A wavelength division multiplexed passive optical network (WDM-PON) has been considered as an ultimate solution for fiber-to-the-home (FTTH), since it can provide unlimited bandwidth to subscribers with protocol and bit rate transparencies. In commercializing a WDM-PON, it is important to implement a low cost optical source with color-free (wavelength independent) operation. The color-free operation can be achieved by using a seed light at the central office (CO). However, the use of seed light increases the system complexity and cost.
In this thesis, we propose and demonstrate a cost-effective WDM-PON using multiple contact Fabry-Perot laser diodes (F-P LDs). The F-P LD is a low cost optical source for optical communications. However, F-P LD exhibits a high mode partition noise (MPN) generated by filtering in arrayed waveguide grating (AWG). Thus, it is not easy to use an optical source for WDM-PON. Fortunately, the MPN of the F-P LD decreases considerably as the operation frequency increases. Then, we can mitigate the relative intensity noise (RIN) induced performance degradation by allocating the signal spectrum into a low RIN region. To maximize the optical power budget, we employ envelope tuning characteristic of a multiple contact F-P LD. The lasing envelope is tuned electrically by controlling currents through the contacts. This feature is also used to compensate decrease of the link budget due to temperature dependent lasing envelope. By using these features, we demonstrate an error-free transmission with the color-free operation at 1.25 Gb/s, when the channel spacing is a 200-GHz AWG. However, we observe error floor at $10^{-8}$ BER level, when the channel spacing is 100-GHz AWG. The error-free transmission can be achieved by employing a forward error correction.
Recently, communication services are rapidly changing from voice/data-centric services to video-centric services which are expected broadcast/multicast services. Thus, support of broadcast/multicast services will be useful for future proof WDM-PON. However, it is not easy to accommodate broadcast signal in WDM-PON, since it has wavelength selective devices such as WDM multiplexer/demultiplexer both CO and remote node. To solve this issue, we propose and demonstrate broadcast signal transmission by using mutually injected F-P LDs (MI F-P LDs). This low-noise optical source shows multimode output with mode spacing of solitary F-P LD. The measured RIN of a selected mode is less than -135 dB/Hz which is comparable to that of a DFB LD. Thus it is possible to transmit broadcast signal by using M-I F-P LDs. We demonstrate 1.25 Gb/s signal transmission over 20 km of SMF with 100-GHz channel spacing within 17 nm wavelength ranges. This can accommodate 125 channels of 10 Mb/s HDTV signals. The usable bandwidth can be increased further by using high power F-P LDs with the broad gain spectrum.
In appendix, we propose and demonstrate a multiple star WDM-PON based on a band splitting wavelength division multiplexing (BSWDM) filter. A single type AWG is used at all 2nd stage splitting points to realize a color-free OSP. The proposed architecture also provides pay as you grow feature to reduce up-front costs of the WDM-PON.
In conclusion, we proposed and demonstrated a color-free WDM-PON with multiple contact F-P LDs enabling envelope tuning. We utilized a low RIN window to mitigate MPN and maximized the optical power budget by matching the lasing envelope peak to the transmission peak of the AWG. To do that, we tuned the lasing envelope by controlling currents of the multiple contact F-P LDs. We believe that the proposed method can be used to realize a cost effective WDM-PON. In addition, we demonstrated high capacity broadcast signal (1.25 Gb/s) transmission in a WDM-PON with a low noise multi-wavelength optical source based on with mutually injected F-P LDs.
파장분할 다중방식 수동형 광 가입자망은 가입자당 무한대의 대역폭과 프로토콜과 전송 속도에 관계없이 사용할 수 있을 뿐만 아니라 높은 QoS와 보안성으로 FTTH의 궁극적인 해결책으로 제안되고 있다. WDM-PON을 상용화시킴에 있어 저가이면서 파장에 무관한 (wavelength independent) 광원을 구현하는 것이 중요한 이슈이다. 이를 구현하기 위한 방안으로 중앙기지국 (CO) 에서 주입 광을 사용하는 방안이 있다. 그러나 주입광의 사용은 전체 시스템을 복잡하게 만들고 가격을 증가시킨다.
