[科普中國]-色散

色散是復色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象。色散可以利用棱鏡或光柵等作用為色散系統(tǒng)的儀器來實現(xiàn)。如復色光進入棱鏡后，由于它對各種頻率的光具有不同折射率，各種色光的傳播方向有程度的偏折，因而在離開棱鏡時就各自分散，形成光譜。例如太陽光通過三棱鏡后，產生自紅到紫循序排列的彩色連續(xù)光譜。復色光通過光柵或干涉儀時，由于光的衍射和干涉作用，也能使各種色光分散。從廣泛的意義上來說，色散不僅指光波分解成頻譜，而且任何物理量只要隨頻率(或波長)而變，都稱色散，例如旋光色散等。

基本概念材料的折射率隨入射光頻率的改變而改變的性質，稱為“色散”。光的色散分為正常色散和反常色散。隨著光波長增大介質折射率減小的色散稱為正常色散，反之隨著波長的增大介質折射率增大的現(xiàn)象稱為反常色散。右圖為幾種光學材料的色散曲線。色散可通過棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實現(xiàn)。如一細束陽光可被棱鏡分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光。這是由于復色光中的各種色光的折射率不相同。當它們通過棱鏡時，傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開棱鏡則便各自分散。

定義色散能夠給人們帶來美麗的彩虹，但是如果色散發(fā)生在光通信系統(tǒng)中，就沒有那么美好了。盡管色散的概念是從光的色散現(xiàn)象提出來的，但色散的含意遠超出了光在介質中傳播的范疇，它涉及了介質中集體激發(fā)的各個領域。例如格波的頻率與其波矢的關系稱格波的色散關系。光波與長光學橫波耦合而產生的極化激元（電磁耦合場量子）的頻率與其波矢之間的關系稱極化激元的色散關系。磁激子（自旋波量子）的能量子與其自旋波波矢的關系構成了磁激子的色散關系。另外色散概念也用于量子場論中。也可用于描述傳播參數(shù)與波長之間的關系。在光纖中的色散由材料色散、波導色散、 折射率分布色散等組成，會引起傳輸信號的失真。

在“損耗”術語中，我們了解到，色散是光纖傳輸中的損耗之一。隨著光纖制造工藝的不斷提高，光纖損耗對光通信系統(tǒng)的傳輸距離不再起主要限制作用，色散上升為首要限制因素之一。當光纖的輸入端光脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸以后，在光纖輸出端，光脈沖波形發(fā)生了時域上的展寬，這種現(xiàn)象即為色散。以單模光纖中的色散現(xiàn)象為例，色散將導致碼間干擾，在接收端將影響光脈沖信號的正確判決，誤碼率性能惡化，嚴重影響信息傳送。

單模光纖中的色散主要由光信號中不同頻率成分的傳輸速度不同引起，這種色散稱為色度色散。在色度色散可以忽略的區(qū)域，偏振模色散也成為單模光纖色散的主要部分。

類別色度色散1、色度色散簡介：色度色散包括材料色散和波導色散1。材料色散：由于光纖材料石英玻璃對不同光波長的折射率不同，而光源具有一定的光譜寬度，不同的光波長引起的群速率也不同，從而造成了光脈沖的展寬。波導色散：對于光纖的某一傳輸模式，在不同的光波長下的群速度不同引起的脈沖展寬。它與光纖結構的波導效應有關，因此也被成為結構色散。

這兩種色散中，哪一種占主導地位？材料色散大于波導色散。根據(jù)色散的計算公示，在某一特定波長位置上，材料色散有可能為零，這一波長稱之為材料的零色散波長。幸運的是，該波長恰好位于1310 nm附近的低損耗窗口，如G.652就是零色散光纖。

盡管光器件受色散的影響很大，但存在一個可以容忍的最大色散值（即色散容納值）。只要產生的色散在容限之內，仍可保證正常的傳輸。

2、色度色散的影響：色度色散主要會造成脈沖展寬和啁啾效應。脈沖展寬是光纖色散對系統(tǒng)性能的影響的最主要的表現(xiàn)。當傳輸距離超過光纖的色散長度時，脈沖展寬過大，這時，系統(tǒng)將產生嚴重的碼間干擾和誤碼。色散不僅使脈沖展寬，還使脈沖產生了相位調制。這種相位調制使脈沖的不同部位對中心頻率產生了不同的偏離量，具有不同的頻率，即脈沖的啁啾效應（Chirp）。

