當AI算力需求呈爆發式增長、全球數據流量以指數級攀升，傳統石英光纖逐漸觸達傳輸損耗與時延的物理天花板。而以空氣為傳輸介質的空芯光纖（Hollow-core Fiber, HCF），憑借“光在空氣里跑”的顛覆性設計，不僅入選《物理世界》2025年度十大科學突破，更有望重塑光通信產業規則，成為支撐數字經濟縱深發展的核心基石。
空芯光纖核心定義
1、本質特征：從“玻芯”到“空芯”的結構躍遷
傳統光纖依賴高純度石英玻璃（二氧化硅）作為纖芯，光信號在玻璃介質中通過全反射原理傳輸。而空芯光纖徹底顛覆了這一設計，取而代之的是空氣、惰性氣體或真空，僅通過外圍多層微米級厚度的玻璃管（包層）實現對光的約束。這種結構差異是對光傳輸介質的根本性革新。
2、導光原理：超越全反射的技術創新
傳統實心光纖的導光基礎是“纖芯折射率高于包層”的全反射效應，但空芯光纖中空氣的折射率（≈1）遠低于玻璃包層的折射率（1.5~1.9），無法滿足全反射條件。核心突破在于采用兩種前沿技術路徑：
（1）光子帶隙效應：通過包層中周期性排列的空氣孔形成光子晶體結構，像“光學濾網”一樣只允許特定波長的光在空芯中傳輸，阻止光泄漏；
（2）反諧振效應：以嵌套式玻璃管構成諧振腔，利用光的干涉作用形成高反射區（抗諧振窗口），將光牢牢約束在空芯內。其中，嵌套式抗共振無節點光纖通過“雙嵌套玻璃管+無節點設計”，大幅降低了泄漏損耗，成為當前主流技術方案。
3、與傳統光纖的核心差異
空芯光纖技術演進
空芯光纖的發展歷經半個多世紀的理論探索與技術攻堅，關鍵節點的突破推動其從構想走向現實：
1、理論奠基期（1960s-1990s）
1960s：高錕提出光纖通信理論時，科研人員已萌生“空芯導光”的設想，但受限于材料技術，無法實現光的有效約束；
1987年：伊萊·亞布洛諾維奇與薩杰夫·約翰提出“光子晶體”概念，為光的人工調控提供了理論基礎，打破了空芯光纖的技術僵局；
1991年：英國南安普頓大學菲利普·羅素提出“光子晶體光纖（PCF）”概念，為空芯結構的實現提供了技術路徑；
1998年：喬納森·奈特團隊發現“光纖中的光子帶隙導波效應”，制備出首根光子帶隙型光子晶體光纖，證實了空芯導光的可行性；
1999年：菲利普·羅素團隊在《Science》發表論文，提出空芯單模光子帶隙型光纖，并成功研制樣品，這是世界上首根真正意義上的空芯光纖。
2、技術攻堅期（2000s-2010s）
基于Kagome型空芯光纖的研究，反諧振結構逐漸成為主流方向，核心是通過玻璃管的諧振作用減少光泄漏；
2019年：南安普頓大學弗朗西斯科·伯樂蒂團隊發明嵌套式抗共振無節點光纖（NANF），將損耗降至1.3dB/km，首次接近傳統光纖水平；
2020年：南安普頓大學產業化子公司Lumenisity將NANF光纖損耗進一步降至0.28dB/km，轟動行業，標志著空芯光纖具備了商用潛力。
3、性能爆發期（2021年至今）：刷新物理極限
近年來，空芯光纖的損耗指標持續突破，進入“超低損耗”時代：
2024年：微軟支持的Lumenisity團隊采用雙嵌套反諧振無節點光纖（DNANF），在1550nm波長下實現0.091dB/km的衰減，首次低于傳統石英光纖0.14dB/km的理論極限；
2025年：我國企業再創紀錄，將空芯光纖傳輸損耗降至0.05dB/km，同時中國移動開通的商用線路平均損耗達0.085dB/km，最低值0.065dB/km，刷新全球商用紀錄。
空芯光纖核心優勢
1、超低時延
空芯光纖將傳輸時延降至3.46微秒/公里，較傳統光纖降低約1/3，也就是說1000公里距離可減少1.54毫秒時延。這一提升對金融高頻交易、AI算力集群同步、遠程醫療等場景具有革命性意義：深港跨境金融線路采用空芯光纖后，交易指令傳輸時延降低32%；微軟計劃將其用于Azure全球AI網絡，可使AI訓練效率提升10%以上。
2、超低損耗
傳統石英光纖的理論損耗極限為0.14dB/km，而當前空芯光纖的商用損耗已低至0.065dB/km，理論極限更是可突破0.1dB/km以下。這意味著信號可實現800公里無中繼傳輸，大幅減少長距離通信中放大器的部署需求——不僅降低網絡建設成本，還能減少能耗，契合“綠色通信”的發展趨勢。
3、超寬頻譜與低非線性
空芯光纖的光場與材料相互作用極小，非線性效應比傳統光纖低3-4個數量級，可大幅提高入纖光功率；同時，其不依賴玻璃介質的色散特性，可輕松支持O、S、E、C、L、U等多波段傳輸，帶寬能力超過1000nm，是傳統光纖的5倍以上。
4、高功率承載與抗干擾
