偏振模色散
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2023年3月18日发(作者：双翅目)一、概述
色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了
光脉冲沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉
冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输
码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容
量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤
的传输距离也要缩短。光纤的色散可分为：
1．模式色散又称模间色散
光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，
从而出现色散现象。
2．材料色散
含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同
就会引起脉冲展宽，导致色散。
3．波导色散又称结构色散
它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层
界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式
间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、
传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。
4、偏振模色散（PMD）又称光的双折射
单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所
组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一
个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因
传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。
PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。
二、色散（带宽）的描述
模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/
（nm·km）]。对所有类型的光纤，该系数是根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差
（延时）来确定的。根据国际标准ITU、IEC和EIA/TIA的规定，测量单位光纤长度乘波长的群延时
数据，宜用Sellmeier三项表达式来拟合（适用于单模和多模光纤）。图1和图2给出了PCVD工艺
的单模光纤与多模光纤的典型模内色散曲线。
三、带宽的影响因素
（一）光纤的类型
1．单模光纤
单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一
段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光
纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤
。使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速
率。
在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散（PMD），由于PMD是不稳定的，因而不能进行补偿。
2．多模光纤
多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲
线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式色散而得到高的模式带宽。
全系统带宽达到一定程度时，同样也受到模内色散的制约，尤其在850nm处，多模光纤的模内色散
非常大。一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/（nm·km），而PCVD多
模光纤的色散值介于-95～-110
ps/（nm·km）。
（二）光源的光谱宽度
色散除了与光纤的类型、性能有关外，还与光源的谱宽有关。LED、LD以及动态单频激光器（DFB、
DBR等）的谱宽依次变窄，而色散明显地减小。例如，如果使用光谱宽度小（大约1nm）的激光二
极管，光纤就可维持高的带宽，而使用LED（谱宽约40nm）可大大降低系统带宽，并且显著降低优
质多模光纤的模式带宽。
另外，LED较LD对调制带宽制约更多，系统设计者也需要考虑这种限制。
四、色散的测量
（一）单模光纤
PCVD单模光纤色散的测量是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA，采用“相位移方法”（PHASE-SHIFT
METHOD），使用两个已调制的LED（1310nm及1550nm）。典型结果显示于图1。
单模光纤的模内色散的国际标准为S0≤0.093[ps/（nm·km）]及1300nm≤λ0≤1324
nm。图3a和图3b给出了PCVD单模光纤的S0和λ0的分布。其数据来源于长飞公司的临时光纤
数据库的随机样本（包含少量不合格光纤），可以看出，所有值都在国际标准的限制之内。
（二）多模光纤
PCVD工艺生产的50μm和62.5μm芯的多模光纤色散的测定，是按照国际标准ITU、IEC及
EIA/TIA，采用“相对传播时间方法”（RELATIVE
TIMEOFFLIGHTMETHOD）。测定波长范围为780nm～1550nm的激光脉冲，通过整个光纤长
度的相对传播时间差。
从实验中观察到一个重要现象：激光二极管的谱宽以及所选用的波长都会对零色散波长及该点的斜率
产生影响。虽然国际标准没有陈述这种现象，但是类似设置的测量结果显示了这种差异的存在。基于
同样的原因，用发光二极管，采用相位移方法，测量1310nm和1550nm处多模光纤的模内色散，
也可观察到这种差异。多模光纤使用波长范围较密（从850nm到1300nm），因而，对PCVD光纤
而言，采用“传播时间方法”（Time-of-Flight
Method），使用波长范围宽的激光二极管（780nm、850nm、1290nm、
可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别。单模光纤的纤芯很小,约4～10um,只传输主模态。这样可完全避免
了模态色散，使得传输频带很宽，传输容量很大。这种光纤适用于大容量、长距离的光纤通信。它是未来
光纤通信与光波技术发展的必然趋势。
多模光纤又分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤。前者纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，
传输容量较小；后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带较宽，传
输容量较大，目前一般都应用后者。
由于多模光纤中不同模式光的传波速度不同，因此多模光纤的传输距离很短。而单模光纤就能用在无中继
的光通讯上。
在光纤通信理论中，光纤有单模、多模之分，区别在于：
