The wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM PON) has long been considered as an ultimate solution for the next-generation broadband access network capable of providing >10-Gb/s service to each subscriber. However, to further enhance the competitiveness of the WDM PON, we should be able to increase its operating speed and maximum reach cost-effectively. Thus, it would be desirable to utilize the colorless light source at the optical network unit (ONU), while avoiding the use of the expensive external modulators and the remote optical amplifiers. One possible solution to satisfy these requirements is the WDM PON based on the directly-modulated reflective semiconductor optical amplifier (RSOA). How-ever, its operating speed has been limited to be ~2.5 Gb/s due to the inherently narrow modulation bandwidth of the RSOA. In this dissertation, the cost-effective way to increase the operating speed and maximum reach of RSOA-based WDM PON is proposed. Firstly, the 10-Gb/s RSOA-based WDM PON is developed by utilizing the electronic equalization technique and multi-level modulation format to compensate for the lim-ited modulation bandwidth of RSOA. Secondly, by using the proposed cost-effective coherent receiver, the maximum reach of 10-Gb/s RSOA-based WDM PON is extended to be ~80 km without using any remote optical amplifiers. Finally, a long-reach RSOA-based WDM PON capable of providing 100-Gb/s service to each subscriber is proposed and demonstrated for the next-generation optical access networks.
A simple method to increase the transmission speed to >10 Gb/s would be the use of the high-speed external modulators at the ONUs. However, since this method requires an additional 10-Gb/s modulator at every ONU, it is not realistic for the use in cost-sensitive access networks. Thus, the use of electronic equal-ization technique is proposed to implement a 10-Gb/s RSOA-based WDM PON. Unlike the semiconductor lasers, the frequency response of the RSOA has a smooth roll-off with no relaxation oscillation peak, while its modulation has a good linearity similar to the laser diode. These properties are almost ideal for the electron-ic equalization using the decision feedback equalizer (DFE) consisting of feed-forward and feed-back filters. In the back-to-back transmission, the power penalty caused by the limited bandwidth of the RSOA can be suppressed to 2.5 dB by using electronic equalizers. However, the improvement of the power budget is still required for the proper operation of the 10-Gb/s WDM PON. This objective can be achieved by using the forward error correction (FEC) code. In fact, the effectiveness of the FEC code has been already reported for the stationary random errors. However, in the case of the 10-Gb/s WDM PON implemented by using the directly-modulated RSOA, the effectiveness of the FEC code can be quite different since the limited modula-tion bandwidth alters the statistical property of error occurrences. To identify the proper FEC code for the bandwidth-limited RSOA, the statistical property of the error occurrences is examined. The results show that bit errors have strong pattern dependence, and the burst errors are likely to occur. Thus, Reed-Solomon (RS) code is utilized to tackle these burst errors. Then, the impacts of the redundancy of the RS code on the system’s performance are evaluated. The results show that there is a trade-off between the coding gain and the penalty induced by the increased line rate (due to the use of the FEC code). Using these results, the op-timum redundancy of the FEC code is identified in the 10-Gb/s WDM PON implemented by using our RSOA.
The performance of the 10-Gb/s WDM PON implemented by directly-modulated RSOA becomes un-usually sensitive to the chromatic dispersion (CD). Thus, the effect of CD is investigated in the 10-Gb/s WDM PON implemented by using bandwidth-limited RSOAs and electronic equalizers. For this purpose, various parameters of the RSOA including the amplifier’s gain, carrier lifetime, and linewidth enhancement factor are measured. Then, a simulation model of the RSOA-based transmission link is developed by using rate equations. This model can take into account the effects of the RSOA’s chirp and the electrical parasitics in its driving circuitry. By using this model, the CD tolerance is evaluated in the RSOA-based WDM PON. Also, the physical mechanism behind the unusually high sensitivity to the CD is identified. The results show that this network becomes unusually sensitive to CD since the high-frequency components in the already extremely bandwidth-limited signal (due to the use of RSOA) are further reduced by CD. Thus, the electronic equalizer cannot recover the signal properly. To solve this problem, the possibility of using the 4-ary pulse amplitude modulated (PAM) signal is evaluated. Due to the compact spectrum of the 4-ary PAM, the impacts of the limited bandwidth as well as the sensitivity to CD significantly can be alleviated. In addition, 4-ary PAM is relatively simple to implement (in comparison with other advanced modulation formats used for WDM PONs such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)), and the electronic equalization technology for PAM signals is matured. Thus, the 4-ary PAM signal is well suited for the cost-effective implementation of the next-generation WDM PON. For a demonstration, the 5.5-Gbaud 4-ary PAM signal obtained by directly-modulating an RSOA is transmitted. The results show that the CD tolerance is substantially improved and the transmission distance is increased up to >20 km.
