概念
模內畸變(intramodal distortion)又稱模內色散或模內失真,是指在光纖的給定的模內,由色散引起的畸變。
模內畸變分為材料色散和波導色散。光纖中的材料色散、導波色散和模式色散往往相互交織在一起而難以截然分開。對於在無窮大的材料中傳播的平面波,通常認為只有材料色散。
波導色散是同一模式的傳輸常數隨光頻(波長)變化,導致群速不同而引起脈衝展寬。波導色散與光纖波導的結構參數有關,故又稱為結構色散。波導色散和材料色散均源於群速隨波長而變化,它們往往同時存在並交織在一起,只有在弱導波光纖的條件下,採用近似的處理方法才能區別出來。
工作原理
材料色散
產生材料色散的原因是由於材料折射率隨光波波長呈非線性變化。特定模式的不同波長的光波,其傳播速度不同,通過一定距離所需的時間不同而產生時延差,導致脈衝展寬。
折射率隨波長的非線性變化是製造光纖的材料的一種特性;進入光纖傳輸的光並非是單一頻率,而是一組頻率不同的光波。因為實際光源發出的光不是單色光,在它的中心波長附近存在一定的譜寬,例如,半導體雷射器的光譜寬為1~2nm,發光二極體的光譜寬為10~50nm。此外,光調製信號也有一定的頻寬。不過由於一般後者遠小於前者,常常忽略其影響。例如,單一光頻受1GHz的信號調幅時,其頻譜寬度為2GHz,相應波長變化範圍只有0.02nm,與光源的譜寬相比是微不足道的。
材料的零色散波長數值與光纖摻雜材料及其濃度有關,用摻雜來改變纖芯和包層折射率的光纖,材料的零色散波長值可在1.27~1.29μm範圍。可見,摻雜對材料的零色散波長的漂移是有限的,所以材料色散可以用純的材料色散代替。
波導色散
波導色散是一種由波導效應導致的色散效應:對於一個在波導中的光波,其色散相移與在均勻介質中不同。對一個波導而言,總的色散是材料色散與波導色散的總和。
波導色散可以這樣理解:光波的波矢(K矢量)是一個的與頻率有關分布,而平面波(作為基準)只有一個單獨的波矢量,其正好指向傳播方向。需要注意的是,對於波導中一個特定的傳播模式,其色散是利用傳播常數(單位距離的相移)的虛部分量與頻率的關係計算而出的。
波導色散對於有效模場面積較小的情況極為重要。以光纖而言,特別是某些光子晶體光纖以及某些光纖通信中的單模光纖,波導色散可以經由光纖設計進行調整,從而得到一些特殊的色散需求(參閱色散位移光纖)。對於大模場面積光纖,波導色散是通常可以忽略不計,其材料色散是主要的色散來源。
波導色散是模式本身的色散,是指光纖中某一種波導模式在不同的頻率下,相位常數不同、群速度不同而引起的色散。形象地說,就是理想狀態下光線中的波導只在纖芯中傳輸,但由於光纖的幾何結構、形狀等方面的不完善,使得光波一部分在纖芯中傳輸,而另一部分在包層中傳輸,由於纖芯和包層的折射率不同,這樣造成脈衝展寬的現象,就是波導色散,或稱結構色散。這種色散主要是由光波導的結構參數而決定的。