色散与带宽

衰减使脉冲变弱，色散使脉冲变宽。光的不同部分——不同模式、不同波长、不同偏振——传播速度略有差异，到达时间也略有先后，于是清晰的"1"会向相邻码元扩散。在低速率、短距离下这一点并不明显；在 10 Gb/s 传输 80 km 或 25 Gb/s 传输 100 m 多模光纤时，它就成为限制因素。本页说明三种色散、多模光纤的带宽-距离积、如何估算色散受限传输距离，以及模块与系统如何进行补偿。

三种色散

种类	成因	主要影响场景	典型量级
模式色散（模间）	不同模式各走不同路径	多模光纤	阶跃折射率光纤中约为 ns/km 量级；渐变折射率光纤约 0.1–0.5 ns/km；常以 MHz·km 表示的带宽描述
色度色散	玻璃的折射率与波长有关（材料色散），波导几何结构也带来自身的色散（波导色散）；光源的谱宽非零	1550 nm 单模；10G 以上的长距离链路	G.652 光纤在 1550 nm 处约 17 ps/(nm·km)；1310 nm 处 ≈ 0
偏振模色散（PMD）	因光纤不对称，两个偏振态的传播速度略有差异	长距离光纤上的 40G 以上 NRZ；老旧光纤	0.05–0.5 ps/√km

模式色散与多模带宽

多模光纤以 MHz·km 为单位的有效模式带宽（EMB）标定：即光纤响应下降 3 dB 处的频率乘以长度。带宽随长度增加而降低：

等级	850 nm 处 EMB	100 m 处带宽	300 m 处带宽
OM1	200 MHz·km	2 GHz	0.67 GHz
OM2	500	5 GHz	1.7 GHz
OM3	2 000	20 GHz	6.7 GHz
OM4	4 700	47 GHz	15.7 GHz

经验法则：NRZ 链路所需带宽 ≈ 0.7 × 比特率。10 Gb/s 需要约 7 GHz→OM3 可达约 285 m（标准给出 300 m）；25 Gb/s 需要约 17.5 GHz→理论上 OM4 可达约 270 m，但接收机的色散容限和 VCSEL 谱宽将标准值拉低到 100 m。由此得到传输距离表：

每通道速率	OM3	OM4	限制因素
1 Gb/s	550–1 000 m	550–1 100 m	衰减与带宽同等重要
10 Gb/s	300 m	400 m	模式带宽
25 Gb/s NRZ	70 m	100 m	模式色散 + 色度色散（VCSEL 谱宽）
50 Gb/s PAM4	70 m	100 m	同上，另加 PAM4 信噪比代价
100 Gb/s PAM4（802.3db）	—	50–100 m	配合 DSP 均衡

完整表格见传输距离表。入射条件（环围通量）已标准化，因此这些数值对实际 VCSEL 同样成立。

单模光纤上的色度色散

色散系数 D（每公里、每纳米光源谱宽对应的 ps 数）在标准 G.652 光纤中于 1 310 nm 附近过零，在 1 550 nm 处约为 +17 ps/(nm·km)。脉冲展宽：

Δt = D × Δλ × L

光源	谱宽 Δλ	该波长处 D 值	L	Δt	比特周期（10G ≈ 100 ps）
1310 nm DFB 激光器	0.1 nm（或 1 nm 处 −20 dB）	≈ 0–3 ps/(nm·km)	10 km	< 10 ps	无问题
1550 nm DFB，10G，DML	0.2 nm（啁啾使其变宽）	17	80 km	270 ps	过大——需要 EML（低啁啾）或 DCM
1550 nm EML，10G	有效谱宽约 0.1 nm	17	80 km	约 140 ps → 有代价但可接受	10GBASE-ZR
1310 nm 法布里-珀罗激光器	3–5 nm	3	2 km	20–30 ps	1G 无问题，10G 已接近临界
1300 nm LED（老式）	50–100 nm	3	2 km	300–600 ps	仅适用于 100 Mb/s
OM4 上的 850 nm VCSEL	0.5 nm RMS	850 nm 处约 −100 ps/(nm·km)	0.1 km	5 ps	25G 以上色度色散不可忽略

