Due to the ever-increasing data traffic, the current optical communication system is expected to confront the fundamental capacity limit of the single-mode fiber (SMF) in the near future. The spatial-division-multiplexing (SDM) technology has recently attracted significant attention as a viable approach to overcome this problem. This technology can drastically increase the capacity of fiber-optic communication systems by utilizing fiber bundles, multi-core fibers (MCFs), and/or multi-mode fibers (MMFs). However, there are many potential problems in utilizing the SDM technology, which have not been addressed in conventional optical transmission systems.
The main objectives of this dissertation are to evaluate the merits and limitations of various SDM technologies for the next-generation high-capacity optical networks, and to provide the plausible solutions to overcome the limitations. A comprehensive overview of the SDM technology, including the recent evolution of optical communication networks, is provided in the first chapter. The current status of the research on the SDM fiber is reviewed in the second chapter. In the following four chapters, several SDM technologies are investigated to improve the spatial efficiency and cost-effectiveness of the next-generation optical network. We first explore the possibility of reducing the physical size of SMFs composing the fiber bundle. Then, the major limiting factors in increasing the capacity of MCF-based transmission system are investigated, and its achievable capacity improvement is evaluated. The analysis of inter-core crosstalk, which is known to be one of the most critical limiting factors in using multi-core few-mode fiber (MC-FMF), is also performed in order to provide a strategy for the design of such a fiber having extremely high spatial density. Finally, the last chapter summarizes the dissertation and provides future challenges of SDM technologies.
It is apparent that the SDM technology is most urgently needed in space-sensitive data centers and optical access networks. However, the SDM technologies based on MCF and FMF are still in their infancy and thus there are many remaining issues for the use in the near future. On the other hand, the use of optical fibers having reduced physical size can simply relieve the problem associated with space constraints in space-sensitive networks. Thus, in the third chapter, the design and fabrication of space-efficient fiber ribbon composed of reduced-cladding SMFs are discussed. It is important that the optical and mechanical properties of the reduced-cladding SMF should be similar to those of the conventional SMF. However, the fiber becomes more susceptible to the macro bending as the cladding diameter is reduced. To solve this problem, we utilize the depressed-cladding index profile and optimize the index profile to minimize the cladding diameter without incurring a large bending loss. Then we fabricate a space-efficient SMF having a cladding diameter of 80 um. We also fabricate 12-fiber ribbon composed of the reduced-cladding SMFs. The experimental measurements show that the fabricated reduced-cladding fiber satisfies all the major optical and mechanical specifications of the ITU-T G.654 recommendations. It is also shown that the spatial efficiency can be improved by ~75% when the fabricated 12-fiber ribbon is used instead of the commercial 12-fiber ribbon.
In the fourth chapter, the capacity improvement achievable by using MCF instead of conventional SMF is discussed. To increase the fiber’s capacity, it is indispensable to increase the spectral efficiency (SE) by using high-order modulation formats. However, in the case of using MCF, the use of higher-order modulation formats can reduce the core density due to their lower tolerance to the crosstalk. Thus, the ultimate capacity achievable by using the MCF and multi-level modulation format can be smaller than the value obtained simply by multiplying the SE and the number of cores in MCF. The performances of the optical signals in the MCF transmission system can also be affected by the fiber nonlinearities, as in the conventional SMF system. It is well known that the higher-level modulation format is more vulnerable to these nonlinearities. Thus, to facilitate the use of the high-level format in the MCF system, one may think that it is desirable to increase the effective area of each core. However, as the effective area increases, the inter-core crosstalk can also be increased due to larger mode-field diameter. Thus, we evaluate the effects of using (1) multi-level modulation formats and (2) large effective area fiber on the transmission capacity of MCF having the trench-assisted index profile and hexagonal layout. For this evaluation, the spectral efficiency per unit area, defined as the spatial spectral efficiency (SSE) is utilized. The results show that the SSE improvement achievable by using the higher-level modulation format can be reduced due to its lower tolerance to the inter-core crosstalk. The use of large effective area (>~110 um2) can decrease the transmission capacity as well due to the increased inter-core crosstalk and lengthened cutoff wavelength.
