Recently, the wide variety of bandwidth-intensive applications have been driving multi-gigabit sustained bit-rate services in optical access as well as metro networks. In order to handle the huge capacity demand, a wavelength division multiplexing (WDM) or a dense WDM (DWDM) system has been considered as one of the promising solutions due to its wide bandwidth, high security, expandability, and protocol transparency. However, the massive deployment of these systems in access and metro networks is still beyond attainment owing to needs for a number of complex and high-cost optical transceivers. To implement a cost-effective system, the DWDM system should guarantee a colorless or color-free (wavelength independent) operation. Among various methods for realizing a colorless DWDM system, an injection seeded DWDM optical system has been attracting a considerable attention due to its great feasibility. Each user is equipped with wavelength independent reflective modulator (RM) such as a reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) and a Fabry-Perot laser diode (F-P LD) with antireflection coating at the front facet.
Seed light sources can be categorized into an ASE (amplified-spontaneous-emission) light source and a multi-wavelength laser. The ASE light source has come to the forefront, thanks to its easy maintenance, cost-effective implementation, and multi-gigabit enabled transmission per channel. However, after spectrum slicing, transmission performance is limited by relative intensity noise (RIN) arising from ASE-ASE beat noise over the frequency range of ASE bandwidth. Even though the gain-saturated RM acts as a limiting amplifier to reduce the ASE-ASE beat noise, the residual intensity noise in high frequency region still restricts an achievable bit-rate-per-channel. This is because the RM has a limited noise suppression bandwidth by 2-3 GHz. An F-P LD has been proposed as a low-cost seed light with the simplest structure among the multi-wavelength lasers. However, a major limitation of the F-P LD is the extreme increase of RIN at low frequency region after spectrum slicing. This low frequency noise is called as mode partition noise. It is even difficult to transmit signals at 1.25 Gb/s without noise reduction techniques. Even though a gain-saturation in RSOA (or SOA) can mitigate the effect of mode partition noise, it requires high injection power for sufficient noise suppression. A mutual injection technique between two F-P LDs can enable to distribute the mode partition noise to 1/f noise around dc and 6 GHz fundamental noise peak corresponding to an external cavity resonance. However, the fundamental noise peak starts to degrade the transmission performance when transmission speed increases to 10 Gb/s.
In this thesis, an interferometric noise suppression technique has been proposed to control the RIN of various seed light sources. As an intensity noise suppressor, a fiber-based Mach-Zehnder interferometer (MZI) that consists of passive optical components such as an optical coupler, two polarization controllers (PCs), and a polarization beam combiner (PBC) has been proposed. Moreover, a single MZI can be shared by all DWDM channels for cost effectiveness. The performance of noise suppression is investigated through the RIN measurement. At first, the MZI is adopted for a reduction of ASE-ASE beat noise. By adjusting a time delay difference of MZI, the first low-noise window is located at the frequency corresponding to half of the target bit-rate. For example, the MZI should make a first low-noise window at 5 GHz for the 10 Gb/s signal transmission. A reduction ratio over the frequency range of 10 GHz was measured to be 3 dB. The residual beat noise in low frequencies (dc ~ 2-3 GHz) can be suppressed by a conventional gain-saturated RSOA. In the case of the MI F-P LD, a fundamental noise peak can be completely eliminated, since the MZI has almost inverse spectral shape of the RIN spectrum. For this, the time delay difference is slightly increased compared with ASE seed light case. For a reduction of a residual 1/f noise around dc, we can use an electrical high pass filter (HPF) at an optical receiver instead of using the RSOA. In particular, to suppress mode partition noise of the F-P LD, a long-time delayed MZI is utilized creating low-noise windows at intervals of a few tens of MHz. For this, the time delay difference of MZI should be larger than 50 ns corresponding to a 1st low noise window around 10 MHz. Thus, both the MZI and the gain-saturated RSOA contribute to noise suppression in the same frequency region unlike ASE and MI F-P LD cases. An impact of MZI on gain-saturated RSOA is then investigated and the measured RIN reduction is 4.4 dB. This reduction of mode partition noise by MZI can be understood through the analysis of statistical noise distribution as well as RIN spectrum. After controlling the RIN, each seed light source is applied to 10-Gb/s DWDM system.
