Contents
xix
10.5 Dielectric Thin-Film Filter (TFF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
10.5.1 Applications of Etalon Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
10.5.2 TFF Applications to WDM Links . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
10.6 Arrayed Waveguide Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
10.7 WDM Applications of Diffraction Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
10.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
11 Basics of Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
11.1 Fundamental Optical Amplifier Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.1.1 General Applications of Optical Amplifiers . . . . . . . . . 438
11.1.2 Amplifier Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
11.2 Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
11.2.1 External Pumping of Active Medium . . . . . . . . . . . . . . 442
11.2.2 Amplifier Signal Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
11.2.3 SOA Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
11.3 Erbium-Doped Fiber Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
11.3.1 Basics of Fiber Amplifier Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . 448
11.3.2 Construction of an EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
11.3.3 EDFA Power-Conversion Efficiency and Gain . . . . . . 452
11.4 Noises Generated in Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
11.5 Optical Signal-To-Noise Ratio (OSNR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
11.6 Fiber Link Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
11.6.1 Power Amplifier Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
11.6.2 Use of In-Line Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
11.6.3 Optical Amplifier as a Preamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . 463
11.7 Raman Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.7.1 Principle of Raman Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.7.2 Pump Lasers for Raman Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 466
11.8 Multiband Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
11.9 Overview of Optical Fiber Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
11.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
12 Nonlinear Processes in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
12.1 Classifications of Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
12.2 Effective Length and Effective Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
12.3 Stimulated Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
12.4 Stimulated Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
12.5 Self-Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
12.6 Cross-Phase Modulation in WDM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
12.7 Four-Wave Mixing in WDM Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
12.8 Mitigation Schemes for FWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
12.9 Basic Optical Wavelength Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
12.9.1 Wavelength Converters Using Optical Gatings . . . . . . 493
12.9.2 Wavelength Converters Based on Wave-Mixing . . . . . 494
xix
10.5 Dielectric Thin-Film Filter (TFF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
10.5.1 Applications of Etalon Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
10.5.2 TFF Applications to WDM Links . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
10.6 Arrayed Waveguide Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
10.7 WDM Applications of Diffraction Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
10.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
11 Basics of Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
11.1 Fundamental Optical Amplifier Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.1.1 General Applications of Optical Amplifiers . . . . . . . . . 438
11.1.2 Amplifier Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
11.2 Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
11.2.1 External Pumping of Active Medium . . . . . . . . . . . . . . 442
11.2.2 Amplifier Signal Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
11.2.3 SOA Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
11.3 Erbium-Doped Fiber Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
11.3.1 Basics of Fiber Amplifier Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . 448
11.3.2 Construction of an EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
11.3.3 EDFA Power-Conversion Efficiency and Gain . . . . . . 452
11.4 Noises Generated in Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
11.5 Optical Signal-To-Noise Ratio (OSNR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
11.6 Fiber Link Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
11.6.1 Power Amplifier Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
11.6.2 Use of In-Line Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
11.6.3 Optical Amplifier as a Preamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . 463
11.7 Raman Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.7.1 Principle of Raman Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.7.2 Pump Lasers for Raman Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 466
11.8 Multiband Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
11.9 Overview of Optical Fiber Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
11.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
12 Nonlinear Processes in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
12.1 Classifications of Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
12.2 Effective Length and Effective Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
12.3 Stimulated Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
12.4 Stimulated Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
12.5 Self-Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
12.6 Cross-Phase Modulation in WDM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
12.7 Four-Wave Mixing in WDM Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
12.8 Mitigation Schemes for FWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
12.9 Basic Optical Wavelength Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
12.9.1 Wavelength Converters Using Optical Gatings . . . . . . 493
12.9.2 Wavelength Converters Based on Wave-Mixing . . . . . 494