[논문]Non-Midway OPC를 추가한 분산 제어 광전송 링크

이성렬

doi:10.12673/jant.2020.24.5.408

[국내논문] Non-Midway OPC를 추가한 분산 제어 광전송 링크
Dispersion-Managed Optical Transmission Link Adding of Non-Midway OPC 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.5, 2020년, pp.408 - 414

초록
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장거리 대용량 파장 분할 다중 (WDM; wavelength division multipled) 전송 링크에 광 위상 공액기를 적용하는 경우에 갖게 되는 한계를 극복하기 위한 방법을 살펴보았다. 광전송 링크는 단일 모드 광섬유를 갖는 중계 구간에 분산 보상 광섬유를 삽입한 분산 제어 (DM; dispersion management)를 기본 구조로 하였고 이 전송 링크의 적당한 곳에 광 위상 공액기를 추가하였다. 제안된 위치에 존재하는 광 위상 공액기를 갖는 광전송 링크에서 파장 분할 다중 채널의 입사 전력에 따른 최대 중계 구간의 수를 도출하고 비교 분석하였다. 광 위상 공액기가 전체 전송로 중간에서 벗어날수록 파장 분할 다중 채널의 보상 효과가 줄어들지만 광 위상 공액기 위치에 따라 중계 구간 당 잉여 분산 (RDPS; residual dispersion per span)을 적절히 선택하고, 전송로의 전체 잉여 분산을 결정하는 중계 구간을 적절히 선택하면 감소하는 보상 정도를 개선할 수 있다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The method of overcoming the limitation of optical phase conjugator applied into optical long-haul link for transmitting high capacity wavelength division multiplexed (WDM) channels was investigated. The configuration of optical link was based on dispersion-managed link, in which dispersion compensating fiber inserted into each fiber span with single mode fiber, and optical phase conjugator was added into suitable location of link. The maximum number of fiber spans as a function of the launch power of WDM channels in optical link with optical phase conjugator placed at the proposed location was induced and compared for analyzing the compensation performance of the distorted WDM channels. It was confirmed that the more optical phase conjugator depart from the midway of total transmission length, the less the distorted WDM channels was compensated, however, it was also confirmed that the degradation of compensation can be overcome by the suitable value of residual dispersion per span and by the reasonable choice of fiber span controlling total dispersion accumulated in overall transmission link.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. Midway OPC가 적용된 24×40 Gbps WDM 전송 시스템 구조 Fig. 1. Configuration of 24×40 Gbps WDM transmission system with midway OPC.
그림 그림 2. Non-midway OPC의 링크 구조 Fig. 2. Link Configurations of non-midway OPC.
그림 그림 3. 중계 구간의 광섬유 배치 Fig. 3. Fiber deployments of span.
그림 그림 4. 3:7 구조에서 입사 전력이 0 dBm인 최악 채널의 아이 다이어그램 (a) RDPS = 0 ps/nm ; pre-DC, (b) RDPS = 0 ps/nm ; DC-after-OPC, (c) RDPS = 140 ps/nm ; pre-DC, (d) RDPS = 140 ps/nm ; DC-after-OPC. Fig. 4. The worst channel's eye diagrams in case of the launch power of 0 dBm in 3:7 configuration (a) (a) RDPS = 0 ps/nm ; pre-DC, (b) RDPS = 0 ps/nm ; DC-after-OPC, (c) RDPS = 140 ps/nm ; pre-DC, (d) RDPS = 140 ps/nm ; DC-after-OPC.
그림 그림 5. 6:4 구조에서 입사 전력이 0 dBm인 최악 채널의 아이 다이어그램 (a) RDPS = 0 ps/nm ; pre-DC, (b) RDPS = 0 ps/nm ; DC-after-OPC, (c) RDPS = 140 ps/nm ; pre-DC, (d) RDPS = 140 ps/nm ; DC-after-OPC. Fig. 5. The worst channel's eye diagrams in case of the launch power of 0 dBm in 6:4 configuration (a) (a) RDPS = 0 ps/nm ; pre-DC, (b) RDPS = 0 ps/nm ; DC-after-OPC, (c) RDPS = 140 ps/nm ; pre-DC, (d) RDPS = 140 ps/nm ; DC-after-OPC.
그림 그림 6. Midway OPC 구조에서 중계 구간 수에 따른 유효 입사 전력 범위. Fig. 6. Effective launch power range for number of spans in midway OPC configuration.
그림 그림 7. Non-midway OPC 구조에서 중계 구간 수에 따른 유효 입사 전력 범위. Fig. 7. Effective launch power range for number of spans in non-midway OPC configuration.
그림 그림 8. 중계 구간 수와 전력의 곱 Fig. 8. The product of span number and power.

