空心光纤 1 ：技术演进与物理机制

绪-技术突破

近年来，空心光子晶体光纤技术取得了显著进展，使得这类光纤的衰减率降低至与全固态硅基单模光纤相媲美的水平。

这一领域的持续进步不仅重燃了业界对空心光纤技术的兴趣，更激发了人们的期待：未来某一天，空心光纤将能够实现制造出史上最为透明的光波导，覆盖所有重要的光谱区域。

在本系列的文章中，我们对影响空心光纤衰减的各种物理机制进行了综合回顾与分析。我们不仅审视了传统的基于光子带隙的空心光纤技术，也探讨了较新的抗谐振空心光纤。由于这两种光纤类型都采用了与传统实心纤芯光纤不同的导光机制，将光限制在中心纤芯内，因此它们的衰减过程也由一系列不同的物理过程所主导。

首先，我们讨论了在理想状态下的光纤中固有的损耗机制，包括纤芯内填充气体的泄漏损耗、吸收以及由周围玻璃微结构引起的散射，还有光纤内部空气-玻璃界面的粗糙度引起的散射。特别是，我们对后者的影响进行了严格的分析，这些误解往往导致了不恰当的缩放规则的使用。

接着，我们探讨了损耗的外在因素，包括随机微弯以及制造过程中可能出现的其他扰动和非均匀性的影响。这些因素主要通过将光从基模散射到损耗更高的高阶模式和包层模式，从而影响光纤的损耗。尽管这些影响过去常被忽略，但在制造损耗低于0.1 dB/km且具有纯单模导引特性的空心光纤方面，它们的作用正变得越来越关键。

最后，在这个系列的专栏中，我们提出了针对前述所有损耗机制的一般性缩放规则，并将这些规则结合起来，评估了近期报道的光纤性能。我们还为设计在不同光谱区域运行的低损耗空心光纤提供了一些通用指导原则，并以对这项可能带来变革性影响的技术未来的简要展望作为结尾。

回顾与发展

20 多年前，首次报道了一种创新的光纤，其纤芯完全由空气填充，成功地在40毫米长的样品中以基模传输了激光器发射光的35%。这一极为激动人心的进展标志着首次尝试展示利用光子晶体概念及其相关的光子带隙，实现长距离、灵活的空心光波导中的光限制和引导。

Yablonovich和John的开创性理论工作启发了这项光纤研究，他们独立证明了包含三维波长尺度周期性折射率分布的介质结构能够抑制特定光子态的存在。这与固态物理学中的电子带隙类似，这样的结构甚至不允许由于缺少允许的光子态而产生的自发辐射，因此可以用来在特意创造的缺陷中实现光的强局域化。

基于这些概念，通过二维周期性介质材料的排列，在第三维度无限延伸，可以实现出平面光子带隙，利用这一现象在适当设计的纤芯缺陷中引导光，即便在空气和硅之间的折射率对比度较低的情况下也可行。由于这种借鉴自光子晶体概念的传统，这类光纤被普遍称为光子晶体光纤。

首次在空气纤芯中展示的光引导技术激发了广泛的乐观情绪，并开启了对空心光子晶体光纤技术的深入研究。对这项技术的热情是合理的，因为空气中的光引导不仅消除了传统光纤的许多材料限制，还大幅降低了这些限制，同时由于其独特属性，促进了许多新颖的光子学应用的实现。

首先，纤芯中缺乏固体材料显著降低了光纤纤芯因高强度辐射而发生介质击穿损坏的风险。同时，这也几乎消除了传统实心纤芯光纤中存在的克尔光学非线性，显著提高了空心光纤的功率处理能力，使其非常适合传输连续波或高能脉冲激光光。光学非线性的大幅度降低消除了光子光纤电信系统中非线性噪声的严重障碍，这是提高传统基于光纤系统数据承载能力的一个基本原理限制。

其次，空心光纤由于其群折射率非常接近1，以接近真空的延迟引导光，在许多数据通信应用中变得越来越重要。实际上，，空心光纤可以减少1/3的时延，低延迟对于5G网络的部署和运行非常有益，5G网络的时间要求非常严格，数据中心甚至超级计算机也是如此。

此外，由于空心纤芯内引导模式的光场与固体材料的相互作用较弱，低延迟还伴随着非常低的群速度色散，并且对环境变化，特别是温度变化具有显著的抵抗力。这一独特属性使空心光纤非常适合用于高精度干涉测量、同步和时间频率计量学的应用。

第三，从光纤纤芯中移除固体材料使其成为研究液态或气态相中光-物质相互作用的理想平台，无论是在线性还是非线性区域。在这里，长的相互作用长度和光与流体材料的同时限制导致了许多应用的实现，包括频率转换、超连续谱的产生和脉冲整形。空心纤芯中光的低损耗限制还开辟了在这些结构中长距离悬浮和引导粒子的可能性

