Wavelength-division-multiplexed passive optical networks (WDM PONs) based on reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs) have gained a great deal of attention due to their color-free operation, semiconductor manufacturability, and simultaneous optical modulation and amplification of the seed light provided from the central office. In such WDM-PON systems, the signals can be detected either by using direct-detection receiver or the coherent receiver. The major advantages of the coherent receiver over the direct-detection receiver include the high receiver sensitivity, the full compensation of linear transmission impairments such as fiber chromatic dispersion, and high channel selectivity for ultra-dense WDM system.
Major technical challenges associated with high-speed (>10 Gb/s) transmission in RSOA-based coherent WDM PON arise from the limited modulation bandwidth of RSOA. Due to the carrier lifetime of the active region in RSOA, the modulation bandwidth of this attractive semiconductor opto-electronic device is typically limited to less than ~4 GHz. This not only severely distorts the signal waveforms generated by directly modulating the RSOA (faster than its bandwidth), but it also makes it very difficult to estimate the carrier phase of the seed light when the signal is detected coherently. It has been shown that the $M^{th}$ power algorithm, a commonly used carrier phase estimation (CPE) method for coherent optical transmission system, did not work for RSOA-based coherent WDM-PON system operating faster than 10 Gb/s. A new CPE method applicable to high-speed coherent WDM PONs based on RSOA was proposed and demonstrated, but it required a long block length (e.g., >50) for CPE and thus inexpensive light sources such as distributed feedback (DFB) lasers having a linewidth as wide as a few MHz could not be used as seed light.
In this dissertation, a new CPE method is proposed for RSOA-based high-speed coherent WDM PON using cost-effective DFB lasers as seed light. The proposed CPE method is capable of estimating the carrier phase accurately by using a short length of sampled signals (i.e., short block length) so that even a low-cost DFB laser having a wide linewidth can be used for seed light. The proposed method utilizes the linear relationship between the phase modulation (PM) index and intensity modulation (IM) index of the optical signals generated by the direct modulation of RSOA. When an RSOA is directly modulated by the electrical current signal, both the optical intensity and phase are modulated simultaneously. In this case, the PM of the optical signal is proportional to the IM with the linewidth enhancement factor, $\alpha$, being the proportional constant even though the signal is highly band-limited. This implies that a spiral-shaped phasor diagram is observed when the coherently detected signals are plotted on the constellation. Thus, the carrier phase of the seed light can be estimated by first rotating the spiral-shaped phasor diagram by certain test phases and then finding the test phase which gives the minimum error between $\alpha$ and the PM/IM ratio calculated by using the sampled signals.
The proposed CPE method is demonstrated experimentally over a loop-back configured upstream transmission link operating at 25.78 Gb/s. The modulation bandwidth and linewidth enhancement factor of the RSOA used in the experimental demonstration are measured to be 3.2 GHz and 5.25, respectively. Three types of lasers are employed in our demonstration: two external cavity lasers (ECLs) having linewidths of 30 and 600 kHz and one DFB laser having a linewidth of 3 MHz. The experimental results show that excellent receiver sensitivities are achieved for the three types of lasers. For example, the receiver sensitivities after 20-km transmission are measured to be around -32.8 dBm for two ECLs. We achieve a decent receiver sensitivity of -30 dBm even when the DFB laser having a linewidth of 3 MHz is used as seed light. This is because the proposed CPE method works even when the block length becomes as short as 15. It is also shown through experiment that the proposed CPE method is very robust against the variations of some system parameters. For example, the sensitivity penalty measured by using the DFB laser is less than 0.1 dB as long as the number of test phases are larger than 120. Also, the sensitivity penalty incurred by setting $\alpha$ to be 10 (actual value is 5.25) is measured to be 0.5 dB. Thus, it is believed that the proposed CPE method could be used for the cost-effective implementation of high-speed coherent WDM PON based on RSOA by using low-cost DFB lasers as seed light.
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본 논문에서는 비용 효율적인 DFB 레이저를 시드 광원으로 사용하는 RSOA 기반의 고속 코히어런트 WDM PON을 위한 새로운 CPE 방법을 제안한다. 제안된 CPE 방법은 짧은 길이의 샘플링된 신호(즉, 짧은 추정 심볼 길이)를 사용하므로써 캐리어 위상을 정확하게 추정할 수 있으므로 넓은 선폭을 갖는 저가의 DFB 레이저 또한 시드 광원으로 사용할 수 있다. 제안된 방법은 RSOA의 직접 변조에 의해 생성된 광 신호의 위상 변조 지수와 세기 변조 지수 간의 선형 관계를 이용한다. RSOA에 직접 전류를 인가하여 변조할 때, 광 신호의 세기와 위상이 동시에 변조된다. 이때 신호가 변조 대역폭에 매우 제한되어 있는 경우에도 광 신호의 PM은 비례 상수인 선폭 확대 계수에 IM과 비례한다. 이것은 코히어런트로 수신된 신호가 컨스텔레이션에서 나선 궤적을 그리며 변조되는 것을 의미합니다. 따라서 시드 광원의 반송파 위상은 먼저 특정 추정 위상에 의해 나선 궤적을 회전 시킨 후에 샘플링된 신호를 사용하여 계산된 PM/IM 비율과 선폭 확대 계수 사이의 최소 오차를 제공하는 추정 위상을 찾음으로써 추정할 수 있다.
제안된 CPE방법은 25.78 Gb/s에서 작동하는 루프백으로 구성된 상향 전송 링크를 통해서 실험적으로 시연했다. 실험에서 사용된 RSOA의 변조 대역폭과 선폭 확대 계수는 각각 3.2 GHz와 5.25로 측정되었다. 시드 광원의 선폭에 대한 CPE의 성능을 측정하기 위해서 선폭이 30 kHz 와 600 kHz인 ECL과 선폭이 3 MHz인 DFB 레이저를 사용하였다. 실험 결과는 3 가지 유형의 레이저에 대해 우수한 수신기 감도를 달성하였다. 예를 들어서 20 km 전송푸에 수신 감도는 두 ECL에 대해 약 -32.8 dBm으로 측정되었고 선폭이 3 MHz인 DFB 레이저를 시드 광원으로 사용할 경우 -30 dBm의 적절한 수신 감도를 달성했다. 이는 제안된 CPE 방법이 추정 심볼이 15로 짧은 경우에도 작동하기 때문이다. 제안된 CPE 방법은 일부 시스템 파라미터의 변동에 매우 강하다는 것도 실험적으로 보였다. 먼저 제안된 반송파 위상 추정 방법의 수행 속도와 연관된 추정 위상의 개수에 따른 수신 감도를 측정하였다. 위상의 개수가 120개 이상일 경우 수신 감도의 변화가 0.1 dB이하로 거의 변하지 않았다. 다음으로 측정된 RSOA의 선폭 확대 계수 오차에 따른 성능 변화를 분석하였다. 실제 측정된 RSOA의 선폭 확대 계수가 5.25였으나 제안된 위상 추정 방법에서 선폭 확대 계수를 3 이상으로 설정한 경우 수신 감도 열화가 거의 없음을 확인하였다. 따라서 제안하는 CPE방법을 사용하면 저가의 DFB 레이저를 시드 광원으로 사용하여 RSOA를 기반으로 하는 고속 코히어런트 WDM PON을 비용 효율적으로 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
