空芯光纖：機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的“光學(xué)新星”

從古代用于傳輸戰(zhàn)爭信號的烽火臺，到現(xiàn)代用于指揮交通的紅綠燈，其實(shí)都是光通信的表現(xiàn)形式。光導(dǎo)纖維（簡稱“光纖”）的研究歷史可以追溯至1854年，科學(xué)家們觀察到光隨水流而彎曲的奇妙現(xiàn)象。1966年，英國華裔科學(xué)家高錕博士（光纖之父）理論上提出光纖的損耗可以降低至20 dB以下。1970年，康寧玻璃公司率先研制出損耗低至20 dB/km的石英玻璃光纖。至今，石英玻璃光纖的損耗已經(jīng)降低至0.14 dB/km（受材料本征限制難以繼續(xù)降低），引領(lǐng)了整個(gè)信息社會的發(fā)展。

石英玻璃光纖發(fā)展到今天，其早已不只是一種傳輸介質(zhì)，它已成為構(gòu)成各種光纖功能器件的基礎(chǔ)（如光纖激光器等）。而光纖通信也不只局限于傳輸領(lǐng)域，而且拓展到交換、傳感等領(lǐng)域。光子交換技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，預(yù)示著全光通信時(shí)代的到來。近兩年以ChatGPT為代表的AI大模型橫空出世，使得算力需求飆升，對光纖通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的需求：更高容量、更低時(shí)延、更低能耗。此外，光纖激光技術(shù)也朝著更高功率、更短脈沖、更寬光譜的方向發(fā)展；光纖的應(yīng)用場景也拓展至外太空、海底、核反應(yīng)堆等強(qiáng)輻射環(huán)境，這對傳統(tǒng)石英玻璃光纖提出了挑戰(zhàn)。

如何突破傳統(tǒng)石英玻璃光纖的局限性？最根本的方式，就是讓光不在石英纖芯中，而最理想的傳輸介質(zhì)就是真空。但這似乎與石英玻璃光纖的全內(nèi)反射導(dǎo)光機(jī)理相違背。如何讓光在低折射率的介質(zhì)中傳輸呢？這就需要一種全新的導(dǎo)光機(jī)理。基于此，空芯光纖應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理不同，空芯光纖可以分為空芯光子帶隙光纖與空芯反諧振型光纖。前者基于周期性的包層結(jié)構(gòu)將光束縛在空氣纖芯中，后者通過將包層壁厚設(shè)置為反諧振條件從而抑制光泄露到包層中，二者都實(shí)現(xiàn)了光在低折射率的介質(zhì)中傳輸，即從根本上避免了石英玻璃光纖受材料的本征限制而帶來的問題。

近20年的研究表明，空芯光纖在傳輸損耗、時(shí)延、非線性、損耗閾值、色散等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，成為了光纖光學(xué)領(lǐng)域的新一輪研究熱潮。

石英玻璃光纖的發(fā)展歷程主要是以降低傳輸損耗為目標(biāo)，空芯光纖也不例外。

國外對于空芯光纖的研究可追溯至20多年前，主要研究單位為英國南安普頓大學(xué)與英國巴斯大學(xué)。20世紀(jì)90年代末，Russell教授團(tuán)隊(duì)提出并制備出第一根空芯光纖，如圖1 (a)所示，證實(shí)了空芯光纖導(dǎo)光的可行性^[1]。隨后十多年，研究者們一直在致力于降低空芯光纖的傳輸損耗。2005年，研究者提出空芯光子帶隙光纖的損耗受限于一種特殊的模式——表面模，并且理論預(yù)測了這種光纖的最低損耗為0.2 dB/km。同年，英國巴斯大學(xué)將空芯光子帶隙光纖的損耗降低至1.2  dB/km@1565 nm^[2]，如圖1 (b)所示，這也是目前該類光纖的最低損耗記錄。然而，受限于表面散射損耗的主導(dǎo)作用，以光子帶隙效應(yīng)為主的這類空芯光纖探索超低損耗的路徑被迫宣告失敗。

