模间色散

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定义:光在波导结构中传播时群速度与波导模式有关的现象。


模间色散(也称为模式色散)是光在多模光纤(或其它波导)中传播时的群速度不仅与光的频率有关(参阅色散),还与相应的传播模式有关。


图1为一个数值模拟结果,其中将200 fs的超短脉冲射入50 cm长的多模光纤,然后激发了多个模式。测量光纤的输出时,由于各个模式的群速度不同,它们到达光纤端口是时间不同。基模最先到达,因为其速度最大。

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图1:200 fs入射脉冲进入50 cm长的多模光纤后的输出功率随时间的变化。

模间色散的强度可以定量表示为微分模延迟(DMD)。它与光纤纤芯中和其附近的折射率分布密切相关。例如,对于阶跃折射率分布,高阶模式具有更低的群速度,这时得到的微分群延迟在 10 ps/m量级。这在一千米长的光纤链路中,数据速率很难实现几个Gbit/s。


在采用多模光纤光纤通信系统中,模间色散极大的制约了数据传输速率(比特率)。为了避免强的信号畸变,需要使脉冲足够长来保持不同模式间的时间交叠足够多,这样不可避免的也会限制数据速率。


最简单的消除模间色散的方法是在光纤链中采用单模光纤,但是也可以采用抛物线折射率分布的多模光纤使模间色散最小化。


参考文献

[1] R. Paschotta, tutorial on "Passive Fiber Optics", Part 10: Nonlinearities of Fibers and Part 12: Ultrashort Pulses



参阅:色散(dispersion)色散(chromatic dispersion)光纤多模光纤高阶模式