空芯光纤（HCF)及最新进展

  本文转载自微信公众号“光通信充电宝”，作者冯振华博士。

  最近关于光纤的内容好像写的有点多，今年是“低损耗光纤”发明的第五十个年头，一则是趁着这个大背景，纪念一下，向这个行业的大牛和顶尖公司致敬，二则是结合最近的OFC论文，也跟下这波趋势。兼容G.654E的超低损、大有效面积光纤已经成为大容量长距相干传输的必备元素了，可能大家都意识到了一点，其实相干光通信的容量最终是由损耗和非线性两个因素决定的，甚至可以毫不夸张地说是本质上完全由光纤损耗制约了光纤的传输距离。个中原因，细想一下自然就会明白。

      趋势是大家似乎已经厌倦了以0.5dB的粒度改善性能和容量了。这从学术界对多芯、少模等空分复用光传输技术的研究火热程度就可以看出。连保守的业界，现在也对C+L多波段，甚至扩展波段，全波段的光通信器件、设备的追求也近乎痴迷。不得不说节流永远不如开源来得快，来得直接，毕竟人家新技术可以成倍，甚至可以将传统光纤容量提升1~2个数量级。向传奇致敬最好的方式就是打破他曾经创造的纪录。超越是对前辈最大的尊重。今天我要介绍的这个空芯光纤，也算是对常规实心玻璃光纤的超越吧。先来介绍一下空芯光纤的导光原理和优点，研究历程以及技术演进，然后再讲讲它的应用进展。

  1. 空芯光纤的导光原理

  最简单直接的空芯光纤导光原理应该就是下图这样的了，最直观不过。与常规的光纤波导导光的全反射原理不同，空芯光纤的芯是空气，要导光就完全依赖于包层对光的约束了。比如图1中，通过高反射的银对光线进行反射约束让其只在空气芯中传输。虽然样子是简单粗暴了些，但大致的意思应该是到位了。这种技术最早在1960年代就被提出，在玻璃毛细管的内壁上镀一层反射膜，然后在中间传输中红外光。不过，因为孔比较大才好镀膜，但孔大了传输的模式就比较多了，这种结构中比较难以实现较长距离的单模传输。

图1. 空芯光纤概念图

  随着技术的进步，到了八九十年代人们就提出了特殊设计的包层结构，如空心光子晶体光纤(Hollow Core Fiber)。它的导光原理是光子晶体带隙效应。与半导体中带隙概念类似，这种光纤的包层空气孔结构具有严格的周期性。纤芯的引入使这种周期性结构遭到破坏时,就形成了具有一定频宽的缺陷态或局域态,而只有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传播，其他频率的光波则不能传播，从而形成对光的约束。采用这种结构，芯层的折射率就不必大于包层了，从而更具实用价值的空芯光纤应运而生，其结构各种各样，如图2所示。

  图2. 不同结构设计的空芯光子晶体光纤截面图

  这种结构的光纤起初的损耗特别大，基本上是~dB/cm级别。直至目前，经过二十多年的发展，这种结构的空芯光纤的损耗可能最好的也很难做到2dB/km以下了。为了克服空芯光纤损耗大的问题，人们最近又提出了一种基于抗谐振原理的空芯光纤，如图3所示。它是利用光在光纤内的管状玻璃薄膜间来回相干反射将光限制在空气芯附近并沿轴线传输。光纤内的这种玻璃薄膜的作用就像是FP谐振腔一样，使得传输谱线呈现多峰的，峰值之间被分隔为多个高反射区，也称为抗谐振窗口。在这些窗口内，从空芯掠入射将会导致很高的反射，从而极大地降低光纤的泄露损耗。带隙导引型光纤的特性主要取决于包层微结构的特殊设计，而这种抗谐振光纤的低损耗波段可以只通过改变玻璃薄膜的厚度来实现，并且研究已经表明，这种光纤能够在任意波长都提供比现有常规光纤更低的损耗。