啁啾效應將使光纖劃分為正常色散光纖和反常色散光纖。正常色散光纖中，脈沖的高頻成分位于脈沖后沿，低頻成分位于脈沖前沿；反常色散光纖中，脈沖的低頻成分位于脈沖后沿，高頻成分位于脈沖前沿。在傳輸線路中，合理使用兩種光纖，可以抵消啁啾效應，消除脈沖的色散展寬。

3、如何消除色度色散對DWDM系統(tǒng)的影響：

對于DWDM系統(tǒng)，由于系統(tǒng)主要應用于1550nm窗口，如果使用G.652光纖，需要利用具有負波長色散的色散補償光纖（DCF），對色散進行補償，降低整個傳輸線路的總色散。

偏振模色散偏振模色散（PMD）是存在于光纖和光器件領域的一種物理現(xiàn)象。

單模光纖中的基模存在兩個相互正交的偏振模式，理想狀態(tài)下，兩種偏振模式應當具有相同的特性曲線和傳輸性質，但是由于幾何和壓力的不對稱導致了兩種偏振模式具有不同的傳輸速度，產生時延，形成PMD，如下圖所示。PMD的單位通常為ps/km。

圖二

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)，PMD將導致脈沖分離和脈沖展寬，對傳輸信號造成降級，并限制載波的傳輸速率。

PMD與其他色散相比，幾乎可以忽略，但是無法完全消除，只能從光器件上使之最小化。脈沖寬度越窄的超高速系統(tǒng)中，PMD的影響越大。

波導色散發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。在單模光纖中，通過改變光纖內部結構來改變光纖的色散非常重要。復合光通過三棱鏡等分光器被分解為各種單色光的現(xiàn)象，叫做光的色散。分開的單色光依次排列而成的光帶叫做光譜。各種顏色的光在真空中都以恒定的速度 傳播；而在介質中，光波的傳播速度要減?。欢也煌ㄩL的光波，傳播速度也各不相同。因此，同一介質對不同的單色光折射率是不同的，紅色光的折射率最小，紫色光的折射率最大。介質折射率隨光波頻率或真空中的波長而變的現(xiàn)象。當復色光在介質界面上折射時，介質對不同波長的光有不同的折射率，各色光因折射角不同而彼此分離。1672年，牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實驗。通常用介質的折射率n或色散率dn/dλ與波長λ的關系來描述色散規(guī)律。任何介質的色散均可分正常色散和反常色散兩種。

復色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象．讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡折射以后就在另一側面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙黃綠藍靛，這樣的光帶叫光譜．光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱它為單色光．由單色光混合而成的光叫復色光．自然界中的太陽光、白熾電燈和日光燈發(fā)出的光都是復色光．在光照到物體上時，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。如果物體是透明的，還有一部分透過物體。不同物體，對不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。

正反色散1936年科希研究了材料在可見光區(qū)的折射率，將色散曲線表示為

此式稱為科希公式，式中的a、b、c表征材料的特征的常數(shù)。我們把符合這一規(guī)律的色散稱為正常色散，否則稱為反常色散。一般來說，材料在吸收帶附近，折射率均會發(fā)生突變（如圖所示），顯示出反常色散。