The capacity of single strand of optical fiber can also be increased drastically by utilizing its multiple spatial modes. As a result, single-core few-mode fibers (SC-FMFs) have attracted a great deal of attention at the early stage of the SDM technology development. For the SDM system utilizing such SC-FMFs, it is necessary to compensate for the mode coupling among spatial modes by using the multiple-input multiple-output (MIMO) processing at the coherent receiver. However, the complexity of the MIMO processing increases drastically as the number of the supported modes is increased. Thus, it is difficult to utilize a large number of spatial modes in SC-FMF-based SDM systems. On the other hand, there is no need to utilize the complicate MIMO processing for the SDM system utilizing uncoupled MCFs. Thus, there have been some efforts to scale up the transmission capacity of an optical fiber with a manageable implementation complexity by utilizing multi-core few-mode fibers (MC-FMFs). However, the spatial efficiency of the MC-FMF is limited by the inter-core crosstalk. Thus, an accurate estimation of this crosstalk is of critical importance for the optimization of MC-FMF systems. In the fifth chapter, we analyze the crosstalk occurring in the homogeneous multi-core two-mode fibers (MC-TMFs) by using the coupled-mode equations. In particular, we investigate the dependence of the inter-core crosstalk on the bending radius and intra-core mode coupling. Also, the accumulation of the inter-core crosstalk occurring in two different types of MC-TMFs is investigated for various transmission distances. The results show that there exists huge dependency of inter-core crosstalk on the bending radius caused by the change of phase matching condition. For example, when the bending radius is smaller than a certain value (which is determined by propagation constant difference between modes and core pitch), the inter-core hetero-mode coupling is drastically increased. We also find out that when the intra-mode coupling is strongly enhanced (e.g., by tight bending), some modes having large inter-core crosstalk mix with other modes during propagation and thus the inter-core crosstalk becomes similar for every mode.
Recently, a couple of heterogeneous MC-FMFs have been proposed to lower the levels of inter-core crosstalk compared to the case of using homogeneous MC-FMF having the same spatial density. These fibers utilize a large difference of effective refractive indices between two modes in heterogeneous cores so that the inter-core crosstalk can be suppressed by the phase mismatch between modes. However, as the number of modes increases, it becomes extremely difficult to design the MC-FMF with large differences of effective refractive indices between modes. As a result, all the previously reported heterogeneous MC-FMFs can support only two linearly-polarized (LP) modes per core. In the sixth chapter, a heterogeneous 6-core 4-LP-mode fiber supporting 36 spatial modes is proposed. To increase the number of modes per core, we utilize the trench-assisted graded-index (TA-GI) profile. This profile is effective not only to interleave the effective refractive indices of the modes in two heterogeneous neighboring cores with an equal spacing, but also to achieve low differential mode delay (DMD). For the design of two heterogeneous cores, the impact of various geometric parameters on the effective indices, DMD, and bending loss of guiding/higher-order modes are discussed. Then, the dependence of inter-core crosstalk between these two cores on the core pitch is evaluated. The results show that the proposed heterogeneous 6-core 4-LP-mode fiber exhibits an inter-core crosstalk level lower than -40 dB/km and a DMD of <50 ps/km over the entire C+L band. Moreover, its cladding diameter is only 180 um. Thus, this fiber can improve the number of mode per unit area by ~1700% compared to the case of using conventional SMF.
지속적으로 증가하고 있는 데이터 트래픽 수요를 수용하기 위하여 차세대 대용량 광전송망은 기존 SMF (single-mode fiber)의 한계를 극복할 수 있는 획기적인 방안이 필요하다. 앞으로 광섬유의 전송용량을 더욱 증가시키기 위해서는 ‘공간’ 요소를 활용한 공간 다중화 (SDM: spatial-division multiplexing) 기술이 활용될 것으로 예상된다. 단위 면적 당 전송용량이 극대화된 SDM 광섬유는 그 자체로도 공간 효율성 증대에 따른 경제적 이득을 누릴 수 있을 뿐만 아니라, 각종 SDM 광소자 및 부품 개발을 위한 핵심적인 요소들로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 논문에서는 SMF 번들, MC-SMF (multi-core single-mode fiber), MC-FMF (multi-core few-mode fiber) 등의 다양한 SDM 광섬유 기술들을 논의하고, 이러한 기술들을 사용한 차세대 광전송망의 전송용량 증대 효과에 대해 분석하였다.