色散容限在数据手册中以 ps/nm 表示（例如 40 km ER 模块的 800 ps/nm = 17 × 40 × 约 1.2 nm）：链路的 D × L 必须低于该值（参见读懂数据手册）。

色散受限传输距离（NRZ，未补偿）

速率	G.652 上 1310 nm	G.652 上 1550 nm	备注
2.5 Gb/s	> 100 km	约 600–1 000 km	首先受衰减限制
10 Gb/s	约 40–60 km（受光源限制）	约 60–80 km（EML），约 10–20 km（DML）	这是 10G ER/ZR 采用 EML 的原因
25 Gb/s	10 km（25GBASE-LR）	约 10–15 km	1550 nm 的 25GBASE-ER 需要精心设计
40 Gb/s 串行	约 4 km	约 4 km	40G/100G 转向 4 × 10G/25G WDM 的原因
100 Gb/s 单波长 PAM4（DR/FR/LR1）	1310 nm 处 2–10 km	—	选择 1310 nm 是因为色散 ≈ 0；其余由 DSP 处理

经验法则：在光源谱宽固定的情况下，传输距离正比于 1/(比特率)²——速率翻倍，色散受限距离缩短为四分之一。

补偿与缓解措施

方法	应用场景	原理
选用 1310 nm	100G 以上的 DR/FR/LR	零色散窗口；代价是 0.35 dB/km 而非 0.2
低啁啾光源（EML、外调制器）	10G ER/ZR、10G DWDM	有效谱宽更窄（参见激光器）
色散补偿模块（DCM）	10G DWDM 链路	一段负色散光纤或光纤布拉格光栅抵消 D × L
色散位移/非零色散位移光纤（G.653/G.655）	老式长距离线路	1550 nm 处 D 为零或很小
电子色散补偿	10GBASE-LRM（主机端 EDC）、PAM4 DSP（FFE/DFE/MLSE）	均衡器以数字方式消除展宽（参见DSP）
相干检测 + DSP	100G–800G ZR/ZR+	色散完全在数字域补偿，可达数千 ps/nm（参见相干技术）
FEC	25G 以上	纠正色散导致的误码，而非阻止色散本身（参见FEC 与自动协商）

偏振模色散

光纤从不是完美的圆形；两个偏振轴感受到的折射率略有不同，脉冲因此分裂，分裂量为差分群时延，其随长度的平方根增长（随机模式耦合）。现代光纤：≤ 0.1 ps/√km → 100 km 上为 1 ps，对 40 Gb/s NRZ 以下无影响。老式（1995 年前）光纤：0.5–2 ps/√km，在 100 km 以上的 10G 链路上会出问题，也是相干 DSP 持续跟踪偏振的原因之一。

色散的表现

现象	含义
接收功率远高于灵敏度，却出现误码或无链路	色散（或反射）——问题不在功率（参见接收功率与链路预算）
同一光纤上 1G 正常，10G 失败	模式带宽不足（多模）或 1550 nm 处 DML 啁啾过大（单模）
10 km LR 模块正常，40 km ER 正常，ZR 勉强	色度色散逐渐累积
FEC 可纠错误码多，不可纠错误码少	色散引起的眼图闭合被部分纠正（参见VDM 与 FEC 指标）
标称"300 m"的 OM3 模块传输距离不足	环围通量不达标，或 OM3 被误标为 OM2

在 CodingBox 中

色散容限本身不存储在 EEPROM 中，但能预示它的字段有：波长（1310 还是 1550）、由合规代码判断的激光器类型（SR VCSEL、LR DFB、ER EML），以及厂商为 OM3/OM4/SMF 标定的长度字段。CodingBox 会显示这些字段，因此"这个 1550 nm 模块为什么跑不了 80 km"这类问题就有数据可依据（参见 Check transceiver）。

高发射功率下的另一种限制——自相位调制与交叉相位调制、四波混频、受激布里渊散射和受激拉曼散射，以及色散为何反而能抑制其中一些效应：非线性效应。

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