[논문]펀광모드분산 보상을 위한 세 점 측정 방식의 빛의 편광상태 추적 알고리즘

송홍석; 정현수; 신서용

문제 정의

데이터의 속도가 10Gb/s 이상으로 증가함에 따라 보상 시간이 수 초대에 이르는 기존의 방법에 의해 PMD를 보상할 경우, 상당히 많은 양의 데이터 손실을 감수할 수밖에 없다. 본 논문에서는 본 연구팀에서 이미 발표한 SOP 추적 알고리즘을 보다 개선하여 어떠한 조건하에서도 항상 단 세 번만의 측정을 통해 SOP 정보를 얻어낼 수 있는 새로운 알고리즘을 소개하고자 한다.
이러한 Feed-forward 방식은 PMF의 Eigenstate에 맞는 빛의 SOP를 알아내기 위해 수시로 변하는 수 많은 데이터에 의존하지 않고 입력되는 빛의 SOP를 직접적으로 알아냄으로써 PMD보상을 위한 시간의 소비를 축소시킬 수 있다. 본 논문에서는 어떠한 상황에서도 단 세번의 맥놀이 신호의 측정만으로 입력 빛의 SOP를 알아낼 수 있는 편광제어 알고리즘을 제안하였다.
이러한 상황하 에서 PMD 보상을 위한 시스템에 있어서 편광제어 시스템의 실시간의 편광제어는 필수 불가결하고 이러한 편광제어 시스템의 핵심은 편광제어 알고리즘이라고 할 수 있겠다. 본 연구에서는 세 점 측정 방식의 동작원리가 간단하고 동작 속도가 향상된 새로운 편광제어 알고리즘을 제시하였고 제안한 새로운 편광제어 알고리즘을 적용하여 성공적인 실시간 편광제어 동작을 입증하였다.
즉, PMD가 발생된 신호를 포착하여 그것을 바탕으로 개선해 나가는 방식이기 때문에 시간을 요하게 된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, Feedback이 아닌, Feed-forward 방식에 의해 PMD를 보상하고자 하는 것이다. 이러한 Feed-forward 방식은 PMF의 Eigenstate에 맞는 빛의 SOP를 알아내기 위해 수시로 변하는 수 많은 데이터에 의존하지 않고 입력되는 빛의 SOP를 직접적으로 알아냄으로써 PMD보상을 위한 시간의 소비를 축소시킬 수 있다.

제안 방법

수시로 변하는 PMD값을 항상 정확하게 보상할 수는 없지만, Power Penalty를 IdB 이하로 유지하며 IBit Duration 이내의 PMD를 보상할 수 있도록 PMF의 파라메터와 길이를 결정한다. PMF의 slow-axis와 fast-axix에 의한 군속도 지연을 전송상에서 발생하는 PMD와 반대 방향으로 정렬해 줌으로써 두 편광 성분간의 위상차를 최소화시키고 이러한 결과로 PMD를 보상하게 된다. 자동 PMD 방법^[4]에서는 수신기로 입력되는 빛의 SOP에 대한 정보가 없이 PMD 모니터부에서 Monitoring Map을 작성하여 이를 토대로 빛의 편광을 제어하고 있다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘을 입증하기 위한 실험 장치는 그림 5와 같고 시스템에 사용한 편광제어기는 네마틱(Nematic) 액정(LC) 편광제어기를 사용하였다. 먼저 기준신호의 SOP를 스톡스 파라미터 [1 1 0 0]이 되게 한 후 피드백 된 맥놀이 파워를 측정하여 cos(γ /2)를 알아낸 후 360개의 SOP점을 도출 할 수 있었다.
이때 첫 번째 검출한 360개의 SOP 점과 두 번째 검출한 360개의 SOP점은 각각 뿌앵까레 구 상에서 원으로 표시가 되고 두 원이 두 점에서 만나게 되고 만나는 두 점중에서 하나의 점이 찾고자 하는 입력광신호의 SOP점임을 알 수가 있다. 이 두 점 중에서 정확하게 입력광 신호의 SOP를 선택을 하기 위해서 위쪽으로 기준광 신호의 SOP를 이동시 킨 후, 맥놀이 파워를 측정하여 세 번째 360개의 SOP점을 도출하면 이전에 도출한 두 개의 360개의 SOP점의 집합과 마지막으로 도출한 360개의 SOP점의 집합으로부터 공통으로 존재하는 단 하나의 SOP점을 도출하였다. 그림 6의 (a)는 기준신호의 SOP가 [1 1 0 0]일때 수신 신호와의 편광 불일치로 인해 맥놀이 파워가 검출되지 않은 상태이고 그림 6의 (b)는 제안하는 알고리즘을 적용한 결과 기준신호와 수신 신호의 SOP가 일치되어 얻어진 맥놀이 파워의 모습을 보여주고 있다.

