光纖色散是什麼？如何色散補償？

光纖色散是什麼？

光纖色散顯示了輸入信號在光纖內部的一種傳播狀態，指由於光信號的不同頻率成分或不同模式分量以不同速度傳播而引起的信號失真。主要包括模間色散、色度色散、偏振模色散三種情況。

模間色散

模間色散是發生在多模光纖和其他波導中的一種信號畸變機制。在多模光纖中，以不同入射角射入光纖的光線都被定義了一條路徑或一種模式。由於各個模式的傳輸路徑不同，其傳輸速度（即群速度）也不同，因此模式間的信號傳輸到達光纖終端產生了時間差。通常來說，一些光線會直接穿過纖芯（軸向模式），而其他光線會在包層/纖芯邊界之間來回反射，沿着波導之字形向前傳播，即下圖的階躍折射率多模光纖所示。事實是，一旦光線發生了折射，模間色散/模式色散隨即產生。其中，模間色散與傳輸路徑成正相關，即高階模式下（光線以較大角度射入時路程較長）造成的模間色散高於低階模式（光線以較小角度射入路程較短）。

圖1：階躍折射率多模光纖內的模間色散

多模光纖最多可同時容納17種光線傳播模式，其模間色散遠高於單模光纖。這是由於單模光纖具有單一的傳播模式，即光線沿着纖芯傳播（軸向模式）而不反射到包層邊界，因此沒有模間色散發生。

然而，如果使用漸變折射率多模光纖，情況就不同了。雖然光線也以不同的模式傳播，但由於纖芯的折射率不均勻，光線路徑不再是直線而是曲線，光線的傳播速度也發生變化，因此可通過選擇合適的折射率分布大大降低模間色散。

色度色散

色度色散指光源中不同波長分量在光纖中的群速不同所引起的光脈衝展寬現象，包括材料色散和波導色散。

圖2：色度色散現象

材料色散是由折射率對纖芯材料的波長依賴性造成的，而波導色散則是由模態傳播常數對光纖參數(纖芯半徑、纖芯和包層的折射率差)和信號波長的依賴性造成的。在某些特定頻率下，材料色散和波導色散可以相互抵消，從而得到一種近似於0色度色散的波長。

實際上，色度色散並不總是不利的。光線在不同波長或材料中以不同速度傳播，導致光脈衝在光纖中展寬或壓縮，這使得定製折射率剖面以生產不同用途的光纖成為可能。G.652光纖就是其中一個例子。

偏振模色散

偏振模色散（PMD）反映了光波在光纖中傳播特性的偏振依賴性。實際的光纖中基模存在兩個相互垂直的偏振模，理想情況下，兩種偏振模式應當具有相同的光波傳播特性，但通常來說，不同偏振模式下會有細微差別。這是由於在傳播過程中溫度和壓力等因素變化或擾動，導致兩種偏振模式具有不同的傳輸速度，產生時延，形成偏振模色散。

圖3：偏振模色散形成情況

偏振模色散對鏈路速度低於2.5Gbps的網絡影響較小，即便其傳輸距離大於1000公里。然而，隨着傳輸速度的增加，尤其是當速率超過10Gbps時，偏振模色散的影響劇增，成為一個不容忽視的光纖參數。偏振模色散主要在玻璃製造過程中產生的，除此之外，光纖布線、安裝和使用環境等因素都會對其造成影響。

如何進行色散補償？

雖然光纖色散不至於減弱信號，但它縮短了信號在光纖內部的傳播距離，同時造成信號失真。例如，發射端1納秒的光脈衝在接收端會展寬到10納秒，導致信號無法正常接收和解碼。因此，在密集波分復用（DWDM）等長距離傳輸系統中，減少光纖色散或進行色散補償至關重要。下面將介紹三種常用的色散補償策略和方法。

色散補償光纖

利用色散補償光纖（DCF）技術，可在常規光纖中加接具有負色散的光纖。常規光纖與色散補償光纖相比，色散值極大，且色散為正，使得此類光纖中的光分布減少甚至消失。通過對其加接負色散補償光纖，可保證整條光纖線路的總色散近似為零，從而實現高速度、大容量、長距離的通信。色散補償光纖主要有三種補償機制，包括前置補償、後置補償和對稱補償。色散補償光纖廣泛應用於已安裝1310納米的光纖鏈路升級，使其在1550納米下運行。

圖4：三種色散補償機制

光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵（FBG）是一種由光纖組成的反射裝置，可對其核心折射率在一定距離範圍內進行調製。在100公里等長距離傳輸系統中，使用該裝置可以顯著降低色散效應。當光束經過光纖光柵時，滿足其調製條件的波長將產生反射，其餘的波長透過光纖光柵繼續沿光纖傳輸。利用光纖布拉格光柵進行色散補償具有極大的優越性，因為光纖光柵可與其他無源光纖器件融為一體，插入損耗低，成本低廉。此外，光纖光柵不僅可以用作色散補償的濾波器，還可以作為傳感器、泵浦激光器的波長穩定器、用於窄帶波分復用加/減濾波器等。

電子色散補償

電子色散補償（EDC）是一種利用電子濾波（也稱均衡）實現光通信鏈路中色散補償的方法，即在通信信道中進行濾波，以補償由傳輸介質引起的信號衰減。電子色散補償通常由橫向濾波器來實現，其輸出是一系列延時輸入的加權和，它可根據接收信號的特性自動調整濾波器權值，即自適應。電子色散補償可用於單模光纖系統和多模光纖系統，此外，還可與其他功能結合用於10Gbit/s接收器集成電路上。它可以顯著降低單模光纖系統中的發射器成本，也可以在較小的接收器成本損失下增加多模光纖系統的傳輸距離。

結語

雖然光纖色散能以多種方式影響信號傳播，甚至造成信號失真，但總的來說，其對光纖鏈路的信號傳輸並不完全是不利的。事實上，當採用波分復用時，一定的光纖色散可用來減輕非線性效應。而當光纖色散過大時，則可選擇上述的色散補償光纖、光纖布拉格光柵、電子色散補償等方法進行色散補償。