关于光纤的模式带宽

关于光纤的模式带宽

单模光纤与多模光纤的色散

一、概述

色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。光纤的色散可分为：

1．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。

2．材料色散

含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。

3．波导色散又称结构色散

它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。

4、偏振模色散（PMD）又称光的双折射

单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。

二、色散（带宽）的描述

模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/（nm·km）]。对所有类型的光纤，该系数是根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差（延时）来确定的。根据国际标准ITU、IEC和EIA/TIA的规定，测量单位光纤长度乘波长的群延时数据，宜用Sellmeier三项表达式来拟合（适用于单模和多模光纤）。图1和图2给出了PCVD工艺的单模光纤与多模光纤的典型模内色散曲线。

三、带宽的影响因素

（一）光纤的类型

1．单模光纤

单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤。使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。

在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散（PMD），由于PMD是不稳定的，因而不能进行补偿。

2．多模光纤

多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式色散而得到高的模式带宽。

全系统带宽达到一定程度时，同样也受到模内色散的制约，尤其在850nm处，多模光纤的模内色散非常大。一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/（nm·km），而PCVD多模光纤的色散值介于-95～-110 ps/（nm·km）。（二）光源的光谱宽度

色散除了与光纤的类型、性能有关外，还与光源的谱宽有关。LED、LD以及动态单频激光器（DFB、DBR等）的谱宽依次变窄，而色散明显地减小。例如，如果使用光谱宽度小（大约1nm）的激光二极管，光纤就可维持高的带宽，而使用LED （谱宽约40nm）可大大降低系统带宽，并且显著降低优质多模光纤的模式带宽。

另外，LED较LD对调制带宽制约更多，系统设计者也需要考虑这种限制。

四、色散的测量

（一）单模光纤

PCVD单模光纤色散的测量是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA，采用“相位移方法”（PHASE-SHIFT METHOD），使用两个已调制的LED（1310nm及1550nm）。典型结果显示于图1。

单模光纤的模内色散的国际标准为S0≤0.093[ps/（nm·km）]及1300nm≤λ0≤1324 nm。图3a和图3b给出了PCVD单模光纤的S0和λ0的分布。其数据来源于长飞公司的临时光纤数据库的随机样本（包含少量不合格光纤），可以看出，所有值都在国际标准的限制之内。

图4给出了1550nm处，模内色散系数的分布。

（二）多模光纤

PCVD工艺生产的50μm和62.5μm芯的多模光纤色散的测定，是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA，采用“相对传播时间方法”（RELATIVE TIME OF FLIGHT METHOD）。测定波长范围为780nm～1550nm的激光脉冲，通过整个光纤长度的相对传播时间差。

从实验中观察到一个重要现象：激光二极管的谱宽以及所选用的波长都会对零色散波长及该点的斜率产生影响。虽然国际标准没有陈述这种现象，但是类似设置的测量结果显示了这种差异的存在。基于同样的原因，用发光二极管，采用相位移方法，测量1310nm和1550nm处多模光纤的模内色散，也可观察到这种差异。多模光纤使用波长范围较密（从850nm 到1300nm），因而，对PCVD光纤而言，采用“传播时间方法”（Time-of-Flight Method），使用波长范围宽的激光二极管（780nm、850nm、1290nm、1300nm、1430nm、1520nm）会更适宜些。