초록 ▼

Coherent 광통신 시스템에 대한 연구 개발은 25dB에 이르는 수신기의 감도 증진 기능성과 주파수 분할 다중 통신의 가능성 때문에 가속화 되어왔다. 그러나 이 시스템의 실제적 응용은 반도체 레이저가 낮은 스페트럼 순도 및 발진 중심 안정도를 갖는다는 점과 시스템이 복잡하게 구성된다는 점에서 외면당해 왔다. 본 연구에서는 이러한 Coherent 광통신 시스템을 제한하는 요소들을 극복하기 위한 여러방법들을 3개의 세부과제로 나누어서 심도있게 연구했다. 첫째, 성능 증진된 레이저 시스템으로 부터 나온 출력을 매우 정교한

Coherent 광통신 시스템에 대한 연구 개발은 25dB에 이르는 수신기의 감도 증진 기능성과 주파수 분할 다중 통신의 가능성 때문에 가속화 되어왔다. 그러나 이 시스템의 실제적 응용은 반도체 레이저가 낮은 스페트럼 순도 및 발진 중심 안정도를 갖는다는 점과 시스템이 복잡하게 구성된다는 점에서 외면당해 왔다. 본 연구에서는 이러한 Coherent 광통신 시스템을 제한하는 요소들을 극복하기 위한 여러방법들을 3개의 세부과제로 나누어서 심도있게 연구했다. 첫째, 성능 증진된 레이저 시스템으로 부터 나온 출력을 매우 정교한 Coherent 광변조하기 위한 고속의 광변조기, 방향성결합기 등을 연구했으며, 둘째 레이저의 스펙트럼 순도를 증진시키기 위한 여러기술과 레이저의 발진 중심주파수를 안정화시키는 방법들을 연구했으며, 세번째로 국부발진기와 입력 신호간의 편극 또는 위상 비 정합 문제를 극복하기 위해 편극 또는 위상에 무관한 Coherent검출 방식을 연구했다.
본 연구결과는 주파수 분할 다중 통신 방식에 의한 Coherent 광통신 시스템의 실현에 기초가 되라라 사료된다.
각 세부 과제별 연구 내용은 다음과 같다.
제 1세부과제 : 코히이런트 광변조 및 증폭기에 관한 연구
코히어런트 광변조를 위한 당일 광변조기, X-스위칭, 방향성 결합기에 대한 설게 조건들을 BPM 프로그램을 이용하여 결정하였다. 시뮬레이션 결과, 도파로폭 및 도파로사이의 간극이 4㎛일때 최적 변조됨을 확인하고, 이 값을 파리미터로 하여 설계 조건에 따라 LiNbO?기판을 이용한, 단일 광도파로 및 방향성 결합기 제작에 적용하였다. 양자교환에 의한 양자확산 방법으로 LiNbO?기판위에 광도파로를 형성하였으며, 양자교환후 400℃에서 열처리하여 도파로 폭 및 깊이의 변화에 따른 방향성 결합기를 제작하였다. 또한 마스크 공정 작업이 필요없는 자기정렬 방식을 선택함으로써 광도파로 제작공정을 간단화하였고, 전계효율을 최대화하였다. 열처리된 광도파로의 깊이는 α-step 을 이용하여 도파로 1과 도파로 2의 깊이를 각각 1.535KÅ, 1.483KÅ 으로 측정하였다. 그리고, 시뮬레이션 결과 도파로 폭을 4㎛로 설계된 것을 실제의 광도파로 제작에 적용하여, 광도파로를 제작한 후 열처리 효과에 의해 결합영역의 도파로 1과 2의 폭은 5.43㎛로 형성되었음을 SEM을 이용하여 확인하여 방향성 결합형 광변조기를 제작하였다.
