伴隨著容量的提升及輸入功率的增加，由于非線性香農極限的影響，單模光纖的傳輸容量即將到達上限。傳統單模光纖（SMF）傳輸系統的最大容量被認為在100 Tbit/s左右。這個極限是由信噪比和帶寬決定的，雖然通過先進的編碼技術可以挖掘出更多的潛力，但物理上的限制不可避免。實芯光纖也逐漸暴露出難以滿足低時延業務、非線性嚴重，最大傳輸容量很難持續提升的問題。在光纖傳輸其他維度已無法突破的情況下，如何提高光纖容量呢？多芯光纖和空芯光纖的引入， 為解決當前傳統光纖的局限提供了一個解決方案，旨在突破單模光纖的容量限制。

什么是多芯光纖（Multi-core Fiber, MCF）？
多芯光纖就是在同一根光纖內，有多根纖芯，多個信號可通過各自的纖芯進行獨立傳輸，從而實現系統傳輸容量實現數量級的提升。這使得同一根光纜能夠在不顯著增加物理體積的情況下，提供數倍于傳統光纖的傳輸帶寬。

（單芯光纖 VS 多芯光纖）

與傳統光纖相比， MCF在同一光纖中傳輸多個信道，可以大幅度提高帶寬，從而滿足數據中心、骨干網等對傳輸容量日益增長的需求；同時減少了光纖鋪設的數量，節省了光纖資源和安裝空間。

根據光纖芯之間的耦合程度，多芯光纖通常分為以下兩類：無耦合多芯光纖（Uncoupled Core MCF,UC-MCF）和耦合多芯光纖（Coupled Core MCF, CC-MCF）。兩者的纖芯間距不同，非耦合多芯光纖的芯間距大于30um，耦合多芯光纖的芯間距小于30um。纖芯間距是指相鄰兩個纖芯之間的距離。

（無耦合多芯光纖 & 耦合多芯光纖）

耦合MCF中的每個纖芯比較緊湊，纖芯之間的信號傳輸容易產生相互干擾，因此需要在傳輸系統中采用多輸入輸出MIMO數字信號處理DSP來處理模式耦合效應。信號之間發生模式耦合導致信號在接收端混合在一起，無法區分，因此采用MIMO-DSP技術通過在接收端對接收到的信號進行解碼和恢復，即分離和恢復每個纖芯上的原始信號，確保每個信號都能被準確的接收和解碼。類似地，非耦合MCF中每個纖芯是獨立傳播信號，不需要MIMO DSP進行處理。從成本上來說，當然希望是可以選擇不需要MIMO來處理的非耦合MCF，但非耦合MCF用于長距離傳輸時，又容易產生芯間串擾（XT）。芯間串擾是MCF需要關注的一個重要參數，可定義為單芯信號的磁場或電場對相鄰芯信號的干擾。由于同一包層區域有多個芯，因此串擾是系統的重要因素。為了減少芯間的串擾，芯間距應適當。

多芯光纖商用情況
2024年3月，日本電信運營商NTT攜手NEC成功完成 “首次跨洋7280千米傳輸實驗”，實驗采用了12芯多芯光纖技術，將光網絡帶寬提高12倍。
2024年3月，谷歌透露與日本電氣合作，采用多芯光纖技術建設連接臺灣、菲律賓和美國的海底光纜系統TPU，預計2025年底完工。該系統是全球首個采用MCF技術的商用海底光纜系統。
2023年，烽火通信基于自研19芯單模光纖，實現了凈傳輸容量3.61Pbit/s的系統傳輸，相當于1秒下載約135300部最高畫質的電影，刷新了單模多芯光纖傳輸容量的世界紀錄。

多芯光纖走向應用需要解決FIFO, 熔接，放大等問題，也就是需要解決多芯光纖與多芯光纖的連接、多芯光纖與單芯光纖的連接、多芯光纖在光放大傳輸系統的應用，需要開發相關的連接器、熔接機、扇入扇出FIFO器件、光配線架等相關產品，并考慮與現有技術的兼容性和通用性。目前，國際上對多芯光纖的設計未有統一標準，各廠商的多芯光纖在纖芯數量、纖芯排列、大小、芯間距等都有些差異，不同類型多芯光纖熔接增加了難度。

多芯光纖與單芯光纖的連接 - FIFO
多芯光纖（MCF）的應用需要解決多芯光纖與普通單芯光纖之間如何連接的問題。空間多路復用器/解復用器被稱為扇入/扇出(FIFO)器件，用于有效地將光從單個單模光纖耦合到多核光纖，或者將多核光纖的光耦合到單個單模光纖中，這樣就實現了多芯光纖與普通單模光纖之間的連接。難點在于連接時如何保證纖芯間的低串擾、連接的低損耗以及精密的耦合對準。到目前為止，已經報道了各種各樣的FIFO器件實現技術，但最常用的技術有: 1)熔融拉錐技術，2)3D波導技術；和3)自由空間光學技術。

