当AI算力需求呈爆发式增长、全球数据流量以指数级攀升，传统石英光纤逐渐触达传输损耗与时延的物理天花板。而以空气为传输介质的空芯光纤（Hollow-core Fiber, HCF），凭借“光在空气里跑”的颠覆性设计，不仅入选《物理世界》2025年度十大科学突破，更有望重塑光通信产业规则，成为支撑数字经济纵深发展的核心基石。
空芯光纤核心定义
1、本质特征：从“玻芯”到“空芯”的结构跃迁
传统光纤依赖高纯度石英玻璃（二氧化硅）作为纤芯，光信号在玻璃介质中通过全反射原理传输。而空芯光纤彻底颠覆了这一设计，取而代之的是空气、惰性气体或真空，仅通过外围多层微米级厚度的玻璃管（包层）实现对光的约束。这种结构差异是对光传输介质的根本性革新。
2、导光原理：超越全反射的技术创新
传统实心光纤的导光基础是“纤芯折射率高于包层”的全反射效应，但空芯光纤中空气的折射率（≈1）远低于玻璃包层的折射率（1.5~1.9），无法满足全反射条件。核心突破在于采用两种前沿技术路径：
（1）光子带隙效应：通过包层中周期性排列的空气孔形成光子晶体结构，像“光学滤网”一样只允许特定波长的光在空芯中传输，阻止光泄漏；
（2）反谐振效应：以嵌套式玻璃管构成谐振腔，利用光的干涉作用形成高反射区（抗谐振窗口），将光牢牢约束在空芯内。其中，嵌套式抗共振无节点光纤通过“双嵌套玻璃管+无节点设计”，大幅降低了泄漏损耗，成为当前主流技术方案。
3、与传统光纤的核心差异
空芯光纤技术演进
空芯光纤的发展历经半个多世纪的理论探索与技术攻坚，关键节点的突破推动其从构想走向现实：
1、理论奠基期（1960s-1990s）
1960s：高锟提出光纤通信理论时，科研人员已萌生“空芯导光”的设想，但受限于材料技术，无法实现光的有效约束；
1987年：伊莱·亚布洛诺维奇与萨杰夫·约翰提出“光子晶体”概念，为光的人工调控提供了理论基础，打破了空芯光纤的技术僵局；
1991年：英国南安普顿大学菲利普·罗素提出“光子晶体光纤（PCF）”概念，为空芯结构的实现提供了技术路径；
1998年：乔纳森·奈特团队发现“光纤中的光子带隙导波效应”，制备出首根光子带隙型光子晶体光纤，证实了空芯导光的可行性；
1999年：菲利普·罗素团队在《Science》发表论文，提出空芯单模光子带隙型光纤，并成功研制样品，这是世界上首根真正意义上的空芯光纤。
2、技术攻坚期（2000s-2010s）
基于Kagome型空芯光纤的研究，反谐振结构逐渐成为主流方向，核心是通过玻璃管的谐振作用减少光泄漏；
2019年：南安普顿大学弗朗西斯科·伯乐蒂团队发明嵌套式抗共振无节点光纤（NANF），将损耗降至1.3dB/km，首次接近传统光纤水平；
2020年：南安普顿大学产业化子公司Lumenisity将NANF光纤损耗进一步降至0.28dB/km，轰动行业，标志着空芯光纤具备了商用潜力。
3、性能爆发期（2021年至今）：刷新物理极限
近年来，空芯光纤的损耗指标持续突破，进入“超低损耗”时代：
2024年：微软支持的Lumenisity团队采用双嵌套反谐振无节点光纤（DNANF），在1550nm波长下实现0.091dB/km的衰减，首次低于传统石英光纤0.14dB/km的理论极限；
2025年：我国企业再创纪录，将空芯光纤传输损耗降至0.05dB/km，同时中国移动开通的商用线路平均损耗达0.085dB/km，最低值0.065dB/km，刷新全球商用纪录。
空芯光纤核心优势
1、超低时延
空芯光纤将传输时延降至3.46微秒/公里，较传统光纤降低约1/3，也就是说1000公里距离可减少1.54毫秒时延。这一提升对金融高频交易、AI算力集群同步、远程医疗等场景具有革命性意义：深港跨境金融线路采用空芯光纤后，交易指令传输时延降低32%；微软计划将其用于Azure全球AI网络，可使AI训练效率提升10%以上。
2、超低损耗
传统石英光纤的理论损耗极限为0.14dB/km，而当前空芯光纤的商用损耗已低至0.065dB/km，理论极限更是可突破0.1dB/km以下。这意味着信号可实现800公里无中继传输，大幅减少长距离通信中放大器的部署需求——不仅降低网络建设成本，还能减少能耗，契合“绿色通信”的发展趋势。
3、超宽频谱与低非线性
空芯光纤的光场与材料相互作用极小，非线性效应比传统光纤低3-4个数量级，可大幅提高入纤光功率；同时，其不依赖玻璃介质的色散特性，可轻松支持O、S、E、C、L、U等多波段传输，带宽能力超过1000nm，是传统光纤的5倍以上。
4、高功率承载与抗干扰
