中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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研究人員開發(fā)了空芯光纖來代替玻璃介質(zhì)導光，以提高傳輸速度，消除不良的非線性效應。在空氣芯導光條件下，光速接近真空速度，與摻雜鍺硅玻璃等傳統(tǒng)纖維材料相比，空氣的非線性效應和損傷閾值要小得多。且空芯光纖的中空通道允許化學樣品的滲透，可以應用在高靈敏度的化學/氣體傳感。比如基于光纖的光流控裝置和光催化裝置。
近年來已經(jīng)報道了實現(xiàn)空芯光纖的不同機制，如光子帶隙、 Kagome型空心芯導光、反共振導光、全向反射等。然而，這些設(shè)計通常涉及復雜的光纖幾何形狀，只能允許在狹窄的光譜范圍內(nèi)傳輸。此外，這些空芯光纖仍然受到根本上現(xiàn)有的限制：包層玻璃材料由于孔隙包覆結(jié)構(gòu)造成散射損耗。。
Leon Zhang等人研究展示了一種全新的氣導光纖，它使用新開發(fā)的“零折射率”材料作為引導介質(zhì)。近零（epsilon-near-zero，ENZ）材料，或零折射率材料，其真實的相對介電常數(shù)Re(ε)在一定波長減少到零。他們研究了一種基于厚ENZ涂層的空氣導空芯光纖。
1、什么是空芯光纖
空芯光纖，網(wǎng)上很多文章也稱之為“空心光纖”，英文名為Hollow-core fiber（HCF），是一種新型光纖。
我們現(xiàn)在普遍使用的傳統(tǒng)光纖，都是玻芯光纖。在光纖里面，有石英玻璃（主要成分是二氧化硅）制作的纖芯。
空芯光纖，顧名思義，就是光纖里面不再有實體纖芯，而是“空”的——只有空氣、惰性氣體或真空。那么，空芯光纖，相比于傳統(tǒng)玻芯光纖，到底有什么優(yōu)勢呢？為什么現(xiàn)在光通信行業(yè)，都非常關(guān)注和重視空芯光纖呢？研究空芯光纖，并不是因為減少了里面的纖芯能夠降低成本，而是因為光信號在空氣中傳播，比在玻璃纖維中傳播更有優(yōu)勢。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，如果采用空芯光纖，光信號的傳播速度將會比傳統(tǒng)玻芯光纖提升47%左右。
這將大幅降低光纖通信的時延（大約三分之一）。根據(jù)相關(guān)研究機構(gòu)的測算，玻芯光纖的時延大約是5微秒/公里，空芯光纖是3.46微秒/公里。1000公里的距離，可以減少1.54毫秒的時延。
對于高頻率的金融證券交易，以及遠程醫(yī)療、工業(yè)制造等行業(yè)場景，這個時延改善具有重要的意義。
2、自主工藝的優(yōu)化降低了生產(chǎn)成本
通過自主工藝的優(yōu)化，中國光纖企業(yè)大幅降低了光纖的生產(chǎn)成本。自主研發(fā)的工藝使得產(chǎn)能、產(chǎn)量和技術(shù)優(yōu)勢達到了世界領(lǐng)先水平。中國光纖企業(yè)在全球十大光纖企業(yè)中，有七家中國企業(yè)，光纖產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)優(yōu)勢催生了新一代的多芯光纖和空芯光纖產(chǎn)品。
借助電子顯微鏡，可見光纖內(nèi)有八條光通道，即為八芯光纖，每條道都能承載不同的數(shù)據(jù)，傳輸速度可達到千萬億字節(jié)每秒，相比于單芯光纖，可以在更小的體積內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。這種新型多芯光纖變得越來越重要，成為5G通信和工業(yè)信息通信的重要傳輸方式。
空芯光纖的產(chǎn)品，內(nèi)部處于真空狀態(tài)，就像太空中的無阻尼數(shù)據(jù)傳輸通道，可以使搭載數(shù)據(jù)的光信號真正接近光速，傳輸速度可達光速，這種產(chǎn)品未來肯定會在廣泛應用領(lǐng)域中有很大的市場。
3、傳統(tǒng)光纖基于光的全反射原理實現(xiàn)光在玻芯中傳輸
當光進入光纖中心傳播時，光纖纖芯的折射率n1比包層n2高，而纖芯的損耗比包層低，這樣光會發(fā)生全反射現(xiàn)象，其光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸，借助于接連不斷地全反射，光可以從一端傳導到另一端。
空芯光纖的芯是空氣，由于空氣的折射率小于包層介質(zhì)的折射率，不滿足全反射的條件，所以要在空芯中傳輸光就需要采用特殊設(shè)計的包層結(jié)構(gòu)。
例如，基于光子帶隙效應的空心光子晶體光纖，它的包層由一系列微小的空氣孔構(gòu)成，具有精確設(shè)定的孔徑大小、孔間距和周期，纖芯則為空氣。
當光入射到纖芯和包層界面上時，會受到包層中周期排列的空氣孔的強烈散射。這種多重散射產(chǎn)生相干，使得滿足特定波長和入射角的光波能夠回到芯層中繼續(xù)傳播。
采用這種結(jié)構(gòu)，就在纖芯層的折射率小于包層的情況下，實現(xiàn)對光的引導和傳播。
上面的光子帶隙導波機制是一個復雜的光學現(xiàn)象，我們可以盡量用通俗易懂的語言來解釋它：
想象一下，在一條有許多柱子的長廊里，柱子按照一定規(guī)律排列，你試著丟一個球，看球在長廊里如何滾動。
由于柱子的存在，球不會直接穿過長廊，而是會在柱子之間反彈和滾動。在某些情況下，球可能會因為柱子的排列方式而無法前進，就像是被“困住”了一樣。
在光子帶隙導波機制中，光子就像是那個球，而光子晶體（具有周期性折射率變化的結(jié)構(gòu)）就像是那條有很多柱子的長廊。光子晶體中的空氣孔就像柱子一樣，按照一定的規(guī)律排列。
當光波進入這種結(jié)構(gòu)時，它會在空氣孔之間反射和散射，就像球在柱子之間反彈一樣。有些頻率的光波會因為這種特殊的排列方式而無法在包層中傳播，就像球在某些情況下無法前進一樣。這些光波就被限制在纖芯中傳播，就像球被“困”在長廊的某個區(qū)域一樣。
4、空芯光纖的應用場景
第一類場景，當然是通信。
空芯光纖的低損耗、低時延，非常適合光纖通信用途。尤其是前面提到的時延敏感型通信場景。
第二類場景，是傳感。也就是利用光纖進行環(huán)境感知。
空芯光纖具備更強的靈活性和大孔徑特性，可以用于光學傳感領(lǐng)域，測量溫度、壓力、流量和化學成分等參數(shù)。
第三類場景，激光應用。
剛才說了，空芯光纖能扛得住高功率激光。所以，可以將它用于傳送激光束，例如工業(yè)制造的激光切割、刻蝕，以及人體深處來改善病變組織的成像和治療。
傳送激光，其實也是某種形式的傳送能量。這也有很大的應用想象空間。
