Transcript Optical Preamp. + PIN(수신감도: -31dBm

기가비트 전송기술
1998. 2. 12.
박창수
통신시스템연구단
목차




기술 발전 추세
 광기술
 전송기술, 회선분배기술
기가비트 전송
 광링크 구성(국간, 가입자)
 광선로 제한 요인
 광증폭기 응용
광전달망
 WDM network
 망운용 관리
다중방식에 따른 가격 비교
 TDM vs WDM
 Short haul vs long haul
광기술의 진보
Optical routing
Optical protection
Optical
networks
WDM
Optical amplifier
PON
Singlemode-SDH
Singlemode-PDH
Fiber
links
Multimode-PDH
'80
'85
'90
'95
2000
2005
Network
Transparency
광통신망 발전 추세
Capacity / fiber(Gb/s)
1000
WDM노드
에 의한 광화
10G x 4
2.5G x 16
2.5G x 4
EDFA
10G
100
10
광
네트워크
10G x 16
40G x 4
40G
2.4G
고속인터넷
GII
1.6G
CATV
1
1990
1995
광액세스
2000
Year
2005
System Capacity (Gb/s)
전송기술 발전 추세
WDM
10G x 16, 500Km
100
10G x 8, 400Km
TDM
10G x 4, 400Km
10G x 2, 320Km
40Gb/s
2.5G x 8
20Gb/s
2.5G x 4
10Gb/s
2.5G x 2
10
2.5Gb/s
1
SDH
565Mb/s 155Mb/s
622Mb/s
1986
1990
1996
year
2000
Physical Layer • E-TDM(SDH/SONET) --> O-TDM
• WDM --> HD-WDM --> OFDM
Average Growth Rate(1986-1996)
• TDM: four times per 5 years
• WDM: 1.5 wavelengths per year
Enablers
• 광증폭기
• 고밀도 WDM 광필터
• 새로운 구조의 광섬유
• 고속 TDM
E-TDM: electrical time division multiplexing, HD-WDM: high-density wavelength division multiplexing
OFDM: optical frequency division multiplexing
회선분배기술 발전추세
Throughput(b/s)
100T
Transmission Line
.Optical XC/ADM
.Optical WDM/FDM
10T
1T
100G
10G
1G
Service Node
ATM XC
.STM
.6M-150M
Inter face
.ATM
52M XC .2.4-10G Interface
Path Layer •
SDH-DCS --> ATM-DCS --> OXC
•
ADM --> OADM
Enablers
• 광증폭기
• 파장변환소자
• 광스위치 소자
1.5M XC
384K XC
1980 1990
2000
2010
Year
DCS: digital cross-connect system, OXC: optical cross-connect, ADM: add-drop multiplexing
기가비트 전송기술
초고속화 (bit rates)
• 전기적 시분할다중
• 광학적 시분할다중
다채널화(channels)
• 파장분할다중
• 광주파수분할다중
예)
기가급 전송용량 확보
M (bit rates per channel) x
N (channels) = total transmission
capacity per fiber
for N=1, M=10G, 20G, 40G(ETDM, OTDM) <- single channel
for M=2.5G, N=4(10G WDM), 8(20G WDM), 16(40G WDM)
for M=10G, N=4(40G WDM), 8(80G WDM), 16(160G WDM)
현재 전송실험 결과는 ETDM으로 40G (NTT, 97년초)
OTDM으로 400G(NTT, 97년)
WDM으로 2.6T(다중채널수 132채널, 채널당 20Gb/s, NEC, 96년말)
다중화 방식
파장분할 다중화(WDM)
주파수분할 다중화(FDM)
시분할 다중화(TDM)
A
A
A
A
B
D
C
B
B
A
B
B
C
C
C
C
D
D
D
ETDM
LD
LD
LD
LD
D
LD
OTDM
PD
OTDM
ETDM
PD
PD
PD
PD
LD1
LD2
LD3
LD4
W
D
M
W
D
M
PD
PD
PD
PD
전송 링크(가입자, 국간)
DSF
30km
1
1
1
SMF
3km
1
1
External
modulator
