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空芯光纖與實(shí)芯光纖的區(qū)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(shí)：光纖怎么區(qū)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(jié)構(gòu)十分復(fù)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(qū)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(xiàn)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(qū)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(qū)域。

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

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(jié)構(gòu)將光限制在中空位置，現(xiàn)在采用“反諧振”或者“抗諧振”原理把光限制在中空結(jié)構(gòu)中的。

空芯光纖的光場(chǎng)位于中空低折射率區(qū)

空芯光纖有各種各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)的選擇需要考慮避開光柵的諧振頻點(diǎn)，所以叫“反諧振”原理。

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

避開嵌套玻璃管“等效光柵”諧振高損耗區(qū)，選擇反諧振的低損耗工作波段

 光柵對(duì)特定波段具有反射特性，可將光反射回中空區(qū)域，形成傳輸區(qū)。 

空芯光纖利用等效光柵的反射原理將光限制在中空區(qū)

區(qū)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(qū)別之3，二者的傳輸時(shí)延不同。

 由于二者傳輸速度不同，當(dāng)然在同樣長(zhǎng)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(hào)約有5μs時(shí)延。而空芯光纖傳輸一公里信號(hào)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(hào)只要比對(duì)手快就行，分秒必爭(zhēng)，微秒也能爭(zhēng)一爭(zhēng)。 還有現(xiàn)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(jié)約AI模型的訓(xùn)練成本。 

區(qū)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、非線性特性等性能。 

且根據(jù)不同的波段的性能，形成了產(chǎn)業(yè)習(xí)慣的應(yīng)用場(chǎng)景，比如C波段，L波段用在干線的比較多，而特別短的數(shù)據(jù)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)客戶側(cè)，以及數(shù)據(jù)中心的樓層或樓棟之間則常用O波段等波段。 

配合實(shí)現(xiàn)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(diào)諧激光器,用于O波段的強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)，用于C波段的相位調(diào)制技術(shù)…… 

實(shí)芯光纖的工作波段劃分

對(duì)于空芯光纖而言，其工作波段是由中空套管的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)而成的，換句話說(shuō)，想讓空芯光纖工作在哪個(gè)波段，就照此設(shè)計(jì)就行。 

現(xiàn)在對(duì)空芯光纖的研究還在繼續(xù)，尚未規(guī)模商用，所以經(jīng)常將工作波段設(shè)計(jì)的與實(shí)芯光纖一致，能方便的使用實(shí)芯光纖現(xiàn)在的這一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈，如光源、調(diào)制器、DSP、PD……. 

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

區(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損耗可以不斷的優(yōu)化制造工藝降低這個(gè)損耗值。可但是，瑞利散射損耗是波長(zhǎng)越短損耗越大，紅外吸收損耗則是波長(zhǎng)越長(zhǎng)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?shù)模覀儽M量工作在瑞利散射損耗與紅外吸收損耗這倆曲線留給我的少得可憐的波段內(nèi)，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(shù)據(jù)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，意味著可以傳輸更長(zhǎng)的距離，這也是空芯光纖很重要的理論優(yōu)勢(shì)。 

區(qū)別之6，二者的色散系數(shù)不同。

實(shí)芯光纖有色散，也因此會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(shì)。

區(qū)別之7，二者的非線性系數(shù)不同。

 傳統(tǒng)光纖的非線性效應(yīng)是進(jìn)一步提高通信質(zhì)量的重要瓶頸，當(dāng)光纖中的信號(hào)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(hào)質(zhì)量的標(biāo)定指標(biāo)之一）并非一直隨功率的增加而增加，而是會(huì)隨增長(zhǎng)出現(xiàn)下降，信號(hào)隨之劣化。

入纖功率增大時(shí)非線性效應(yīng)導(dǎo)致OSNR劣化

非線性效應(yīng)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(shè)計(jì)可以達(dá)到~500平方微米，大幅度降低光纖的非線性效應(yīng)，提高光信噪比，提高信號(hào)質(zhì)量，延長(zhǎng)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，低非線性效應(yīng)，成為大家關(guān)注空芯光纖的驅(qū)動(dòng)力。 

空芯光纖具有可設(shè)計(jì)的工作波長(zhǎng)，對(duì)于未來(lái)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)也有很強(qiáng)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(dāng)然這也意味著重塑上下游芯片產(chǎn)業(yè)鏈。 

空芯光纖目前的主要挑戰(zhàn)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(xù)長(zhǎng)度，且中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣體在拉制過(guò)程中會(huì)有氣壓變化導(dǎo)致拉制結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形則容易將單模空芯光纖激發(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(nèi)模式導(dǎo)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(shù)百上千dB/km，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信的傳輸。 

空芯光纖通信系統(tǒng)的組建工藝尚不成熟，空芯光纖與傳統(tǒng)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(shù)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、色散和非線性效應(yīng)，但產(chǎn)業(yè)數(shù)十年來(lái)針對(duì)這些傳輸特性建立了完善的通信數(shù)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(shù)學(xué)公式是套用實(shí)芯光纖的模型只修改參數(shù)，還是重建模型，產(chǎn)業(yè)目前也沒有形成共識(shí)。

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