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去年12月份，微软收购了一家生产空心光纤的创业公司Lumenisity (https://blogs.microsoft.com/blog/2022/12/09/microsoft-acquires-lumenisity-an-innovator-in-hollow-core-fiber-hcf-cable/)，小豆芽这里对相关技术做一个整理，供大家参考。

(资料图)

传统的光纤是以玻璃为导光介质，纤芯的折射率略高于包层折射率，基于全反射原理，光被限制在纤芯中进行传输，如下图所示。

(图片来自http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/fibopt.html)

虽然经过多年的发展，低损耗光纤奠定了光通信发展的基础。但是由于导光材料是玻璃，它存在一定的色散和非线性，这限制了其可以传输光的带宽和功率。一个大胆的想法是利用空气作为光纤的导光介质，也就是所谓的空芯光纤(hollow-core fiber，以下简称HCF)。由于空气中的光速接近真空中的光速，光信号在光纤中的延迟会大幅降低，也没有色散和非线性效应的限制，带宽也得到了很大提高。

空芯光纤根据工作原理，可以分为以下两类，1)光子带隙光纤(photonic-bandgap fiber， PBGF)顾名思义，光子晶体光纤是在光纤中引入周期性的孔洞微结构，形成光子晶体，由于光子带隙的限制，在光纤中心存在缺陷态，光场以缺陷态的形式在中间的空气中传输，由此形成空芯光纤。也可以理解为光场与周期性的包层结构作用，发生多重散射，对于满足Bragg条件的特定波长会被反射回纤芯中，在空气纤芯中向前传播。典型的光子带隙型空芯光纤PBGF如下图所示，

（图片来自https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2013-0042/html）

目前PBGF型空芯光纤的传输损耗最好结果是1.2dB/km, 损耗还是比较大的，这也是人们致力于寻找其他结构空芯光纤的原因之一。

2)反谐振型空芯光纤(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)反谐振型空芯光纤，通常在光纤中引入多个空芯套管，有点像转轮手枪，如下图所示，对于满足谐振条件的波长，其模场会泄漏到包层中，因此损耗较大，而对于不满足共振条件的波长, 其模场主要集中在空气中，因此损耗较小，可以形成稳定的光传输。

（图片来自文献1）

研究人员经过多年研究，尝试了多种不同结构的HC-ARF。英国南安普顿大学发明了嵌套式反谐振无节点空芯光纤，nested anti-resonant nodeless fiber, 简称NANF。其结构如下图所示，在每个大的套管里嵌套了一个小的套管，相邻套管间没有接触，这都是为了降低空芯光纤的传输损耗。

(图片来自https://hcf.soton.ac.uk/2019/07/02/record-low-loss-hollow-core-fiber-for-the-1%C2%B5m-region/)

目前NANF的传输损耗已经到0.28dB/km，比PBGF降低了一个数量级。南安普顿大学光电研究中心在该领域深耕多年，Lumenisity公司也是从该研究组spinoff出来。Lumenisity公司成立于2017年。在微软官方的PR中提到，NANF空芯光纤的主要优势有如下几点，

1）光信号传播速度比传统光纤提高47%，降低了信号的延迟2）安全性增强和入侵检测3）由于消除了光纤非线性和宽频谱，使得成本降低，带宽提高和网络质量增强4）具有极低传输损耗的潜力

关于第二点，通过内部结构提高信号传输的安全性，这里稍作解释。Lumenisity在2021年与英国电信合作，尝试在空芯光纤中进行量子密钥分发。传统量子通信需要两路光纤，一路用来传递经典光信号，一路用来传递单光子水平的量子信号(密钥)。而使用空芯光纤，由于传输介质为空气，强光与弱光信号间的相互作用和串扰比较小，因此可以用单根光纤同时传递量子与经典光信号，可以大大降低线缆的成本。其他三点比较好理解，这也是空芯光纤受到青睐的原因。低延迟和高带宽的特性，使得空芯光纤在数据中心的应用中非常有潜力。

空芯光纤的发展历史如下图所示，经过20多年的发展，其传输损耗已经接近传统光纤0.2-0.3dB/km。

（图片来自文献2）

以上是对空芯光纤技术的简单介绍，微软收购Lumenisity公司，说明空芯光纤技术得到了市场认可，正逐渐进入商业化应用中，基于其延迟小、容量大的独特优势，未来必将在数据中心的部署中发挥重要作用。一项新技术从概念的提出，到最终商业化落地，是多年技术的探索与积累，也是执着与坚持。

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