Ｔｗｏ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ를 이용한 ＮＲＺ 신호 클럭 추출 방법{NRZ signal clock extraction device using Two-mode fiber}
본 발명은 신호 클럭 추출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 USN에서 각 센서노드로부터의 신호를 분석할 때 센서의 정보와 함께 수시로 센서로부터 들어오는 신호의 에러체크를 통하여 신호가 원활하게 전송되는지 확인할 필요가 있다. 신호의 에러체크 및 분석을 위해서는 수신된 신호의 클럭 추출이 필요하며, 특히 선박의 경우 전기적 방식은 RFI 영향을 받을 수 있어 수신된 신호의 분석 및 에러체크를 위해 광전변환하기 전에 광학적인 방법으로 클럭을 추출 재생할 수 있는 Ｔｗｏ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ를 이용한 ＮＲＺ 신호 클럭 추출 장치에 관한 것이다.
기존 광통신 시스템에서 전송된 데이터의 retiming, reshaping 그리고 re-amplification(3R)은 비트율과 데이터 포맷의 의존성을 없애고 광 투명성을 보상하는 중요한 역할을 한다. 특히 장거리 전송 시에 네트워크상의 노드에서 신호를 재전송하기 전에 지터나 잡음을 제거하는 것이 중요하기 때문에 3R의 역할은 대단히 중요하다. 이러한 3R 기능을 위해 우선적으로 필요한 조건이 입력 신호로부터 클럭을 추출하는 것이다. 기존의 RZ 신호의 경우 신호 자체에 클럭 성분이 포함되어 있기 때문에 클럭을 복원하는 것이 어렵지 않다. 그러나 대역폭을 적게 차지하고, 쉬운 변조 방식 광통신에서 주로 사용되었던 NRZ 신호는 클럭 성분이 미약하기 때문에, NRZ-OOK 신호에서 클럭을 추출하기 위해서는 광전변환 후 전기적 클럭 복원 회로를 사용하여야 한다 최근에는 NRZ-OOK 변조의 단점을 보완할 수 있는 차동 위상 편이 변조(DPSK: differential phase shift keying) 신호가 각광받고 있다. DPSK신호는 광섬유 비선형성에 강하고 편광의존분산에 강한 장점이 있기 때문에 최근 장거리 고속 광통신에 많이 이용되고 있다. 하지만 DPSK신호는 NRZ-OOK와 마찬가지로 클럭 성분을 가지고 있지 않기 때문에 클럭 성분을 증가시키기 위한 추가적인 클럭 복원 기능이 필요하다. 이를 위해 일반적으로 NRZ-DPSK를 RZ-OOK신호로 변환하는 방식을 채택하고 있으며 이를 구현하기 위해 한 비트의 반에 해당하는 만큼 시간 지연을 준 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하는 방법 또는 배열된 장주기 격자를 이용하는 방법이 제안되어 왔다. 하지만 MZ 간섭계의 경우, 너무 작은 spatial margin으로 인해 시간 지연을 정확하게 조절하기 힘들거나 외부 자극에 민감하다는 단점이 있다. 그리고 배열된 장주기 격자의 경우 40 Gbit/s 급 이상의 통신 시스템에서는 장점을 가지지만 그 이하의 시스템에서는 격자 간의 길이가 너무 길어진다는 약점을 지닌다.
따라서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하는 Ｔｗｏ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ를 이용한 ＮＲＺ 신호 클럭 추출 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 Ｔｗｏ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ를 이용한 ＮＲＺ 신호 클럭 추출 장치는,
본 발명에 의하면, 패턴의 길이에 의존적인 파워 패널티는 낮은 위상 잡음으로부터 무시될 만하며 추출된 클럭신호로도 기존의 클럭신호와 비교에 성능면에서 비슷한 결과를 얻었으므로 3R 수행을 위해 충분히 이용 가능하다.
도 1은 10-GHz 클럭 신호를 추출하기 위한 실험 구성도이다.
