1. 引言
光纤通信技术作为现代通信领域的基石，以其高带宽、低损耗和长距离传输能力，为信息社会的快速发展提供了有力支撑。然而，随着信息技术的不断进步和业务需求的日益增长，大数据、云计算和物联网等新兴技术的快速发展，传统普通光纤在某些方面已难以满足未来通信系统的要求[1]。空心光纤作为一种新型的光传输介质，以其独特的结构和卓越的性能，正逐渐成为光通信领域下一代高速通信网络的理想选择。
2. 空芯反谐振光纤的演进历程
普通光纤通常由纤芯和包层组成，纤芯的折射率高于包层，使得光信号在纤芯与包层之间的全反射作用下沿纤芯传输。这一原理确保了光信号在光纤中的稳定传输，但同时也带来了一些局限性。1) 时延问题：传统光纤的群折射率通常大于1，导致光信号在传输过程中存在一定的时延。这对于高速通信系统和实时性要求较高的应用来说是一个不利因素。2) 非线性效应：由于光信号在纤芯中传输时与固体材料相互作用，会产生克尔光学非线性等效应，限制了传输容量的进一步提升。3) 材料限制：传统光纤主要依赖于石英玻璃等固体材料，其性能受到材料特性的束缚，如损伤阈值、衰减等[2]。
2.1. 普通光纤的原理
光纤是一种细如头发丝的透明纤维，通常由高纯度的二氧化硅(SiO2)制成。它的内部结构包括核心(Core)和包层(Cladding)，其中核心用于传导光线，而包层则负责将光线反射回核心内以实现全反射效应图1光纤信号传输。通过这种方式，即使是在弯曲的情况下，光也可以几乎无损失地沿着光纤传播。
Figure 1. Optical signal transmission
图1. 光纤信号传输
2.2. 空芯反谐振光纤的导光机理
空芯反谐振光纤是一种微结构光纤，其独特之处在于拥有一个充满空气或真空的中空纤芯，使得光信号能够在空气介质中传输，从而极大降低了模场与石英材料的重叠度，围绕在中空纤芯周围的包层结构实现了对光信号的有效限制和传输。以最简单的空芯光纤结构为例，即单个空芯薄壁管，来说明其导光原理，如图2所示[3]。其中，玻璃层的折射率为n1，厚度为t，空气芯的折射率为n0，纵向和横向传播常数分别为KL和KT。在空气芯区域，其纵向传输常数KL接近n0k0,横向传播常数KT为0，在玻璃壁区域的横向传播常数KT为
。设空芯光纤中的光直接透传玻璃壁的相位变化为φ0，而经过在玻璃壁表面发生两次反射到达玻璃壁另一侧的光相位变化为φ1，则二者之间的相位差∆φ为2t
。当∆φ为π的偶数倍时，光在玻璃层的外侧相干增强，不能被限制在光纤内，这种状态就为谐振状态，此时相位差满足谐振条件[4]。
Figure 2. Theoretical model of light guiding in hollow-core optical fibers
图2. 空芯光纤导光理论模型
Figure 3. Refractive index diagram of hollow anti-resonant fiber
图3. 空芯反谐振光纤的折射率示意图
反谐振光纤的包层通常由多层不同的材料或者尺寸的微结构组成，这些结构形成了反谐振条件，当光信号在光纤中传播时，如果光纤不能满足包层的谐振条件，光将被反射回纤中，并沿着轴向继续传播，这种反射机制是基于光纤中高折射率层与低折射率层之间的界面反射图3空芯反谐振光纤的折射率示意图[5]。由于空芯纤芯的折射率远低于包层石英的折射率，光信号在纤芯与包层界面处发生全内反射，从而被限制在纤芯中传输，同时通过调控包层石英壁的厚度和微结构，可以实现对传输窗口的选择，使得特定波长的光信号能够在纤芯中高效传输。此外，空芯反谐振光纤的这种导光机理使得其具有一系列优良性能，如高损伤阈值、低色散、低非线性等，这些性能使得空芯反谐振光纤在高功率激光传输、中红外波段激光传输以及可见及紫外波段光传输等领域展现出独特优势[6]。
2.3. 空芯反谐振光纤的演进