When the noise suppressor is applied to the ASE injection seeded DWDM system, a 10-Gb/s transmission result shows that the MZI facilitates to satisfy the BER threshold of conventional forward error correction (FEC) code at injection power of -18 dBm. For the further improvement of transmission performance, the return-to-zero (RZ) modulation format based on pulse-seeding (output of ASE light becomes optical pulses by an additional intensity modulator) is selected for a large timing margin between adjacent bits and high signal-to-noise ratio (SNR). In addition, the MZI accommodates only single polarized seed-light so that the number of supported DWDM systems doubles using a single unpolarized ASE light. Meanwhile, the ASE light is vulnerable to chromatic dispersion induced by a transmission fiber due to wide spectral width. Thus, dispersion compensation techniques are mandatory for this system. In this demonstration, the transmission length was 20-km with the help of a dispersion compensating fiber (DCF).
When the noise suppressor is applied to F-P LD injection seeded DWDM system, the 10-Gb/s signal transmission is possible even without use of any dispersion compensation techniques, due to a narrow linewidth of the individual F-P cavity modes. A dc-balanced modulation format such as Manchester or 8b/10b encoded data is introduced for eliminating the residual mode partition noise by the use of HPF at optical receiver. The RZ signal experiences less frequency chirping effect of an optical transmitter compared to a non-return-to-zero (NRZ) signal transmission based on CW-seeding. In spite of a wide spectral width, the RZ signal still shows a better transmission performance compared to the NRZ signal case for a given transmission length, due to the chirp effect of the transmitter. Dispersion tolerance of the DWDM system can be enhanced more and more by adopting a carrier-suppressed RZ (CS-RZ) signal format having a narrow spectrum and 0 and π relative phase modulation. The maximum transmission length is reported to show the dispersion tolerance of the system.
Finally, a 10 Gb/s broadcast signal transmission in DWDM system has been successfully demonstrated by using a noise-suppressed MI F-P LD. The BER threshold of a conventional FEC can be satisfied by the use of MZI with an optimized optical receiver. A feasibility for multiple DWDM transmission is also confirmed through experimental demonstrations.
최근, 엑세스 및 메트로망에서 지속적으로 증가하는 대역폭 수요를 대처하기 위해 고밀도 파장분할 다중방식 (DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing) 광통신 시스템이 궁극적인 해결책으로 고려되고 있다. DWDM 시스템은 head-end와 tail-end 사용자 사이를 가상의 점대점 연결방식을 기반으로 하여 높은 대역폭, 우수한 보안성과, 간편한 확장성, 프로토콜에 투명성을 갖는 장점이 있다. 특히, 외부 다파장 광원을 이용한 주입기반 DWDM 시스템은 경제적이면서 안정적으로 멀티-기가급 서비스를 사용자에게 제공할 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주입기반 DWDM 시스템은 광대역으로 포설 가능성이 높고 이를 인정받아 ITU-T 국제 표준 기술로 승인되기도 하였다. 저가격의 외부 다파장 광원으로 고려되고 있는 광원은 증폭자발방출 (ASE: Amplified Spontaneous Emission) 기반의 광원과 패브리-페롯 레이저 다이오드 (F-P LD: Fabry-Perot Laser Diode) 및 상호주입된 F-P LD (MI F-P LD: Mutually Injected F-P LD)가 있다. 그러나 이러한 다파장 광원을 스펙트럼 분할하게 되면, ASE 기반의 광원의 경우, ASE-ASE 비팅 잡음이 발생하고 양자우물 이득매질 기반의 F-P LD의 경우 모드 분할 잡음이 크게 증가하는 문제점이 있다. 이러한 잡음은 광세기 잡음의 형태로 전송 시스템의 성능을 상당히 제한하는 요인이 된다.