盡管這類光纖的損耗無法進(jìn)一步降低（通常為3-5 dB/km），然而帶隙光纖仍然在一些方面具有優(yōu)勢，如：較強(qiáng)的抗彎曲能力（帶隙光纖的極限彎曲半徑在毫米量級，反諧振光纖在厘米量級）、高雙折射的實(shí)現(xiàn)能力（2014年，美國OFS實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一款兼顧低損耗<5 dB/km、高雙折射10^-4、單模的空芯光子帶隙光纖^[3]，如圖1(c)所示，而反諧振光纖暫無兼顧三者特性的實(shí)驗(yàn)報(bào)道）。

圖1 從左到右依次為： (a) 第一根空芯光纖；(b) 損耗最低的空芯光子帶隙光纖；(c)低損耗、高雙折射、單模空芯光子帶隙光纖

2002年，英國巴斯大學(xué)提出的Kagome光纖是空芯反諧振光纖的雛形^[4]，如圖2 (a)所示。2011年，研究者提出，纖芯負(fù)曲率形狀可以大幅度降低光纖損耗，基于此，光纖損耗從1000 dB/km降低至40 dB/km^[5]，如圖2 (b)所示。這一重要貢獻(xiàn)幾乎指導(dǎo)了后續(xù)所有的空芯反諧振光纖設(shè)計(jì)。由于負(fù)曲率纖芯形狀，空芯反諧振光纖也被稱為空芯負(fù)曲率光纖。

空芯反諧振光纖的發(fā)展歷程可以概括為“復(fù)雜到簡單、簡單到復(fù)雜”。“復(fù)雜到簡單”指的是：空芯反諧振光纖的包層結(jié)構(gòu)由最初的Kagome的籠狀結(jié)構(gòu)簡化為冰淇淋型結(jié)構(gòu)（圖2 (c)），再變?yōu)閱苇h(huán)無節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（圖2 (d)）。“簡單到復(fù)雜”指的是：為了降低空芯反諧振光纖的衰減，研究者們在單環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加反諧振反射層，先后提出嵌套型空芯反諧振光纖（圖2 (e)）以及雙層嵌套型空芯反諧振光纖（圖2 (f)）。數(shù)值仿真表明，每增加一層嵌套層，光纖的限制損耗便可以降低一個(gè)數(shù)量級。2024年OFC會議中，雙層嵌套型空芯反諧振光纖的損耗已經(jīng)降低至0.08±0.03 dB/km@1550 nm^[6]，已超越傳統(tǒng)石英玻璃光纖的損耗極限，成為了損耗最低的光纖，這是光纖光學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究成果，有望引領(lǐng)整個(gè)光通信行業(yè)的發(fā)展。

圖2 從左到右依次為： (a) Kagome光纖；(b) 負(fù)曲率纖芯Kagome光纖；(c)冰淇淋型空芯反諧振光纖；(d) 單環(huán)無節(jié)點(diǎn)型空芯反諧振光纖；(e) 嵌套型空芯反諧振光纖；(f)雙層嵌套型空芯反諧振光纖

早期國內(nèi)對空芯光纖的研究大多數(shù)研究停留在數(shù)值計(jì)算中，主要研究單位為北京工業(yè)大學(xué)、暨南大學(xué)、北京交通大學(xué)、長飛光纖光纜股份有限公司（后表達(dá)為“長飛”）、上海光機(jī)所、武漢長盈通光電技術(shù)股份有限公司（后表達(dá)為“長盈通”）。

2024年，暨南大學(xué)與領(lǐng)纖團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首次報(bào)道了損耗低至0.1 dB/km@1550 nm的空芯反諧振光纖^[7]，如圖3 (a)所示。同期，長飛報(bào)道了空芯反諧振光纖的單次拉絲長度突破15 km^[8]，如圖3 (b)所示。此外，北京交通大學(xué)與長盈通團(tuán)隊(duì)報(bào)道了用于超快激光傳輸?shù)膯苇h(huán)空芯反諧振光纖的國際最低記錄損耗：4.3 dB/km@1080 nm^[9]，如圖3 (c)所示。這些結(jié)果都表明國內(nèi)的空芯光纖制造能力已處于世界先進(jìn)水平^[10-11]。

