[논문]분산 보상 광섬유의 분산 계수와 중계 구간 당 잉여 분산에 따른 WDM 신호의 보상 특성

이성렬

doi:10.12673/jkoni.2013.17.01.016

분산 보상 광섬유의 분산 계수와 중계 구간 당 잉여 분산에 따른 WDM 신호의 보상 특성
Compensation Characteristics of WDM Signals Depending on Dispersion Coefficient of Dispersion Compensating Fiber and Residual Dispersion Per Span 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.17 no.1 = no.58, 2013년, pp.16 - 23

초록
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단일 모드 광섬유의 그룹 속도 분산과 비선형 효과에 의해 왜곡되는 960 Gbps 파장 분할 다중 신호의 보상을 위해 분산 제어 기술이 적용된 광전송 링크에서 분산 보상 광섬유 (DCF; dispersion compensating fiber)의 분산 계수와 중계 구간 당 잉여 분산량 (RDPS; residual dispersion per span)이 왜곡 보상에 미치는 영향을 분석하였다. 우선 왜곡 보상에 큰 영향을 미치는 최적 전체 잉여 분산량 (NRD; net residual dispersion)은 고려한 모든 DCF의 분산 계수와 RDPS에 관계없이 큰 입사 전력에서 구해야 한다는 것을 확인하였다. 중계 구간의 RDPS는 매우 작게, 반면 DCF의 분산 계수는 크게 하여야 시스템 성능이 현저하게 개선되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of dispersion coefficient of dispersion compensating fiber (DCF) and residual dispersion per span (RDPS) on in the dispersion managed optical links for compensating the distorted 960 Gbps wavelength division multiplexd (WDM) signals due to group velocity dispersion (GVD) and optical nonlinear effects of single mode fiber (SMF) are investigated. It is confirmed that optimal net residual dispersion (NRD), which greatly affects compensating for optical signals, should be induced under the large launch power condition, irrelevant on the considered dispersion coefficient of DCF and RDPS. It is also confirmed that system performances are greatly improved by selecting the very small RDPS and very large dispersion coefficient of DCF.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 960 Gbps (40 Gbps × 24채널) WDM 전송을 위해 RDPS가 각각 0 ps/nm와 160 ps/nm로 설계된 전송 링크에서 DCF의 분산 계수가 시스템 성능에 미치는 영향과 RDPS 구현에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

그림 1은 본 논문에서 살펴보는 40 Gbps × 24 채널 WDM 신호 전송을 위한 송신부, 전체 전송로 중간에 OPC가 위치하고 DM이 적용된 광전송 링크와 수신부로 구성된 시스템의 전체 구조를 나타낸 것이다. 그림 2(a)는 24개 WDM 채널의 송신기(Tx)의 구조를 나타낸 것으로, 각 채널은 서로 독립적인 128(=2⁷) 의사 랜덤 비트열 (PRBS; pseudo random bit sequence)에 의해 분포 궤환 레이저 다이오드 (DFB -LD; distributed feedback laser diode)가 발생하는 각기 다른 파장의 연속파 (continuous wave)를 아래 식으로 표현되는 출력 전계를 가지는 소광비 (ER; extinction ratio)가 10 dB인 RZ 형식의 2차 가우시안 펄스 (Gaussion pulse)로 변조하는 것으로 가정하였다.
모든 중계 구간의 SMF 길이 ιSMF는 80 km로 동일하게 하였고, 손실 계수 αSMF는 0.2 dB/km, 비선형 계수 γSMF는 1.41 W-1km-1(@1,550 nm), 분산 계수 DSMF는 17 ps/nm /km(@ 1,550 nm)로 RDPS에 관계없이 일정하게 가정 하였다.