본 논문에서는 주입기반 DWDM 시스템에서 광세기 잡음을 억제하기 위해서 간섭형 잡음억제 기술을 제안한다. 잡음억제기는 광섬유 기반의 마크-젠더 간섭계 구조를 갖고 있으며 DWDM시스템의 head-end에서 모든 DWDM 사용자에게 공유될 수 있기 때문에 비용-효율적으로 구현될 수 있다. 간섭형 잡음억제기의 성능을 평가하기 위해서 상대세기잡음 (RIN: Relative Intensity Noise) 측정과 통계적 잡음 분포 측정을 수행하였다. 또한 주입기반 DWDM 시스템에서 기존에 이용되고 있던 이득포화된 반사형 광증폭기 (RSOA: Reflective Semiconduc-tor Optical Amplifier)와 함께 간섭형 잡음억제가 수행되었을 때, 잡음억제 특성에 대해서 분석하였다. 마크-젠더 간섭계를 이용하여 잡음이 억제된 광원으로 채널당 10-Gb/s 상하향 신호 및 방송신호를 전송할 수 있는 주입기반 DWDM 시스템을 구현하였으며 비트오율 (BER: Bit-Error-Rate)을 실험적으로 측정하여 전송성능을 검증하였다.
ASE 주입기반 광통신 시스템에서는 간섭형 잡음억제기의 영향으로 ─18 dBm의 낮은 주입광파워에서 1세대 전향오류정정 (FEC: Forward Error Correction) 코드의 임계치를 달성할 수 있었으며 3 dB의 요구 주입광파워를 감소시킴으로 인해서 서비스 제공 가능한 DWDM 시스템 수를 두 배로 증가시키는 효과를 얻었다. 또한 전송 성능 향상을 위해서 광펄스 형태의 ASE 광을 광송신기에 주입하여 10-Gb/s RZ (Return-to-Zero) 신호를 생성하였다. RZ 신호는 기존의 NRZ (Non-Return-to-Zero) 신호에 비해서 시간영역 비트-디시젼-마진이 넓고 신호-대-잡음비 (SNR: Signal-to-Noise Ratio)가 높기 때문에 더 나은 전송 결과를 얻을 수 있었다.
F-P LD 주입기반의 DWDM 시스템에서는 마크-젠더 간섭계의 영향으로 BER이 3차수 (1/1000배) 이상 대폭적으로 감소하여 시스템 성능을 향상시켰다. 또한 F-P LD의 좁은 레이저 선폭으로 이 시스템에서는 색분산 보상 기술을 추가적으로 요구하지 않는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 광송신기에서 발생하는 주파수 처핑에 대한 영향을 분석하였으며 그 영향으로 펄스 주입광 신호로 생성된 10-Gb/s RZ신호가 스펙트럼 폭이 더 넓음에도 불구하고 기존의 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 NRZ 신호에 비해서 색분산에 더욱 내구성을 갖는 전송 특성을 보여주었다. 더불어 색분산에 대한 내구성을 더욱 강화시키기 위해서 CS-RZ (Carrier-Suppressed Return-to-Zero) 신호 변조 방식을 제안하는 시스템에 도입하여 성능 분석을 하였다. 실험을 통해 전송거리가 40-km, 60-km까지 확장 가능함을 검증하였다. 상향 전송 시, 시스템의 주된 성능 열화 요인인 광섬유에서 발생하는 Rayleigh 산란에 대한 영향도 살펴보았다. 선폭이 좁은 F-P LD를 이용함에 따라 Rayleigh 산란에 의해 전송 성능이 크게 열화되고 이에 대한 영향을 받지 않기 위해서는 삽입 손실이 적은 반도체 기반의 변조기를 이용하거나, tail-end 광송신기에 추가적으로 광이득을 제공할 수 있는 고출력 광증폭기의 도입이 필요하다.
마지막으로 상호주입된 F-P LD가 갖는 외부 공진기에 의한 주기적 잡음 피크를 마크-젠더 간섭계를 이용하여 억제하였다. 외부 공진기 길이에 의해 결정되는 6 GHz에서 발생하는 잡음 피크를 30-dB 이상의 잡음억제율로 완벽하게 감쇄시켰다. 이를 통해, DWDM 시스템에서 10-Gb/s 방송신호를 20-km 전송거리에 대해 성공적으로 전송할 수 있었다. 시뮬레이션 분석을 통해 마크-젠더 간섭계와 더불어 광수신기를 최적화 시키면 20-Gb/s까지 전송 속도가 증가할 수 있음을 확인하였다.
