Contents
xvii
6.3
Response Times of Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.1
Photocurrent in the Depletion Layer . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.2
Response Time Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.4
Comparisons of Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.5
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7 Optical Receiver Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.1
Basic Receiver Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.1.1
Transmitting Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.1.2
Sources of Detection Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.1.3
Receiver Front-End Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.2
Performance Characteristics of Digital Receivers . . . . . . . . . . . . 276
7.2.1
Determining Probability of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.2.2
Specifying Receiver Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.2.3
The Basic Quantum Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.3
Principles of Eye Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.3.1
Features of Eye Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.3.2
BER and Q-Factor Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.4
Burst-Mode Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.5
Characteristics of Analog Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8 Digital Optical Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.1
Basic Optical Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.1.1
Signal Formats for Transporting Information . . . . . . . 306
8.1.2
Considerations for Designing Links . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.1.3
Creating a Link Power Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.1.4
Formulating a Rise-Time Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.1.5
Transmission at Short Wavelengths . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.6
Attenuation Limits for SMF Links . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.2
Concepts of Link Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.2.1
Power Penalties from Chromatic Dispersion . . . . . . . . 322
8.2.2
Power Penalties Arising from PMD . . . . . . . . . . . . . . . 325
8.2.3
Extinction Ratio Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
8.2.4
Modal Noise Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8.2.5
Power Penalties Due to Mode-Partition Noise . . . . . . . 328
8.2.6
Chirping-Induced Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.7
Link Instabilities from Reflection Noise . . . . . . . . . . . . 331
8.3
Detection and Control of Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
8.3.1
Concept of Error Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
8.3.2
Codes Used for Linear Error Detection . . . . . . . . . . . . 335
8.3.3
Error Detection with Polynomial Codes . . . . . . . . . . . . 335
8.3.4
Using Redundant Bits for Error Correction . . . . . . . . . 339
xvii
6.3
Response Times of Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.1
Photocurrent in the Depletion Layer . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.2
Response Time Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.4
Comparisons of Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.5
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7 Optical Receiver Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.1
Basic Receiver Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.1.1
Transmitting Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.1.2
Sources of Detection Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.1.3
Receiver Front-End Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.2
Performance Characteristics of Digital Receivers . . . . . . . . . . . . 276
7.2.1
Determining Probability of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.2.2
Specifying Receiver Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.2.3
The Basic Quantum Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.3
Principles of Eye Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.3.1
Features of Eye Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.3.2
BER and Q-Factor Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.4
Burst-Mode Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.5
Characteristics of Analog Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8 Digital Optical Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.1
Basic Optical Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.1.1
Signal Formats for Transporting Information . . . . . . . 306
8.1.2
Considerations for Designing Links . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.1.3
Creating a Link Power Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.1.4
Formulating a Rise-Time Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.1.5
Transmission at Short Wavelengths . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.6
Attenuation Limits for SMF Links . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.2
Concepts of Link Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.2.1
Power Penalties from Chromatic Dispersion . . . . . . . . 322
8.2.2
Power Penalties Arising from PMD . . . . . . . . . . . . . . . 325
8.2.3
Extinction Ratio Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
8.2.4
Modal Noise Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8.2.5
Power Penalties Due to Mode-Partition Noise . . . . . . . 328
8.2.6
Chirping-Induced Power Penalties . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.7
Link Instabilities from Reflection Noise . . . . . . . . . . . . 331
8.3
Detection and Control of Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
8.3.1
Concept of Error Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
8.3.2
Codes Used for Linear Error Detection . . . . . . . . . . . . 335
8.3.3
Error Detection with Polynomial Codes . . . . . . . . . . . . 335
8.3.4
Using Redundant Bits for Error Correction . . . . . . . . . 339