AI 본문요약
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문제 정의

NRD를 조절하는 특정한 중계 구간은 어디에서도 가능하지만 선행 연구를 통해 첫 번째 중계 구간 (이를 pre- dispersion -calibrator (DC)라고 부름), 마지막 중계 구간 (post -DC), OPC 바로 앞의 중계 구간 (DC-before-OPC), 그리고 OPC 다음 중계 구간 (DC-after-OPC)의 4군데 중에 pre-DC와 DC-after-OPC에의한 NRD 조절 방법이 WDM 채널의 왜곡 보상에 조금 더 효과적이라는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 RDPS가 0 ps/nm 또는 140 ps/nm인 DM에서 NRD를 pre-DC 또는 DC-after-OPC로 조절하고 non-midway OPC를 추가 적용한 링크에서의 WDM 채널의 왜곡 보상 효과를 분석해 보았다.
따라서 본 연구에서는 RDPS가 0 ps/nm 외에 140 ps/nm로 설정된 DM 링크 각각에 OPC를 다양하게 위치시킨 경우에서 최대로 전송할 수 있는 중계 구간 수를 도출하고 비교 분석하여 non-midway OPC의 WDM 전송에서의 보상 효과를 살펴보았다. 본 연구에서 고려하는 non-midway OPC의 위치는 전반 전송 구획 : 후반 전송 구획의 비율에 따라 3:7, 4:6, 6:4와 7:3 등 4가지이고, 이러한 전송로를 통해 전송된 24 채널 × 40 Gbps의 WDM 신호의 성능 분석을 수행하였다.
본 논문의 목적은 각각 40 Gbps의 데이터율을 갖는 24개 채널의 WDM 신호 보상을 위해 DM이 적용된 전체 전송 링크 내의 다양한 위치에 OPC를 추가 적용한 경우에 OPC 위치에 따른 성능을 비교하여 non-midway OPC의 보상 효과를 살펴보는 것이다. 이를 위해 우선 각각의 non-midway OPC 위치에 따른 성능 기준을 만족하는 최대 전송 거리, 즉 최대 중계 구간의 수를 확인해 보았다.
본 논문의 저자도 WDM 전송을 위한 DM 링크에 OPC를 결합하여 WDM 채널들을 효과적으로 보상할 수 있다는 것을 확인하였다 [13]-[16]. 특히 DM 전송로에 결합되는 OPC가 전체 전송로 중간이 아닌 다양한 곳에 위치시킨 경우 (이를 ‘non-midway OPC'라고 부름)에도 효율적 전송이 가능하다는 것을 보였다 [16].

가설 설정

그림 1의 24 채널 WDM 전송을 위한 송신기(Tx)들의 중심 파장은 100 GHz (즉 0.8 nm) 간격으로 1,550 nm부터 1,568.4 nm로 가정하였고, 그 광원은 분포 궤환 레이저 다이오드 (DFB-LD; distributed feedback laser diode)로 가정하였다. 각 DFB-LD는 서로 독립적인 128(=2⁷) 의사 랜덤 비트열 (PRBS; pseudo random bit sequence)에 의해 소광비 (ER; extinction ratio)가 10 dB인 2차 가우시안 펄스의 RZ (return-to-zero)를 발생시키는 것으로 모델링하였다.
수신기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 전치 증폭기, 1 nm 대역 폭의 광 필터, PIN 다이오드, 버터워스 형태의 펄스 정형 필터와 판별 회로로 구성된 직접 검파 (direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 수신 대역폭은 0.65ⅹ비트율로 가정하 였다. 전체 전송로 중간에 위치한 OPC는 HNL-DSF (highly nonlinearity - dispersion shifted fiber)를 비선형 매질로 갖는 구조로 모델링하였고, 그 세부 구성과 파라미터 값은 저자의 DM 관련 논문과 동일하게 모델링하였다 [14]-[16].