Receiver
EDFA
N2
N1
10Gb/s
pattern
generator
NSC
Low frequency
modulation
DFB
laser
N3
feeder
PON
Optical
booster amplifier
External
modulator
CPN
10Gb/s
error
detector
home
terminal
N5
Optical
Pre amplifier
Receiver
Fiber
Optical
multiplexing
10Gb/s
pattern
generator
LEX
N4
Optical
In-liner amplifier
DSF: dispersion shifted fiber
SMF: single mode fiber
Optical
demultiplexing 10Gb/s
error
detector
광섬유의 특성
2.0
- MULTIPLE INFORMATION CHANNELS
- INCREASED NETWORK FUNCTIONALITIES
1.5
LOSS
1.0
(dB/km)
14,000
GHz
Fiber Loss around 1550nm
by ITU-T:
0.28dB/km
15,000
GHz
0.5
0
900
1100
1300
1500
WAVELENGTH (nm)
For 채널 간격 @ STM-64 =
0.8nm(100GHz)
1700
Available channels around 1500nm
= 15000/100 =150channels
Available channels around 1300nm
= 14000/100 = 140channels
광섬유 전송 제한 요인-1
광섬유 분산(dispersion) 특성
• 문제점
- 파장에 따른 빛의 전파 속도 차에 의해 펄스 퍼짐 유발
- 분산정도: SMF - 17ps/km.nm at 1550nm -> 거리에 따른 분산값 증가
- 고속신호(10Gb/s, 0.1ns) 전송시 인접 펄스간에 간섭 초래 -> 성능 저하
• 해결점
- 이론적으로 단색광 사용, 실제 중심파장폭이 좁은 광원 사용
- 외부변조기를 이용한 신호변조 방식 채택, 직접변조시 chirping에 의해
광원의 중심파장폭이 넓어짐
- 분산보상 방법 채택(DSF 사용, dispersion compensation fiber 사용,
soliton 전송 등)
광섬유 전송 제한 요인-2
광섬유 감쇠(attenuation) 특성
• 문제점
- 광섬유 도파에 따른 손실(1310nm에서 0.35dB/km, 1550nm에서 0.2dB /km)
• 해결점
- 광증폭기 사용
. 1310nm 근방에서 praseodymium-doped fiber amplifier(PDFA) 또는
neodymium-doped fiber amplifier(NDFA) 사용
. 1550nm 근방에서 erbium-doped fiber amplifier(EDFA) 사용(상용중)
- 3R(reshaping, regenerating, retiming) 재생중계기 사용
D(ps/km.nm)
광섬유 색분산 특성
20
Conventional SMF
True Wave TM
DSF
10
• 전세계에 포설된 광섬유는
대부분이 SMF임
• 일본은 DSF가 많이 깔려 있음
2
1.3
1.5
1.6
Slope
= 0.08 ps/km.nm2
Wavelength (mm)
• Non-zero dispersion fiber는
현재 고려중임
광섬유 전송 제한 요인-3
비선형 특성
• 광섬유의 좁은 면적에 고출력의 신호가 전파될 때 발생
refractive index(광섬유 굴절률)
: n~
2
2
n~ ( , E )  n( )  n2 E
n2 는 nonlinear-index coefficient
• 비선형 현상
- Self phase modulation
- Stimulated Brillouin scattering(광원의 파장폭이 좁을 수록 영향이 큼)
- Stmulated Raman scattering
- Four wave mixing(WDM 전송)
광증폭기(EDFA) 개요
Electrical DC Bias(battery)
Amplified
electrical signal
Weak
electrical signal
Optical DC Bias(pumping laser)
Weak
optical signal
Erbium-doped fiber
Transistor
Amplified
optical signal
Analog Electrical amplifier
Digital
logic circuit
Electrical 3R repeater
Analog Optical amplifier
Digital
logic circuit
(?)
Optical 3R repeater(?)
