空芯光纖（HCF)及最新進(jìn)展

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“光通信充電寶”，作者馮振華博士。

  最近關(guān)于光纖的內(nèi)容好像寫的有點(diǎn)多，今年是“低損耗光纖”發(fā)明的第五十個(gè)年頭，一則是趁著這個(gè)大背景，紀(jì)念一下，向這個(gè)行業(yè)的大牛和頂尖公司致敬，二則是結(jié)合最近的OFC論文，也跟下這波趨勢(shì)。兼容G.654E的超低損、大有效面積光纖已經(jīng)成為大容量長(zhǎng)距相干傳輸?shù)谋貍湓亓?，可能大家都意識(shí)到了一點(diǎn)，其實(shí)相干光通信的容量最終是由損耗和非線性兩個(gè)因素決定的，甚至可以毫不夸張地說(shuō)是本質(zhì)上完全由光纖損耗制約了光纖的傳輸距離。個(gè)中原因，細(xì)想一下自然就會(huì)明白。

      趨勢(shì)是大家似乎已經(jīng)厭倦了以0.5dB的粒度改善性能和容量了。這從學(xué)術(shù)界對(duì)多芯、少模等空分復(fù)用光傳輸技術(shù)的研究火熱程度就可以看出。連保守的業(yè)界，現(xiàn)在也對(duì)C+L多波段，甚至擴(kuò)展波段，全波段的光通信器件、設(shè)備的追求也近乎癡迷。不得不說(shuō)節(jié)流永遠(yuǎn)不如開源來(lái)得快，來(lái)得直接，畢竟人家新技術(shù)可以成倍，甚至可以將傳統(tǒng)光纖容量提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。向傳奇致敬最好的方式就是打破他曾經(jīng)創(chuàng)造的紀(jì)錄。超越是對(duì)前輩最大的尊重。今天我要介紹的這個(gè)空芯光纖，也算是對(duì)常規(guī)實(shí)心玻璃光纖的超越吧。先來(lái)介紹一下空芯光纖的導(dǎo)光原理和優(yōu)點(diǎn)，研究歷程以及技術(shù)演進(jìn)，然后再講講它的應(yīng)用進(jìn)展。

  1. 空芯光纖的導(dǎo)光原理

  最簡(jiǎn)單直接的空芯光纖導(dǎo)光原理應(yīng)該就是下圖這樣的了，最直觀不過(guò)。與常規(guī)的光纖波導(dǎo)導(dǎo)光的全反射原理不同，空芯光纖的芯是空氣，要導(dǎo)光就完全依賴于包層對(duì)光的約束了。比如圖1中，通過(guò)高反射的銀對(duì)光線進(jìn)行反射約束讓其只在空氣芯中傳輸。雖然樣子是簡(jiǎn)單粗暴了些，但大致的意思應(yīng)該是到位了。這種技術(shù)最早在1960年代就被提出，在玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁上鍍一層反射膜，然后在中間傳輸中紅外光。不過(guò)，因?yàn)榭妆容^大才好鍍膜，但孔大了傳輸?shù)哪Ｊ骄捅容^多了，這種結(jié)構(gòu)中比較難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的單模傳輸。

圖1. 空芯光纖概念圖

  隨著技術(shù)的進(jìn)步，到了八九十年代人們就提出了特殊設(shè)計(jì)的包層結(jié)構(gòu)，如空心光子晶體光纖(Hollow Core Fiber)。它的導(dǎo)光原理是光子晶體帶隙效應(yīng)。與半導(dǎo)體中帶隙概念類似，這種光纖的包層空氣孔結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)格的周期性。纖芯的引入使這種周期性結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí),就形成了具有一定頻寬的缺陷態(tài)或局域態(tài),而只有特定頻率的光波可以在這個(gè)缺陷區(qū)域中傳播，其他頻率的光波則不能傳播，從而形成對(duì)光的約束。采用這種結(jié)構(gòu)，芯層的折射率就不必大于包層了，從而更具實(shí)用價(jià)值的空芯光纖應(yīng)運(yùn)而生，其結(jié)構(gòu)各種各樣，如圖2所示。