제안 방법

Non-midway OPC가 추가된 DM 링크에서 RDPS가 왜곡된 WDM 채널의 보상에 미치는 영향도 함께 살펴보기 위하여 RDPS 값을 0 ps/nm (이를 complete compensation이라 함)과 140 ps/nm의 2가지를 고려하였다. 2가지 RDPS의 각각의 값은 중계 구간을 구성하는 DCF의 길이를 통해 결정되도록 하였다. 모든 중계 구간 에서 DCF의 손실 계수는 0.
이를 위해 DM 링크의 전체 중계 구간 수(p) 에 변화를 주면서 각 경우에서의 수신 성능을 도출하였다. Midway OPC와 non-midway OPC가 적용된 모든 경우에 대해 p의 값은 10으로부터 10씩 증가시키면서 시뮬레이션을 수행하였다.
Non-midway OPC가 추가된 DM 링크에서 RDPS가 왜곡된 WDM 채널의 보상에 미치는 영향도 함께 살펴보기 위하여 RDPS 값을 0 ps/nm (이를 complete compensation이라 함)과 140 ps/nm의 2가지를 고려하였다. 2가지 RDPS의 각각의 값은 중계 구간을 구성하는 DCF의 길이를 통해 결정되도록 하였다.
4 nm로 가정하였고, 그 광원은 분포 궤환 레이저 다이오드 (DFB-LD; distributed feedback laser diode)로 가정하였다. 각 DFB-LD는 서로 독립적인 128(=2⁷) 의사 랜덤 비트열 (PRBS; pseudo random bit sequence)에 의해 소광비 (ER; extinction ratio)가 10 dB인 2차 가우시안 펄스의 RZ (return-to-zero)를 발생시키는 것으로 모델링하였다.
그림 3은 각 중계 구간에서의 SMF와 DCF의 배치를 나타낸 것이다. 모든 중계 구간의 광섬유 배치는 FHTS과 LHTS에서 서로 반대 순서가 되도록 구성하였다. 즉 그림 3(a)와 (b)에서 보듯이 FHTS의 모든 중계 구간에서는 DCF 다음에 SMF가 오도록 한 반면, LHTS의 모든 중계 구간에서는 SMF 다음에 DCF 가 오도록 하였다 (그림 3(c)와 (d) 참조).
본 연구에서 고려하는 non-midway OPC의 위치는 전반 전송 구획 : 후반 전송 구획의 비율에 따라 3:7, 4:6, 6:4와 7:3 등 4가지이고, 이러한 전송로를 통해 전송된 24 채널 × 40 Gbps의 WDM 신호의 성능 분석을 수행하였다.
그림 2는 non-midway OPC를 갖는 광 전송 링크들의 구조를 나타내고 있다. 본 연구에서는 몇 가지의 FHTS:LHTS에 따라 OPC를 위치시켰다. 그 종류는 3:7, 4:6, 6:4와 7:3의 4가지이다.
수신기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 전치 증폭기, 1 nm 대역 폭의 광 필터, PIN 다이오드, 버터워스 형태의 펄스 정형 필터와 판별 회로로 구성된 직접 검파 (direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 수신 대역폭은 0.
그리고 앞선 연구를 통해 0 ps/nm가 아닌 비교적 큰 값의 RDPS이 WDM 채널의 비선형 왜곡 보상에 기여하는 것도 확인하였다. 이러한 이유들로 인해 중계 구간의 RDPS는 적당한 값을 갖도록 하면서 동시에 특정한 중계 구간에서 NRD를 조절하는 DM 링크를 설계하였다.
이를 위해 우선 각각의 non-midway OPC 위치에 따른 성능 기준을 만족하는 최대 전송 거리, 즉 최대 중계 구간의 수를 확인해 보았다. 이를 위해 DM 링크의 전체 중계 구간 수(p) 에 변화를 주면서 각 경우에서의 수신 성능을 도출하였다. Midway OPC와 non-midway OPC가 적용된 모든 경우에 대해 p의 값은 10으로부터 10씩 증가시키면서 시뮬레이션을 수행하였다.
그렇기 때문에 non-midway OPC의 모든 구조에 대한 왜곡된 WDM 채널의 보상 정도를 분석할 수 있는 다른 방법을 적용하는 것이 더 실효적일 수 있다. 이를 위해 수신 성능 기준으로 1 dB 눈 열림 패널티 (EOP; eye opening penalty)를 사용하여 중계 구간 수에 따른 유효 입사 전력의 범위를 도출하였다. 즉 non-midway OPC의 모든 구조에서 1 dB EOP를 만들 수 있는 최대 입사 전력을 중계 구간 수에 따라 구하였고, 그 결과를 나타낸 것이 그림 7이다.
본 논문의 목적은 각각 40 Gbps의 데이터율을 갖는 24개 채널의 WDM 신호 보상을 위해 DM이 적용된 전체 전송 링크 내의 다양한 위치에 OPC를 추가 적용한 경우에 OPC 위치에 따른 성능을 비교하여 non-midway OPC의 보상 효과를 살펴보는 것이다. 이를 위해 우선 각각의 non-midway OPC 위치에 따른 성능 기준을 만족하는 최대 전송 거리, 즉 최대 중계 구간의 수를 확인해 보았다. 이를 위해 DM 링크의 전체 중계 구간 수(p) 에 변화를 주면서 각 경우에서의 수신 성능을 도출하였다.
65ⅹ비트율로 가정하 였다. 전체 전송로 중간에 위치한 OPC는 HNL-DSF (highly nonlinearity - dispersion shifted fiber)를 비선형 매질로 갖는 구조로 모델링하였고, 그 세부 구성과 파라미터 값은 저자의 DM 관련 논문과 동일하게 모델링하였다 [14]-[16].

