Y9T153 空芯光纤与实芯光纤的优缺点（上）
损伤阈值更高
时延更低
非线性损害更小
色散更低
低损耗窗口更宽
最近些天，说空芯光纤要产业化的各种新闻，略聊一聊空芯光纤为什么受到关注，又为什么“才”打算产业化。
空芯光纤被认为是替代实芯光纤的一种好光纤，具有很多优势。
空芯光纤（相比实芯光纤）的优势：
那反过来就需要聊一聊为什么实芯光纤损伤阈值大，时延大，非线性损害大，色散大，低损耗窗口窄，今天是Y9T153就是第九年的第153篇，总计有接近三千篇的内容都在写用于适配（实芯）光纤通信的光学器件如何如何，约摸有个十来篇写的是空芯光纤（比如什么是反谐振，如何降低空芯光纤损耗，空芯光纤的导光原理等等等等）。
实芯光纤（相比铜缆通信）的优势，是支持我们这四十多年通信流量指数上升，通信成本指数下降，的核心技术材料，是实芯光纤让通信实打实的走进千家万户普普通通老百姓家里，再也不是当年拿个手机就是“大哥大”的情景，也不再是用个BP机收到单向通信区区几个字，能用汉显就敢叉腰的时代了。
实芯光纤，用玻璃细丝拉制而成的传导光的纤维丝，和头发丝一样细的玻璃丝。
实芯光纤（相比铜缆通信）的优势超大容量、超低损耗、超低成本。
超大容量，铜缆做通信，现在的带宽不足100GHz，经过各种调制，每秒可传输200多G的bit信息，现在咱们聊的CEI-112G，CEI-224G，说的就是112Gbit/s的信息传输容量。而光纤通信，干线的容量现在这一代正在从16Tbps向32Tbps的发展，而学术研究状态已经是数百T以上。产业化传输的信息量，一根光纤可传输的信息量是一根铜线的几十倍上百倍，（32T=32000G，是200G的160倍）。光纤理论上还可以传输更大的信息量，可受限于电信号产业低成本的控制能力不足以支持让光纤走向理想传输的信息量。
超低损耗，铜缆的损耗很大，现在112/224G等铜线的传输距离只有几米，铜线的损耗主要来自于趋肤效应。可以优化，很难根除，比如说从2米优化到3m，优化到3.5m，这依然在一个数量级上的优化而已。写过无氧铜，铜原子分布对于损耗的影响...， 实芯光纤在干线可以传输几千公里（+需要中继），3m和3000km之间是一百万倍的关系。
大容量，低损耗，已经算是降低了通信成本。
同时，玻璃丝这种材料，和铜相比，材料成本本身也很低。
这么换算下来，一个bit能花几个钱啊，现在在家里头随随便便看几个视频，轻松惬意，谁还能想到当年通信业的恐惧，“上个网看个电影花的流量钱能买一栋楼”
那光纤往下持续发展的话，能不能继续降低bit成本，让老百姓上网更便宜呢，能是能，但是挺难的。
主要的几个难处，
损伤阈值导致入纤的光功率总和不能太大，否则光纤就被“烧”坏了。光纤是玻璃丝，而且是用纯净的氧化硅来做玻璃丝，
光是能量啊，把太阳光聚焦能点火，用激光能打穿钢板，我们要传的光，当然不能太强，否则这根小小的玻璃丝被“烧”掉了。
限制入纤光功率值的上限，用的词就叫“破坏阈值”
用空芯光纤来替代实芯光纤，这个技术演进我放到了相干光模中去讲的。【2023-5-23】光纤通信相干光模块的发展趋势及核心器件
原因就在于，用相干，和用空芯光纤，本质上都是解决入纤功率的问题。
实芯光纤，不能让输入的光功率太大，怕烧了。信号有个信噪比，信号能量比噪声能量大，才更容易识别，对吧。噪声是没办法根除的，提高信号能量，是最为简单的道理。
