为什么需要空芯光纤？空芯光纤是如何工作的

为什么需要空芯光纤

近年来，随着大数据、云计算和物联网等新兴技术的发展，对高速、大容量、低损耗的光通信系统的需求日益增加。传统的玻芯光纤，玻璃作为光纤纤芯材质，具有本征极限，包括容量瓶颈及性能极限。

比如，受玻璃材质的通道带宽制约，它传递信息的量有一个上限，就像水管里的水流量有限一样。而且，由于非线性、衰减、时延等均存在理论极限，光信号在玻璃材质光纤中传输可能会变形、减弱或者变慢，这就限制了传输性能（如距离、时延）的进一步提升。

为了克服传统光纤在传输过程中的问题，提高光通信的效率和性能，空芯光纤应用而生。

什么是空芯光纤

空芯光纤，简称HCF（Hollow-core fiber），以空气为传输介质，替代传统以“玻芯“作为传输媒介的光纤。 空芯光纤和传统的玻芯光纤一样，由纤芯、包层和涂覆层三部分组成，不同之处主要在于纤芯和包层。 空芯光纤的纤芯是空气，包层是基于微结构的设计，通常是由一系列微小的空气孔构成。这些空气孔沿光纤的长度方向排列，形成特定的周期性结构，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成的蜂巢。

空芯光纤结构示意图

空芯光纤是如何工作的

传统光纤基于光的全反射原理实现光在玻芯中传输。

当光进入光纤中心传播时，光纤纤芯的折射率n1比包层n2高，而纤芯的损耗比包层低，这样光会发生全反射现象，其光能量主要在纤芯内传输，借助于接连不断地全反射，光可以从一端传导到另一端。

传统光纤工作原理图

空芯光纤的芯是空气，由于空气的折射率小于包层介质的折射率，不满足全反射的条件，所以要在空芯中传输光就需要采用特殊设计的包层结构。

例如，基于光子带隙效应的空心光子晶体光纤，它的包层由一系列微小的空气孔构成，具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期，纤芯则为空气。当光入射到纤芯和包层界面上时，会受到包层中周期排列的空气孔的强烈散射。这种多重散射产生相干，使得满足特定波长和入射角的光波能够回到芯层中继续传播。

采用这种结构，就在纤芯层的折射率小于包层的情况下，实现对光的引导和传播。

空芯光纤工作原理图

上面的光子带隙导波机制是一个复杂的光学现象，我们可以尽量用通俗易懂的语言来解释它：

想象一下，在一条有许多柱子的长廊里，柱子按照一定规律排列，你试着丢一个球，看球在长廊里如何滚动。

由于柱子的存在，球不会直接穿过长廊，而是会在柱子之间反弹和滚动。在某些情况下，球可能会因为柱子的排列方式而无法前进，就像是被“困住”了一样。

在光子带隙导波机制中，光子就像是那个球，而光子晶体（具有周期性折射率变化的结构）就像是那条有很多柱子的长廊。光子晶体中的空气孔就像柱子一样，按照一定的规律排列。

当光波进入这种结构时，它会在空气孔之间反射和散射，就像球在柱子之间反弹一样。有些频率的光波会因为这种特殊的排列方式而无法在包层中传播，就像球在某些情况下无法前进一样。这些光波就被限制在纤芯中传播，就像球被“困”在长廊的某个区域一样。

空芯光纤有哪些优势

与当前广泛应用的玻芯光纤对比，空芯光纤在以下几个方面具有显著优势：

1 低时延内部空气芯的低折射率以及优化的结构设计，使得光在空芯光纤中的传播速度更快，时延从5us/km下降至3.46us/km，传输时延相比于现有光纤系统降低30%。对于当前及未来时延敏感业务传输非常重要。 2 超低非线性空气芯中光与介质的相互作用减弱，从而减少了非线性效应的产生。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，使得入纤光功率可以大幅提高，从而提升传输距离。业界各设备厂家包括中兴通讯基于这一特性已展开相关光系统研究，如128QAM高阶调制及高功率放大器技术等，预期至少可提升系统容量及传输距离2倍以上。 3 潜在的超低损耗目前空芯光纤可实现损耗为0.174dB/km，与现有最新一代玻芯光纤性能持平。同时，空芯光纤在通信窗口理论最小极限可低至0.1dB/km以下，比普通玻芯光纤的理论极限0.14dB/km更小。 4 超宽工作频段随着空芯光纤结构设计的不断优化，可以提供超过1000nm的超宽频段，轻松支持O,S,E,C,L,U等波段。

空芯光纤有哪些应用场景

那么，空芯光纤将在哪些方面应用呢？

应用领域	具体应用	描述
长距离通信	跨国通信、海底光缆、卫星通信	空芯光纤具有高效、高速、大容量的特点，是未来长距离通信的首选方案
数据中心和云计算	数据传输	空芯光纤的高带宽和低损耗特性使其成为数据中心和云计算领域的理想选择
医疗领域	医疗设备制造	空芯光纤可用于制造医疗设备，提供更清晰、更准确的图像
工业领域	传感器和监测系统构建	空芯光纤可用于构建传感器和监测系统，实现对工业设备的实时监测和远程控制
军事领域	保密通信和侦察系统建设	空芯光纤可用于建设保密通信和侦察系统，提高军事通信的安全性和可靠性