圖3 從左到右依次為：(a) 截?cái)嘈退闹仉p嵌套反諧振空芯光纖；(b) 國內(nèi)15 km連續(xù)拉絲空芯光纖；(c)國際1  μm記錄損耗光纖

值得關(guān)注的是，當(dāng)空芯光纖損耗已經(jīng)低于石英玻璃光纖時(shí)，模式特性則需要被重點(diǎn)關(guān)注。無論在通信領(lǐng)域，還是激光領(lǐng)域，優(yōu)異的單模特性一直是學(xué)術(shù)屆與產(chǎn)業(yè)界共同追求的目標(biāo)。然而，空芯反諧振光纖的導(dǎo)光機(jī)理決定了這種光纖的本質(zhì)就是一種多模光纖。盡管經(jīng)典的嵌套型空芯反諧振光纖可以利用第二空氣層耦合濾除高階模式，但這僅可以實(shí)現(xiàn)對第一高階模式（LP₁₁）的抑制，而對于更高階的高階模式（如LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁等）無法實(shí)現(xiàn)有效抑制，這也一直是該類光纖的難題（即“準(zhǔn)單模”，并非嚴(yán)格單模）。2024年，暨南大學(xué)提出了一種截?cái)嘈退闹仉p嵌套反諧振空芯光纖（圖3(a)），該結(jié)構(gòu)利用第一空氣層耦合纖芯高階模式且不需要針對高階模進(jìn)行優(yōu)化，因此在實(shí)現(xiàn)超低損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的單模特性，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2024年11月19日，在Microsoft Ignite 2024上，微軟宣布未來24個(gè)月計(jì)劃部署15000公里空芯光纖，成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。而空芯光纖從適用到商用還面臨哪些挑戰(zhàn)呢？

一是制備方面。制備效率、單次拉絲長度、縱向均勻性是導(dǎo)致空芯光纖價(jià)格高昂的主要原因。此外，空芯光纖的吸收損耗是目前急需解決的問題，水汽吸收損耗限制了多波段的應(yīng)用。CO₂氣體吸收損耗對現(xiàn)有波段傳輸具有一定影響，經(jīng)初步測試，對于常用C+L波段中的一些波長影響較大。

二是部署運(yùn)維方面，需要解決當(dāng)前空芯光纖與實(shí)心光纖的熔接問題。此外，由于空芯光纖中信號在空氣中傳輸，所以背向散射系數(shù)比單模光纖低~28dB，導(dǎo)致現(xiàn)有OTDR可測動態(tài)范圍變小，且熔接點(diǎn)處存在鼓包及端面反射峰，加上脈沖過寬導(dǎo)致測量盲區(qū)大，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量光纖衰減系數(shù)、識別故障和熔接位置及相應(yīng)損耗。

三是壽命評估方面。由于空芯光纖的包層由多個(gè)嵌套毛細(xì)管組成，且壁厚通常為微米級甚至納米級，與當(dāng)前石英玻璃光纖的差異較大，目前開展的壽命評估（如監(jiān)測鋪設(shè)光纜動態(tài)、意外進(jìn)水分析等）僅是初步驗(yàn)證，具體壽命評估模型是否需要變動還需進(jìn)一步研究。

目前來看，空芯光纖的在通信網(wǎng)絡(luò)中最主要優(yōu)勢為：超低衰減與超低時(shí)延。若暫時(shí)不考慮空芯光纖的制備成本等問題，未來空芯光纖的應(yīng)用場景可能主要集中于：

場景一，長距離干線100 km+，如圖4 (a)。針對此，中興通訊股份有限公司表明，在相同頻譜范圍內(nèi)，空芯光纖可支持傳輸容量是常規(guī)G.652光纖的3倍（G.654大約為2倍）。這來源于算力網(wǎng)、電網(wǎng)等廣域數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的挑戰(zhàn)^[12]。

