To accommodate the ever-increasing data traffic, there have been continual efforts to increase the transmission speed of the fiber-optic communication system during the last several decades. For example, the fiber-optic transmission system operating at the speed of 100-Gb/s has already been started to be deployed around the world, and there are now many efforts to increase its operating speed to 400-Gb/s and beyond.
Previously, the intensity-modulated non-return-to-zero (NRZ) format has been widely used in the fiber-optic transmission system operating at the speed of up to 10-Gb/s. However, the recently developed 100-Gb/s systems usually utilize the polarization-multiplexed quadrature-phase-shift-keying (PDM-QPSK) format. This is mainly due to the difficulties of generating the 100-Gb/s signal by using the currently available optical and electronic components. By using the PDM-QPSK format, it is possible to reduce the baud rate required to generate the 100-Gb/s signal by a factor of 4 in comparison with the case of using the conventional NRZ format. However, for the next-generation fiber-optic transmission system operating at the speed of 400-Gb/s, it is needed to utilize even higher-level modulation formats such as the PDM-16 quadrature amplitude modulation (QAM), PDM-32QAM, and PDM-64QAM. Also, to reduce the required baud rate to an acceptable level, it has been proposed to utilize multiple carriers for each channel. However, in the case of using the higher-level format above 16QAM, the required optical-signal-to-noise (OSNR) increases rapidly. On the other hand, in the case of using the multiple carriers for each channel, the complexity and cost of the transmitters and receivers can be substantially increased. Thus, in this thesis, we limit the problem to 400-Gb/s PDM-16QAM signal generated by using single carrier and evaluate the achievable maximum transmission distance by numerical simulations.
Recently, there have been many reports on the generation and transmission of 400-Gb/s PDM-16QAM signals. However, most of these previous reports utilize the newly developed optical fibers, such as the pure-silica core fiber (PSCF) and ultra-large effective area fiber (ULAF), and Raman amplifiers to increase the transmission distance by minimizing the effects of reduced OSNR and fiber nonlinearities. Nevertheless, up till now, the maximum transmission distance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal has been limited to ~1200 km. This distance is further limited to only 734 km when this signal is transmitted through the existing fiber link consisted of the standard single-mode fiber (SSMF) and Erbium-doped fiber amplifier (EDFA). Thus, it is necessary to increase the maximum transmission distance substantially to utilize the 400-Gb/s PDM-16QAM signals even in the long-haul networks. In this thesis, we investigate the followings to evaluate the achievable maximum transmission distance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signals.
Firstly, we evaluate the maximum transmission distance achievable by transmitting the 400-Gb/s single-carrier PDM-16QAM signals over the existing fiber link consisted of SSMF and EDFA. For this purpose, we assume that the fiber link is made of 80-km long span (span loss: 16 dB), the noise figure (NF) of EDFA is 4.5 dB, and the forward-error-correction (FEC) code with 7-% overhead is used. Under these assumptions, we optimize the dispersion map of this SSMF link to maximize the transmission distance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signals. The results show that it is possible to transmit these 400-Gb/s signals over ~2000 km by removing the in-line dispersion compensation module completely and applying 30-% pre-dispersion compensation. The results also show that this distance can be increased to ~4000 km by replacing the existing SSMF link with the advanced fibers such as PSCF.
Secondly, we evaluate the effect of the reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs) installed along the fiber link on the performance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal and its maximum transmission distance. For this purpose, we assume that the ROADM is installed in every 400 km along the link and its insertion loss is negligible. Also, we assume that the passband of the ROADM has either the second-order or fourth-order Gaussian shape. The results show that, when the passband of the ROADM has the second-order Gaussian shape, the maximum transmission distance can be reduced to ~1600 km in the existing SSMF link. However, when the passband of the ROADM has the fourth-order Gaussian shape, as in the modern ROADMs, the maximum transmission distance is not significantly reduced (~1900 km).
Thirdly, we evaluate the effect of using dual carrier for the generation of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal, instead of the single carrier, on the achievable maximum transmission distance. By using the dual carrier, we can reduce the required baud rate by half. On the other hand, the channel spacing is also reduced by a factor of two, which, in turn, can increase the effects of fiber nonlinearities. Because of these two contradicting effects, it is not clear if the maximum transmission distance can be increased by using the dual carrier for the generation of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal. Thus, for this analysis, we evaluate the performance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal generated by using dual carrier in 1040-km long SSMF link. In this evaluation, we assume that the spacing between WDM channels is 100-GHz as in the case of using the single carrier. The results show that the Q-factor improvement achieved by using dual carrier is only ~0.2 dB even when we set the spacing between the two carriers to be 50-GHz to minimize the crosstalk. To evaluate the effect of the increased fiber nonlinearities caused by the use of dual carrier, we also evaluate the transmission performance of the 400-Gb/s PDM-16QAM signal while reducing the spacing between two carriers from 50-GHz to 30-GHz. The results show that the maximum transmission distance can be slightly increased to 2200 km by using dual carrier when the spacing between them is 50-GHz. However, this distance can be reduced to 1500 km when we reduce the spacing to 30-GHz.
