[科普中国]-模间色散

定义

按照几何光学的解释就是，在多模光纤中，各光线经不同途径传输到终端，由于个光线的光程长短不同造成的色散，如果把不同途径间的光线称为光的模，这就是模间色散。模间色散使多模光纤的容量受到限制，一般多模光纤的容量为1-3GHz。单模光线中没有模间色散。

用电磁场理论推导出光在多模光纤传播时，可有许多传播路径，也就是说有许多种传播式样，“模”普通含义是式样的意思，于是电磁场理论称为多模传输。然而用电磁场导出的多模传输模具有不连续性，是离散的。这种不连续性，用一个弦的振动来比喻：弦可以做全长振动，或以全长的1/2，1/3，1/4，1/5......做泛音振动，但不能做出任意的振动，例如1/根号2全长振动。事实上多模光纤不能以任意方式传输光能。若用射线来比喻“模”，上述机理就无法得到圆满解释。

事实上，先入为主是常有的，译名也是如此。英国的Harrier战斗机开始被译为猎兔狗战斗机，实际上harrier可作猎鹰，误认鹰为狗！Dispersion被译为色散，是因为三棱镜把白光分为七彩。然而模间色散（intermodal dispersion）毫无彩色之意。其实dispersion可作为散，即能量分散更为确切1。

输出强度测量光纤的输出时，由于各个模式的群速度不同，它们到达光纤端口是时间不同。基模最先到达，因为其速度最大。

模间色散的强度可以定量表示为微分模延迟（DMD）。它与光纤纤芯中和其附近的折射率分布密切相关。例如，对于阶跃折射率分布，高阶模式具有更低的群速度，这时得到的微分群延迟在 10 ps/m量级。这在一千米长的光纤链路中，数据速率很难实现几个Gbit/s。

在采用多模光纤的光纤通信系统中，模间色散极大的制约了数据传输速率（比特率）。为了避免强的信号畸变，需要使脉冲足够长来保持不同模式间的时间交叠足够多，这样不可避免的也会限制数据速率。

最简单的消除模间色散的方法是在光纤链中采用单模光纤，但是也可以采用抛物线折射率分布的多模光纤使模间色散最小化1。