Rayleigh 역산란(back scattering)이나 커넥터(connector) 등의 불량으로 인하여 시드광원의 반사(reflection)가 발생하는 경우에는 시스템의 성능이 저하되어 power budget이 감소되기 때문에 시드광원의 반사 또한 최대 전송거리를 제한하는 원인 중 하나이다. Loop-back 구조를 가지는 RSOA 기반 WDM PON에서 상향신호의 power budget 문제를 해결하여 최대 전송거리를 증가시키기 위한 방안으로는 시드광원의 파워(power)를 증가시키거나 광수신기(optical receiver)의 수신감도(sensitivity)를 증가시키는 방법이 있다. 그러나 단순히 시드광원의 파워를 증가시키는 경우에는 반사된 시드광원의 파워 또한 증가하기 때문에 시스템의 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 광수신기의 수신감도를 증가시키는 방안으로는 광증폭기(optical amplifier)나 코히런트 수신기(coherent receiver)를 사용하는 방법이 있다. 그러나 광증폭기를 사용하는 경우에는 시스템의 최대 전송거리를 증가시킬 수는 있지만, 가격이 비싸고 유지 및 보수를 위한 비용이 들기 때문에 경제성이 중요시되는 WDM PON에는 적합하지 못하다. 반면에 코히런트 수신기는 중앙기지국과 가입자 단말 장치 사이에 위치하는 광증폭기와는 달리 중앙기지국에 위치하기 때문에 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다. 이뿐만 아니라 코히런트 수신기가 광증폭기에 비해 갖는 장점은 다음과 같다.
첫째, 코히런트 수신기는 신호의 세기(intensity)뿐만 아니라 위상(phase)도 수신하기 때문에 세기변조 신호(intensity modulated signal) 대신 위상변조 신호(phase modulated signal)를 사용하여 수신기의 성능을 더욱 증가시킬 수 있다.
둘째, 코히런트 수신기는 시드광원의 반사에 대한 내성이 강하기 때문에 앞서 언급된 시드광원의 반사 문제도 해결할 수 있다.
셋째, 코히런트 수신기는 이퀄라이져의 구현이 매우 손쉽고, 신호의 위상정보를 이용하여 이퀄라이져의 성능을 좋게 만들 수 있기 때문에 시스템의 전송 속도를 증가시키기 쉽다.
넷째, 코히런트 수신기는 광증폭기에 비해 이론적인 수신감도에 도달하기가 용이하다. 따라서 본 논문에서는 코히런트 수신기를 사용하여 RSOA 기반 WDM PON의 최대 전송거리 및 전송속도를 증가시키는 연구를 수행한다. 우선 코히런트 수신기의 장점을 살리기 위하여 직접 변조된 RSOA를 사용하여 위상변조 신호를 생성하는 방법을 제안한다. RSOA를 직접 변조하는 경우에는 변조된 신호의 진폭뿐만 아니라 위상 또한 변하게 된다. 이 특성을 이용하여 직접 변조된 RSOA의 위상 편이변조(PSK: Phase Shift-Keying) 신호를 생성하는 방법을 제안한다. RSOA를 직접 변조하여 PSK 신호를 생성하는 원리를 설명한 후, 그 성능을 이론적으로 분석한다. 그리고 실험을 통하여 생성된 PSK 신호의 성능을 측정한다. 그러나 바이너리(binary) 데이터를 사용하여 변조할 수 있는 RSOA의 최대 속도는 2.5 Gb/s 이므로, 제안된 PSK 신호의 변조 속도 또한 2.5 Gb/s로 제한된다. 따라서 2.5 Gb/s 이상의 전송속도가 요구되는 WDM PON에서는 이퀄라이져(electronic equalizer) 및 멀티레벨(multi-level) 변조방식의 사용이 요구된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 직접 변조된 RSOA의 직교 위상편이 변조(QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying) 신호를 생성하는 방법을 제안한다. RSOA를 직접 변조하여 QPSK 신호를 생성하는 원리를 설명한 후, 그 성능을 이론적으로 분석한다. 그리고 실험을 통하여 생성된 QPSK 신호의 성능을 측정한다. 다음으로 RSOA와 코히런트 수신기를 사용하는 WDM PON을 경제적으로 구현하기 위하여 코히런트 수신기의 경제적인 구현 방안을 논의한다. 기존의 코히런트 수신기는 로컬 오실레이터(local oscillator)를 위해 별도의 레이저(laser)가 필요하고, 이 레이저의 주파수를 조절하기 위한 복잡한 회로가 필요하기 때문에 가격이 비싸지는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위한 코히런트 수신기의 구조로는 기존에 제안된 self-homodyne 수신기를 고려한다. 그러나 이 self-homodyne 수신기는 개념만 제안되었기 때문에, 본 논문에서는 이 self-homodyne 수신기의 경제적인 구현 방안을 제시한다. 구현된 self-homodyne 수신기와 RSOA를 직접 변조하여 생성한 PSK 신호 및 QPSK 신호를 사용하여 전송실험을 수행하고, RSOA 기반 장거리(long-reach) 및 고속(high-speed) WDM PON의 가능성에 대해 기술한다.