제 2세부과제 : 반도체 레이저의 선폭최소화 및 중심주파수 안정화
단일 반도체 레이저 또는 종래의 외부공진기 레이저의 성능을 향상시키기 위한 다중 외부 공진기 레이저 구조를 제안했으며, 이 구조를 이용하면 부수 복합공진 모두를 억제할 수 있고 레이저의 스펙트럼 폭도 줄일 수 있음을 보였다. 다중 외부공진기를 구성함으로써, 복합공진기 모드간의 간격을 각각의 단일 외부공진기의 공진 모드간의 간격의 최소공배수만큼 증가시킬 수 있었으며, 스펙트럼 폭은 자유동작레이저보다 각각의 외부공진기 레이저의 스펙트럼 폭 축소율을 선형적으로 합한 배수만큼 줄일 수 있었다. 주변 온도를 안정화 시킥 위한 특별한 보호장치들이 전체 시스템의 크기를 너무 크게하는데, 본 연구에서는 이러한 보호장치를 사용하지 않고도 반도체 레이저의 온도를 0.01℃이내로 안정화 시킬 수 있었다.
이는 자유동작 하에서 반도체 레이저의 발진주파수를 200㎒이내로 안정화 시킬 수 있음을 의미한다. 여기서 다시 이득 40 배의 전기적 부귀환을 인가하여, 2분간의 동적에서 5㎒이내의 발진주파수 안정화와 20 분간의 동작에서 20 ㎒이내의 안정화를 이룰 수 있었다. 이 안정화된 반도체 레이저는 FSK나 ASK 시스템의 광원이나 국부발진기로 직접 이용가능하다고 생각된다. 또한 이 중심주파수 안저오하 기술을 미세한 주파수차를 갖는 주파수 분할 다중(FDM)통신에 곧 바로 이용가능하다.
끝으로 외부공진기 내에 훼브리페롯(F-P)에탈론을 삽입시킴으로서 외부공진기 레이저의 주파수들면, 피네수가 30이고 두께가 1㎝(광학적 두께가 1.5㎝)인 F-P에탈론을 2.5㎝길이의 외부공진기 내에 삽입한 경우, 동일한 조건에서 동작하는 종래의 외부공진기 레이저보다 7.6배의 주파수 잠김 정확도와 86배에 이르는 레이저 선폭 축소 특성을 얻을 수 있었다. 이는 자유동작하에 동작하는 레이저의 선폭을 약 1/5000로 줄일 수 있고, 이 레이저의 발진수파수 변동은 약 1/100 로 줄일 수 있음을 의미한다.
제 3세부과제 : 코히이런트 광통신용 수신 시스템에 관한 연구
코히어런트 광 수신 시스템의 실현을 위해 호모다인형 위상 다이버시티(diversity)기술을 이용하여 ASK 검파 방식에 대해 연구하고, 복조된 이들 신호를 송신기의 광위상 잡음을 변수로 하여 송신 전력을 따른 신호 오차율(BER)을 구하고 다이버시티 수신기에 사용되는 저주파 필터의 시간 정수를 최적화함으로써 수신기의 성능을 향상됨을 보였다. 또한 편극 변동으로 인한 수신 감도 열화를 막기 위한 여러 방법들 중 가장 효율적인 편극 다이버시티 방식에 관한 연구를 수행하고, 베이스밴드 합성형의 편극 다이버시티 수신기에서 신호 처리단을 보완한 선형 검파방식의 가중치 변경 방식을 연구하고, 위상/편극 다이버시티 수신기에 대해 2승 검파를 사용하는 ASK와 지연 검파를 사용하는 DPSK를 분석하고, 편극 다이버시티 방식이 매우 효과적인 FSK 코히이런트 수신기를 구성해 1 Mbps 데이타의 수신 실험을 수행하였다.

Abstract ▼

Research and development of coherent optical fiber communication systems have been accelerated because of the possibility of receiver sensity improvent reaching 20dB and the possibility of requency division multiplexing(FDM).
However, the practival applications of the system have been almost g

Research and development of coherent optical fiber communication systems have been accelerated because of the possibility of receiver sensity improvent reaching 20dB and the possibility of requency division multiplexing(FDM).