光纤是光通信的基础，光通信经历了从光纤的发明到光纤通信的实现、商业化、技术进一步发展、全球化和新发展等多个阶段，成为了现代通信的重要组成部分，为人们的生活和工作带来了巨大的便利和支持。空芯光纤(Hollow-Core Fiber, HCF)的纤芯采用空气作为导光介质，很大程度地降低了光纤材料特性对光纤性能的影响，具有全波段低损耗、超低非线性、超低色散和超低时延等优良特性[7]。
2019年，南安普顿大学光电研究中心发明了著名的嵌套式抗共振无节点光纤(Nested Antiresonant Nodeless Fiber, NANF)，将空芯光纤的损耗降到1.3 dB/km。南安普顿大学的研究人员，在NANF的结构基础上，持续优化光纤参数与拉制工艺，于2021年成功实0.22 dB/km的超低传输损耗，2024年，微软联合南安普顿大学采用双嵌套反谐振无节点光纤(Double Nested Anti-resonant Nodeless Fiber, DNANF)结构，优化光纤制作工艺，实现0.11 dB/km的传输损耗，刷新了HCF传输损耗记录。图4空芯光纤发展过程[8]
Figure 4. Development process of hollow fiber
图4. 空芯光纤发展过程
3. 空芯光纤的设计与性能技术
空心反谐振光纤(HC-ARF)是一种依靠反谐振反射光波导进行导光的微结构光纤，其剖面结构设计对于光纤的性能至关重要。
3.1. 空芯光纤结构设计
空心反谐振光纤的结构主要包括纤芯、内包层和外包层。纤芯由低折射率的空气填充，这是光信号传输的主要通道[9]。内包层通常由多层不同材料或尺寸的微结构组成，如毛细管结构，这些微结构形成反谐振条件，使得特定波长的光在纤芯中发生反复反射，而不泄漏到包层中[10]。外包层则采用高折射率的材料，如二氧化硅，以进一步抑制光泄漏。南安普顿大学提出一种横向无损检测空芯光纤内部结构的技术，并成功对NANF和DNANF的结构进行测量。NANF和DNANF的横截面测量结果如图5所示[11]。图5(a)是NANF的横截面，其中，外嵌套管平均直径d1为26.6 μm，内嵌套管平均直径d2为12.1 μm。图5(b)是非破坏测量法和显微法得到的5个内外嵌套管的直径,两种技术拥有优秀的测量一致性，内外管的测量差异分别为0.7%和1.2%。DNANF的横截面如图5(c)所示，其中，三个嵌套管中外嵌套管平均直径d1为29.9 μm，中嵌套管平均直径d2为25.4 μm，内嵌套管平均直径d3为8.0 μm。同样，图5(d)展示了两种技术的测量差异，外、中和内嵌套管平均差异分别为0.3%、0.6%和3%。非破坏测量法相较显微法，具有识别亚微米级直径波动的能力[12]。
Figure 5. (a) Non destructive measurement of NANF cross-section; (b) Comparison of non-destructive and microscopic methods for measuring NANF; (c) Non destructive measurement of DNANF cross-section; (d) Comparison of non-destructive and microscopic methods for measuring DNANF
图5. (a) 非破坏法测量的NANF横截面；(b) 非破坏法和显微法关于NANF的测量对比；(c) 非破坏法测量的DNANF横截面；(d) 非破坏法和显微法关于DNANF的测量对比
3.2. 空芯光纤非线性系数
