400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리 증대를 위한 방안 연구

Abstract

최근 급격하게 증가하고 있는 각종 데이터 서비스를 수용하기 위하여 광통신망의 전송용량을 증가시키기 위한 노력이 계속 진행되고 있다. 예를 들면, 현재 포설되어 있는 광전송 시스템은 대부분 10-Gb/s 또는 40-Gb/s급 광신호를 사용하고 있으나, 최근에는 100-Gb/s급 광신호가 상용화되어 사용되기 시작하였다. 또한, 차세대 광전송 시스템을 위하여 채널 당 전송속도를 400-Gb/s 이상으로 증가시키기 위한 방안이 활발하게 연구되고 있다 [1]. 기존 10-Gb/s급 광전송 시스템에서는 NRZ(non-return-to-zero) 방식의 세기변조 신호가 사용되어왔다. 그러나, 최근 포설되기 시작한 100-Gb/s급 광전송 시스템에서는 일반적으로 PDM-QPSK (polarization-division-multiplexed quadrature phase shift keying) 신호가 널리 사용되고 있다. 이는 초고속 신호를 구현하는 데에 필요한 baud rate를 낮춤으로써 현재 구현 가능한 각종 전기소자들의 제한된 대역폭으로 인하여 발생하는 문제점을 극복하기 위한 것이다. 따라서, 400-Gb/s급 초고속 광전송 시스템을 구현하기 위해서는 PDM-16QAM, PDM-32QAM, PDM-64QAM 등 QPSK 이상의 고차 변조방식이 사용되어야 할 것으로 예상되고 있다 [2]. 또한, 400-Gb/s급 초고속 광신호를 구현하는 데에 필요한 baud rate를 현실적인 수준으로 낮추기 위한 다른 방안으로써 각 채널을 multi-carrier를 사용하여 구현하는 방안이 모색되고 있다 [2]. 그러나, 16QAM 이상의 고차 변조방식을 사용하는 경우 차수가 증가함에 따라 이러한 신호들을 적절히 수신하는 데에 필요한 광신호대 잡음비(OSNR: optical signal-to-noise ratio)가 급격히 증가하는 문제점이 있으며, multi-carrier를 사용하는 경우에는 송/수신기의 구조가 복잡해져 가격이 증가한다는 문제가 있다. 따라서, 본 논문에서는 single-carrier와 PDM-16QAM 변조방식을 사용하는 400-Gb/s급 광전송 시스템으로 문제를 특정하고 이러한 시스템의 전송성능을 개선하기 위한 방안을 모의실험을 통해 모색해 보고자 한다. 최근 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 생성 및 전송에 관한 수많은 연구결과들이 보고된 바 있다 [1]. 그러나, 지금까지 보고된 연구들은 대부분 광신호의 OSNR 감소나 광섬유의 비선형성에 대한 영향을 최소화함으로써 전송거리를 증대시키기 위하여 PSCF(pure-silica core fiber), ULAF (ultra-large effective area fiber) 등과 같은 새로운 첨단 광섬유를 사용하고, 기존의 EDFA (Erbium-doped fiber amplifier) 대신 Raman 증폭기를 사용하는 방안을 고려하였다 [3]-[4]. 그럼에도 불구하고 지금까지 구현된 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호의 최대 전송거리는 1200 km 정도이었으며, 현재 포설되어 있는 것과 같이 단일모드 광섬유(SSMF: standard single-mode fiber)와 EDFA로 구성되어 있는 광링크를 사용하는 경우 지금까지 구현된 최대 전송거리는 734 km에 불과하였다 [3],[5]. 따라서, 400-Gb/s급 PDM-16QAM 신호를 장거리 광통신망에서도 사용하기 위해서는 이의 전송거리를 대폭적으로 확대할 수 있어야만 한다. 이러한 가능성을 모색하기 위하여 본 논문에서는 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫째, 현재 포설되어 있는 것과 같이 SSMF와 EDFA로 구성된 광링크를 사용하는 경우 구현 가능한 400-Gb/s급 single-carrier PDM-16QAM 광신호의 최대 전송거리를 분석하였다. 이를 위하여 광링크의 각 span은 80 km이며, span loss는 16 dB라고 가정하였다. 또한, EDFA의 잡음지수(NF: noise figure)는 4.5 dB이며, overhead가 7 %인 오류정정