최근 급격하게 증가하고 있는 각종 데이터 서비스를 수용하기 위하여 광통신망의 전송용량을 증가시키기 위한 노력이 계속 진행되고 있다. 예를 들면, 현재 포설되어 있는 광전송 시스템은 대부분 10-Gb/s 또는 40-Gb/s급 광신호를 사용하고 있으나, 최근에는 100-Gb/s급 광신호가 상용화되어 사용되기 시작하였다. 또한, 차세대 광전송 시스템을 위하여 채널 당 전송속도를 400-Gb/s 이상으로 증가시키기 위한 방안이 활발하게 연구되고 있다 [1].
기존 10-Gb/s급 광전송 시스템에서는 NRZ(non-return-to-zero) 방식의 세기변조 신호가 사용되어왔다. 그러나, 최근 포설되기 시작한 100-Gb/s급 광전송 시스템에서는 일반적으로 PDM-QPSK (polarization-division-multiplexed quadrature phase shift keying) 신호가 널리 사용되고 있다. 이는 초고속 신호를 구현하는 데에 필요한 baud rate를 낮춤으로써 현재 구현 가능한 각종 전기소자들의 제한된 대역폭으로 인하여 발생하는 문제점을 극복하기 위한 것이다. 따라서, 400-Gb/s급 초고속 광전송 시스템을 구현하기 위해서는 PDM-16QAM, PDM-32QAM, PDM-64QAM 등 QPSK 이상의 고차 변조방식이 사용되어야 할 것으로 예상되고 있다 [2]. 또한, 400-Gb/s급 초고속 광신호를 구현하는 데에 필요한 baud rate를 현실적인 수준으로 낮추기 위한 다른 방안으로써 각 채널을 multi-carrier를 사용하여 구현하는 방안이 모색되고 있다 [2]. 그러나, 16QAM 이상의 고차 변조방식을 사용하는 경우 차수가 증가함에 따라 이러한 신호들을 적절히 수신하는 데에 필요한 광신호대 잡음비(OSNR: optical signal-to-noise ratio)가 급격히 증가하는 문제점이 있으며, multi-carrier를 사용하는 경우에는 송/수신기의 구조가 복잡해져 가격이 증가한다는 문제가 있다. 따라서, 본 논문에서는 single-carrier와 PDM-16QAM 변조방식을 사용하는 400-Gb/s급 광전송 시스템으로 문제를 특정하고 이러한 시스템의 전송성능을 개선하기 위한 방안을 모의실험을 통해 모색해 보고자 한다.
최근 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 생성 및 전송에 관한 수많은 연구결과들이 보고된 바 있다 [1]. 그러나, 지금까지 보고된 연구들은 대부분 광신호의 OSNR 감소나 광섬유의 비선형성에 대한 영향을 최소화함으로써 전송거리를 증대시키기 위하여 PSCF(pure-silica core fiber), ULAF (ultra-large effective area fiber) 등과 같은 새로운 첨단 광섬유를 사용하고, 기존의 EDFA (Erbium-doped fiber amplifier) 대신 Raman 증폭기를 사용하는 방안을 고려하였다 [3]-[4]. 그럼에도 불구하고 지금까지 구현된 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리는 1200 km 정도이었으며, 현재 포설되어 있는 것과 같이 단일모드 광섬유(SSMF: standard single-mode fiber)와 EDFA로 구성되어 있는 광링크를 사용하는 경우 지금까지 구현된 최대 전송거리는 734 km에 불과하였다 [3],[5]. 따라서, 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호를 장거리 광통신망에서도 사용하기 위해서는 이의 전송거리를 대폭적으로 확대할 수 있어야만 한다. 이러한 가능성을 모색하기 위하여 본 논문에서는 다음과 같은 연구를 수행하였다.
