As the data traffic increases rapidly, the line rate per subscriber in access networks is expected to reach 10Gb/s by 2020. Thus, recently, there has been growing interests in ultra-dense wavelength-division-multiplexed passive optical networks (UD-WDM PONs) to provide high-speed data services to a large number of subscribers. In UD-WDM PONs, multilevel modulation formats such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and Quadrature Amplitude Modulation (QAM) are often used to achieve the high line late within the limited channel bandwidth. For example, it has been demonstrated that 10-Gb/s or higher bit-rate QPSK and QAM signals can be transmitted by the use of IQ-modulators and coherent receivers in 5-GHz spaced UD-WDM PONs. However, the use of an IQ-modulator and a coherent receiver for each WDM channel substantially increases the installation cost of UD-WDM PONs. In addition, the use of such an external modulator with a wavelength specific laser diode (LD) at each optical network unit (ONU) requires the high maintenance cost and causes the inventory problem. Thus, to solve this problem, there have been many proposals to implement UD-WDM PONs by using colorless light sources such as the reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs). However, such a colorless light source usually requires the use of the seed light, which is often obtained by using a set of multiple wavelength-specific LDs. It is obvious that the use of these multiple wavelength-specific LDs can substantially increases the implementation cost of UD-WDM PONs. Thus, it will be highly desirable if an optical frequency comb generator (OFCG) can be used to provide the seed light for colorless light sources instead of the multiple wavelength-specific LDs.
Previously, various optical frequency comb generation techniques have been proposed for the generation of multi-wavelength CW light. For example, it has been proposed that an optical frequency comb can be generated by using the supercontinuum generation (SCG), four-wave mixing (FWM), gain switching of laser (GSL), and external modulation techniques. However, among these techniques, the optical frequency comb generation technique based on the external modulators is attractive for the use in UD-WDM PONs due to its simple structure and small footprint (since it can be implemented without using the high-power optical amplifiers or lengthy highly nonlinear optical fibers). In addition, this OFCG can generate an optical frequency comb with high frequency stability, which is highly desirable for the use in UD-WDM PONs having narrow channel spacing. However, in case of using the OFCG based on external modulators, it is difficult to control the overall shape of the generated comb spectrum. In other words, the optical power of each comb line cannot be controlled independently (i.e., correlated to the optical powers of other comb lines) because these powers are basically determined by Bessel function, and thus correlated to each other. To solve this problem and improve the controllability, it has been proposed to implement an OFCG by using two external modulators in series, a phase modulator and another is intensity modulator. In principle, an optical frequency comb can be generated by the time-varying phase of CW light. Thus, it is possible to generate an optical frequency comb by using only a phase modulator. However, by using an intensity modulator in addition to the phase modulator, it is possible to obtain an additional degree of freedom for controlling the overall shape of the generated comb spectrum.
In this thesis, the relation between the operating condition of the OFCG based on external modulators and the performance of the generated comb spectrum is analyzed by using extensive computer simulations. The performance of the generated comb spectrum is evaluated by using two performance indices, flatness and roll-off sharpness at the edge of the generated comb. Based on this analysis, the optimal operating condition of the OFCG is obtained for the cost-effective implementation of UD-WDM PONs. For the OFCG, a series of intensity and phase modulators are used, and each modulator is modeled on the specifications of commercial modulators. The operating condition of the OFCG is determined by the frequency, amplitude, and phase of the driving signals applied to the two external modulators. The frequency of these driving signals determines the spacing between the comb lines (which should be matched to the channel spacing in UD-WDM PONs), and it is set to be 10 GHz assuming in the use of a 10-GHz spaced UD-WDM PON. Thus, the analysis is carried in two stages. Firstly, the effect of the phase condition of the driving signals on the performance of the generated comb spectrum is analyzed. From this analysis, the optimal phase condition is identified to satisfy the symmetry of the generated comb spectrum. Secondly, the effect of the amplitude condition of the driving signals is analyzed. In this analysis, it is identified that there exists a tradeoff between two crucial performance indices, flatness and roll-off sharpness. Thus, for the use in the UD-WDM PON, it is concluded that the optimal operation condition should be adjusted to achieve the highest roll-off sharpness and moderate flatness of the generated comb spectrum. The results also show that both the flatness and roll-off sharpness of the generated comb spectrum can be enhanced by the optimization. The OFCG optimization technique reported in this thesis can help the cost-effective development of the spectrally-efficient UD-WDM PON by minimizing the wasted comb lines without significantly sacrificing the flatness.
