在光纖中傳輸的光信號（脈衝）的不同頻率成分或不同的模式分量以不同的速度傳播，到達一定距離後必然產生信號失真（脈衝展寬），這種現象稱為光纖的色散或彌散。光纖中傳輸的光信號具有一定的頻譜寬度，也就是說光信號具有許多不同的頻率成分。同時，在多模光纖中，光信號還可能由若干個模式疊加而成，也就是說上述每一個頻率成份還可能由若干個模式分量來構成。
基本介紹
- 中文名：光纖色散
- 外文名：fiber dispersion
- 又稱：光纖彌散
- 對象：光信號
- 學科：物理
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簡介
光纖色散的產生基於兩個方面的因素，一是進入光纖中的光信號不是單色光（光源發出的光不是單色或是調製信號具有一定的頻寬）；二是光纖對光信號的色散作用。
光纖色散是指由於光纖所傳輸的信號是由不同頻率成分和不同模式成分所攜帶的，不同頻率成分和不同模式成分的傳輸速度不同，從而導致信號的畸變。在數字光纖通信系統中，色散使光脈衝發生展寬。當色散嚴重時，會使光脈衝前後相互重疊，造成碼間干擾，增加誤碼率。所以光纖的色散不僅影響光纖的傳輸容量，也限制了光纖通信系統的中繼距離。
原理
由於光纖中所傳信號的不同頻率成分，或信號能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號波形失真，脈衝展寬的物理現象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸的信號脈衝畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸頻寬。從機理上說，光纖色散分為材料色散，波導色散和模式色散。前兩種色散由於信號不是單一頻率所引起，後一種色散由於信號不是單一模式所引起。
分類
光纖的色散主要有材料色散、波導色散、偏振模色散和模間色散四種。其中，模間色散是多模光纖所特有的。
模式色散
多模傳輸時，光纖各模式在同一波長下，因傳輸常數的切線分量不同，群速不同所引起的色散。多模光纖中，以不同角度射入光纖的射線在光纖中形成不同的模式。光纖基本結構中的圖畫出了三條不同角度的子午射線。其中沿軸心傳輸的射線為最低次模，其切線方向的傳輸速度（即群速）最快，首先到達終端。沿剛好產生全反射角度傳輸的射線為最高次模，其切線方向的傳輸速度最慢，最晚到達終端。它們到達終端的時間就有差異，模式間的這種時間差或時延差就叫做模式色散，或稱模間色散。
多模光纖的色散用光纖頻寬（MHzkm）表示，頻寬是從頻域特性表示光纖色散大小的。
信號不是單一模式會引起模式色散。多模光纖中，模式色散在三種色散中是主要的。
材料色散
是光纖材料的折射率隨頻率（波長）而變，可使信號的各頻率（波長）群速度不同引起色散。
波導色散
某個模式本身，由於傳輸的是有一定寬度頻帶，不同頻率下傳輸常數的切線分量不同，群速不同所引起的色散。
材料色散和波導色散在實際情況下很難截然分開，所以在許多情況下將這二種色散統稱為模內色散。
這四種色散作用還相互影響，由於材料折射率n是波長λ（或頻率w）的非線性函式，d2n/d2λ≠0，於是不同頻率的光波傳輸的群速度不同，所導致的色散成為材料色散。
由於導引模的傳播常數β是波長λ(或頻率w)的非線性函式，使得該導引模的群速度隨著光波長的變化而變化，所產生的色散成為波導色散（或結構色散）。
偏振模色散
指光纖中偏振色散，簡稱 PMD(polarization modedispersion)，它是由於實際的光纖中基模含有兩個相互垂直的偏振模，沿光纖傳播過程中，由於光纖難免受到外部的作用，如溫度和壓力等因素變化或擾動，使得兩模式發生耦合，並且它們的傳播速度也不盡相同，從而導致光脈衝展寬，引起信號失真。
不同的導引模的群速度不同引起的色散成為模間色散，模間色散只存在與多模光纖中。
色散限制了光纖的頻寬—距離乘積值。色散越大，光纖中的頻寬—距離乘積越小，在傳輸距離一定（距離由光纖衰減確定）時，頻寬就越小，頻寬的大小決定傳輸信息容量的大小。
光源
光纖通信所用的光源有一定的譜線寬度，發光二極體為（100～200）×10-8cm，普通的半導體雷射器比發光二極體小，譜線寬度最窄的是動態單縱模雷射器，小於10-8cm，這種雷射器所對應的頻率寬度也有若干千兆赫。材料色散和波導色散都是由於光源不是單一頻率引起的，所以光源的譜線寬度對它們的影響很大。
單模光纖只傳單一基模，所以只有材料色散和波導色散，沒有模式色散。石英系單模光纖，其零材料色散波長在1.27μm，在1.31μm波長附近，材料色散和波導色散的大小相等，符號相反，兩者正好抵消，使單模光纖的總的色散為零，該波長就成為普通單模光纖的零色散波長。