  圖2. 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空芯光子晶體光纖截面圖

  這種結(jié)構(gòu)的光纖起初的損耗特別大，基本上是~dB/cm級(jí)別。直至目前，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的空芯光纖的損耗可能最好的也很難做到2dB/km以下了。為了克服空芯光纖損耗大的問(wèn)題，人們最近又提出了一種基于抗諧振原理的空芯光纖，如圖3所示。它是利用光在光纖內(nèi)的管狀玻璃薄膜間來(lái)回相干反射將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。光纖內(nèi)的這種玻璃薄膜的作用就像是FP諧振腔一樣，使得傳輸譜線呈現(xiàn)多峰的，峰值之間被分隔為多個(gè)高反射區(qū)，也稱為抗諧振窗口。在這些窗口內(nèi)，從空芯掠入射將會(huì)導(dǎo)致很高的反射，從而極大地降低光纖的泄露損耗。帶隙導(dǎo)引型光纖的特性主要取決于包層微結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，而這種抗諧振光纖的低損耗波段可以只通過(guò)改變玻璃薄膜的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且研究已經(jīng)表明，這種光纖能夠在任意波長(zhǎng)都提供比現(xiàn)有常規(guī)光纖更低的損耗。

圖3. 低損耗抗諧振空芯光纖結(jié)構(gòu)，光場(chǎng)被限制在中間的六邊型區(qū)域

  2. 空芯光纖的優(yōu)點(diǎn)

  這種空芯光纖被廣泛研究，是因?yàn)槠湓谝韵聨讉€(gè)方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

  a) 低時(shí)延，光主要在近乎空氣孔的芯區(qū)傳輸，折射率比實(shí)芯玻璃低，傳輸速率更快，端到端的光纖傳輸時(shí)延相比于現(xiàn)有光纖小31%。這對(duì)于當(dāng)前及未來(lái)對(duì)于時(shí)延敏感的場(chǎng)合通信非常重要。b)超低非線性，空芯光纖的非線性效應(yīng)比常規(guī)光纖材料的非線性效應(yīng)低3到4個(gè)數(shù)量級(jí)。這一點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)有光纖當(dāng)前在非線性方面所遇到的瓶頸，簡(jiǎn)直就是不存在的。

  c)大模場(chǎng)直徑，空芯光纖即便在保證單模傳輸?shù)臅r(shí)候，其模塊直徑也可以遠(yuǎn)大于普通單模光纖，可達(dá)30um，極大地降低了光纖中的功率密度，光纖的損傷閾值功率極大程度地提高，再也不怕燒纖了。

  d)低色散，空芯光纖可以在上千nm的超寬頻譜范圍內(nèi)提供~2ps/nm/km的低色散，比現(xiàn)有光纖小近10倍的色散，幾乎可以不同進(jìn)行光域甚至電域的色散補(bǔ)償了。

  e)超寬工作頻段，通過(guò)設(shè)計(jì)可以提供從中紅外到3um的超寬傳輸頻段，波段范圍超過(guò)1000nm,輕松支持普通光纖的O,S,E,C,L,U等波段。

  f)潛在的超低損耗，雖然目前實(shí)際能實(shí)現(xiàn)的空芯光纖的損耗還比較大，但理論上，空芯光纖在通信窗口理論最小極限可低至0.1dB/km以下，這比比普通石英光纖的0.14dB/km還要小。h)可控的偏振態(tài)，由于包層中的光子晶體很容易形成比較大的雙折射，因而空芯光纖中的偏振態(tài)比較容易保持，即具有偏振保持的作用。

  3. 空芯光纖的研究歷程及技術(shù)演進(jìn)

  如上文所提到的，雖然空芯光纖的想法最初是在1960年代提出的，但當(dāng)時(shí)并沒有找到合適的自然材料來(lái)填充在空芯周圍以提供高的反射率，因而空芯光纖的深入研究直到90年代才真正意義上開始。1991年Russel提出了將二維的光子帶隙晶體材料填充到光纖中的開創(chuàng)性想法，如圖4(a)所示，他還預(yù)言了微結(jié)構(gòu)的玻璃毛細(xì)管陣列可以充當(dāng)光纖包層材料，從而實(shí)現(xiàn)光在空氣芯中低損耗傳輸。到1995年，Briks等人發(fā)展了平面外的光子晶體帶隙理論并且證實(shí)了在三角形排列的空氣孔陣列周圍填充塊狀石英材料后，空芯中存在二維光子帶隙效應(yīng)。1999年，Cregan和Knight等人首次實(shí)驗(yàn)中觀察到了空芯光纖中的導(dǎo)光現(xiàn)象。驗(yàn)證了在空芯光纖中采用微結(jié)構(gòu)的人工材料來(lái)替代常規(guī)的全反射導(dǎo)光具有可行性，也就是光子帶隙光子晶體光纖或空芯光纖。