可但是，光纤不允许咱们提高光信号的能量，咋办啊，只能隔一段距离做一个EDFA等光学放大器，把光信号再放大一下，一段一段的慢慢传。
传到后头，信噪比就很差了，第一段不让信号增强，后边的放大器还有自发辐射噪声，信号不让大，噪声还多了。
两种解决途径，
第一种途径，Rx接收端对信号进行干涉相长，放大信号，提升信噪比。这个技术十年前开始产业化。
第二种途径，咱不用玻璃丝了呗，用空气，那不怕烧，直接在发射端把信号能量做的大大的。光在空气中能传，只是不能拐弯，咱要“导”光啊，就用空玻璃管做成的“中空”细丝，也就是空芯光纤，空芯玻璃丝用来拐弯，光尽量要限制在“空气”中，这就不怕高能激光把信息通道个烧坏。
这也是我为什么把空芯光纤放在相干光模中的原因，二者解决的是同一个问题，只是采取了不同维度的解决方法而已。
时延，是通信非常关注的一个参数。光速很快，但是再快，也需要时间。光速在真空的速度是一秒钟三十万公里，那么咱的信号从北京到上海，传递时间是毫秒级别。
毫秒，对于普通老百姓而言，没什么，但是在科学家眼里，这很大的延时了。比如春节买火车票，你的订单的这个信息哪怕比另一个人早传递达服务器0.001ms，这张票就算被你抢到了。
光在真空中的速度，只要不去跳跃到三体等科幻界，不考虑时空扭曲等多维宇宙的大背景。狭义相对论，真空光速不变。
真空光速不变，哪里会变？在“非真空”的环境中会被降低。光在二氧化硅的玻璃丝中，光速约为一秒20万公里。光在空气中的速度则接近于真空光速。
这意味着，用实芯玻璃丝，传递信号，速度更慢。用准真空的空芯玻璃管，信号传递更快。
这也是很多人关注空芯光纤的一个非常非常重要的维度。要知道有些股票交易所，为了缩短时延，设计光纤网络时，尽量选择办公室靠近服务器的地理位置，尽量让光纤走直线，不绕大弯，目的也是缩短信号的传输时间，早些年改变不了实芯光纤的传输速度，那降低传输距离总可以吧，少一米是一米。
空芯光纤在理论上具有低时延的特性，并不是这些年才知道的理论，而是很早很早就有了，现在的关注点是“能否产业化”。
很多厂家给出孔芯光纤的时延降低1.5倍。就是从玻璃传光速度和真空速度，这俩数算出来的。
非线性效应也是限制实芯光纤进一步拓展传输容量延长传输距离的一个现象。
光在玻璃中，传输速度会降低，但是并不是一刀切的降低。光功率分布大的区域，能量高，光的波动速率慢一些，反之速度快一些。
这就意味着，一个信号，光纤的中心区域能量大，边缘能量低，波动速度不同，产生自聚焦效应。
一个信号，光信号有1、0的区别，信号1的能量比0能量大，也就是1和0的波动速度不一样，这会产生自相位调制，产生码间干扰。
我们有很多的WDM，什么DWDM啊、CWDM啊、LWDM啊，MWDM啊，另外一个波长的信号能量起起伏伏，对其他波长产生了波动速度的影响，这是交叉相位调制，咱们常说的四波混频，就是这个意思。
咱写过为了降低非线性效应，改光纤，做截止波长位移的实芯光纤，改偏振，改波长间隔.....可费劲了。只能略微优化一下，反正光模块本质上是处处迁就这点玻璃的特性。很多模块参数的设置，是为了迁就，而不是改变，为了迁就光纤这根玻璃丝带来的低成本的几个根本优势，不得不接纳玻璃的这些弱点。
非线性效应，是玻璃引起的。那不用玻璃的空芯管，就约等于不存在非线性效应了。
