单模光纤色散及其对系统的影响

光纤非线性影响通信系统传输的质量，限制通信距离的延长。光纤非线性总是和光纤色散相影而随，所以在考虑光纤的非线性时，必须把光纤色散一起来考虑，因此所有传输方式（包括光孤子传输）都需要管理光纤的非线性。减轻光纤非线性的方法有色散管理、先进的调制方式、超强前向纠错（SFEC）和光信号分布式拉曼放大，以及能够减小非线性影响的大芯径有效面积光纤。

色散是指不同颜色的光信号在传输过程中由于速度不同而产生分离。在光学中，不同颜色就是指不同的频率。光纤色散是由于光纤对传输信号的不同频率或模式成分有不同的群速度，导致传输时产生畸变。由于各个信号的频率成分或模式成分的传输速度不同，当它们在光纤中传输一段距离以后，光脉冲波形将展宽，严重时，前后脉冲将相互重叠，从而形成码间干扰，造成通信质量下降。另一方面，传输距离越长，脉冲展宽越严重，所以色散也能够限制光纤的传输距离。

光纤中的色散主要分为三种，分别为模式色散、色度色散和偏振模色散。在普通单模光纤中，只有偏振模色散和色度色散，而其中主要起作用的是色度色散，偏振模色散主要在高速传输系统中考虑。色度色散又可分为材料色散和波导色散。

1.模内色散

由于实际光源并非纯单色光，单模光纤折射率会随着耦合的不同波长的光而改变，导致不同波长光的群时延不同，造成输出光脉冲展宽。

模内色散又可以称为色度色散或群速度色散。这是由于光源发出的光脉冲波形包含有不同频率分量，不同频率的脉冲波形将以不同的群速度传输，导致脉冲展宽的现象。模内色散又分为材料色散和波导色散。

材料色散是由光纤材料自身特性造成的。光纤材料的折射率并不是一个常数，它对不同的传输波长有不同的值。光的波长不同，折射率就不同，光传输的速度也就不同。当光脉冲从具有一定光谱宽度的光源发出并射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起光脉冲展宽。这种色散的产生由所用光源谱线宽度和材料折射率的波长特性所决定。可以通过解波动方程和利用边界条件来确定传播常数进而求得其色散表达式，单模光纤还利用基模特点和折射率差小的条件对其进行简化。光纤长度越长，输入光脉冲展宽就越大。

波导色散是有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达终点的时间不相同，从而出现脉冲展宽。波导色散是由于基模群速度与单模光纤的归一化频率V有关。即使纤芯和包层的折射率都为常数，V参数也与光源的波长有关。光源有一定的谱宽，不同波长的光在基模传输时，V不同，使得群速度也不相同，导致各波长光到达光纤末端的时延不同，引起光脉冲展宽。

2.模式色散(www.xing528.com)

模式色散又称模间色散，光纤的模式色散只存在于多模光纤中，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达终点需要的时间短。在同一条长度的光纤上最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。

影响光纤时延差的因素有两个，即纤芯-包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯-包层相对折射率差成正比。纤芯的折射率、包层的折射率越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，较小的为最好，这种小的光纤称为弱导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。

在单模光纤中，由于只有一个模式在光纤中传输，因此不存在模式色散。

3.偏振模色散

偏振模色散又称光的双折射。单模光纤只能传输一种基模的光，理想的单模光纤其折射率分布应该是沿轴均匀分布的，但实际应用中由于应用环境等因素，光纤内部不可避免会出现双折射现象，引起脉冲展宽。

偏振是与光的振动方向有关的光性能，我们知道光在单模光纤中只有基模HEⅡ传输，由于HEⅡ模由相互垂直的两个极化模HEⅡX和HEⅡY构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数Bx和By往往不等，从而造成光脉冲在输出端展宽现象。因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏振模色散PMD。PMD最大特点是随机性，其值是由于光纤所处的环境变化而发生波动。

造成光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。内部因素主要包括光纤在制造过程中存在着光纤截面非圆、应力分布不均匀、承受侧压和光纤的弯曲等现象，这些因素将造成光纤的双折射。另外，在传输过程中，两个相互正交的线性偏振模式之间会形成传输群速度差，产生偏振模色散。在光纤较长时，由于偏振模随机模偶合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动等都很敏感。外部因素有很多，例如光纤在铺设的过程中可能会受到不同程度的外力作用的影响。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，将导致产生外部双折射。