圖4. 空芯光纖的研發(fā)歷程及截面示意圖

  2002年，康寧宣布實(shí)現(xiàn)了損耗為13dB/km的7cell的光子帶隙空芯光纖，Bath大學(xué)的研究組隨后采用19cell的設(shè)計(jì)在2004年將損耗降低到1.7dB/km。這兩種設(shè)計(jì)由于采用的空氣填充比例較高，大于0.94，空氣孔從圓環(huán)形變成了圓角六邊形，包層的幾何形狀也變成了正六邊形，玻璃節(jié)點(diǎn)由網(wǎng)狀玻璃薄膜連接，如圖4(d)所示。這些玻璃節(jié)點(diǎn)能支持不同階次的束縛光子諧振和相鄰玻璃節(jié)點(diǎn)間的模式耦合可創(chuàng)造空芯處的光子帶隙效應(yīng)。這些玻璃薄膜對(duì)于機(jī)械支撐來(lái)說(shuō)是不可缺少的，但是它也可能會(huì)對(duì)光纖的帶寬和損耗帶寬來(lái)不利影響。

  自從2010年人們發(fā)現(xiàn)了負(fù)曲率半徑的芯，這種空芯光纖的損耗很快從dB/m下降到幾十dB/km級(jí)別，人們做了很多結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，直到2018年，基于cojoined tude光纖，實(shí)現(xiàn)了在1512nm處2dB/km的損耗。而到2019年，采用雙琉璃管嵌套抗諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖(NANF)技術(shù)，南安普頓大學(xué)將空芯光纖的損耗降到1.3dB/km，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，C+L波段的損耗降到0.65dB/km，首次表明了空芯光纖的損耗可接近普通光纖的潛能。更進(jìn)一步的，在今年的OFC上，南安普頓大學(xué)的研究者們還將這一記錄推進(jìn)到0.28dB/km損耗，光纖長(zhǎng)度提升到1.7km。

圖5. 南安普頓大學(xué)的NANF空芯光纖損耗降低過(guò)程

  下面我們著重分析一下南安普頓大學(xué)對(duì)低損耗空芯光纖的改進(jìn)。2018年ECOC上 ,他們報(bào)道的空芯光纖的損耗記錄為1.3dB/km，去年的ECOC PDP論文中，已經(jīng)將這一損耗降到為原來(lái)的一半，達(dá)到0.65dB/km，支持的波長(zhǎng)窗口覆蓋C和L通信波段?；诃h(huán)路實(shí)驗(yàn)，61波WDM PM-16QAM信號(hào)可傳輸125km 空芯光纖，而單波PM-QPSK可傳341km 空芯光纖。通過(guò)在設(shè)計(jì)方面做了一些改進(jìn)，來(lái)改善微彎損耗(減小芯徑尺寸)和泄露損耗(減小方位間隙，改善管道角度方向，更好的縱向一致性)，今年OFC上成功地將空芯光纖的損耗記錄再次降到原來(lái)的一半以下。1510到1610nm范圍內(nèi)損耗為0.28±0.04dB/km，到1640nm處損耗略高一點(diǎn)，約為0.3dB/km，這已經(jīng)非常接近于單模長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)的需求了。在過(guò)去的18個(gè)月內(nèi)，他們將空芯光纖的損耗降低了10倍，從3.5降至0.28dB/km，僅僅為現(xiàn)有光纖最低損耗的2倍。同時(shí)最大傳輸距離也提升了10倍，從最開始的75km延長(zhǎng)到750km。光纖損耗的降低主要取決于兩項(xiàng)技術(shù)的引入。其一為玻璃管接觸處不使用節(jié)點(diǎn)連接，這避免了節(jié)點(diǎn)處玻璃厚度的增加從而產(chǎn)生諧振影響光纖性能。其二是在大玻璃管中嵌套小玻璃管，來(lái)將光從空芯區(qū)域泄露降低一千倍。同時(shí)將包層玻璃管的厚度減小一半，到0.5um。這樣不僅降低了損耗，而且將空芯光纖的低損耗窗口擴(kuò)展了3倍，提升到1520~1650nm的120多nm。光纖長(zhǎng)度的增加則主要是因?yàn)楣饫w拉制工藝的改善，從原來(lái)的500m到后來(lái)的1.2km再到最近的1.7km,他們采用了更大的預(yù)制棒來(lái)拉絲，一致性更好。