图3. 低损耗抗谐振空芯光纤结构，光场被限制在中间的六边型区域

  2. 空芯光纤的优点

  这种空芯光纤被广泛研究，是因为其在以下几个方面具有显著的优点：

  a) 低时延，光主要在近乎空气孔的芯区传输，折射率比实芯玻璃低，传输速率更快，端到端的光纤传输时延相比于现有光纤小31%。这对于当前及未来对于时延敏感的场合通信非常重要。b)超低非线性，空芯光纤的非线性效应比常规光纤材料的非线性效应低3到4个数量级。这一点对于现有光纤当前在非线性方面所遇到的瓶颈，简直就是不存在的。

  c)大模场直径，空芯光纤即便在保证单模传输的时候，其模块直径也可以远大于普通单模光纤，可达30um，极大地降低了光纤中的功率密度，光纤的损伤阈值功率极大程度地提高，再也不怕烧纤了。

  d)低色散，空芯光纤可以在上千nm的超宽频谱范围内提供~2ps/nm/km的低色散，比现有光纤小近10倍的色散，几乎可以不同进行光域甚至电域的色散补偿了。

  e)超宽工作频段，通过设计可以提供从中红外到3um的超宽传输频段，波段范围超过1000nm,轻松支持普通光纤的O,S,E,C,L,U等波段。

  f)潜在的超低损耗，虽然目前实际能实现的空芯光纤的损耗还比较大，但理论上，空芯光纤在通信窗口理论最小极限可低至0.1dB/km以下，这比比普通石英光纤的0.14dB/km还要小。h)可控的偏振态，由于包层中的光子晶体很容易形成比较大的双折射，因而空芯光纤中的偏振态比较容易保持，即具有偏振保持的作用。

  3. 空芯光纤的研究历程及技术演进

  如上文所提到的，虽然空芯光纤的想法最初是在1960年代提出的，但当时并没有找到合适的自然材料来填充在空芯周围以提供高的反射率，因而空芯光纤的深入研究直到90年代才真正意义上开始。1991年Russel提出了将二维的光子带隙晶体材料填充到光纤中的开创性想法，如图4(a)所示，他还预言了微结构的玻璃毛细管阵列可以充当光纤包层材料，从而实现光在空气芯中低损耗传输。到1995年，Briks等人发展了平面外的光子晶体带隙理论并且证实了在三角形排列的空气孔阵列周围填充块状石英材料后，空芯中存在二维光子带隙效应。1999年，Cregan和Knight等人首次实验中观察到了空芯光纤中的导光现象。验证了在空芯光纤中采用微结构的人工材料来替代常规的全反射导光具有可行性，也就是光子带隙光子晶体光纤或空芯光纤。

图4. 空芯光纤的研发历程及截面示意图

  2002年，康宁宣布实现了损耗为13dB/km的7cell的光子带隙空芯光纤，Bath大学的研究组随后采用19cell的设计在2004年将损耗降低到1.7dB/km。这两种设计由于采用的空气填充比例较高，大于0.94，空气孔从圆环形变成了圆角六边形，包层的几何形状也变成了正六边形，玻璃节点由网状玻璃薄膜连接，如图4(d)所示。这些玻璃节点能支持不同阶次的束缚光子谐振和相邻玻璃节点间的模式耦合可创造空芯处的光子带隙效应。这些玻璃薄膜对于机械支撑来说是不可缺少的，但是它也可能会对光纤的带宽和损耗带宽来不利影响。

  自从2010年人们发现了负曲率半径的芯，这种空芯光纤的损耗很快从dB/m下降到几十dB/km级别，人们做了很多结构上的改进，直到2018年，基于cojoined tude光纤，实现了在1512nm处2dB/km的损耗。而到2019年，采用双琉璃管嵌套抗谐振无节点光纤(NANF)技术，南安普顿大学将空芯光纤的损耗降到1.3dB/km，经过结构优化后，C+L波段的损耗降到0.65dB/km，首次表明了空芯光纤的损耗可接近普通光纤的潜能。更进一步的，在今年的OFC上，南安普顿大学的研究者们还将这一记录推进到0.28dB/km损耗，光纤长度提升到1.7km。

