什么是光纤中的色散？
发布时间：2023-06-07 08:00:00 阅读数： 556
光信号是一种由不同波长组成的电磁信号。每个波长的成分以不同的速度通过光纤，这取决于材料的折射率。这些单独的波长在不同的时间到达光纤的另一端。这可能会导致波散开并随着时间的推移变得扭曲。这种脉冲随时间的变宽被称为色散。光信号的失真会影响信号的质量。可以观察到，信号中的每个单独的脉冲都会变宽，并与相邻的脉冲重叠，最终在接收器输入端变得无法区分。
脉冲展宽的数量取决于几个因素，包括光纤的长度、光的波长和光纤本身的特性，如其折射率曲线和材料组成。脉冲展宽可以限制光通信系统中可以长距离传输的最大数据速率。
光纤中的色散包括模内色散、模间色散和偏振模色散。
模间色散
在光纤中，模式指的是光在穿过光纤芯时可以采取的不同路径。根据光纤支持的传播模式的数量，可以将其分为两种类型：单模（只有一种传播模式）和多模光纤（同时传播多种不同的光模式）。
其中一些光线将以直线路径穿过光纤的中心，称为轴向模式。其余的光线在通过波导时，会在芯包层的边界上反复弹跳。在光纤内传播的每个模式都遵循不同的角度和路径。由于这些模式的传播速度不同，它到达光纤输出的时间也不同。每个模式的传播时间的差异导致了信号在模式之间的扩散。这就是所谓的模间色散。扩散导致信号重叠，使其难以单独区分。随着路径长度的增加，模式间的色散也会相应增加。输出的脉冲宽度取决于最慢和最快模式的传输时间。
模态色散在单模光纤中是不存在的，因为只有一种模式在光纤中传播。
由于模间色散引起的脉冲展宽为：
脉冲展宽Δt为
Δt = L x (dispersion/km)
N.A是数值孔径
L是光纤的长度
n1是纤芯的折射率
模内色散
一个光信号可以有不同的波长，以稍微不同的速度传播，并在模式内的不同时间到达接收器，导致信号扩散和扭曲。这种类型的色散被称为模内色散，在单模和多模光纤中都会发生。
模内色散可进一步分为材料色散和波导色散。由于波导材料的色散特性导致的延迟差异被称为材料色散，而由于波导的几何形状导致波导色散。
材料色散
材料色散是由光纤中使用的材料的折射率的变化引起的。由于材料的折射率决定了光在光纤中传播的速度，不同波长的光以不同的速度传播，导致信号散开并失真。材料色散的符号可以是正的，也可以是负的，取决于材料特性和传输光的波长。色散的符号是指相对于波长的变化而言，折射率变化的方向。
在具有正常色散的材料中，折射率随着光的波长的增加而降低。这意味着长波长的光（如红色）比短波长的光（如蓝色）传播得更快，导致脉冲随时间扩散。在这种情况下，色散的符号是负的。
另一方面，在具有反常色散的材料中，折射率随着光的波长增加而增加。这意味着短波长的光（如蓝色）比长波长的光（如红色）传播得更快，导致脉冲也随着时间的推移而扩散。在这种情况下，色散的符号是正的。
这些传输的信号会有不同的延迟时间，并造成到达时间Δt的扩散。
由材料色散引起的脉冲展宽由以下公式给出：
DM是材料分散系数、
材料色散造成的总脉冲扩散由Δtmat给出：
在多模光纤中，模间色散比材料色散大得多。
波导色散
另一方面，波导色散是由光纤电缆本身的几何形状引起的。这种类型的色散发生是因为在光纤中传播的光波被限制在一个狭窄的波导结构中，由于几何上的变化，这可能导致不同波长的光以不同的速度传播。它可以导致信号扩散和失真，通常在较短的波长上更为突出。波导色散可以通过使用具有更宽的纤芯直径的光纤或通过使用专门的波导结构来改善波导几何的均匀性来减少。它在单模和多模光纤中都会发生。
在光纤中，光通过光纤的核心传播，它被一个具有较低折射率的包层所包围。短波长的光更多地停留在纤芯中，而长波长的光则分布在包层中。由于包层的折射率较低，长波长的传播速度要比短波长的高。这种时间延迟导致了信号的扩散。
波导色散在光纤中总是负的，这是因为不同模式的光的有效折射率不同，这是光纤的几何形状和光纤的折射率随频率变化的结果。高阶模式比低阶模式的有效折射率低。
由波导色散引起的脉冲扩散的原理为
DW是波导色散系数、
使用具有较大纤芯的光纤可以减少波导色散，它允许更多的传播模式并减少模式之间的有效折射率差异。
然而，在单模光纤中，波导色散可能是显著的，因为各种色散机制的影响很难区分。
模内色散用色散参数D来表示，它与模式传播常数β有关，是光纤芯体相对于工作波长的大小的函数。
材料和波导的色散都是以皮秒/纳米/千米为单位进行测量。这就造成了源线宽的幅度增加和色散随光纤长度增加。
偏振模式色散
由于折射率的变化，光在纤芯内有两种不同的偏振模式，以不同的速度传播。这种现象被称为双折射，即光纤的折射率对于不同方向的偏振光是不同的。这是由光纤结构的不对称性造成的。速度的不同导致了信号到达的延迟和脉冲变宽。这种由于光分布在不同偏振方向上的色散就是偏振模式色散。
单模光纤由一个传播模式组成，包括两个正交的偏振模式。
偏振模色散如下所示：
DPMD是偏振模色散系数。
光纤总色散
对于给定的光纤长度，总的光纤色散计算为：
其他类型的色散包括残余色散和克尔效应色散。
残余色散的发生是由于制造过程中的不完善或光纤物理特性的变化，使信号失真。
克尔效应色散的发生是因为光纤芯的折射率可以被通过它的光的强度所改变，导致不同波长以不同的速度传播。
色散的应用
色散也可以有一些有用的应用，如光纤传感器、色散补偿系统、光学传感、非线性光学、脉冲整形、波分复用、生物医学应用，如光学相干断层扫描（OCT）、宝石学、成像和脉冲星发射。
它还可用于设计集成光路，即在小范围内操纵光的设备。色散也被用来分析波导结构的频率响应，如过滤器和谐振器。
