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近年來，空心光子晶體光纖技術取得了顯著進展，使得這類光纖的衰減率降低至與全固態硅基單模光纖相媲美的水平。 這一領域的持續進步不僅重燃了業界對空心光纖技術的興趣，更激發了人們的期待：未來某一天，空心光纖將能夠實現制造出史上最為透明的光波導，覆蓋所有重要的光譜區域。 
在本系列的文章中，我們對影響空心光纖衰減的各種物理機制進行了綜合回顧與分析。我們不僅審視了傳統的基于光子帶隙的空心光纖技術，也探討了較新的抗諧振空心光纖。由于這兩種光纖類型都采用了與傳統實心纖芯光纖不同的導光機制，將光限制在中心纖芯內，因此它們的衰減過程也由一系列不同的物理過程所主導。
首先，我們討論了在理想狀態下的光纖中固有的損耗機制，包括纖芯內填充氣體的泄漏損耗、吸收以及由周圍玻璃微結構引起的散射，還有光纖內部空氣-玻璃界面的粗糙度引起的散射。特別是，我們對后者的影響進行了嚴格的分析，這些誤解往往導致了不恰當的縮放規則的使用。接著，我們探討了損耗的外在因素，包括隨機微彎以及制造過程中可能出現的其他擾動和非均勻性的影響。這些因素主要通過將光從基模散射到損耗更高的高階模式和包層模式，從而影響光纖的損耗。盡管這些影響過去常被忽略，但在制造損耗低于0.1 dB/km且具有純單模導引特性的空心光纖方面，它們的作用正變得越來越關鍵。最后，在這個系列的專欄中，我們提出了針對前述所有損耗機制的一般性縮放規則，并將這些規則結合起來，評估了近期報道的光纖性能。我們還為設計在不同光譜區域運行的低損耗空心光纖提供了一些通用指導原則，并以對這項可能帶來變革性影響的技術未來的簡要展望作為結尾。回顧與發展20 多年前，首次報道了一種創新的光纖，其纖芯完全由空氣填充，成功地在40毫米長的樣品中以基模傳輸了激光器發射光的35%。這一極為激動人心的進展標志著首次嘗試展示利用光子晶體概念及其相關的光子帶隙，實現長距離、靈活的空心光波導中的光限制和引導。Yablonovich和John的開創性理論工作啟發了這項光纖研究，他們獨立證明了包含三維波長尺度周期性折射率分布的介質結構能夠抑制特定光子態的存在。這與固態物理學中的電子帶隙類似，這樣的結構甚至不允許由于缺少允許的光子態而產生的自發輻射，因此可以用來在特意創造的缺陷中實現光的強局域化。基于這些概念，通過二維周期性介質材料的排列，在第三維度無限延伸，可以實現出平面光子帶隙，利用這一現象在適當設計的纖芯缺陷中引導光，即便在空氣和硅之間的折射率對比度較低的情況下也可行。由于這種借鑒自光子晶體概念的傳統，這類光纖被普遍稱為光子晶體光纖。首次在空氣纖芯中展示的光引導技術激發了廣泛的樂觀情緒，并開啟了對空心光子晶體光纖技術的深入研究。對這項技術的熱情是合理的，因為空氣中的光引導不僅消除了傳統光纖的許多材料限制，還大幅降低了這些限制，同時由于其獨特屬性，促進了許多新穎的光子學應用的實現。
首先，纖芯中缺乏固體材料顯著降低了光纖纖芯因高強度輻射而發生介質擊穿損壞的風險。同時，這也幾乎消除了傳統實心纖芯光纖中存在的克爾光學非線性，顯著提高了空心光纖的功率處理能力，使其非常適合傳輸連續波或高能脈沖激光光。光學非線性的大幅度降低消除了光子光纖電信系統中非線性噪聲的嚴重障礙，這是提高傳統基于光纖系統數據承載能力的一個基本原理限制。其次，空心光纖由于其群折射率非常接近1，以接近真空的延遲引導光，在許多數據通信應用中變得越來越重要。實際上，，空心光纖可以減少1/3的時延，低延遲對于5G網絡的部署和運行非常有益，5G網絡的時間要求非常嚴格，數據中心甚至超級計算機也是如此。此外，由于空心纖芯內引導模式的光場與固體材料的相互作用較弱，低延遲還伴隨著非常低的群速度色散，并且對環境變化，特別是溫度變化具有顯著的抵抗力。這一獨特屬性使空心光纖非常適合用于高精度干涉測量、同步和時間頻率計量學的應用。第三，從光纖纖芯中移除固體材料使其成為研究液態或氣態相中光-物質相互作用的理想平臺，無論是在線性還是非線性區域。在這里，長的相互作用長度和光與流體材料的同時限制導致了許多應用的實現，包括頻率轉換、超連續譜的產生和脈沖整形。