Recently, there have been increasing interests in long-reach PON due to the possibility of reducing the cost per subscriber by increasing the coverage of the central office (CO). For this purpose, a long-reach WDM PON is demonstrated in loopback configuration implemented by using RSOAs and self-homodyne coherent receivers. This network is completely passive since there is no need to use the remote amplifier in the outside plant. In addition, to enhance its cost-effectiveness, the coherent receiver is realized by using a portion of the seed light (used to generate the upstream signal) as a local oscillator and an inexpensive 3x3 fiber coupler as a 120o optical hybrid. To achieve the polarization stability of the upstream signal at the input of the coherent receiver, a 45o Faraday rotator (FR) is placed in front of the RSOA in the ONU. As a result, the state-of-polarization (SOP) of the upstream signal becomes orthogonal to that of the linearly polar-ized seed light at the input of the coherent receiver located at the CO, regardless of the birefringence in the transmission link. Thus, the upstream signal can be detected by using a single-polarization coherent receiver instead of the expensive polarization-diversity receiver. Then, for the 10-Gb/s operation of the TO-can packaged RSOA, the quadrature phase shift keying (QPSK) format together with the electronic equalization technique is used. However, the conventional electronic equalization technique cannot be used in the coher-ent receiver since there is no intensity information reflecting the bandwidth-limited response of the RSOA in the phase-modulated signal. To solve this problem, the electronic equalizer is applied only to the phase por-tion of the signal. The result show that, due to the excellent sensitivity of the digital coherent receiver, the maximum reach of this network can be increased to ~80 km without using any remote Erbium-doped fiber amplifier (EDFA).
Due to the recent standardization activities of 100 Gigabit Ethernet (100GbE), there have been grow-ing interests in the 100-Gb/s PON. However, there it is not clear yet how to implement such future broad-band optical access network. In this dissertation, a long-reach WDM PON capable of providing 100-Gb/s service to each subscriber is demonstrated by combining the outputs of four RSOAs at each ONU using the coarse WDM (CWDM) technique. However, although this method can significantly relax the speed re-quirement of the optoelectronic components (as the channel rate becomes one fourth), it is not a simple task to operate the RSOA at 25 Gb/s due to its narrow modulation bandwidth. To operate the RSOA at 25 Gb/s, it is mounted in a butterfly package (to minimize the electrical parasitics). As a result, the modulation bandwidth of the RSOA is increased to 3.2 GHz (which is found to be limited by the carrier lifetime of the RSOA). This still extremely limited bandwidth of the RSOA is compensated by utilizing the electronic equalization and FEC technique. The results show that the error-free transmission of the 100-Gb/s signal (obtained by combining four 25-Gb/s CWDM channels) is achieved in the wavelength range of >35 nm with sufficient power margins. This result represents the first demonstration of the WDM PON capable of provid-ing 100-Gb/s service to each subscriber.
본 논문에서는 반사형 반도체 광 증폭기(RSOA)를 이용한 초고속 파장분할다중방식 수동형 광가입자망(WDM PON)에 관하여 논의하였다. RSOA는 경제적인 광가입자망의 구현을 위한 경제적인 가입자용 광원으로 주목 받고 있지만 변조 대역폭이 좁은 관계로 구현 가능한 광가입자망의 최대 전송 속도가 크게 제한될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 RSOA의 좁은 변조 대역폭을 극복하고 전송 속도를 10 Gb/s급 이상으로 증가시키기 위한 다양한 기술적 방안들을 제시하고, 구현하고자 하는 광가입자망의 전송 속도 및 전송 거리에 따라 적합한 최적 방안에 관하여 논의하였다.
