KR20050045701A - 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기 - Google Patents

고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 송신기에 관한 것으로, 특히 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템에 적합한 수신감도가 뛰어나면서도 스펙트럼의 폭이 좁은 RZ-AMI 신호를 발생시키는 광 송신기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기는 입력되는 이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와; 상기 코딩된 신호를 증폭하는 변조기 구동 증폭기와; 반송파를 출력하는 광원과; 상기 변조기 구동 증폭기에 의해 증폭된 신호를 이용하여 상기 광 반송파의 위상을 변조하는 제1 광변조기와; 상기 제1 광변조기의 출력신호를 RZ(return to zero) 신호로 변환하는 제2 광변조기와; 상기 제2 광변조기의 출력신호를 정해진 대역에 맞도록 필터링 하는 광학 필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기{OPTICAL TRANSMITTER FOR DENSE WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING}
본 발명은 광 송신기에 관한 것으로, 특히 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템에 적합한 수신감도가 뛰어나면서도 스펙트럼의 폭이 좁은 RZ-AMI 신호를 발생시키는 광 송신기에 관한 것이다.
AMI(alternate mark inversion: 이하 AMI라 칭함) 변조 방식은 광신호의 세기에 정보를 싣고 있으면서 매 '1' 비트마다 신호의 위상이 역전되는 특징을 가지고 있다. 특히, RZ(return to zero)-AMI 신호는 세기를 나타내는데 있어서 RZ 신호와 마찬가지로 '1' 비트마다 신호의 에너지가 '0' 에너지에서 '1'의 에너지로 이동했다가 다시 '0' 에너지로 되돌아오는 특징을 가지고 있다. 따라서, RZ-AMI 신호는 신호의 세기가 RZ의 그것과 동일하므로 RZ 변조 방식의 장점을 그대로 보유하면서도 (예, 20-Gb/s 이상의 데이터 속도를 갖는 전송 시스템의 경우 광섬유의 비선형성에 강함) 매 '1' 비트 마다 위상이 반전되므로 반송파 주파수 성분이 억제되어 브릴루앙 (Brillouin) 비선형 효과에 강하다. 또한, RZ 변조 방식임에도 불구하고 DC 주파수 성분이 없으므로 수신단에 VSB(vestigial sideband) 변조 방식으로의 전환이 용이하여 광섬유의 분산에 대한 허용치를 늘일 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 종래 RZ-AMI 광 송신기의 구성예를 나타낸 것이다. 도 2a, 도 2b는 각각 도 1의 출력신호의 아이-다이어그램(eye-diagrams)과 광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1에서, 종래의 RZ-AMI 광 송신기(100)는 프리코더(101)와, 4개의 변조기 구동 증폭기(102, 103, 109, 110)와, 2개의 저대역 필터(104, 105)와, 레이저 광원(laser source, 106)과, 2개의 마하-젠더 타입의 광변조기(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator, 107, 108)로 구성된다.
그 동작을 살펴보면, 먼저, 이진(binary) 입력 데이터(Data)는 프리코더(101)에서 코딩된다. 일반적으로 프리코더는 1비트(1 bit) 지연 소자와 XOR(exclusive-OR) 논리소자로 구성 가능하다. 코딩된 이진 데이터는 2개의 변조기 구동 증폭기(driver, 102, 103)를 거쳐 저대역 필터(104, 105)에 각각 인가된다. 도 1에서 는 Q의 반전(inverter) 신호를 나타낸다. 저대역 필터(104, 105)는 이상적으로 코사인 제곱(cosine2) 필터이지만 베셀-톰슨 필터(Bessel-Thomson filter)로 근사 가능하다. 저대역 필터(102, 103)의 대역폭이 이진 데이터 신호의 전송 속도의 1/4 에 해당하는 3-dB 대역폭을 가질 경우 (예, 10 Gb/s 데이터의 경우 2.5 GHz 필터) 저대역 필터(104, 105)를 거친 이진 신호는 대역폭이 제한된 3진 신호(band-limited ternary signal)로 변환된다. 이러한 신호가 마하젠더 (Mach-Zehnder) 광변조기(107)에 인가되어 레이저 광원(106)으로부터 출력된 반송파를 광 듀오바이너리 신호로 변조한다. 이때, 마하젠저 변조기(107)의 바이어스(bias) 위치는 전달 특성 함수에서 최소값에 해당하는 널 포인트(null point)에 위치시킨다. 발생한 광 듀오바이너리 신호는 두 번째 마하젠더 광변조기(108)에 인가된다. 두 번째 마하젠더 광변조기(108)를 구동하는 전기 신호는 신호 클럭 주파수의 반 주파수에 해당하는 정현파 신호이다. 마하젠더 변조기(108)의 바이어스 위치가 특성전달함수에서 최소값에 해당하는 널 포인트(null point)에 위치함으로써 두 번째 마하젠더 광변조기(108)는 캐리어 억제된(carrier-suppressed) RZ(CS-RZ) 신호를 발생시키는 역할을 수행한다. 따라서, 두 번째 변조기(108)는 매 비트마다 신호의 위상을 반전시킨다. 이러한 종래의 RZ-AMI 광송신기(100)는 광 듀오바이너리 송신기와 CS-RZ 발생기로 구성되어있으므로 듀오바이너리 캐리어 억제된 RZ 즉, DCS-RZ 라고도 일컫는다.