以上每種方法都有各自的優點，但對于具有小芯距的高密度MCF來說，實現低串擾(XT)仍然具有挑戰性。例如，在熔融拉錐光纖逐漸變細的方法中，FIFO器件可以通過逐漸變細單模光纖束來實現，但在變細過程中，每個芯的模場直徑(MFD)會增大，這可能會影響器件的性能導致相鄰纖芯之間會產生明顯的串擾（XT）。在3D波導方法下，直接飛秒激光刻寫比較難實現低XT FIFO器件，但該方法的優點是能實現更多芯數的耦合。基于自由空間光學的FIFO器件具有低插入損耗和XT，需要精密控制各組件的精度及成熟的光學設計技能。

億源通（HYC）基于自身強大的空間光學設計能力及成熟的精密耦合能力，提出了一種緊湊和低串擾XT的四芯 FIFO組件。通過精密的空間光學設計，利用透鏡、棱鏡等光學元件調節并優化MCF與多個單芯光纖的耦合，實現耦合效率最優，器件結構緊湊，指標均衡。 間距在43um的FIFO器件具有低平均耦合損耗（＜0.5dB），低串擾（＞45dB），回波損耗（＞55dB）。

多芯光纖與單芯光纖的連接 - FIFO

多芯光纖與多芯光纖之間的連接
目前多芯光纖多采用熔接的方式來進行連接，但由于每個多芯光纖都可能有不同的芯間距，這樣熔接意味著有施工難度高、后期維護難等難題。用于 MCF 的第一個實用光連接器是 2012 年在日本開發的 MU 型 MCF 連接器。通過應用奧爾德姆的耦合機構，保持定位精度，包括旋轉角度。它具有即使對線纜施加拉伸載荷，連接損耗也不會波動的特性。 2019年開發出SC型MCF連接器，以簡化結構實現相同原理。

億源通研發的專用于多芯光纖連接的光纖連接器，在傳統的LC/FC接口類型連接器基礎上進行了修改設計，優化了定位保持功能，改善了研磨耦合工藝，保證多次耦合后插入損耗變化小，能夠直接取代昂貴的熔接工藝，保證使用的便捷性。此外，億源通也設計了具有專利的MC連接器，比傳統接口類型連接器擁有更小的尺寸，可應用于更加密集的空間。

多芯光纖MCF Hybrid組件（應用于EDFA光放大器系統）
空分復用技術傳輸系統要實現大容量、高速率和長距離傳輸，必然離不開光放大器去補償其傳輸損耗，SDM光纖放大器是SDM技術走向實用化的關鍵，多芯摻鉺光纖放大器（MC-EDFA）是SDM傳輸系統的關鍵器件。

MC-EDFA目前市場有提出兩種方式，一種是共包層泵浦，一種是獨立式芯區泵浦。共包層泵浦是泵浦光與信號光共享同一個包層區域，泵浦光沿著光纖的外圍傳播，非直接穿過纖芯。獨立式芯區泵浦將泵浦光直接引導至特定的纖芯內部。通過這兩種方式實現了對多芯光纖中信號的有效放大。

億源通科技可配合客戶未來用于多芯光纖（MCF）的EDFA摻鉺光纖放大器系統解決方案，提供用于MC-EDFA的無源器件做Design-in開發設計，延伸開發MCF Hybrid混合器件，例如：（1）多芯光纖光隔離器和分光器(MCF Isolator +TAP)（2）多芯光纖MCF 980/1550 WDM（3）多芯光纖增益平坦濾波器（MCF GFF）等。

多芯光纖MCF Hybrid組件（應用于EDFA光放大器系統）

多芯光纖市場規模
根據Businessresearchinsights的2023年《MULTI-CORE FIBERS (MCF) MARKET REPORT》報告： 2022 年全球多芯光纖 (MCF) 市場規模為 18.36 億美元，預計 2031 年市場規模將達到 216.3265 億美元，預測期內復合年增長率為 32.3%。市場主要廠商有日本的古河Furukawa Electric，中國的長飛Yangtze Optical Fibre and Cable，中國的烽火通信Fiberhome，法國的iXblue，美國的Humanetics，日本藤倉Fujikura，日本住友Sumitomo Electric等。排名前三的頭部公司所占市場份額超過70%。就市場規模而言，亞太地區是最大的市場，占有率超過65%，其次是北美和歐洲，占有率分別約為20%和10%。就產品類型而言，四芯光纖是最大的細分市場，占據了約60%的份額。在產品應用方面，通信的市場份額超過55%。

（多芯光纖MCF市場規模）

（多芯光纖MCF市場份額-按芯數）

什么是空芯光纖（Hollow-Core Fibers，HCF）？
空芯光纖不同于傳統的實心玻璃或塑料芯光纖，其內部是空的，可以填充空氣、惰性氣體或真空。這種獨特的結構設計方法顯著改變了光纖的光傳播特性，使其比傳統的實心玻璃芯光纖具有多種性能優勢。由于光在空氣中的傳播速度比在玻璃中的傳播速度快，與傳統光纖相比，空芯光纖具有較低時延和較低損耗。微軟Lumenisity宣稱其空芯光纖光速度比標準石英玻璃快47%。此外，空芯光纖不挑光，可以輕松支持O，S，E，C，L，U等多種波段的光。

