[科普中国]-波导色散

定义

光纤的第三类色散是波导色散。光纤的纤芯与包层的折射率大于一定程度1，波导色散占主导，在交界面产生全反射时，有一部分平行于界面的光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，全反射角越大，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散

理解波导色散是一种由波导效应导致的色散效应：对于一个在波导中的光波，其色散相移与在均匀介质中不同。对一个波导而言，总的色散是材料色散与波导色散的总和。

波导色散可以这样理解：光波的波矢（K矢量）是一个的与频率有关分布，而平面波（作为基准）只有一个单独的波矢量，其正好指向传播方向。需要注意的是，对于波导中一个特定的传播模式，其色散是利用传播常数（单位距离的相移）的虚部分量与频率的关系计算而出的。

波导色散对于有效模场面积较小的情况极为重要。以光纤而言，特别是某些光子晶体光纤以及某些光纤通信中的单模光纤，波导色散可以经由光纤设计进行调整，从而得到一些特殊的色散需求（参阅色散位移光纤）。对于大模场面积光纤，波导色散是通常可以忽略不计，其材料色散是主要的色散来源。

波导色散是模式本身的色散，是指光纤中某一种波导模式在不同的频率下，相位常数不同、群速度不同而引起的色散。形象地说，就是理想状态下光线中的波导只在纤芯中传输，但由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象，就是波导色散，或称结构色散。这种色散主要是由光波导的结构参数而决定的。

对于单模光纤来说，由于不存在模式色散，因此这种色散就比较重要。典型的单模光纤的色散与光波之间的关系曲线见图。虚线代表材料色散，点划线代表波导色散，实线代表总色散（为材料色散与波导色散的叠加）2。