xviii
Contents
8.4
Coherent Detection Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
8.4.1
Fundamental Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.4.2
Homodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.4.3
Heterodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.4.4
SNR in Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.4.5
BER Comparisons in Coherent Detection . . . . . . . . . . 346
8.5
Higher-Order Signal Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.1
Concept of Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.2
Phase Shift Keying or IQ Modulation . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.3
Differential Quadrature Phase-Shift Keying . . . . . . . . 353
8.5.4
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) . . . . . . . . . 354
8.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9 Analog Optical Fiber Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.1
Basic Elements of Analog Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
9.2
Concept of Carrier-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.2.1
Carrier Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
9.2.2
Photodetector and Preamplifier Noises . . . . . . . . . . . . . 367
9.2.3
Effects of Relative Intensity Noise (RIN) . . . . . . . . . . . 368
9.2.4
Limiting C/N Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.3
Multichannel Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
9.4
Spurious-Free Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
9.5
Radio-Over-Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
9.6
Microwave Photonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
9.7
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10 Wavelength Division Multiplexing (WDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.1 Concepts of WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
10.1.1 WDM Operational Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
10.1.2 Standards for WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
10.2 Passive Optical Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
10.2.1 The 2 × 2 Fiber Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.2.2 Scattering Matrix Analyses of Couplers . . . . . . . . . . . . 396
10.2.3 Basis of the 2 × 2 Waveguide Coupler . . . . . . . . . . . . . 398
10.2.4 Principal Role of Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
10.2.5 Mach–Zehnder Interferometry Techniques . . . . . . . . . 405
10.3 Nonreciprocal Isolators and Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
10.3.1 Functions of Optical Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
10.3.2 Characteristics of Optical Circulators . . . . . . . . . . . . . . 411
10.4 WDM Devices Based on Grating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
10.4.1 Grating Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
10.4.2 Optical Fiber Bragg Grating (FBG) . . . . . . . . . . . . . . . 413
10.4.3 WDM FBG Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Contents
8.4
Coherent Detection Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
8.4.1
Fundamental Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.4.2
Homodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.4.3
Heterodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.4.4
SNR in Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.4.5
BER Comparisons in Coherent Detection . . . . . . . . . . 346
8.5
Higher-Order Signal Modulation Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.1
Concept of Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.2
Phase Shift Keying or IQ Modulation . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.3
Differential Quadrature Phase-Shift Keying . . . . . . . . 353
8.5.4
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) . . . . . . . . . 354
8.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9 Analog Optical Fiber Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.1
Basic Elements of Analog Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
9.2
Concept of Carrier-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.2.1
Carrier Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
9.2.2
Photodetector and Preamplifier Noises . . . . . . . . . . . . . 367
9.2.3
Effects of Relative Intensity Noise (RIN) . . . . . . . . . . . 368
9.2.4
Limiting C/N Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.3
Multichannel Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
9.4
Spurious-Free Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
9.5
Radio-Over-Fiber Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
9.6
Microwave Photonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
9.7
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10 Wavelength Division Multiplexing (WDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.1 Concepts of WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
10.1.1 WDM Operational Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
10.1.2 Standards for WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
10.2 Passive Optical Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
10.2.1 The 2 × 2 Fiber Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.2.2 Scattering Matrix Analyses of Couplers . . . . . . . . . . . . 396
10.2.3 Basis of the 2 × 2 Waveguide Coupler . . . . . . . . . . . . . 398
10.2.4 Principal Role of Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
10.2.5 Mach–Zehnder Interferometry Techniques . . . . . . . . . 405
10.3 Nonreciprocal Isolators and Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
10.3.1 Functions of Optical Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
10.3.2 Characteristics of Optical Circulators . . . . . . . . . . . . . . 411
10.4 WDM Devices Based on Grating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
10.4.1 Grating Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
10.4.2 Optical Fiber Bragg Grating (FBG) . . . . . . . . . . . . . . . 413
10.4.3 WDM FBG Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416