그러나, 상기 종래의 RZ-AMI 광송신기는 도 2a에 도시된 출력 신호의 아이 다이어그램 (eye diagram)에서 보듯, '0' 레벨에 데이터 전송 속도의 2배 주파수에 해당하는 정현파 신호가 존재하여 RZ-OOK 신호와 비교하여 수신감도가 떨어진다. 이는 종래의 광 송신기에서 발생한 RZ-AMI 신호가 잡음에 민감하다는 것을 의미하므로 최대 전송 거리를 저해하는 요인이 된다. 또한, 종래 광 송신기는 삼진 신호에 근거하여 듀오바이너리 신호를 발생시키고 이를 이용하여 RZ-AMI 신호를 발생시키므로 인가 전기 신호의 패턴에 길이에 따라 성능이 변화하는 단점이 있다.
상기 문제점 외에, 도 2b에 도시된 출력 신호의 스펙트럼 측면에서 보는 바와 같이 신호가 시간적으로 RZ 변조 방식을 취하고 있으므로 그 대역폭이 넓어 높은 스펙트럼 효율(예, 0.6 bit/s/Hz)을 얻을 수 없다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고밀도 파장분할다중화방식 장거리 광전송 시스템의 성능 향상을 위하여 수신감도가 뛰어나면서도 스펙트럼의 폭이 좁은 RZ-AMI 신호를 발생시키는 광 송신기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기는 입력되는 이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와; 상기 코딩된 신호를 증폭하는 변조기 구동 증폭기와; 반송파를 출력하는 광원과; 상기 변조기 구동 증폭기에 의해 증폭된 신호를 이용하여 상기 광 반송파의 위상을 변조하는 제1 광변조기와; 상기 제1 광변조기의 출력신호를 RZ(return to zero) 신호로 변환하는 제2 광변조기와; 상기 제2 광변조기의 출력신호를 정해진 대역에 맞도록 필터링 하는 광학 필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 RZ-AMI 광 송신기의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 광 송신기(200)는 프리코더(201)와, 변조기 구동 증폭기(202, 203)와, CW 레이저(205)와, 제1 및 제2 마하젠더 광변조기(204, 206), 및 광학 필터(207)로 구성된다.
상기 프리코더(201)는 입력되는 이진 데이터 신호를 코딩(coding)하며, 1비트(1 bit) 지연 소자와 XOR(exclusive-OR) 논리소자로 구현할 수 있다.
상기 변조기 구동 증폭기(202, 203)는 변조기 구동이 가능하도록 상기 코딩된 이진 데이터를 증폭한다.
상기 CW 레이저(205)는 광원으로서 광 반송파를 출력한다.