光纤色散，色散导致灵敏度劣化，导致传输距离受限，也是咱们做光模块耳朵磨成茧的一个名词。
颜色五彩斑斓，那是不同波长的光在我们眼中呈现的“区别”，光在玻璃中波动速度降低了，从三十万公里/秒，降到二十万公里/秒，这是降低叫做色散，一阶色散。
不同波长的光在玻璃中，速度降低的速度不一样。1550nm波动速度降低程度和1551nm的光速度降低的程度不一样。这是二阶色散，就是光在玻璃中速度降低的速度有差异。
咱们所说的色散导致的传输距离受限，缺省了二阶。
非线性效应是不同的能量分布，光在玻璃中的波动速度不同，色散是不同波长的光在玻璃中的波动速度不同。
这些都是玻璃的特性。一样的思路，不同玻璃当然就不考虑色散这个维度了。当然，还得用一点玻璃来拐弯。空芯光纤的色散比实芯光纤的色散而言，空芯要好太多太多了。
光纤通信波段限制，这个曲线咱们见过吧？
光纤有些损耗是能降低的，比如去除杂质，降低吸收损耗，用原子沉积工艺来平滑反射界面，降低粗糙度引起的微弯损耗....
但是有些损耗无法降低，比如玻璃中氧原子和硅原子的分布，
我们说的实芯光纤，是基于和空芯光纤观察尺度一致的数微米级别，如果把实芯玻璃放大到原子级别，在光眼里，这些原子的分布也是“网状中空”结构，会产生反射散射等现象，这个尺度是光学波长的1/10，氧原子和硅原子，可以晶体规则状态分布，就是早些年说的石英光纤，晶体一旦断裂，裂面会十分平滑，这引起巨大的端面反射，后来选择“玻璃”态，玻璃是一种宏观固态微观液态的“准晶体”分布态。略微有规则，但又不能那么有规则，这是避免端面大反射引起损耗的一种分布状态。
玻璃态，里边的网孔有大有小，这些产生的瑞利散射损耗也略有区别。
再把尺度放大到原子核和外层电子，对于特定能量，氧化硅的外层电子会与光子产生能量交换，光消失，被氧化硅的外层电子获取。这是红外吸收损耗。
瑞利散射和红外吸收，都是玻璃材料本身引起的。瑞利散射是波长越短，损耗越大。红外吸收是波长越长损耗越大。
玻璃导光，波长太长不行，波长太短也不行，就只留给咱们一个小小的“窗口”，1260-1650nm，是公认的单模通信窗口。为了这个小波段，业内使出洪荒之力，把他们再仔细的切成O波段、S波段、C波段、L波段、U波段，一丁点一丁点的去界定这些波段的玻璃特性，去设计开发优化可以用于这些波段的激光器、调制格式，补偿算法等等等。
为啥咱们的激光器，又贵又容易坏，电光效率也低，那都是没办法的事儿，迁就光纤呗。
玻璃说，窗口1260-1650nm，好，咱的光源就选这个波段，四元化合物，多难呐，可便宜的不敢用，波长不对。
玻璃说，我有色散，（波长不一样，波动速度不同啊），那咱的光源说，好吧，我把光谱收窄，尽量窄，FP以前用，现在不用，波长太杂乱了，改用DFB，只让主模一个波长过去，把边上的次模波段抑制住。边模抑制比~~~~~
那根本解决方式，就是，把左右两条高损耗的红线，去掉，用空芯光纤，不需要把传输波段限制在那个小小区域内。
所以说空芯光纤低损耗窗口变大了。
但是，空芯玻璃，整体传光的基本原理改变了，对于我们几十年来的光纤通信的基础理论架构改变了。
用什么光源，什么格式，什么算法....,都变了
最最简单的就是，如何做空芯光纤，成本高不高，光纤之间的连接如何对准，有这么多的好处，那有没有额外的其他性能劣势呢？
回头，我再一篇来写写空芯光纤的技术进展。
