空芯光纖與實(shí)芯光纖的區別

多模光纖與單模光纖目前基本指的都是實(shí)芯光纖（拓展知識：光纖怎么區分單模多模），在涂覆層里包裹的是一根實(shí)芯玻璃絲，而空芯光纖則是在涂覆層里包裹的是一根結構十分復雜的“中空”玻璃管。

（左）實(shí)芯光纖，（右）空芯光纖

空芯光纖與實(shí)芯光纖的區別以及共同點(diǎn)

二者都是用玻璃拉制而成的纖維，目的都是實(shí)現單模傳輸且極力避免高階模的產(chǎn)生，這是主要的共同點(diǎn)。

區別之1，二者的光學(xué)傳輸原理不同。

 實(shí)芯光纖是基于“全反射”原理，光被限制在高折射率區域。

實(shí)芯光纖基于全反射原理實(shí)現傳輸，光場(chǎng)位于高折射率區。

而空芯光纖希望將光限制在“空氣”中，空氣的折射率比玻璃低，不能利用全反射原理，早期是通過(guò)光子晶體結構將光限制在中空位置，現在采用“反諧振”或者“抗諧振”原理把光限制在中空結構中的。

空芯光纖的光場(chǎng)位于中空低折射率區

空芯光纖有各種各樣的結構設計

空芯光纖利用等效“光柵反射”原理將光反射回到中空位置，且工作波長(cháng)的選擇需要考慮避開(kāi)光柵的諧振頻點(diǎn)，所以叫“反諧振”原理。

如下圖黃色區域就可以做空芯光纖的工作波段，這段低損耗區間處于反諧振頻點(diǎn)，損耗較低。

避開(kāi)嵌套玻璃管“等效光柵”諧振高損耗區，選擇反諧振的低損耗工作波段

 光柵對特定波段具有反射特性，可將光反射回中空區域，形成傳輸區。 

空芯光纖利用等效光柵的反射原理將光限制在中空區

區別之二，二者的波動(dòng)速度不同。

 光的真空傳播速度是每秒三十萬(wàn)公里，在空氣中的速度約等于真空光速，在玻璃中的傳輸速度約等于每秒二十萬(wàn)公里。 

也就是空芯光纖的傳播速度更快，實(shí)芯光纖的傳播速度要慢一些。 

區別之3，二者的傳輸時(shí)延不同。

 由于二者傳輸速度不同，當然在同樣長(cháng)的光纖上，產(chǎn)生了不同的時(shí)延。 實(shí)芯光纖一公里的信號約有5μs時(shí)延。而空芯光纖傳輸一公里信號僅產(chǎn)生3.5μs時(shí)延。 

低時(shí)延在一些特殊場(chǎng)景里變得很重要，比如說(shuō)股票交易，你的信號只要比對手快就行，分秒必爭，微秒也能爭一爭。 還有現在的AI場(chǎng)景的光學(xué)組網(wǎng)，天天討論的就是如何降低時(shí)延，節約AI模型的訓練成本。 

區別之4，二者的工作波段不同。

 實(shí)芯光纖的工作波段是很明確的，基于玻璃這個(gè)材料的特性，還劃分了多模波段，單模的O波段，E波段，S波段，C波段和L波段，不同的波段有各自的損耗特性、色散特性、非線(xiàn)性特性等性能。 

且根據不同的波段的性能，形成了產(chǎn)業(yè)習慣的應用場(chǎng)景，比如C波段，L波段用在干線(xiàn)的比較多，而特別短的數據中心的柜間互聯(lián)用多模波段的比較多，接入網(wǎng)、城域網(wǎng)客戶(hù)側，以及數據中心的樓層或樓棟之間則常用O波段等波段。 

配合實(shí)現光纖的不同波段，還形成了各自的產(chǎn)業(yè)鏈，比如用于O波段的DFB激光器，用于C波段的可調諧激光器,用于O波段的強度調制技術(shù)，用于C波段的相位調制技術(shù)…… 

實(shí)芯光纖的工作波段劃分

對于空芯光纖而言，其工作波段是由中空套管的結構與材料設計而成的，換句話(huà)說(shuō)，想讓空芯光纖工作在哪個(gè)波段，就照此設計就行。 

現在對空芯光纖的研究還在繼續，尚未規模商用，所以經(jīng)常將工作波段設計的與實(shí)芯光纖一致，能方便的使用實(shí)芯光纖現在的這一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈，如光源、調制器、DSP、PD……. 

