[논문]기하학적 구조의 분산 맵으로 설계된 분산 제어 링크를 갖는 MSSI 시스템

이성렬

doi:10.12673/jant.2024.28.5.732

[국내논문] 기하학적 구조의 분산 맵으로 설계된 분산 제어 링크를 갖는 MSSI 시스템
MSSI System with Dispersion-Managed Link Designed with Geometric-Schemed Dispersion Map 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.28 no.5, 2024년, pp.732 - 737

초록
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분산 제어 링크를 갖는 MSSI (mid-span spectral inversion) 시스템에서의 24채널 × 40 Gb/s 파장분할 다중 (WDM; wavelength division multiplexed) 신호의 색 분산과 비선형 왜곡 보상 특성을 체계적으로 연구하였다. WDM 신호는 EDFA (erbium-doped fiber amplifier)를 포함한 80 km × 48 광섬유 스팬으로 구성된 분산 제어 링크를 통해 전송된다. 이 분산 제어 링크에 적용된 분산 맵은 다양한 구조의 사다리꼴 형태를 갖는다. 본 논문에서 살펴보는 사다리꼴 형태의 분산 맵은 광 위상 공액기 앞과 뒤 구간 각각에서 누적 분산 프로파일이 양이나 음의 한 값을 갖는 구조로 설계되었다. 시뮬레이션을 통해 제안된 사다리꼴 모양의 분산 맵의 적용에 있어 적은 RDPS (residual dispersion per span)으로 분산 맵을 구성하는 경우에 왜곡된 WDM 채널 신호의 보상에 효과적이라는 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We systematically studied the chromatic dispersion and nonlinear distortion compensation characteristics of 24-channel × 40 Gb/s wavelength division multiplexed (WDM) signal in a mid-span spectral inversion (MSSI) system with dispersion-managed link. WDM signals are transmitted over dispersion-managed link consisting of an 80 km × 48 fiber span including erbium-doped fiber amplifier (EDFA). The dispersion map applied to this dispersion-managed link has trapezoidal shape with various structures. The trapezoid-shaped dispersion map examined in this paper are designed with configuration in which the cumulative dispersion profile has positive or negative value in each section before and after the optical phase conjugator. Through simulation, it was confirmed that the proposed trapezoid-shaped dispersion map is effective in compensating for distorted WDM channel signals when the dispersion map is configured with the small RDPS (residual dispersion per span).

Keyword

표/그림 (4)

그림 그림 1. 분산 제어 링크와 WDM 시스템의 구조 [11] Fig. 1. Configuration of dispersion-managed link and WDM system [11].
그림 그림 2. 분산 맵 Fig. 2. Dispersion maps.
그림 그림 3. 전력 마진 차이. Fig. 3. Difference of power margin.
그림 그림 4. 유효 입사 전력과 NRD의 곱 차이. (a) NP, (b) PN. Fig. 4. Difference of product of effective power and NRD. (a) NP, and (b) PN,

AI 본문요약
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문제 정의

지난 연구와 달라진 것은 FHS와 LHS에서 누적 분산 프로파일의 기본 형태가 한 번만 나타난다는 것이다. 누적 분산 프로파일의 기본 형태가 같더라도 링크 전체에서 반복하는 패턴에 따라 보상 특성이 달라질 수 있다는 것을 보이기 위함이 본 논문의 목적이다. 본 논문에서 살펴보는 사다리꼴 분산 맵이 적용된 DM 링크를 통해 전송되는 WDM 신호는 24 채널 × 40 Gb/s (= 960 Gb/s)로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

가설 설정

본 논문에서 살펴보는 사다리꼴 분산 맵이 적용된 DM 링크를 통해 전송되는 WDM 신호는 24 채널 × 40 Gb/s (= 960 Gb/s)로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
수신기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 전치 증폭기, 1 nm 대역폭의 광 필터, PIN 다이오드, 버터워스 형태의 펄스 정형 필터와 판별 회로로 구성된 직접 검파 (direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 수신 대역폭은 0.65ⅹ비트율로 가정하였다. 전체 전송로 중간에 위치한 midway 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 [9]-[11].

