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光纤的特性
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4.
色散是光纤作为传输介质的另一重要特性，色散及相应的脉冲展宽限制了光纤的传输容量。因此，千方百计抑制、补偿光纤的色散，是提高系统性能，实现大带宽、高速率、长距离信号传输的关键问题。近代光纤通信的飞速发展，始终伴随着色散问题的不断探索与解决。正是在损耗与色散两大关键问题的突破解决之后，才实现了光纤的低损耗、大带宽、高速率、长距离的传输特性。

光纤色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性，它是由于光纤中传输信号的不同频率(波长)成分与不同模式成分的群速不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。
色散将使光纤中传输的无论是脉冲信号还是模拟信号均要发生波形畸变。
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信号波形畸变将导致传输的光脉冲在时域展宽而强度降低，从而使误码率增加，通信质量下降。为保证通信质量，则势必要加大相邻信息码之间的距离，这将限制通信容量;而且
由于光纤的色散具有均匀性和累加性，传输距离越长，脉冲展宽与衰减也越严重，因而色散将限制信号在光纤中的最大无中继传输距离。由此可见，解决色散补偿问题，制造出低色散的优质光纤，对增加通信容量、延长通信距离是十分重要的
分析表明，实际光源(如半导体激光器与发光二极管)发出的并非单一波长的光，而是以几。为中心波长的一个波谱，即具有一定的谱线宽度。通常以光强下降到最大值一半时的谱
宽△ 来定义光源的谱线宽度，称为光源的半功率线宽(FWHP)。不同光源的谱宽是不同的，但不同光源的谱宽均应满足 。当用信号脉冲调制光强时，送人光纤的被
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调制波谱的能量是由不同频率(波长)成分和不同模式成分承载着、并沿光纤传输的。例如，对单模光纤只激发出基模;对多模光纤则激发出多种模式，它们各有不同的传输速度，即群速不同。因而在到达光纤终端时，各种成分(如不同波长、不同模式)间产生时间差，速度快的先到，速度漫的后到，结果导致脉冲展宽，引起复杂的光纤色散现象。可以认为群时延是以单位时间度量的实际脉冲宽度。
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图2. 6表示了单模光纤传输条件下，输人光脉冲信息、形成的脉冲展宽及其对通信带来的严重影响后果。图2. 6(a)表示单模光纤传输系统;图2. 6(b)表示光纤输人端输人的数码1011;图2. 6 (c)表示传输距离L,后，由于每个脉冲展宽，“11”两脉冲波形相互搭接，已较难分辨(易造成误码);图2. 6(d)表示传输距离L:后，脉冲展宽结果的“1011”数码信号已完全不能分辨，通信失效。因此，为了保证通信质量，对色散造成的脉冲展宽必须加以限制，。如果输人理想矩形脉冲，其脉冲宽度△t，则为保证传输过程中相邻脉冲间不搭接，脉冲展宽显然必须簇≤△t。光纤中允许的最大数码率与光纤频带宽度之间的具体关系，尚同选择的调制码型有关，留待尔后讨论。
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光信号通过光纤传输引起光信号畸变、脉冲展宽。由于光信号能量是由不同频率和模式成分共同承载的，因而引起色散的原因与机理也是多方面的。色散的主要机理与类型包括:多模光纤的模式色散(或称模间色散);由于光纤材料固有的折射率对波长依赖性而产生的波导色散;以及单模光纤中两种不同偏振模式传输速度不同而引起的偏振色散。
光纤总的色散是由上述各种色散综合作用的结果，但对不同类型光纤，所存在的色散类型是有差别的。例如:对阶跃多模光纤，存在模式色散、材料色散、波导色散;对单模光纤，则
没有模间色散，而只存在材料色散、波导色散、偏振色散。其中，单模光纤的偏振色散内容将在尔后有关光纤的偏振特性中讨论。另外，材料色散与波导色散均属于频率色散，即是由于
相位常数随频率(或波长)的变化而引起的色散，故又可称为“光谱色散”或“色度色散”。以下分别介绍各种类型的色散。
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(1)模式(模间)色散
多模光纤中，即使对同一波长，不同传输模式仍具有不同的群速度，即传播速度不同，由此引起的脉冲展 ,称为“模式色散”。在多模光纤中，模式色散引起的脉冲展宽是各种色散因索中影响最严重的一种。并且，传输的模式越多，脉冲展宽也越严重;另外，在多模光纤中，渐变折射率多模光纤由于其自聚焦效应，色散性能得到一定程度的改善，因而其模式色散的脉冲展宽较阶跃折射率光纤的脉冲展宽可减小约两个数量级。
以多模阶跃折射率光纤为例，对模式色散进行时域分析。在全部传导模中，低阶模(基模)近乎与光轴平行传播，传播速度快(如LPG;模远离截止，传播最快)，最先到达出射端;而最高阶模其传播角几乎等于全反射临界角，传播速度最慢，因而最后到达出射