Fibre-Optic Communications

Fiber-Optic Communications......Page 5
Table of Contents......Page 9
Foreword......Page 19
Introduction......Page 23
1.1.2. Propagation of harmonic plane waves......Page 31
1.1.3. Light rays......Page 33
1.1.4. Dielectric diopter......Page 34
1.1.5. Reflection of a plane wave on a diopter......Page 36
1.1.6. Reflection coefficient......Page 37
1.1.7. Total reflection......Page 38
1.2.1. Planar dielectric waveguide model......Page 40
1.2.2. Notion of propagation modes......Page 41
1.2.3. Case of the asymmetric guide......Page 43
1.2.4. Dispersion......Page 44
1.3.2. Multimode step-index fiber......Page 45
1.3.3. Multimode graded-index fiber......Page 47
1.4.1. Ray paths......Page 48
1.4.2. Propagation equation resolution......Page 49
1.4.3.1. Meridional rays......Page 50
1.4.3.2. Skew rays......Page 51
1.4.4. Modes of propagation......Page 52
1.5.2.1. In step-index fibers......Page 53
1.5.2.2. In graded-index fibers......Page 55
1.5.3. Chromatic dispersion......Page 56
1.5.4. Time-domain response of multimode fibers......Page 57
1.5.5. Multimode fiber bandwidth......Page 58
1.5.6. Mode coupling......Page 59
1.6. Appendix: detail of calculation in section 1.4.2......Page 61
2.1.1. Electromagnetic equations......Page 63
2.1.2.2. Transverse components......Page 65
2.1.3. Mode calculation method......Page 66
2.1.4.2. Hybrid modes......Page 67
2.1.5. Cut-off frequency......Page 68
2.1.6. Aspect of modes......Page 70
2.2.2. Gaussian single-mode fiber model......Page 72
2.3.1. Chromatic dispersion......Page 74
2.3.2. Practical calculation......Page 76
2.3.3. Cancellation of chromatic dispersion......Page 77
2.3.4. Depressed inner cladding fibers......Page 78
2.3.5.1. Standard fiber......Page 79
2.3.5.3. Non-zero dispersion shifted fiber......Page 80
2.4.1. Birefringence of optical fibers......Page 81
2.4.2. Induced birefringence......Page 82
2.4.3. Polarization dispersion......Page 83
2.5.1. Introduction......Page 84
2.5.2. Raman scattering......Page 85
2.5.3. Brillouin scattering......Page 86
2.5.4. Kerr effect......Page 87
2.5.5. Consequences of the Kerr effect......Page 88
2.5.6.2. Soliton equation......Page 89
2.5.6.3. Soliton transmission systems......Page 90
2.6.1. Introduction......Page 91
2.6.2. Photonic bandgap......Page 93
2.6.3. Photonic waveguides......Page 94
2.6.4. Photonic crystal fibers......Page 95
2.6.5. Hollow fibers......Page 96
3.1.2. Intrinsic attenuation of silica fibers......Page 99
3.1.3. Plastic fibers......Page 102
3.1.4. Other materials......Page 103
3.1.5. Transmission windows......Page 104
3.2.1. Principles......Page 106
3.2.2. Manufacturing of preforms by MCVD process......Page 107
3.2.3. Preform manufacturing by external deposit......Page 108
3.2.4. Drawing......Page 109
3.2.5. Mechanical resistance......Page 110
3.3.2.1. Tight structure cables......Page 111
3.3.2.2. Free structure cables......Page 112
3.3.2.5. Submarine cables......Page 113
3.3.3. Connection of optical fibers......Page 114
3.3.4.1. Description......Page 115
3.3.4.2. Anti-reflection connectors......Page 116
3.3.4.3. Different connector types......Page 117
3.4.1. Losses by bending......Page 118
3.4.2.1. Causes of losses......Page 119
3.4.2.2. Calculation in multimode fibers......Page 120
3.4.3. Fiber optics optimization......Page 121
3.5.2. Geometric measurements for multimode fibers......Page 123
3.5.4. Spectral attenuation measurement......Page 124
3.5.5.1. Principle......Page 125
3.5.5.2. Power received......Page 126
3.5.5.3. Reflectometry curve interpretation......Page 127
3.5.5.4. Dynamics......Page 128
3.5.6. Bandwidth measurement......Page 129
3.5.7. Chromatic dispersion measurement......Page 130
3.5.8. Polarization measurements......Page 131
4.1.2. Technologies used......Page 133
4.1.4. Lateral guiding......Page 135
4.2. Mode coupling and its applications......Page 137
4.2.2. Coupling within a single guide......Page 138
4.2.3. Coupling between matched guides......Page 140
4.2.4. Coupling between mismatched guides......Page 141
4.3.1. Principle......Page 142
4.3.2. Operation......Page 143
4.3.3. Application to light coupling in a guide......Page 144
4.3.5. Bragg gratings in integrated optics......Page 146
4.3.6.2. Bragg grating filters......Page 148
4.3.6.3. Chirped Bragg gratings......Page 149
5.1.1. Definitions......Page 151
5.1.2. Optical couplers......Page 152
5.1.3. Isolators and circulators......Page 154
5.2.1. Different types of wavelength division multiplexing......Page 155
5.2.2. Filter multiplexers......Page 156
5.2.4. Dense wavelength division multiplexing......Page 157
5.3.1. Principles......Page 159
5.3.2. Electro-optic effect......Page 160
5.3.3. Directional electro-optic coupler......Page 161
5.3.4. Electro-optic modulator......Page 163
5.3.5. Electro-absorption modulator......Page 164
5.4.1. Functions......Page 165
5.4.2. Switching technologies......Page 166
5.4.3. Example of micro electro-mechanical switching matrices......Page 167
5.4.4. Reconfigurable optical add-drop multiplexers (ROADM)......Page 169
