Recently, there have been many efforts to increase the transmission speed and capacity of the short-reach fiber-optic transmission systems to facilitate the rapidly increasing datacenter traffic in the coming years. In the current datacenter networks (especially in the internal datacenter networks), the multi-mode fiber (MMF) has been widely used since the required transmission distance is usually less than 500 m. However, in the near future, it is expected that the single-mode fiber (SMF) will be increasingly used in the datacenter networks to accommodate the high-speed traffics.
In this dissertation, various techniques have been investigated to increase the operating speed of the short-reach fiber-optic transmission system implemented by using MMFs and SMFs. In particular, we have developed a simple technique to utilize the high-speed multi-level formatted signal (such as PAM4) in the MMF systems using the mode-field matched center-launching technique. In addition, we have investigated that the optical feedback caused by bad fiber connectors in the link can seriously deteriorate the performance of the multi-level signal in the SMF-based short-reach transmission systems. Furthermore, we have developed a simple and practical technique to improve the extinction ratio of the sinusoidally modulated input light used in the 2-channel optical-time-division-multiplexed (OTDM) system, which, in turn, can reduce the crosstalk between the OTDM channels. By using this technique, we have increased the transmission speed of this OTDM system to 300 Gb/s (which is nearly twice as fast as the transmission speed of the previously reported OTDM system implemented by using the same components). To further increase the transmission speed of this OTDM system, it is necessary to increase the number of OTDM channels (which requires to reduce the pulse width of the sinusoidally modulated input light). For this purpose, we first generate the sinusoidally modulated input light by using a directly modulated laser, and then applied it to a sinusoidally driven Mach-Zehnder modulator. As a result, we could demonstrate a 4-channel OTDM system by using the sinusoidally modulated light with a significantly reduced pulse width.
최근 데이터센터 트래픽이 빠르게 증가하고 있다. 이에 따라 급증하고 있는 데이터센터 트래픽을 향후에도 적절히 수용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기존 데이터센터 네트워크에서는 (특히 데이터센터 내부 네트워크의 경우) 대부분 전송거리가 500 m 이하인 다중모드 광섬유 기반 근거리 광전송 시스템이 사용되어 왔다. 그러나 데이터센터 네트워크가 지속적으로 고속화/대형화됨에 따라 최근 데이터센터 네트워크에서도 단일모드 광섬유가 널리 사용되기 시작하고 있다.
본 논문에서는 기존 다중모드 광섬유 기반 데이터센터 네트워크 및 차세대 단일모드 광섬유 기반 데이터센터 네트워크의 전송용량을 증가시킬 수 있는 실용적 방안들에 대하여 연구하였다. 특히, 다중모드 광섬유의 전송속도를 단일모드 광섬유 수준으로 증가시키기 위하여 개발된 모드 필드 정합 기술을 PAM4와 같은 멀티레벨 변조 방식을 이용할 수 있도록 개선하였다. 또한, 단일모드 광섬유 기반의 차세대 데이터센터 네트워크에서 기존과 같이 VCSEL을 광원으로 사용하는 경우 광커넥터 등에서 발생하는 반사로 인하여 멀티레벨 변조 방식으로 변조된 광신호의 전송성능에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 최근 단일모드 광섬유를 통해 채널당 200-Gb/s급 이상의 초고속 신호를 전송하기 위한 방안으로 제안된 바 있는 2채널 시분할 다중화 방식 광전송 시스템에서 사인파로 변조된 입력 광신호의 소광비를 개선하여 전송용량을 증가시키기 위한 새로운 방안을 제시하고 이를 이용하여 300-Gb/s급 근거리 광전송 시스템을 시연하였다. 이러한 시분할 다중화 방식 광전송 시스템의 전송용량을 더욱 증가시키기 위해서는 다중화 채널의 개수를 증가시켜야 한다. 이를 위하여 먼저 직접 변조 레이저를 활용하여 사인파로 변조된 입력 광신호를 생성한 뒤 이를 사인파로 구동되는 외부 변조기에 다시 인가하여 펄스 폭이 대폭 감소된 입력 광신호를 생성하고, 이렇게 펄스 폭이 대폭 감소된 입력 광신호를 이용하여 4채널 시분할 다중화 방식 광전송 시스템을 실험적으로 구현하였다.
