光的色散分类及相关系数

在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份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。

1、简介

  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。

2、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。

3、分类

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

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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，2n/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 mode dispersion)，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。

4、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）×10-200px，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10-200px，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。

色散系数

　　折射率越大，色散越厉害

　　由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白光时会发生色散现象。色散系数是衡量透镜成像清晰度的重要指标，通常用阿贝数(色散系数)表示。阿贝数越大，色散就越小，反之，阿贝数越小，则色散就越大，其成像的清晰度就越差。即表征某种材料对光源（光波谱线）的分离作用；理想透镜是一束平行白光通过后，聚焦于一点，但由于材料对不同的光波波长表现出不同的折射率，就对光线产生了分离作用，使其聚焦于多点（形成“彩虹”现象）。

　　总的来说有这样一个规律：材料的折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低。

【色散Dispersion】

　　复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各色光的波长不相同，而棱镜的折射率会随波长变化而改变。当它们通过棱镜时，传播方向将有不同程度的偏折，因而在离开棱镜则便各自分散。例如：进入钻石内的光线，根据不同瓣面角度作内部反射，光线的分配反射产生彩虹七色，亦为色散。