空芯光纖：光傳輸?shù)南乱淮诵募夹g(shù)

  ICC訊 在信息以指數(shù)形式增長的時代，光纖早已成為數(shù)字世界的 “傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。而一場顛覆性的技術(shù)變革，正在光纖領(lǐng)域悄然到來。傳統(tǒng)實芯光纖正面臨全新挑戰(zhàn)，空芯光纖憑借摒棄玻璃芯、讓光在空氣中傳輸?shù)膭?chuàng)新結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)傳輸瓶頸，重新定義光通信的未來與極限。

  原理

  傳統(tǒng)光纖利用芯層與包層間的折射率差，通過全反射原理“束縛”光向前傳輸。然而，玻璃材料本身的吸收、散射以及非線性效應(yīng)，成為了限制傳輸容量、速度和功率的桎梏。

  空芯光纖則是將纖芯設(shè)計為微結(jié)構(gòu)空氣孔，利用精巧的周期性光子晶體結(jié)構(gòu)或反諧振結(jié)構(gòu)，在空氣中形成一條“光子禁帶”通道。光被限制在空氣芯中傳播，其與玻璃材料的相互作用降至最低。從根本上避免了玻璃材料帶來的諸多不利影響，如損耗、色散、延遲、非線性效應(yīng)等。

  空芯光纖外觀與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖相似，直徑通常在125微米或230微米左右，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻大相徑庭。其核心是精心排布的空氣孔陣列，空氣芯直徑根據(jù)設(shè)計不同，范圍可從幾微米到幾十微米。這微米尺度上的精密結(jié)構(gòu)，是光得以在空氣中被束縛傳播的關(guān)鍵。

分類

  根據(jù)導(dǎo)光機(jī)制，空芯光纖主要分為兩大類：

  1、光子帶隙光纖(photonic-bandgap fiber，PBGF)：

  在光纖中引入周期性的孔洞微結(jié)構(gòu)(蜂窩結(jié)構(gòu))，形成光子晶體，由于光子帶隙的限制，在光纖中心存在缺陷態(tài)，光場以缺陷態(tài)的形式在中間的空氣中傳輸，由此形成空芯光纖。也可以理解為光場與周期性的包層結(jié)構(gòu)作用，發(fā)生多重散射，對于滿足Bragg條件的特定波長會被反射回纖芯中，在空氣纖芯中向前傳播。

  圖1 各種結(jié)構(gòu)的PBGF

  (圖片來源https://www.sohu.com/a/361169421_100028208)

  2、反諧振型空芯光纖(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)：

  利用包層中單個或多個薄壁玻璃毛細(xì)管的反諧振效應(yīng)，將光反射并局限在空氣芯內(nèi)。近年來，嵌套反諧振無節(jié)點光纖因其更寬的低損耗帶寬和更簡單的結(jié)構(gòu)，成為極具潛力的發(fā)展方向。

圖2 各種結(jié)構(gòu)的HC-ARF

(圖片來源：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_30108597)

  關(guān)鍵光學(xué)指標(biāo)

  得益于“光在空氣中跑”的核心優(yōu)勢，空芯光纖在多項關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)卓越：

  傳輸損耗：在特定波段(如1.55μm通信窗口或2μm以上中紅外波段)，實驗室已實現(xiàn)低于傳統(tǒng)光纖的理論損耗水平，潛力巨大。

  非線性效應(yīng)：空氣的非線性系數(shù)遠(yuǎn)低于玻璃，使其能承載極高的光功率而不產(chǎn)生信號畸變。

  延遲特性：空氣折射率(約為1)遠(yuǎn)低于玻璃(約1.47)，光傳輸速度可提升約31%，這對于金融交易、超級計算等對時延極端敏感的領(lǐng)域意義非凡。

  色散特性：其色散曲線可根據(jù)結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計，為特定應(yīng)用(如高功率脈沖傳輸)提供優(yōu)化可能。

