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광대역 통합망을 위한 광전송 기술. 2009. 3. 25. 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 김철한. Outline. 광대역 통합망 (BcN) 광가입자망 (FTTH) 광통신 시스템 구성 일반 구성 요소 : 광섬유 , 광원 , 광수신기 주요 잡음원 : 감쇠 , 분산 , 비선형 , 누화 대용량 장거리 광전송망 요약. 건설. 레저. 환경 / 의료. 교통. 교육. 금융. 차세대 통합 네트워크. 농수산업. 물류 / 유통. 다양한 접속. 융합형 서비스. 고품질 서비스.
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광대역 통합망을 위한 광전송 기술 2009. 3. 25. 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 김철한
Outline • 광대역 통합망 (BcN) • 광가입자망 (FTTH) • 광통신 시스템 구성 일반 • 구성 요소: 광섬유, 광원, 광수신기 • 주요 잡음원: 감쇠, 분산, 비선형, 누화 • 대용량 장거리 광전송망 • 요약
건설 레저 환경/의료 교통 교육 금융 차세대 통합 네트워크 농수산업 물류/유통 다양한 접속 융합형 서비스 고품질 서비스 유/무선 통합 통신/방송 융합 음성/데이터 통합 IPv6 Security Open API QoS Broadband 홈 네트워크 Information + Entertainment + Commercial + Content + etc 융합형 정보 단말/가전 미래 통합망의 비전 MIC2003
Network Evolution • Single service networks • Circuit switched network • Intelligence in circuit switch • Wired/wireless telephony service • Multi-service networks • Packet switched network • Intelligence in router, server • Multi-service via wired/wireless access
BcN 구현을 위한 핵심 요소 기술 MIC2003
Transport Network: Local to Long-Haul Central Office Edge ROADM (future) Any Service IOF ROADM Any Service Any Service Central Office Regional & Long Haul Access Metro Courtesy of AT&T
Access Environments • Change in the market • 전화/인터넷 서비스 시장의 포화 • 새로운 시장 개척의 필요성 (통방, 유무선 번들 서비스) • 시장 경쟁 가속화-전화, TV, 위성 사업자 • Change in user’s life style • PC 사용의 생활화 - >멀티미디어 서비스에 친숙 • 인터넷의 확산 -> 네트워크에 친숙 • 홈페이지, E-mail, 정보검색, 네트워크 게임 등의 활성화 • Change in demands • Always on, always available information on-demand • 빠른 데이터 액세스 요구 • Data, Voice 및 Video의 통합
Bandwidth Demand * symmetric bandwidth is required
BcN 목표 MIC2003
초광대역통합망 (UBcN) 구축 세부목표 방송통신위원회 2009
유선 전송 매질 • Twisted Pair (Telephone Line) • 52 Mb/s up to 300 m using vDSL • 100 Mb/s Ethernet using CAT-5 • 1 Gb/s using CAT-5e • Coaxial Cable • Higher data rates and longer distances compared to twisted pairs
WhyFTTH? (Fiber vs. Copper) • A single copper pair is capableof carrying 6 phone calls • A single fiber pair is capable ofcarrying over2.5 millionsimultaneous phone calls(64 channels at 2.5 Gb/s) • A fiber optic cable with the sameinformation-carrying capacity (bandwidth) as a comparable copper cable is less than 1% of both the size and weight Source: Corning Incorporated
FTTH Architectures ONU 1 ONU 2 Point-to-Point (Home Run) ONU 3 CO ONU 4 ONU N ONU 1 Passive RN ONU 2 Passive Optical Network (PON) ONU 3 CO ONU 4 ONU N
Time division multiple access v 2 Low security u Limited bandwidth u Low link budget u Protocol dependency u Low cost u 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 1 1 2 3 4 High security u Unlimited bandwidth u High link budget u Protocol transparency u Medium cost ( Low cost source is required ) u TDM-PON vs. WDM-PON ONU #1 1 ONU #2 2 2 ONU #3 CO 3 1 2 3 4 time 3 4 Passive optical power splitter ONU #4 4 ONU #N ONU #2 Wavelength division multiple access v ONU #1 CO ONU #3 l Passive WDM router ONU #4 ONU #N
Interoperability Protocol transparent Physical layer security Security Dedicated bandwidth QoS assurance Unlimited bandwidth Future upgrade plan Cost effective Low OPEX Advantages of WDM Technology
FTTH BASED ON WDM-PON Journal of Lightwave Technology, pp.2582-2591, 2004
