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去年12月份，微軟收購了一家生產空心光纖的創業公司Lumenisity (https://blogs.microsoft.com/blog/2022/12/09/microsoft-acquires-lumenisity-an-innovator-in-hollow-core-fiber-hcf-cable/)，小豆芽這里對相關技術做一個整理，供大家參考。

【資料圖】

傳統的光纖是以玻璃為導光介質，纖芯的折射率略高于包層折射率，基于全反射原理，光被限制在纖芯中進行傳輸，如下圖所示。

(圖片來自http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/fibopt.html)

雖然經過多年的發展，低損耗光纖奠定了光通信發展的基礎。但是由于導光材料是玻璃，它存在一定的色散和非線性，這限制了其可以傳輸光的帶寬和功率。一個大膽的想法是利用空氣作為光纖的導光介質，也就是所謂的空芯光纖(hollow-core fiber，以下簡稱HCF)。由于空氣中的光速接近真空中的光速，光信號在光纖中的延遲會大幅降低，也沒有色散和非線性效應的限制，帶寬也得到了很大提高。

空芯光纖根據工作原理，可以分為以下兩類，1)光子帶隙光纖(photonic-bandgap fiber， PBGF)顧名思義，光子晶體光纖是在光纖中引入周期性的孔洞微結構，形成光子晶體，由于光子帶隙的限制，在光纖中心存在缺陷態，光場以缺陷態的形式在中間的空氣中傳輸，由此形成空芯光纖。也可以理解為光場與周期性的包層結構作用，發生多重散射，對于滿足Bragg條件的特定波長會被反射回纖芯中，在空氣纖芯中向前傳播。典型的光子帶隙型空芯光纖PBGF如下圖所示，

（圖片來自https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2013-0042/html）

目前PBGF型空芯光纖的傳輸損耗最好結果是1.2dB/km, 損耗還是比較大的，這也是人們致力于尋找其他結構空芯光纖的原因之一。

2)反諧振型空芯光纖(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)反諧振型空芯光纖，通常在光纖中引入多個空芯套管，有點像轉輪手槍，如下圖所示，對于滿足諧振條件的波長，其模場會泄漏到包層中，因此損耗較大，而對于不滿足共振條件的波長, 其模場主要集中在空氣中，因此損耗較小，可以形成穩定的光傳輸。

（圖片來自文獻1）

研究人員經過多年研究，嘗試了多種不同結構的HC-ARF。英國南安普頓大學發明了嵌套式反諧振無節點空芯光纖，nested anti-resonant nodeless fiber, 簡稱NANF。其結構如下圖所示，在每個大的套管里嵌套了一個小的套管，相鄰套管間沒有接觸，這都是為了降低空芯光纖的傳輸損耗。

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

目前NANF的傳輸損耗已經到0.28dB/km，比PBGF降低了一個數量級。南安普頓大學光電研究中心在該領域深耕多年，Lumenisity公司也是從該研究組spinoff出來。Lumenisity公司成立于2017年。在微軟官方的PR中提到，NANF空芯光纖的主要優勢有如下幾點，

1）光信號傳播速度比傳統光纖提高47%，降低了信號的延遲2）安全性增強和入侵檢測3）由于消除了光纖非線性和寬頻譜，使得成本降低，帶寬提高和網絡質量增強4）具有極低傳輸損耗的潛力

關于第二點，通過內部結構提高信號傳輸的安全性，這里稍作解釋。Lumenisity在2021年與英國電信合作，嘗試在空芯光纖中進行量子密鑰分發。傳統量子通信需要兩路光纖，一路用來傳遞經典光信號，一路用來傳遞單光子水平的量子信號(密鑰)。而使用空芯光纖，由于傳輸介質為空氣，強光與弱光信號間的相互作用和串擾比較小，因此可以用單根光纖同時傳遞量子與經典光信號，可以大大降低線纜的成本。其他三點比較好理解，這也是空芯光纖受到青睞的原因。低延遲和高帶寬的特性，使得空芯光纖在數據中心的應用中非常有潛力。

空芯光纖的發展歷史如下圖所示，經過20多年的發展，其傳輸損耗已經接近傳統光纖0.2-0.3dB/km。

（圖片來自文獻2）

以上是對空芯光纖技術的簡單介紹，微軟收購Lumenisity公司，說明空芯光纖技術得到了市場認可，正逐漸進入商業化應用中，基于其延遲小、容量大的獨特優勢，未來必將在數據中心的部署中發揮重要作用。一項新技術從概念的提出，到最終商業化落地，是多年技術的探索與積累，也是執著與堅持。

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