場景二，數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)或中距離覆蓋內(nèi)2-20 km，如圖4 (b)。10-20km距離場景中可以充分利用空芯光纖低時(shí)延的優(yōu)勢，擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心地理覆蓋范圍（增加約70%覆蓋面積），或在數(shù)據(jù)中心選址距離上獲得更大的余量（30%以上）。這來源于AR/VR以及車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延有較高要求^[13]。

場景三，數(shù)據(jù)中心內(nèi)20-500 m，如圖4 (c)。在AI大模型計(jì)算中，運(yùn)算節(jié)點(diǎn)成倍增加以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延逐漸成為關(guān)鍵瓶頸。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不變的情況下，將常規(guī)光纖替換為空芯光纖可以提高運(yùn)算效率至少10%以上；在相同網(wǎng)絡(luò)時(shí)延情況下，相對于常規(guī)光纖，空芯光纖可以增加一倍左右的網(wǎng)絡(luò)算力^[14]。

圖4 空芯光纖的應(yīng)用場景。從左到右依次為：（a）長距離干線100 km+；（b）數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)或中距離覆蓋內(nèi)2-20 km；（c）數(shù)據(jù)中心內(nèi)20-500 m

不可否認(rèn)的是，空芯光纖技術(shù)確實(shí)掀起了光纖光學(xué)領(lǐng)域的新一輪革命浪潮，其在超低損耗、超低時(shí)延、超高損傷閾值等方面確實(shí)領(lǐng)先于傳統(tǒng)石英玻璃光纖。盡管空芯光纖的大部分光學(xué)屬性（彎曲、雙折射、偏振模色散等指標(biāo)還需努力）已超越傳統(tǒng)石英玻璃光纖，然而，在產(chǎn)量、價(jià)格、熔接等工程屬性方面，空芯光纖仍然遠(yuǎn)差于實(shí)芯光纖。因此，石英玻璃光纖在整個(gè)光纖行業(yè)的地位仍然不可撼動。后續(xù)，用工業(yè)化手段實(shí)現(xiàn)半自動化、長距離高穩(wěn)定性拉絲、高重復(fù)率、高良品率拉制，是空芯光纖大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。否則，進(jìn)一步推動空芯光纖產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，將任重道遠(yuǎn)。

就目前而言，空芯光纖的市場需求似乎不是很大。很多工作，大都停留在學(xué)術(shù)界的論文研究階段，空芯光纖現(xiàn)階段的試用，其最終結(jié)果還需要較長期時(shí)間驗(yàn)證。一項(xiàng)新產(chǎn)品的應(yīng)用，尤其是考慮替換應(yīng)用場景，必須考慮重要性、必要性，甚至唯一性。空芯光纖的重要性不言而喻，但必要性與唯一性是否滿足，需要學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等多方共同努力。

例如，空芯光纖目前或是未來的應(yīng)用場景可能主要是面向時(shí)延敏感系統(tǒng)（如金融交易、互動娛樂AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時(shí)云計(jì)算以及6G移動承載等）。影響時(shí)延的因素有很多，如傳輸距離、傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)丟包等。使用空芯光纖可以直接解決傳輸介質(zhì)的問題，然而，其他因素似乎并沒有直接解決。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖希渴疬吘売?jì)算，同樣也可以實(shí)現(xiàn)低延時(shí)。另外，傳輸延時(shí)在總延時(shí)中占比多大也是應(yīng)該考慮的因素，行業(yè)人士通常會夸大所在行業(yè)因素的重要性。如果信息處理、存儲、檢索等延時(shí)占比很大，傳輸延時(shí)壓縮也就意義不大了。

因此，現(xiàn)階段價(jià)格昂貴（幾千元每米）的空芯光纖短期內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的難度較大。即使在未來，空芯光纖存在巨大的市場，也不會由單一企業(yè)或單位壟斷，國內(nèi)相關(guān)研究單位可以成立聯(lián)合體，提出空芯光纖系統(tǒng)級解決方案，推進(jìn)全球空芯光纖標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。