이론/모형

광전송 링크를 통해 손실과 비선형 효과의 영향을 겪으면서 전파하는 각 채널들은 비선형 쉬뢰딩거 방정식 (NLSE; nonlinear Schrodiger equation)에 의해 표현된다[17]. 본 논문에서 40 Gbps의 24 채널 WDM 전송을 위한 NLSE의 수치적 분석은 단계 분할 퓨리에 (SSF; split-step Fourier) 기법[17]에 따라 Matlab으로 구현하여 이루어졌다.

성능/효과

광전송 링크에서 SMF가 갖는 분산과 비선형 효과 때문에 발생하는 대용량 및 장거리 정보 전송의 한계를 DM과 더불어 OPC를 적용하면 극복할 수 있다. DM 링크에 OPC를 적용할때 본질적으로 갖게 되는 OPC의 위치 제한이 본 연구를 통해 어느 정도 개선되는 것을 확인하였다. 물론 OPC를 전체 전송로 중간으로부터 벗어나는 정도에 따라 왜곡된 WDM 채널의 보상 정도가 감소한다.
NRD를 조절하는 특정한 중계 구간은 어디에서도 가능하지만 선행 연구를 통해 첫 번째 중계 구간 (이를 pre- dispersion -calibrator (DC)라고 부름), 마지막 중계 구간 (post -DC), OPC 바로 앞의 중계 구간 (DC-before-OPC), 그리고 OPC 다음 중계 구간 (DC-after-OPC)의 4군데 중에 pre-DC와 DC-after-OPC에의한 NRD 조절 방법이 WDM 채널의 왜곡 보상에 조금 더 효과적이라는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 RDPS가 0 ps/nm 또는 140 ps/nm인 DM에서 NRD를 pre-DC 또는 DC-after-OPC로 조절하고 non-midway OPC를 추가 적용한 링크에서의 WDM 채널의 왜곡 보상 효과를 분석해 보았다.
최적 NRD 값을 적용하기 위해 그에 상응하는 RDPS를 찾아 적용할 수도 있으나 중계 구간의 수가 많아질수록 RDPS 값이 0 ps/nm에 가까워져야 하기 때문에 시뮬레이션을 위한 파라미터 설정 시 어려움이 있다. 그리고 앞선 연구를 통해 0 ps/nm가 아닌 비교적 큰 값의 RDPS이 WDM 채널의 비선형 왜곡 보상에 기여하는 것도 확인하였다. 이러한 이유들로 인해 중계 구간의 RDPS는 적당한 값을 갖도록 하면서 동시에 특정한 중계 구간에서 NRD를 조절하는 DM 링크를 설계하였다.
저자가 수행한 그동안의 관련 연구를 통해과 RDPS가 클수록 이들의 누적 값인 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion)이 증가하여 왜곡된 WDM 채널 보상 효과가 줄어드는 것을 확인하였다 [13]-[16]. 아울러 링크 구조에 크게 영향을 받지 않는 가장 효과적인 NRD 값은 0 ps/nm가 아닌 그 근처값, 예를 들어 -10 ps/nm나 10 ps/nm인 것도 확인하였다. 따라서 그림 1과 그림 2의 DM 링크에서도 NRD를 최적 값으로 결정해주는 중계 구간이 있어야 한다.