제안 방법

전체 전송로 중간에 위치한 midway 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 [9]-[11].
수신기는 5 dB의 잡음 지수를 갖는 전치 증폭기, 1 nm 대역폭의 광 필터, PIN 다이오드, 버터워스 형태의 펄스 정형 필터와 판별 회로로 구성된 직접 검파 (direct detection) 방식의 수신기로 모델링하였다. 수신 대역폭은 0.
지금까지 다양한 구조의 사다리꼴 모양의 분산 맵이 960 Gb/s WDM 신호 왜곡 보상에 미치는 영향을 수치적으로 분석해 보았다. 제안한 5가지의 분산 맵을 분산 제어 링크에 적용하는 경우 전력 마진 개선 측면에서는 midway OPC를 중심으로 전반 구획에서는 음의 누적 분산을, 후반 구획에서는 앙의 누적 분산 (즉 NP 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 시뮬레이션을 통해 분석하고자 하는 분산 맵의 형태도 사다리꼴 구조이다. 지난 연구와 달라진 것은 FHS와 LHS에서 누적 분산 프로파일의 기본 형태가 한 번만 나타난다는 것이다.
모든 구성부들은 지난 연구 [11]에서와 동일한 구조와 사양으로 설계되었다. 즉 총 48개의 광섬유 스팬 (optical fiber span)으로 DM 링크가 구성되었고, 각 광섬유 스팬은 SMF에 DCF를 추가해 누적 분산량을 조절하도록 하였다.
그림 2에서 ‘NP, 02:08:02’로 표시한 분산 맵은 지난 연구에서 검토한 분산 맵의 한 예이다. 지난 연구에서 고려한 누적 분산량 프로파일의 양과 음의 반복 간격은 12개 광섬유 스팬이다. 그렇기 때문에 그림 2에 보였듯이 ‘NP, 02:08:02’의 분산 맵은 전반과 후반 전송 구획 각각에서 두 번 반복하는 구조를 갖는다.
본 논문에서 고려한 사다리꼴 형태는 그림 2에 표시한 ascent-flat-descent 분포를 만드는 광섬유 스팬 수에 따라 04:16:04, 06:12:06, 08:08:08, 10:04:10, 12:00:12의 총 5가지이다. 여기서 ascent, descent, flat의 의미는 지난 연구 [11]과 동일하다.

데이터처리

WDM 각 채널의 성능 평가는 수신 광 신호의 아이 다이어그램 (eye diagram) 기반으로 얻어지는 눈 열림 패널티 (EOP; eye opening penalty)로 평가하였다. 수신 신호의 기준 EOP는 1 dB로 하였다.

이론/모형

전송 링크를 통해 손실과 비선형 효과의 영향을 겪으면서 전파하는 각 채널들은 비선형 쉬뢰딩거 방정식 (NLSE; nonlinear Schrödiger equation)에 의해 표현된다[12]
전송 링크를 통해 손실과 비선형 효과의 영향을 겪으면서 전파하는 각 채널들은 비선형 쉬뢰딩거 방정식 (NLSE; nonlinear Schrödiger equation)에 의해 표현된다[12]. 본 논문에서 40 Gb/s의 24 채널 WDM 전송을 위한 NLSE의 수치적 시뮬레이션은 단계 분할 퓨리에 (SSF; split-step Fourier) 기법[12]에 따라 Matlab으로 구현하여 수행되었다.

