Contents
xv
3 Optical Signal Attenuation and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1
Fiber Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.1
Units for Fiber Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2
Absorption of Optical Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1.3
Scattering Losses in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1.4
Fiber Bending Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.1.5
Core and Cladding Propagation Losses . . . . . . . . . . . . 105
3.2
Optical Signal Dispersion Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.1
Origins of Signal Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.2
Modal Delay Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.2.3
Factors Contributing to Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.4
Group Delay Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.5
Material-Induced Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.2.6
Effects of Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2.7
Dispersion Behavior in Single-Mode Fibers . . . . . . . . 119
3.2.8
Origin of Polarization-Mode Dispersion . . . . . . . . . . . 120
3.3
Design and Characteristics of SMFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.1
Tailoring of Refractive Index Profiles . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.2
Concept of Cutoff Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.3
Standards for Dispersion Calculations . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.4
Definition of Mode-Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3.5
Bending Loss in Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . 130
3.4
ITU-T Standards for Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.1
Recommendation G.651.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2
Recommendation G.652 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4.3
Recommendation G.653 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.4
Recommendation G.654 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.5
Recommendation G.655 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.6
Recommendation G.656 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.7
Recommendation G.657 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5
Designs and Use of Specialty Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6
Character of Multicore Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.7
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Light Sources for Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1
Basic Concepts of Semiconductor Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.1.1
Semiconductor Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.2
Intrinsic and Extrinsic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.1.3
Concept of a pn Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.4
Direct Bandgap and Indirect Bandgap . . . . . . . . . . . . . 156
4.1.5
Fabrication of Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . 156
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3 Optical Signal Attenuation and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1
Fiber Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.1
Units for Fiber Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2
Absorption of Optical Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1.3
Scattering Losses in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1.4
Fiber Bending Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.1.5
Core and Cladding Propagation Losses . . . . . . . . . . . . 105
3.2
Optical Signal Dispersion Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.1
Origins of Signal Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.2
Modal Delay Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.2.3
Factors Contributing to Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.4
Group Delay Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.5
Material-Induced Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.2.6
Effects of Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2.7
Dispersion Behavior in Single-Mode Fibers . . . . . . . . 119
3.2.8
Origin of Polarization-Mode Dispersion . . . . . . . . . . . 120
3.3
Design and Characteristics of SMFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.1
Tailoring of Refractive Index Profiles . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.2
Concept of Cutoff Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.3
Standards for Dispersion Calculations . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.4
Definition of Mode-Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3.5
Bending Loss in Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . 130
3.4
ITU-T Standards for Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.1
Recommendation G.651.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2
Recommendation G.652 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4.3
Recommendation G.653 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.4
Recommendation G.654 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.5
Recommendation G.655 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.6
Recommendation G.656 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.7
Recommendation G.657 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5
Designs and Use of Specialty Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6
Character of Multicore Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.7
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Light Sources for Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1
Basic Concepts of Semiconductor Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.1.1
Semiconductor Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.2
Intrinsic and Extrinsic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.1.3
Concept of a pn Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.4
Direct Bandgap and Indirect Bandgap . . . . . . . . . . . . . 156
4.1.5
Fabrication of Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . 156