However, the practival applications of the system have been almost given up mainly because of the poor spectral purity and frequency stability of semiconductor lasers, and because of the system complexity.
In this project, we studied methods to overcome the limiting factors for coherent optical communications. Firstly, we studied high speed modulators and directional couplers. Secondly, To improve the laser spectral purity and to stabilize the oscillating frequency of a semiconductor laser, various techniques were investigated and implemented. Finally, to overcome the polarization/phase mismatch between the local oscillator output and the received signal, polarization/phase independent detection schemes were studied and implemented. T
he results of this project become bases of practical coherent optical communication with frequency division multiplexing.
Research Optical Modulation and Optical Amplifier
We performed theoretical simulation for single waveguide modulator, X-switch and directional coupler using BPM program. Simulation results showed that the optimum optical waveguide width and the gab between the guides were 4㎛. Using the parameters, we decided other design parametes . Proton exchange of proton diffusion method was applized to pattern a waveguide on a LiNbO? substrate. The annealing at 400℃ processed to control waveguide width and depth. A self-aligned method, which doesn't need the mask process was applied to simplify the fabirication process of the optical waveguid and to maximize efficiency of electric field. The depths of two of annealed optical waveguids, which were measured by using α-step, were 1.535KÅ and 1.483Å. Using SEM facility, we exeamined that the width of waveguides increased from 4㎛ to 5.43㎛ due to the annealing effects.
2. Linewidth Reduction and Center Frequency Stabilization of a Semiconductor Laser.
We have suggested a multiple external cavity structure to improve the performance of a semiconductor laser including a conventional external cacity laser and showed that we could suppress compound cavity side modes and reduce the spectral width. The compound cavity mode spacing of th suggested structure increased to the least common multiple of those of single external cavity lasers while linewidth reduction ratio of the laser increased as much as the summation of those of single external cavity lasers.
To achieve rough oscillating frequency stabilization, we stabilized the temperature of a semiconductor laser within 0.01℃ without any special housing which may make the whole system too bulky. This temperature stabilization keeps the oscillating frequency deviation of the laser within 200㎒ under free running. By applying negative electrical feedback with 40 times of loop gain, we could stabilize the oscillating frequency wihin 5㎒ under 2 minute operatiion and within 20㎒ under 20 minute operation. We expect that the frequency stabilized laser may be used as a light source or a local oscillator of a practical FSK or ASK system. This frquency stabilization technique is ready to be used for FDM with fine freqnency separation.
Finally, we showed theoretically that the performance characteristics of an external cavity semiconductor laser, such as frequency locking and frequency noise reduction, can be greatly improved by just inserting a high finesse Fabry-Perrot(F-P) etalon inside the external reflector. For example, when the F-P etalon of fineasse 30 and thickness 1.0㎝(optical thickness 1.5㎝) is inserted inside the external cavity of 2.5㎝ length, the frequency locking accuracy and the linewidth reduction ratio are increased up to 7.6 times and 86 times respectively compared with the conventional externa-cavity laser under the same operation conditions. This means that we can reduce the spectral width of a free running laser up to 1/5000 and the oscillating frequency fluctuation of the laser up to 1/100.
