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다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ultra-dense (UD) wavelength-division multiplexing (WDM) with less than 25 GHz channel-spacing is a convenient method to upgrade conventional WDM optical fiber networks with minor additional investments. To implement UD-WDM systems, UD-WDM channels must be aligned and then stabilized very accurately. However, the use of an accurate wavelength locker for each UD-WDM channel will increase the cost greatly. Thus, in this thesis, we propose a beat-frequency locking (BFL) method to align UD-WDM channels within UD-WDM networks without the use of wavelength lockers and study the transmission properties of UD-WDM channels based on this method.
We align nine UD-WDM channels in 12.5 GHz channel spacing within ±200 MHz errors using the beat-frequency signals between the channels generated after an optical detection. Then, 12.5 GHz-spaced 128 UD-WDM channels are aligned within ±100 MHz using the improved BFL method adopting a tunable laser source. Also, we align 25 GHz-spaced 64 UD-WDM channels located in a remote node within ±100 MHz using the improved BFL method. These channels are transmitted over a standard single-mode fiber (SMF) of 160 km to a central node (CN). When the BFL method is applied between different nodes, we may synchronize the channel frequencies of whole UD-WDM network nodes quite easily.
We measure the spectral efficiencies (SEs) of the channel-interleaved (CI) bidirectional and the unidirectional UD-WDM transmissions changing the channel spacing very accurately in 500 MHz step using the BFL method. When the Reed-Solomon code (RSC) based forward-error correction (FEC) with 7% of redundancy is used, the SEs can be as high as 0.91 and 0.87 bit/s/Hz, about 1.3 and 1.4 times larger than the 10 Gbit/s case, respectively, for the 160 km CI-bidirectional and the 320 km unidirectional transmissions, respectively.
The foregoing 128 UD-WDM channels are also used for the transmissions over an SMF of 160 km for both CI-bidirectional and unidirectional applications. In the 12.5 GHz-based CI-bidirectional UD-WDM transmission, we align two groups of the 25 GHz-spaced 64 UD-WDM channels within ±100 MHz using the BFL method and perform a 1.28 Tbit/s (2 x 64 x 10 Gbit/s) CI-bidirectional transmission. The bit-error rates (BERs) for all channels are less than 10-12, and the power penalties are about 1 dB at BER = 10-10. In the unidirectional UD-WDM transmission, we align 12.5 GHz-spaced 128 UD-WDM channels within ±100 MHz using the BFL method and perform a 1.28 Tbit/s (128 x 10.7 Gbit/s) transmission over an SMF of 160 km. The measured Q-factor values are larger than the RSC based FEC threshold at 11.4 dB.
We perform a unidirectional UD-WDM long-haul transmission. We align 12.5 GHz-spaced 100 UD-WDM channels within ±100 MHz using the BFL method and perform a 1 Tbit/s (100 x 12.4 Gbit/s) transmission with the SE of 0.8 bit/s/Hz over an SMF of 1200 km. All the UD-WDM channels are successfully transmitted and received using the block-turbo code (BTC) based FEC which is robust to non-Gaussian noises such as channel cross-talks.
We demonstrate the alignment of 50 GHz-spaced 20 dense-WDM channels, 1680 km away from CN, within ±100 MHz performing a 200 Gbit/s (20 x 12.4 Gbit/s) transmission over an SMF of 1680 km using the BTC based FEC. In all experiments, we use conventional-band erbium-doped fiber amplifiers, SMFs and the non-return-to-zero modulation format to illustrate the upgradability of conventional WDM networks.
Finally, we propose some possible UD-WDM network nodes using either arrayed-waveguide gratings or fiber-Bragg gratings.

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국문 초록 (Abstract)