图5. 南安普顿大学的NANF空芯光纤损耗降低过程

  下面我们着重分析一下南安普顿大学对低损耗空芯光纤的改进。2018年ECOC上 ,他们报道的空芯光纤的损耗记录为1.3dB/km，去年的ECOC PDP论文中，已经将这一损耗降到为原来的一半，达到0.65dB/km，支持的波长窗口覆盖C和L通信波段。基于环路实验，61波WDM PM-16QAM信号可传输125km 空芯光纤，而单波PM-QPSK可传341km 空芯光纤。通过在设计方面做了一些改进，来改善微弯损耗(减小芯径尺寸)和泄露损耗(减小方位间隙，改善管道角度方向，更好的纵向一致性)，今年OFC上成功地将空芯光纤的损耗记录再次降到原来的一半以下。1510到1610nm范围内损耗为0.28±0.04dB/km，到1640nm处损耗略高一点，约为0.3dB/km，这已经非常接近于单模长距传输系统的需求了。在过去的18个月内，他们将空芯光纤的损耗降低了10倍，从3.5降至0.28dB/km，仅仅为现有光纤最低损耗的2倍。同时最大传输距离也提升了10倍，从最开始的75km延长到750km。光纤损耗的降低主要取决于两项技术的引入。其一为玻璃管接触处不使用节点连接，这避免了节点处玻璃厚度的增加从而产生谐振影响光纤性能。其二是在大玻璃管中嵌套小玻璃管，来将光从空芯区域泄露降低一千倍。同时将包层玻璃管的厚度减小一半，到0.5um。这样不仅降低了损耗，而且将空芯光纤的低损耗窗口扩展了3倍，提升到1520~1650nm的120多nm。光纤长度的增加则主要是因为光纤拉制工艺的改善，从原来的500m到后来的1.2km再到最近的1.7km,他们采用了更大的预制棒来拉丝，一致性更好。

  进一步地，通过对比有限元仿真与实验测试结果，他们还将空芯光纤的损耗按一定比例分解为光泄露损耗，微弯损耗和表面散射损耗，其中表面散射损耗，是由表面粗糙度引起的不规则散射，这将是空芯光纤损耗的终极制约因素，它潜在的极限可小于0.1dB/km。

  4. 空芯光纤的潜在应用

  早期的时候，基于这种空芯光子晶体光纤，人们主要是用来做一些传感应用，比如在空气孔中填充一些气体或者液体，增强对温度等环境变化的敏感性。不过，那个时候这种光纤的损耗还比较大，~dB/cm这种量级。

  后来，空芯光纤由于具有更高的损伤阈值，被用来传输高功率超快光脉冲激光，平均能量可以高达100W，在高能量激光传输领域，空芯光纤仍将有更广阔的市场，因为相比于普通光纤，它的优势还是特别明显的。

  美国的DARPA也在开发空芯光纤，利用它的保偏特性，用来制造精度更优的光纤陀螺仪，可用于GPS导向和室内定位。

  现在损耗低到跟普通光纤非常接近了，适合用来做光传输，而且还具有很好的特性，色散低，非线性低，时延低，这在降低DSP功耗，提高功率预算等方面提供比常规光纤更好的性能。今年的OFC PDP上就有三篇关于空芯光纤的文章，其中两篇是用于通信的，一个OFS公司基于可现场部署的空芯光纤光缆进行的31波WDM10G NRZ 实时光传输，无须FEC实现3km无误码超低延时光实时光传输。另一篇展示了61个C波段32Gbd PM-QPSK信号，叠加L波段噪声信号，在低损耗空芯光纤上传输了618km，平均GMI为3.44bit/symbol。证明了100G相干信号在空芯光纤上进行近1000km的长距传输能力。

  最近也有人在研究利用空芯光纤进行多模复用传输，或者设计多芯的空芯光纤，这无疑会给制造这种光纤的工艺带来较大的挑战，传统的堆叠法可能不能满足，借助于3D打印，有可能是个好办法，不过也只能解决短光纤的制造问题，长达km级的还是不行。空芯光纤最开始用于光通信的时候，主要是集中在2um的通信，当时主要是因为那时候的光子带隙空芯光纤的低损耗窗口在2um附近。现在应该不会了，低损耗窗口已经可以设计到常规光纤常用的C和L波段了，这样对于实验有了更便利的光收发器件了，更方便了。短期内来看虽然在长距传输领域不会取代普通光纤，但在一些短距的对延时敏感的应用，如AR/VR应用，远程医疗，自动驾驶，银行金融业务相关数据中心网络等，还是有可能率先用上基于空芯光纤光通信的，但前提是制造工艺成熟，与普通光纤熔接简单且低损耗，价格下降到与普通光纤接近。

  毫无疑问，相比于普通石英光纤，空芯光纤在解决现有光纤通信遇到的关键问题(损耗、延时和非线性)方面，还是有明显的优势的。而且与之相关的技术正在以比摩尔定律更快的速率在发展，也许在未来的几个18个月内，下一场光通信的革命就会到来。