본 학위논문에서는 다중의 주입 전극을 가진 패브리-페롯 레이저 다이오드 (F-P LDs) 를이용하여 저가의 WDM-PON을 위한 광원을 제안하고 구현하였다. F-P LD는 광통신을 위한 가장 저가의 광원이다. 그러나 F-P LD는 파장 배열 격자 (AWG)에 의해 필터링됨으로써 모드 분할 잡음 (MPN) 이 나타나 WDM-PON을 위한 광원으로 사용하기 쉽지 않다. F-P LD의 경우 주파수가 증가함에 따라 MPN는 감소하게 된다. 따라서 고속 전송을 위해 낮은 상대 잡음 세기 (RIN)을 가진 부분을 전송대역으로 사용하였다. 광 파워 버짓을 최대화하기 위해 다중 주입 전극을 가진 F-P LD의 중심 파장을 튜닝하여 사용하였다. 다중 주입 전극을 가진 F-P LD의 주입 전류를 조절함으로써 원하는 파장에 중심 파장에 고정할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 온도에 의한 중심 파장 변화에 따른 슬라이싱 로스로 인한 링크 버짓을 감소를 보상해 줄 수 있다. 이런 방법을 이용하여 200 GHz 채널 간격을 가진 AWG 를 사용할 경우 1.25 Gb/s의 전송 속도에서 color-free 동작이 가능할 뿐만 아니라 error-free한 전송 성능을 얻을 수 있었다. 그러나 100 GHz 채널 간격을 가진 AWG 를 사용할 경우10-8 의 비트오율에서 error-floor가 발생하였다. 이는 FEC를 이용하여 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
최근 통신 서비스는 음성/데이터 기반에서 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 제공해야 하는 비디오 중심의 서비스로 이동하고 있다. 따라서 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 제공을 위한 솔루션이 필요하다. 그러나 WDM-PON에서는 CO와 RN단에 파장을 분리하는 AWG와 같은 소자를 사용함으로써 브로드캐스트 신호를 전송하는데 제약이 있다. 이를 해결하기 위해 상호 주입된 패브리-페롯 레이저 다이오드 (MI F-P LDs)를 이용하여 브로드캐스트 전송을 위한 광원으로 사용하였다. 이 광원은 저잡음의 다파장 광원으로 광원의 필터링된 모드의 RIN은 약 -135 dB/Hz 보다 낮은 값을 가지고 이는 DFB-LD의 RIN특성과 유사하다. 100 GHz 채널 간격을 가진 AWG를 사용하여 20 km의 SMF 에서 전송 속도가 1.25 Gb/s인 경우 전송 가능하였다. 제작된 광원의 경우는 17 nm 의 범위에서 10 Mb/s 의 HDTV 신호를 125 채널 수용 가능하다. 이는 광대역 게인의 스펙트럼을 가진 고출력 F-P LD 를 사용할 경우 사용할 수 있는 파장 대역을 증가시킬 수 있다.
부록에서는 밴드 스트리팅 (BS) WDM필터를 이용한 다단 분기 WDM-PON을 제안하고 실험적으로 검증하였다. Color-free OSP를 구현하기 위해 동일한 타입의 AWG를 모든 제 2노드 분기점에 사용할 수 있다. 또한 제안된 구조는 WDM-PON에서 점진적인 설치가 가능하여 선행 투자의 비용을 줄일 수 있다.
본 논문에서는 우리는 중심 파장 튜닝이 가능한 다중 주입 전극을 가진 F-P LD를 이용하여 파장에 무관한 WDM-PON 광원을 제안하고 구현하였다. MPN을 피하기 위해 낮은 RIN 부분을 이용하여 다중 전극을 가진 F-P LD의 주입 전류를 가변 시켜 중심 파장을 AWG의 파장과 일치시켜줌으로써 파워 버짓을 최대화하였다. 제안된 방법을 이용하여 저가의 WDM-PON을 구현할 수 있었다. 또한 상호 주입된 F-P LD를 이용한 저잡음 다파장 광원을 이용하여 1.25 Gb/s의 브로드캐스트 신호를 전송할 수 있었다.
