Recently, various new applications such as 4K/8K ultra HD media based real-time streaming services, web based applications, cloud services, data center, and big data processing lead the steady increase of data traffic in fiber optic communication networks. Additionally, a wire-wireless converged $5^{th}$ generation mobile network demands an advanced fiber optic network. To meet these requirements, a wavelength division multiplexing (WDM) technology accommodating a broad bandwidth and a coherent detection technology for an efficient use of a given spectral bandwidth and a high quality of optical signal has been investigated deeply. Initially, an expensive wavelength tunable light source was used for the coherent detection. However, it consumes lots of energies and increases a cost of the optical transceiver. For the cost-effective and energy-efficient WDM system, a wavelength demultiplexed coherent multi-wavelength source output was proposed. However, the total output power of the multi-wavelength source should be at least 28 dBm (10 dBm + 18 dB) in case of 64 channel WDM system, since the local oscillator requires optical power per channel larger than 10 dBm. Unfortunately, it is not easy to use this high power light source in the system. Then, an optical amplification of each wavelength after wavelength demultiplexing was proposed. If we use erbium doped fiber amplifier (EDFA) per wavelength, there are inefficiency such as too broad gain bandwidth for a single wavelength, a large power consumption, and a large volume. To replace the EDFA, an optical amplification based on an injection locked Fabry-Perot laser diode is an attractive solution. However, an additional temperature control is necessary to keep the mode wavelength that changed by external conditions such as a temperature.
In this dissertation, we propose an uncooled optical amplification using a triple contact F-P LD (TC F-P LD) that has three electrodes for current injection. To verify the proposed method, first, we analyzed the wavelength tuning characteristics at a constant output power by controlling the ratio of three injection currents and the temperature range. Second, we adopted the proposed TC F-P LD based optical amplifier in a WDM system and analyzed the performance. 1) We utilized the injection locked TC F-P LD as an optical carrier in an IM/DD system for a 10 Gb/s On-off keying signal transmission. For the IM/DD system, RIN is the major performance limiting factor and the injection power > -26 dBm is required to achieve RIN < -120 dB/Hz and power penalty < 2 dB for the BER performance. 2) We utilized it as either an optical carrier or a local oscillator in a coherent detection system for a 20 Gb/s QPSK signal transmission. In case of using as the optical carrier, the RIN is compensated by a balanced coherent receiver and shot-noise limited sensitivity can be achieved. Meanwhile, the total mode of the injection locked TC F-P LD is inputted to local oscillator port of the coherent receiver and the RIN is almost a constant regardless of the injection power. The high LO power induces a residual intensity noise even after the balanced detection and degrades the SNR. Additionally, a finite SMSR decreases the effective optical power in the local oscillator and decreases the SNR consequently. Therefore, the total power penalty in BER performance is sum of that by the RIN and the SMSR. For less than 1 dB power penalty, the required injection power was -12 dBm.
Finally, we analyzed the tuning mechanism of multi-section Fabry-Perot laser diode by simulation. We established a theoretical model of the DC F-P LD based on laser rate equations and temperature conduction equations. We solved those equations iteratively while changing the laser design parameters such as contact length and parasitic resistance between contacts. From the simulation results, we verify the major wavelength tuning mechanism of multi-contact F-P LD is internal temperature rise and as asymmetry in contact length increases the temperature and mode tuning range up to 2.5 nm consequently.
Based on the proposed method and investigation results, we can achieve a compact/integrated/cost- effective optical transceiver by removal of an expensive tunable wavelength source and a power hungry temperature controller. Therefore, we can achieve a cost-effective and energy efficient WDM based coherent system.
최근 4k/8k Ultra High Definition (UHD) 영상 기반 실시간 스트리밍 서비스, 웹 기반 어플리케이션, 클라우드 서비스, 데이xj 센터와 빅데이터 처리 등 다양한 차세대 어플리케이션이 등장하면서 광통신망에서의 데이터 트래픽이 지속적으로 증가하고 있다. 더불어 5 세대 이동통신을 위한 유무선 융합 네트워크 기술의 필요성이 대두되면서 광통신망의 고도화가 요구되고 있다. 이런 요구에 대응하기 위해 넓은 대역폭을 수용할 수 있는 파장 분할 다중방식 (WDM: Wavelength Division Multiplexing)과 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있고 광신호 품질을 향상시킬 수 있는 코히어런트 검출 (Coherent detection)기술에 대한 연구가 심도 있게 이루어지고 있다. 연구 초기에는 주로 파장 가변 광원이 이용되었으나 높은 가격으로 인해 경제성이 떨어지고, 광트랜시버에서 많은 에너지를 소모한다는 한계를 가진다. 경제적이고 에너지 효율적인 WDM 기반 코히어런트 시스템을 구현하기 위해, 코히어런트 다파장 광원 (Coherent multi- wavelength source)의 출력을 파장 분할한 뒤 각각의 광트랜시버에서 광캐리어 발생기 (optical carrier generator) 및 국부 발진기 (local oscillator) 로 사용하는 파장분할 다중방식이 제안되었다. 이러한 코히어런트 시스템에서, 국부발진기는 채널 당 10 dBm 이상의 파워가 요구되므로 64 채널 파장 분할 다중방식 시스템의 경우, 다파장 광원의 출력 파워는최소한 28 dBm (10 dBm + 18 dB)이상이 되어야 한다. 이러한 고출력 광원을 실제 시스템에서 사용하는 것은 불가능하기 때문에 각각의 파장으로 분할한 뒤 증폭하는 것이 현실적이다. 이를 위해 광섬유 기반 광증폭기가 이용될 수 있다. 하지만 파장 별로 광섬유 기반 광증폭기를 두고, 넓은 이득 대역폭으로 단일 파장의 광을 증폭시키는 것은 비효율적이고 전력 소모와 부피가 크다. 이를 대체하기 위한 방법으로 주입 잠금 기반 페브리-페롯 레이저 다이오드를 광증폭기로 이용할 수 있으나 온도와 같은 외부 환경의 변화에 따른 출력 모드의 파장 변화를 막기 위해 별도의 온도 조절장치가 필요하다.
