空芯光纤，为什么这么火？

原创鲜枣课堂 2024-05-23 17:04

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前几天写“光通信技术趋势（链接）”的时候，提到了空芯光纤。

很多读者对这个技术很感兴趣，问这个空芯光纤到底有什么特别。

今天这篇文章，我就给大家详细科普一下。

█ 什么是空芯光纤

空芯光纤，网上很多文章也称之为“空心光纤”，英文名为Hollow-core fiber（HCF），是一种新型光纤。

我们现在普遍使用的传统光纤，都是玻芯光纤。在光纤里面，有石英玻璃（主要成分是二氧化硅）制作的纤芯。

传统纤芯

空芯光纤，顾名思义，就是光纤里面不再有实体纤芯，而是“空”的——只有空气、惰性气体或真空。

那么，空芯光纤，相比于传统玻芯光纤，到底有什么优势呢？为什么现在光通信行业，都非常关注和重视空芯光纤呢？

研究空芯光纤，并不是因为减少了里面的纤芯能够降低成本，而是因为光信号在空气中传播，比在玻璃纤维中传播更有优势。

在中学物理里面，我们学过一个重要的公式：

v是光在某种介质中的传播速度。c是光在真空中的传播速度，也就是众所周知的约30万公里/秒。n是这种介质的折射率。

光在不同的介质中，传播速度是不一样的。

空气的折射率约等于1。而其它介质的折射率，都大于1。例如水的折射率是1.33，水晶是1.55，钻石是2.42。玻璃按成分不同，大约是1.5～1.9。

这就意味着，光在传统玻芯光纤中，传播速度要明显小于c。

根据实验数据，如果采用空芯光纤，光信号的传播速度将会比传统玻芯光纤提升47%左右。

这将大幅降低光纤通信的时延（大约三分之一）。根据相关研究机构的测算，玻芯光纤的时延大约是5微秒/公里，空芯光纤是3.46微秒/公里。1000公里的距离，可以减少1.54毫秒的时延。

对于高频率的金融证券交易，以及远程医疗、工业制造等行业场景，这个时延改善具有重要的意义。

空芯光纤还有很多的优点，小枣君待会再做介绍。

█ 空芯光纤的发展演进

接下来，我们还是先看看空芯光纤的技术实现。

光纤的原理，说白了，就是把光“困”在有线线缆里。

传统实心光纤，由内到外，包括纤芯、包层、涂覆层三个部分（有时候外面还有套塑）。

当光进入光纤，光纤纤芯的折射率n1比包层的折射率n2高，会发生全反射现象。然后光就会不停地反射，最终向前传播。

全反射

空芯光纤，因为空气的折射率小于包层的折射率，所以，不会发生全反射现象。

因此，空芯光纤想要实现对光的“围困”，就必须采用新的技术思路。

早在上世纪60年代，也就是高锟发表光纤创世论文的时候，就有人曾经提出过空芯光纤的设想。但是，那时候的材料技术还不成熟，所以无法实现。

1987年，美国应用物理学家伊莱·亚布洛诺维奇（Eli Yablonovitch）和萨杰夫·约翰（Sajeev John）率先提出了光子晶体（photonic crystal）的概念，打破了僵局。

光子晶体（Photonic Crystal），也叫光子禁带材料，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。

简单地说，光子晶体具有“波长选择”的功能，可以有选择地使某个波段的光通过，而阻止其它波长的光通过。

大家看到有一些五彩斑斓的宝石，还有自然界中蝴蝶翅膀、孔雀翎羽、甲虫外壳等闪烁着的彩色金属光泽，都源于光子晶体特殊的周期性微结构，能够对特定波长的光进行选择性反射。

基于光子晶体的理论，1991年，英国南安普顿大学的菲利普·罗素（P.St.J.Russel），首次提出了光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）的概念。

1996年，菲利普·罗素的同事、南安普顿大学光电子学研究中心的乔纳森·奈特（J.C.Knight）和蒂姆·博克斯（Tim Birks）等人，成功研制出实芯光子晶体光纤样品，并证实了光在光子晶体光纤中的传导特性。