  進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)比有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，他們還將空芯光纖的損耗按一定比例分解為光泄露損耗，微彎損耗和表面散射損耗，其中表面散射損耗，是由表面粗糙度引起的不規(guī)則散射，這將是空芯光纖損耗的終極制約因素，它潛在的極限可小于0.1dB/km。

  4. 空芯光纖的潛在應(yīng)用

  早期的時(shí)候，基于這種空芯光子晶體光纖，人們主要是用來(lái)做一些傳感應(yīng)用，比如在空氣孔中填充一些氣體或者液體，增強(qiáng)對(duì)溫度等環(huán)境變化的敏感性。不過(guò)，那個(gè)時(shí)候這種光纖的損耗還比較大，~dB/cm這種量級(jí)。

  后來(lái)，空芯光纖由于具有更高的損傷閾值，被用來(lái)傳輸高功率超快光脈沖激光，平均能量可以高達(dá)100W，在高能量激光傳輸領(lǐng)域，空芯光纖仍將有更廣闊的市場(chǎng)，因?yàn)橄啾扔谄胀ü饫w，它的優(yōu)勢(shì)還是特別明顯的。

  美國(guó)的DARPA也在開發(fā)空芯光纖，利用它的保偏特性，用來(lái)制造精度更優(yōu)的光纖陀螺儀，可用于GPS導(dǎo)向和室內(nèi)定位。

  現(xiàn)在損耗低到跟普通光纖非常接近了，適合用來(lái)做光傳輸，而且還具有很好的特性，色散低，非線性低，時(shí)延低，這在降低DSP功耗，提高功率預(yù)算等方面提供比常規(guī)光纖更好的性能。今年的OFC PDP上就有三篇關(guān)于空芯光纖的文章，其中兩篇是用于通信的，一個(gè)OFS公司基于可現(xiàn)場(chǎng)部署的空芯光纖光纜進(jìn)行的31波WDM10G NRZ 實(shí)時(shí)光傳輸，無(wú)須FEC實(shí)現(xiàn)3km無(wú)誤碼超低延時(shí)光實(shí)時(shí)光傳輸。另一篇展示了61個(gè)C波段32Gbd PM-QPSK信號(hào)，疊加L波段噪聲信號(hào)，在低損耗空芯光纖上傳輸了618km，平均GMI為3.44bit/symbol。證明了100G相干信號(hào)在空芯光纖上進(jìn)行近1000km的長(zhǎng)距傳輸能力。

  最近也有人在研究利用空芯光纖進(jìn)行多模復(fù)用傳輸，或者設(shè)計(jì)多芯的空芯光纖，這無(wú)疑會(huì)給制造這種光纖的工藝帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的堆疊法可能不能滿足，借助于3D打印，有可能是個(gè)好辦法，不過(guò)也只能解決短光纖的制造問(wèn)題，長(zhǎng)達(dá)km級(jí)的還是不行。空芯光纖最開始用于光通信的時(shí)候，主要是集中在2um的通信，當(dāng)時(shí)主要是因?yàn)槟菚r(shí)候的光子帶隙空芯光纖的低損耗窗口在2um附近?，F(xiàn)在應(yīng)該不會(huì)了，低損耗窗口已經(jīng)可以設(shè)計(jì)到常規(guī)光纖常用的C和L波段了，這樣對(duì)于實(shí)驗(yàn)有了更便利的光收發(fā)器件了，更方便了。短期內(nèi)來(lái)看雖然在長(zhǎng)距傳輸領(lǐng)域不會(huì)取代普通光纖，但在一些短距的對(duì)延時(shí)敏感的應(yīng)用，如AR/VR應(yīng)用，遠(yuǎn)程醫(yī)療，自動(dòng)駕駛，銀行金融業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等，還是有可能率先用上基于空芯光纖光通信的，但前提是制造工藝成熟，與普通光纖熔接簡(jiǎn)單且低損耗，價(jià)格下降到與普通光纖接近。

  毫無(wú)疑問(wèn)，相比于普通石英光纖，空芯光纖在解決現(xiàn)有光纖通信遇到的關(guān)鍵問(wèn)題(損耗、延時(shí)和非線性)方面，還是有明顯的優(yōu)勢(shì)的。而且與之相關(guān)的技術(shù)正在以比摩爾定律更快的速率在發(fā)展，也許在未來(lái)的幾個(gè)18個(gè)月內(nèi)，下一場(chǎng)光通信的革命就會(huì)到來(lái)。