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2010-06-15, 12:53 PM
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Contents
Preface xv
1 Introduction 1
1.1 Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Need for Fiber-Optic Communications . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Evolution of Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Analog and Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Channel Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Optical Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Lightwave System Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Optical Fibers as a Communication Channel . . . . . . . . . . 17
1.4.2 Optical Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.3 Optical Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Optical Fibers 23
2.1 Geometrical-Optics Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Graded-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Wave Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Fiber Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Dispersion in Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Group-Velocity Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Material Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Higher-Order Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.5 Polarization-Mode Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 Dispersion-Induced Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.1 Basic Propagation Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii
viii CONTENTS
2.4.2 Chirped Gaussian Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3 Limitations on the Bit Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4 Fiber Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Fiber Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.1 Attenuation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.2 Material Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.3 Rayleigh Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.4 Waveguide Imperfections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6 Nonlinear Optical Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.1 Stimulated Light Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.2 Nonlinear Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.3 Four-Wave Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7 Fiber Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.1 Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.2 Fabrication Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.7.3 Cables and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 Optical Transmitters 77
3.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.1 Emission and Absorption Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.2 p–n Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.3 Nonradiative Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.4 Semiconductor Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2 Light-Emitting Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.1 Power–Current Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2 LED Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.3 Modulation Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.4 LED Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3 Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3.1 Optical Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3.2 Feedback and Laser Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.3 Laser Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4 Control of Longitudinal Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.1 Distributed Feedback Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2 Coupled-Cavity Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . 102
3.4.3 Tunable Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.4 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers . . . . . . . . . . . . 105
3.5 Laser Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.1 CW Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.2 Small-Signal Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5.3 Large-Signal Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.4 Relative Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.5 Spectral Linewidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.6 Transmitter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
CONTENTS ix
3.6.1 Source–Fiber Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6.2 Driving Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6.3 Optical Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.6.4 Optoelectronic Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.6.5 Reliability and Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4 Optical Receivers 133
4.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.1 Detector Responsivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.2 Rise Time and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2 Common Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.2.1 p–n Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2.2 p–i–n Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.2.3 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2.4 MSM Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3 Receiver Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.1 Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.2 Linear Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.3.3 Decision Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.3.4 Integrated Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4 Receiver Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.4.1 Noise Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.4.2 p–i–n Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4.3 APD Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5 Receiver Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.1 Bit-Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.2 Minimum Received Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.5.3 Quantum Limit of Photodetection . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.6 Sensitivity Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.6.1 Extinction Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.6.2 Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.6.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.7 Receiver Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Lightwave Systems 183
5.1 System Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1.1 Point-to-Point Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1.2 Distribution Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.1.3 Local-Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.2 Design Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.2.1 Loss-Limited Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.2 Dispersion-Limited Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . 190
x CONTENTS
5.2.3 Power Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.2.4 Rise-Time Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.3 Long-Haul Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.3.1 Performance-Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.3.2 Terrestrial Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.3.3 Undersea Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.4 Sources of Power Penalty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.1 Modal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.2 Dispersive Pulse Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.4.3 Mode-Partition Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.4.4 Frequency Chirping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.4.5 Reflection Feedback and Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.5 Computer-Aided Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6 Optical Amplifiers 226
6.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.1.1 Gain Spectrum and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.1.2 Gain Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.1.3 Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.1.4 Amplifier Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.2 Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2.1 Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2.2 Amplifier Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.2.3 Pulse Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.2.4 System Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.3 Raman Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.1 Raman Gain and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.2 Amplifier Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.3.3 Amplifier Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.4 Erbium-Doped Fiber Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.4.1 Pumping Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.4.2 Gain Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.4.3 Simple Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.4.4 Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