성능/효과

본 논문에서 새로이 제안하는 세 점 측정 방식의 SOP추적 알고리즘은 본 연구팀이 개발한 적게는 수 차례에서 많게는 수십 차례 궤환을 해야만 하는 기존의 실시간 편광제어 방식^[1]의 알고리즘을 개선하여, 수신 신호의 SOP 위치에 상관없이 단 세 번의 궤환 만으로 수신 신호의 SOP를 파악 할 수 있게 하는 매우 간단한 방식으로 이 방식에 의하면 보다 더 빠르면서도 항상 일정한 시간 내에 수신 신호의 SOP를 파악할 수가 있다. 그림 2는 새로이 제안하는 세 점 측정 방식의 알고리즘의 동작 과정을 뿌앵까레구(Poincare Sphere)에서 설명하는 것이다.
그림 6의 (a)는 기준신호의 SOP가 [1 1 0 0]일때 수신 신호와의 편광 불일치로 인해 맥놀이 파워가 검출되지 않은 상태이고 그림 6의 (b)는 제안하는 알고리즘을 적용한 결과 기준신호와 수신 신호의 SOP가 일치되어 얻어진 맥놀이 파워의 모습을 보여주고 있다. 이는 제안하는 알고리즘을 사용하여 맥놀이 파워의 손실을 보상했음을 의미하며 이는 동시에 수신된 신호의 SOP를 추적하여 알아내었음을 의미한다. 이러한 새로운 알고리즘에 의해 얻어진 결과를 기존에 본 연구팀에서 개발한 방식^[1]에 의한 결과와 비교하여 보면 두 결과에서 기준신호와 수신된 신호의 SOP가 일치되었을 때 맥놀이 신호의 크기에서 약간의 차이를 발견할 수 있었는데 이는 실험에서 사용한 레이저의 SOP가 피크테일(pig-tail)된 광 파이버의 영향을 극심하게 받아, 실험 환경이 변함으로 인해 기인한 것으로 사료된다.
이는 제안하는 알고리즘을 사용하여 맥놀이 파워의 손실을 보상했음을 의미하며 이는 동시에 수신된 신호의 SOP를 추적하여 알아내었음을 의미한다. 이러한 새로운 알고리즘에 의해 얻어진 결과를 기존에 본 연구팀에서 개발한 방식^[1]에 의한 결과와 비교하여 보면 두 결과에서 기준신호와 수신된 신호의 SOP가 일치되었을 때 맥놀이 신호의 크기에서 약간의 차이를 발견할 수 있었는데 이는 실험에서 사용한 레이저의 SOP가 피크테일(pig-tail)된 광 파이버의 영향을 극심하게 받아, 실험 환경이 변함으로 인해 기인한 것으로 사료된다.
이상과 같은 세계적인 관련 연구 동향을 분석한 결과, 현재 무엇보다도 시급한 것은 실제적인 광 시스템에 적용 할 수 있는 실시간으로 동작하는 PMD 보상기의 개발이라는 점을 알 수 있었고 이를 위해서는 PMD 보상시스템에 적용시켜 실시간으로 효과적으로 빛의 편광을 제어할 수 있는 SOP 추적 알고리즘이 필수적이다. 그림 1은 본 연구팀에서 제안하는 실시간 자동 PMD 보상 시스템 개략도 이다^[1].
세 원이 한 점에서 만나는 SOP점이 최종적으로 찾고 자하는 입력 광 신호의 SOP점 임을 알 수가 있다. 이상에서 설명한 것처럼 새로이 제안하는 세 점 측정 방식의 SOP 추적 알고리즘은 단 세 번의 맥놀이 파워 궤환만을 필요로 하고 동작이 매우 간단하므로 기존의 편광제어 방식에 비해 동작 속도가 매우 빠르다.
먼저 기준신호의 SOP를 스톡스 파라미터 [1 1 0 0]이 되게 한 후 피드백 된 맥놀이 파워를 측정하여 cos(γ /2)를 알아낸 후 360개의 SOP점을 도출 할 수 있었다. 첫 번째 360개의 SOP점을 도출한 후, LC의 인가전압을 조정하여 기준신호의 SOP를 뿌앵까레구의 오른쪽으로 옮긴 후 두 번째 360개의 SOP 점을 도출 할 수 있었다. 이때 첫 번째 검출한 360개의 SOP 점과 두 번째 검출한 360개의 SOP점은 각각 뿌앵까레 구 상에서 원으로 표시가 되고 두 원이 두 점에서 만나게 되고 만나는 두 점중에서 하나의 점이 찾고자 하는 입력광신호의 SOP점임을 알 수가 있다.

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