什么是“空芯光纖”？它有什么優(yōu)勢(shì)呢？

空芯光纖，網(wǎng)上很多文章也稱(chēng)之為“空心光纖”，英文名為Hollow-core fiber（HCF），是一種新型光纖。

我們現(xiàn)在普遍使用的傳統(tǒng)光纖，都是玻芯光纖。在光纖里面，有石英玻璃（主要成分是二氧化硅）制作的纖芯。

傳統(tǒng)纖芯 空芯光纖，顧名思義，就是光纖里面不再有實(shí)體纖芯，而是“空”的——只有空氣、惰性氣體或真空。

那么，空芯光纖，相比于傳統(tǒng)玻芯光纖，到底有什么優(yōu)勢(shì)呢？為什么現(xiàn)在光通信行業(yè)，都非常關(guān)注和重視空芯光纖呢？

研究空芯光纖，并不是因?yàn)闇p少了里面的纖芯能夠降低成本，而是因?yàn)?strong>光信號(hào)在空氣中傳播，比在玻璃纖維中傳播更有優(yōu)勢(shì)。

在中學(xué)物理里面，我們學(xué)過(guò)一個(gè)重要的公式：

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v是光在某種介質(zhì)中的傳播速度。c是光在真空中的傳播速度，也就是眾所周知的約30萬(wàn)公里/秒。n是這種介質(zhì)的折射率。

光在不同的介質(zhì)中，傳播速度是不一樣的。

空氣的折射率約等于1。而其它介質(zhì)的折射率，都大于1。例如水的折射率是1.33，水晶是1.55，鉆石是2.42。玻璃按成分不同，大約是1.5～1.9。

這就意味著，光在傳統(tǒng)玻芯光纖中，傳播速度要明顯小于c。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果采用空芯光纖，光信號(hào)的傳播速度將會(huì)比傳統(tǒng)玻芯光纖提升47%左右。

這將大幅降低光纖通信的時(shí)延（大約三分之一）。

根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的測(cè)算，玻芯光纖的時(shí)延大約是5微秒/公里，空芯光纖是3.46微秒/公里。1000公里的距離，可以減少1.54毫秒的時(shí)延。

對(duì)于高頻率的金融證券交易，以及遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)制造等行業(yè)場(chǎng)景，這個(gè)時(shí)延改善具有重要的意義。

█ 空芯光纖的發(fā)展演進(jìn)

接下來(lái)，我們還是先看看空芯光纖的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

光纖的原理，說(shuō)白了，就是把光“困”在有線線纜里。

傳統(tǒng)實(shí)心光纖，由內(nèi)到外，包括纖芯、包層、涂覆層三個(gè)部分（有時(shí)候外面還有套塑）。

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當(dāng)光進(jìn)入光纖，光纖纖芯的折射率n1比包層的折射率n2高，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。然后光就會(huì)不停地反射，最終向前傳播。



全反射 空芯光纖，因?yàn)榭諝獾恼凵渎市∮诎鼘拥恼凵渎?，所以，不?huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。

因此，空芯光纖想要實(shí)現(xiàn)對(duì)光的“圍困”，就必須采用新的技術(shù)思路。

早在上世紀(jì)60年代，也就是高錕發(fā)表光纖創(chuàng)世論文的時(shí)候，就有人曾經(jīng)提出過(guò)空芯光纖的設(shè)想。但是，那時(shí)候的材料技術(shù)還不成熟，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

1987年，美國(guó)應(yīng)用物理學(xué)家伊萊·亞布洛諾維奇（Eli Yablonovitch）和薩杰夫·約翰（Sajeev John）率先提出了光子晶體（photonic crystal）的概念，打破了僵局。

光子晶體（Photonic Crystal），也叫光子禁帶材料，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，光子晶體具有“波長(zhǎng)選擇”的功能，可以有選擇地使某個(gè)波段的光通過(guò)，而阻止其它波長(zhǎng)的光通過(guò)。

大家看到有一些五彩斑斕的寶石，還有自然界中蝴蝶翅膀、孔雀翎羽、甲蟲(chóng)外殼等閃爍著的彩色金屬光澤，都源于光子晶體特殊的周期性微結(jié)構(gòu)，能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)的光進(jìn)行選擇性反射。

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基于光子晶體的理論，1991年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的菲利普·羅素（P.St.J.Russel），首次提出了光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）的概念。

1996年，菲利普·羅素的同事、南安普頓大學(xué)光電子學(xué)研究中心的喬納森·奈特（J.C.Knight）和蒂姆·博克斯（Tim Birks）等人，成功研制出實(shí)芯光子晶體光纖樣品，并證實(shí)了光在光子晶體光纖中的傳導(dǎo)特性。

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上圖是當(dāng)時(shí)光纖的截面圖。大家可以看到，有大量的小孔，且沒(méi)有明顯的纖芯。

光子晶體光纖的誕生，成功引起了光學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)注。很多團(tuán)隊(duì)都開(kāi)始加入到對(duì)光子晶體光纖的研究中，也加速了相關(guān)研究的進(jìn)展。

