光纤色散

理学领域术语

在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。

简介

光纤色散的产生基于两个方面的因素，一是进入光纤中的光信号不是单色光（光源发出的光不是单色或是调制信号具有一定的带宽）；二是光纤对光信号的色散作用。

光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。当色散严重时，会使光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。

原理

由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。

分类

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模式色散四种。其中，模间（模式）色散是多模光纤所特有的。

模式色散

多模传输时，光纤各模式在同一波长下，因传输常数的切线分量不同，群速不同所引起的色散。多模光纤中，以不同角度射入光纤的射线在光纤中形成不同的模式。光纤基本结构中的图画出了三条不同角度的子午射线。其中沿轴心传输的射线为最低次模，其切线方向的传输速度（即群速）最快，首先到达终端。沿刚好产生全反射角度传输的射线为最高次模，其切线方向的传输速度最慢，最晚到达终端。它们到达终端的时间就有差异，模式间的这种时间差或时延差就叫做模式色散，或称模间色散。

多模光纤的色散用光纤带宽（MHzkm）表示，带宽是从频域特性表示光纤色散大小的。

信号不是单一模式会引起模式色散。多模光纤中，模式色散在三种色散中是主要的。

材料色散

是光纤材料的折射率随频率（波长）而变，可使信号的各频率（波长）群速度不同引起色散。

波导色散

某个模式本身，由于传输的是有一定宽度频带，不同频率下传输常数的切线分量不同，群速不同所引起的色散。

材料色散和波导色散在实际情况下很难截然分开，所以在许多情况下将这二种色散统称为模内色散。

这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。

由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。

偏振模色散

指光纤中偏振色散，简称 PMD(polarization modedispersion)，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。

不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。

色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。色散越大，光纤中的带宽—距离乘积越小，在传输距离一定（距离由光纤衰减确定）时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。

光源

光纤通信所用的光源有一定的谱线宽度，发光二极管为（100～200）×10-8cm，普通的半导体激光器比发光二极管小，谱线宽度最窄的是动态单纵模激光器，小于10-8cm，这种激光器所对应的频率宽度也有若干千兆赫。材料色散和波导色散都是由于光源不是单一频率引起的，所以光源的谱线宽度对它们的影响很大。

单模光纤只传单一基模，所以只有材料色散和波导色散，没有模式色散。石英系单模光纤，其零材料色散波长在1.27μm，在1.31μm波长附近，材料色散和波导色散的大小相等，符号相反，两者正好抵消，使单模光纤的总的色散为零，该波长就成为普通单模光纤的零色散波长。

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