3. Optical Receiver System for Coherent Optical Fiber Communications
In coherent optical fiber communication systems, phase diversities are useful techniques to cope wiht the laser phase noise in received optical signal. In this study, ASK diversity homodyne receiver is investigated and we show that the optimization of filters improves the receiver p[erformance for larger linewidths remarkably. Polarization diversity is the most efficient technique to prevent loss due to variations in the state of polarization(SOP) of the received signal. BER performance for the polarization diversity reveiver was theoretically analyzed and compared with the SOP controlled receiver. Also the baseband weighting method combining linear detector was proposed to prevent the degradation due to the unideal characteristics of square law rectifiers. An analysis of the peformance of the phase polarization diversity homodyne optical receive was done for both ASk with squared detection and DPSK with delayed detection. FSK heterodyne coherent receive and signal processing circuitry have been constructed and tested at 1 Mbps.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...13
• 제 2 장 연구 방법...14
• 제 3 장 결 과 및 고 찰...18
• 제 4 장 결 론...23
• 제1장 서론...32
• 제2장 연구방법...35
• 1절 광 도파로 형성을 위한 LiNbO$_3$ 기판의 결정구조 및 특성...35
• 2절 광 전송이론 및 광 도파로의 구조...39
• 3절 광 변조기 제작방법 및 공정과정...64
• 가. 광 변조기 제작 방법...64
• 1) 타이타늄 내부확산 방식...64
• 2) 양자 교환 방식...65
• 나. 방향성 결합형 광변조기 공정과정...66
• 1) 광도파로 패턴을 위한 자기정렬방식...67
• 2) 양자 교환 공정 과정...69
• 제3장 결과 및 고찰...70
• 1절 단일 광 도파로에 대한 시뮬레이션...70
• 2절 X-스위치 광 도파로에 대한 시뮬레이션...82
• 3절 방향성 결합기에 대한 시뮬레이션...91
• 4절 광 도파로의 제작 및 분석...107
• 1) 타이타늄 내부확산 도파로...107
• 2) 양자 교환 도파로...109
• 5절 방향성 결합형 광 변조기의 특성분석...113
• 가. X-ray 회절 분석...113
• 나. 양자교환후의 열처리 효과...116
• 다. 제작된 시편의 $\alpha$-step과 SEM 관찰...118
• 제4장 결론...123
• 제5장 참고문헌...126
• 목차...136
• 제1장 서론...138
• 제2장 연구방법...143
• 제1절 다중 외부공진기 레이저...143
• 제2절 전기적 부귀환에 의한 발진주파수 안정화...155
• 제3절 주파수 잠김 특성을 이용한 선폭 축소 및 발진 주파수 안정화...168
• 제4절 주파수 선별 광귀환에 의한 주파수 튜닝...181
• 제3장 결과...190
• 제1절 다중 외부공진기 레이저...190
• 제2절 전기적 부귀환에 의한 발진주파수 안정화...205
• 제3절 주파수 잠김 특성을 이용한 선폭 축소 및 발진 주파수 안정화...224
• 제4절 주파수 선별 광귀환에 의한 주파수 튜닝...246
• 제4장 고찰...248
• 제1절 다중 외부공진기 레이저...248
• 제2절 전기적 부귀환에 의한 발진주파수 안정화...249
• 제3절 주파수 잠김 특성을 이용한 선폭 축소 및 발진 주파수 안정화...250
• 제4절 주파수 선별 광귀환에 의한 주파수 튜닝...251
• 제5장 결론...253
• 제6장 참고문헌...256
• 목차...265
• 제1장 서론...267
• 제2장 연구방법...274
• 제2-1절 코히이런트 광통신 방식의 비교...274
• 제2-2절 코히이런트 광섬유 통신용 수신기...278
• 제2-3절 다이버시티 기술을 이용한 호모다인 광수신에 관한 연구...284
• 제2-4절 편극 다이버시티 방식의 원리 및 응용...292
• 제2-5절 선형 포락선 검파방식의 연구...304
• 제2-6절 ASK 및 DPSK를 이용한 위상편극 다이버시티 호모다인...308
• 제3장 결과 및 고찰...318
• 제3-1절 ASK 호모다인 위상 다이버시티 수신기의 분석...318
• 제3-2절 편극 다이버시티 광 수신기의 분석 및 실험...321
• 제3-3절 위상/편극 일체형 ASK/DPSK 다이버시티 수신기 성능 분석...328
• 제3-4절 코히이런트 FSK 편극 다이버시티 헤테로다인 수신실험...331
• 제4장 결론...342
• 제5장 참고문헌...344