传统光纤在传输千瓦级高功率激光时，会因玻璃吸收能量导致热积累和光纤损伤，而空芯光纤99%的光功率在空气传输，激光损伤阈值显著提高，可安全承载高功率激光。此外，其抗电磁干扰、抗辐射、低热敏感性的特性，使其在量子通信、太空探索、工业高温环境等特殊场景中具备不可替代的优势。
空芯光纤应用场景
空芯光纤的应用场景正从核心刚需领域向多元化拓展，形成“通信为主、多场景赋能”的格局：
1、通信领域：刚需场景率先落地
● 时延敏感型通信：金融高频交易、AI数据中心互联（DCI）、智算中心协同是当前最明确的刚需场景。
● 长距离干线传输：适配“东数西算”工程中西部算力中心与东部需求端的长距离连接，优于传统方案；
● 量子通信：空芯光纤的低损耗与抗干扰特性，为量子密钥分发提供了稳定的传输通道。
2、激光应用：高功率场景的“理想载体”
空芯光纤的高功率承载能力使其在激光传输领域大显身手：
● 工业制造：用于激光切割、刻蚀等高精度加工，避免传统光纤因功率过高导致的损坏；
● 医疗领域：承载高功率激光用于人体深处病变组织的成像与治疗，减少激光能量损耗；
● 能量传输：作为激光传能的核心载体，为新能源存储、工业内窥镜等场景提供解决方案。
3、传感领域：特殊环境的“感知利器”
空芯光纤的大孔径特性与灵活性，使其在光学传感领域具备独特优势：可用于测量温度、压力、流量和化学成分等参数，尤其适用于工业高温炉、深海环境等传统传感技术难以覆盖的场景。
产业化现状
当前，空芯光纤正从实验室走向规模化应用，全球科技巨头与国内企业展开竞速，产业化进程加速推进：
1、海外进展：巨头引领，场景验证
微软：2022年收购Lumenisity后，持续推动技术产业化，2024年宣布未来24个月在Azure全球网络中部署1.5万公里空芯光纤，目前已有1200公里新型光纤投入现网运行；
英国电信：将NANF光纤用于移动网络承载网建设，并完成量子密钥分发测试；
康卡斯特：在费城部署40公里混合空芯光纤与传统光纤链路，验证兼容性；
亚马逊（AWS）、英伟达：分别将空芯光纤用于骨干网和DCI、“Scale-Across”技术构想，推动场景拓展。
2、国内进展：政策驱动，技术领跑
运营商：2025年7月，中国移动开通我国首个反谐振空芯光纤商用线路，平均损耗0.085dB/km；中国联通完成深圳-香港跨境互联，时延降低32%；
厂商：长飞光纤掌握三种预制棒技术，空芯光纤损耗达0.05dB/km，独家中标中国移动首条商用线路；亨通光电突破全链条核心制备技术，具备批量交付能力；烽火通信在1550nm波段最低衰减达0.063dB/km；中天科技、特发信息等也已实现技术突破与试点应用。
3、市场前景：高增长潜力显现
中泰证券预测，空芯光纤仍处于商业化初期，2024-2030年复合增速有望达到56.52%；康宁预计，到2030年末，DCI业务扩张将为其带来10亿美元商机。随着技术标准化推进与成本下降，空芯光纤的渗透率将快速提升，逐步从金融、AI算力等高端场景向干线、城域网全面部署。
行业挑战
尽管空芯光纤优势显著，但要实现大规模商用，仍需攻克一系列技术与产业瓶颈：
1、技术与工艺瓶颈
● 量产能力不足：当前空芯光纤单次拉丝长度仅数十公里，且结构控制难度大，大批量、高合格率生产尚未实现；
● 工程化难题：空芯光纤的熔接需要专用设备，OTDR检测兼容性差，气密性、水密性要求高，导致铺设效率低、运维成本高；
● 配套技术缺失：宽频谱放大、高功率注入等配套技术仍需突破，与现有光通信系统的适配性有待进一步验证。
2、产业生态短板
● 标准尚未统一：空芯光纤的结构设计、关键参数等尚未形成统一行业标准，运营商采购仍以试点为主，制约规模化应用；
● 成本居高不下：当前空芯光纤单价约3万元/芯公里，是传统光纤的1500倍以上，尽管已大幅下降，但仍需通过规模化生产、工艺优化进一步降本；
● 产业链协同不足：材料、器件、设备等配套环节的支撑能力有待提升，需要形成从上游预制棒到下游应用的完整产业生态。
空芯光纤的出现，不仅打破了传统光纤的物理极限，更重构了光通信技术的发展范式。从“光在玻璃中跑”到“光在空气里飞”，这一革命性变革不仅将满足AI算力、量子通信等新兴技术对高速度、低时延、大容量的需求，更将为数字经济的纵深发展提供核心支撑。未来，空芯光纤有望成为光通信领域的主流技术，重塑从数据中心到骨干网的传输体系，为人类社会迈入更高速度、更高效、更绿色的通信时代奠定坚实基础。从实验室的理论构想，到规模化商用的初步落地，空芯光纤的技术演进与产业突围，正书写着光通信领域的新篇章。
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