。

然而，对空心光纤技术的热情主要源于希望：即从光纤纤芯中移除固体材料将导致比标准单模光纤更低的传播损耗。后者的衰减基本上由瑞利散射引起，这是由于玻璃的无序性质所导致的密度波动。这种无序可以通过虚温来量化，虚温通常在光纤中比在块状硅中更高。

物理机制与损耗因素

多年来，块状玻璃和光纤的虚温差异显著缩小，现在人们普遍认为，在硅光纤中将损耗显著降低到大约0.14 dB/km以下是不可能的。

因此，进一步降低损耗必须采用不易散射的介质，而空气以其近三个数量级更低的密度，是理想的介质。除了低散射外，在空气/真空中实现低损耗引导在玻璃不透明的波长上也是可能的，只要光纤设计得避免引导模式场与固体玻璃材料强烈重叠。这为从紫外到中红外的单一固体材料平台上的低损耗光引导开辟了前景。尽管所有这些前景都很诱人，但实现与传统光纤相当或更低的空心光纤损耗水平一直是一个巨大的挑战。

在首次报告空心光纤后的几年内，研究人员很快发现，用于在空心纤芯中引导光的物理机制引入了一些独特的损耗机制。

首先，与传统光纤不同，全内反射确保引导的光学模式真正被限制，在微结构光纤中引导光，特别是空心光纤，总是伴随着一些泄漏，即模式是泄漏的，一部分光功率在沿着光纤轴传播时从它们流失。这导致了泄漏或限制损耗，类似于当传统实心光纤弯曲时由于部分反射导致的损耗。

泄漏损耗的一个基本方面是，它随着横向模式的阶数增加而增加，导致引导模式之间的差异性损耗。其次，在空心光纤中，许多空气-玻璃界面的存在导致了一种独特的表面散射机制，这有助于损耗。

研究人员很早就意识到，在光子带隙光纤中，这些界面上的粗糙度尽管非常小，但在光传播长距离时，可以导致大量的散射损耗。这被认为是对这些光纤可以实现的损耗设定了一个基本限制。在较新的空心反谐振光纤中，这种贡献似乎不再占主导地位，但仍然在决定光纤总损耗中发挥作用。

除了这两种独特且独特的损耗机制外，实体芯光纤中存在的其他固有损耗机制也有助于空心光纤的损耗。

首先是瑞利散射，它可能起源于玻璃或当空心区域充满空气或其他气体时。气体中的瑞利散射比在玻璃中低近三个数量级，使其贡献可以忽略不计。在空心光纤中，非常小的一部分光功率在玻璃中引导。这在很大程度上抑制了玻璃区域内瑞利散射的损耗贡献。

第二种是吸收，它也可能发生在玻璃内或在潜在的填充气体中。像散射一样，由于引导模式场与玻璃材料之间的重叠很小，玻璃吸收被高度抑制。潜在填充气体中的吸收取决于特定气体成分和操作波长，但原则上可以通过抽真空来消除。

实体芯光纤中存在的一系列外在损耗机制也影响空心光纤的损耗。例如，当光纤弯曲或以盘绕配置部署用于传感器或干涉仪等应用时，泄漏损耗会增加。这被称为宏观弯曲损耗。当光纤轴由于随机侧向载荷而偏离直线路径时，例如在粗糙的滚筒上卷绕或在电缆中压在粗糙的加强件上，它会产生额外的损耗，称为微观弯曲。

除了这些弯曲引起的损耗机制外，光纤制造过程中的随机波动导致纤维结构的小的结构扰动或非均匀性。像在实体芯光纤中一样，这种扰动的后果是导致核心引导模式之间以及这些核心引导模式和辐射模式之间的功率转移，导致额外的损耗。

本系列的文章目的是尽可能完整地展示目前对空心光纤损耗贡献的物理机制的理解或有时的误解。提供主要损耗贡献的机制与相关的引导机制和光纤类型密切相关。

我们广泛区分了两类光纤。

第一类是通过光子带隙效应引导光的光纤，可以进一步区分为1D光子带隙光纤，其包层由全向介质镜组成，以及2D光子带隙光纤，其包层具有2D周期性蜂窝状结构。

第二类是由通常具有由薄玻璃膜排列组成的包层，并通过称为反谐振或常被称为抑制耦合的机制引导光的光纤。

尽管这些可能不包括所有类型的空心光纤，我们专注于2D光子带隙光纤和反谐振光纤，因为它们展示了从可见光到近红外波长的低于1dB/km损耗的潜力。

另外，我们更加关注反谐振光纤，因为它们在过去几年中一直是密集研究的焦点，现在已经在数公里跨度内展示了亚0.2 dB/km的损耗。

在接下来的第2篇和第3篇文章中，我们来简要概述了两种光纤类型当前的性能状况。