1.单模光纤芯径小（10mm左右），仅允许一个模式传输，色散小，工作在长波长（1310nm和1550nm），
与光器件的耦合相对困难
2.多模光纤芯径大（62.5mm或50mm），允许上百个模式传输，色散大，工作在850nm或1310nm。
与光器件的耦合相对容易。
而对于光端模块来讲，严格的说并没有单模、多模之分。所谓单模、多模模块，指的是光端模块采用的光
器件与何种光纤配合能获得最佳传输特性。
一般有以下区别：
1.单模模块一般采用LD或光谱线较窄的LED作为光源，耦合部件尺寸与单模光纤配合好，使用单模光
纤传输时能传输较远距离
2.多模模块一般采用价格较低的LED作为光源，耦合部件尺寸与多模光纤配合好。
单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式
的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单
模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31
μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这样，1.31
μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工
作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，
因此这种光纤又称G652光纤。
单模光纤-概述
单模光纤
单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式
的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单
模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31
μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说
在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光
纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也
是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信
联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。
单模光纤具备10micron的芯直径，可容许单模光束传输，可减除频宽及振模色散
(Modaldispersion)的限制，但由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需要极为昂
贵的激光作为光源体，而单模光缆的主要限制在于材料色散(Materialdispersion)，单模光
缆主要利用激光才能获得高频宽，而由于LED会发放大量不同频宽的光源，所以材料色散要
求非常重要。
单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100MBPS的以太网以至这行的1G千兆网，
单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用
单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。单模光纤（SingleModeFiber,SMF）折射率
分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。
因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。
单模光纤-研制过程
黄宏嘉院士
1980年，国际上，包括中国学者都在讨论单模光纤与多模光纤到底哪种更好时，上海科技
大学黄宏嘉院士认识到长波长单模光纤具有损耗低、色散小等优点，是远距离大容量通信系
统的理想介质。以黄宏嘉院士为首的研究小组于1979年提出开展单模光纤研究的建议。该
建议得到了上海市科委的支持，并将“单模光纤研究”列为上海市重点科研项目。
至1982年5月进行了研究工作的第二阶段。以上海科大与上海石英玻璃厂协作，得到了电
子23所的支持和合作。于1982年5月由上海市科委主持了由中国9个单位24名专家参加
的鉴定工作。鉴定委员会认为，“此次单模光纤科研工作是基础性和开拓行的，不仅填补了
中国在这个重要研究领域的空白，而且是以较快的速度赶上国际水平。”
单模光纤-特性参数
单模光纤
①衰耗系数a：其规定与物理含义与多模光纤完全相同，在此不多叙述。
②色散系数D(λ)：我们已经知道，光纤的色散可以分为三大部分即模式色散、材料色散与
波导色散。而对于单模光纤而言，由于实现了单模传输所以不存在模式色散的问题，故其色
散主要表现为材料色散与波导色散（统称模内色散）。综合考虑单模光纤的材料色散与波导
色散，统称色散系数。色散系数可以这样理解：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展
宽值。因此，L公里光纤由色散引起的脉冲展宽值为：σ=δλ·D（λ）·L（2.17）其中：
δλ为光源谱宽σ为根均方展宽值色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，就意味着其带
宽系数越大即传输容量越大。例如CCITT建议在波长1.31微米处单模光纤的色散系数应小
于3.5ps/。经过计算，其带宽系数在25000MHz·km以上，是多模光纤的60多倍（多
模光纤的带宽系数一般在1000MHz·km以下）。
③模场直径d：模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。由于单模光纤中只有基模在进行
传输，因此粗略地讲，模场直径就是在单模光纤的接收端面上基模光斑的直径（实际上基模
光斑并没有明显的边界）。可以极其粗略地认为（很不严格的说法），模场直径d和单模光
纤的纤芯直径相近。
④截止波长λc：我们知道，当光纤的归一化频率V小于其归一化截止频率Vc时，才能实现
单模传输，即在光纤中仅有基模在传输，其余的高次模全部截止。也就是说，除了光纤的参
量如纤芯半径，数值孔径必须满足一定条件外，要实现单模传输还必须使光波波长大于某个
数值，即λ≥λc，这个数值就叫做单模光纤的截止波长。因此，截止波长λc的含义是，
能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长。也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波
波长不大于单模光纤的截止波长，仍不可能实现单模传输。
5、回损---ReturnLoss：反射损耗又称为回波损耗，它是指出光端，后向反射光相对输入光
的比率的分贝数，回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响
单模光纤-波长
单模光纤
单模传输设备所采用的光器件是LD，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出
功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反馈光器件）。单模光纤传输所用的光纤最
普遍的是G.652，其线径为9微米。
1310nm波长的光在G.652光纤上传输时，决定其传输距离限制的是衰减因数；因为在1310nm