변조 대역폭이 약 2 GHz에 불과한 RSOA를 이용하여 10 Gb/s급 신호를 전송하기 위해서는 크게 다음 3가지 방안을 생각할 수 있다. 첫째, RSOA의 변조 대역폭 자체를 개선하는 방안이 있다. 가격이 저렴한 TO-can packaged RSOA를 사용하는 경우 이의 주파수 응답 특성은 물론 소자 자체의 주파수 응답 특성으로 인해 제한될 것이나, TO-can 패키지에서 발생하는 electrical parasitics에 의해서도 추가적으로 제한될 수 있다. 이러한 parasistics의 문제점은 TO-can 패키지 대신 butterfly 패키지를 사용함으로써 쉽게 개선할 수 있다. 예를 들면, 본 논문에서는 butterfly 패키지를 사용함으로써 기존의 TO-can 패키지에서 발생하던 electrical parasitics의 영향을 최소화하고 RSOA의 3-dB 변조 대역폭을 약 3.2 GHz로 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 변조 대역폭은 기존의 TO-can 패키지와 비교할 때 약 40% 이상 개선된 값이며, 이와 같이 butterfly 패키지 된 RSOA를 사용할 경우 별다른 기술을 추가적으로 사용하지 않더라도 10 Gb/s급 신호를 에러없이 전송할 수 있다. 그러나, 이 방안을 사용하는 경우 butterfly 패키지가 TO-can 패키지에 비해서 매우 고가인 관계로 광가입자망의 가격 경쟁력이 저하될 수 있다. 둘째, 수신단에서 이퀄라이저를 적용하여 대역폭이 제한된 신호를 복구하는 방안이 있다. 광학적 또는 전기적 이퀄라이저를 모두 사용이 가능하지만 광학적 이퀄라이저를 사용하는 경우에는 광필터의 오프셋 또는 광간섭계의 지연을 조정하기 위한 정밀한 제어 회로가 필요하다. 또한, 광학적 이퀄라이저의 큰 삽입 손실을 보상하기 위한 광증폭기의 사용이 요구되므로 이 방안은 가격적 경쟁력이 매우 떨어진다. 반면, 전기적 이퀄라이저는 기존에 무선 통신망을 위해 널리 연구/개발된 기술로써 광학적 이퀄라이저와 비교하여 가격 경쟁력이 매우 우수하다. 또한, RSOA의 주파수 응답은 좁은 대역폭에도 불구하고 완만한 변화와 relaxation oscillation peak가 존재 하지 않는 특성을 지니기 때문에 finite impulse response (FIR) 필터 기반의 이퀄라이저를 적용하기에 용이한 장점이 있다. 따라서, 수신단에 전기적 이퀄라이저를 사용하는 방안은 최소한의 비용으로 RSOA의 동작 속도를 10 Gb/s급으로 증가시킬 수 있는 매우 효과적인 방안이다. 하지만 대역폭이 제한된 광신호가 광섬유의 색분산에 매우 취약하기 때문에, 전기적 이퀄라이저만을 사용하는 방식은 시스템의 전송 거리를 크게 제한시킨다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 선형 오류 정정(FEC) 코드를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 10 Gb/s급 RSOA 기반 광가입자망의 전송 거리를 20 km 이상으로 증가시킬 수 없다는 문제점을 갖는다. 셋째, 송신단에서 스펙트럼 폭이 좁은 멀티레벨 변조방식을 사용함으로써 RSOA의 좁은 변조 대역폭을 극복하는 방안이 있다. 멀티레벨 변조방식으로는 신호의 진폭만을 변조하는 PAM, 신호의 위상만을 변조하는 PSK, 그리고 신호의 진폭과 위상을 동시에 변조하는 QAM 신호 등이 있지만, RSOA를 통해 변조한 신호의 위상은 그 진폭에 종속적으로 비례하게 결정되기 때문에 신호의 진폭과 위상을 독립적으로 변조하는 QAM 신호의 생성은 불가능하다. 또한, 멀티레벨을 사용하는 경우에는 신호의 전송 성능이 전기적 신호의 신호 대 잡음비 (SNR)에 따라 크게 영향을 받기 때문에 이를 보상하기 위한 전기적 이퀄라이저가 필수적으로 요구된다. 따라서, 신호의 스펙트럼을 무리하게 줄이기 위한 고차의 멀티레벨 변조방식보다는 비교적 손쉽게 생성이 가능한 4레벨의 PAM-4 또는 QPSK 변조방식의 사용이 합리적이라 판단된다. 본 논문에서는 실제로 이와 같은 4레벨 멀티레벨 신호와 전기적 이퀄라이저를 동시에 사용하는 경우에 RSOA를 이용하여 생성한 10 Gb/s급 신호가 광섬유의 색분산에 영향을 받지 않고 20 km 이상 전송이 가능함을 확인하였다.