성능/효과

MSSI와 DM을 결합하여 링크를 설계하는데 있어 가장 중요하게 고려해야 할 것은 각 광섬유 스팬마다 축적된 분산량을 전송 거리에 따라 표현한 분산 맵 (dispersion map)의 모양이 전체 전송 링크 중간, 즉 OPC의 위치에 대해 대칭적이어야 한다는 것이다. 저자는 선행 연구에서 사각파 (rectangular) 모양, 삼각파 (tri-angular) 모양, 사인파 (sine-wave) 모양 등 다양한 대칭 구조의 분산 맵 프로파일을 제안하였고, ㅇ들 모두 전통적 분산 맵 (conventional dispersion map)을 적용한 링크보다 WDM 채널의 왜곡 보상 효과가 개선되는 것을 보였다.
가장 최근에 시뮬레이션을 통해 분석한 대칭 구조 분산 맵은 사다리꼴 모양의 분산 맵이다[11]. WDM 신호의 소광비 (ER; extinction ratio)가 낮을수록 사다리꼴 분산 맵이 전통적인 분산 맵보다 보상에 더욱 효과적이라는 것을 확인하였다. 그리고 중간 OPC (이를 midway OPC라고 부름)를 중심으로 전반 전송 구획 (FHS; former half section)에서 누적 프로파일은 양(positive)의 값으로 시작하는 대척 대칭 (antipodal symmetry) 구조의 사다리꼴 분산 맵이 그 반대 형태의 분산 맵보다 보상 효과를 좋게 하는 것도 확인하였다 [11].
분산 맵의 형태가 midway OPC를 중심으로 대칭되어야 효과적 보상을 얻을 수 있는 것을 저자의 선행 연구 결과를 통해 확인하였다. 특히, midway OPC를 중심으로 대척 대칭 (antipodal symmetry) 구조가 보상에 가장 효과적인 것을 확인하였다. 그림 2는 그림 1의 DM 링크에 적용되는 분산 맵의 한 예를 보인 것으로 midway OPC에 대해 대척 대칭인 것을 알 수 있다.
그림 3의 결과들을 분석해 보면, 우선 누적 분산 프로파일의 기울기를 결정하는 RDPS가 적은 값으로 선택된 경우에서 사다리꼴 모양의 분산 맵의 구체적 모양, 즉 xx-yy-xx 구조에 큰 영향을 받지 않고 왜곡된 WDM 채널의 보상에 효과를 높일 수 있다는 것을 알 수 있다. 좀 더 구체적으로 얘기하면 누적 분산 프로파일이 NP인 경우에서는 RDPS = 260 ps/nm에서, PN인 경우에서는 RDPS = 130 ps/nm로 선택되면 다른 경우에 비해 보상 효과를 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면 분산 맵의 대칭 분포가 NP인 경우에 있어서는 몇 가지 구조를 제외한 대부분의 분산 맵을 통해 얻을 수 있는 product가 균일 분포의 product보다 작아서 융통적 링크 구성을 어렵게 한다는 것이다. 반면 분산 맵의 대칭 분포가 PN인 경우에 있어서는 RDPS가 130 ps/nm로 적게 선택되면 분산 맵 모양에 따라 차이는 있지만 5개 분산 맵 형태 모두 균일 분포의 분산 맵이 적용된 경우보다 증가된 product를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
지금까지 다양한 구조의 사다리꼴 모양의 분산 맵이 960 Gb/s WDM 신호 왜곡 보상에 미치는 영향을 수치적으로 분석해 보았다. 제안한 5가지의 분산 맵을 분산 제어 링크에 적용하는 경우 전력 마진 개선 측면에서는 midway OPC를 중심으로 전반 구획에서는 음의 누적 분산을, 후반 구획에서는 앙의 누적 분산 (즉 NP 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 한편 입사 전력과 NRD의 탄력적 적용 측면에서는 전반 구획에서는 양의 누적 분산을, 후반 구획에서는 음의 누적 분산 (즉 PN 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 확인하였다.
제안한 5가지의 분산 맵을 분산 제어 링크에 적용하는 경우 전력 마진 개선 측면에서는 midway OPC를 중심으로 전반 구획에서는 음의 누적 분산을, 후반 구획에서는 앙의 누적 분산 (즉 NP 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 한편 입사 전력과 NRD의 탄력적 적용 측면에서는 전반 구획에서는 양의 누적 분산을, 후반 구획에서는 음의 누적 분산 (즉 PN 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 확인하였다. 두 경우 모두 각 분산 맵의 구체적 모양을 결정하는데 중요한 역할을 하는 RDPS를 적게 선택해야 보상 효과를 높일 수 있는 것도 알 수 있었다.
한편 입사 전력과 NRD의 탄력적 적용 측면에서는 전반 구획에서는 양의 누적 분산을, 후반 구획에서는 음의 누적 분산 (즉 PN 구조)을 갖도록 설계하는 것이 유리하다는 것을 확인하였다. 두 경우 모두 각 분산 맵의 구체적 모양을 결정하는데 중요한 역할을 하는 RDPS를 적게 선택해야 보상 효과를 높일 수 있는 것도 알 수 있었다.
세부적인 구조는 다르지만 전체적 누적 분산 프로파일의 구조가 비슷한 분산 맵을 통한 WDM 신호의 왜곡 보상 효과를 살펴본 지난 연구 [11]의 결과를 토함하여 종합적으로 분석해 보면, 반 전송 구획에서의 기본 누적 분산 프로파일이 몇 번 반복하느냐에 따라서 RDPS가 보상에 미치는 영향, 대척 대칭 분포의 형태가 보상에 미치는 영향 등이 달라질 수 있다는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.

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S. -R. Lee, "Compensation for the distorted WDM signals？through dispersion map of trapezoid-based symmetry？configuration combined with MSSI," Journal of Advanced？Navigation Technology, Vol. 28, No. 4, pp. 552-558, Aug. 2024.？DOI: http://dx.doi.org/10.12673/jant.2024.28.4.552.

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G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 3rd ed. San Francisco:？CA, Academic Press, 2001.？

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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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