6.4.5 Multichannel Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.4.6 Distributed-Gain Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.5 System Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.5.1 Optical Preamplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.5.2 Noise Accumulation in Long-Haul Systems . . . . . . . . . . 264
6.5.3 ASE-Induced Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.5.4 Accumulated Dispersive and Nonlinear Effects . . . . . . . . 269
6.5.5 WDM-Related Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
CONTENTS xi
7 Dispersion Management 279
7.1 Need for Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2 Precompensation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.2.1 Prechirp Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.2.2 Novel Coding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.2.3 Nonlinear Prechirp Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.3 Postcompensation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.4 Dispersion-Compensating Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.5 Optical Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.6 Fiber Bragg Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.6.1 Uniform-Period Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.6.2 Chirped Fiber Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
7.6.3 Chirped Mode Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
7.7 Optical Phase Conjugation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.7.1 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.7.2 Compensation of Self-Phase Modulation . . . . . . . . . . . 301
7.7.3 Phase-Conjugated Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
7.8 Long-Haul Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.8.1 Periodic Dispersion Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.8.2 Simple Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.8.3 Intrachannel Nonlinear Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
7.9 High-Capacity Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.9.1 Broadband Dispersion Compensation . . . . . . . . . . . . . 311
7.9.2 Tunable Dispersion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . 313
7.9.3 Higher-Order Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . 315
7.9.4 PMD Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8 Multichannel Systems 330
8.1 WDM Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.1.1 High-Capacity Point-to-Point Links . . . . . . . . . . . . . . 331
8.1.2 Wide-Area and Metro-Area Networks . . . . . . . . . . . . . 334
8.1.3 Multiple-Access WDM Networks . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.2 WDM Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.2.1 Tunable Optical Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.2.2 Multiplexers and Demultiplexers . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.2.3 Add–Drop Multiplexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
8.2.4 Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
8.2.5 Wavelength Routers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.2.6 Optical Cross-Connects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8.2.7 Wavelength Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
8.2.8 WDM Transmitters and Receivers . . . . . . . . . . . . . . . 360
8.3 System Performance Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.3.1 Heterowavelength Linear Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . 363
8.3.2 Homowavelength Linear Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . 365
xii CONTENTS
8.3.3 Nonlinear Raman Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
8.3.4 Stimulated Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 369
8.3.5 Cross-Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
8.3.6 Four-Wave Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.3.7 Other Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
8.4 Time-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.4.1 Channel Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.4.2 Channel Demultiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
8.4.3 System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
8.5 Subcarrier Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
8.5.1 Analog SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.5.2 Digital SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.5.3 Multiwavelength SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 386
8.6 Code-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.6.1 Direct-Sequence Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.6.2 Spectral Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
9 Soliton Systems 404
9.1 Fiber Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
9.1.1 Nonlinear Schr¨odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 405
9.1.2 Bright Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
9.1.3 Dark Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.2 Soliton-Based Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
9.2.1 Information Transmission with Solitons . . . . . . . . . . . . 411
9.2.2 Soliton Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
9.2.3 Frequency Chirp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.2.4 Soliton Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
9.3 Loss-Managed Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
9.3.1 Loss-Induced Soliton Broadening . . . . . . . . . . . . . . . 418
9.3.2 Lumped Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
9.3.3 Distributed Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.3.4 Experimental Progress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
9.4 Dispersion-Managed Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
9.4.1 Dispersion-Decreasing Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
9.4.2 Periodic Dispersion Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9.4.3 Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
9.5 Impact of Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
9.5.1 Moment Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
9.5.2 Energy and Frequency Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . 437
9.5.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
9.5.4 Control of Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.6 High-Speed Soliton Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
9.6.1 System Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
9.6.2 Soliton Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
CONTENTS xiii
9.6.3 Impact of Higher-Order Effects . . . . . . . . . . . . . . . . 450
9.6.4 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
9.7 WDM Soliton Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.7.1 Interchannel Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.7.2 Effect of Lumped Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.7.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.7.4 Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
10 Coherent Lightwave Systems 478
10.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
10.1.1 Local Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
10.1.2 Homodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.1.3 Heterodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.1.4 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
10.2 Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
10.2.1 ASK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
10.2.2 PSK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
10.2.3 FSK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
10.3 Demodulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
10.3.1 Heterodyne Synchronous Demodulation . . . . . . . . . . . . 488
10.3.2 Heterodyne Asynchronous Demodulation . . . . . . . . . . . 488
10.4 Bit-Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
10.4.1 Synchronous ASK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
10.4.2 Synchronous PSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10.4.3 Synchronous FSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
10.4.4 Asynchronous ASK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
10.4.5 Asynchronous FSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.4.6 Asynchronous DPSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.5 Sensitivity Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.5.1 Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
10.5.2 Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
10.5.3 Polarization Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
10.5.4 Fiber Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
10.5.5 Other Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
10.6 System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
10.6.1 Asynchronous Heterodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . 507
10.6.2 Synchronous Heterodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.6.3 Homodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.6.4 Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
A System of Units 518
xiv CONTENTS
B Acronyms 520
C General Formula for Pulse Broadening 524
D Ultimate System Capacity 527
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
E Software Package 529
9279
9280
