光纖色散

由于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，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘柮}沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機理上說，光纖色散分為材料色散，波導色散和模式色散。前兩種色散由于信號不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號不是單一模式所引起。

光纖通信所用的光源有一定的譜線寬度，發(fā)光二極管為(100~200)×10-8cm，普通的半導體激光器比發(fā)光二極管小，譜線寬度最窄的是動態(tài)單縱模激光器，小于10-8cm，這種激光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于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。

?光纖中傳輸?shù)墓庑盘柧哂幸欢ǖ念l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。

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。

多模傳輸時，光纖各模式在同一波長下，因傳輸常數(shù)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(jié)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?shù)纳渚€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(chǎn)生全反射角度傳輸?shù)纳渚€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帶寬(MHzkm)表示，帶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。

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。

某個模式本身，由于傳輸?shù)氖怯幸欢▽挾阮l帶，不同頻率下傳輸常數(shù)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(tǒng)稱為模內(nèi)色散。

這四種色散作用還相互影響，由于材料折射率n是波長λ(或頻率w)的非線性函數(shù)，d2n/d2λ≠0，于是不同頻率的光波傳輸?shù)娜核俣炔煌鶎е碌纳⒊蔀椴牧仙ⅰ?/p>

由于導引模的傳播常數(shù)β是波長λ(或頻率w)的非線性函數(shù)，使得該導引模的群速度隨著光波長的變化而變化，所產(chǎn)生的色散成為波導色散(或結(jié)構色散)。

偏振模色散指光纖中偏振色散，簡稱 PMD(polarization modedispersion)，它是由于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，由于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(fā)生耦合，并且它們的傳播速度也不盡相同，從而導致光脈沖展寬，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。

色散限制了光纖的帶寬-距離乘積值。色散越大，光纖中的帶寬-距離乘積越小，在傳輸距離一定(距離由光纖衰減確定)時，帶寬就越小，帶寬的大小決定傳輸信息容量的大小。

其計算公式為 :

σ= δλ*D*L

其中:δλ 為光源的均方根譜寬，D(λ ) 為色散系數(shù)，L 為長度，現(xiàn)在的單模光纖色散系數(shù)一般為20ps/km.nm ，光纖長度越長，則引起的色散總值就越大。色散系數(shù)越小越好，，因色散系數(shù)越小，根據(jù)上式可知，光纖的帶寬越大，傳輸容量也就越大。所以，傳輸2.5G 以上光信號時，要考慮光纖色散對傳輸距離的影響，最好采用零色散的G.653 光纖傳輸，但光纖色散為零時，傳輸WDM 波分光信號會產(chǎn)生四波混頻等非線性效應，所以色散要小，但不能為零，最終采用的光纖為G.655 光纖來傳輸10G 的光信號和WDM 波分復用信號。對于單模光纖，其帶寬系數(shù)在25GHz.km 以上，但多模光纖的帶寬系數(shù)一般在1GHz.km 以下。所以，多模光纖一般用于622M 以下短距離的通信，而單模光纖可用于多種速率的通信。

ITU-T G.652 建議規(guī)定零色散波長范圍為:1300nm~1324nm ，最大色散斜率為0.093ps/(nm 2 .km )，在1525~1575nm 波長范圍內(nèi)的色散系數(shù)約為20ps/(nm.km )。

ITU-T G.653 建議規(guī)定零色散波長為:1550nm ，在1525~1575nm 區(qū)的色散斜率為0.085ps/(nm 2 .km )。在1525~1575nm 波長范圍內(nèi)的最大色散系數(shù)為3.5ps/(nm.km )。

G.655 光纖在1530~1565nm 范圍內(nèi)的色散系數(shù)在絕對值應處于0.1~6.0 ps/(nm 2 .km )。

色散主要用色散系數(shù)D(λ ) 表示。色散系數(shù)一般只對單模光纖來說，包括材料色散和波導色散，統(tǒng)稱色散系數(shù)。

光纖色散系數(shù)的定義:每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值，與長度呈線性關系。