RSOA를 이용한 10 Gb/s급 광가입자망을 구현할 때, 약 20 km 정도의 전송거리를 목표로 하는 경우에는 앞서 서술한 바와 같이 송신단에서 4레벨 멀티레벨 신호와 TO-can 패키지 된 RSOA를 사용하고 수신단에서 직접 수신 방식에 전기적 이퀄라이저를 사용하는 방안이 가장 합리적인 것으로 판단된다. 하지만, 중앙기지국의 서비스 가능 범위를 50 km 이상으로 대폭적으로 확대하여 필요한 전화국의 수를 크게 감축함으로써 경제성을 제고하기 위한 장거리 광가입자망을 구현하기 위해서는 RSOA의 대역폭 이외에도 중앙기지국과 가입자단 사이의 링크 손실을 극복할 수 있는 방안을 추가적으로 고려해야 한다. 이와 같은 링크 손실을 극복하기 위한 가장 간단한 방안은 전송링크의 중간에 원격 광증폭기를 설치하는 것이다. 하지만 이 방안은 원격 광증폭기를 포설하는 비용과 이러한 광증폭기를 유지/관리하기 위한 비용이 추가적으로 발생하는 관계로 경제적이지 못하다. 또한, 이 방안은 RSOA에 주입되는 주입광이 전송링크를 통과하면서 발생하는 레일리 역산란 성분이 원격 광증폭기에 의해 증폭되어 상향신호와 간섭을 일으키기 때문에 원격 광증폭기의 최대 이득이 제한되며 이는 곧 전송거리의 제한을 가져온다. 이 기술적 문제를 해결하기 위해서는 중앙기지국과 가입자단 사이의 전송링크를 이중으로 포설하여 상향신호와 하향신호를 위한 광섬유를 분리해야 되므로 광자입자망의 경제성이 크게 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 논문에서는 코히런트 수신방식을 장거리 광가입자망에 적용하는 방안에 대하여 검토하였다. 코히런트 수신 방식을 사용하는 경우 코히런트 수신기의 높은 수신감도로 인하여 추가적인 원격 광증폭기를 사용하지 않고도 링크 손실이 큰 장거리 광가입자망을 구현할 수 있다. 또한, 이 방안은 중앙기지국과 가입자단 사이를 완벽하게 수동형 소자만으로 구현하기 때문에 광선로의 중간에 원격 광증폭기를 설치하는 방안과는 달리 광선로의 추가적인 유지/관리 비용이 발생하지 않는다. 뿐만 아니라, 코히런트 수신 방식에서는 레일리 역산란 된 성분을 상향신호와 분리가 가능하기 때문에 레일리 역산란에 의한 신호 성능 열화를 완벽하게 방지할 수 있으며, 직접 수신 방식과 달리 추가적인 분산보상 광섬유(DCF) 등의 색분산 보상 모듈을 사용하지 않고도 회로적으로 신호의 색분산 영향을 완벽하게 보상할 수 있다. 이처럼 코히런트 수신 기술의 많은 장점에도 불구하고 이 방안이 종래에 광가입자망에 널리 사용되지 못했던 이유는 직접 수신 기술에 비해 추가적인 소자들을 많이 사용하기 때문이었다. 이 문제를 해결하고 광자입자망에서 사용될 수 있을 만큼 코히런트 수신기의 경제성을 제고하기 위하여 중앙기지국에 위치한 하나의 레이저를 동시에 가입자장치로 입력되는 주입광과 코히런트 수신기를 위한 국부발진기로 사용함으로써 추가적인 레이저 및 주파수 조절장치를 사용하지 않고 코히런트 수신기를 구현하였다. 또한, 위상 다중화를 위해 고가의 90도 하이브리드 대신 저렴한 3x3 광커플러를 사용하였다. 그리고 가입자장치에 패러데이 로테이터를 설치하여 광신호의 편광을 일정하게 유지함으로써 편광 추적장치 또는 수신단을 두 편광에 대하여 이중으로 구성하는 편광 다중화 장치를 사용하지 않고 코히런트 수신기를 구현하였다. 