在光纤技术领域，理解光纤色散和衰减至关重要，因为这些因素显著影响光纤在通信系统中的性能与应用。本文深入探究这些方面的细节，探讨其成因、分类方式以及对基于光纤的通信的影响。
然而，β 的虚部代表光纤中的损耗（或增益）。它是光波长的函数，尽管微弱但不可忽视。光纤衰减源于多种因素。基本散射过程，其中瑞利散射是最重要的贡献者，吸收（包括 OH 吸收和长波长振动吸收）以及制造过程中产生的不均匀性导致的散射都对其有影响。这种衰减限制了光纤在短波长和长波长范围的应用。如下图所示，典型光纤的衰减特性展示了各种起作用的机制。
光纤衰减的典型特性
纵向传播速度随光频率或路径长度的变化给光纤通信带来了根本性的限制。由于信号传输需要非零带宽，信号不同频率分量之间或多模光纤不同模式之间传播速度的色散会导致数字系统中不可接受的信号失真和码间干扰。光纤色散可分类如下：
1、模间色散
许多早期的电信链路和现代数据通信系统最初使用多模光纤。这些光纤中的模式与几何射线角度相关，通常具有较宽范围的传播速度。当光脉冲与这些导模耦合时，它往往会变宽。变宽的量等于模式间传播时间的均方差。
渐变折射率光纤就是为解决这个问题而开发的。在阶跃折射率光纤中，高阶模式（具有更陡的几何角度或更高的模式指数 m）与轴向模式相比传播路径更长。然而，具有适当折射率梯度的光纤可以支持多个具有几乎相同相速度的模式。瓦塞尔对双曲正割分布的演示表明其能够使所有模式的速度相等。α 分布描述因其分析优势以及仅需优化单个参数而变得流行。然而，由于单模系统的性能优势，多模光纤在长距离（超过 10 公里）电信中已不再使用，尽管在模间色散不成问题的短链路应用中仍被采用。
2、材料色散
导致光纤衰减的物理过程也会使折射率随波长变化，即材料色散。这主要是纤芯玻璃的特性，尽管包层的色散也会根据实际在纤芯外传输的能量比例影响光纤。当使用宽光谱宽度光源或窄线宽激光在调制下光谱展宽时，材料色散尤其显著。在单模光纤中，必须与波导色散和轮廓色散一起考虑。
3、波导和轮廓色散
总体而言，随长度增加而使信号劣化的色散与衰减相结合，为在固定带宽下运行的通信链路设定了长度限制。带宽 - 长度乘积是一个实用的品质因数，它考虑了色散或衰减限制的影响。
光纤中导模的传播常数和色散可以方便地用归一化变量表示。两个常见的工程问题涉及确定模式内容和计算总色散。例如，常用的单模光纤设计用于 1.3 - 1.55μm 的波长范围。较短波长通常支持多个模式，在输出端导致模间干扰。为确保单模性能，确定给定光纤的单模截止波长至关重要。归一化变量能够通过通用曲线轻松确定光纤的截止波长和色散极限。
光纤数学描述中的归一化变量：
上图列出了归一化变量以及光纤参数的常用名称。此处的定义适用于 Gloge 的“弱导”光纤的极限，其中 (Deltall1)。Δ≪1
在没有精确光纤参数的情况下接近截止运行可能会引入高阶模式。对于阶跃折射率光纤，存在一个将单模截止时的纤芯直径和波长相关联的有用表达式。
评估光纤色散需要几个要素。首先，需要详细的材料色散曲线，可从塞耳迈耶公式获得。其次，关于光纤轮廓的完整信息，包括其成分和折射率细节，是必不可少的。第三，需要对模式的有效折射率及其一阶和二阶导数进行数值评估，尽管由于测量折射率和成分时固有的不确定性，这带来了重大的数值挑战。在典型的单模光纤里存在着不同类型的色散，其中波导色散和材料色散这两种色散各自产生的作用是相反的（比如对信号传播等方面的影响效果相反），而在光的波长为 1.3 微米这个特定的数值附近，波导色散所带来的影响和材料色散所带来的影响恰好相互抵消，使得在这个波长附近光纤的总色散情况会出现特殊的表现，有可能总色散在此时变得很小或者趋近于零等情况。下图展示了阶跃折射率单模光纤色散的一个示例，突出了不同的组成部分以及 1.3μm 附近的零色散点。此外，轮廓控制可以将最小色散点移至 1.55μm 附近的低损耗窗口。
典型单模光纤的色散。波导和材料色散的相反贡献在 (lambda) = 1.3 μm 附近抵消。 γ= 1.3 微米
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