上图是当时光纤的截面图。大家可以看到，有大量的小孔，且没有明显的纤芯。

光子晶体光纤的诞生，成功引起了光学研究领域的关注。很多团队都开始加入到对光子晶体光纤的研究中，也加速了相关研究的进展。

1998年，乔纳森·奈特等人，宣布发现了“光纤中的光子带隙导波效应”，并制备出世界首根光子带隙型光子晶体光纤（Photonic band gap photonic crystal Fiber，PBG-PCF）。

1999年，菲利普·罗素等人，在《Science》发表论文，提出了空芯单模光子带隙型光子晶体光纤（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，正式研制出样品。（注意，这应该是世界上最早的空芯光纤。）

不同结构设计的空芯光子晶体光纤截面图

如上图所示，整个光子带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）看上去就像一个蜂窝煤。

因此，当时也被称为多孔光纤（Holey Fiber，HF）和微结构光纤（Micro-Structured Fiber，MSF）。

光纤的纤芯是中空的，充满了空气。光纤的包层，是大量的空气孔，按周期性排列，全部具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期。

光信号进入光纤，光子就会从空气纤芯进入包层。包层中周期排列的空气孔，会组成光子晶体结构，让特定频率的光子无法传过包层，给它“弹”回纤芯。这样，光子就只能顺着空气纤芯，继续传播下去。

光子带隙型光子晶体光纤出现之后，尽管科学家一直在试图改进，但仍然无法解决损耗问题。这类光纤的损耗，一直处于dB/Km的级别，且制备存在困难。

这对空芯光纤的应用落地造成了阻碍。于是，科学家们继续探索，想要找到新的空芯光纤结构。

研究人员提出了Kagome型空芯光纤。后来，基于对Kagome型空芯光纤的研究，又提出了反谐振空芯光纤，成为业界主流研究方向。

反谐振空芯光纤（早期型）

2019年，南安普顿大学光电研究中心的弗朗西斯科·伯乐蒂（Francesco Poletti）团队发明了著名的嵌套式抗共振无节点光纤（Nested Antiresonant Nodeless Fiber，NANF），将空芯光纤的损耗降到1.3dB/km。

