空芯光纖（HCF)及最新進展

  本文轉載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士。

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

      趨勢是大家似乎已經(jīng)厭倦了以0.5dB的粒度改善性能和容量了。這從學術界對多芯、少模等空分復用光傳輸技術的研究火熱程度就可以看出。連保守的業(yè)界，現(xiàn)在也對C+L多波段，甚至擴展波段，全波段的光通信器件、設備的追求也近乎癡迷。不得不說節(jié)流永遠不如開源來得快，來得直接，畢竟人家新技術可以成倍，甚至可以將傳統(tǒng)光纖容量提升1~2個數(shù)量級。向傳奇致敬最好的方式就是打破他曾經(jīng)創(chuàng)造的紀錄。超越是對前輩最大的尊重。今天我要介紹的這個空芯光纖，也算是對常規(guī)實心玻璃光纖的超越吧。先來介紹一下空芯光纖的導光原理和優(yōu)點，研究歷程以及技術演進，然后再講講它的應用進展。

  1. 空芯光纖的導光原理

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

圖1. 空芯光纖概念圖

  隨著技術的進步，到了八九十年代人們就提出了特殊設計的包層結構，如空心光子晶體光纖(Hollow Core Fiber)。它的導光原理是光子晶體帶隙效應。與半導體中帶隙概念類似，這種光纖的包層空氣孔結構具有嚴格的周期性。纖芯的引入使這種周期性結構遭到破壞時,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，從而形成對光的約束。采用這種結構，芯層的折射率就不必大于包層了，從而更具實用價值的空芯光纖應運而生，其結構各種各樣，如圖2所示。

  圖2. 不同結構設計的空芯光子晶體光纖截面圖

  這種結構的光纖起初的損耗特別大，基本上是~dB/cm級別。直至目前，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，這種結構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的管狀玻璃薄膜間來回相干反射將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。光纖內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高反射區(qū)，也稱為抗諧振窗口。在這些窗口內，從空芯掠入射將會導致很高的反射，從而極大地降低光纖的泄露損耗。帶隙導引型光纖的特性主要取決于包層微結構的特殊設計，而這種抗諧振光纖的低損耗波段可以只通過改變玻璃薄膜的厚度來實現(xiàn)，并且研究已經(jīng)表明，這種光纖能夠在任意波長都提供比現(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構，光場被限制在中間的六邊型區(qū)域

  2. 空芯光纖的優(yōu)點

  這種空芯光纖被廣泛研究，是因為其在以下幾個方面具有顯著的優(yōu)點：

  a) 低時延，光主要在近乎空氣孔的芯區(qū)傳輸，折射率比實芯玻璃低，傳輸速率更快，端到端的光纖傳輸時延相比于現(xiàn)有光纖小31%。這對于當前及未來對于時延敏感的場合通信非常重要。b)超低非線性，空芯光纖的非線性效應比常規(guī)光纖材料的非線性效應低3到4個數(shù)量級。這一點對于現(xiàn)有光纖當前在非線性方面所遇到的瓶頸，簡直就是不存在的。

  c)大模場直徑，空芯光纖即便在保證單模傳輸?shù)臅r候，其模塊直徑也可以遠大于普通單模光纖，可達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，幾乎可以不同進行光域甚至電域的色散補償了。

  e)超寬工作頻段，通過設計可以提供從中紅外到3um的超寬傳輸頻段，波段范圍超過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，雖然目前實際能實現(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演進

  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，但當時并沒有找到合適的自然材料來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，他還預言了微結構的玻璃毛細管陣列可以充當光纖包層材料，從而實現(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。1999年，Cregan和Knight等人首次實驗中觀察到了空芯光纖中的導光現(xiàn)象。驗證了在空芯光纖中采用微結構的人工材料來替代常規(guī)的全反射導光具有可行性，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，康寧宣布實現(xiàn)了損耗為13dB/km的7cell的光子帶隙空芯光纖，Bath大學的研究組隨后采用19cell的設計在2004年將損耗降低到1.7dB/km。這兩種設計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)點由網(wǎng)狀玻璃薄膜連接，如圖4(d)所示。這些玻璃節(jié)點能支持不同階次的束縛光子諧振和相鄰玻璃節(jié)點間的模式耦合可創(chuàng)造空芯處的光子帶隙效應。這些玻璃薄膜對于機械支撐來說是不可缺少的，但是它也可能會對光纖的帶寬和損耗帶寬來不利影響。