未來(lái)空芯光纖如果有可能大規模使用，且市場(chǎng)足以支撐配套技術(shù)的資源投入的話(huà)，就有可能啟動(dòng)定制化的與實(shí)芯光纖不一致的波長(cháng)。 

區別之5，二者的傳輸損耗不同。

 實(shí)芯光纖受限于玻璃材質(zhì)，會(huì )有瑞利散射損耗，結構損耗，水峰吸收損耗與紅外吸收損耗。水峰吸收損耗可以通過(guò)脫水來(lái)優(yōu)化，結構損耗可以不斷的優(yōu)化制造工藝降低這個(gè)損耗值?？傻?，瑞利散射損耗是波長(cháng)越短損耗越大，紅外吸收損耗則是波長(cháng)越長(cháng)損耗越大，瑞利散射損耗與紅外吸收損耗這兩個(gè)是玻璃造成的。 

實(shí)芯光纖的光在玻璃中傳輸的，我們盡量工作在瑞利散射損耗與紅外吸收損耗這倆曲線(xiàn)留給我的少得可憐的波段內，物理?yè)p耗的極限約0.14dB/km

實(shí)芯光纖的損耗

實(shí)芯光纖損耗中瑞利散射損耗與紅外吸收損耗是由玻璃中的分子引起，屬于本征損耗。 

而空芯光纖的光是在玻璃管的中空位置的，本質(zhì)上脫離了玻璃材料的限制，可以更低。實(shí)際上這兩年也有一些廠(chǎng)家真的將損耗做到了比實(shí)芯光纖物理極限的0.14dB/km更低。 

有空芯光纖的數據可以做到0.11dB/km，也有做到<0.1dB/km的。

2025年，空芯光纖可以做到比實(shí)芯光纖更低的損耗

空芯光纖的損耗更低，意味著(zhù)可以傳輸更長(cháng)的距離，這也是空芯光纖很重要的理論優(yōu)勢。 

區別之6，二者的色散系數不同。

實(shí)芯光纖有色散，也因此會(huì )導致傳輸產(chǎn)生色散代價(jià)，劣化傳輸性能。色散是光在介質(zhì)中傳播速度降低，且不同頻率的光在介質(zhì)中傳播速度降低的程度不同，從而導致傳輸時(shí)延。 

空芯光纖的光大部分在中空位置傳輸而非在玻璃介質(zhì)里傳輸，所以色散很小，這也是空芯光纖的優(yōu)勢。

區別之7，二者的非線(xiàn)性系數不同。

 傳統光纖的非線(xiàn)性效應是進(jìn)一步提高通信質(zhì)量的重要瓶頸，當光纖中的信號功率（入纖光功率）增大到一定程度時(shí)，光學(xué)信噪比OSNR（信號質(zhì)量的標定指標之一）并非一直隨功率的增加而增加，而是會(huì )隨增長(cháng)出現下降，信號隨之劣化。

入纖功率增大時(shí)非線(xiàn)性效應導致OSNR劣化

非線(xiàn)性效應與入纖功率P成正比，與光場(chǎng)有效面積Aeff成反比。實(shí)芯光纖的光場(chǎng)有效面積Aeff較低，大約在80-150平方微米。 

而空芯光纖的光場(chǎng)有效面積Aeff很大，某些設計可以達到~500平方微米，大幅度降低光纖的非線(xiàn)性效應，提高光信噪比，提高信號質(zhì)量，延長(cháng)傳輸距離。

空芯光纖與實(shí)芯光纖相比有很多不同的地方，在理論上具有低損耗，低色散，低時(shí)延，低非線(xiàn)性效應，成為大家關(guān)注空芯光纖的驅動(dòng)力。 

空芯光纖具有可設計的工作波長(cháng)，對于未來(lái)的應用來(lái)說(shuō)也有很強的關(guān)注度，比如把850nm這個(gè)波段用作單模波段，就可以不用高成本的InP材料，好像也挺好的。當然這也意味著(zhù)重塑上下游芯片產(chǎn)業(yè)鏈。 

空芯光纖目前的主要挑戰有幾個(gè)

 空芯光纖的制造工藝尚不成熟，目前僅能拉制幾公里到十幾公里的連續長(cháng)度，且中空結構內部的氣體在拉制過(guò)程中會(huì )有氣壓變化導致拉制結構變形，而結構變形則容易將單?？招竟饫w激發(fā)出多模，產(chǎn)生巨大的損耗。

空芯光纖制造過(guò)程容易激發(fā)管內模式導致?lián)p耗激增

空芯光纖如激發(fā)出高階模（管模）則損耗會(huì )從之前的0.1dB/km驟升到數百上千dB/km，無(wú)法實(shí)現通信的傳輸。 

空芯光纖通信系統的組建工藝尚不成熟，空芯光纖與傳統連接器、熔接、光源耦合等一系列的配套工藝不完全兼容，需要重建或優(yōu)化。 

空芯光纖的通信傳輸數學(xué)理論模型尚不成熟，實(shí)芯光纖雖然有各種各樣的損耗、色散和非線(xiàn)性效應，但產(chǎn)業(yè)數十年來(lái)針對這些傳輸特性建立了完善的通信數學(xué)理論模型，而空芯光纖的性能還在摸索，與之相關(guān)的通信數學(xué)公式是套用實(shí)芯光纖的模型只修改參數，還是重建模型，產(chǎn)業(yè)目前也沒(méi)有形成共識。

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