色散的种类

如前所说，色散就是不同频率的电磁波在介质中以不同的相速度和群速度传播的现象。这种色散称为波长色散。另外，在多模光纤中，不同的模式由于纵向传播常数不同，具有不同的相速度和群速度。这种色散称为模式色散或模间色散。不论波长色散或模间色散，都导致光脉冲展宽，使信号发生畸变。

1.波长色散

在光纤通信系统中，光源（激光器）发出的等幅连续光波或等间隔光脉冲串不携带信息，称为光载波。通过调制装置将要传输的信号叠加在光载波上，形成一个个光信号，称为信号调制。因此，光信号是多种频率光波叠加成的波包。光信号的频谱宽度取决于光载波的谱线宽度和调制信号的频谱宽度。确切地说，取决于二者之中频谱宽度较宽的那一个。目前，光纤通信系统中使用的光源主要是半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD），前者的线宽为数百埃（），后者的在10（?数量级。如果调制信号的频谱宽度约为0.5，则光载波的谱线宽度在光信号频谱宽度的形成中起主要作用。由1.1节可知，光信号以群速度传播：

其中，ω是光载波频率，β是纵向传播相位常数。

光信号在光纤中走过单位长距离的时间称为群时延，记作τ，于是有

注意到ω＝kc＝，k＝是真空中的纵向传播相位常数，可将式（6.1.2）写成

由式（6.1.3）可知，一般地说，群时延τ是波长的函数。所以，光信号中不同频率的成分以不同的速度在光纤中传播。在光纤的输入端，这些不同频率的成分同时出发，而到达终端的时间不同，使得光信号的波形发生畸变，对于数字信号，导致光脉冲展宽。光信号中速度最慢的频率成分与速度最快的频率成分的传输时间的差称为时延差，记作Δτ。光脉冲的展宽用时延差描述。忽略高阶项，时延差可表示为

或

这说明由于光信号是非单色波而引起的时延差，即色散效应与光信号的频谱宽度Δλ或Δν成正比。这种与光信号的频谱宽度成正比的色散称为波长色散或色度色散。由于波长色散与光信号的频谱宽度成正比，因此，在光载波谱线宽度在光信号频谱宽度的形成中起主要作用的情况下，减小波长色散的有效措施是采用线宽窄的光源。

根据波长色散的产生机制，波长色散可分为材料色散、波导色散和折射率剖面色散。

由于纤芯和包层材料的折射率是频率的函数而引起的色散称为材料色散。材料的折射率对于大多数材料，μr≈1，但εr＝εr（ω）是频率的函数，即折射率是频率的函数，从而使传播速度是频率的函数。

与真空中的电磁波速度是一个常数不同的是，光纤中模式的纵向传播相位常数β是频率的函数，即模式的群速度及相速度是频率的函数。这种色散称为波导色散。所以，光纤中的导波模实质上都是色散模。

由于纤芯和包层材料的折射率差Δ＝是频率的函数，即

说明纤芯和包层材料的折射率随频率的变化不相同。由此引起的色散称为折射率剖面色散。不过，在纤芯和包层材料的折射率相差很小的情况下，折射率剖面色散可忽略不计。

2.模间色散

光信号输进多模光纤后，在光纤中激励起多个模式，每个模式有各自不同的纵向传播常数，即有各自不同的传播速度，从而导致光脉冲的展宽。这种由于模式纵向传播常数不同引起的色散称为模间色散。模间色散与波长色散的区别在于，模间色散与光信号的频谱宽度无关。若将不同的模式看成电磁波的不同传播路径，则模间色散也可称为多径色散。

在多模光纤中，模间色散在限制传输容量方面起着主要的作用。不过，长距离光通信网中主要用的是单模光纤。