EDFA 특성
특성:
• 광신호의 특성, 변조방식, 대역폭 및 전송속도에 무관한 신호 증폭
• 광대역 이득(일반적으로 1530 - 1560nm 파장범위)
• 높은 소신호 이득(일반적으로 30dB 이상)
• 고출력(20dB 이상)
• 저잡음(3 - 6dB noise figure)
• 낮은 편광 이득
용도:
• Booster amplifier:
• In-line amplifier:
• Pre-amplifier:
power budget 또는 중계거리를 높이기 위해 광선로로
입사되는 신호를 크게 증폭시켜줌(최대값은
광섬유비선형특성에 의해 제한)
중계구간사이에서 bit rate transparent light
pipe 제공
직접검파 수신기의 수신감도 향상을 위해 저잡음으로
수신 광신호를 증폭
다채널 광증폭기
Er 이온이 첨가된 광섬유
WDM 커플러
입력광신호
출력광신호
채널1
채널2
채널n
채널1
채널2
채널n
채널1
광분리기
채널M
채널1
채널 파장(nm)
채널M
펌프
레이저
채널 파장(nm)
• 분산보상이 가능한 다채널 광증폭기 구현
• 넓은 파장대역에 걸친 균등한 증폭 이득 확보
EDFA 응용
TX
RX
G
G
G
In-Line
Amplifier
Power
Amplifier
PreAmplifier
Repeater spacing : 80km @ 10Gb/s single channel transmission
~ 60km @ 10Gb/s x 10channels multi-channel transmission
Tx
#1
#5
Rx
#N
광필터
Equivalent (NF)N = (NF)single + 10 log N
Cascaded amplifiers accumulate Amplified Spontaneous Emission Noise
-> performance degradaion
-> limitation in the number of cascaded amplifiers
광신호 검출
• Direct Detection:
- APD(수신감도: -25dBm @ 10Gb/s)
- Optical Preamp. + PIN(수신감도: -31dBm @ 10Gb/s)
• Coherent Detection:
- FSK mod. + Optical Discriminator + DD
- Homodyne or Heterodyne Detection
Requirements for ~40Gb/s ETDM
• Device Technology
- high speed & high frequency device (fT/fmax: 120~250GHz for
40 Gb/s)
• Circuit Technology
- multiple-feedback technique for baseband amp.
- narrow-band timing circuit
- multi-stage D-F/F for MUX & DMUX
- layout to avoid 3-dimensional distributed interconnection effect
• Package Technology (chip-size cavity package)
• Manufacturability (proces& material maturity), Reliabily (long MTTF,
high temperature endurability), Cost-Effectiveness, etc.
• Dispersion Tolerance (~2km at 40Gb/s on non-dispersion shifted fiber)
• Polarization Mode Dispersion Tolerance (< 100km at 40Gb/s NDSF)
• New Optical Fiber (larger bit rate distance product, large effective core area)
광전달망 구성
node
l1
node
l3
l2
OXC
l1
l2
l1
l1
OXC
l3
node
l2
1
l3
node
• 전송 용량의 증대
• 효율적인 통신망 구축
• 정보의 투명성 보장으로
다양한 이종 통신망 신호
수용
node
A
B
l3
(a)
l2
l1
l2
l1
C
A
l2
B
(b)
l1
C
파장변환 방식
 in
p
?
 out = F( p, in)
(a)
 in
C
O/E/O
 out =  trans
(a) 일반적인 파장변환기
(b) optoelectronic 파장변환기
(b)
 in
p
G
 out =  p
(c) optical gating 파장변환기
(d) wave-mixing 파장변환기
(c)
 in
p
 (n)
 out = (n-1) p- in
(d)
파장변환기의 기능블럭도
WDM망 운용 관리
• Transparent WDM networking layer
• Two-way design impact
- Network Element hardware design
- Network Management software design
• Managing a transparent WDM Network
- Performance monitoring
- Network configuration
- Fault recovery
• WDM management communication network
외국 기술 동향
연구기관
Fujitsu
발표처
OFC’96
채널 수
55
종속신호속도
20Gb/s
AT&T
NEC
NEC(*)
ECOC’96
OFC’97
25(편광다중)
132
63
20Gb/s
20Gb/s
20Gb/s
OFC’96
전송거리
150km
55km
120km
100km
광섬유
SMF
NZ-DSF
SMF
SMF
(*)NEC의 OFC’97 발표는 4Terabit 전송 시험의 가능성을 보인 것임
위의 결과는 실험실상에서의 전송실험 결과 보고임
40Gb/s ETDM 전송시험 현황
다중화 방식
송 신 기
NTT
ETDM
40Gb/s RZ
(LN Mod. / Mode-locked LD)
40Gb/s
직접 검출
300 km DSF
3-광중계기
OFC’97
Fujitsu
OTDM
20Gb/s RZ (LN Mod.)
2:1 광시분할다중
2 x 40Gb/s WDM
20Gb/s
광시분할역다중
667 km DSF
9-광중계기
IEICE
Spring
Conf. ‘97
Fujitsu
OTDM
20Gb/s RZ(LN Mod.)