도 2는 제작된 TMF 간섭계의 간섭 패턴을 나타내는 파형도이다.
도 3은 측정된 RF 스펙트럼을 보여주는 파형도이다.
도 4는 측정된 데이터 패턴과 아이 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 5는 추출된 10 GHz 클럭 신호를 보여주는 파형도이다.
도 6은 10 GHz 클럭 신호의 single sideband 잡음 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 7은 PPG에서 출력된 클럭 신호와 복원된 클럭 신호를 이용해 비교한 BER 커브를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 10-Gbit/s NRZ-DPSK 신호로부터 클럭을 추출하기 위한 실험 구성도이다. 도 1을 참조하면, 파장 가변 레이저에서 나온 1555.83nm 광신호를 Mach-Zehnder변조기를 통해 231-1 길이의 10-Gbit/s PRBS로 외부 변조하였다. 변조된 신호는 EDFA를 통해 증폭되고 NRZ-DPSK-to-RZ-OOK 변환기 앞에서 편광 의존성을 완화하기 위한 PC를 거친다. 50ps의 시간 지연을 갖는 NRZ-DPSK-to-RZ-OOK 변환기를 거쳐 변환된 RZ-OOK 신호는 써큘레이터를 통해 모드 잠김된 광섬유 링 레이저로 인가되고, 여기서 추출된 10 GHz의 광 클럭 신호는 20:80 커플러를 통과한 후 광 스펙트럼 분석기와 40 GHz 전자 스펙트럼 분석기 그리고 20GHz 샘플링 스코프를 통해 분석된다. 사용된 광섬유 링 레이저는 반도체 광 증폭기(SOA)의 cross gain modulation (XGM)과 cross phase modulation(XPM)을 이용한다. 사용된 SOA는 kamelian OPA-20-NC-FU이며, 최대 전류는 250 mA이다. 광 지연 라인(ODL)은 입력 데이터율에 루프 반복의 하모닉 주파수를 맞추기 위해 이용되며, 이러한 매칭은 공진 길이와 광 대역 필터(OBPF)를 조절하여 얻어진다. 도 2는 0.01 nm 분해능을 갖는 광 스펙트럼 분석기를 통해 측정한 제작된 TMF 간섭계의 간섭 패턴을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 간섭 패턴은 0.17 nm (21 GHz)의 Free Spectral Range (FSR)를 가지고 있어 50 ps의 시간지연에 상응하는 0.16 nm (20GHz)와 거의 비슷하다. 가장 깊은 null은 1555.83 nm에서 -21 dB 였다. 파장이 증가함에 따라 증가하는 진동 주기는 식 (1-3)에 따른 주파수와 파장 사이의 변환 때문이다. 상쇄 간섭 또는 보강 간섭은을 만족할 때마나 나타난다. 그러므로 파장에서 FSR은 항상 일정한 진동 주기를 갖는 것은 아니다. 기존에는 온도를 25℃에서 75℃까지 점진적으로 증가시키면서, TMF를 이용한 간섭계의 온도 의존성을 측정한 결과 온도가 증가함에 따라 중심 파장이 장파장 쪽으로 이동하였으며, 민감도는 ~0.064 nm/℃ 였다. 제작된 TMF의 길이는 10-Gbit/s 시스템에서 클럭을 추출하기 위해 필요한 50 ps의 시간 지연을 위해서 1m로 설정되었다. 도 3은 NRZ-DPSK, RZ-OOK 그리고 클럭 신호의 RF 스펙트럼을 보여준다. 도 3을 참조하면, 도 3의 (a)에서 NRZ-DPSK신호는 10GHz 부근에서 어떠한 성분도 갖지 않는다는 것을 볼 수 있다. 따라서 carrier-to-noise ratio (CNR)가 0dB 이다. 