光纖的色散光纖的色散，其可以被形容為一種脈沖拓寬現(xiàn)象，具體指的是不同模式分量、不同頻率下的光信號，或是光脈沖，出現(xiàn)在光線中，保持不同的傳輸速度并傳輸一定距離后，出現(xiàn)信號失真現(xiàn)象。通常情況下，我們將光纖的色散劃分為三種，第一種是模式色散，第二種是材料色散，第三種是波導色散。就模式色散來說，是在不同的模式傳輸時，如果光具有相同的波長，切分量但是不同，并引起的群速不同，最終造成的色散；就材料色散來說，這主要是因為材料自身的因素影響，導致光的折射率出現(xiàn)差異，引起的群速不同，最終造成的色散；最后的波導色散，主要是在單模式光傳輸下，其寬度頻帶不變，切分量存在差異而最終造成的色散。波導色散、材料色散，也被一并的成為色度色散，模式色散主要在多模光纖當中出現(xiàn)。色散，對于光纖的信息傳輸具有很大的影響，其與光纖帶寬距離積之間，呈反比的關系，如果色散越大的話，帶寬距離積自然就會變得越小，為此我們就需要應用到補償原理，來對光纖信息傳輸進行優(yōu)化，確保其傳輸質量。

色散的認識在光學發(fā)展的早期，對顏色的解釋顯得特別困難．在牛頓以前，歐洲人對顏色的認識流行著亞里士多德的觀點．亞里士多德認為，顏色不是物體客觀的性質，而是人們主觀的感覺，一切顏色的形成都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的結果．1663年波義耳也曾研究了物體的顏色問題，他認為物體的顏色并不是屬于物體的帶實質性的性質，而是由于光線在被照射的物體表面上發(fā)生變異所引起的．能完全反射光線的物體呈白色，完全吸收光線的物體呈黑色．另外還有不少科學家，如笛卡兒、胡克等也都討論過白光分散或聚集成顏色的問題，但他們都主張紅色是大大地濃縮了的光，紫光是大大地稀釋了的光這樣一個復雜紊亂的理論。所以在牛頓以前，由棱鏡產生的折射被假定是實際上產生了色散，而不是僅僅把已經(jīng)存在的色分離開來。

（1）設計并進行三棱鏡實驗當白光通過無色玻璃和各種寶石的碎片時，就會形成鮮艷的各種顏色的光，這一事實早在牛頓的幾個世紀之前就已有了解，可是直到十七世紀中葉以后，才有牛頓通過實驗研究了這個問題．該實驗被評為“物理最美實驗”之一。

牛頓首先做了一個有名的三棱鏡實驗，他在著作中記載道：“1666年初，我做了一個三角形的玻璃棱柱鏡，利用它來研究光的顏色．為此，我把房間里弄成漆墨的，在窗戶上做一個小孔，讓適量的日光射進來．我又把棱鏡放在光的入口處，使折射的光能夠射到對面的墻上去，當我第一次看到由此而產生的鮮明強烈的光色時，使我感到極大的愉快．”牛頓的實驗設計如下圖：通過這個實驗，在墻上得到了一個彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫．牛頓把這個顏色光斑叫做光譜．

（2）進一步設計實驗，獲得純光譜

牛頓在上述實驗中所得到的光譜是不純的，他認為光譜之所以不純是因為光譜是由一系列相互重疊的圓形色斑的像所組成．牛頓為了獲得很純的光譜，便設計了一套光學儀器進行實驗，其實驗設計如圖所示：

用白光通過一透鏡后照亮狹縫S，狹縫后放一會聚透鏡（凸透鏡）以便形成狹縫S的像s‘．然后在透鏡的光路上放一個棱鏡．結果光通過棱鏡因偏轉角度不同而被分開，以至在白色光屏上形成一個由紅到紫的光譜帶．這個光譜帶是由一系列彼此鄰接的狹縫的彩色像組成的．若狹縫做得很窄，重疊現(xiàn)象就可以減小到最低限度，因而光譜也變得很純．

（3）牛頓提出解釋光譜的理論

牛頓為了解釋三棱鏡實驗中白光的分解現(xiàn)象，認為白光是由各種不同顏色光組成的，玻璃對各種色光的折射率不同，當白光通過棱鏡時，各色光以不同角度折射，結果就被分開成顏色光譜．白光通過棱鏡時，向棱鏡的底邊偏折，紫光偏折最大，紅光偏折最?。忡R使白光分開成各種色光的現(xiàn)象叫做色散．嚴格地說，光譜中有很多各種顏色的細線，它們都及平滑地融在相鄰的細線里，以至使人覺察不到它的界限．

