The world-wide data traffic has been increased by double per year in last decade, due to the exponen-tial growth of Internet traffic, mainly driven from emerging applications such as multimedia service, cloud computing, and social networking. To accommodate the data traffic demand, the transmission medium of the data center network and local area network backbones had been replaced by optical fibers. In these short-reach network backbones, multimode fiber (MMF) and single-mode fiber (SMF) are widely used with distinct purposes. MMF is a cost-effective solution due to its high tolerance to offset with transceiver. However, the inherent differential mode delay (DMD) of various excited modes induces pulse distortion which restrict the bandwidth and transmission distance of the MMF links. On the other hand, SMF is used for the connection in the range of several kilometers due to its high transmission performance. As the scale of short-reach network continues to expand, further increases of data-rate and transmission distance in MMF and SMF links have to be considered. In this dissertation, we propose the cost-effective way to increase the transmission performance of the MMF- and SMF-based next-generation short-reach networks. Firstly, we develop the new launching technique to increase the bandwidth and transmission distance of MMF link. Secondly, we evaluate the robustness of a MMF link implemented by using the proposed launching technique against mechanical perturbations. Finally, we propose and demonstrate a novel direct-detection receiver capable of detecting polarization-division-multiplexed (PDM) signals.
Recently, there have been growing interests in the high-speed MMF transmission for the use in the next-generation short-reach network. For example, high-speed networking standards such as Fiber Channel, 10GbE, and 40GbE/100GbE have MMF links as a transmission medium. However, due to the DMD inher-ent in MMF, it is difficult to increase the transmission speed of the MMF link even to 10 Gb/s, and also the transmission distance of the MMF link is restricted to several hundred meters. To solve this problem, there have been many attempts to minimize the number of excited modes, and consequently the DMD, by opti-mizing the launching condition for the use in the high-speed MMF transmission system. For example, the center-launching and offset-launching techniques have been widely used to restrict the modal excitation to either a few lower-order modes or higher-order modes, respectively. By using these techniques together with electronic dispersion compensations, 10-Gb/s signals could be transmitted over about 300 m of MMF. To further increase the bandwidth-distance product of the MMF link, it has also been proposed to use the adap-tive equalization technique by using a spatial light modulator or the mode group diversity multiplexing tech-nique by launching data signals into different mode groups. However, these techniques require complicated optical components and increase system’s complexity. In this dissertation, we improve the conventional center-launching technique so as to excite only the fundamental mode of MMF by adjusting the input beam profile to match the mode field distribution of the fundamental mode of MMF. In principle, this ‘mode-field matched’ center-launching technique can negate the DMD completely and extend the bandwidth of MMF similar to that of SMF. We realize this launching technique simply by fusion-splicing a SMF-pigtailed transmitter to the MMF using the controlled core diffusion method. The results show that we can indeed achieve almost ideal mode-field matched center-launching condition by optimizing the fusion-splicing condi-tion and slightly expanding the core of SMF. Thus, using the proposed launching technique, we demonstrate the bit rate-distance product of 1.95 Tb/s·km by transmitting 16 wavelength-division multiplexed channels operating at 10 Gb/s over 12.2 km of MMF.
Although we have achieved unprecedented performances in MMF transmission systems by using the proposed launching technique, its robustness has been often challenged with a question that a significant mode coupling can be induced in practice by the mechanical perturbations such as the lateral offset between fiber connectors, fiber bending, and fiber shaking. We attempt to answer this question by evaluating the robustness of a 10-Gb/s MMF link implemented by using the mode-field matched center-launching technique against such perturbations. The results show that this technique is quite robust against the offset between fiber connectors, fiber bending, and fiber shaking.