광통신 역사 In 1970s, development of optical fiber by Bell lab and Corning Glass. : Loss 20 dB/km (Today 0.3 dB/km) • 1970s: Development of optical fibers, semiconductor light sources & photodetectors • 1980s: Very low loss single mode fibers in the 1100-1600 nm. • 1990s: Optical amplifiers (e.g. EDFA), WDM (wavelength division multiplexing) Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGraw-Hill, 2000
주요 광소자 특징 Optical fiber Light sources • Optical amplifiers Photodetectors Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGraw-Hill, 2000
광섬유 • 코어 (Core) • 클래딩 보다 굴절률이 높음 (굴절률 n = c/v) • 클래딩 (Cladding) • 코어 보호 • 적절한 굴절률 차이 제공
z=0 z=L Attenuation z=0 z=L Dispersion 광링크에서의 신호 열화
광신호 감쇠 원인 • 광섬유 감쇠원 • 산란 (scattering) • 흡수 (absorption) Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGraw-Hill, 2000
점-대-점(P-t-P) 링크 설계 Main concern is extending the transmission distance (“reach”) - Attenuation (power budget) and - Dispersion (rise-time budget)
광원 LED LD (Laser Diode) • 광원 성능 • 출력 파워 (output power) • 선폭 (linewidth) • SMSR (side mode suppression ratio)
- + + - n- p+ n+ 광수신기 (PD) E • Photo Diode = LED • LED: forward bias • PD: reverse bias
수신감도 (Receiver Sensitivity) - Power required for specified BER or SNR - Noise power increases as BW (data rate) - More signal power required Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGraw-Hill, 2000
광 파워 설계 (Power Budget) Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGraw-Hill, 2000
비선형 현상의 종류 • Kerr Effect • Self-Phase Modulation (SPM) • Cross-Phase Modulation (XPM) • Four-Wave Mixing (FWM) • Scattering Effect • Stimulated Raman Scattering (SRS) • Stimulated Brillouin Scattering (SBS)
BLS based Optical Sources Wavelength Splitter Spectrum Slice Low cost Semiconductor Device Broadband Light Source Only one BLS can support a number of subscribers with only one wavelength router
MOD2 MODN MOD1 Rx 1 Rx N Rx 2 ONU 1 ONU N Rx 1 Rx N Rx 2 ONU 2 Tx N Tx 2 Tx 1 … … BLS-based WDM PON Architecture BLS AWG AWG AWG Modulated downstream RN CO Modulated upstream • Broadband Light Sources (BLSs) • LED • ASE from EDFA or SOA SOA: semiconductor optical amplifier ASE: amplified spontaneous emission
Rx 1 Rx 2 Tx 2 Tx 1 Tx N Rx N ONU N ONU 1 ONU 2 Tx 2 Tx N Tx 1 Rx 2 Rx 1 Rx N … … BLS-based WDM PON Architecture BLS 1 BLS 2 AWG AWG Modulated downstream RN CO Modulated upstream • Colorless Transmitters (Modulator + Amplifier) • Wavelength-Locked FP-LD • RSOA (Reflective SOA)
Measured Optical Spectra • equivalent optical BW • spectrum-sliced ASE source 0.7 nm • FP-LD 0.3 nm
directly-modulated, wavelength-locked FP-LD EAM-modulated, spectrum-sliced ASE Power Penalty (dB) Transmission Distance (km) Dispersion-Induced Penalty (1.25 Gb/s signal transmission) (Ref. K. H. Han et al., PTL, Oct. 2004)
Effects of Crosstalk in BLS based WDM PONs BLS Colorless Source Rx
Electrical Eye Diagrams (Pin = -20 dBm) 500 ps/DIV without Xtalk Xtalk Ratio = -10 dB Xtalk Ratio = -5 dB
Summary • 광대역 통합망을 위한 광전송망 • 광가입자망(FTTH) • 장거리광전송망 (WDM, OXC, etc) • 주요 광소자 • 광섬유, 광원, 광수신기, 광증폭기, AWG • 주요 잡음원 • 감쇠, 분산, 비선형, 누화
Optical Transport System 1 0 1 1 SMOT-16 SMOT-16 Signal = Car Fiber = Highway
High Capacity Transport 답은 간단! 선로를 계속 포설하고, 장비고 계속 구매하는 거야… 비경제적인 답! 돈도 많이 들고, 시간도 많이 걸리고….
TDM Approach 10G or 40G TDM system SMOT-16 SMOT-16 High-speed TDM은 차의 모양을 불안정하게 바꾸어야 해…. 걱정되는군… 40G car 10G car