（4）設計實驗驗證上述理論的正確性

為了進一步研究光的顏色，驗證上述理論的正確性，牛頓又做了另一個實驗．實驗設計如圖所示：

牛頓在觀察光譜的屏幕DE上打一小孔，再在其后放一有小孔的屏幕de，讓通過此小孔的光是具有某種顏色的單色光．牛頓在這個光束的路徑上再放上第二個棱鏡abc，它的后面再放一個新的觀察屏V．實驗表明，第二個棱鏡abc只是把這個單色光束整個地偏轉一個角度，而并不改變光的顏色．實驗中，牛頓轉動第一個棱鏡ABC，使光譜中不同顏色的光通過DE和de屏上的小孔，在所有這些情況下，這些不同顏色的單色光都不能被第二個棱鏡再次分解，它們各自通過第二個檢鏡后都只偏轉一定的角度，而且發(fā)現(xiàn)，對于不同顏色的光偏轉的角度不同．

通過這些實驗，牛頓得出結論：白光能分解成不同顏色的光，這些光已是單色的了，棱鏡不能再分解它們．

（5）單色光復合為白光的實驗

白光既然能分解為單色光，那么單色光是否也可復合為白光呢”為此牛頓進行實驗．如圖55所示，把光譜成在一排小的矩形平面鏡上，就可使光譜的色光重新復合為白光．調節(jié)各平面鏡與入射光的夾角，使各反射光都落在光屏的同一位置上，這樣就得到一個白色光班．

牛頓指出，還可以用另一種方法把色光重新復合為白光．把光譜畫在圓盤上成扇形，然后高速旋轉這個圓盤，圓盤就呈現(xiàn)白色．這種實驗效果一般稱為“視覺暫留效應”．眼睛視網(wǎng)膜上所成的像消失后，大腦還可以把印象保留零點幾秒種．從而，大腦可將迅速變化的色像復合在一起，就形成一個靜止的白色像．在電視屏幕上或電影屏幕上，我們能夠看到連續(xù)的圖像，其原因也正在于利用了人的“視覺暫留效應”．

（6）牛頓對光的色散研究成果．

牛頓通過一系列的色散實驗和理論研究，把結果歸納為幾條，其要點如下：

①光線隨著它的折射率不同而顏色各異．顏色不是光的變樣，而是光線本來就固有的性質．

②同一顏色屬于同一折射率，反之亦然．

③顏色的種類和折射的程度為光線所固有，不因折射、反射和其它任何原因而變化．

④必須區(qū)別本來單純的顏色和由它們復合而成的顏色．

⑤不存在自身為白色的光線．白色是由一切顏色的光線適當混合而產生的．事實上，可以進行把光譜的顏色重新合成而得到白光的實驗．

⑥根據(jù)以上各條，可以解釋三棱鏡使光產生顏色原因與虹的原理等．

⑦自然物的顏色是由于該物質對某種光線反射得多，而對其他光線反射得少的原因．

⑧由此可知，顏色是光（各種射線）的質，因而光線本身不可能是質．因為顏色這樣的質起源于光之中，所以如今有充分的根據(jù)認為光是實體．

（7）牛頓對于光的色散現(xiàn)象的研究方法的特點。

從以上可看出牛頓在對光的色散研究中，采用了實驗歸納——假說理論——實驗檢驗的典型的物理規(guī)律的研究方法，并滲透著分析的方法（把白光分解為單色光研究）和綜合的方法（把單色光復合為白光）等物理學研究的方法．