1998年，喬納森·奈特等人，宣布發(fā)現(xiàn)了“光纖中的光子帶隙導(dǎo)波效應(yīng)”，并制備出世界首根光子帶隙型光子晶體光纖（Photonicbandgap photonic crystal Fiber，PBG-PCF）。

1999年，菲利普·羅素等人，在《Science》發(fā)表論文，提出了空芯單模光子帶隙型光子晶體光纖（Hollow Core Single-Mode Photonic band gap photonic crystal Fiber，HC-SM-PBG-PCF）。

不久后，克里根（R.F.Cregan）等人，正式研制出樣品。（注意，這應(yīng)該是世界上最早的空芯光纖。）



不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空芯光子晶體光纖截面圖

如上圖所示，整個(gè)光子帶隙型光子晶體光纖（PBG-PCF）看上去就像一個(gè)蜂窩煤。

因此，當(dāng)時(shí)也被稱(chēng)為多孔光纖（Holey Fiber，HF）和微結(jié)構(gòu)光纖（Micro-Structured Fiber，MSF）。

光纖的纖芯是中空的，充滿了空氣。光纖的包層，是大量的空氣孔，按周期性排列，全部具有精確設(shè)定的孔徑大小、孔間距和周期。

光信號(hào)進(jìn)入光纖，光子就會(huì)從空氣纖芯進(jìn)入包層。包層中周期排列的空氣孔，會(huì)組成光子晶體結(jié)構(gòu)，讓特定頻率的光子無(wú)法傳過(guò)包層，給它“彈”回纖芯。這樣，光子就只能順著空氣纖芯，繼續(xù)傳播下去。

光子帶隙型光子晶體光纖出現(xiàn)之后，盡管科學(xué)家一直在試圖改進(jìn)，但仍然無(wú)法解決損耗問(wèn)題。這類(lèi)光纖的損耗，一直處于dB/Km的級(jí)別，且制備存在困難。

這對(duì)空芯光纖的應(yīng)用落地造成了阻礙。于是，科學(xué)家們繼續(xù)探索，想要找到新的空芯光纖結(jié)構(gòu)。

研究人員提出了Kagome型空芯光纖。后來(lái)，基于對(duì)Kagome型空芯光纖的研究，又提出了反諧振空芯光纖，成為業(yè)界主流研究方向。



反諧振空芯光纖（早期型）

2019年，南安普頓大學(xué)光電研究中心的弗朗西斯科·伯樂(lè)蒂（Francesco Poletti）團(tuán)隊(duì)發(fā)明了著名的嵌套式抗共振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖（Nested Antiresonant Nodeless Fiber，NANF），將空芯光纖的損耗降到1.3dB/km。

僅僅一年后，2020年，南安普頓大學(xué)的產(chǎn)業(yè)化子公司Lumenisity，就將NANF光纖的損耗降到0.28dB/km，轟動(dòng)了整個(gè)行業(yè)。

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我們可以仔細(xì)看看NANF光纖的結(jié)構(gòu)：



嵌套式反諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖（NANF）

NANF光纖的中間是充氣纖芯。纖芯周?chē)?，是平行的玻璃管。每個(gè)玻璃管內(nèi)，又嵌套（Nested）了另一根玻璃管。

這種叫單嵌套。如果再嵌一根，就是雙嵌套。



單嵌套和雙嵌套

嵌套的目的，就和“諧振”有關(guān)。

諧振也叫共振、干涉。兩個(gè)波，步調(diào)一致，出現(xiàn)幅度最大化，就是諧振。有一部分頻點(diǎn)的能量是最小化的，是反諧振，或者叫反共振、抗諧振。

嵌套的玻璃管，是為了形成一個(gè)“諧振腔”。



反諧振光纖原理（圖片來(lái)自張德朝先生）

傳輸譜線呈現(xiàn)多峰。峰值之間被分隔為多個(gè)高反射區(qū)，也稱(chēng)為抗諧振窗口。在這些窗口內(nèi)，從空芯入射將會(huì)導(dǎo)致很高的反射，從而極大地降低光纖的泄漏損耗。

玻璃管之間，側(cè)面是沒(méi)有接觸的，這叫做無(wú)節(jié)點(diǎn)（nodeless）。如果有節(jié)點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較大的損耗。

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NANF光纖解決了光子帶隙型光子晶體光纖的瓶頸限制，而且理論損耗與傳輸帶寬都優(yōu)于當(dāng)前的玻芯光纖，因此備受行業(yè)關(guān)注。



光子帶隙型空芯光纖 vs嵌套式反諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖

英國(guó)電信、康卡斯特（Comcast）、euNetworks等公司，前幾年都采用了Lumenisity的NANF空芯光纖技術(shù)。

英國(guó)電信將NANF用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)的建設(shè)，還在NANF上進(jìn)行了量子密鑰分發(fā)測(cè)試。

