Due to the ever-increasing data traffic in data centers, cloud services, and other short-haul applications, a high-speed transmission system operating at >50 Gb/s per lane (or wavelength) is of great interest. Previously, such a transmission system has been typically implemented by using an electro-absorption modulated laser (EML) and a direct-detection (DD) receiver. However, for the cost-effective implementation of practical 50-Gb/s short-haul transmission systems, it is highly desirable to utilize a directly-modulated laser (DML) since it is cheaper, produces larger output power, and consumes less energy than EML. However, one technical challenge associated with the use of DML in the high-speed (>50 Gb/s) transmission system is the waveform distortions caused by the interplay between the DML’s frequency chirp and fiber’s chromatic dispersion. For example, it has been reported that the 50-Gb/s on-off keying (OOK) signal generated from a 1.55-μm DML suffers severely from the waveform distortions even after the transmission over only 1.5 km of standard single-mode fiber (SSMF). For this reason, most of the previously demonstrated 50-Gb/s DML/DD systems have utilized the 1.3-μm window, where SSMF has the minimum chromatic dispersion. However, it would be desirable if we could also utilize the 1.55-μm window for the operation of 50-Gb/s DML/DD system to double the system’s capacity or implement a full-duplex bidirectional transmission system by using 1.3/1.5-μm wavelength-division-multiplexing (WDM) couplers. For this purpose, it is necessary to develop the 1.55-μm 50-Gb/s DML/DD system having a compatible performance with the 1.3-μm system without using the optical dispersion compensators (to minimize the cost and transceiver footprint).
In this thesis, we demonstrate, for the first time to the best of our knowledge, the transmission of 56-Gb/s 4-level pulse amplitude modulation (PAM-4) signal generated by using a 1.55-μm DML over 20-km long SSMF without using the optical dispersion compensation technique. For this demonstration, we optimize the extinction ratio (ER) of the 56-Gb/s PAM-4 signal and apply a linear electrical equalizer for the compensation of the dispersion-induced waveform distortions. Since a continuous-time linear equalizer can be utilized in this system, there is no need to utilize the high-speed, high-resolution analog-to-digital converter in the receiver. Thus, the receiver electronics of this DML/DD system can be simple and cost-effective.
Most of the intra data-center networks have been implemented by using multi-mode fiber (MMF) due to its cost-effectiveness. Thus, to accommodate the rapidly growing traffic in data centers, it is critical to develop the technology capable of transmitting ultrahigh-speed (>50 Gb/s) signals over the MMF. However, it is extremely difficult to transmit such an ultrahigh-speed signal over the MMF due to its inherently large modal dispersion. Recently, the mode-field matched center-launching technique has been developed to solve this problem. It has been reported that, by using this technique, ~10 Gb/s OOK signal can be transmitted over ~10 km of MMF. In this thesis, we demonstrate the transmission of 56-Gb/s PAM-4 signal over 2.3-km long MMF by using this technique and electric equalizers. The results show that there is no significant difference in the receiver sensitivities between this system and the one utilizing SSMF of same length.
데이터 센터의 증설과 클라우드 서비스 등의 출현으로 인하여 단일 채널당 50 Gb/s 급 초고속 신호를 수용하고자 하는 노력이 활발하다. 이러한 초고속 광전송 시스템은 통상 전계 흡수 변조된 레이저(EML)를 이용하여 구현된다.
그러나 근거리 통신망에서는 가격 경쟁력이 중요하기 때문에 비용 효율적인 측면에서 직접 변조 레이저를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 직접 변조 레이저는 전계 흡수 변조된 레이저보다 출력 전력이 더 크며 소비 전력도 더 적다는 장점이 있다. 하지만 직접 변조 레이저의 주파수 처프(frequency chirp)와 광섬유의 색분산에 의한 신호 왜곡으로 인하여 전송 거리가 심각하게 제한된다는 문제점이 있다. 따라서 직접 변조 레이저를 활용한 초고속 광전송 시스템은 분산에 의한 영향이 적은 1.3 μm 파장 대역을 주로 사용해왔다. 그러나 1.3/1.55 μm 두 대역을 활용한 전이중(full-duplex) 양방향 통신 및 전송 용량을 2배로 증가시키기 위해서는 1.55 μm 파장 대역을 활용하는 것이 필요하다. 특히 1.3 μm 파장 대역에서 동작하는 시스템과의 호환성을 유지하기 위하여 이러한 시스템을 광학적 분산 보상 없이 구현하는 것이 중요하다.
본 논문에서는 1.55 μm 파장의 직접 변조 레이저를 이용하여 56 Gb/s 속도의 PAM-4(4-ary pulse amplitude modulation) 신호를 이용하여 단일 모드 광섬유 20 km를 전송하였다. 이를 위하여 신호의 소광비를 최적화 하였고, 레이저의 주파수 처프와 광섬유의 색분산에 의해서 야기되는 신호 왜곡은 수신부의 FFE(feed-forward equalizer)로 보상하였다. 시연된 시스템의 전기 등화기는 연속 시간 선형 등화기(continuous-time linear equalizer)로 구현 가능하므로 고가의 고속 아날로그-디지털 변환기 없이도 비용 효율적으로 구현될 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 데이터 센터 내부의 통신망은 주로 다중 모드 광섬유를 이용하여 구축되어 있다. 이는 다중 모드 광섬유의 경우 코어의 직경이 크기 때문에 butt-coupling과 같이 경제적인 커플링 방법을 사용할 수 있어 관련 소자의 제작비용을 절감할 수 있기 때문이다. 그러나 다중 모드 광섬유를 사용하여 초고속 신호를 전송하는 경우 모드간 분산으로 전송거리가 심각하게 제한되게 된다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위하여 mode-field matched center-launching 기술이 제안된 바 있다. 이러한 기술을 적용하여 데이터 센터 내부에서 사용되는 통신망과 같이 필요한 최대 전송거리가 2 km 이하인 경우에는 본 연구실에서 기존에 개발한 mode-field matched center-launching 기술을 이용하여 50-Gb/s급 PAM-4 신호를 다중 모드 광섬유를 이용하여 전송할 수 있음을 처음으로 확인하였다.