효율적인 공간 활용이 시급한 데이터 센터 및 가입자 망에서는, 가까운 미래에 상용화가 될 수 있을 만큼 산업적 성숙도가 높고, 이미 존재하는 인프라를 충분히 활용할 수 있는 SDM 기술이 적용될 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 기존의 SMF와 호환이 용이하면서도 효과적으로 공간 효율성을 향상시킬 수 있는 단면적이 감소된 12가닥 광섬유 리본을 제안하였다. 먼저 광섬유 리본을 구성하고 있는 광섬유를 소형화하기 위한 방안으로 depressed-cladding index 프로파일을 최적화하였다. 그 결과, 클래딩 직경을 약 80 um로 감소시키더라도 기존의 SMF와 호환이 가능한 전송용 광섬유로 사용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 제작된 광섬유 리본은 상용 12가닥 광섬유 리본과 비교하여 약 75% 높은 공간효율성을 가지며, 광 케이블 내에 배치된 광섬유 가닥 수를 현재의 약 2배로 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이어서 SMF 번들이 가지는 공간효율의 한계를 뛰어넘을 수 있는 대표적인 SDM 광섬유로 알려진 MC-SMF의 전송 용량을 평가하였다. 이를 위해 MC-SMF기반 광전송 시스템에서 사용되는 변조방식과 각 코어의 유효면적이 전송용량 증대효과에 미치는 영향을 살펴보았다. 먼저 고차 변조방식의 신호들은 코어 간 crosstalk (inter-core XT)에 대한 취약성으로 인해 예상보다 전송용량 증가에 비효율적인 것으로 분석되었다. 또한, 트렌치형 코어의 유효면적 증가는 inter-core XT을 증가시킬 뿐만 아니라 차단 파장에도 부정적인 영향을 미쳤다. 그 결과 각 코어의 유효면적을 110 um2 이상으로 증가시키는 방안은 오히려 효율적이지 않은 것으로 나타났으며, 최적화된 7-코어 MC-SMF를 사용하여 얻을 수 있는 단일 코어 SMF 대비 단위면적 당 전송용량의 증가율은 약 300%에 그치는 것을 확인하였다. 이는 MCF 기반 SDM 기술이 가지는 한계로, 추가적인 전송용량 증대 효과를 얻기 위해서는 코어 내에서도 적용할 수 있는 SDM 기술이 요구되었다.
FMF 기반 SDM 기술은 한 코어 내에 존재하는 여러 개의 모드들을 독립적인 전송 채널로 동작시킬 수 있기 때문에, 전송용량을 극대화 시킬 수 있는 방안으로 MC-FMF의 활용이 많은 주목을 받고 있다. 하지만 MC-SMF와 마찬가지로 inter-core XT이 주된 성능 열화 요인으로 작용하기 때문에 그에 대한 분석이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 homogeneous MC-TMF (multi-core two-mode fiber)에서 발생하는 각종 mode coupling을 coupled-mode theory를 사용하여 모델링 하였고, 이를 바탕으로 각 모드가 겪는 inter-core XT을 분석하였다. 그 결과, inter-core XT은 광섬유의 구부러짐에 대해 큰 의존성을 가지고 있음을 발견할 수 있었다. 광섬유의 구부러짐이 적은 경우에는 inter-core homo-mode coupling의 영향이 지배적이었다. 하지만 광섬유의 구부러짐이 증가하여 특정 구부림 반경보다 작아지면 inter-core hetero-mode coupling의 영향이 커지는 것으로 나타났다. 또한 구부림 반경이 작아질수록 intra-core mode coupling이 심화되었으며 그로 인해 각 모드가 겪는 inter-core XT의 양도 서로 비슷해진다는 것을 확인하였다. 하지만 도출된 결과로부터 알 수 있는 사실은, homogenous MC-FMF로는 inter-core XT이 충분히 억제된 광섬유를 설계하기가 쉽지 않다는 점이다. 따라서 그에 대한 대안으로 heterogeneous MC-FMF를 고려하였다.
Heterogeneous MC-FMF를 진행하는 각 모드들은 인접한 코어 내에 있는 어떠한 모드와도 유효 굴절률이 같지 않기 때문에 매우 적은 inter-core XT이 발생하는 것이 특징이다. 하지만 설계에서 발생하는 가장 큰 어려움은 코어 당 수용할 수 있는 모드의 수를 증가시킬수록 각 모드간의 유효 굴절률 차이가 점차 감소한다는 점이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 모드 간 유효 굴절률 차이를 극대화시키기 용이한 TA-GI (trench-assisted graded-index) 프로파일을 가진 두 종류의 코어를 고려하였다. 코어 설계치의 최적화는 DMD (differential mode delay)와 각 모드들의 구부림 손실을 고려하여 수행하였다. 이어서 두 종류의 코어가 육각배열로 배치된 6-코어 4-LP-모드 광섬유를 제안하였다. 제안된 광섬유는 C+L 밴드 전 영역에서 <50 ps/km의 DMD와 <-40 dB/km의 inter-core XT을 가지며, 기존 SMF 대비 단위면적 당 모드의 개수가 약 1700% 증가한 것으로 나타났다. 따라서 현재의 SMF가 갖는 전송용량의 한계를 극복하고, 단위면적 당 전송용량을 많게는 10배 이상 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.