波长下，光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为0，在1310nm波长上有微小振幅
的光信号能够实现宽频带传输。
1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小，单纯从衰减因数考虑，1550nm波长
的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离，但是实际情况并
非如此，单模光纤带宽B与色散因数D的关系为：B=132.5/（Dl*D*L）GHz
其中L为光纤的长度，Dl为谱线宽度，对于1550nm波长的光，其色散因数如表3为
20ps/()，假设其光谱宽度等于1nm，传输距离为L=50公里，则有：B=132.5/（D*L）
GHz=132.5MHz
一、概述
色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，
色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通
信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产
生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，
导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的
增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。光纤的色散可分为：
1．模式色散又称模间色散
光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成
了脉冲的展宽，从而出现色散现象。
2．材料色散
含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，
传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。
3．波导色散又称结构色散
它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中
通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴
发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在
包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。
4、偏振模色散（PMD）又称光的双折射
单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x
和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位
差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即
x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，
从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散
（PMD）。
二、色散（带宽）的描述
模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延
时差）[ps/（nm·km）]。对所有类型的光纤，该系数是根据测定不同波长的光通过一定长
度的光纤的相对时差（延时）来确定的。根据国际标准ITU、IEC和EIA/TIA的规定，测量
单位光纤长度乘波长的群延时数据，宜用Sellmeier三项表达式来拟合（适用于单模和多模
光纤）。图1和图2给出了PCVD工艺的单模光纤与多模光纤的典型模内色散曲线。
三、带宽的影响因素
（一）光纤的类型
1．单模光纤
单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如果需要的话，可
以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一
段有很大负色散系数的光纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤。使得光纤在1550nm
附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。
在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散（PMD），由于PMD是不稳定的，因而
不能进行补偿。
2．多模光纤
多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。PCVD工艺能够很好地控制
折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式
色散而得到高的模式带宽。
全系统带宽达到一定程度时，同样也受到模内色散的制约，尤其在850nm处，多模光
纤的模内色散非常大。一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/
（nm·km），而PCVD多模光纤的色散值介于-95～-110ps/（nm·km）。
（二）光源的光谱宽度
色散除了与光纤的类型、性能有关外，还与光源的谱宽有关。LED、LD以及动态单频
激光器（DFB、DBR等）的谱宽依次变窄，而色散明显地减小。例如，如果使用光谱宽度
小（大约1nm）的激光二极管，光纤就可维持高的带宽，而使用LED（谱宽约40nm）可大
大降低系统带宽，并且显著降低优质多模光纤的模式带宽。
另外，LED较LD对调制带宽制约更多，系统设计者也需要考虑这种限制。
四、色散的测量
（一）单模光纤
PCVD单模光纤色散的测量是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA，采用“相位移方法”
（PHASE-SHIFTMETHOD），使用两个已调制的LED（1310nm及1550nm）。典型结果显示
于图1。
单模光纤的模内色散的国际标准为S0≤0.093[ps/（nm·km）]及1300nm≤λ0≤1324nm。
图3a和图3b给出了PCVD单模光纤的S0和λ0的分布。其数据来源于长飞公司的临时光
纤数据库的随机样本（包含少量不合格光纤），可以看出，所有值都在国际标准的限制之内。
（二）多模光纤
PCVD工艺生产的50μm和62.5μm芯的多模光纤色散的测定，是按照国际标准ITU、
IEC及EIA/TIA，采用“相对传播时间方法”（RELATIVETIMEOFFLIGHTMETHOD）。测
定波长范围为780nm～1550nm的激光脉冲，通过整个光纤长度的相对传播时间差。
从实验中观察到一个重要现象：激光二极管的谱宽以及所选用的波长都会对零色散波长
及该点的斜率产生影响。虽然国际标准没有陈述这种现象，但是类似设置的测量结果显示了
这种差异的存在。基于同样的原因，用发光二极管，采用相位移方法，测量1310nm和1550nm
处多模光纤的模内色散，也可观察到这种差异。多模光纤使用波长范围较密（从850nm到
1300nm），因而，对PCVD光纤而言，采用“传播时间方法”（Time-of-FlightMethod），使
用波长范围宽的激光二极管（780nm、850nm、1290nm、1300nm、1430nm、1520nm）会更
适宜些。
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