상기 제1 및 제2 마하젠더 광변조기(204, 206)는 전극에 인가되는 구동신호에 따라 상기 광 반송파의 위상을 변조하며, 변조의 정도를 나타내는 변조지수(modulation index)를 조정하여 위상변조의 정도를 조절할 수 있다. 일반적으로, 마하젠더 타입의 광변조기는 단일 전극(single arm)을 갖는 X-컷 구조와 2중 전극(dual arm)을 갖는 Z-컷 구조가 있다. 본 실시예에서는 Z-컷 구조의 마하젠더 변조기를 사용한 경우에 대해 설명할 것이나, 단일-전극(single arm) 구조의 X-컷 마하-젠더 광세기 변조기로도 구현할 수 있음은 물론이다
상기 광학 필터(207)는 위상 변조된 신호를 입력받아 정해진 대역에 맞도록 필터링 하는 기능을 수행하며, AWG(arrayed waveguide grating) 타입의 파장분할다중화기 또는 인터리버(interleaver)로 구현할 수 있다. 인터리버는 파장분할다중화방식 광 전송 시스템에서 짝수 채널과 홀수 채널을 분리/결합하는 소자로서, 짝수 채널과 홀수 채널을 각각 방향성 결합기 또는 파장분할다중화기로 다중화한 후 대역폭이 신호 변조 속도의 0.7배 정도인 인터리버를 이용하여 짝수 채널과 홀수 채널을 결합함으로써 본 발명의 송신단을 구현할 수 있다. 본 실시예의 광학필터(207)는 협대역 광학필터로서, 필터의 대역폭은 신호 변조 속도의 0.7배 정도이다.
상기 구성을 갖는 광 송신기(200)의 동작은 다음과 같다.
다시 도 3을 참조하면, 이진 데이터 신호(Data)는 프리코더(201)를 거쳐 코딩(coding)된 후 변조기 구동 증폭기(202, 203)를 지나 제1 마하젠더 변조기(204)에 인가된다. 도 3에서 는 Q의 반전(inverter) 신호를 나타내며, 이중 전극 구조의 제1 마하-젠더 변조기(204)의 양(+)전극 및 음(-)전극에 각각 입력된다. 상기 제1 마하젠더 광변조기(204)의 동작조건으로 바이어스 위치는 변조기 전달 특성의 최소값에 해당하는 널 포인트(null point)에 위치시키고, 인가신호의 크기는 광변조기의 반파장-전압(half-wave voltage, Vπ)의 2배 크기이다. 이와 같은 동작 조건에서 제1 마하젠더 변조기(204)는 위상 변조기로 동작하며, CW 레이저(205)로부터 출력되는 광 반송파의 위상을 변조한다. 도 4a, 4b, 4c는 도 3의 동작 원리를 설명하는 도면으로서, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 얻어진 결과이다. 도 4a는 상기 제1 마하젠더 변조기(204)의 출력 아이 다이어그램을 보여준다. 제1 마하젠더 변조기(204)를 통하여 위상 변조된 신호는 제2 마하젠더 변조기(206)에 인가된다. 제2 마하젠더 변조기(206)를 구동하는 전기 신호는 신호 클럭 주파수의 반 주파수에 해당하는 정현파 신호이고, 위상 변조된 신호와 대비하여 반 비트 지연되어 있다. 따라서, 제2 마하젠더 변조기(206)를 거친 신호는 도 4b에 도시된 바와 같은 모습을 하고 있다. 도 4b신호는 협대역 광학 필터(207)에 인가된다. 광학 필터(207)의 대역폭은 이진 데이터 신호의 전송 속도의 0.7배 정도로써 광학 필터(207)를 거친 이후 신호의 아이 다이어그램은 도 4c에 도시된 바와 같다. 종래의 RZ-AMI 광 송신기(100)에서 발생한 신호(즉, 도 2a)와 비교하여 '0' 레벨에 리플(ripple) 성분이 크게 억제되어 있음을 알 수 있다. 또한 RZ 신호의 듀티 레이트(duty rate)도 감소했음을 알 수 있다. 이와 같은 성질에 의해 본 발명의 RZ-AMI 송신기(200)의 신호가 좋은 수신 감도를 지니게 된다.