In the short-reach network using SMF, polarization-division-multiplexing (PDM) is an effective tech-nique for doubling the spectral efficiency. In this technique, two independently modulated signals with or-thogonal states-of-polarization (SOPs) are transmitted at the same wavelength. These orthogonally polar-ized signals are demultiplexed at the receiver usually either in the electrical domain by using digital coherent receivers or in the optical domain by using direct- detection receivers implemented with a dynamic polariza-tion controller. In the case of using a digital coherent receiver, two orthogonally polarized signals are sepa-rated by using a digital signal processing (DSP) unit, which typically employs a finite-impulse response filter driven by the constant modulus algorithm. However, such a coherent receiver requires the use of expensive components at the optical front- end including a narrow-linewidth local oscillator laser, two polarization-beam splitters (PBSs), two 90º optical hybrid, and four single-ended or balanced photo-detectors (PDs). Thus, the coherent receiver may be too expensive for the use in the cost-sensitive applications such as optical access networks and data server links. On the other hand, in the case of using a direct-detection receiver, the polarization demultiplexing is achieved typically by using the polarization-tracking technique. Thus, a dy-namic polarization controller is needed at the receiver to track the SOP of the received PDM signal. The PDM signal can then be demultiplexed simply by using a PBS, and directly detected by using two PDs. However, it is not a simple task to track the SOP of the received signals with low instantaneous polarization mismatch, which is critical for the low system outage probability. Recently, there have been several efforts to develop the direct-detection technique for the PDM signals so that we could avoid the use of the costly coherent receivers or dynamic polarization controllers. All these techniques are based on the Stokes analysis and implemented by using two or three optical couplers, three polarizers (or a PBS together with a 90º optical hybrid), four PDs, four analog-to-digital converters (ADCs), and a DSP unit. In this dissertation, we propose a novel direct-detection receiver capable of detecting PDM on-off keying (OOK) signals without using a dy-namic polarization controller. Unlike the direct-detection PDM receivers based on the Stokes analysis, this receiver discriminates among the four symbol combinations of the PDM-OOK signals by using a training se-quence (rather than demultiplexes the PDM signals by estimating their Stokes vectors). We further improve its cost-effectiveness by reducing the number of PDs and ADCs from four to three. Thus, the proposed re-ceiver can be implemented by using only a PBS, three 1×2 couplers, three PDs, three ADCs, and a DSP unit. The results show that this receiver can detect 20-Gb/s PDM-OOK signal even when the signal’s polarization is scrambled at 3 Mrad/s and the overhead of the training sequence is <1 %. We also evaluate the perfor-mance of the proposed receiver in the presence of the chromatic dispersion and polarization-mode dispersion.
본 논문에서는 다중모드 광섬유와 단일모드 광섬유를 사용하는 근거리 통신망의 경제적인 전송 성능 향상 방안에 관하여 논의하였다. 다중모드 광섬유는 넓은 코어로 인하여 광 송/수신부와의 패키징이 용이하여 경제적인 근거리 백본망을 구성할 수 있다. 그러나 여기되는 모드 간 지연으로 인하여 대역폭이 제한되며, 또한 전송 거리도 수백 미터로 제한된다. 따라서 본 논문에서는 다중모드 광섬유의 좁은 대역폭을 극복하고 전송 속도를 10 Gb/s급 이상으로 증가시키기 위한 경제적인 기술적 방안들을 제시하고, 구현된 다중모드 광섬유 링크의 물리적 결함에 대한 강인성에 대하여 논의하였다. 또한, 단일모드 광섬유를 사용하는 근거리 통신망의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 사용되는 편광분할 다중화 기술을 경제적으로 적용하기 위한 최적 수신 방안에 관하여 논의하였다.