고품질 대용량의 고속 데이터 서비스에 대한 수요가 증가함에 따라 데이터 트래픽이 매년 지속적으로 증가해왔다. 이러한 데이터 트래픽의 증가로 인해 광가입자망에서 가입자 당 요구되는 데이터 전송 속도 역시 꾸준히 증가하여 2020년에는 가입자 당 약 10Gb/s의 데이터 전송 속도가 요구될 것으로 전망되고 있다. 따라서, 다수의 가입자에게 고속의 데이터 서비스를 제공하기 위한 방안으로 초고밀도 파장분할다중방식 광가입자망 (UD-WDM PON: ultra-dense wave-length-division-multiplexed passive optical network)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. UD-WDM PON의 제한된 채널 대역폭 내에서 고속의 데이터 서비스를 제공하기 위해, 직교 위상 편이 변조 (QPSK: quadrature phase shift keying) 또는 직교 진폭 변조 (QAM: quadrature amplitude modualtion)와 같이 높은 스펙트럼 효율 (SE: spectral efficiency)을 가지는 멀티 레벨 변조 방식이 많이 사용되어 왔다. 예를 들어, IQ 변조기 (IQ-modulator)와 코히어런트 수신기 (coherent receiver)에 기반한 QPSK 혹은 QAM신호의 전송을 통해 5GHz의 채널간격을 가지는 UD-WDM PON에서 10Gb/s이상의 데이터 전송속도를 달성하는 연구결과가 발표되었다. 하지만, 값비싼 IQ 변조기와 코히어런트 수신기를 활용하여 UD-WDM PON을 구성하는 경우 시스템의 설치 비용이 크게 증가하며, 각 가입자 장치 (ONU: optical network unit) 마다 특정 파장 영역에서 동작하는 레이저 다이오드 (wavelength-specific laser diode) 및 외부 변조기를 사용하여야 하므로 높은 관리비용이 소요되는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 각 가입자 장치마다 서로 다른 파장 영역에서 동작하는 레이저 다이오드 (LD: laser diode) 및 광학 장치가 사용되어야 하므로, 대량생산의 이점을 활용할 수 없으며 재고 할당 문제 (inventory problem)가 발생한다. 따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 반사형 반도체 광 증폭기 (RSOA: reflective semiconductor optical amplifier)와 같이 파장에 무관하게 동작하는 광원(colorless light source)을 이용하여 UD-WDM PON을 구성하는 방법이 제안되었다. 일반적으로 colorless light source는 외부로부터 공급되는 주입광원 (seed light)을 필요로 하며, 따라서 seed light를 제공하기 위한 목적으로 다수의 wavelength-specific LD가 사용될 수 있다. 하지만 이와 같은 방식으로 seed light를 제공하는 경우에는, 다수의 가입자에게 서비스를 제공하는 UD-WDM PON의 구현을 위해 매우 많은 수의 wavelength-specific LD가 설치되어야 하며, 이는 UD-WDM PON의 구현 비용을 크게 향상시키는 요인이 된다. 따라서, 한 개의 wavelength-specific LD를 이용하여 다파장에 걸쳐 다수의 seed light를 발생시킬 수 있는 광빗발생장치(OFCG: optical frequency comb generator)를 이용함으로써, 다수의 wavelength-specific LD를 설치 및 관리하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 따라서 UD-WDM PON을 보다 경제적으로 구현하고 관리할 수 있다.
