Due to proliferation of Internet of Things, artificial intelligence-related services, high-definition video, and cloud data service/computing, the data traffic required in the optical transport network has soared in continuous and exponential manners. To meet such a demand, the data rate of optical transceiver is also increasing very rapidly. For example, the standardization of serial Ethernet speed is completed in 2009 for 10 GbE, 2016 for 25 GbE, and 2019 for 50 GbE. It is anticipated that 100 GbE standards would be available in 2021.
The optical transport network is composed of numerous optical transceivers. Thus, to accommodate the data traffic demand in a cost-effective way, it is imperative to implement low-cost high-speed optical transceivers. Direct-modulation/direct-detection is the simplest of optical transmission schemes and has been the transmission technology of choice for short-haul applications. Compared to the external-modulation-based counterpart, this scheme offers high output power from the transmitter, low power consumption, and small footprint. Due to the limited modulation bandwidth of directly modulated laser (DML), however, it is relatively difficult to increase the data rate.
The objective of this study is to explore the possibility of generating, transmitting, and detecting the optical signals as high as 100 Gb/s by using DML and direct detection (DD). I attempt to increase the data rate of DML/DD system beyond 100 Gb/s by using commercial DMLs through experiment. For this purpose, I employ the pulse amplitude modulation (PAM) format. This multi-level modulation format is relatively easy to generate (in comparison with discrete multi-tone and carrierless amplitude phase), but delivers multiple bits per symbol. I also utilize the post-detection electrical equalization technique to compensate for the waveform distortions induced by band-limitation of DML.
A $1.3-\mum$ DML having a modulation bandwidth of ~20 GHz is utilized to generate PAM-4 and PAM-8 signals. The signal is transmitted over standard single-mode fiber and directly detected by using a PIN receiver. For various data rate ranging from 78 to 120 Gb/s, I optimize the signal levels at the transmitter for the bit-error ratio (BER) performance. At the receiver, various electrical equalizers, including feedforward equalizer, decision-feedback equalizer Voletrra nonlinear equalizer, and maximum likelihood sequence estimator (MLSE), are employed to strike the balance between the BER performance and receier complexity. Comparative study between PAM-4 and PAM-8 is also presented to determine the modulation format for 100-Gb/s transmission.
The results show that I can transmit 107-Gb/s PAM-4 and 108-Gb/s PAM-8 signals successfully when we utilize linear equalizer and decision feedback equalizers, respectively. It is also possible to increase the data rate to 120 Gb/s for PAM-8 signal by using Volterra equalizers. However, complicated MLSE should be employed for 120-Gb/s PAM-4 signal.
최근 사물 인터넷, 인공 지능, 고화질 비디오 및 클라우드 데이터/컴퓨팅에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 데이터 센터를 포함한 광전달망에서 요구되는 전송 속도가 지속적으로 또한 지수적으로 급증하고 있다. 이러한 데이터 트래픽 증가세를 수용하기 위해서 채널당 전송 속도도 빠르게 증가하고 있다. 예를 들면, 단일 채널 직렬 이더넷 광트랜시버 표준이 2009년 10 GbE, 2016년 25 GbE, 2019년 50 GbE 로 발전하였으며, 100 GbE 표준은 2021년경에 완성될 것으로 예상된다.
광전달망은 기본적으로 점대점 광전송 시스템으로 구현되므로 데이터 트래픽 수요를 경제적으로 수용하기 위해서는 경제적인 점대점 전송 시스템이 필수적으로 요구된다. 직접 변조/직접 검출 광전송 시스템은 가장 간단한 구조의 송신기와 수신기로 구현되므로 가격에 민감한 단거리 전송 시스템에 가장 적합하다고 할 수 있다. 이러한 시스템은 외부 변조기를 사용하는 시스템에 비하여 소비 전력이 적고, 좁은 상면적을 차지하며, 송신기에서 고출력 신호를 송출하므로 광증폭기 없이 시스템의 구현이 가능하다. 그러나 외부 변조기에 비하여 직접 변조 레이저의 변조 대역폭이 제한적이므로 고속 신호를 생성하는데 어려움이 있다.
본 연구에서는 대역폭이 제한적인 직접 변조 레이저를 활용하여 100 Gb/s 이상 초고속 신호를 생성, 전송, 그리고 검출하는 기술을 탐구한다. 현재 상용화되어 있는 직접 변조 레이저를 활용하여 얼마나 높은 전송 속도까지 전송이 가능한지 실험을 통하여 연구하였다. 이를 위하여 직접 변조/직접 검출 시스템의 가격경쟁력을 최대한 살릴 수 있도록 신호 생성 및 검출이 간단한 펄스 크기 변조(pulse amplitude modulation: PAM) 변조 방식을 활용하였다. 또한 레이저의 대역폭 한에 의한 신호 파형 왜곡은 전기적 등화기를 사용하여 수신단에서 보상하였다.
변조 대역폭 20 GHz 남짓의 $1.3 \mum$ 대역 직접 변조 레이저를 활용하여 PAM-4 및 PAM-8 신호를 생성하고, 단일 모드 광섬유에 전송한 후, 광검출기로 신호를 검출하였다. 단일 채널당 전송 용량을 100 Gb/s 이상 증가시키면서 전송 속도에 맞추어 송신단의 레벨을 최적화하였으며, 다양한 전기적 등화기를 사용하여 신호 왜곡을 보상한 후 비트 오율 성능을 측정하였다. 전기적 등화기로는 선형 등화기, 판별 궤환 등화기, 볼테라 비선형 등화기, 그리고 최대 우도 추정을 활용하였다. 뿐만 아니라 전송 속도에 따라 PAM-4 및 PAM-8 변조 방식을 비교하여 어느 변조 방식이 더 적합한지에 대해 연구하였다.
실험 결과 $1.3 \mum$대역의 레이저를 사용하여 다중 레벨 변조 방식을 통해 직접 변조 시스템 상에서 100 Gb/s 급 신호를 선형 등화기 및 판정 궤환 등화기를 사용하여 전송 거리 25 km에 전송하는데 성공하였으며, 이 때 수신 감도는 PAM-4 변조 방식에서 -5 dBm, PAM-8 변조 방식에서 -3 dBm을 얻을 수 있었다.