근거리 통신망에서 사용되는 다중모드 광섬유 링크의 전송 용량을 향상시킬 수 있는 방안은 크게 다음 몇 가지로 나뉠 수 있다. 먼저, 여러 가닥의 다중모드 광섬유를 동시에 사용하여 각각의 광섬유에 신호를 나누어 보내 전체 전송 용량을 높이는 방안이 있다. 그러나 요구되는 송/수신기의 수가 증가하며, 근본적인 다중모드 광섬유 링크의 대역폭 제한을 해결하진 못한다. 다음으로, 다중모드 광섬유의 평탄한 주파수 응답 특성을 가지는 대역에 symbol rate를 낮추어 여러 개의 subcarrier에 나누어 전송하는 방안이 있다. 그러나 이 방안은 subcarrier를 생성하고 변조하고 수신할 수 있는 장치가 송/수신단에서 추가적으로 요구된다. 또한, 송신단에서 광학적 이퀄라이저를 적용하여 다중모드 광섬유의 모드 간 지연을 최소화 시키는 방법으로 대역폭을 향상시키는 방안과 수신단에서 전기적 이퀄라이저를 적용하여 대역폭이 제한된 신호를 복구하는 방안이 있다. 그러나 이 방안은 고가의 광 소자와 전기 소자들이 추가되어야 하므로, 가격적 경쟁력이 매우 떨어진다. 다음으로, 각 모드들에 독립적인 신호들을 변조하여 모드 다중화하는 방안과 모드 그룹을 다중화하는 방안이 있다. 그러나 이 방안들 역시 고가의 광 소자들과 전기 소자들이 절대적으로 요구된다. 따라서 상기 언급된 방안들은 가격 경쟁력이 뒤쳐지고 시스템의 복잡도를 증가시키는 단점들이 기술 상용화에 큰 걸림돌로 작용한다. 본질적으로, 다중모드 광섬유의 대역폭은 도파되는 모드의 수가 적을수록, 또한 도파되는 모드 간 지연이 작을수록 개선되며 이러한 도파되는 모드의 수와 모드 간 지연은 다중모드 광섬유의 런칭 조건에 따라 크게 좌우되는 관계로, 다중모드 광섬유의 런칭 조건을 개선하기 위하여 center launching 방안과 offset launching 방안이 제시되었다. 그러나 이러한 런칭 방법들을 사용하여도 여전히 많은 수도 모드들이 여기되며, 여기되는 모드들의 모드 간 지연으로 인하여 다중모드 광섬유 링크의 대역폭이 여전히 제한된다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해소하기 위한 새로운 런칭 기술을 제안하였고, 제안된 런칭 기술이 다중모드 광섬유의 전송 대역폭을 크게 증가시킬 수 있음을 검증하였다. 제안된 런칭 기술은 다중모드 광섬유에서 오직 fundamental mode만을 여기시키므로 다중모드 광섬유의 선천적인 대역폭 제한을 극복하여, 단일모드 광섬유와 같은 전송 특성을 가질 수 있었다. 제안된 기술은 단일모드 광섬유 pigtail된 송신단과 다중모드 광섬유 링크를 controlled core diffusuion을 이용한 fusion splicing을 통하여 간단하게 구현할 수 있었다. 그 결과, 94 % 이상의 입사 파워가 다중모드 광섬유의 LP01 모드로 커플링 되었다. 따라서 별도의 분산 보상 기술 없이, 10 Gb/s 및 40 Gb/s 신호를 각각 12.2 km 와 3.7 km의 다중모드 광섬유 링크에 성공적으로 전송할 수 있었다. 또한 제안된 런칭 기술과 파장 분할 다중화 기술을 이용하여 10 Gb/s에서 동작하는 16 채널의 파장 분할 다중화 신호를 12.2 km의 다중모드 광섬유 링크에 전송하여 1.95 Tb/s·km 의 매우 큰 전송속도 x 전송거리를 얻을 수 있었다.
다중모드 광섬유 링크를 더욱 경제적으로 구성하기 위하여, 직접 변조 레이저를 사용한 경제적인 40 Gb/s 급 다중모드 광섬유 링크의 구현 방안을 제시하였다. 40 Gb/s 의 신호를 효과적으로 직접 변조 하기 위하여 DFB 레이저를 높은 바이어스 전류로 구동하고 대역 필터링 기술을 이용하였다. 이러한 다중모드 광섬유 링크의 최대 전송거리는 모드 간 분산이 아닌, 색 분산에 의해 제한됨을 확인하였다. 따라서 제안한 런칭 기술을 사용하여 다중모드 광섬유 링크의 성능을 단일모드 광섬유 링크와 유사하게 증가시킬 수 있었다.