仅仅一年后，2020年，南安普顿大学的产业化子公司Lumenisity，就将NANF光纤的损耗降到0.28dB/km，轰动了整个行业。

我们可以仔细看看NANF光纤的结构：

嵌套式反谐振无节点光纤（NANF）

NANF光纤的中间是充气纤芯。纤芯周围，是平行的玻璃管。每个玻璃管内，又嵌套（Nested）了另一根玻璃管。

这种叫单嵌套。如果再嵌一根，就是双嵌套。

单嵌套和双嵌套

嵌套的目的，就和“谐振”有关。

谐振也叫共振、干涉。两个波，步调一致，出现幅度最大化，就是谐振。有一部分频点的能量是最小化的，是反谐振，或者叫反共振、抗谐振。

嵌套的玻璃管，是为了形成一个“谐振腔”。

反谐振光纤原理（图片来自张德朝先生）

传输谱线呈现多峰。峰值之间被分隔为多个高反射区，也称为抗谐振窗口。在这些窗口内，从空芯入射将会导致很高的反射，从而极大地降低光纤的泄漏损耗。

玻璃管之间，侧面是没有接触的，这叫做无节点（nodeless）。如果有节点，会导致出现较大的损耗。

NANF光纤解决了光子带隙型光子晶体光纤的瓶颈限制，而且理论损耗与传输带宽都优于当前的玻芯光纤，因此备受行业关注。

光子带隙型空芯光纤 vs 嵌套式反谐振无节点光纤

英国电信、康卡斯特（Comcast）、euNetworks等公司，前几年都采用了Lumenisity的NANF空芯光纤技术。

英国电信将NANF用于移动网络承载网的建设，还在NANF上进行了量子密钥分发测试。

康卡斯特与Lumenisity合作，在费城部署了一条40公里的混合空芯光纤和传统光纤链路，进行兼容性等方面的测试验证。

euNetworks公司在英国伦敦和巴西尔登之间，部署了一段14公里长的Lumenisity空芯光纤，以连接两个对金融交易至关重要的数据中心。

因为空芯光纤的巨大商业价值，2022年12月9日，微软直接将Lumenisity公司整个收购了。交易价格不详，但肯定不低。

目前，国内头部光纤厂商，比如长飞、亨通，都在积极布局空芯光纤技术。很多高校也在进行这方面的研究。三大运营商更不用说了，死死盯着空芯光纤技术的相关进展。

相信接下来的这几年，空芯光纤的研究和落地将会进一步提速。

█ 空芯光纤的优点

我们再来说说空芯光纤的优点。

1、更低的时延

这个前面已经详细介绍过了。

2、更低的损耗

空芯光纤传输损耗也是光纤的一项重要技术指标。光纤的损耗越低，意味着光信号在光纤中能够传输的距离更远，信号在对端更容易被识别和解调出来。

光信号在空气中传输，损耗肯定是小于在石英玻璃中传输的。

刚才也已经提到了，目前空芯光纤可实现损耗为0.174dB/km，与现有最新一代玻芯光纤性能持平。

根据研究机构的说法，空芯光纤的理论损耗最小极限可低至0.1dB/km以下，比普通玻芯光纤（0.14dB/km）更小。

3、支持更多的光波段

空芯光纤不挑光，可以轻松支持O，S，E，C，L，U等多种波段的光。

4、减少了非线性效应

空芯光纤的非线性效应比常规玻芯光纤的非线性效应低3到4个数量级，使得入纤光功率可以大幅提高，从而提升传输距离。

5、能传输高功率激光

传统玻芯光纤在进行高功率激光传输时，会吸收激光能量，导致材料缺陷处形成热积累或纤芯与包层的温度分布不均匀，从而产生光纤损伤。

空芯光纤的话，超过99%的光功率在空气中传输，光场与材料重极小，因此在相同的传输功率下有更低的材料吸收，也就拥有更高的激光损伤阈值。

简单来说，就是不容易被高功率激光（千瓦级）烧坏。

除了以上列举的优点之外，空心光纤还有低色散、低热敏感性、抗辐照等优势。这都是行业非常关注空芯光纤技术发展的原因。

█ 空芯光纤的应用场景

第一类场景，当然是通信。

空芯光纤的低损耗、低时延，非常适合光纤通信用途。尤其是前面提到的时延敏感型通信场景。

第二类场景，是传感。也就是利用光纤进行环境感知。

空芯光纤具备更强的灵活性和大孔径特性，可以用于光学传感领域，测量温度、压力、流量和化学成分等参数。

第三类场景，激光应用。

刚才说了，空芯光纤能扛得住高功率激光。所以，可以将它用于传送激光束，例如工业制造的激光切割、刻蚀，以及人体深处来改善病变组织的成像和治疗。

传送激光，其实也是某种形式的传送能量。这也有很大的应用想象空间。

█ 最后的话

总而言之，空芯光纤是一个好东西。它拥有很多的优点，应用前景非常广阔。加大对这项技术的关注和投入，是很有必要的。

目前，空芯光纤仍然努力降低自身损耗，提升性能指标。

想要让这项技术加速落地，我们还需要关注以下几点：

1、光纤内部结构的标准化，到底采用什么样的架构进行定型，并投入规模生产。

2、如何改进工艺，降低制造难度，做到批量化和高合格率生产。

3、现网部署可能遇到的工程化问题，提前验证，做好方案。最简单一点，空芯光纤如果断了，该如何熔接。

4、如何加快布局产业链，在材料、器件等方面，做好配套支持。

随着时间的推移，希望这些问题都能找到答案。也希望空芯光纤早日进入成熟商用阶段，给我们的网络带来进一步的能力提升。

以上就是今天文章的全部内容，谢谢观看！

参考资料：

1、南安普顿大学光电研究中心（ORC）相关论文；

2、《反谐振空芯光纤或将成为超高速光传输系统的理想介质》，中国移动李晗；

3、《光子晶体光纤30周年：微结构光纤简史》，Thorlabs；

4、《光子晶体光纤的特性及应用发展趋势》，江苏亨通光纤，陈伟；

5、《揭秘空芯光纤：未来通信的“光速之路”》，中兴文档；

6、《空心NANF光纤，什么是反谐振无节点》，光通信女人；

7、《空芯光纤HCF最新进展》，Fiber，知乎。

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