空芯光纖發(fā)展歷史
自從1966年英國華裔科學(xué)家高琨博士提出通信光纖發(fā)展路徑以來，光纖通信幾乎貫穿了隨后整個人類社會的發(fā)展，并且極大地改變了人們的生活方式。到如今，隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對于光纖性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的實芯石英光纖由于其本身的限制，如材料的吸收、色散、非線性、低損傷閾值等屬性，使得其在光纖通信、高功率激光輸出、超快光學(xué)、非線性光學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出局限性，制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。
為了突破傳統(tǒng)實芯石英光纖的局限，研究人員一直在堅持研究和探索。在研究過程中，纖芯為空氣的空芯光纖（Hollow Core Fiber，HCF）應(yīng)運而生?？招竟饫w的結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)光纖較為特殊，其通過其特定的包層結(jié)構(gòu)，可以將光限制在空氣纖芯中進(jìn)行傳輸，這就改變了光在光纖中的傳輸介質(zhì)，從根本上避免了由于在材料本征限制而帶來的問題?？招竟饫w的出現(xiàn)，為解決當(dāng)前傳統(tǒng)光纖的局限提供了一個理想的解決方案。 空芯光纖的結(jié)構(gòu)多種多樣，為了得到性能更加優(yōu)異的光纖，研究人員針對空芯光纖的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。從最開始的布拉格包層空芯光纖的提出，研究人員對于空芯光纖的研究就不曾停止，但進(jìn)展十分緩慢。直到1996年，光子晶體光纖概念的提出，才極大地加速了空芯光纖的發(fā)展。三年后即成功制造第一根空氣導(dǎo)光的光子帶隙型空芯光纖。隨后研究人員又提出了Kagome型空芯光纖。這種光纖的結(jié)構(gòu)與光子帶隙型的光纖類似，但是其并不支持光子帶隙傳輸，不過Kagome光纖能夠同時在多個傳輸頻帶進(jìn)行傳輸，并且在總體覆蓋的光譜范圍更廣。科學(xué)家們對Kagome光纖進(jìn)行了深入的研究后提出了反諧振反射光波導(dǎo)（ARROW）導(dǎo)光機理。而反諧振空芯光纖則是在研究Kagome 過程中發(fā)現(xiàn)的。相比于其他的空芯光纖，反諧振空芯光纖結(jié)構(gòu)更加簡單，并且當(dāng)纖芯邊界為負(fù)曲率（纖芯邊界曲率與纖芯圓形的曲率方向相反）時能表現(xiàn)出更好的性能，并且它外面的一圈管狀結(jié)構(gòu)對光纖的性能影響也不大。因此，反諧振空芯光纖逐漸成為研究人員研究的重點。
反諧振反射原理
反諧振反射原理如圖5所示，它是利用光在光纖內(nèi)的管狀玻璃薄膜間來回相干反射將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。光纖內(nèi)的這種玻璃薄膜的作用就像是FP諧振腔一樣，使得傳輸譜線呈現(xiàn)多峰的，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。帶隙導(dǎo)引型光纖的特性主要取決于包層微結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，而這種抗諧振光纖的低損耗波段可以只通過改變玻璃薄膜的厚度來實現(xiàn)，并且研究已經(jīng)表明，這種光纖能夠在任意波長都提供比現(xiàn)有常規(guī)光纖更低的損耗。 通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，反諧振空芯光纖損耗已從發(fā)明初期的500dB/km降至0.138dB/km，超越了實芯光纖0.142dB/km的損耗極限，是未來超高速光傳輸系統(tǒng)可能的理想介質(zhì)。當(dāng)然在通信領(lǐng)域，光纖作為大規(guī)模商用的產(chǎn)品必須標(biāo)準(zhǔn)化。以往實芯光纖只需統(tǒng)一模場直徑等關(guān)鍵特性，無需限定摻雜和結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)互連互通。但反諧振空芯光纖變?yōu)橐越Y(jié)構(gòu)決定光纖特性，結(jié)構(gòu)不同則無法直接互連，必須實現(xiàn)歸一與標(biāo)準(zhǔn)化，為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)鋪平道路，從而實現(xiàn)低成本規(guī)模量產(chǎn)。 衡量規(guī)模化量產(chǎn)能力的重要指標(biāo)是光纖的拉絲長度。空芯光纖的生產(chǎn)工藝流程和實芯光纖幾乎完全不一樣，簡單講就是用結(jié)構(gòu)代替了材料來實現(xiàn)光纖的功能，如圖6所示。生產(chǎn)流程變化后，反諧振空芯光纖如何盡快達(dá)到和實芯石英光纖可以比擬的拉絲長度，實現(xiàn)低成本規(guī)模量產(chǎn)，這是當(dāng)前空芯光纖產(chǎn)業(yè)化的研究熱點和重點。中國移動正在與北京大學(xué)、暨南大學(xué)等伙伴從光纖設(shè)計與拉制、面向空芯光纖的光通信系統(tǒng)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)化等方面深度合作，聯(lián)合推進(jìn)空芯光纖及其光傳輸系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。并提出利用高階調(diào)制測量非線性相移的空芯光纖超低非線性系數(shù)測量方法，首次實現(xiàn)空芯光纖克爾非線性系數(shù)的上限測定。圖6 反諧振空芯光纖和實芯光纖生產(chǎn)流程比較（來源：張德朝） 特色優(yōu)點
