武汉长盈通光电技术股份有限公司
从古代用于传输战争信号的烽火台，到现代用于指挥交通的红绿灯，其实都是光通信的表现形式。光导纤维（简称“光纤”）的研究历史可以追溯至1854年，科学家们观察到光随水流而弯曲的奇妙现象。1966年，英国华裔科学家高锟博士（光纤之父）理论上提出光纤的损耗可以降低至20 dB以下。1970年，康宁玻璃公司率先研制出损耗低至20 dB/km的石英玻璃光纤。至今，石英玻璃光纤的损耗已经降低至0.14 dB/km（受材料本征限制难以继续降低），引领了整个信息社会的发展。
石英玻璃光纤发展到今天，其早已不只是一种传输介质，它已成为构成各种光纤功能器件的基础（如光纤激光器等）。而光纤通信也不只局限于传输领域，而且拓展到交换、传感等领域。光子交换技术、光网络技术的出现，预示着全光通信时代的到来。近两年以ChatGPT为代表的AI大模型横空出世，使得算力需求飙升，对光纤通信网络提出了更高的需求：更高容量、更低时延、更低能耗。此外，光纤激光技术也朝着更高功率、更短脉冲、更宽光谱的方向发展；光纤的应用场景也拓展至外太空、海底、核反应堆等强辐射环境，这对传统石英玻璃光纤提出了挑战。
如何突破传统石英玻璃光纤的局限性？最根本的方式，就是让光不在石英纤芯中，而最理想的传输介质就是真空。但这似乎与石英玻璃光纤的全内反射导光机理相违背。如何让光在低折射率的介质中传输呢？这就需要一种全新的导光机理。基于此，空芯光纤应运而生。
根据导光机理不同，空芯光纤可以分为空芯光子带隙光纤与空芯反谐振型光纤。前者基于周期性的包层结构将光束缚在空气纤芯中，后者通过将包层壁厚设置为反谐振条件从而抑制光泄露到包层中，二者都实现了光在低折射率的介质中传输，即从根本上避免了石英玻璃光纤受材料的本征限制而带来的问题。
近20年的研究表明，空芯光纤在传输损耗、时延、非线性、损耗阈值、色散等方面表现出优异的特性，成为了光纤光学领域的新一轮研究热潮。
石英玻璃光纤的发展历程主要是以降低传输损耗为目标，空芯光纤也不例外。
国外对于空芯光纤的研究可追溯至20多年前，主要研究单位为英国南安普顿大学与英国巴斯大学。20世纪90年代末，Russell教授团队提出并制备出第一根空芯光纤，如图1 (a)所示，证实了空芯光纤导光的可行性[1]。随后十多年，研究者们一直在致力于降低空芯光纤的传输损耗。2005年，研究者提出空芯光子带隙光纤的损耗受限于一种特殊的模式——表面模，并且理论预测了这种光纤的最低损耗为0.2 dB/km。同年，英国巴斯大学将空芯光子带隙光纤的损耗降低至1.2 dB/km@1565 nm[2]，如图1 (b)所示，这也是目前该类光纤的最低损耗记录。然而，受限于表面散射损耗的主导作用，以光子带隙效应为主的这类空芯光纤探索超低损耗的路径被迫宣告失败。
尽管这类光纤的损耗无法进一步降低（通常为3-5 dB/km），然而带隙光纤仍然在一些方面具有优势，如：较强的抗弯曲能力（带隙光纤的极限弯曲半径在毫米量级，反谐振光纤在厘米量级）、高双折射的实现能力（2014年，美国OFS实验室报道了一款兼顾低损耗<5 dB/km、高双折射10-4、单模的空芯光子带隙光纤[3]，如图1(c)所示，而反谐振光纤暂无兼顾三者特性的实验报道）。
图1 从左到右依次为： (a) 第一根空芯光纤；(b) 损耗最低的空芯光子带隙光纤；(c)低损耗、高双折射、单模空芯光子带隙光纤
2002年，英国巴斯大学提出的Kagome光纤是空芯反谐振光纤的雏形[4]，如图2 (a)所示。2011年，研究者提出，纤芯负曲率形状可以大幅度降低光纤损耗，基于此，光纤损耗从1000 dB/km降低至40 dB/km[5]，如图2 (b)所示。这一重要贡献几乎指导了后续所有的空芯反谐振光纤设计。由于负曲率纤芯形状，空芯反谐振光纤也被称为空芯负曲率光纤。