그에 비해 도 3의 (b)에 있는 변환된 RZ-OOK신호는 데이터 성분을 갖기 때문에 저주파 지역에 RF 성분이 생김과 동시에 10GHz 부근에서 크게 향상된 클럭성분을 볼 수 있다. 이때, CNR은 30dB로 NRZ-DPSK-to-RZ-OOK 변환기를 거침으로써 30 dB 정도의 클럭성분의 증가 효과를 보았다. 마지막으로 추출된 클럭 신호의 RF 스펙트럼은 도 3의 (c)에 나와 있다. RZ-OOK 신호는 링 레이저에 삽입됨으로써 펄스 간의 비어 있는 공간이 매워지고 결과적으로 10-GHz 클럭신호가 완성된다. 이로 인해 다시 저주파 대역의 데이터 신호는 사라지고 10GHz 부근의 RF 성분이 더 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 클럭 신호의 CNR은 40dB로 NRZ-DPSK 신호에 비해 40dB정도 향상되었다. 도 4는 NRZ-DPSK 신호와 RZ-OOK 신호의 데이터 패턴과 아이 다이어그램을 보여준다. 도 4를 참조하면, NRZ-DPSK 신호 자체가 일정한 크기를 가지고 변조되기 때문에 도 4의 (a)에 나타난 데이터 패턴 역시 일정한 continous wave (CW)를 보여주며 이 상태로는 어떠한 데이터도 구분할 수 없다. 마찬가지로 아이 패턴또한 CW로만 보여진다. 하지만 이러한 NRZ-DPSK신호가 변환기를 거쳐 RZ-OOK신호로 변환되면, 도 4의 (c)와 같은 패턴이 보여지는 데, 여기서 보이는 '1001010111010010' 패턴은 '0001100101100011'로 변조된 NRZ-DPSK 신호의 원래 신호와 시간 지연된 신호 사이의 보강 간섭의 결과로 인해 생성되었다는 것을 알 수 있다. 이때, 도 4의 (d)에서 보이는 아이 다이어그램은 100ps의 시간 주기를 갖는 RZ-OOK 신호이다. 도 5는 10-Gbit/s NRZ-DPSK 신호로부터 추출된 10-GHz 클럭신호이며 이 신호의 타이밍 지터는 1.6ps 이하였다. 이를 통해 신호로부터 복원된 클럭신호가 3R 기능을 위해 사용될 수 있음을 알 수 있다. 타이밍 지터를 좀 더 정확히 분석하기 위해 복원된 클럭신호의 sideband 잡음을 10Hz~1MHz의 범위에서 측정하였다. 도 6은 복원된 클럭 신호의 single sideband 위상 잡음 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼 분석기에 의해 계산된 root-mean-square(RMS) 지터는 1.28ps 였으며, 이는 디지털 오실로스코프에 의해 측정된 1.57 ps jitter와 비슷했다. 마지막으로 제안된 클럭 추출 방식의 BER 성능을 측정하였다. 도 7은 10 Gbit/s 수신기의 입력단에서 수신된 파워의 함수로 back-to-back BER 성능을 측정한 결과이다. 도 7을 참조하면, 우선적으로 PPG에서 나오는 클럭을 이용하여 측정한 BER 커브(rectangle)와 제안된 방식으로부터 추출된 클럭 신호를 이용한 BER 커브(dotted cross)를 비교하였다. 비교결과, 추출된 클럭 신호를 이용하는 경우 아주 미세한 차이만큼의 0.02 dB 파워 패널티가 발생하긴 하나 성능에는 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 또한 패턴의 길이를 11, 15, 31로 바꿔가면서 BER을 측정한 결과 패턴의 길이가 11일 때와 31일 때의 파워 패널티가 10-9 BER에서 약 0.6dB 정도 발생함을 관찰하였다. 이를 통해 패턴의 길이에 의존적인 파워 패널티는 낮은 위상 잡음으로부터 무시될 만하며 추출된 클럭 신호로도 기존의 클럭 신호와 비교에 성능면에서 비슷한 결과를 얻었으므로 3R 수행을 위해 충분히 이용 가능하다는 결론을 얻었다.
|
