Understanding Optical Communications - IBM Redbooks 清晰版.pdf-资料库

´ Understanding Optical Communications Harry J. R. Dutton International Technical Support Organization http://www.redbooks.ibm.com SG24-5230-00

´ International Technical Support Organization SG24-5230-00 Understanding Optical Communications September 1998

Take Note! Before using this information and the product it supports, be sure to read the general information in Appendix F, “Special Notices” on page 591. First Edition (September 1998) This edition applies to fibre optic communications and optical networking. Comments may be addressed to: IBM Corporation, International Technical Support Organization Dept. HZ8 Building 678 P.O. Box 12195 Research Triangle Park, NC 27709-2195 When you send information to IBM, you grant IBM a non-exclusive right to use or distribute the information in any way it believes appropriate without incurring any obligation to you.  Copyright International Business Machines Corporation 1998. All rights reserved. Note to U.S. Government Users — Documentation related to restricted rights — Use, duplication or disclosure is subject to restrictions set forth in GSA ADP Schedule Contract with IBM Corp.

Contents Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi About the Author xxi . By the Same Author xxi Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii Comments Welcome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Part 1. Theory and Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chapter 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 4 1.1.1 Optical Transmission System Concepts 1.1.2 Optical Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3 Optical Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.4 Optical Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Transmitting Light on a Fibre 2.3 Light Propagation in Multimode Fibre Chapter 2. Optical Fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 15 2.1 The Nature of Light . 2.1.1 Light as an Electromagnetic Wave 16 2.1.2 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 25 29 2.2.1 Characteristics of Glasses 2.2.2 Transmission Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.3 Operational Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 36 2.2.4 Fibre Refractive Index Profiles 39 2.3.1 Snell's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.2 Critical Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.3 Numerical Aperture (NA) 42 2.3.4 Propagation Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.5 Mode Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.6 Modal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.7 Naming Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4 Single-Mode Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.1 Single-Mode Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4.2 Dispersion in Single-Mode Fibre . 59 . 2.4.3 Mode Partition Noise 67 . . 67 2.4.4 Reflections and Return Loss Variation 69 2.4.5 Non-Linear High-Power Effects . 74 . . 2.5.1 POF Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 76 2.6 Hard Polymer (plastic) Clad (silica) Fibre (HPCF) 2.5 Plastic Optical Fibre (POF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapter 3. Optical Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1 Light Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79  Copyright IBM Corp. 1998 iii

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Light Emitting Diodes (LEDs) . 3.2.1 The Semiconductor Junction Diode 3.2.2 Construction and Operation of LEDs 3.2.3 Heterojunctions (Practical LEDs) . 3.2.4 Characteristics of LEDs . . . 3.1.1 Spontaneous Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 82 82 84 86 91 3.3 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 94 101 102 113 116 117 117 118 119 120 123 124 125 125 127 129 130 131 132 132 3.3.1 Principle of the LASER . . . 3.3.2 Semiconductor Laser Diodes . . 3.3.3 Fabry-Perot Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Distributed Feedback (DFB) Lasers . 3.3.5 Integrated Absorption Modulators . 3.3.6 Q-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.7 Mode-Locking and Self-Pulsating Lasers . . 3.3.8 Distributed Bragg Reflector (DBR) Lasers . 3.3.9 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.10 Tunable DBR Lasers . . . 3.3.11 External Cavity DBR Lasers . . 3.3.12 External Fibre-Cavity DBR Lasers . 3.3.13 Multi-Wavelength Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.14 Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) . 3.3.15 In-Fibre Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.16 Fibre Ring Lasers . . 3.3.17 Upconversion Fibre Lasers (Double Pumping) . 3.3.18 Gas Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.19 Free Electron Lasers (FELs) . 3.4 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapter 4. Optical Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 P-N Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 P-I-N Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Schottky-Barrier Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Avalanche Photodiodes (APDs) . 4.2.5 Hetero-Interface Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Travelling-Wave Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Resonant-Cavity Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Planar Optical Devices . . 5.1.2 Fabrication of Planar Optical Devices . . 5.1.3 Integrated Optical Circuits (Planar Assemblies) Chapter 5. Optical Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Optical Component Technologies . . . . . . 5.2 Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Erbium Doped Fibre Amplifiers (EDFAs) . . 5.2.2 Praseodymium (Pr) Doped Fibre Amplifiers . 5.2.3 Neodymium (Nd) Doped Fibre Amplifiers . . 5.2.4 Plastic Fibre Amplifiers . . . 5.2.5 Erbium Doped Planar Devices . . 5.2.6 Semiconductor Optical/Laser Amplifiers (SOAs/SLAs) 5.2.7 Raman Effect Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Understanding Optical Communications 133 133 134 134 135 138 139 143 143 145 146 147 149 149 150 152 155 157 159 177 178 178 179 180 182

