【我是誰？——空芯光纖是什么？】

要理解空芯光纖，我們得先明白傳統光纖為何重要。高錕先生因發明光纖獲得諾貝爾獎，因為光纖是光信息和光能量遠距離傳輸的核心載體，它開啟了光通信和信息時代的大門。傳統光纖的本質是高純度的玻璃絲，利用“全反射"原理將光約束在實芯的玻璃纖芯中傳輸。其最關鍵的性能指標是損耗，損耗越低，光能傳得越遠。目前好的傳統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限制，長波長端受材料吸收限制，兩者交匯點決定了其低損耗極限。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？

空芯光纖的發明人是菲利普·羅素教授。他在1991年提出了微結構光纖的概念，并于1999年在巴斯大學制備出空芯光纖。其核心思想是，通過精密的微結構設計（如在光纖截面中排列周期性空氣孔），打破傳統波導機理，利用光子帶隙或反諧振效應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

在眾多結構中，反諧振光纖是目前空芯光纖損耗性能突破的關鍵技術。這里有個有趣的故事：2001年前后，羅素教授在巴斯大學的科研團隊在實驗中本想制備一種周期性結構，但因一次“失誤"沒有關閉光纖微結構中的一些空氣孔，卻意外發現這種的結構也能導光，且傳輸帶寬很寬。深入研究后，他們發現了反諧振機理：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"。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。

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時研究的焦點，并產生了兩個重要的技術：

1、無節點技術：早期結構中，支撐薄壁的連接點（節點）本身也會導光，導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點粘連的結構，從結構上消除了這種泄漏路徑。

2、嵌套技術：2014年，巴斯大學的研究者提出，可以通過在核心薄壁外再套上一層或多層嵌套結構，形成多層反諧振效應。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 俄羅斯科學院團隊（無節點）與英國巴斯大學團隊（嵌套）所報道的空芯光纖關鍵降損技術

將“無節點"（俄羅斯科學院團隊）和“嵌套"（英國巴斯大學團隊）這兩大技術結合，產生了空芯光纖領域一個非常重要的。這個由南安普頓大學持有的（2015年），在一定程度上奠定了南安普頓大學團隊（現微軟團隊）在空芯光纖領域近10年的地位，且其仍然是當前幾乎所有超低損耗（<1 dB/km）空芯光纖的結構基礎。

圖4 南安普頓大學的空芯光纖（無節點+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團隊、巴斯大學團隊，德國馬普所團隊，也包括國內汪瀅瑩教授，王璞教授等團隊）在這個方向上默默堅守，不斷優化工藝。當時光纖損耗高，發高水平文章難，但當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，才觸發了2020年前后的空芯光纖損耗突破1 dB/km大關，同時也為2022年后空芯光纖的“紅火"奠定了重要基礎。微軟收購相關公司等資本動作，更使空芯光纖成為領域熱點。也正是國內國際大公司（美國微軟，國內長飛、烽火、亨通等）的進入，使得空芯光纖的損耗性能獲得進一步突破，目前已實現低于0.1 dB/km的傳輸損耗，突破了傳統單模光纖的理論損耗極限。

【到哪里去？——空芯光纖的應用與未來】

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勢。首先，其理論上的傳輸損耗極低，遠低于傳統光纖的理論極限，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算力協同訓練和高頻金融交易等應用場景具有性價值。此外，它還具備極低的非線性效應和更寬的傳輸窗口，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用

基于這些的特性，空芯光纖的應用場景非常廣闊。在通信領域，其低延遲、低非線性、低損耗三大優勢將直接賦能算力中心光互聯、大容量長距離信息傳輸和6G前傳網絡。例如，微軟已計劃大規模部署空芯光纖用于其全球數據中心互聯。在激光領域，空芯光纖能夠長距離、高光束質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**應用開辟了新路徑。在傳感領域，尤其是光纖陀螺儀，其低熱膨脹系數和強抗輻照能力使其特別適合空間應用場景下的高精度慣性導航。同時，空芯光纖可以實現光場與氣體介質的長距離相互作用，也為許多新波段激光技術與前沿光學應用提供了可能。

當然，這個領域朝氣蓬勃，但挑戰與機遇并存。在科學層面，我們仍在探索空芯光纖的損耗極限，這需要對于反諧振機理的更深層認知，以及持續優化空芯光纖的微結構設計。在技術層面，實現空芯光纖的模式控制技術、開發與現有系統兼容的適配與熔接技術、以及研制專用的空芯光纖制備、檢測和維護裝備都是亟待解決的難點問題。在工程應用層面，空芯光纖制備的良品率與成本是最大的挑戰，雖然當前售價相較傳統光纖仍非常高昂，但隨著產學研各界的持續大量投入，其集采價格正在快速下降，規模化應用潛力巨大。總之，我認為空芯光纖領域目前正處在一個關鍵的窗口期，產學研均非常活躍，越來越多的團隊正在真實應用中提升空芯光纖性能、發展空芯光纖新技術、實現空芯光纖原始創新。這是一個充滿活力的方向，也歡迎更多年輕的老師和同學們加入，共同探索這片光纖光學、光通信與光纖激光領域的前沿沃土！