正色散与负色散 – WaytoICT

不同波长的光在同一种光学材料中传播时，折射率随波长变化，导致传播速度不同，这种现象就是色散效应。

在之前的文章中，我们聊过“华工正源：1.6T 2FR4 硅光合分波方案”，里面提到布拉格光栅采用正色散设计。那什么是正色散呢？

通俗点来说，正色散就是长波长（红色光）的光跑得快、短波长（蓝色光）的光跑得慢，色散参数大于 0 。负色散反过来，长波（红色光）慢、短波（蓝色光）快，色散参数小于 0 。

同一种材料，既可以表现为正色散，也可以表现为负色散，其色散特性与工作波长和波导结构均相关。

举个常见的例子，普通单模光纤在 1310nm 附近接近零色散；波长小于 1310nm 为负色散，波长大于 1310nm 为正色散。

材料色散由光的纵向频率 / 波长特性决定，本质是同一种材料对不同波长的折射率不同，导致不同波长的光传播速度不同。

波导色散则由光的横向模场空间分布决定，因此也称为结构色散。不同波长的光，横向模场扩散到包层的比例不同，等效折射率随之变化，传播速度也因此不同。

对于普通光纤，纤芯与包层的折射率差极小，光场几乎不向外扩散，因此波导色散很弱，总色散由材料色散主导。

但对于硅 SOI 波导而言，波长越长，模场的空间尺度相对波导尺寸越大，光场越难被限制在纤芯内部，更多能量会渗透到低折射率的包层中；波长越短，模场尺度相对更小，更容易被束缚在波导芯内。

当芯包折射率差达到一定程度时，波导色散将占据主导。硅的折射率约为 3.5，包层 SiO₂的折射率约为 1.4，两者折射率差巨大，导致波导色散极强，且天生偏负。因此，硅波导整体表现出固有负色散。

所以华工正源 1.6T 2×FR4 硅光模块，用带正色散的多模布拉格光栅，补偿硅光波导的负色散。