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词条 群速度色散
释义

群速度色散(GVD,group velocity dispersion) 在高速大容量的光纤通信中,由于光纤介质表现出非线性,光脉冲包络的形状会发生变化,这种影响光信号接收的变化就称为群速度色散,群速度色散会引起传输波形的展宽。

色散包括相速度色散和群速度色散,相速度色散是色散的一阶效应,而群速度色散是色散的二阶效应。由于不同频率的光在同一介质中的折射率是不一样的,于是不同频率的光的相速度也不一样,这就色散。这就相当于本来在同一起跑线一起跑的人,由于各人的速度不一样,逐渐的大家就不再在同一直线上了。要理解群速度这个概念就必须了解什么是波包。波包相当于是由多种频率的光组成的具有一定形状的光波的集合。波包最大振幅处的传播速度就是群速度。前面提到,在介质中由于不同频率的光的相速度也不一样,于是波包的形状会发生变化,这就是群速度色散,也称之为群速弥散。群速度只有在群速弥散效应非常小的情况下才有意义,如果群速弥散效应非常大,波包可能很快就会解体,这时的群速度也就没有意义了。要使群速弥散效应非常小,就必须使得波包的频宽非常小。

一般光学定义的色散(dispersion)是根据牛顿白光经过棱镜散开实验定义的,数学上表述是:只要有折射率是波长的函数,即只要n=n(Lamda)——折射率是随波长变化,就说介质是色散介质。还有光栅的衍射角与波长也有关,类似棱镜可以将复色光分散开,叫色散元件。对于介质,dn/dLama不等于零就叫色散介质,并且根据这个微商<0或>0分别叫正常色散与反常色散(nornal diispersion & abnormal dispersion).而楼主提到的色散,显然是群速色散(group velocity dispersion GVD)。它的定义是波数k对频率w的倒数不为零,等价于折射率对频率(或波长)的二次导数不等于零才有GVD,并且k对于频率的二次导数>0为正常色散,反之是反常色散。显然二者概念有关系,但是不是一个概念。很容易混淆。群速度定义为1/波数k对频率的一阶导数,即dk/dw=1/vg,而GVD的正常色散条件为d^2k/dw^2>0,等价于d^2(1/vg)/dw^2>0。一般色散的反常色散区对应吸收区,在这个小频率区域,有强烈吸收,介质对该频率不透明。而GVD的反常色散不是吸收区,介质对这个区域的频率仍然是透明的。

对于传播常数k,dk/dw不为零,其倒数为群速度。d^2k/dw^2不为零,存在二阶色散。如果介质不是色散介质,其色散关系为k正比于w,此时相速度w/k与群速度相同,且d^2k/dw^2=0,不存在二阶色散,即不存在GVD。波包不会展宽。因此波总是有群速度。但是有无GVD由介质的色散关系,即k与w的关系决定。比如真空中不存在GVD。

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更新时间:2024/11/16 14:22:30