空芯光纖和傳統的玻璃芯光纖一樣，由纖芯、包層和涂覆層三部分組成，不同之處主要在于纖芯和包層。空芯光纖的纖芯是空氣，包層是基于微結構的設計，通常是由一系列微小的空氣孔構成，排列結構類似一個蜂窩狀。當光入射到纖芯和包層界面上時，會受到包層中周期排列的空氣孔的強烈散射。這種多重散射產生相干，使得滿足特定波長和入射角的光波能夠回到芯層中繼續傳播。微結構的作用就是將光信號束縛在纖芯中傳播，空芯光纖的性能也主要是微結構決定的。

（空芯光纖結構）

空芯光纖由于光在空氣中傳播，減少了介質對光的折射，從而大大降低了傳輸時延。空芯光纖的信號損耗顯著低于傳統光纖，這使得它適用于超長距離的傳輸，減少了信號放大器的需求。空芯光纖在高功率光傳輸時，非線性效應（如光纖內的自相位調制等）顯著減少，這使得它在高功率激光傳輸和量子通信中具有廣泛的應用前景。

空芯光纖根據其微結構設計和工作原理可以簡單分為以下兩種類別：光子帶隙空芯光纖（Photonic Bandgap HCF, PBG-HCF），反諧振空芯光纖（Anti-Resonant HCF, AR-HCF）。空芯光纖的發展也主要經歷了從光子帶隙光纖到反諧振光纖的演進過程。

（光子帶隙空芯光纖 & 反諧振空芯光纖）

光子帶隙空芯光纖依靠光纖包層中的光子晶體結構， 形成光子帶隙來限制光束在空心纖芯中傳播。光子晶體的折射率差異使光束只能在纖芯中傳播，而無法泄露到包層中。但這種結構容易產生損耗，根據預測大約每公里損耗4dB，限制了在長途網絡中的使用。

反諧振空芯光纖通過光在光纖內的管狀玻璃薄膜間來回相干反射，將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。 反諧振的原理比較復雜，有人類比說與薄膜干涉相似。這種光纖利用反諧振反射原理，通過特殊的結構設計，如設計多層特定排列的毛細管形成復雜的微結構，這種結構使得光在傳輸時不會發生全反射現象，同時毛細管的嵌套結構則可以明顯降低空芯光纖的衰減。

空芯光纖商用情況
2024年6月，長飛助力中國移動、中國電信建立了全球首個800G空芯光纖傳輸技術試驗網(廣東深圳-東莞)和全球首個單波1.2T、單向超100T空芯光纜傳輸系統現網示范。
2024年 2 月，Lyntia、 諾基亞、古河和 Interxio 聯合實驗空芯光纖，其相對單模光纖延遲降低 30%以 上，光傳輸速度提升近 46%，且極大降低非線性效應，現場 demo800Gbps 和 1.2Tbps，具有突破香農極限容量的潛力。
2022年，南安普頓大學的衍生企業Lumenisity Limited（已被微軟公司收購），發布了新一代空心光纖DNANF?。該公司表示，該技術是迄今為止報道的任何空心光纖中衰減最小的，而且在O波段和C波段的衰減超過了傳統摻鍺單模光纖(SMF)。
2022年，Comcast 與光纖供應商 Lumenisity 合作，在費城部署了一條 40 公里的混合空心光纖和傳統光纖鏈路。
英國電信于2021年6月開始試用Lumenisity的技術，并將其用于移動網絡的部署。同年9月，該公司再次與Lumenisity合作，嘗試在空心光纖上進行量子密鑰分發，以期增強安全性。

空芯光纖走向應用需要解決如提升光纖光纜制備工藝，降低光纜損耗、成本，提升批量供貨能力等問題。

空芯光纖市場情況
根據Businessresearchinsights的2023年《HOLLOW CORE FIBER MARKET REPORT》數據：2022 年全球空心光纖市場規模為 1300 萬美元，預計 2029 年市場規模將達到 1900 萬美元，預測期內復合年增長率為 6.6%。主要廠商有丹麥的NKTPhotonics，英國的Lumenisity等。

（空芯光纖MCF市場規模）

（空芯光纖MCF市場份額-按芯數）

多芯光纖與空芯光纖代表了光纖通信技術的未來方向。MCF通過提升單根光纜的傳輸能力，突破了傳統光纖的物理限制，而HCF則通過創新的中空結構，為高速、低延遲傳輸提供了全新選擇。盡管這兩項技術在市場化進程和應用場景上有所不同，但它們都指向了一個共同的目標——更高效、更快速的光通信網絡。未來，MCF和HCF有望在全球范圍內得到廣泛應用，推動光通信行業邁向新的高峰。

審核編輯 黃宇