Do not forget):=> Reputation and Thanks:p:p:p
Contents
Preface xv
1 Introduction 1
1.1 Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Need for Fiber-Optic Communications . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Evolution of Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Analog and Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Channel Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Optical Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Lightwave System Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Optical Fibers as a Communication Channel . . . . . . . . . . 17
1.4.2 Optical Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.3 Optical Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Optical Fibers 23
2.1 Geometrical-Optics Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Graded-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Wave Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Fiber Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Dispersion in Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Group-Velocity Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Material Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Higher-Order Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.5 Polarization-Mode Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 Dispersion-Induced Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.1 Basic Propagation Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii
viii CONTENTS
2.4.2 Chirped Gaussian Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3 Limitations on the Bit Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4 Fiber Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Fiber Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.1 Attenuation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.2 Material Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.3 Rayleigh Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.4 Waveguide Imperfections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6 Nonlinear Optical Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.1 Stimulated Light Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.2 Nonlinear Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.3 Four-Wave Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7 Fiber Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.1 Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.2 Fabrication Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.7.3 Cables and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 Optical Transmitters 77
3.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.1 Emission and Absorption Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.2 p–n Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.3 Nonradiative Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.4 Semiconductor Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2 Light-Emitting Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.1 Power–Current Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2 LED Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.3 Modulation Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.4 LED Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3 Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3.1 Optical Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3.2 Feedback and Laser Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.3 Laser Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4 Control of Longitudinal Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.1 Distributed Feedback Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2 Coupled-Cavity Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . 102
3.4.3 Tunable Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.4 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers . . . . . . . . . . . . 105
3.5 Laser Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.1 CW Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.2 Small-Signal Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5.3 Large-Signal Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.4 Relative Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.5 Spectral Linewidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.6 Transmitter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
CONTENTS ix
3.6.1 Source–Fiber Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6.2 Driving Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6.3 Optical Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.6.4 Optoelectronic Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.6.5 Reliability and Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4 Optical Receivers 133
4.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.1 Detector Responsivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.2 Rise Time and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2 Common Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.2.1 p–n Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2.2 p–i–n Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.2.3 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2.4 MSM Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3 Receiver Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.1 Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.2 Linear Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.3.3 Decision Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.3.4 Integrated Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4 Receiver Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.4.1 Noise Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.4.2 p–i–n Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4.3 APD Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5 Receiver Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.1 Bit-Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.2 Minimum Received Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.5.3 Quantum Limit of Photodetection . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.6 Sensitivity Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.6.1 Extinction Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.6.2 Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.6.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.7 Receiver Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Lightwave Systems 183
5.1 System Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1.1 Point-to-Point Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1.2 Distribution Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.1.3 Local-Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.2 Design Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.2.1 Loss-Limited Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.2 Dispersion-Limited Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . 190
x CONTENTS
5.2.3 Power Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.2.4 Rise-Time Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.3 Long-Haul Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.3.1 Performance-Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.3.2 Terrestrial Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.3.3 Undersea Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.4 Sources of Power Penalty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.1 Modal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.2 Dispersive Pulse Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.4.3 Mode-Partition Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.4.4 Frequency Chirping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.4.5 Reflection Feedback and Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.5 Computer-Aided Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6 Optical Amplifiers 226
6.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.1.1 Gain Spectrum and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.1.2 Gain Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.1.3 Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.1.4 Amplifier Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.2 Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2.1 Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2.2 Amplifier Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.2.3 Pulse Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.2.4 System Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.3 Raman Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.1 Raman Gain and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.2 Amplifier Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.3.3 Amplifier Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.4 Erbium-Doped Fiber Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.4.1 Pumping Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.4.2 Gain Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.4.3 Simple Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.4.4 Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
