직접 변조 레이저와 다중 레벨 변조 방식을 이용한 100 Gb/s 급 광전송 시스템

Abstract

최근 사물 인터넷, 인공 지능, 고화질 비디오 및 클라우드 데이터/컴퓨팅에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 데이터 센터를 포함한 광전달망에서 요구되는 전송 속도가 지속적으로 또한 지수적으로 급증하고 있다. 이러한 데이터 트래픽 증가세를 수용하기 위해서 채널당 전송 속도도 빠르게 증가하고 있다. 예를 들면, 단일 채널 직렬 이더넷 광트랜시버 표준이 2009년 10 GbE, 2016년 25 GbE, 2019년 50 GbE 로 발전하였으며, 100 GbE 표준은 2021년경에 완성될 것으로 예상된다.

광전달망은 기본적으로 점대점 광전송 시스템으로 구현되므로 데이터 트래픽 수요를 경제적으로 수용하기 위해서는 경제적인 점대점 전송 시스템이 필수적으로 요구된다. 직접 변조/직접 검출 광전송 시스템은 가장 간단한 구조의 송신기와 수신기로 구현되므로 가격에 민감한 단거리 전송 시스템에 가장 적합하다고 할 수 있다. 이러한 시스템은 외부 변조기를 사용하는 시스템에 비하여 소비 전력이 적고, 좁은 상면적을 차지하며, 송신기에서 고출력 신호를 송출하므로 광증폭기 없이 시스템의 구현이 가능하다. 그러나 외부 변조기에 비하여 직접 변조 레이저의 변조 대역폭이 제한적이므로 고속 신호를 생성하는데 어려움이 있다.

본 연구에서는 대역폭이 제한적인 직접 변조 레이저를 활용하여 100 Gb/s 이상 초고속 신호를 생성, 전송, 그리고 검출하는 기술을 탐구한다. 현재 상용화되어 있는 직접 변조 레이저를 활용하여 얼마나 높은 전송 속도까지 전송이 가능한지 실험을 통하여 연구하였다. 이를 위하여 직접 변조/직접 검출 시스템의 가격경쟁력을 최대한 살릴 수 있도록 신호 생성 및 검출이 간단한 펄스 크기 변조(pulse amplitude modulation: PAM) 변조 방식을 활용하였다. 또한 레이저의 대역폭 한에 의한 신호 파형 왜곡은 전기적 등화기를 사용하여 수신단에서 보상하였다.

변조 대역폭 20 GHz 남짓의 $1.3 \mum$ 대역 직접 변조 레이저를 활용하여 PAM-4 및 PAM-8 신호를 생성하고, 단일 모드 광섬유에 전송한 후, 광검출기로 신호를 검출하였다. 단일 채널당 전송 용량을 100 Gb/s 이상 증가시키면서 전송 속도에 맞추어 송신단의 레벨을 최적화하였으며, 다양한 전기적 등화기를 사용하여 신호 왜곡을 보상한 후 비트 오율 성능을 측정하였다. 전기적 등화기로는 선형 등화기, 판별 궤환 등화기, 볼테라 비선형 등화기, 그리고 최대 우도 추정을 활용하였다. 뿐만 아니라 전송 속도에 따라 PAM-4 및 PAM-8 변조 방식을 비교하여 어느 변조 방식이 더 적합한지에 대해 연구하였다.

실험 결과 $1.3 \mum$대역의 레이저를 사용하여 다중 레벨 변조 방식을 통해 직접 변조 시스템 상에서 100 Gb/s 급 신호를 선형 등화기 및 판정 궤환 등화기를 사용하여 전송 거리 25 km에 전송하는데 성공하였으며, 이 때 수신 감도는 PAM-4 변조 방식에서 -5 dBm, PAM-8 변조 방식에서 -3 dBm을 얻을 수 있었다.