空芯光纖，為什么這么火？

前幾天寫“光通信技術(shù)趨勢（鏈接）”的時候，提到了空芯光纖。很多讀者對這個技術(shù)很感興趣，問這個空芯光纖到底有什么特別。今天這篇文章，我就給大家詳細(xì)科普一下。

█ 什么是空芯光纖

空芯光纖，網(wǎng)上很多文章也稱之為“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。

空芯光纖，顧名思義，就是光纖里面不再有實體纖芯，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，并不是因為減少了里面的纖芯能夠降低成本，而是因為光信號在空氣中傳播，比在玻璃纖維中傳播更有優(yōu)勢。

在中學(xué)物理里面，我們學(xué)過一個重要的公式：

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)實驗數(shù)據(jù)，如果采用空芯光纖，光信號的傳播速度將會比傳統(tǒng)玻芯光纖提升47%左右。

這將大幅降低光纖通信的時延（大約三分之一）。根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的測算，玻芯光纖的時延大約是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毫秒的時延。

對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)場景，這個時延改善具有重要的意義。

空芯光纖還有很多的優(yōu)點，小棗君待會再做介紹。

█ 空芯光纖的發(fā)展演進(jìn)

接下來，我們還是先看看空芯光纖的技術(shù)實現(xiàn)。

光纖的原理，說白了，就是把光“困”在有線線纜里。

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

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，會發(fā)生全反射現(xiàn)象。然后光就會不停地反射，最終向前傳播。

空芯光纖，因為空氣的折射率小于包層的折射率，所以，不會發(fā)生全反射現(xiàn)象。

因此，空芯光纖想要實現(xiàn)對光的“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)世論文的時候，就有人曾經(jīng)提出過空芯光纖的設(shè)想。但是，那時候的材料技術(shù)還不成熟，所以無法實現(xiàn)。

1987年，美國應(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)。

簡單地說，光子晶體具有“波長選擇”的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過，而阻止其它波長的光通過。

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的光進(jìn)行選擇性反射。

基于光子晶體的理論，1991年，英國南安普頓大學(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，成功研制出實芯光子晶體光纖樣品，并證實了光在光子晶體光纖中的傳導(dǎo)特性。

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)隊都開始加入到對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（Photonic?band?gap 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。）

整個光子帶隙型光子晶體光纖（PBG-PCF）看上去就像一個蜂窩煤。

因此，當(dāng)時也被稱為多孔光纖（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。

光信號進(jìn)入光纖，光子就會從空氣纖芯進(jìn)入包層。包層中周期排列的空氣孔，會組成光子晶體結(jié)構(gòu)，讓特定頻率的光子無法傳過包層，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)，但仍然無法解決損耗問題。這類光纖的損耗，一直處于dB/Km的級別，且制備存在困難。

這對空芯光纖的應(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，基于對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。

2019年，南安普頓大學(xué)光電研究中心的弗朗西斯科·伯樂蒂（Francesco Poletti）團(tuán)隊發(fā)明了著名的嵌套式抗共振無節(jié)點光纖（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，轟動了整個行業(yè)。

NANF光纖的中間是充氣纖芯。纖芯周圍，是平行的玻璃管。每個玻璃管內(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。

嵌套的目的，就和“諧振”有關(guān)。

諧振也叫共振、干涉。兩個波，步調(diào)一致，出現(xiàn)幅度最大化，就是諧振。有一部分頻點的能量是最小化的，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“諧振腔”。

傳輸譜線呈現(xiàn)多峰。峰值之間被分隔為多個高反射區(qū)，也稱為抗諧振窗口。在這些窗口內(nèi)，從空芯入射將會導(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)面是沒有接觸的，這叫做無節(jié)點（nodeless）。如果有節(jié)點，會導(dǎo)致出現(xiàn)較大的損耗。

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 嵌套式反諧振無節(jié)點光纖 英國電信、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)。

英國電信將NANF用于移動網(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)測試。

康卡斯特與Lumenisity合作，在費城部署了一條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試驗證。

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

因為空芯光纖的巨大商業(yè)價值，2022年12月9日，微軟直接將Lumenisity公司整個收購了。交易價格不詳，但肯定不低。

目前，國內(nèi)頭部光纖廠商，比如長飛、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。三大運營商更不用說了，死死盯著空芯光纖技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展。

相信接下來的這幾年，空芯光纖的研究和落地將會進(jìn)一步提速。

█ 空芯光纖的優(yōu)點

我們再來說說空芯光纖的優(yōu)點。

1、更低的時延：這個前面已經(jīng)詳細(xì)介紹過了。

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

光信號在空氣中傳輸，損耗肯定是小于在石英玻璃中傳輸?shù)?。剛才也已?jīng)提到了，目前空芯光纖可實現(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個數(shù)量級，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，會吸收激光能量，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99%的光功率在空氣中傳輸，光場與材料重極小，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。

簡單來說，就是不容易被高功率激光（千瓦級）燒壞。

除了以上列舉的優(yōu)點之外，空心光纖還有低色散、低熱敏感性、抗輻照等優(yōu)勢。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)用場景

第一類場景，當(dāng)然是通信。

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

第二類場景，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，測量溫度、壓力、流量和化學(xué)成分等參數(shù)。

第三類場景，激光應(yīng)用。

剛才說了，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，以及人體深處來改善病變組織的成像和治療。

傳送激光，其實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，空芯光纖是一個好東西。它擁有很多的優(yōu)點，應(yīng)用前景非常廣闊。加大對這項技術(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損耗，提升性能指標(biāo)。

想要讓這項技術(shù)加速落地，我們還需要關(guān)注以下幾點：

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題，提前驗證，做好方案。最簡單一點，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。

隨著時間的推移，希望這些問題都能找到答案。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)帶來進(jìn)一步的能力提升。

以上就是今天文章的全部內(nèi)容，謝謝觀看！

參考資料：
1、南安普頓大學(xué)光電研究中心（ORC）相關(guān)論文；
2、《反諧振空芯光纖或?qū)⒊蔀槌咚俟鈧鬏斚到y(tǒng)的理想介質(zhì)》，中國移動李晗；3、《光子晶體光纖30周年：微結(jié)構(gòu)光纖簡史》，Thorlabs；4、《光子晶體光纖的特性及應(yīng)用發(fā)展趨勢》，江蘇亨通光纖，陳偉；5、《揭秘空芯光纖：未來通信的“光速之路”》，中興文檔；6、《空心NANF光纖，什么是反諧振無節(jié)點》，光通信女人；7、《空芯光纖HCF最新進(jìn)展》，F(xiàn)iber，知乎。