康卡斯特與Lumenisity合作，在費(fèi)城部署了一條40公里的混合空芯光纖和傳統(tǒng)光纖鏈路，進(jìn)行兼容性等方面的測(cè)試驗(yàn)證。

euNetworks公司在英國(guó)倫敦和巴西爾登之間，部署了一段14公里長(zhǎng)的Lumenisity空芯光纖，以連接兩個(gè)對(duì)金融交易至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心。

因?yàn)榭招竟饫w的巨大商業(yè)價(jià)值，2022年12月9日，微軟直接將Lumenisity公司整個(gè)收購(gòu)了。交易價(jià)格不詳，但肯定不低。

目前，國(guó)內(nèi)頭部光纖廠商，比如長(zhǎng)飛、亨通，都在積極布局空芯光纖技術(shù)。很多高校也在進(jìn)行這方面的研究。三大運(yùn)營(yíng)商更不用說(shuō)了，死死盯著空芯光纖技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展。

相信接下來(lái)的這幾年，空芯光纖的研究和落地將會(huì)進(jìn)一步提速。

█ 空芯光纖的優(yōu)點(diǎn)

我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)空芯光纖的優(yōu)點(diǎn)。

1、更低的時(shí)延 這個(gè)前面已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)了。

2、更低的損耗 空芯光纖傳輸損耗也是光纖的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。光纖的損耗越低，意味著光信號(hào)在光纖中能夠傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，信號(hào)在對(duì)端更容易被識(shí)別和解調(diào)出來(lái)。

光信號(hào)在空氣中傳輸，損耗肯定是小于在石英玻璃中傳輸?shù)摹?

剛才也已經(jīng)提到了，目前空芯光纖可實(shí)現(xiàn)損耗為0.174dB/km，與現(xiàn)有最新一代玻芯光纖性能持平。

根據(jù)研究機(jī)構(gòu)的說(shuō)法，空芯光纖的理論損耗最小極限可低至0.1dB/km以下，比普通玻芯光纖（0.14dB/km）更小。

3、支持更多的光波段 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。

4、減少了非線性效應(yīng) 空芯光纖的非線性效應(yīng)比常規(guī)玻芯光纖的非線性效應(yīng)低3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，使得入纖光功率可以大幅提高，從而提升傳輸距離。

5、能傳輸高功率激光 傳統(tǒng)玻芯光纖在進(jìn)行高功率激光傳輸時(shí)，會(huì)吸收激光能量，導(dǎo)致材料缺陷處形成熱積累或纖芯與包層的溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生光纖損傷。

空芯光纖的話，超過(guò)99%的光功率在空氣中傳輸，光場(chǎng)與材料重極小，因此在相同的傳輸功率下有更低的材料吸收，也就擁有更高的激光損傷閾值。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是不容易被高功率激光（千瓦級(jí)）燒壞。

除了以上列舉的優(yōu)點(diǎn)之外，空心光纖還有低色散、低熱敏感性、抗輻照等優(yōu)勢(shì)。這都是行業(yè)非常關(guān)注空芯光纖技術(shù)發(fā)展的原因。

█空芯光纖的應(yīng)用場(chǎng)景

第一類(lèi)場(chǎng)景，當(dāng)然是通信。

空芯光纖的低損耗、低時(shí)延，非常適合光纖通信用途。尤其是前面提到的時(shí)延敏感型通信場(chǎng)景。

第二類(lèi)場(chǎng)景，是傳感。也就是利用光纖進(jìn)行環(huán)境感知。

空芯光纖具備更強(qiáng)的靈活性和大孔徑特性，可以用于光學(xué)傳感領(lǐng)域，測(cè)量溫度、壓力、流量和化學(xué)成分等參數(shù)。

第三類(lèi)場(chǎng)景，激光應(yīng)用。

剛才說(shuō)了，空芯光纖能扛得住高功率激光。所以，可以將它用于傳送激光束，例如工業(yè)制造的激光切割、刻蝕，以及人體深處來(lái)改善病變組織的成像和治療。

傳送激光，其實(shí)也是某種形式的傳送能量。這也有很大的應(yīng)用想象空間。

█最后的話

總而言之，空芯光纖是一個(gè)好東西。它擁有很多的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。加大對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注和投入，是很有必要的。

目前，空芯光纖仍然努力降低自身?yè)p耗，提升性能指標(biāo)。

想要讓這項(xiàng)技術(shù)加速落地，我們還需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1、光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，到底采用什么樣的架構(gòu)進(jìn)行定型，并投入規(guī)模生產(chǎn)。

2、如何改進(jìn)工藝，降低制造難度，做到批量化和高合格率生產(chǎn)。

3、現(xiàn)網(wǎng)部署可能遇到的工程化問(wèn)題，提前驗(yàn)證，做好方案。最簡(jiǎn)單一點(diǎn)，空芯光纖如果斷了，該如何熔接。

4、如何加快布局產(chǎn)業(yè)鏈，在材料、器件等方面，做好配套支持。

隨著時(shí)間的推移，希望這些問(wèn)題都能找到答案。也希望空芯光纖早日進(jìn)入成熟商用階段，給我們的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)進(jìn)一步的能力提升。



審核編輯：劉清