要理解空芯光纖，我們得先明白傳統(tǒng)光纖為何重要。高錕先生因發(fā)明光纖獲得諾貝爾獎，因為光纖是光信息和光能量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)暮诵妮d體，它開啟了光通信和信息時代的大門。傳統(tǒng)光纖的本質(zhì)是純度的玻璃絲，利用“全反射"原理將光約束在實芯的玻璃纖芯中傳輸。其最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是損耗，損耗越低，光能傳得越遠(yuǎn)。目前傳統(tǒng)石英光纖損耗已接近其材料理論極限，約在0.14 dB/km（在1.5微米波段附近）。

圖1 傳統(tǒng)光纖損耗曲線

       這個極限從何而來？材料本身有固有缺陷：短波長端受散射效應(yīng)限制，長波長端受材料吸收限制，兩者交匯點決定了其損耗極限。這是材料本身帶來的“天花板"。

       那么，如何突破這個天花板？這就引出了空芯光纖的革命性思路：能否不讓光在固體材料中傳輸，而是讓它主要在空氣中傳輸？

       空芯光纖的發(fā)明人是菲利普·羅素教授。他在1991年提出了微結(jié)構(gòu)光纖的概念，并于1999年在巴斯大學(xué)制備出空芯光纖。其核心思想是，通過精密的微結(jié)構(gòu)設(shè)計（如在光纖截面中排列周期性空氣孔），打破傳統(tǒng)波導(dǎo)機理，利用光子帶隙或反諧振效應(yīng)將光約束在空芯光纖的中空纖芯中傳播。這樣，光與玻璃材料的接觸就大大減少，從而突破固體材料的損耗極限。

圖2 光子晶體光纖和反諧振光纖橫截面

       在眾多結(jié)構(gòu)中，反諧振光纖是目前空芯光纖損耗性能突破的關(guān)鍵技術(shù)。這里有個有趣的故事：2001年前后，羅素教授在巴斯大學(xué)的科研團(tuán)隊在實驗中本想制備一種周期性結(jié)構(gòu)，但因一次“失誤"沒有關(guān)閉光纖微結(jié)構(gòu)中的一些空氣孔，卻意外發(fā)現(xiàn)這種的結(jié)構(gòu)也能導(dǎo)光，且傳輸帶寬很寬。深入研究后，他們發(fā)現(xiàn)了反諧振機理：光可以被纖芯周圍那層極薄的玻璃壁反射（像一個法布里-珀羅腔），從而被限制在空氣纖芯里。非諧振波段的光可以低損耗傳輸，而諧振波段的光則損耗很高，故稱為“反諧振效應(yīng)"。這次原以為“失誤"的嘗試催生了2002年一篇重要的Science論文，奠定了反諧振空芯光纖的基礎(chǔ)。

       反諧振光纖問世初期，損耗很高（約1000 dB/km）。如何降低損耗成為了當(dāng)時研究的焦點，并產(chǎn)生了兩個重要的技術(shù)：

       1、無節(jié)點技術(shù)：早期結(jié)構(gòu)中，支撐薄壁的連接點（節(jié)點）本身也會導(dǎo)光，導(dǎo)致纖芯中的光可通過模式耦合泄漏出去，增加空芯光纖的損耗。2013年，俄羅斯研究者提出了一種避免這些節(jié)點粘連的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上消除了這種泄漏路徑。

       2、嵌套技術(shù)：2014年，巴斯大學(xué)的研究者提出，可以通過在核心薄壁外再套上一層或多層嵌套結(jié)構(gòu)，形成多層反諧振效應(yīng)。這樣能像“套娃"一樣，將光場更緊密地束縛在空氣纖芯中，使得纖芯中光場與玻璃材料接觸的比例從1%進(jìn)一步降低到千分之一乃至萬分之一，從而大幅降低光纖損耗。

圖3 俄羅斯團(tuán)隊（無節(jié)點）與英國巴斯大學(xué)團(tuán)隊（嵌套）所報道的空芯光纖關(guān)鍵降損技術(shù)