空芯光纤的非线性效应比常规玻芯光纤的非线性效应低3到4个数量级，这就说明在同等条件下，空芯光纤产生的非线性效应要远小于玻芯光纤。中国移动联合暨南大学实现了一种测量HCF克尔非线性系数的新方法[13]。该方法采用高阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)调制星座图中的星座点非线性相移推算得到克尔非线性系数，避免了非理想波束发射、频谱采集和光纤长度不足引起的测量不准确。测量原理如图6所示[14]。高功率调制信号在经过光纤后受非线性影响，会引起星座图中的星座点旋转，每个星座点的相移可以通过测量旋转角度得到，如图6(a)所示。非线性相移φNL与信号强度的关系为φNL = γLeff |A (0, t)| 2，其中，A为信号复振幅，γ为非线性系数，Leff为光纤有效长度。通过线性拟合非线性相移与信号强度，得到拟合曲线斜率k (k = γLeff)，即可得到非线性系数γ，如图6(b)所示[11]。
Figure 6. (a) Through nonlinear phase shift; (b) Linear fitting of nonlinear phase shift to input power
图6. (a) 经过非线性相移；(b) 非线性相移与输入功率的线性拟合
实验结构如图7所示，测量得到的NANF克尔非线性系数为2.2 × 10 − 23 m2/W@1550 nm，与已发表文献测量的2.3 ± 0.3 × 10 − 23 m2/W大约一致[15]。
Figure 7. (a) Loss spectra of NANF; (b) masurement structure
图7. (a) NANF的损耗谱；(b) 测量结构
4. 空芯光纤的发展趋势及应用
随着新型材料和制造技术的不断进步，空心光纤的应用领域将进一步扩大。在通信领域，空心光纤在量子通信和空间光通信中发挥重要作用，为未来高速通信网络提供新的技术支持。在传感领域，空心光缆的高灵敏度和低非线性效应将使其在高精度传感器和生物传感器中得到更广泛的应用，在工业加工领域，空心光缆的高效、精确材料加工能力将使其在制造业中发挥更大的作用[16]。
4.1. 在通信领域应用
空芯光纤在通信领域的应用主要体现在长距离光通信传输和高容量数据传输上，其自身的低损耗和高带宽特性，空芯光纤能够显著降低信号衰减和色散，提高传输效率和可靠性，特别是在量子通信和空间光通信中，空芯光纤展现出了独特的优势图8反谐振光纤。试验显示，空芯光纤的光传输速度比单模光纤提升近50%，延迟率降低近30%，可见空芯光纤损耗低到与普通光纤非常接近甚至低于普通石英光纤，非常适合低时延及无中继超长距离光纤通信传输[17]，有望在AI超算通信网络领域获得应用。
Figure 8. Anti-resonant fiber
图8. 反谐振光纤
4.2. 在传感领域应用
空芯光纤具有更高的灵敏度和分辨率，与传统干涉术相比，空芯光纤可以实现高度集成化和远程控制，还可以抵抗腐蚀和电磁干扰，同时具有更强的灵活性和大孔径特性，可以用于光学传感领域，测量温度、压力、流量和化学等参数，如图9所示[18]。结合基于空芯光纤的通信应用，基于空芯光纤的通信感知一体化技术也在前沿研究。
Figure 9. (a) The aperture of the hollow core fiber; (b) Loss spectra
图9. (a) 空芯光纤的孔径；(b) 损耗谱
5. 结束语
空心光缆以其独特的空心结构和优异的光学性能，在通信、传感、工业加工等领域展现出巨大的应用潜力。随着材料科学和制造技术的进步，空芯光缆的技术性能将不断提升，应用领域将进一步拓展。未来，空心光缆有望成为光通信领域的重要支柱，为信息技术的发展做出更大贡献。同时，我们也应看到空心光缆在发展过程中仍面临一些挑战，如制造工艺复杂、成本较高等问题，需要业界共同努力加以解决。
通过对比分析可以看出，空心光纤作为一种新型的光传输介质，在性能上具有显著优势，在多个领域展现出了广阔的应用前景。未来随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，空心光纤将在光通信行业中发挥更加重要的作用。