제안 방법

24개 채널별 수신기는 그림 2(b)의 구조를 갖는 0.65ⅹ비트율의 대역폭을 갖는 직접 검파 (DD; direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 본 연구에서 전치 증폭기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 EDFA로, 광 필터의 대역폭은 1 nm, 광 검출기 (PD; photodiode) 는 PIN 다이오드로, 펄스 정형 필터는 버터워스 필터로 모델링하였다.
그러나 본 논문의 연구 목적을 위해 DCF의 분산 계수 D_DCF는 -80 ps/nm/km와 -160 ps/nm/km의 두 가지를 고려하였고, 각 중계 구간의 RDPS는 0 ps/nm와 160 ps/nm의 두 가지 경우를 고려하였다. 각 중계 구간의 DCF 길이 l_DCF는 선택된 DCF의 분산 계수와 RDPS에 의해 표 1과 같이 결정된다.
825×비트율)로 하였고, 비트율은 40 Gbps 로 하였다. 또한 채널 1과 24의 DFB-LD의 중심 파장은 각각 1,550.0 nm와 1,568.4 nm로 하고 각 채널의 파장 간격은 ITU-T G.694.1의 권고에 따라 100 GHz (즉 0.8 nm)로 모델링하였다.
따라서 본 연구에서는 960 Gbps (40 Gbps × 24채널) WDM 전송을 위해 RDPS가 각각 0 ps/nm와 160 ps/nm로 설계된 전송 링크에서 DCF의 분산 계수가 시스템 성능에 미치는 영향과 RDPS 구현에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서 고려한 DCF의 분산 계수는 -80 ps/nm/km과 -160 ps/nm /km이고, WDM 채널의 변조 형식은 RZ로 하였다. 우선 RDPS와 DCF 분산 계수에 따른 4가지 전송 링크 각각의 최적 NRD를 도출하였고, 이 최적 NRD에서 도출한 유효 입사 전력 범위를 통해 시스템 성능을 비교하여 RDPS에 미치는 DCF의 분산 계수 영향을 분석하였다.
65ⅹ비트율의 대역폭을 갖는 직접 검파 (DD; direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 본 연구에서 전치 증폭기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 EDFA로, 광 필터의 대역폭은 1 nm, 광 검출기 (PD; photodiode) 는 PIN 다이오드로, 펄스 정형 필터는 버터워스 필터로 모델링하였다.
그림 1의 24 채널 WDM 전송 링크는 총 14개의 중계 구간으로 구성된다. 비선형 현상에 의한 신호 왜곡을 좀 더 효율적으로 수행하고자 OPC를 중심으로 전반 전송 구획의 7개 중계 구간 각각은 DCF+ SMF의 구조로, 후반 전송 구획의 7개의 중계 구간 각각은 SMF+DCF의 구조로 하였다. 모든 중계 구간의 SMF 길이 ι_SMF는 80 km로 동일하게 하였고, 손실 계수 α_SMF는 0.
본 연구에서 고려한 DCF의 분산 계수는 -80 ps/nm/km과 -160 ps/nm /km이고, WDM 채널의 변조 형식은 RZ로 하였다. 우선 RDPS와 DCF 분산 계수에 따른 4가지 전송 링크 각각의 최적 NRD를 도출하였고, 이 최적 NRD에서 도출한 유효 입사 전력 범위를 통해 시스템 성능을 비교하여 RDPS에 미치는 DCF의 분산 계수 영향을 분석하였다.
전체 전송 링크의 중간에 위치한 OPC는 참고 문헌 [9]에서와 동일한 파라미터를 갖는 HNL-DSF (highly nonlinearity – dispersion shifted fiber)를 비선형 매질로 갖는 구조로 모델링하였다.
지금까지 960 Gbps WDM 전송을 위해 전체 전송로 중간에 OPC가 위치하고, 중계 구간마다 DM 이 적용된 전송 링크에서 RDPS와 DCF의 분산 계수가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하였다.

이론/모형

광전송 링크를 통해 손실과 비선형 효과의 영향을 겪으면서 전파하는 각 채널들은 비선형 쉬뢰딩거 방정식 (NLSE; nonlinear Schrödiger equation)에 의해 표현된다[1]. NLSE를 단계 분할 퓨리에 (SSF; split-step Fourier) 기법에 따라 시뮬레이션 하였다.