光的色散說明了光具有波動性。因為色散是光的成分（不同色光）折射率不同引起的，而折射率由波的頻率決定。光具有粒子性最典型的例子就是光電效應。

色散補償科學界對群時延畸變的研究已有很長歷史，群時延畸變的本質是因為信號的傳輸速度（波前速度）和包絡的傳播速度（群速度）不相等。當群速度小于波前速度時，信號包絡表現(xiàn)為后向畸變；反之，當群速度大于波前速度時（負群速度），信號包絡表現(xiàn)為前向畸變。早在1914年，LBrillouin等提出波前速度是信號的傳輸速度，并且始終等于光速。1960年，LBrillouin提出群速度并非一直是信息的傳播速度，因此群速度的超光速現(xiàn)象符合相對論。2006年，G. Ding等人利用人工電磁媒質的反常色散區(qū)，仿真觀察到信號的負群速效應。2013年，D. Ye首次物理觀測到負群速度效應。2015年，D. Ye首次物理證實波前速度是信號的傳輸速度，并且通過負群速度的前向畸變和正群速度的后向畸變論證包絡畸變的本質。上述工作，揭示色散補償?shù)年P鍵在于獲得反常色散。Dmde- Lorentz色散模型雖然存在反常色散區(qū)域，但由于Krammers-Kroning關系的約束，使其帶寬較窄并伴隨較大損耗。因此，人工電磁媒質在色散補償領域的應用受到一定限制。而理想non-Foster元件具有在全頻帶內存在反常色散的特點，因此它被廣泛應用到天線和人工電磁媒質的色散補償。自1920年，J.Merrill提出non-Foster元件的概念以來，已經(jīng)發(fā)展出多種形式的non-Foster元件。比如：1953年，J. G. Linwill首次利用晶體管實現(xiàn)接地型non-Foster元件；1957年，A . I . Larky等利用三極管實現(xiàn)電流反轉型non-Foster元件；1972年，A.Antoniou利用差分輸入、單端輸出的三端口網(wǎng)絡實現(xiàn)浮地型non-Foster元件。實現(xiàn)non-Foster元件的方法都是基于負阻抗變換器，利用晶體管構造反饋回路，在輸出端實現(xiàn)等效的負阻抗。利用non-Foster元件補償色散畸變一直是研究熱點。比如：2009年，S. E. Sussman-Fort等人利用食電容抵消電小天線自身阻抗的電抗值，實現(xiàn)工作帶寬的展寬和信噪比的提高；2014年，F(xiàn)eiGao利用non-Foster元件對傳輸信號在人工介電媒質中的反射波進行補償。在光纖通信領域已有多種手段進行群時延畸變補償，如色散補償光纖、啁啾光纖光柵等等。這些方法的本質都是利用反常色散獲得超前群時延效應從而抵消正常色散的落后群時延效應。然而在微波領域，并沒有很好的方式來實現(xiàn)信號包絡畸變的色散補償，成熟的技術有數(shù)字補償。不僅是因為自然媒質的反常色散帶幾乎處于光學頻段，并且很難利用人工電磁煤質獲得較寬反常色散區(qū)域的現(xiàn)實；同時，又因為non-Foster元件的電路結構限制其只能并聯(lián)接入電路，利用non-Foster元件進行色散補償?shù)姆椒ㄊ冀K停留在對反射波進行色散補償?shù)膶用?。

傳統(tǒng)的聲光偏轉器的色散補償方法利用的原理是使用另一個色散器件提供符號相反的色散量以補償聲光偏轉器的色散。但是局限性在于其提供的色散量是一個常量，而聲光偏轉器的色散是隨著驅動頻率的變化而變化的。因此傳統(tǒng)的色散補償方法僅能對聲光偏轉器的特定工作頻率點進行補償，在其他工作頻率無法良好補償色散，在其他工作頻率處光束質量達不到衍射極限。本章提出了一種利用高色差的開普勒望遠鏡補償聲光偏轉器色散的新方法，可以在聲光偏轉器的整個工作頻率范圍內對色散進行補償。聲光偏轉器的角色散已有多種補償方法，但這些方法或者只能補償中心頻率的色散，例如采用棱鏡、光柵或另一個聲光偏轉器實現(xiàn)補償；或者存在其他局限性，例如衍射器件存在工作波長單一、通光效率不高、干擾級次影響成像質量、加工成本高的問題。傳統(tǒng)色散補償器件是棱鏡和光柵，以棱鏡為例，使棱鏡產生與聲光偏轉器工作在中心頻率狀態(tài)下的色散相反等大的角色散，即可實現(xiàn)一定程度上的補償，但仍存在殘余色散3。

本詞條內容貢獻者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農林科技大學