多模光纤中模间色散对传输带宽的影响及优化
发布时间：2023-11-13 02:19:55.000Z
在光电通信领域，多模光纤的模间色散现象对于实现高数据传输率构成了重要限制。本文探讨了模间色散的量化、影响因素以及如何通过优化光纤设计来降低模间色散，进而提升传输带宽。
目录
- 多模光纤中的模间色散及其对传输带宽的影响
- 模间色散的量化：差分模延迟
- 特定模式之间的模延迟差异
- 光纤长度对差分模延迟的影响
- 梯度折射率光纤的优化及其局限性
- 少模光纤与梯度折射率光纤的差分群延迟对比
- 差分模延迟的应用考量
多模光纤中的模间色散及其对传输带宽的影响
在多模光纤中，不同模式的群速度通常是不同的，导致给定长度的光纤中存在模依赖的群延迟。这种模间色散现象通常限制了多模光纤通信系统中可实现的传输带宽（数据速率）。
模间色散的量化：差分模延迟
在电信光纤中量化模间色散时，通常会指定差分模延迟（DMD），它通常被理解为在测试光纤的一定长度内，短信号脉冲的最大和最小时间延迟（群延迟）之间的差异。必须在严格标准化的条件下进行测量，例如使用带宽受限的超短脉冲，其脉冲持续时间远低于DMD结果。脉冲应处于特定光学中心波长的衍射极限光束中，并且应针对光纤芯径横截面的不同径向位置测量时间延迟。已经开发了专门的DMD分析工具来进行此类测量。
特定模式之间的模延迟差异
在某些情况下，考虑两个特定模式之间的模延迟差异。这种情况下，可能出现正负结果；实际上，可以设计光纤，例如使LP11模式具有高于或低于LP01模式的群速度，或者由于光纤制造过程中光纤参数的不受控变化，这种差异甚至可能改变符号。
光纤长度对差分模延迟的影响
对于沿整个长度的光纤属性保持恒定的情况，群延迟的总差异与光纤长度成正比。因此，差分模延迟通常以皮秒每千米（ps/km）为单位指定，例如。其值可以显著依赖于光学波长。
梯度折射率光纤的优化及其局限性
梯度折射率光纤可以针对小的差分模延迟进行优化，但这通常只在相当有限的波长范围内实现。这限制了波分复用的应用。然而，有特殊的宽带多模光纤，其在更宽的波长范围内实现了低差分模延迟，例如宽度为100纳米。
少模光纤与梯度折射率光纤的差分群延迟对比
具有阶梯折射率剖面的少模光纤的典型差分群延迟为每米几皮秒（ps/m），而梯度折射率光纤则可以制造出远低于1 ps/m的差分群延迟，在某些情况下甚至远低于0.1 ps/m = 100 ps/km。
差分模延迟的应用考量
最小化的差分模延迟并不适用于所有应用。例如，在基于低差分模延迟光纤的光纤光电通信系统中，诸如交叉相位调制之类的模间非线性效应可能会更加干扰。在某些情况下，人们使用具有相反差分模延迟符号的光纤序列，使得局部DMD相对较大，但是在长传输线上的群延迟总差异相对较小。
