之前我们讲过光纤的损耗，还没看过的朋友可以翻阅本专栏的历史文章。损耗会导致光功率的不断减少，体现在信号波形上就是越来越矮，但信号形状保持不变。而色散会导致信号的畸变，也就是形状上的变化。色散主要包括：模式色散、模内色散、偏振模色散、高阶色散效应等，他们共同作用就会导致传输光信号形状上的畸变。这种畸变可以用叫做群速度的参数来定量描述。群速度可以理解为：1. 光功率传播的速度。2. 光信号包络的传播速度。
色散的分类
模式色散。只出现在多模光纤中，不同的模式在相同波长处的群速度不同。所以导致不同模式的传播速度不同。
模内色散。从名字就可以看出，与模式色散相比，模内色散是只针对一个模式自身而说的。也是单模光纤中最重要的部分。模内色散会导致传输光信号的脉冲展宽。这是由于光源发射的光不是单一波长，有一定的带宽。而群速度是波长的函数，所以有一定带宽光信号的不同波长分量，在光纤中的传播速度是不同的，导致了信号的畸变。单模激光器的谱宽典型值为 1 0 − 4 n m 10^{-4}nm 10−4nm。模内色散由材料色散和波导色散组成。 材料色散是由折射率随波长变化，导致有带宽光波的不同波长成分传输速度不同，引起脉冲的展宽。波导色散是由于短波长的光功率多通过纤芯传输，长波长的光功率多通过包层传输。而包层的折射率低于纤芯，所以包层中的光功率传输较快，造成了信号的畸变。我们常说的色散，一般指的是色度色散。
偏振模色散。在单模光纤中，任意波长的光信号能量实际上占用了两个正交的偏振态。由于沿光纤方向材料的不均匀，两个偏振态之间会有微小的折射率差，每个偏振态的传播速度会有微小的不同。两个偏振态之间传播时间的不同会造成脉冲展宽。
本文我们关注模内色散，偏振模色散的相关理论会在后续文章中涉及到。
色散的起因
光波通过光纤进行传输实质上是电磁波通过电介质的过程，当电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与光波频率有关，我们称这种特性为色度色散。这实际上反映了折射率是频率的函数。
光在真空中传播的速度为 c c c，我们称电磁波在空间中的传输速度为相速度。注意，相速度不是相位的变化速度，相位的变化速度是角频率的概念。而光在介质中的相速度为 c / n c/n c/n，其中 n n n 是介质的折射率。介质对于不同频率的光反映出的折射率是不同的，比如玻璃在可见光波长范围内折射率在 1.4~2.8 区间。我们知道波长与频率之间的关系为 λ = c / f \lambda=c/f λ=c/f，这是说的在真空中，如果在介质中，由于折射率的存在， λ = v / f \lambda=v/f λ=v/f。而传播常数 β \beta β 与波数 k k k 的概念相同， β = 2 π / λ \beta=2\pi/\lambda β=2π/λ。将上面的公式整合可以得到， β = ω / v \beta=\omega/v β=ω/v。传播常数的含义是传播单位距离相位的变化量，如果收发端距离为 z z z，那么从一个初相为 θ \theta θ 的波，到达接收端时的相位就是 θ + β z \theta+\beta z θ+βz。而传输 z z z 的长度所需要的时间是 Δ t = z / v \Delta t=z/v Δt=z/v，在此时间内，发送端信号是保持振动的，它的相位已经变成了 θ + ω ⋅ z / v \theta+\omega \cdot z/v θ+ω⋅z/v。由前面 β = ω / v \beta=\omega/v