성능/효과

우선 그림 4(a)를 통해 알 수 있듯이 분산 계수가 -80 ps/nm/km인 DCF가 사용된 링크에서 precompensation에 의해 NRD를 결정하는 경우와 postcompensation으로 NRD를 결정하는 경우 각각의 최적 NRD는 +12 ps/nm와 -12 ps/nm인 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4(b)에서, 즉 분산 계수가 -160 ps/nm/km인 DCF가 사용된 링크에서는 그림 4(a)와 달리 최상 NRD에 따른 EOP 특성이 거의 비슷하게 나타나지만 precompensation에 의해 NRD를 결정하는 경우와 postcompensation으로 NRD를 결정하는 경우 각각 NRD가 +16 ps/nm와 -16 ps/nm에서 입사 전력에 따른 EOP가 좀 더 개선되는 것을 확인할 수 있다. 분석해 보면 이 최적 NRD들은 모두 입사 전력이 비교적 큰 경우에서 얻은 최상의 NRD 값과 동일함을 알 수 있다.
그림 6은 그림 5에서 분석된 결과를 바탕으로 RDPS가 0 ps/nm인 전송 링크에서 최적 NRD를 precompensation으로, RDPS가 160 ps/nm인 전송 링크에서 최적 NRD를 postcompensation으로 결정하는 경우 입사 전력에 따른 최악 채널의 EOP를 나타낸 것이다. 1 dB EOP 이하의 성능으로 수신되는 입사 전력의 범위를 유효 입사 전력 범위라고 정의하면, 분산 계수가 -160 ps/nm/km인 DCF를 사용하여 RDPS를 0 ps/nm로 설정하고, precompensation을 통해 NRD를 +8 ps/nm로 설정한 전송 링크에서의 유효 입사 전력 범위는 -8 ～ 5 dBm으로 분산 계수가 -80 ps/nm/km인 DCF를 사용하여 RDPS를 160 ps/nm로 설정하고, postcompensation을 통해 NRD를 -12 ps/nm로 설정한 전송 링크에서의 유효 입사 전력 범위보다 8 dB 정도로 크게 개선되는 것을 알 수 있다.
결론적으로 전체 전송 거리 중간에 OPC를 사용하고 중계 구간마다 DM을 적용하는 전송 링크에서의 설계 기준은 중계 구간의 RDPS는 매우 작게하여야 하고, DCF의 분산 계수는 크게 하여 SMF 에서 왜곡된 광 펄스를 짧은 DCF 구간에서 집중 적으로 보상하는 구조로 설계해야 한다는 것을 확인하였다.
그러나 분산 계수가 -160 ps/nm/km인 DCF를 사용하여 RDPS를 0 ps/nm으로한 전송 링크에서 같은 입사 전력에 대한 EOP 편차가 가장 적게 나타나는 것을 동시에 알 수 있다. 또한 동일한 입사 전력에 대해 NRD를 결정하는 방식, 즉 precompensation 혹은 postcompensation에 따라 EOP 편차가 달라지는데 전송 링크의 RDPS가 0 ps/nm인 경우에서는 precompensation으로, 160 ps/nm 인 경우에서는 postcompensation으로 NRD를 결정하는 구조가 EOP 편차가 줄어드는 것을 알 수 있다.
광 위상 공액 기술의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 OPC 의 최적 위치를 도출하여 적용하거나[7], OPC와 DM 기술을 결합하여 링크에 적용하는 기술[8] 등의 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문의 저자도 OPC와 DM을 결합한 링크에서 최적 NRD를 시스템 파라미터와 관련해 도출하여 적용하면 960 Gbps WDM 신호를 장거리에 걸쳐 고품질로 전송할 수 있다는 것을 보였다[9].
또한 그림 4(b)에서, 즉 분산 계수가 -160 ps/nm/km인 DCF가 사용된 링크에서는 그림 4(a)와 달리 최상 NRD에 따른 EOP 특성이 거의 비슷하게 나타나지만 precompensation에 의해 NRD를 결정하는 경우와 postcompensation으로 NRD를 결정하는 경우 각각 NRD가 +16 ps/nm와 -16 ps/nm에서 입사 전력에 따른 EOP가 좀 더 개선되는 것을 확인할 수 있다. 분석해 보면 이 최적 NRD들은 모두 입사 전력이 비교적 큰 경우에서 얻은 최상의 NRD 값과 동일함을 알 수 있다.
km인 DCF를 사용하여 RDPS가 0 ps/nm으로 설정된 전송 링크에서의 유효 입사 전력 범위가 가장 크게 신장되는 것을 확인하였다. 아울러 이 전송 링크에서의 최적 NRD는 이를 결정하는 precompensation과 postcompensation에 상관없이 동일하게 +8 ps/nm인 것을 확인하였다.
우선 중계 구간의 RDPS가 160 ps/nm인 링크보다 0 ps/nm인 전송 링크에서의 시스템 성능이 더욱 개선되고, 분산 계수가 -80 ps/nm/km인 DCF보다 -160 ps/nm/km인 DCF를 사용하는 것이 시스템 성능 개선 면에서 더욱 효과적임을 확인하였다. 즉 본 연구에서 살펴본 4가지의 전송 링크 구조 중에 분산 계수가 -160 ps/nm.
