There has been a significant upsurge in vedio-centric services such as high definition (HD) television, 3-D television, video communications, etc. In addition to this, a platform of the wireless communication is being merged with that of the wired communication. To embrace the recent changes, optical fiber has been substituting for existing copper based transmission media, providing a lot higher bandwidth with extended reach. Among the various methods to realize the fiber-to-the-x (FTTx), a wavelength division multiplexing-passive optical network (WDM-PON) has been regarded as a prime solution thanks to the unlimited bandwidth, high reliability, high security, easy maintenance, and protocol transparency. However, the universal deployment of the WDM-PON hangs on the realization of a cost effective and color-free optical source. For this, the injection seeded WDM-PON employing a spectrum-sliced amplified spontaneous emission (ASE) light has come to the forefront in virtue of its easy maintenance, color-free operation, and viability of multi-Giga-bit transmission to each subscriber. However, performance of the WDM-PON with ASE seeding is limited by the ASE-ASE beating noise arising from the spectrum slicing of the incoherent light. Even though the reflective modulator suppresses the beating noise by gain saturation, the noise increases again as the optical signal passes through the optical multiplexer/de-multiplexer (MUX/DEMUX) such as arrayed waveguide grading (AWG). In addition, chromatic dispersion in optical fiber degrades the signal quality through de-correlation process between different spectral components. Thus a complex noise evolution process should be considered to understand the system performance. On top of the beat noise, interference between the optical signal and disturbing signals coming from back reflections and adjoining channels serves as another impairment factor of the system. The dispersion induced pulse broadening is well-known performance degradation. Thus a new analysis and design method are needed for the ASE injection seeded WDM-PON because of these impairments.
In this thesis, we investigate performance of the ASE injection seeded WDM-PON with help of a new theoretical model for reflective modulators. Based on the results, we propose and demonstrate the performance enhancement methods. By using a pre-filtering technique, we can reduce the falling-off in quality of the optical signal by the filtering effects induced by AWGs when the optical signal passes by. A multi-electrode Fabry-Perot Laser Diode (F-P LD) is used to maintain the lasing mode matched with the inection wavelength to eliminate the environment-dependent performance degradation. With the noise control methods, we can increase the total capacity by increasing data rate (up to 2.5 Gb/s) and/or expanding the channel count (up to 128). A forward error correction (FEC) can be utilized to enhance the system performance, which leads to higher speed transmission, expanded channel counts, longer reach, and the reduction of seed power. Based on the FEC, we demonstrate the maximum channels (more than 128 channel count) and reach (up to 90 km) as well as a high speed transmission of 10 Gb/s. As a break-through result, 20 km upstream transmission of 400 Gb/s (40 ch. × 10 Gb/s/ch) signal is successfully demonstrated with total seed power of 8.6 dBm. Finally, we propose a new optical link design method for ASE injection seeded WDM-PON to obtain optical link specifications systematically.
최근 high definition (HD) television, 3-D television, video communications 과 같은 대용량의 영상 서비스가 급증하고 있다. 뿐만 아니라 유선 및 무선 서비스를 단일 플랫폼에서 제공할 수 있는 유무선 통합망에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 변화를 수용하기 위해 기존의 구리선 기반의 통신망을 광섬유가 대체하고 있고, 이에 따라 통신 대역폭 및 전송 거리가 획기적으로 증가되었다. 이러한 Fiber-to-the-x (FTTx)를 실현하기 위해 다양한 방법이 제안되었고, 특히 넓은 대역폭, 높은 신뢰성과 보안성, 유지 관리의 용이성 등의 장점을 가진 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망 (WDM-PON: wavelength division multiplexing-passive optical network)이 궁극적인 해결책으로 고려되고 있다. 그러나 이러한 WDM-PON의 광범위한 활용을 위해서는 저가격이면서 파장 무의존성을 가진 광원의 개발이 필수적으로 여겨진다. 이를 위해 유지 및 관리가 쉽고, 파장 무의존성을 가지며 채널 당 기가 비트 이상의 전송이 가능한 ASE(amplified spontaneous emission)주입 기반 WDM-PON이 제안되었다. 하지만 이러한 ASE주입 기반 WDM-PON에서는 파장분할된 ASE의 비팅 잡음이 시스템의 성능을 제한하게 된다. 광 전송장치에 구비된 반사형 변조기의 이득 포화 현상을 이용하여 이러한 잡음을 억제할 수 있지만 광 신호가 파장분할 다중화/역다중화기를 통과할 때 잡음이 다시 증가하게 된다. 또한 광섬유를 통과할 때 발생하는 색분산 역시 잡음을 증가시키는 요인으로 작용하게 된다. 뿐만 아니라 광선로에서 발생하는 반사에 의한 페널티와 및 옆 채널과의 간섭에 의한 페널티가 발생하게 되고, 색분산에 의해 신호 자체가 왜곡되는 현상도 발생한다. 따라서 이러한 복잡한 장애요인들을 분석하고, 이를 기반으로 ASE주입기반 WDM-PON을 설계할 수 있는 방법이 필요하다.
본 논문에서는 반사형 광변조기의 이론 모델을 제안하고, 이를 이용하여 ASE주입 기반 WDM-PON의 성능을 연구한다. 또한 이러한 연구 결과를 기반으로 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다. 우선 pre-filtering 방법을 이용하여 파장분할 다중화/역다중화기에서 발생하는 잡음 증가 현상을 억제한다. 도한 다중 전극을 갖는 패브리 페롯 레이저 다이오드 (F-P LD: Fabry-Perot Laser Diode)를 이용하여 외부 환경에 의한 성능 열화가 발생하지 않도록 한다. 이를 통해 채널당 2.5 Gb/s 전송이 가능한 32채널 시스템과 채널당 1.25 Gb/s 전송이 가능한 128 채널 시스템을 구현한다. FEC (Forward Error Correction)를 이용하면 요구되는 주입파워를 감소시키고 전송 거리를 확장할 수 있다. 특히 채널 당 1.25 Gb/s 전송이 가능한 시스템에서 FEC를 적용함으로써 수용 가능한 최대 채널 수와 이 때 최대 전송거리를 분석하였다. 또한 채널 당 10 Gb/s 의 신호 전송이 가능한 시스템을 구현하고, 총 40 채널(400 Gb/s)에 대해서 20 km 상향 신호 전송을 수행하였다. 마지막으로, 이러한 연구 결과를 토대로 ASE주입 기반 WDM-PON을 위한 광 링크 설계 방법을 제안하였다.