도 5는 종래의 RZ-AMI 신호(1)와 본 발명에 의한 RZ-AMI 신호의 수신 감도 시뮬레이션 결과를 보여준다. 수신 감도는 통상적으로 10-9 비트 오류율(bit error ratio; BER)을 얻기 위하여 요구되는 광신호의 전력을 말하며, 수신 감도가 낮을수록 신호가 광학 잡음에 강하다는 것을 의미한다. 도 5의 시뮬레이션 결과를 보면, 종래의 RZ-AMI 신호(1)는 약 -31.6dBm의 수신 감도를 가지는 반면, 본 발명의 RZ-AMI 신호는 약 -33.8dBm의 수신 감도를 가진다. 따라서, 2.2dB의 수신 감도 이득을 가지고 있음을 알 수 있다. 이러한 수치는 장거리 전송 시스템의 경우 약 20%의 전송거리 증가에 해당하는 수치이다.
도 6은 본 발명의 광 송신기(200)에서 발생한 RZ-AMI 신호의 광 스펙트럼이다. 종래의 경우(도 2b)와 비교하여 신호의 대역폭이 감소하였음을 알 수 있다. 이러한 대역폭의 감소는 파장분할다중화방식 광전송 시스템에서 주어진 대역폭 내에 보다 많은 수의 채널을 수용할 수 있다는 의미이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 광 송신기는 종래의 광 송신기와 비교하면 우선, 성능 측면으로는 수신 감도 및 대역폭 활용이 뛰어나다.
또한, 구현 측면에서 살펴보면 본 발명의 광 송신기는 듀오바이너리 신호를 발생시키는 저대역 필터가 요구되지 않으며, AWG(arrayed waveguide grating) 타입의 파장분할다중화기로 구현 가능한 협대역 광학 필터가 사용된다. 이와 같이 협대역 광학 필터가 제2 마하젠더 변조기 뒤에 위치함으로써 본 발명의 광 송신기는 파장분할다중방식 시스템에 복잡도를 유발하지 않으면서 경제적으로 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 광 송신기는 고밀도 파장분할다중방식 장거리 광전송 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 RZ-AMI 광송신기의 구성예를 나타낸 도면,
도 2a는 도 1의 출력신호의 아이-다이어그램(eye-diagrams),
도 2b는 도 1의 출력신호의 광 스펙트럼,
도 3은 본 발명에 따른 RZ-AMI 광 송신기의 구성예를 나타낸 도면,
도 4a, 4b, 4c는 도 3의 동작 원리를 설명하는 도면,
도 5는 종래의 RZ-AMI 신호와 본 발명에 의한 RZ-AMI 신호의 수신 감도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 광 송신기에서 발생한 RZ-AMI 신호의 광 스펙트럼.

Claims (11)

  1. 입력되는 이진 데이터 전기 신호를 코딩하는 프리코더와;
    상기 코딩된 신호를 증폭하는 변조기 구동 증폭기와;
    반송파를 출력하는 광원과;
    상기 변조기 구동 증폭기에 의해 증폭된 신호를 이용하여 상기 광 반송파의 위상을 변조하는 제1 광변조기와;
    상기 제1 광변조기의 출력신호를 RZ(return to zero) 신호로 변환하는 제2 광변조기와;
    상기 제2 광변조기의 출력신호를 정해진 대역에 맞도록 필터링 하는 광학 필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광변조기는 마하젠더 타입의 광변조기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 마하젠더 타입의 광변조기는
    Z-컷 이중 전극(dual arm) 구조의 마하젠더 광변조기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 마하젠더 타입의 광변조기는
    X-컷 단일 전극(single arm) 구조의 마하젠더 광변조기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 광 변조기는
    위상변조기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 광 변조기의 바이어스 위치는
    변조기 전달 특성의 최소값에 해당하는 널 포인트(null point)에 위치시킴을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 광 변조기의 인가신호의 크기는
    광변조기의 반파장-전압(half-wave voltage, Vπ)의 2배 크기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 광 변조기에 인가되는 정현파 전기신호는
    데이터 클럭 주파수의 반 주파수를 가짐을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 필터의 대역폭은
    상기 이진 데이터 신호의 전송 속도의 0.5 내지 0.9배임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 필터는
    파장분할다중화기임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 필터는
    인터리버임을 특징으로 하는 고밀도 파장분할다중화방식 광전송 시스템을 위한 광 송신기.
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