멀티 레벨 광 전송에서 비선형 제어를 위한 스펙트럼 분리형 디지털 사전왜곡 기법 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 몇 년간 데이터 요구량이 폭증함에 따라 수동 광 가입자망 및 데이터 센터 인터커넥트와 같은 단거리 광 통신에서 이를 수용하기 위해 넓은 대역폭을 요구하고 있다. 게다가, 대역폭을 사용하는데 제한이 있어서 멀티 레벨 기반 대역폭 효율적인 신호 변조 방식 또한 요구된다. 하지만, 멀티 레벨 기반 변조 방식을 사용할 경우 LD, RF 증폭기, PD와 같은 능동소자들로 인해 비선형적인 왜곡을 겪을 수 있다. 그래서 이러한 변조 방식을 사용할 경우 비선형적인 왜곡을 보상하기 위해 디지털 사전왜곡(DPD : Digital Pre-Distortion) 방식을 주로 이용하고 있다. 가장 대표적인 DPD로는 Volterra series를 이용하는 것인데 이는 너무 복잡하여 Memory Polynomial 모델을 주로 사용한다. 실제 능동 소자에서 발생하는 비선형 왜곡은 입력되는 신호의 주파수에 따라 다른 특징이 있다. 앞서 소개한 Volterra series 및 Memory Polynomial을 이용한 사전왜곡 방식은 주파수에 따라 달라지는 비선형 특징을 추정하는 것에 중점을 두고 있지 않아서 소자의 비선형성이 변하는 정도가 심해질수록 DPD의 성능이 저하 될 수밖에 없다. 본 논문에서는 이러한 주파수에 의존적인 비선형 왜곡을 완화하기 위해서 스펙트럼 분리형 디지털 사전왜곡(SS-DPD : Spectrum-Split Digital Pre-Distortion)을 제안하였다. SS-DPD는 신호 스펙트럼의 영역을 나누어 각영역에 대한 비선형을 추정하기 때문에 기존의 DPD 방식보다 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 이를 실험적으로 검증하기 위해 5 Gb/s의 PAM-4 신호를 직접 변조 레이저를 이용해 전송하였고 주파수가 다른 단일 톤들을 전송하여 설정한 실험 환경에서 주파수에 따라 달라지는 비선형 특성을 확인하였다. 그 후, Volterra series, Memory Polynomial, 그리고 2개의 스펙트럼 부분을 이용하는 SS-DPD를 이용하여 사전 왜곡된 PAM-4 신호의 BER 성능을 측정하였고 각각 –8.5 dBm, - 7.8 dBm, -9 dBm의 수신 광 전력에서 FEC limit을 만족하여 SS-DPD가 가장 좋은 성능을 나타내었다. 또한, 더 넓은 대역폭을 가지는 신호에 대해서 제안 기법의 유효성을 검증하기 위해 20 Gb/s PAM-4 신호에 대해서 실험 설정과 유사한 채널을 구현한 시뮬레이션을 진행하였다. 먼저 실험을 통해 SS-DPD가 기존의 DPD보다 비선형성에 대해서 더욱 정확한 추정이 가능하다는 것을 검증하였고 시뮬레이션 결과에서는 15개의 메모리 탭 수의 MP-DPD보다 5개의 메모리 탭 수의 SS-DPD를 비교하여 동일한 복잡도에서도 더 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 그리고 11개의 메모리 탭 수의 Volterra-DPD가 가장 좋은 성능을 보였지만 5개의 탭 수의 SS-DPD 보다 30배 이상 복잡하고 동일한 복잡도에서 비교할 경우 Volterra-DPD의 성능이 가장 낮았다. 게다가, 3개의 스펙트럼 부분을 사용하는 SS-DPD에 대해서도 성능을 비교한 결과 2개를 사용한 경우보다 성능이 개선됨을 확인함으로써 많은 수의 스펙트럼 부분을 사용할 경우 성능이 더욱 개선되는 것을 검증하였다. 그러므로, 넓은 대역폭의 신호에서도 SS-DPD가 유효한 성능을 보이며, 성능 및 복잡도를 고려하였을 때 가장 효율적인 DPD로 사용될 수 있다. 이러한 결과를 통해 차세대 광 가입자망 및 데이터 센터 인터커넥트에서 사용되는 신호의 대역폭이 급증함에 따라 야기되는 비선형을 해결하기 위해서 제안된 기법인 SS-DPD가 효율적으로사용될 수 있을 것을 기대한다.