Розрізняють модову дисперсію, яка зумовлена великою кількістю мод в оптичних волокнах , а також хроматичну дисперсію, пов'язану з некогерентністю джерел випромінювання, що реально працюють у певному спектрі довжин хвиль.
Розглянемо поширення багатомодового світлового променя вздовж світловоду. В даному випадку є дві моди, два промені. Перший поширюється вздовж поздовжньої осі світловоду, тоді як другий відбивається від меж розділу середовищ. Таким чином шлях проходження другого світлового променя буде більшим, ніж першого. У результаті, коли ці два промені, що переносять електромагнітну енергію, складаються разом, похилий промінь у порівнянні з аксіальним променем має тимчасове запізнення, яке розраховується за такою формулою:
c
– швидкість поширення світла
l
– довжина оптичного волокна
n
1
,
n
2
– коефіцієнти заломлення сердечника та оболонки
Модова дисперсія градієнтних оптичних волокон, як правило, на два порядки нижче, ніж у волоконних світловодів із ступінчастим профілем показника заломлення. За рахунок плавної зміни показника заломлення осердя волоконного світловоду зменшується шлях проходження другого променя вздовж волокна. Внаслідок чого зменшується час запізнення другого променя щодо першого.
В одномодових оптичних волокнах модова дисперсія відсутня та збільшення тривалості імпульсу визначається хроматичною дисперсією, яка, у свою чергу, поділяється на матеріальну та хвилеводну.
Матеріальною дисперсією називають явище залежності абсолютного показника заломлення речовини n від довжини хвилі світла ( n = ϕ λ() ). Хвильоводна дисперсія визначається залежністю коефіцієнта фази β від частоти ( β=ϕ ω() ).
Поширення імпульсу за рахунок хроматичної дисперсії розраховується за такою формулою:
τ
m
– розширення імпульсу з допомогою матеріальної дисперсії, пс;
τ
B
– розширення імпульсу з допомогою хвилеводної дисперсії, пс;
∆λ
– ширина спектра джерела випромінювання, нм;
М(λ)
– коефіцієнт питомої матеріальної дисперсії, пс/нм·км;
В(λ)
– коефіцієнт питомої хвилеводної дисперсії, пс/нм·км.
Розглянемо дію матеріальної та хвилеводної дисперсій в одномодовому волокні. Як очевидно з графіка, зі збільшенням довжини хвилі матеріальна дисперсія зменшується, але в довжині хвилі 1,31 мкм стає дорівнює нулі. Довжина хвилі у разі вважається довжиною хвилі нульової дисперсії. При цьому понад 1,31 мкм дисперсія стає негативною. Хвильова дисперсія незміщених волокон є відносно невеликою величиною і знаходиться в області позитивних чисел. При створенні оптичних волокон зі зміщеною дисперсією, основу якої перебуває хвилеводна компонента, намагаються компенсувати матеріальну дисперсію в довгохвильову область, тобто. до третього вікна прозорості (? = 1,55 мкм). Даний зсув здійснюється зменшенням діаметра серцевини, збільшенням ∆ та використанням трикутної форми профілю показника заломлення серцевини.
При поширенні поляризованої світлової хвилі вздовж оптичного волокна виникає поляризаційна дисперсія. Світлова хвиля з погляду хвильової теорії являє собою магнітне і електричне поля, що постійно змінюються, вектор яких розташований перпендикулярно поширенню електромагнітної (світлової) хвилі. Прикладом світлової хвилі може бути природне світло, у якого напрямок електричного вектора змінюється випадковим чином. Якщо монохроматичне випромінювання і вектори коливаються з деякою постійною частотою, то їх можна представити у вигляді суми двох взаємно перпендикулярних складових х і у. Ідеальне оптоволокно є ізотропним середовищем, в якому електромагнітні властивості є однаковими у всіх напрямках, наприклад, показники заломлення. Середовище з різними показниками заломлення у двох ортогональних осях x і y називається двопроменювальною. При цьому волокно в даному випадку, як і раніше, залишається одномодовим, оскільки дві ортогонально поляризовані моди мають одну і ту ж постійну розповсюдження. Але це справедливо лише для ідеального оптичного волокна.
У реальному оптичному волокні дві ортогонально поляризовані моди мають неідентичні постійні розповсюдження, унаслідок чого з'являється тимчасова затримка та відбувається розширення оптичного імпульсу.
Поширення імпульсу з допомогою поляризаційної модової дисперсії (PMD) розраховується за такою формулою:
Таким чином, поляризаційна модова дисперсія проявляється виключно в одномодових оптичних волокнах з нециркулярною (еліптичною) серцевиною і за певних умов стає порівнянною з хроматичною. Тому результуюча дисперсія одномодового оптичного волокна визначається такою формулою:
Дисперсія суттєво обмежує пропускну здатність волоконних світловодів. Максимальна ширина смуги пропускання на 1 км оптичної лінії приблизно розраховується за формулою:
τ - розширення імпульсу, пс/км.