傳統光纖在傳輸千瓦級高功率激光時，會因玻璃吸收能量導致熱積累和光纖損傷，而空芯光纖99%的光功率在空氣傳輸，激光損傷閾值顯著提高，可安全承載高功率激光。此外，其抗電磁干擾、抗輻射、低熱敏感性的特性，使其在量子通信、太空探索、工業高溫環境等特殊場景中具備不可替代的優勢。
空芯光纖應用場景
空芯光纖的應用場景正從核心剛需領域向多元化拓展，形成“通信為主、多場景賦能”的格局：
1、通信領域：剛需場景率先落地
● 時延敏感型通信：金融高頻交易、AI數據中心互聯（DCI）、智算中心協同是當前最明確的剛需場景。
● 長距離干線傳輸：適配“東數西算”工程中西部算力中心與東部需求端的長距離連接，優于傳統方案；
● 量子通信：空芯光纖的低損耗與抗干擾特性，為量子密鑰分發提供了穩定的傳輸通道。
2、激光應用：高功率場景的“理想載體”
空芯光纖的高功率承載能力使其在激光傳輸領域大顯身手：
● 工業制造：用于激光切割、刻蝕等高精度加工，避免傳統光纖因功率過高導致的損壞；
● 醫療領域：承載高功率激光用于人體深處病變組織的成像與治療，減少激光能量損耗；
● 能量傳輸：作為激光傳能的核心載體，為新能源存儲、工業內窺鏡等場景提供解決方案。
3、傳感領域：特殊環境的“感知利器”
空芯光纖的大孔徑特性與靈活性，使其在光學傳感領域具備獨特優勢：可用于測量溫度、壓力、流量和化學成分等參數，尤其適用于工業高溫爐、深海環境等傳統傳感技術難以覆蓋的場景。
產業化現狀
當前，空芯光纖正從實驗室走向規模化應用，全球科技巨頭與國內企業展開競速，產業化進程加速推進：
1、海外進展：巨頭引領，場景驗證
微軟：2022年收購Lumenisity后，持續推動技術產業化，2024年宣布未來24個月在Azure全球網絡中部署1.5萬公里空芯光纖，目前已有1200公里新型光纖投入現網運行；
英國電信：將NANF光纖用于移動網絡承載網建設，并完成量子密鑰分發測試；
康卡斯特：在費城部署40公里混合空芯光纖與傳統光纖鏈路，驗證兼容性；
亞馬遜（AWS）、英偉達：分別將空芯光纖用于骨干網和DCI、“Scale-Across”技術構想，推動場景拓展。
2、國內進展：政策驅動，技術領跑
運營商：2025年7月，中國移動開通我國首個反諧振空芯光纖商用線路，平均損耗0.085dB/km；中國聯通完成深圳-香港跨境互聯，時延降低32%；
廠商：長飛光纖掌握三種預制棒技術，空芯光纖損耗達0.05dB/km，獨家中標中國移動首條商用線路；亨通光電突破全鏈條核心制備技術，具備批量交付能力；烽火通信在1550nm波段最低衰減達0.063dB/km；中天科技、特發信息等也已實現技術突破與試點應用。
3、市場前景：高增長潛力顯現
中泰證券預測，空芯光纖仍處于商業化初期，2024-2030年復合增速有望達到56.52%；康寧預計，到2030年末，DCI業務擴張將為其帶來10億美元商機。隨著技術標準化推進與成本下降，空芯光纖的滲透率將快速提升，逐步從金融、AI算力等高端場景向干線、城域網全面部署。
行業挑戰
盡管空芯光纖優勢顯著，但要實現大規模商用，仍需攻克一系列技術與產業瓶頸：
1、技術與工藝瓶頸
● 量產能力不足：當前空芯光纖單次拉絲長度僅數十公里，且結構控制難度大，大批量、高合格率生產尚未實現；
● 工程化難題：空芯光纖的熔接需要專用設備，OTDR檢測兼容性差，氣密性、水密性要求高，導致鋪設效率低、運維成本高；
● 配套技術缺失：寬頻譜放大、高功率注入等配套技術仍需突破，與現有光通信系統的適配性有待進一步驗證。
2、產業生態短板
● 標準尚未統一：空芯光纖的結構設計、關鍵參數等尚未形成統一行業標準，運營商采購仍以試點為主，制約規模化應用；
● 成本居高不下：當前空芯光纖單價約3萬元/芯公里，是傳統光纖的1500倍以上，盡管已大幅下降，但仍需通過規模化生產、工藝優化進一步降本；
● 產業鏈協同不足：材料、器件、設備等配套環節的支撐能力有待提升，需要形成從上游預制棒到下游應用的完整產業生態。
空芯光纖的出現，不僅打破了傳統光纖的物理極限，更重構了光通信技術的發展范式。從“光在玻璃中跑”到“光在空氣里飛”，這一革命性變革不僅將滿足AI算力、量子通信等新興技術對高速度、低時延、大容量的需求，更將為數字經濟的縱深發展提供核心支撐。未來，空芯光纖有望成為光通信領域的主流技術，重塑從數據中心到骨干網的傳輸體系，為人類社會邁入更高速度、更高效、更綠色的通信時代奠定堅實基礎。從實驗室的理論構想，到規模化商用的初步落地，空芯光纖的技術演進與產業突圍，正書寫著光通信領域的新篇章。
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