6.1.1. Electroluminescence principle......Page 171
6.1.2. Electroluminescent material......Page 173
6.1.3. Photodetection principle......Page 175
6.1.4. Heterojunction use......Page 176
6.1.5. Quantum well structures......Page 177
6.1.6. Optical amplification principles......Page 178
6.2.1. Structure......Page 180
6.2.2. Main light emitting diode characteristics......Page 181
6.3.1. Principle......Page 182
6.3.2. Fabry-Pérot structure laser diodes......Page 184
6.3.3. DFB laser diodes......Page 185
6.3.4. Lateral guiding in laser diodes......Page 186
6.3.5. Wavelength-tunable laser diodes......Page 187
6.3.6. Vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL)......Page 189
6.4.2. Laser diode characteristic......Page 190
6.4.3. Laser diode modulation......Page 191
6.4.4. Transmitter noise......Page 192
6.4.5.2. Mounting in the optical head......Page 193
6.5. Comparison between optoelectronic emitters......Page 195
7.1.1. PIN photodiode......Page 197
7.1.2. Photodiode characteristics......Page 198
7.1.3. Avalanche photodiode......Page 199
7.1.4. Materials used in photodetection......Page 201
7.1.5. Phototransistor......Page 203
7.2.1. Structure......Page 204
7.2.2.2. In avalanche photodiodes......Page 205
7.2.3. Optical receiver modeling......Page 206
7.2.4. Noise current calculation......Page 207
7.2.5. Calculation of the signal-to-noise ratio......Page 209
7.2.6. Optimization of the signal-to-noise ratio......Page 210
7.3.1. Heterodyne detection......Page 212
7.3.2. Balanced detection......Page 213
8.1.1. Introduction......Page 215
8.1.2. Optical amplification principle in erbium-doped fibers......Page 216
8.1.3. Optical amplification gain......Page 217
8.1.4. Amplified signal power......Page 218
8.1.5. Optical amplification noise......Page 220
8.2.1. Description......Page 221
8.2.2. Characteristics......Page 222
8.2.3. Gain parameters of an optical amplifier......Page 223
8.2.4. Amplified bandwidth......Page 224
8.3.1. Input noise in the presence of an optical amplifier......Page 225
8.3.2. Case of an optical preamplifier receiver......Page 227
8.3.3. Noise calculation over long links......Page 228
8.4.1. Semiconductor optical amplifiers (SCOA)......Page 229
8.4.2. Other SCOA applications......Page 230
8.4.4. Raman amplification......Page 231
9.1.1. Different systems......Page 233
9.1.2. Long–haul links over optical fibers......Page 234
9.1.3. Line terminals......Page 235
9.1.4. Line codes......Page 236
9.1.5. Coherent optical transmissions......Page 237
9.2.2. Choice of fiber bandwidth......Page 239
9.2.3. Calculation of the error probability......Page 240
9.2.4. Calculation of the average power required in reception......Page 242
9.2.5. Quantum limit......Page 243
9.2.6. Loss budget......Page 244
9.3.1. Point-to-point, non-amplified lines......Page 245
9.3.2. Optically amplified links......Page 247
9.3.3. Wavelength division multiplexed links......Page 248
9.3.4. Dispersion effects......Page 249
9.3.5.1. Duobinary modulations......Page 251
9.3.5.2. Phase modulations......Page 252
9.3.6. Fiber-optic submarine links......Page 253
9.4.1.1. Principle......Page 255
9.4.1.2. Link calculation......Page 256
9.4.3. Transmission of measurement signals......Page 257
9.5.1. Principle and applications......Page 258
9.5.2. Different processes......Page 259
9.5.3. Single-side band transmission......Page 260
10.1.1. Introduction......Page 263
10.1.2. Passive optical networks......Page 264
10.1.3. Design of a passive network......Page 265
10.1.4.1. Introduction to Ethernet......Page 266
10.1.4.3. Ethernet architectures......Page 267
10.1.5. FDDI network......Page 269
10.1.6. Fiber Channel......Page 270
10.2.1. Overview......Page 272
10.2.2. Different FTTx architectures......Page 273
10.2.3. Passive optical networks (PON)......Page 275
10.2.4. PON operation......Page 276
10.3.1. SDH/SONET hierarchy systems......Page 277
10.3.2. Constitution of synchronous digital hierarchy frames......Page 279
10.3.3. SDH rings......Page 281
10.3.4. Optical cross-connect......Page 282
10.3.5. Optical transport network (OTN)......Page 283
10.3.6. The optical OTN layer......Page 285
10.4.2. Wavelength routing......Page 286
10.4.3. All optical network architectures......Page 288
10.4.4. MPLS protocols......Page 289
10.4.5. Trends......Page 291
11.1.1. Introduction......Page 293
11.1.3. Fiber-optic measurement instrumentation......Page 294
11.2.1. Geometric and mechanical size sensors......Page 296
11.2.3. Temperature extrinsic sensors......Page 298
11.2.4. Intrinsic non-coherent sensors......Page 299
11.3.2.1. Mach-Zehnder interferometer......Page 300
11.3.2.2. Michelson interferometer......Page 301
11.3.3. Intermodal interferometry......Page 302
11.3.4.2. Bragg grating sensor......Page 303
11.3.5.1. Optical fiber gyroscope......Page 304
11.3.6. Polarimetric sensors......Page 305
11.4.1. Distributed sensors......Page 306
11.4.2. Time-division multiplexing......Page 307
11.4.4. Coherence multiplexing......Page 308
Exercises......Page 311
Bibliography......Page 355
Index......Page 359