채널간격이 25 GHz 이하인 초고밀도 파장분할다중화는 소규모의 추가 투자로 기존의 파장분할다중화 네트워크를 향상시킬 수 있는 좋은 해결책이다. 그 초고밀도 파장분할다중화 시스템을 구현하기 위해서는 매우 정밀한 광채널 정렬 및 안정화가 요구된다. 그러나, 정밀한 파장고정기 (wavelength locker)를 사용하기에는 많은 비용이 소요될 것이다. 이에 본 논문에서는 파장고정기 없이 초고밀도 파장분할다중화 네트워크의 광채널들을 정렬할 수 있는 비트주파수 고정 (BFL: beat-frequency locking) 방법을 제안하고, 이 정렬 방법을 기반으로 하는 다양한 초고밀도 파장분할다중화 광통신 네트워크를 구현하고 그 광채널들의 전송특성을 연구하였다.
먼저 정렬실험에서, 12.5 GHz 채널간격의 초고밀도 파장분할다중화 광채널들 간의 비트주파수 신호를 이용하여 9 광채널들을 ±200 MHz 이내로 채널주파수를 정렬시켰다. 진보한 정렬방법으로 파장가변 광원과 초고밀도 파장분할다중화 광채널들 간의 두 개의 가장 낮은 비트주파수 신호들을 이용한 BFL 방법을 이용하여 12.5 GHz의 채널간격을 갖는 128 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 ±100 MHz 이내로 매우 정밀하게 정렬시켰다. 또한 그 진보한 BFL 방법을 이용하여 160 km 떨어진 원격노드의 25 GHz 채널간격을 갖는 64 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 ±100 MHz 이내로 매우 정밀하게 정렬시켰다. 그 원격노드의 정렬된 채널들을 단일모드 광섬유 160 km를 통해 중심노드로 전송시켰다. 만약 그 BFL 방법을 모든 노드에 적용한다면, 쉽게 전체 초고밀도 파장분할다중화 네트워크의 모든 채널들을 파장동기화 시킬 수 있을 것이다.
두 번째 대역효율 측정실험에서, 20 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 500 MHz 스텝의 채널간격별로 정렬하여 양방향과 단방향의 전송거리별 대역효율을 측정하였다. 7%의 보정치를 갖는 Reed-Solomon 코드의 순방향 오류정정 (FEC: forward-error correction) 기술을 적용한 채널교차된 양방향 160 km와 단방향 320 km 전송에서 대역효율이 각각 0.91과 0.87이었고, 10 Gbit/s의 경우와 비교하여 각각 약 30%와 40% 만큼 향상되었다.
세 번째 전송실험에서, 25 GHz의 채널간격을 갖는 두개의 64 광채널 그룹을 12.5 GHz로 엇갈려서 배열하고 BFL 방법을 이용하여 그 128 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 ±100 MHz 이내로 정렬시키고, 단일모드 광섬유 160 km를 통한 1.28 Tbit/s (2 x 64 x 10 Gbit/s) 채널교차된 양방향 전송실험을 수행하였다. 전체 채널들은 비트 에러율이 10-12 이하였고, 비트 에러율이 10-10에서 전송 파워페널티는 약 1 dB이었다. 12.5 GHz의 채널간격을 갖는 128 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 BFL 방법을 이용하여 ±100 MHz 이내로 정렬시키고, 단일모드 광섬유 160 km를 통한 1.28 Tbit/s (128 x 10.7 Gbit/s) 단방향 전송실험을 수행하였다. Reed-Solomon 코드의 FEC 기술을 적용하여 성능지수 (Q-factor)가 11.4 dB 이상으로 모든 채널들이 에러 없이 전송되었다.
한편, 장거리 전송실험에서, 100 초고밀도 파장분할다중화 광채널들을 ±100 MHz 이내로 정렬하여 1200 km의 단일모드 광섬유를 통한 0.8 bit/s/Hz의 대역효율을 갖는 1 Tbit/s (100 x 12.4 Gbit/s) 전송을 수행하였다. 비 가우시안 잡음에 강한 Block-turbo 코드의 FEC 기술을 적용하여 모든 채널들이 에러 없이 전송되었다. 또한, 1680 km 떨어진 원격노드의 50 GHz의 채널간격을 갖는 20 고밀도 파장분할다중화 광채널들을 ±100 MHz 이내로 정렬하고, Block-turbo 코드의 FEC 기술을 적용하여 1680 km의 단일모드 광섬유를 통해 200 Gbit/s (20 x 12.4 Gbit/s) 전송을 수행하였다. 모든 실험에서 기존의 파장분할다중화 시스템을 초고밀도 파장분할다중화 시스템으로 향상시키기 위하여 보편적인 광섬유증폭기 (EDFA: erbium- doped fiber amplifier)와 단일모드 광섬유 및 NRZ (non-return-to-zero) 변조 방식을 이용하였다.
끝으로 배열격자도파로 (AWG: arrayed-waveguide grating) 혹은 광섬유격자 (FBG: fiber-Bragg grating)로 구성한 초고밀도 파장분할다중화 네트워크의 일반노드를 제안하였다.

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채널간격이 25 GHz 이하인 초고밀도 파장분할다중화는 소규모의 추가 투자로 기존의 파장분할다중화 네트워크를 향상시킬 수 있는 좋은 해결책이다. 그 초고밀도 파장분할다중화 시스템을 ...

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