우선 중계 구간의 RDPS가 160 ps/nm인 링크보다 0 ps/nm인 전송 링크에서의 시스템 성능이 더욱 개선되고, 분산 계수가 -80 ps/nm/km인 DCF보다 -160 ps/nm/km인 DCF를 사용하는 것이 시스템 성능 개선 면에서 더욱 효과적임을 확인하였다. 즉 본 연구에서 살펴본 4가지의 전송 링크 구조 중에 분산 계수가 -160 ps/nm.km인 DCF를 사용하여 RDPS가 0 ps/nm으로 설정된 전송 링크에서의 유효 입사 전력 범위가 가장 크게 신장되는 것을 확인하였다. 아울러 이 전송 링크에서의 최적 NRD는 이를 결정하는 precompensation과 postcompensation에 상관없이 동일하게 +8 ps/nm인 것을 확인하였다.
그림 6의 결과가 갖는 중요한 의미는 전체 전송 거리 중간에 OPC를 사용하고 중계 구간마다 DM을 적용하는 전송 링크에서의 설계 기준을 얻을 수 있다는 것이다. 즉 중계 구간의 RDPS는 0 ps/nm에 가깝게 매우 작게 설정해야 하고, 비교적 큰 값의 분산 계수를 갖는 DCF를 사용하여 SMF에서 늘어난 펄스폭을 짧은 DCF 구간에서 집중적으로 보상하는 구조가 시스템 성능을 더욱 개선할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
표 2의 결과를 살펴보면 분산 계수가 -80 ps/nm/ km인 DCF를 사용하여 RDPS를 0 ps/nm로 설정한 전송 링크를 제외한 모든 전송 링크에서의 최상 NRD는 WDM 채널의 입사 전력에 따라 변하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 WDM 입사 전력에 독립적인 최적의 NRD를 결정하는 것이 쉽지 않다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광 위상 공액 기술은 어떤 일을 수행하는가?	반면 광 위상 공액 기술은 GVD에 의한 신호 왜곡뿐만 아니라 비선형 효과, 특히 SPM에 의한 신호 왜곡 보상에 효과가 있다. 이 기술은 전체 전송로 중간에 광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)를 두어 송신단부터 OPC까지 전파되면서 겪은 왜곡된 신호파를 OPC에서 공액파로 변환 하여 나머지 전송 구간을 전송시켜 왜곡을 보상한다[5],[6]. 그러나 완벽한 보상이 이루어지려면 분산 분포와 광 신호의 전력 분포가 OPC를 중심으로 대칭이 되어야 하는데 전송 링크를 구성하는 EDFA (erbium-doped fiber amplifier)에서의 신호 증폭과 광섬유 내에서의 손실 때문에 대칭을 만들기가 매우 어렵다는 한계를 안고 있다.
	DM이 적용된 광전송 시스템에서 성능 향상을 결정하는 주요 파라미터들은 무엇이 있는가?	DM은 주 전송로인 광섬유, 즉 단일 모드 광섬유 (SMF; single mode fiber)나 비영 분산 천이 광섬유 (NZ-DSF; non zero – dispersion shifted fiber) 의 분산 계수와 다른 부호의 분산 계수 (dispersion coefficient)를 갖는 분산 보상 광섬유 (DCF; dispersion compensating fiber)를 추가로 삽입하여 광 중계 구간 (fiber span)의 분산량과 시스템 전체의 분산량을 조절하는 기술이다[2],[3]. DM이 적용된 광전송 시스템에서 성능 향상을 결정하는 주요 파라미터들로 pre- 또는 postcompensation, 한 중계 구간에서 축적된 분산량으로 정의되는 중계 거리 당 잉여 분산량 (RDPS; residual dispersion per span), 전송 링크 최종단에서 축적된 총 분산량으로 정의 되는 전체 잉여 분산량 (NRD; net residual dispersion) 등이 있다[3]. DM은 전송 광섬유의 분산 외에 분산 기울기 (dispersion slope)도 동시에 보상할수 있어 광 솔리톤 (optical soliton) 전송에서도 채택하고 있다[4].
	광 위상 공액 기술의 한계점은 무엇인가?	이 기술은 전체 전송로 중간에 광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)를 두어 송신단부터 OPC까지 전파되면서 겪은 왜곡된 신호파를 OPC에서 공액파로 변환 하여 나머지 전송 구간을 전송시켜 왜곡을 보상한다[5],[6]. 그러나 완벽한 보상이 이루어지려면 분산 분포와 광 신호의 전력 분포가 OPC를 중심으로 대칭이 되어야 하는데 전송 링크를 구성하는 EDFA (erbium-doped fiber amplifier)에서의 신호 증폭과 광섬유 내에서의 손실 때문에 대칭을 만들기가 매우 어렵다는 한계를 안고 있다. 광 위상 공액 기술의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 OPC 의 최적 위치를 도출하여 적용하거나[7], OPC와 DM 기술을 결합하여 링크에 적용하는 기술[8] 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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