Fiber-Optic Communication Systems

567 Pages·2007·5.77 MB·English

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
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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