최근UD-WDM PON을 비롯한 임의 파형 발생(arbitrary waveform generation), 단 펄스 생성(short pulse generation), 광 간섭계(optical interferometry)등의 응용을 목적으로, 한 개의 wavelength-specific LD를 이용하여 다파장 광 (multi-wavelength CW light)을 생성하기 위한 많은 연구들이 수행되었으며, 다양한 광빗 발생(optical frequency comb generation) 기술이 제안되었다. 예를 들어, SCG(super-continuum generation),FWM(four-wave mixing), GSL(gain switching of laser), 그리고 외부 변조(external modulation)를 이용하여 다파장에 걸쳐 광빗(optical frequency comb)을 발생시키는 방법들이 제안되었으며, 이를 통해 발생되는 광빗의 성능이 분석되었다. 그 중에서도, 특히 외부변조기(external modulator)에 기반한 광빗발생장치의 경우 광 증폭기(optical amplifier)와 높은 비선형성을 가진 광섬유(HNLF: highly nonline-ar optical fiber)를 사용하지 않아 비교적 간단한 구조와 작은 부피로 구현이 가능할 뿐 아니라, 발생되는 광빗의 파장을 안정적으로 유지시킬 수 있다는 점에서 좁은 채널 간격을 가지는 UD-WDM PON에서의 사용에 적합하다. 하지만, 외부변조기에 기반한 광빗발생장치의 경우 생성되는 광빗살(optical frequency comb line)들의 광전력이 베셀 함수(Bessel function)에 의해 동시에 결정되어 상호연관성을 가지며 따라서 독립적으로 조절될 수 없기 때문에, 광빗 스펙트럼(optical frequency comb spectrum)을 UD-WDM PON에서의 응용에 적합한 임의의 모양으로 조절하는 것이 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 발생되는 광빗 스펙트럼의 모양을 보다 용이하게 조절하기 위하여, 두 개의 외부변조기를 직렬구조로 연결하여 사용할 수 있다. 다파장에 걸친 광빗 스펙트럼은 입력된 광신호의 위상이 시간에 따라 변할 때 발생되며, 따라서 위상 변조기(phase modulator)만을 사용하여 발생시킬 수 있다. 그러므로, 이때 발생되는 광빗 스펙트럼의 모양은 위상 변조기를 구동하는 전기신호에 의해 결정된다. 하지만, 세기 변조기(intensity modulator)를 위상 변조기와 직렬로 연결하여 함께 사용하는 경우 세기 변조기 구동신호와 위상 변조기 구동신호를 독립적으로 조절 할 수 있기 때문에, 더 높은 자유도(degree of freedom)를 가지고 출력신호를 보다 유연하게 조절 할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 위상 변조기에 의해 발생된 광빗 스펙트럼을 세기 변조기를 통해 한 번 더 변조함으로써, 더욱 이상적인 모양에 가까운 광빗 스펙트럼을 발생시킬 수 있다.
따라서 본 논문에서는 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 직렬구조의 위상 변조기 및 세기 변조기에 기반한 광빗발생장치의 구동조건(operating conditions)과 발생되는 광빗 스펙트럼이 가지는 성능간의 관계를 상세히 분석하였다. 광빗 스펙트럼의 성능은 발생된 광빗 스펙트럼이 가지는 광전력 평탄도와 경사도를 성능지표로 이용하여 평가되었으며, 광빗발생장치의 구동조건에 따른 광빗 스펙트럼의 성능분석을 통해 경제적으로 UD-WDM PON을 구현하기 위한 최적의 광빗발생장치 구동조건을 도출하였다. 시뮬레이션상에서 광빗발생장치를 구성하는 세기 변조기와 외부 변조기의 성능은 실제 상용화된 변조기를 모델로 하여 결정되었다. 따라서, 광빗발생장치의 구동조건은 광빗발생장치를 구동하는 신호의 주파수와 위상, 진폭조건에 의해 결정된다. 구동신호의 주파수는 발생되는 광빗살간의 최소 간격을 결정하는 요소로써, 10GHz 간격의 UD-WDM PON에서 운용되는 광빗발생장치를 가정하여 구동신호의 기본 주파수를 10GHz로 설정하였다. 따라서 구동조건에 따른 광빗 스펙트럼의 성능 분석은 2단계에 걸쳐 진행되었다. 첫번째로, 구동신호의 위상조건이 발생되는 광빗 스펙트럼의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과, 최적의 위상조건은 발생되는 광빗 스펙트럼이 중심 주파수를 기준으로 대칭성을 가지도록 하는 위상조건이라는 사실을 도출하였다. 두번째로, 구동신호의 진폭조건이 발생되는 광빗 스펙트럼의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과, 발생되는 광빗 스펙트럼의 광전력 평탄도와 경사도 간에는 tradeoff가 존재하여, 경사도를 향상시키기 위해서는 광전력 평탄도를 일정 수준 희생해야 한다는 사실을 도출하였다. 따라서, 광빗발생장치를 이용하여 UD-WDM PON을 경제적으로 구현하기 위해서는 발생되는 광빗 스펙트럼이 시스템에서 제한하는 일정수준의 광전력 평탄도 이내에서 최대의 경사도를 가지도록 광빗발생장치의 구동조건을 조절해야 한다는 결론을 도출하였다. 또한 최적화된 광빗발생장치 구동신호를 이용하여 광빗 스펙트럼을 발생시킴으로써, 최적화 되기 이전의 광빗 스펙트럼보다 광전력 평탄도와 경사도를 모두 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 광빗발생장치 구동조건 최적화 방법을 통해 구동신호를 최적화함으로써, 광전력 평탄도를 크게 희생하지 않고 주파수 사용효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 UD-WDM PON을 보다 경제적으로 구현하고 관리할 수 있다.
