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Fiber-Optic Communication Systems PDF

567 Pages·2007·5.77 MB·English
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Fiber-Optic Communication Systems Third Edition GOVIND E?A GRAWAL The Institute of Optics University of Rochester Rochester:N Y 623 WILEY- INTERSCIENCE A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION Designationsusedbycompaniestodistinguishtheirproductsareoften claimedastrademarks.InallinstanceswhereJohnWiley&Sons,Inc.,is awareofaclaim,theproductnamesappearininitialcapitalorALL CAPITALLETTERS.Readers,however,shouldcontacttheappropriate companiesformorecompleteinformationregardingtrademarksand registration. Copyright2002byJohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved. Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedinaretrievalsystem ortransmittedinanyformorbyanymeans,electronicormechanical, includinguploading,downloading,printing,decompiling,recordingor otherwise,exceptaspermittedunderSections107or108ofthe1976 UnitedStatesCopyrightAct,withoutthepriorwrittenpermissionofthe Publisher.RequeststothePublisherforpermissionshouldbeaddressedto thePermissionsDepartment,JohnWiley&Sons,Inc.,605ThirdAvenue, NewYork,NY10158-0012,(212)850-6011,fax(212)850-6008, E-Mail:PERMREQ@WILEY.COM. Thispublicationisdesignedtoprovideaccurateandauthoritative informationinregardtothesubjectmattercovered.Itissoldwiththe understandingthatthepublisherisnotengagedinrenderingprofessional services.Ifprofessionaladviceorotherexpertassistanceisrequired,the servicesofacompetentprofessionalpersonshouldbesought. ISBN0-471-22114-7 ThistitleisalsoavailableinprintasISBN0-471-21571-6. FormoreinformationaboutWileyproducts,visitourwebsiteat www.Wiley.com. For My Parents Contents Preface xv 1 Introduction 1 1.1 HistoricalPerspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 NeedforFiber-OpticCommunications . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 EvolutionofLightwaveSystems . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 BasicConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 AnalogandDigitalSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 ChannelMultiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3 ModulationFormats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 OpticalCommunicationSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 LightwaveSystemComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.1 OpticalFibersasaCommunicationChannel. . . . . . . . . . 17 1.4.2 OpticalTransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.3 OpticalReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 OpticalFibers 23 2.1 Geometrical-OpticsDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.1 Step-IndexFibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.2 Graded-IndexFibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2 WavePropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.1 Maxwell’sEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.2 FiberModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.3 Single-ModeFibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3 DispersioninSingle-ModeFibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.1 Group-VelocityDispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.2 MaterialDispersion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.3 WaveguideDispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.4 Higher-OrderDispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.5 Polarization-ModeDispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.4 Dispersion-InducedLimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4.1 BasicPropagationEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 vii viii CONTENTS 2.4.2 ChirpedGaussianPulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.3 LimitationsontheBitRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4.4 FiberBandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.5 FiberLosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5.1 AttenuationCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5.2 MaterialAbsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.5.3 RayleighScattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.4 WaveguideImperfections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.6 NonlinearOpticalEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.6.1 StimulatedLightScattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.6.2 NonlinearPhaseModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.6.3 Four-WaveMixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.7 FiberManufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.7.1 DesignIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.7.2 FabricationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.7.3 CablesandConnectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3 OpticalTransmitters 77 3.1 BasicConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.1.1 EmissionandAbsorptionRates . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.1.2 p–nJunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.1.3 NonradiativeRecombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.1.4 SemiconductorMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.2 Light-EmittingDiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.1 Power–CurrentCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.2 LEDSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.3 ModulationResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.4 LEDStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3 SemiconductorLasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.1 OpticalGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.2 FeedbackandLaserThreshold . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.3 LaserStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4 ControlofLongitudinalModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.4.1 DistributedFeedbackLasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4.2 Coupled-CavitySemiconductorLasers . . . . . . . . . . . . 102 3.4.3 TunableSemiconductorLasers . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.4.4 Vertical-CavitySurface-EmittingLasers . . . . . . . . . . . . 105 3.5 LaserCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1 CWCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.5.2 Small-SignalModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.5.3 Large-SignalModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.5.4 RelativeIntensityNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.5.5 SpectralLinewidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.6 TransmitterDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 CONTENTS ix 3.6.1 Source–FiberCoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.6.2 DrivingCircuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.6.3 OpticalModulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.6.4 OptoelectronicIntegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.6.5 ReliabilityandPackaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4 OpticalReceivers 133 4.1 BasicConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.1.1 DetectorResponsivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.1.2 RiseTimeandBandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.2 CommonPhotodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.2.1 p–nPhotodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.2.2 p–i–nPhotodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.2.3 AvalanchePhotodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.2.4 MSMPhotodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.3 ReceiverDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.3.1 FrontEnd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.3.2 LinearChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.3.3 DecisionCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.3.4 IntegratedReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.4 ReceiverNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.4.1 NoiseMechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 4.4.2 p–i–nReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 4.4.3 APDReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.5 ReceiverSensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.5.1 Bit-ErrorRate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.5.2 MinimumReceivedPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.5.3 QuantumLimitofPhotodetection . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.6 SensitivityDegradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.6.1 ExtinctionRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.6.2 IntensityNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.6.3 TimingJitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.7 ReceiverPerformance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5 LightwaveSystems 183 5.1 SystemArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.1.1 Point-to-PointLinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.1.2 DistributionNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5.1.3 Local-AreaNetworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2 DesignGuidelines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.2.1 Loss-LimitedLightwaveSystems . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.2.2 Dispersion-LimitedLightwaveSystems . . . . . . . . . . . . 190

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