3:7 구조와 6:4 구조 모두 전체 중계 구간의 수는 100이고, NRD는 10 ps/nm로 하였다. 여기에 보이지는 않았지만 4:6 구조와 7:3 구조에서도 동일한 조건에서의 아이 다이어그램을 구해 비교해 보면, 일반적으로 NRD를 DC-after-OPC로 조절하는 방식이 아닌 pre-DC로 조절하는 방식이 왜곡된 WDM 채널의 보상에 유리한 것을 확인하였다. 하지만 그림 4와 그림 5의 결과만을 비교해보더라도 non-midway OPC의 위치에 따라 왜곡 보상에 미치는 RDPS의 영향은 달라진다.
하지만 그림 4와 그림 5의 결과만을 비교해보더라도 non-midway OPC의 위치에 따라 왜곡 보상에 미치는 RDPS의 영향은 달라진다. 즉 3:7 구조에서는 RDPS를 0 ps/nm 로 선택한 링크 (그림 4(a))가, 6:4 구조에서는 RDPS를 140 ps/nm로 선택한 링크 (그림 5(c))가 왜곡된 WDM 채널 보상에 더욱 효과적이라는 것을 알 수 있다.
즉 본 연구에서 고려한 모든 구조에서 non-midway OPC의 위치, RDPS 크기, 그리고 NRD를 조절하는 방법 등이 서로 영향을 미쳐 왜곡된 WDM 채널의 보상 정도가 달라진다고 판단할 수 있다. 하지만 non-midway OPC의 모든 구조에 대해 NRD 조절 방법과 2가지 RDPS 값을 일일이 다르게 설정하여 얻어지는 아이 다이어그램을 통해 최적의 보상 조건을 얻는 것은 많은 시간을 필요로 한다.
물론 OPC를 전체 전송로 중간으로부터 벗어나는 정도에 따라 왜곡된 WDM 채널의 보상 정도가 감소한다. 하지만 본 연구를 통해 DM 링크를 구성하는 중계 구간의 구조를 최적화하고 (RDPS 설정 등), 전송로 전체 분산량의 적절한 설정과 이를 설정하기 위한 집중 제어 위치를 적합하게 선택하면 동일한 OPC 위치에 대해서도 보상 효과를 개선시킬 수 있는 것을 아울러 확인하였다. 결과 적으로 본 연구를 통해 장거리 대용량 WDM 전송 시 발생되는 왜곡 보상을 위한 DM 링크에 OPC를 적용하는데 있어 OPC 위치의 유연성이 증대될 것으로 기대된다.

후속연구

하지만 본 연구를 통해 DM 링크를 구성하는 중계 구간의 구조를 최적화하고 (RDPS 설정 등), 전송로 전체 분산량의 적절한 설정과 이를 설정하기 위한 집중 제어 위치를 적합하게 선택하면 동일한 OPC 위치에 대해서도 보상 효과를 개선시킬 수 있는 것을 아울러 확인하였다. 결과 적으로 본 연구를 통해 장거리 대용량 WDM 전송 시 발생되는 왜곡 보상을 위한 DM 링크에 OPC를 적용하는데 있어 OPC 위치의 유연성이 증대될 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

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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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