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。
上圖是當(dāng)時光纖的截面圖。大家可以看到，有大量的小孔，且沒有明顯的纖芯。
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。）
如上圖所示，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)。
我們可以仔細(xì)看看 NANF 光纖的結(jié)構(gòu)：
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。
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)摹?/p>
剛才也已經(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。
本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君
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