초고속 다중모드 광섬유 링크를 구현하고자 할 때, 앞서 서술한 바와 같이 제안한 런칭 기술을 사용하여 다중모드 광섬유에서 하나의 모드만을 여기시켜 선천적인 대역폭 제한을 극복하는 방안이 가장 합리적인 것으로 판단된다. 앞서 서술한 주목할만한 성능은 다중모드 광섬유에서 여기되는 fundamental 모드가 전송 링크를 진행하는 동안 고차 모드로의 커플링되는 양이 매우 적기 때문이었다. 그 이유는 fundamental 모드와 고차의 모드 간의 propagation constant 차이가 큰 것에 기인한다. 그러나 링크에서 존재할 수 있는 광 커넥터의 옵셋, 광섬유 구부림, 광섬유 흔들림이 발생하는 환경에서도 고차 모드로의 모드 커플링 없이 이러한 single-mode excitation이 유지되는지 필수적으로 검증하기 위해, 제안된 런칭 기술의 물리적 결함에 대한 강인성을 분석하였다. 그 결과 제안된 런칭 기술이 사용된 다중모드 광섬유 링크는 광 커넥터 옵셋 ±8.6 um 한계까지도 성능이 유지됨을 확인하였다. 또한 광섬유 구부림과 흔들림에 의해서도 강인성이 보장됨을 확인하였다. 제안된 런칭 기술은 fusion splicing으로 간단히 구현이 가능하기 때문에 별도의 광 소자 및 전기적 소자가 추가적으로 필요하지 않는다. 따라서 제안된 mode-field matched center launching 기술을 적극적으로 활용한다면 10 Gb/s 급 이상의 차세대 다중모드 광섬유 링크를 보다 경제적으로 구현 가능할 것으로 예상된다.
근거리 통신망에서 단일모드 광섬유 링크를 사용하는 환경이 꾸준히 증가하는 추세로, 현재 데이터 센터망의 15 % 이상에서 단일모드 광섬유 링크를 사용하고 있으며 이 비율은 더욱 증가할 전망이다. 단일모드 광섬유 링크의 전송 용량을 증대시키기 위해 한 파장에서 두 직교 편광 성분에 서로 다른 독립적인 신호를 전송함으로써 스펙트럼 효율을 두 배로 증가시킬 수 있는 편광 분할 다중화 기술이 최근 각광을 받고 있다. 편광 분할 다중화 신호를 수신 단에서 역다중화하는 방안은 크게 다음 몇 가지로 나뉠 수 있다. 첫째, 디지털 코히어런트 수신기를 사용하여 전기적 영역에서 신호를 역다중화 하는 방안이다. 그러나 코히어런트 수신기는 고가의 광 소자가 필요하므로 가격에 민감한 근거리 통신망에서는 매우 제한적이다. 둘째, 동적 편광 조절기를 이용하는 직접검출 수신기를 사용하여 광 영역에서 역다중화 하는 방안이다. 그러나 편광 분할 다중화 신호의 편광을 추적하기 위해서는 동적 편광 조절기가 필수적이며, 정확한 편광 추적이 이루어지지 않을 경우 시스템의 outage probability가 높아지는 단점이 존재한다. 셋째, 동적 편광 조절기를 사용하지 않고 편광 분할 다중화 신호를 직접검출 하는 방안이다. 이것은 Stokes analyzer로부터 측정된 편광 분할 다중화 신호의 편광 상태를 이용하여 디지털 신호처리를 통해 편광분할 다중화 신호를 역다중화 하는 방안이다. 그러나 Stokes analyzer를 구성하기 위한 편광판, 광 커플러 등의 광 소자들과 전기적 소자들로 인하여 시스템이 경제적이지 못한 측면이 있다. 본 논문에서는 동적 편광 조절기를 사용하지 않고 편광 분할 다중화된 신호를 검출할 수 있는 직접검출 수신 방안을 제안하였다. 제안된 수신기는 편광 분할기, 세 개의 광섬유 커플러, 세 개의 광 검출기, 세 개의 A/D 변환기, 그리고 디지털 신호 처리 유닛으로 구성되었고, 편광 분할 다중화 신호는 세 개의 광 검출기 출력의 조합을 이용하여 쉽게 구별될 수 있었다. 제안된 수신기를 사용하여 편광이 3 Mrad/s의 속도로 매우 빠르게 변화하는 링크 환경에서도 20-Gb/s의 편광분할 다중화 신호를 온전히 검출할 수 있음을 검증하였다. 제안된 직접검출 수신 방안은 파장분할 다중화 기술과 편광분할 다중화 기술이 혼용되어 사용되는 근거리 통신망에서의 전송 용량을 경제적으로 높이는 데 큰 이점을 가질 것으로 판단된다.