첫째, 현재 포설되어 있는 것과 같이 SSMF와 EDFA로 구성된 광링크를 사용하는 경우 구현 가능한 400-Gb/s급 single-carrier PDM-16QAM 광신호의 최대 전송거리를 분석하였다. 이를 위하여 광링크의 각 span은 80 km이며, span loss는 16 dB라고 가정하였다. 또한, EDFA의 잡음지수(NF: noise figure)는 4.5 dB이며, overhead가 7 %인 오류정정부호(FEC: forward-error correction) 가 사용되었다고 가정하였다. 이와 같은 가정 하에 기존 SSMF 광링크의 분산지도를 최적화함으로써 전송거리를 최대화하기 위한 방안을 모색하였다. 그 결과, 기존 SSMF 광링크를 사용하는 경우 광선로 상에서는 분산보상(in-line dispersion compensation)을 수행하지 않고, 송신단에서 전체 분산량의 30 %를 선제적으로 보상(pre-dispersion compensation)함으로써 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리를 2000 km까지 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 기 포설되어 있는 SSMF 광링크를 사용하지 않고 PSCF와 같은 첨단 광섬유로 구성된 광링크를 새로이 구축하는 경우 이와 같은 초고속 광신호의 최대 전송거리를 4000 km까지 증가시킬 수 있음을 확인하였다
둘째, 광링크에 설치되어 있는 광회선 분기/결합기(ROADM: reconfigurable optical add/drop multiplexer)가 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 전송품질 및 최대 전송거리에 미치는 영향을 분석하였다. 광신호가 ROADM을 통과할 때마다 이에 포함되어 있는 파장분할다중화/역다중화 과정을 위하여 optical filter를 통과하게 된다. 그러나, 이와 같은 optical filter를 통과하는 경우 filter 대역폭의 모양에 따라 신호의 왜곡이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 최대 전송거리가 감소할 수 있다 [6]. 이러한 분석을 위하여 ROADM이 400 km 마다 설치되며 ROADM의 삽입손실은 무시할 수 있다고 가정하였다. 또한, ROADM의 통과 대역폭은 2차 Gaussian 또는 4차 Gaussian 모양을 갖고 있다고 가정하였다. 이와 같은 분석의 결과는 광링크에 설치된 ROADM의 개수에 따라 최대 전송거리가 감소함을 보여준다. 예를 들면, 광링크에 ROADM이 설치되지 않은 경우 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리는 약 2000 km인 반면, 400 km 마다 ROADM이 설치되고 이 ROADM들의 통과 대역폭이 2차 Gaussian 모양을 갖고 있는 경우에는 최대 전송거리가 약 1600km로 감소하였다. 그러나, 최신 ROADM에서와 같이 통과 대역폭이 4차 Gaussian 모양을 갖고 있는 경우에는400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호를 최대 1900 km까지 전송할 수 있음을 확인하였다 [6]. 또한, ROADM의 삽입 손실을 무시할 수 없는 경우에도 이러한 손실이 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 전송품질에 미치는 영향은 미미함을 확인하였다.
셋째, 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호를 구현함에 있어서 single carrier 대신 dual carrier를 사용함으로써 이의 구현에 필요한 baud rate를 절반으로 감소시킬 수 있다. 따라서, single carrier 대신 dual carrier를 사용함으로써 최대 전송거리를 더욱 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 확인하기 위하여 길이가 1040 km인 SSMF 광링크에서 dual carrier를 사용하여 구현된 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 전송품질을 분석하였다. 이 분석에서 채널 간격은 dual carrier를 사용하는 경우에도 single carrier를 사용하는 경우와 동일한 100 GHz인 것으로 가정하였다. 따라서, 두 시스템의 스펙트럼 효율도 4 bits/s/Hz로 동일하다. 이 분석의 결과는 누화의 영향이 최소화되도록 carrier사이의 간격을 50 GHz로 설정한 경우에도 dual carrier를 사용하여 구현 가능한 Q-factor 값은 single carrier를 사용하여 구현 가능한 값과 비교하여 단지 0.2 dB만이 개선될 수 있음을 보여준다. 이는 baud rate가 낮아지면 수신에 필요한 OSNR이 감소하지만 채널 간 비선형 현상은 증가하기 때문이다 [7]. 따라서, 본 논문에서와 같이 다수의 WDM 신호를 사용하는 경우에는 dual carrier를 사용하더라도 비선형 현상의 증가로 인하여 최대 전송거리가 크게 개선되지 않는다. 이를 확인하기 위하여 dual carrier 사이의 간격을 50 GHz에서 30 GHz까지 변화시켜가며 기존 SSMF 광링크에서 구현 가능한 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리를 분석하였다. 이 결과는 dual carrier 사이의 간격을 50 GHz로 설정하는 경우 구현 가능한 최대 전송거리가 2200 km로 single carrier를 사용하는 경우보다 200 km 정도 증가시킬 수 있지만, 이 간격이 40 GHz로 줄어드는 경우에는 최대 전송거리가 single carrier를 사용하는 경우와 유사하게 2000 km로 감소하며, 이 간격을 30 GHz로 더욱 축소하는 경우에는 구현 가능한 최대 전송거리가 1500 km 정도로 대폭 감소함을 확인하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 400-Gb/s급 초고속 광전송 시스템의 최근 연구동향에 대하여 기술하고, 400-Gb/s급 single carrier PDM-16QAM 신호의 생성 및 수신 방법에 대하여 설명한다. 제 3장에서는 기 포설되어 있는 SSMF 광링크를 사용하여 400-Gb/s 급 PDM-16QAM 신호를 전송하는 경우 광선로 분산지도를 최적화함으로써 구현 가능한 최대 전송거리를 분석한다. 또한, PSCF와 같은 새로운 첨단 광섬유를 사용하는 경우 구현 가능한 최대 전송거리를 분석한다. 제4장에서는 400-Gb/s 급 PDM-16QAM 신호가 통과할 수 있는 ROADM의 개수와 최대 전송거리의 관계에 대하여 분석한다. 제 5장에서는 single carrier 대신 dual carrier를 사용하여 400-Gb/s 급 PDM-16QAM 신호를 생성하는 경우 구현 가능한 최대 전송거리에 대하여 분석한다. 마지막으로 제 6장에서는 본 논문의 내용을 요약하고 결론을 맺는다.