이와 같은 경제적인 코히런트 수신기술을 사용하면 기존의 원격 광증폭기를 사용하는 방식에 비해 보다 경제적으로 10 Gb/s급 RSOA 기반 장거리 광가입자망의 구현이 가능하다. 코히런트 수신기를 사용하는 경우에는 광신호의 위상을 수신할 수 있기 때문에, 기존의 직접 수신 방식에서 사용한 4레벨 PAM 변조방식 대신에 수신감도가 우수한 4레벨 위상 변조방식인 QPSK 변조방식을 사용하였다. QPSK 변조방식으로부터 얻을 수 있는 수신감도는 4레벨 PAM 변조방식을 사용하는 경우보다 약 6.6 dB 우수하다. 본 논문에서는 코히런트 수신기와 10 Gb/s급 QPSK 신호를 이용하여 RSOA 기반의 WDM PON의 최대 전송거리를 원격 광증폭기의 도움 없이 80 km까지 증대시킬 수 있음을 확인하였다.
각 가입자가 필요로 하는 전송용량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상되며, 2030년경에는 각 가입자당 100 Gb/s급 서비스를 제공할 수 있는 초고속 광가입자망이 필요할 수도 있을 것으로 전망되고 있다. 본 논문에서는 이와 같은 미래의 초고속 광가입자망을 구현할 수 있는 방안을 모색해 보기 위하여 RSOA를 이용한 10 Gb/s급 광가입자망의 구현 이외에도 가입자당 100 Gb/s급 서비스를 제공할 수 있는 초고속 광가입자망의 구현 방안을 모색하였다. 가입자당 100 Gb/s급 서비스를 제공하는 광가입자망을 구현하기 위한 가장 쉬운 방안은 100 Gb/s급 전기 신호와 100 Gb/s급 광변조기를 사용하는 것이나, 현재 이러한 고성능 소자 및 장비는 가격적인 문제로 인하여 광가입자망에 사용하기에 부적합하다. 따라서 본 논문에서는 IEEE 100GbE LR4/ER4 specifications에서와 같이 4개의 파장을 사용하는 CWDM 기술을 통해 전기신호의 속도를 25 Gb/s급으로 제한하고, 이 신호 4채널을 이용하여 100 Gb/s급 신호를 전송하는 방안을 제시하고 시연하였다. 앞서 기술한 멀티레벨 변조방식과 전기적 이퀄라이저를 사용하는 경우에는 TO-can 패키지 된 RSOA의 최대 전송 속도가 15 Gb/s 이하로 제한된다. 따라서, RSOA를 직접 변조하여 25 Gb/s급 신호를 생성하기 위해서는 TO-can 패키지의 electrical parasitics를 최소화할 수 있는 butterfly 패키지 된 RSOA 사용이 필수적이다. 본 논문에서는 이 butterfly 패키지 된 RSOA와 전기적 이퀄라이저를 통하여 25.78 Gb/s급 신호 전송에 성공하였으며, 4개의 CWDM 채널을 결합하여 103 Gb/s급 WDM PON의 구현 가능성을 실험적으로 검증하였다. 25.78 Gb/s급 4채널을 이용하여 103 Gb/s급 신호를 전송하는 방안은 기존에 100 Gb/s 이더넷 신호 전송을 위한 표준으로써(100GBASE-LR4/ER4) 이를 위한 4채널 EML 모듈 및 4채널용 수신기를 위한 집적화 기술이 개발되고 있다. 따라서 이 기술들을 앞으로 좀 더 적극적으로 활용한다면 4채널 RSOA 모듈 및 광가입자망을 위한 4채널 수신기 등을 보다 경제적으로 구현 가능할 것으로 예상된다.