空心纖芯中光的低損耗限制還開辟了在這些結構中長距離懸浮和引導粒子的可能性然而，對空心光纖技術的熱情主要源于希望：即從光纖纖芯中移除固體材料將導致比標準單模光纖更低的傳播損耗。后者的衰減基本上由瑞利散射引起，這是由于玻璃的無序性質所導致的密度波動。這種無序可以通過虛溫來量化，虛溫通常在光纖中比在塊狀硅中更高。物理機制與損耗因素多年來，塊狀玻璃和光纖的虛溫差異顯著縮小，現在人們普遍認為，在硅光纖中將損耗顯著降低到大約0.14 dB/km以下是不可能的。因此，進一步降低損耗必須采用不易散射的介質，而空氣以其近三個數量級更低的密度，是理想的介質。除了低散射外，在空氣/真空中實現低損耗引導在玻璃不透明的波長上也是可能的，只要光纖設計得避免引導模式場與固體玻璃材料強烈重疊。這為從紫外到中紅外的單一固體材料平臺上的低損耗光引導開辟了前景。盡管所有這些前景都很誘人，但實現與傳統光纖相當或更低的空心光纖損耗水平一直是一個巨大的挑戰。在首次報告空心光纖后的幾年內，研究人員很快發現，用于在空心纖芯中引導光的物理機制引入了一些獨特的損耗機制。首先，與傳統光纖不同，全內反射確保引導的光學模式真正被限制，在微結構光纖中引導光，特別是空心光纖，總是伴隨著一些泄漏，即模式是泄漏的，一部分光功率在沿著光纖軸傳播時從它們流失。這導致了泄漏或限制損耗，類似于當傳統實心光纖彎曲時由于部分反射導致的損耗。泄漏損耗的一個基本方面是，它隨著橫向模式的階數增加而增加，導致引導模式之間的差異性損耗。其次，在空心光纖中，許多空氣-玻璃界面的存在導致了一種獨特的表面散射機制，這有助于損耗。研究人員很早就意識到，在光子帶隙光纖中，這些界面上的粗糙度盡管非常小，但在光傳播長距離時，可以導致大量的散射損耗。這被認為是對這些光纖可以實現的損耗設定了一個基本限制。在較新的空心反諧振光纖中，這種貢獻似乎不再占主導地位，但仍然在決定光纖總損耗中發揮作用。除了這兩種獨特且獨特的損耗機制外，實體芯光纖中存在的其他固有損耗機制也有助于空心光纖的損耗。首先是瑞利散射，它可能起源于玻璃或當空心區域充滿空氣或其他氣體時。氣體中的瑞利散射比在玻璃中低近三個數量級，使其貢獻可以忽略不計。在空心光纖中，非常小的一部分光功率在玻璃中引導。這在很大程度上抑制了玻璃區域內瑞利散射的損耗貢獻。第二種是吸收，它也可能發生在玻璃內或在潛在的填充氣體中。像散射一樣，由于引導模式場與玻璃材料之間的重疊很小，玻璃吸收被高度抑制。潛在填充氣體中的吸收取決于特定氣體成分和操作波長，但原則上可以通過抽真空來消除。實體芯光纖中存在的一系列外在損耗機制也影響空心光纖的損耗。例如，當光纖彎曲或以盤繞配置部署用于傳感器或干涉儀等應用時，泄漏損耗會增加。這被稱為宏觀彎曲損耗。當光纖軸由于隨機側向載荷而偏離直線路徑時，例如在粗糙的滾筒上卷繞或在電纜中壓在粗糙的加強件上，它會產生額外的損耗，稱為微觀彎曲。除了這些彎曲引起的損耗機制外，光纖制造過程中的隨機波動導致纖維結構的小的結構擾動或非均勻性。像在實體芯光纖中一樣，這種擾動的后果是導致核心引導模式之間以及這些核心引導模式和輻射模式之間的功率轉移，導致額外的損耗。本系列的文章目的是盡可能完整地展示目前對空心光纖損耗貢獻的物理機制的理解或有時的誤解。提供主要損耗貢獻的機制與相關的引導機制和光纖類型密切相關。第一類是通過光子帶隙效應引導光的光纖，可以進一步區分為1D光子帶隙光纖，其包層由全向介質鏡組成，以及2D光子帶隙光纖，其包層具有2D周期性蜂窩狀結構。
第二類是由通常具有由薄玻璃膜排列組成的包層，并通過稱為反諧振或常被稱為抑制耦合的機制引導光的光纖。盡管這些可能不包括所有類型的空心光纖，我們專注于2D光子帶隙光纖和反諧振光纖，因為它們展示了從可見光到近紅外波長的低于1dB/km損耗的潛力。另外，我們更加關注反諧振光纖，因為它們在過去幾年中一直是密集研究的焦點，現在已經在數公里跨度內展示了亞0.2 dB/km的損耗。在接下來的第2篇和第3篇文章中，我們來簡要概述了兩種光纖類型當前的性能狀況。覺得不錯，就點亮“贊”和“在看”吧
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