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Polarisation Control 5.3 Second Harmonic Generation (SHG) 5.4 Splitters and Couplers . 5.6 Lenses and Prisms . 5.6.1 Graded Index (GRIN) Lenses 5.7.1 Planar Diffraction Gratings . . 5.7.2 In-Fibre Bragg Gratings (FBGs) . 5.7.3 Waveguide Grating Routers (WGRs) 5.5.1 Fibre Loop Polarisation Controller . 5.5.2 Fibre Squeezer Polarisation Controller . . . . 5.4.1 Resonant Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 “Y” Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Beamsplitter Prisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5 Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.6 Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Diffraction Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.1 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.2 Optical Switching Elements . 5.9.3 Optically Controlled Switches . 5.9.4 Electro-Absorption Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.5 Acoustic Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.6 Acoustooptic Tunable Filters (AOTFs) . 5.9.7 Phase Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.8 Modulation Using a Mach-Zehnder Interferometer . 5.9.9 Pockels Cell Modulators . . . 5.9.10 Faraday Effect Modulators . . 5.10 Repeaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8.2 Fabry-Perot Filter (Etalon) . . 5.8.3 In-Fibre Bragg Grating Filters . 5.8.4 Fibre Ring Resonators . . 5.8.5 Dielectric Filters for WDM Multiplexing/Demultiplexing . 5.9 Modulators and Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapter 6. Fibre Manufacture, Cables and Connectors 6.1 The Technology of Fibre Manufacture . . . . 6.1.1 Purifying Silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Drawing the Fibre . . 6.1.3 The Double-Crucible Method . . 6.1.4 Vapour Deposition Techniques . 6.2 Joining Fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Fusion Splicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Mechanical Splicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Mechanical Splicing with Alignment and Bonding . . 6.2.4 Losses in Fibre Joins . . 6.2.5 Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Fibre Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 185 186 193 193 196 198 200 204 204 205 205 205 206 206 211 222 227 229 234 235 237 238 239 239 242 248 249 252 255 256 258 260 261 262 267 267 267 268 270 271 275 276 278 279 279 283 285 Part 2. Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Chapter 7. Optical Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Contents v

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Point-to-Point Transmission Systems 7.1.1 Traditional Single-Channel Systems 7.1.2 Amplified Single-Channel Systems 7.1.3 WDM Systems Overview . . 7.3 Transmission System Limits and Characteristics 7.4 Optical System Engineering . . . . . . 7.2 Modulation (Making the Light Carry a Signal) . . . . . . 7.2.1 On-Off Keying (OOK) . 7.2.2 Multi-State Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Forward Error Correction (FEC) . 7.2.4 Receiving the Signal . . 7.2.5 Timing Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.6 Bandwidth Occupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.7 Analogue Amplitude Modulation (Continuous Wave) . 7.2.8 Frequency Shift Keying (FSK) . . 7.2.9 Phase Shift Keying (PSK) . . . 7.2.10 Polarity Modulation (PolSK) . . 7.2.11 Directional Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.12 Character Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 System Power Budgeting . . 7.4.2 Laser Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3 Is There a Speed Limit? . 7.4.4 Reflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.5 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.6 Bit Error Rates (BER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.1 Optical Power Meters (Optical Multimeter) . . 7.8.2 Optical Time-Domain Reflectometers (OTDRs) . 7.8.3 Spectrum Analysers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.4 Eye Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Maximum Propagation Distance on Multimode Fibre 7.6.2 Light Sources for Multimode Systems . . . . . . . . 7.5 Control of Dispersion in Single-Mode Fibre Links . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Control of Dispersion in Multimode Fibre 7.5.1 Control of Spectral Width . . 7.5.2 Dispersion Shifted Fibre . . 7.5.3 Dispersion Compensating Fibre 7.5.4 Balancing Dispersion on a Link 7.5.5 Mid-Span Spectral Inversion . 7.5.6 Chirped Fibre Bragg Gratings 7.7 Fibre Optics in Different Environments 7.8 Test Equipment and Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapter 8. Optical Link Connections in Electronic Networks . 8.1 Fibre Distributed Data Interface (FDDI) . . . 8.1.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Access Protocol Operation . . 8.1.3 Ring Initialisation, Monitoring and Error Handling . 8.1.4 Physical Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.5 Physical Layer Protocol . 8.1.6 Node Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.7 High-Speed Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Principles of Ethernet 8.2 Ethernet (IEEE 802.3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Understanding Optical Communications 297 297 299 300 301 301 306 308 309 310 312 313 313 314 314 314 314 316 317 317 322 323 325 326 327 328 329 330 330 332 332 334 335 335 337 340 342 342 343 345 347 349 351 353 354 356 357 357 358 364 365 366 366

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