       將“無節(jié)點"（俄羅斯團(tuán)隊）和“嵌套"（英國巴斯大學(xué)團(tuán)隊）這兩大技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了空芯光纖領(lǐng)域一個非常重要的。這個由南安普頓大學(xué)持有的（2015年），在一定程度上奠定了南安普頓大學(xué)團(tuán)隊（現(xiàn)微軟團(tuán)隊）在空芯光纖領(lǐng)域近10年的地位，且其仍然是當(dāng)前幾乎所有超低損耗（<1 dB/km）空芯光纖的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖4 南安普頓大學(xué)的空芯光纖（無節(jié)點+嵌套）

       回顧這段歷史，我特別想談下自己對研究方向“冷板凳"與“紅火"的感受。從2010年開始，有一批研究者（包括英國南安普頓大學(xué)團(tuán)隊、巴斯大學(xué)團(tuán)隊，德國馬普所團(tuán)隊，也包括國內(nèi)汪瀅瑩教授，王璞教授等團(tuán)隊）在這個方向上默默堅守，不斷優(yōu)化工藝。當(dāng)時光纖損耗高，發(fā)高水平文章難，但當(dāng)年的研究者們堅信空芯光纖的潛力。正是這種在“冷板凳"方向上的長期堅守與積累，才觸發(fā)了2020年前后的空芯光纖損耗突破1 dB/km大關(guān)，同時也為2022年后空芯光纖的“紅火"奠定了重要基礎(chǔ)。微軟收購相關(guān)公司等資本動作，更使空芯光纖成為領(lǐng)域熱點。也正是國內(nèi)國際大公司（美國微軟，國內(nèi)長飛、烽火、亨通等）的進(jìn)入，使得空芯光纖的損耗性能獲得進(jìn)一步突破，目前已實現(xiàn)低于0.1 dB/km的傳輸損耗，突破了傳統(tǒng)單模光纖的理論損耗極限。

【到哪里去？——空芯光纖的應(yīng)用與未來】

       空芯光纖近期之所以如此“火熱"，其根本原因在于其可讓光信號在空氣或真空中長距離低損傳輸，這帶來了一系列獨特的優(yōu)勢。首先，其理論上的傳輸損耗極低，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖的理論極限，這使得在跨洋通信等長距離傳輸中減少中繼器成為可能。其次，光在空氣中的傳播速度比在玻璃材料中快約30%，這意味著傳輸延遲大幅降低，這對于AI算力協(xié)同訓(xùn)練和高頻金融交易等應(yīng)用場景具有性價值。此外，它還具備極低的非線性效應(yīng)和更寬的傳輸窗口，允許注入更高功率的光信號，從而極大提升通信容量。并且擁有高的激光損傷閾值，非常適合高功率激光傳輸。

圖5 空芯光纖在高功率激光中的應(yīng)用

       基于這些的特性，空芯光纖的應(yīng)用場景非常廣闊。在通信領(lǐng)域，其低延遲、低非線性、低損耗三大優(yōu)勢將直接賦能算力中心光互聯(lián)、大容量長距離信息傳輸和6G前傳網(wǎng)絡(luò)。例如，微軟已計劃大規(guī)模部署空芯光纖用于其數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。在激光領(lǐng)域，空芯光纖能夠長距離、高光束質(zhì)量傳輸千瓦量級平均功率與兆瓦量級峰值功率的高能激光，為精密加工和**應(yīng)用開辟了新路徑。在傳感領(lǐng)域，尤其是光纖陀螺儀，其低熱膨脹系數(shù)和強抗輻照能力使其特別適合空間應(yīng)用場景下的高精度慣性導(dǎo)航。同時，空芯光纖可以實現(xiàn)光場與氣體介質(zhì)的長距離相互作用，也為許多新波段激光技術(shù)與前沿光學(xué)應(yīng)用提供了可能。