본 논문에서는 세 개의 전류 주입 전극을 갖는 트리플 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드를 별도의 온도 조절장치 없이 주입 잠금 기반 광증폭기로 이용하는 방법을 제안한다. 이를 위해서,
첫째, 주입 잠금된 트리플 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드의 주입 전류 비율 조절에 따른 모드 파장 제어 특성과 출력 특성을 분석하고, 이를 광증폭기로 활용할 때 주입 잠금을 유지할 수 있는 온도 변화 범위를 분석한다.
둘째, 트리플 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드기반 광증폭기를 광통신 시스템에 적용한다. 우선 10 Gb/s On-off keying 신호 전송을 위한 세기 변조 직접 검출 시스템 (IM/DD system)의 광캐리어 발생기로 이용할 때, 상대 세기 잡음 (RIN: Relative Intensity Noise)이 주요 성능 제한요인이다. 트리플 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드로의 주입 파워가 -26 dBm 이상일 때 RIN<-120 dB/Hz 가 달성되고 2 dB 이내의 파워 페널티로 비트 오류 없이 전송이 가능하다. 그 다음, 20 Gb/s QPSK 신호 전송을 위한 코히어런트 검출 시스템 (Coherent detection system)의 광캐리어 발생기 및 국부발진기로 활용하여 각각의 성능을 평가 및 분석하였다. 광캐리어 발생기로 사용되는 경우, 주입 잠금된 출력 광의 RIN 이 코히어런트 검출기의 balanced operation 에서 상쇄되어 기준 성능과 큰 차이를 보이지 않았지만 (sensitivity: -36.5 dBm), 국부발진기로 사용되는 경우, RIN 과 사이드 모드 억제율 (SMSR: Side Mode Suppression Ratio)에 의해 성능이 열화되는 것을 밝혔다. 국부발진기의 경우 주입 잠금된 출력 광의 토털 모드가 이용되는데, 주입 파워에 따라 RIN 이 크게 변하지 않는다 (약 -135 dB/Hz). 다만 광파워가 높기 때문에 비록 코히어런트 검출기의 balanced operation 에서 RIN 이 상쇄되더라도 residual intensity noise 에 의해 광신호가 열화된다. 더불어, 유한한 SMSR 은 국부발진기로써 유효한 광파워를 제한하게 되어 광신호 품질이 열화된다. 비트 에러율을 기준으로, 총 페널티는 결국 RIN 에 의한 페널티와 SMSR 에 의한 페널티의 합으로 분석되었으며, -12 dBm 이상의 주입 파워에서 1 dB 이내의 페널티가 발생하는 것을 확인하였다.
마지막으로 본 논문에서 사용된 파장 유지 광원의 다중 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드의 이론적 모델링을 통해 파장 제어 특성을 분석한다. 이를 위해 레이저 비율 방정식과 열 전도 방정식에 기반한 더블 컨택 페브리-페롯 레이저 다이오드의 모델을 수립하고, 다양한 레이저 파라미터에 따른 모드 파장 제어 범위를 분석한다. 시뮬레이션을 통해, 다중 컨택 레이저의 경우, 내부 온도 증가에 의한 파장 제어 메커니즘을 밝혀내고, 비대칭적인 컨택 길이를 갖는 경우 모드 제어 범위를 약 2.5nm까지 증가시킬 수 있었다.
본 논문에서 제안하는 방법을 통해 고가의 파장 가변 광원과 복잡한 온도 조절장치를 제거하여 광트랜시버의 소형화/집적화/저가화를 이룰 수 있고, 결과적으로 WDM기반 코히어런트 광통신 시스템의 효율성/실용성을 향상시킬 수 있다.