  自從2010年人們發(fā)現(xiàn)了負曲率半徑的芯，這種空芯光纖的損耗很快從dB/m下降到幾十dB/km級別，人們做了很多結構上的改進，直到2018年，基于cojoined tude光纖，實現(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節(jié)點光纖(NANF)技術，南安普頓大學將空芯光纖的損耗降到1.3dB/km，經(jīng)過結構優(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。更進一步的，在今年的OFC上，南安普頓大學的研究者們還將這一記錄推進到0.28dB/km損耗，光纖長度提升到1.7km。

圖5. 南安普頓大學的NANF空芯光纖損耗降低過程

  下面我們著重分析一下南安普頓大學對低損耗空芯光纖的改進。2018年ECOC上 ,他們報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的一半，達到0.65dB/km，支持的波長窗口覆蓋C和L通信波段?；诃h(huán)路實驗，61波WDM PM-16QAM信號可傳輸125km 空芯光纖，而單波PM-QPSK可傳341km 空芯光纖。通過在設計方面做了一些改進，來改善微彎損耗(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的一半以下。1510到1610nm范圍內損耗為0.28±0.04dB/km，到1640nm處損耗略高一點，約為0.3dB/km，這已經(jīng)非常接近于單模長距傳輸系統(tǒng)的需求了。在過去的18個月內，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。同時最大傳輸距離也提升了10倍，從最開始的75km延長到750km。光纖損耗的降低主要取決于兩項技術的引入。其一為玻璃管接觸處不使用節(jié)點連接，這避免了節(jié)點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，來將光從空芯區(qū)域泄露降低一千倍。同時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展了3倍，提升到1520~1650nm的120多nm。光纖長度的增加則主要是因為光纖拉制工藝的改善，從原來的500m到后來的1.2km再到最近的1.7km,他們采用了更大的預制棒來拉絲，一致性更好。

  進一步地，通過對比有限元仿真與實驗測試結果，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. 空芯光纖的潛在應用

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

  后來，空芯光纖由于具有更高的損傷閾值，被用來傳輸高功率超快光脈沖激光，平均能量可以高達100W，在高能量激光傳輸領域，空芯光纖仍將有更廣闊的市場，因為相比于普通光纖，它的優(yōu)勢還是特別明顯的。

  美國的DARPA也在開發(fā)空芯光纖，利用它的保偏特性，用來制造精度更優(yōu)的光纖陀螺儀，可用于GPS導向和室內定位。

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

  最近也有人在研究利用空芯光纖進行多模復用傳輸，或者設計多芯的空芯光纖，這無疑會給制造這種光纖的工藝帶來較大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的堆疊法可能不能滿足，借助于3D打印，有可能是個好辦法，不過也只能解決短光纖的制造問題，長達km級的還是不行?？招竟饫w最開始用于光通信的時候，主要是集中在2um的通信，當時主要是因為那時候的光子帶隙空芯光纖的低損耗窗口在2um附近?，F(xiàn)在應該不會了，低損耗窗口已經(jīng)可以設計到常規(guī)光纖常用的C和L波段了，這樣對于實驗有了更便利的光收發(fā)器件了，更方便了。短期內來看雖然在長距傳輸領域不會取代普通光纖，但在一些短距的對延時敏感的應用，如AR/VR應用，遠程醫(yī)療，自動駕駛，銀行金融業(yè)務相關數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡等，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，與普通光纖熔接簡單且低損耗，價格下降到與普通光纖接近。

  毫無疑問，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鍵問題(損耗、延時和非線性)方面，還是有明顯的優(yōu)勢的。而且與之相關的技術正在以比摩爾定律更快的速率在發(fā)展，也許在未來的幾個18個月內，下一場光通信的革命就會到來。