空芯光纤为什么最近有点“火”？

      要理解空芯光纤，我们得先明白传统光纤为何重要。高锟先生因发明光纤获得诺贝尔奖，因为光纤是光信息和光能量远距离传输的核心载体，它开启了光通信和信息时代的大门。传统光纤的本质是极高纯度的玻璃丝，利用“全反射”原理将光约束在实芯的玻璃纤芯中传输。其最关键的性能指标是损耗，损耗越低，光能传得越远。目前好的传统石英光纤​损耗已接近其材料理论极限，约在0.14 dB/km（在1.5微米波段附近）。

图1 传统光纤损耗曲线

      这个极限从何而来？材料本身有固有缺陷：短波长端受散射效应限制，长波长端受材料吸收限制，两者交汇点决定了其低损耗极限。这是材料本身带来的“天花板”。

      那么，如何突破这个天花板？这就引出了空芯光纤的革命性思路：能否不让光在固体材料中传输，而是让它主要在空气中传输？

      空芯光纤的发明人是菲利普·罗素教授。他在1991年提出了微结构光纤的概念，并于1999年在巴斯大学首次制备出空芯光纤。其核心思想是，通过精密的微结构设计（如在光纤截面中排列周期性空气孔），打破传统波导机理，利用光子带隙或反谐振效应将光约束在空芯光纤的中空纤芯中传播。这样，光与玻璃材料的接触就大大减少，从而突破固体材料的损耗极限。

图2 光子晶体光纤和反谐振光纤横截面

      在众多结构中，反谐振光纤是目前空芯光纤损耗性能突破的关键技术。这里有个有趣的故事：2001年前后，罗素教授在巴斯大学的科研团队在实验中本想制备一种周期性结构，但因一次“失误”没有完全关闭光纤微结构中的一些空气孔，却意外发现这种的结构也能导光，且传输带宽很宽。深入研究后，他们发现了反谐振机理：光可以被纤芯周围那层极薄的玻璃壁反射（像一个法布里-珀罗腔），从而被限制在空气纤芯里。非谐振波段的光可以低损耗传输，而谐振波段的光则损耗很高，故称为“反谐振效应”。这次原以为“失误”的尝试催生了2002年一篇重要的Science论文，奠定了反谐振空芯光纤的基础。

【从哪里来？——空芯光纤的发展与突破】

      反谐振光纤问世初期，损耗很高（约1000 dB/km）。如何降低损耗成为了当时研究的焦点，并产生了两个重要的技术：

      1、无节点技术：早期结构中，支撑薄壁的连接点（节点）本身也会导光，导致纤芯中的光可通过模式耦合泄漏出去，增加空芯光纤的损耗。2013年，俄罗斯研究者提出了一种避免这些节点粘连的结构，从结构上消除了这种泄漏路径。

      2、嵌套技术：2014年，巴斯大学的研究者提出，可以通过在核心薄壁外再套上一层或多层嵌套结构，形成多层反谐振效应。这样能像“套娃”一样，将光场更紧密地束缚在空气纤芯中，使得纤芯中光场与玻璃材料接触的比例从1%进一步降低到千分之一乃至万分之一，从而大幅降低光纤损耗。

图3 俄罗斯科学院团队（无节点）与英国巴斯大学团队（嵌套）所报道的空芯光纤关键降损技术

      将“无节点”（俄罗斯科学院团队）和“嵌套”（英国巴斯大学团队）这两大技术结合，产生了空芯光纤领域一个非常重要的。这个由南安普顿大学持有的（2015年），在一定程度上奠定了南安普顿大学团队（现微软团队）在空芯光纤领域近10年的引领地位，且其仍然是当前几乎所有超低损耗（<1 dB/km）空芯光纤的结构基础。

图4 南安普顿大学的空芯光纤专利（无节点+嵌套）

      回顾这段历史，我特别想谈下自己对研究方向“冷板凳”与“红火”的感受。从2010年开始，有一批研究者（包括英国南安普顿大学团队、巴斯大学团队，德国马普所团队，也包括国内汪滢莹教授，王璞教授等团队）在这个方向上默默坚守，不断优化工艺。当时光纤损耗高，发高水平文章难，但当年的研究者们坚信空芯光纤的潜力。正是这种在“冷板凳”方向上的长期坚守与积累，才触发了2020年前后的空芯光纤损耗突破1 dB/km大关，同时也为2022年后空芯光纤的“红火”奠定了重要基础。微软收购相关公司等资本动作，更使空芯光纤成为领域热点。也正是国内国际大公司（美国微软，国内长飞、烽火、亨通等）的进入，使得空芯光纤的损耗性能获得进一步突破，目前已实现低于0.1 dB/km的传输损耗，突破了传统单模光纤的理论损耗极限。

【到哪里去？——空芯光纤的应用与未来】

      空芯光纤近期之所以如此“火热”，其根本原因在于其可让光信号在空气或真空中长距离低损传输，这带来了一系列独特的优势。首先，其理论上的传输损耗极低，远低于传统光纤的理论极限，这使得在跨洋通信等长距离传输中减少中继器成为可能。其次，光在空气中的传播速度比在玻璃材料中快约30%，这意味着传输延迟大幅降低，这对于AI算力协同训练和高频金融交易等应用场景具有颠覆性价值。此外，它还具备极低的非线性效应和更宽的传输窗口，允许注入更高功率的光信号，从而极大提升通信容量。并且拥有高的激光损伤阈值，非常适合高功率激光传输。

图5 空芯光纤在高功率激光中的应用

      基于这些的特性，空芯光纤的应用场景非常广阔。在通信领域，其低延迟、低非线性、低损耗三大优势将直接赋能算力中心光互联、大容量长距离信息传输和6G前传网络。例如，微软已计划大规模部署空芯光纤用于其数据中心互联。在激光领域，空芯光纤能够长距离、高光束质量传输千瓦量级平均功率与兆瓦量级峰值功率的高能激光，为精密加工和**应用开辟了新路径。在传感领域，尤其是光纤陀螺仪，其低热膨胀系数和强抗辐照能力使其特别适合空间应用场景下的高精度惯性导航。同时，空芯光纤可以实现光场与气体介质的长距离相互作用，也为许多新波段激光技术与前沿光学应用提供了可能。

参考文献： 中国光学期刊网

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