有關(guān)空芯光纖的優(yōu)點具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
1）低延時。根據(jù)光在折射率為n的介質(zhì)中的傳輸速度公式v=c/n可以知道當(dāng)介質(zhì)的折射率越大時，光的傳輸速度越小。相比于玻璃材料空氣具有折射率為1，這就表明光在空芯光線中的傳輸速度是光速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在玻璃介質(zhì)中傳輸。 2）低色散。跟實芯光纖相比，由于空芯光纖的傳輸介質(zhì)是空氣，這就極大地降低了材料色散帶來的傳輸損耗。一般來說，空芯光纖的材料色散要低于實芯光纖三個數(shù)量級。 3）低非線性。與低材料色散類似，由于空氣相對于二氧化硅等玻璃材料來說的低非線性折射率系數(shù)使得其具有更低的非線性效應(yīng)。在28dBm入纖下，190m長空芯光纖800G PCS-64QAM實時信號傳輸，掃波后均未觀察到明顯的非線性代價（<0.2dB），而等長單模光纖已經(jīng)超過BER門限，進(jìn)一步驗證了空芯光纖的超低非線性效應(yīng)。
4）高激光損傷閾值。在光纖進(jìn)行高功率激光傳輸時，光纖材料會吸收激光能量，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。而空芯光纖由于可以實現(xiàn)超過99%的光功率在空氣中傳輸，光場與材料重疊極小，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。 空芯光纖除了以上列舉的優(yōu)點之外，還有低熱敏感性、抗輻照、超寬的傳輸帶寬等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢都極大地便利了空芯光纖的發(fā)展和應(yīng)用。 根據(jù)空芯光纖的這些優(yōu)勢，其應(yīng)用主要有以下幾類，第一類是由于空芯光纖的無畸變光傳輸而被用于光通信和高功率激光傳輸。 空芯光纖的超寬傳輸帶寬以及低色散使得它可以打破當(dāng)前通信容量的限制，并且空芯光纖的低延時能夠顯著的提高光通信的傳輸速度。這使得空芯光纖在光通信中具有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，也在近幾年來產(chǎn)生了越來越多的應(yīng)用。 空芯光纖的高激光損傷閾值、高光束質(zhì)量以及低非線性等特點使得其在微加工領(lǐng)域、微創(chuàng)手術(shù)、多光子顯微成像等所需的高功率激光傳輸方面有著巨大的應(yīng)用潛力。 空芯光纖的另一類應(yīng)用是作為光與物質(zhì)相互作用的平臺。在聚焦的激光束中，光與物質(zhì)相互作用主要發(fā)生在焦點附近，而在空芯光纖中，光可以保持較高的能量始終在纖芯中傳輸，光與物質(zhì)相互作用的有效長度顯著增加，這可以有效降低光與物質(zhì)相互作用的閾值和提高效率。 除此之外，由于光纖的空芯結(jié)構(gòu)使得其具有更多的可操作性。在實際應(yīng)用中，可以再纖芯填充功能性材料。這就將材料科學(xué)與光學(xué)兩大學(xué)科相互交叉，極大的拓展了空芯光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。填充的材料可以是固體、液體、氣體，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行填充材料的選擇，這極大地豐富了空芯光纖的使用范圍和方法。 隨著光纖在苛刻環(huán)境中的應(yīng)用越來越多，光纖傳感技術(shù)將廣泛擴展到空間應(yīng)用領(lǐng)域，因此必須改善光纖和光纖器件的抗輻射性能，其中一個克服空間輻射問題的主要解決途徑就是使用空芯光纖。 空芯光纖突破了現(xiàn)有實芯石英單模光纖的固有時延極限和非線性香農(nóng)極限，為智算網(wǎng)絡(luò)和分布式大模型提供全新的高性能底座，有望改變半個世紀(jì)以來基于實芯石英光纖的光通信行業(yè)。我們有理由相信，空芯光纖會在未來的科技以及生活領(lǐng)域會占有越來越重要的地位。就如同傳統(tǒng)光纖貫穿了前幾十年我們的科技發(fā)展，有關(guān)空芯光纖的研究和發(fā)展也在不斷進(jìn)步，空芯光纖其巨大的發(fā)展?jié)摿颓熬耙矊⑹蛊湓诂F(xiàn)在以及未來的科技革命中占有舉足輕重的地位。2.光通信PRO 《中國移動李晗：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)》
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