前两天写如何区分多模光纤与单模光纤，也顺手提了一点空芯光纤。

Y11T157 光纤怎么区分单模多模

多模光纤与单模光纤目前基本指的都是实芯光纤，在涂覆层里包裹的是一根实芯玻璃丝，而空芯光纤则是在涂覆层里包裹的是一根结构十分复杂的“中空”玻璃管。

（左）实芯光纤，（右）空芯光纤

略聊一下空芯光纤与实芯光纤的区别以及共同点。

二者都是用玻璃拉制而成的纤维，目的都是实现单模传输且极力避免高阶模的产生，这是主要的共同点。

区别之一，二者的光学传输原理不同。

实芯光纤是基于“全反射”原理，光被限制在高折射率区域。

实芯光纤基于全反射原理实现传输，光场位于高折射率区。

而空芯光纤希望将光限制在“空气”中，空气的折射率比玻璃低，不能利用全反射原理，早期是通过光子晶体结构将光限制在中空位置，现在采用“反谐振”或者“抗谐振”原理把光限制在中空结构中的。

空芯光纤的光场位于中空低折射率区

空芯光纤有各种各样的结构设计

空芯光纤利用等效“光栅反射”原理将光反射回到中空位置，且工作波长的选择需要考虑避开光栅的谐振频点，所以叫“反谐振”原理。

如下图黄色区域就可以做空芯光纤的工作波段，这段低损耗区间处于反谐振频点，损耗较低。

避开嵌套玻璃管“等效光栅”谐振高损耗区，选择反谐振的低损耗工作波段

光栅对特定波段具有反射特性，可将光反射回中空区域，形成传输区。

区别之二，二者的波动速度不同。

光的真空传播速度是每秒三十万公里，在空气中的速度约等于真空光速，在玻璃中的传输速度约等于每秒二十万公里。

也就是空芯光纤的传播速度更快，实芯光纤的传播速度要慢一些。

区别之三，二者的传输时延不同。

由于二者传输速度不同，当然在同样长的光纤上，产生了不同的时延。 实芯光纤一公里的信号约有5μs时延。而空芯光纤传输一公里信号仅产生3.5μs时延。

低时延在一些特殊场景里变得很重要，比如说股票交易，你的信号只要比对手快就行，分秒必争，微秒也能争一争。 还有现在的AI场景的光学组网，天天讨论的就是如何降低时延，节约AI模型的训练成本。

区别之四，二者的工作波段不同。

实芯光纤的工作波段是很明确的，基于玻璃这个材料的特性，还划分了多模波段，单模的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损耗特性、色散特性、非线性特性等性能。

且根据不同的波段的性能，形成了产业习惯的应用场景，比如C波段，L波段用在干线的比较多，而特别短的数据中心的柜间互联用多模波段的比较多，接入网、城域网客户侧，以及数据中心的楼层或楼栋之间则常用O波段等波段。

配合实现光纤的不同波段，还形成了各自的产业链，比如用于O波段的DFB激光器，用于C波段的可调谐激光器,用于O波段的强度调制技术，用于C波段的相位调制技术……

实芯光纤的工作波段划分

对于空芯光纤而言，其工作波段是由中空套管的结构与材料设计而成的，换句话说，想让空芯光纤工作在哪个波段，就照此设计就行。

现在对空芯光纤的研究还在继续，尚未规模商用，所以经常将工作波段设计的与实芯光纤一致，能方便的使用实芯光纤现在的这一套完整的产业链，如光源、调制器、DSP、PD…….

未来空芯光纤如果有可能大规模使用，且市场足以支撑配套技术的资源投入的话，就有可能启动定制化的与实芯光纤不一致的波长。

区别之五，二者的传输损耗不同。

实芯光纤受限于玻璃材质，会有瑞利散射损耗，结构损耗，水峰吸收损耗与红外吸收损耗。水峰吸收损耗可以通过脱水来优化，结构损耗可以不断的优化制造工艺降低这个损耗值。可但是，瑞利散射损耗是波长越短损耗越大，红外吸收损耗则是波长越长损耗越大，瑞利散射损耗与红外吸收损耗这两个是玻璃造成的。

实芯光纤的光在玻璃中传输的，我们尽量工作在瑞利散射损耗与红外吸收损耗这俩曲线留给我的少得可怜的波段内，物理损耗的极限约0.14dB/km

实芯光纤损耗中瑞利散射损耗与红外吸收损耗是由玻璃中的分子引起，属于本征损耗。

而空芯光纤的光是在玻璃管的中空位置的，本质上脱离了玻璃材料的限制，可以更低。实际上这两年也有一些厂家真的将损耗做到了比实芯光纤物理极限的0.14dB/km更低。

有空芯光纤的数据可以做到0.11dB/km，也有做到<0.1dB/km的。

2025年，空芯光纤可以做到比实芯光纤更低的损耗

空芯光纤的损耗更低，意味着可以传输更长的距离，这也是空芯光纤很重要的理论优势。

区别之六，二者的色散系数不同。

实芯光纤有色散，也因此会导致传输产生色散代价，劣化传输性能。色散是光在介质中传播速度降低，且不同频率的光在介质中传播速度降低的程度不同，从而导致传输时延。

空芯光纤的光大部分在中空位置传输而非在玻璃介质里传输，所以色散很小，这也是空芯光纤的优势。

空芯光纤的色散更小

区别之7，二者的非线性系数不同。

传统光纤的非线性效应是进一步提高通信质量的重要瓶颈，当光纤中的信号功率（入纤光功率）增大到一定程度时，光学信噪比OSNR（信号质量的标定指标之一）并非一直随功率的增加而增加，而是会随增长出现下降，信号随之劣化。

入纤功率增大时非线性效应导致OSNR劣化

非线性效应与入纤功率P成正比，与光场有效面积Aeff成反比。实芯光纤的光场有效面积Aeff较低，大约在80-150平方微米，

而空芯光纤的光场有效面积Aeff很大，某些设计可以达到~500平方微米，大幅度降低光纤的非线性效应，提高光信噪比，提高信号质量，延长传输距离。

空芯光纤与实芯光纤相比有很多不同的地方，在理论上具有低损耗，低色散，低时延，低非线性效应，成为大家关注空芯光纤的驱动力。

空芯光纤具有可设计的工作波长，对于未来的应用来说也有很强的关注度，比如把850nm这个波段用作单模波段，就可以不用高成本的InP材料，好像也挺好的。当然这也意味着重塑上下游芯片产业链。

空芯光纤目前的主要挑战有几个

空芯光纤的制造工艺尚不成熟，目前仅能拉制几公里到十几公里的连续长度，且中空结构内部的气体在拉制过程中会有气压变化导致拉制结构变形，而结构变形则容易将单模空芯光纤激发出多模，产生巨大的损耗。

空芯光纤制造过程容易激发管内模式导致损耗激增

空芯光纤如激发出高阶模（管模）则损耗会从之前的0.1dB/km骤升到数百上千dB/km，无法实现通信的传输。

空芯光纤通信系统的组建工艺尚不成熟，空芯光纤与传统连接器、熔接、光源耦合等一系列的配套工艺不完全兼容，需要重建或优化。

空芯光纤的通信传输数学理论模型尚不成熟，实芯光纤虽然有各种各样的损耗、色散和非线性效应，但产业数十年来针对这些传输特性建立了完善的通信数学理论模型，而空芯光纤的性能还在摸索，与之相关的通信数学公式是套用实芯光纤的模型只修改参数，还是重建模型，产业目前也没有形成共识。