空芯反谐振光纤的发展历程可以概括为“复杂到简单、简单到复杂”。“复杂到简单”指的是：空芯反谐振光纤的包层结构由最初的Kagome的笼状结构简化为冰淇淋型结构（图2 (c)），再变为单环无节点结构（图2 (d)）。“简单到复杂”指的是：为了降低空芯反谐振光纤的衰减，研究者们在单环结构的基础上进一步增加反谐振反射层，先后提出嵌套型空芯反谐振光纤（图2 (e)）以及双层嵌套型空芯反谐振光纤（图2 (f)）。数值仿真表明，每增加一层嵌套层，光纤的限制损耗便可以降低一个数量级。2024年OFC会议中，双层嵌套型空芯反谐振光纤的损耗已经降低至0.08±0.03 dB/km@1550 nm[6]，已超越传统石英玻璃光纤的损耗极限，成为了损耗最低的光纤，这是光纤光学领域的一项重要研究成果，有望引领整个光通信行业的发展。
图2 从左到右依次为： (a) Kagome光纤；(b) 负曲率纤芯Kagome光纤；(c)冰淇淋型空芯反谐振光纤；(d) 单环无节点型空芯反谐振光纤；(e) 嵌套型空芯反谐振光纤；(f)双层嵌套型空芯反谐振光纤
早期国内对空芯光纤的研究大多数研究停留在数值计算中，主要研究单位为北京工业大学、暨南大学、北京交通大学、长飞光纤光缆股份有限公司（后表达为“长飞”）、上海光机所、武汉长盈通光电技术股份有限公司（后表达为“长盈通”）。
2024年，暨南大学与领纤团队在国内首次报道了损耗低至0.1 dB/km@1550 nm的空芯反谐振光纤[7]，如图3 (a)所示。同期，长飞报道了空芯反谐振光纤的单次拉丝长度突破15 km[8]，如图3 (b)所示。此外，北京交通大学与长盈通团队报道了用于超快激光传输的单环空芯反谐振光纤的国际最低记录损耗：4.3 dB/km@1080 nm[9]，如图3 (c)所示。这些结果都表明国内的空芯光纤制造能力已处于世界先进水平[10-11]。
图3 从左到右依次为：(a) 截断型四重双嵌套反谐振空芯光纤；(b) 国内15 km连续拉丝空芯光纤；(c)国际1 μm记录损耗光纤
值得关注的是，当空芯光纤损耗已经低于石英玻璃光纤时，模式特性则需要被重点关注。无论在通信领域，还是激光领域，优异的单模特性一直是学术届与产业界共同追求的目标。然而，空芯反谐振光纤的导光机理决定了这种光纤的本质就是一种多模光纤。尽管经典的嵌套型空芯反谐振光纤可以利用第二空气层耦合滤除高阶模式，但这仅可以实现对第一高阶模式（LP11）的抑制，而对于更高阶的高阶模式（如LP21、LP02、LP31等）无法实现有效抑制，这也一直是该类光纤的难题（即“准单模”，并非严格单模）。2024年，暨南大学提出了一种截断型四重双嵌套反谐振空芯光纤（图3(a)），该结构利用第一空气层耦合纤芯高阶模式且不需要针对高阶模进行优化，因此在实现超低损耗的同时实现了优异的单模特性，达到国际领先水平。
2024年11月19日，在Microsoft Ignite 2024上，微软宣布未来24个月计划部署15000公里空芯光纤，成为业界关注的热点。而空芯光纤从适用到商用还面临哪些挑战呢？
一是制备方面。制备效率、单次拉丝长度、纵向均匀性是导致空芯光纤价格高昂的主要原因。此外，空芯光纤的吸收损耗是目前急需解决的问题，水汽吸收损耗限制了多波段的应用。CO2气体吸收损耗对现有波段传输具有一定影响，经初步测试，对于常用C+L波段中的一些波长影响较大。
二是部署运维方面，需要解决当前空芯光纤与实心光纤的熔接问题。此外，由于空芯光纤中信号在空气中传输，所以背向散射系数比单模光纤低~28dB，导致现有OTDR可测动态范围变小，且熔接点处存在鼓包及端面反射峰，加上脉冲过宽导致测量盲区大，导致无法准确测量光纤衰减系数、识别故障和熔接位置及相应损耗。