6.4.5 Multichannel Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.4.6 Distributed-Gain Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.5 System Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.5.1 Optical Preamplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.5.2 Noise Accumulation in Long-Haul Systems . . . . . . . . . . 264
6.5.3 ASE-Induced Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.5.4 Accumulated Dispersive and Nonlinear Effects . . . . . . . . 269
6.5.5 WDM-Related Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
CONTENTS xi
7 Dispersion Management 279
7.1 Need for Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2 Precompensation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.2.1 Prechirp Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.2.2 Novel Coding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.2.3 Nonlinear Prechirp Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.3 Postcompensation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.4 Dispersion-Compensating Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.5 Optical Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.6 Fiber Bragg Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.6.1 Uniform-Period Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.6.2 Chirped Fiber Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
7.6.3 Chirped Mode Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
7.7 Optical Phase Conjugation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.7.1 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.7.2 Compensation of Self-Phase Modulation . . . . . . . . . . . 301
7.7.3 Phase-Conjugated Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
7.8 Long-Haul Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.8.1 Periodic Dispersion Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.8.2 Simple Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.8.3 Intrachannel Nonlinear Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
7.9 High-Capacity Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.9.1 Broadband Dispersion Compensation . . . . . . . . . . . . . 311
7.9.2 Tunable Dispersion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . 313
7.9.3 Higher-Order Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . 315
7.9.4 PMD Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8 Multichannel Systems 330
8.1 WDM Lightwave Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.1.1 High-Capacity Point-to-Point Links . . . . . . . . . . . . . . 331
8.1.2 Wide-Area and Metro-Area Networks . . . . . . . . . . . . . 334
8.1.3 Multiple-Access WDM Networks . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.2 WDM Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.2.1 Tunable Optical Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.2.2 Multiplexers and Demultiplexers . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.2.3 Add–Drop Multiplexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
8.2.4 Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
8.2.5 Wavelength Routers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.2.6 Optical Cross-Connects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8.2.7 Wavelength Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
8.2.8 WDM Transmitters and Receivers . . . . . . . . . . . . . . . 360
8.3 System Performance Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.3.1 Heterowavelength Linear Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . 363
8.3.2 Homowavelength Linear Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . 365
xii CONTENTS
8.3.3 Nonlinear Raman Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
8.3.4 Stimulated Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 369
8.3.5 Cross-Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
8.3.6 Four-Wave Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.3.7 Other Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
8.4 Time-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.4.1 Channel Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.4.2 Channel Demultiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
8.4.3 System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
8.5 Subcarrier Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
8.5.1 Analog SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.5.2 Digital SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.5.3 Multiwavelength SCM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 386
8.6 Code-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.6.1 Direct-Sequence Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.6.2 Spectral Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
9 Soliton Systems 404
9.1 Fiber Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
9.1.1 Nonlinear Schr¨odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 405
9.1.2 Bright Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
9.1.3 Dark Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.2 Soliton-Based Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
9.2.1 Information Transmission with Solitons . . . . . . . . . . . . 411
9.2.2 Soliton Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
9.2.3 Frequency Chirp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.2.4 Soliton Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
9.3 Loss-Managed Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
9.3.1 Loss-Induced Soliton Broadening . . . . . . . . . . . . . . . 418
9.3.2 Lumped Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
9.3.3 Distributed Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.3.4 Experimental Progress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
9.4 Dispersion-Managed Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
9.4.1 Dispersion-Decreasing Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
9.4.2 Periodic Dispersion Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9.4.3 Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
9.5 Impact of Amplifier Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
9.5.1 Moment Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
9.5.2 Energy and Frequency Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . 437
9.5.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
9.5.4 Control of Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.6 High-Speed Soliton Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
9.6.1 System Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
9.6.2 Soliton Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
CONTENTS xiii
9.6.3 Impact of Higher-Order Effects . . . . . . . . . . . . . . . . 450
9.6.4 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
9.7 WDM Soliton Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.7.1 Interchannel Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.7.2 Effect of Lumped Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.7.3 Timing Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.7.4 Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
10 Coherent Lightwave Systems 478
10.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
10.1.1 Local Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
10.1.2 Homodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.1.3 Heterodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.1.4 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
10.2 Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
10.2.1 ASK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
10.2.2 PSK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
10.2.3 FSK Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
10.3 Demodulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
10.3.1 Heterodyne Synchronous Demodulation . . . . . . . . . . . . 488
10.3.2 Heterodyne Asynchronous Demodulation . . . . . . . . . . . 488
10.4 Bit-Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
10.4.1 Synchronous ASK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
10.4.2 Synchronous PSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10.4.3 Synchronous FSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
10.4.4 Asynchronous ASK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
10.4.5 Asynchronous FSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.4.6 Asynchronous DPSK Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.5 Sensitivity Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.5.1 Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
10.5.2 Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
10.5.3 Polarization Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
10.5.4 Fiber Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
10.5.5 Other Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
10.6 System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
10.6.1 Asynchronous Heterodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . 507
10.6.2 Synchronous Heterodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.6.3 Homodyne Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.6.4 Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
A System of Units 518
xiv CONTENTS
B Acronyms 520
C General Formula for Pulse Broadening 524
D Ultimate System Capacity 527
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
E Software Package 529
9279
9280
Do not forget):=> Reputation and Thanks:p:p:p