  應(yīng)用前景

  空芯光纖的獨特性能，正在打開一系列革命性的應(yīng)用大門：

  下一代光通信：憑借低延遲、大容量潛力，是構(gòu)建未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和骨干網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，尤其適用于高頻交易等超低時延場景。

  高功率激光傳輸：極低的非線性使其能無損傳輸千瓦級高功率激光，在工業(yè)加工(如激光焊接、切割)、激光醫(yī)療和國防領(lǐng)域極具價值。

  中遠(yuǎn)紅外光操控：在傳統(tǒng)光纖損耗極高的2-10μm中紅外波段，空芯光纖表現(xiàn)出色，可用于氣體傳感(環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷)、紅外光譜學(xué)和自由空間光通信。

  量子與非線性光學(xué)：純凈的空氣通道減少了背景噪聲，為量子光子學(xué)、頻率梳傳輸及精密光學(xué)測量提供了更理想的平臺。

  測試案例

  對于空芯光纖的指標(biāo)測試，目前市場上主流的方案仍以O(shè)TDR、功率計等方案為主。但長距離的測試盲區(qū)以及信號測試靈敏度仍然是制約最終測試效果的關(guān)鍵因素。而OFDR測試技術(shù)則恰好能完美解決這些痛點。

  2025年的OFC會議，N. K. Fontaine等人，通過改進(jìn)兩種新型OFDR系統(tǒng)，研究人員首次對空芯DNANF進(jìn)行了高度詳細(xì)的分布式表征。第一個系統(tǒng)能達(dá)到5公里，具有亞毫米分辨率，可測量分布式模式雙折射;第二個系統(tǒng)能探測超過100公里，在10公里(100公里)處分別實現(xiàn)3米(25米)分辨率，動態(tài)范圍>90 dB。

  圖3 4.9公里DNANF的偏振分辨OFDR測量;(a)顯示SMF、HCF和電子噪聲底;(b)和(c)分別放大了光纖發(fā)射端和HCF末端;(d-f)通過背向散射相關(guān)性獲得的偏振間光譜移動，分別對應(yīng)HCF正向發(fā)射、反向發(fā)射和SMF參考;(g)比較了多種光纖的平均偏振光譜移動

  圖4 通過50個波長平均的100公里范圍的測量結(jié)果;(a)正向和反向測試OFDR曲線;(b)光纖損耗;(c)散射系數(shù)

  圖5 使用昊衡科技OFDR設(shè)備對某1公里長的空芯光纖進(jìn)行分布式散射測量結(jié)果

  近期，昊衡科技OFDR設(shè)備也對某1公里左右的空芯光纖進(jìn)行了實際測試，從結(jié)果曲線中可以看出，隨著距離增加，其傳輸損耗逐漸變大;因客戶的空芯光纖類型為PBGF，主要用于傳感，其OFDR掃描曲線符合理論要求。

  總結(jié)

  從“玻璃載體”到“空氣傳輸”，空芯光纖不僅僅是一次技術(shù)路徑的切換，更是對光傳輸本質(zhì)認(rèn)知的改變。它正從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，致力于解決信息社會對速率、容量、時延的終極需求。

  從各種研究成果來看，OFDR技術(shù)為揭示空芯光纖的內(nèi)部細(xì)節(jié)和確保其高性能應(yīng)用提供了前所未有的工具。盡管空芯光纖在規(guī)模化制造、長期可靠性等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但毋庸置疑，在可預(yù)見的未來，空芯光纖的應(yīng)用肯定會越來越廣泛，相應(yīng)上下游的配套產(chǎn)業(yè)市場會越來越大。

  參考文獻(xiàn)

  [1] N. K. Fontaine, M. Mazur, B. J. Puttnam, S. Bakhtiari Gorajoobi, R. Slavík, R. Ryf, L. Dallachiesa, H. Chen, D. T. Neilson, D. J. Richardson, and E. Numkam Fokoua, "Ultra-high resolution and long-range OFDRs for characterizing and monitoring Hollow-core DNANFs," in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2025, paper Th4D.6.