三是寿命评估方面。由于空芯光纤的包层由多个嵌套毛细管组成，且壁厚通常为微米级甚至纳米级，与当前石英玻璃光纤的差异较大，目前开展的寿命评估（如监测铺设光缆动态、意外进水分析等）仅是初步验证，具体寿命评估模型是否需要变动还需进一步研究。
目前来看，空芯光纤的在通信网络中最主要优势为：超低衰减与超低时延。若暂时不考虑空芯光纤的制备成本等问题，未来空芯光纤的应用场景可能主要集中于：
场景一，长距离干线100 km+，如图4 (a)。针对此，中兴通讯股份有限公司表明，在相同频谱范围内，空芯光纤可支持传输容量是常规G.652光纤的3倍（G.654大约为2倍）。这来源于算力网、电网等广域数据传输对网络传输带来的挑战[12]。
场景二，数据中心间互联或中距离覆盖内2-20 km，如图4 (b)。10-20km距离场景中可以充分利用空芯光纤低时延的优势，扩大数据中心地理覆盖范围（增加约70%覆盖面积），或在数据中心选址距离上获得更大的余量（30%以上）。这来源于AR/VR以及车联网等应用对网络传输时延有较高要求[13]。
场景三，数据中心内20-500 m，如图4 (c)。在AI大模型计算中，运算节点成倍增加以及网络结构日益复杂，通信网络时延逐渐成为关键瓶颈。在网络架构不变的情况下，将常规光纤替换为空芯光纤可以提高运算效率至少10%以上；在相同网络时延情况下，相对于常规光纤，空芯光纤可以增加一倍左右的网络算力[14]。
图4 空芯光纤的应用场景。从左到右依次为：（a）长距离干线100 km+；（b）数据中心间互联或中距离覆盖内2-20 km；（c）数据中心内20-500 m
不可否认的是，空芯光纤技术确实掀起了光纤光学领域的新一轮革命浪潮，其在超低损耗、超低时延、超高损伤阈值等方面确实领先于传统石英玻璃光纤。尽管空芯光纤的大部分光学属性（弯曲、双折射、偏振模色散等指标还需努力）已超越传统石英玻璃光纤，然而，在产量、价格、熔接等工程属性方面，空芯光纤仍然远差于实芯光纤。因此，石英玻璃光纤在整个光纤行业的地位仍然不可撼动。后续，用工业化手段实现半自动化、长距离高稳定性拉丝、高重复率、高良品率拉制，是空芯光纤大规模应用的关键。否则，进一步推动空芯光纤产业化、商业化，将任重道远。
就目前而言，空芯光纤的市场需求似乎不是很大。很多工作，大都停留在学术界的论文研究阶段，空芯光纤现阶段的试用，其最终结果还需要较长期时间验证。一项新产品的应用，尤其是考虑替换应用场景，必须考虑重要性、必要性，甚至唯一性。空芯光纤的重要性不言而喻，但必要性与唯一性是否满足，需要学术界、产业界等多方共同努力。
例如，空芯光纤目前或是未来的应用场景可能主要是面向时延敏感系统（如金融交易、互动娱乐AR/VR、物联网与实时云计算以及6G移动承载等）。影响时延的因素有很多，如传输距离、传输介质、网络带宽、网络设备、网络丢包等。使用空芯光纤可以直接解决传输介质的问题，然而，其他因素似乎并没有直接解决。从网络拓扑上，部署边缘计算，同样也可以实现低延时。另外，传输延时在总延时中占比多大也是应该考虑的因素，行业人士通常会夸大所在行业因素的重要性。如果信息处理、存储、检索等延时占比很大，传输延时压缩也就意义不大了。
因此，现阶段价格昂贵（几千元每米）的空芯光纤短期内大规模应用的难度较大。即使在未来，空芯光纤存在巨大的市场，也不会由单一企业或单位垄断，国内相关研究单位可以成立联合体，提出空芯光纤系统级解决方案，推进全球空芯光纤标准化进程。
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