2:1 광시분할다중
2 x 40Gb/s WDM
20Gb/s
광시분할역다중
100 km SMF
1-광중계기
OECC’97
Fujitsu
OTDM
20Gb/s RZ(LN Mod.)
2:1 광시분할다중
5 x 40Gb/s WDM
20Gb/s
광시분할역다중
105 km SMF
1-광중계기
ECOC’97
Nortel
OTDM
20Gb/s RZ(EA / LN Mod.)
2:1 광시분할다중
20Gb/s
광시분할역다중
160 km SMF
1-광중계기
OFC’97
HHI
OTDM
10Gb/s RZ(Mode-locked LD)
4:1 광시분할다중
10Gb/s
광시분할역다중
150 km SMF
OFC’97
주) RZ: Return-to-Zero
LD: Laser Diode
SMF: Single Mode Fiber
DSF: Dispersion Shifted Fiber
수 신 기
전송 링크
발표처
기관
LN Mod.: LiNbO3 Modulator
EA: Electro-Absorption
국내 기술 동향
시스템 개발
155Mb/s
565Mb/s
2.5Gb/s
10Gb/s
160Gb/s
방식
SDH
SDH
SDH
WDM
주요기능
종속신호
단국 ADM,
Ring
T1/E1
PDH
단국,
중계기
DS-3
사업적용
‘94
‘91
단국 ADM, 단국 ADM,
Ring
Ring
DS-3
155/622/
155/622
2.5G
‘96
‘98예정
단국 ADM,
Ring
2.5G/
10G
2001예정
기초/기반 기술(100Gb/s OTDM)
- 기능:
100Gb/s 신호 다중/역다중 및 동기신호 검출
점대점 전송방식에 따른 가격 비교
OC-12 OC-12
LTM 622Mb/s
OC-12 OC-12
LTM 622Mb/s
OC-12 OC-12
LTM 622Mb/s
4 x OC-12
WDM
= 2.5Gb/s
OC-48
LTM
OC-48
2.5Gb/s
OC-12 OC-12
LTM 622Mb/s
C1 = Cost of OC-12 LTM
Total Cost = 4C1 + optics
Total Cost = 2C1
• Optics 가격은 수요의 정도와 시간에 따라 큰 폭으로 감소
WJT - NFOEC’93
전달망 구성에 따른 가격 비교
OC-12
OC-48
2.5Gb/s
OC-48
ADM
OC-48
2.5Gb/s
OC-12
EDFA
4 x OC-12
= 2.5Gb/s
WDM
OC-12
WDM
OC-12
Drop + Add
622 Mb/s aggregate
C2 = Cost of OC-48 ADM
Total Cost = C2
OC-12
ADM
Total Cost = C2/2 + optics
WJT - NFOEC’93
4 x OC-12
= 2.5Gb/s
WDM VS. TDM
METRO Application
1.00
OC-192
OC-48
Cost
0.80
Short span distance < 90km
3R repeaters are not necessary
0.60
--> TDM solution more cost effective
0.40
Long-haul Application
0.20
1.00
0.00
3
5
7
9
Years
Limitation factors :
Amplifier tech. & 3R repeaters
11
0.80
13
Cost
1
0.60
0.40
0.20
OC-48 is more cost effective due to:
- elimination of chromatic dispersion
- low dependency of polarization mode dispersion 0.00
- operation at a much lower OSNR
1
Cost of WDM is almost 18% less than TDM
OC-192
OC-48
3
5
7
9
Years
11
13
Approachs for Gigabps Transmission
• 경제성이 있는 서비스 제공을 위해 대용량화 필요
• 동시에 망에서의 투명한 정보 전달이 필요함 - > 광기술 도입에 의한 대용량화 추구
• 복잡하고 다양한 광기술이 성숙되고 있으나 적용대상에 따른 기술적 선택이 요구됨
(시스템 성능 및 이에 따른 가격 차이)
• 새로운 부품에 대한 필요성과 survivability의 정확한 예측에 의한 시스템 기술 구현
Fixed Laser/Receiver
on ITU Grid
All Optical
Regenerators
Tunable Lasers
All Optical
Network
All Optical
Signal Processing
Grating Technologies
Circulators
Wavelength Routing/
Translators