从实验室到大功率激光传能：空芯光纤的二十年进击之路

文 | 陈子伦、石婧、饶斌裕、王泽锋，陈金宝国防科技大学前沿交叉学科学院

空芯光纤（Hollow-corfiber，HCF）顾名思义，纤芯不再是实芯的玻璃基质材料，而是各种特殊的空芯结构。这种空芯光纤结构设计灵活，光在空芯区域中传播，相较于实芯光纤直接带来三大突出优势。

一是超低时延。由于折射率不同，空芯光纤中光的传播速度比传统光纤提高约45%；传输时延也从约5 μs/km降至约3.5 μs/km，时延降低30%左右。

二是超低损耗。传统单模光纤的传输损耗极限是0.14 dB/km，而近期微软AzureFiber研发团队在国际权威期刊(自然光子学)上发表论文，宣布研制的空芯光纤损耗达到0.091 dB/km，而国内暨南大学、长飞光纤光缆股份有限公司均已实现损耗小于0.1 dB/km空芯光纤的拉制。

三是超低非线性效应。反谐振空芯光纤的科尔非线性系数比传统光纤低3-4个数量级。这意味着在空芯光纤中，入纤光功率和传输距离在大幅提高的情况下能够避免光信号之间的相互干扰。这些突出优势完美契合了当下数据中心对数据传输容量的巨大需求，成为当前研究热点之一。

从结构和导光机理上分析，空芯光纤主要分为光子带隙型空芯光纤和反谐振空芯光纤。其中，光子带隙型空芯光纤在包层中引入周期性排列的空气孔，可将传输波长限制在带隙范围内的光反射回纤芯区，从而有效阻止光进入周期空气孔。与光子带隙型空芯光纤不同，反谐振空芯光纤的传输机理是基于反谐振反射光波导理论[8]。这一理论模型揭示了反谐振空芯光纤独特的波导机制，空气纤芯与包层处的微结构薄壁构成了法布里-珀罗腔结构，如图1所示。当入射光波长满足腔内谐振条件时，将从纤芯泄漏到包层中。反之，当入射光波长不满足腔内谐振条件时，则会从微结构包层反射回空气纤芯中。这种导光机制使得反谐振空芯光纤形成了多个相互间隔的低损耗传输通道，传输带之间的高损耗区为谐振波长区域，在谐振波长下，纤芯区传输的光会产生高损耗，所以需要避开谐振波长来确保工作波长可以低损耗传输，谐振波长由公式(1)给出[9]:

(1)

其中:m是谐振阶数，n是SiO2材料的折射率，t是包层管的壁厚。

图1 反谐振反射光波导理论模型示意图[9]

相较于光子带隙型空芯光纤，反谐振空芯光纤在损耗和高功率处理能力方面更具优势。图2展示了一些典型的反谐振空芯光纤电镜横截面。2002年，Benabid等人[10]首次报道了第一根反谐振空芯光纤，其截面图如图2(a)所示，包层结构呈现kagome形状。2010年，wang等人[11，12]提出一种低损耗kagome光纤，其截面图如图2(b)所示。这种光纤的纤芯包层界面具有独特的“内摆线”形状，大幅减少了纤芯与包层材料的模场重叠度，可以实现超低传输损耗。2011年，pryamikov等人[13]研究了一种有节点无嵌套反谐振空芯光纤，其截面图如图2(c)所示，虽然二氧化硅在中红外波段的材料损耗非常高，但反谐振空芯光纤也可以实现低损耗传输，使其在高功率C02激光传输领域具有巨大的发展前景。2012年，Yu等人[14]制备了一种冰淇淋型管反谐振空芯光纤，包层管的形状类似于冰淇淋，其截面图如图2(d)所示，光纤在3050 nm处为34 dB/km。2013年，kolyadin等人[15]报道了一种无节点无嵌套反谐振空芯光纤，其截面图如图2(e)所示，包层相邻管的分离被引入以降低光纤的传输损耗，光纤在3.39 μm时的损耗为50 dB/km。

为了进一步降低反谐振空芯光纤的传输损耗，研究人员采用更多的反射层设计并拉制各种新颖的反谐振空芯光纤。2015年，Belardi[16]首次报道了第一根单嵌套反谐振空芯光纤，其截面图如图2(f)所示，光纤在480 nm时的损耗为175 dB/km。2018年，Gao等人[17]制作了一种连体管反谐振空芯光纤，其截面图如图2(g)所示，光纤在1512 nm时的损耗为2 dB/km，在1302-1637 nm范围内的损耗小于16 dB/km。2021年，Amrani等人[18]报道了一种混合包层结构的反谐振空芯光纤，其截面图如图2(h)所示，光纤在1050 nm时的损耗为1.6 dB/km。2019年，Bradley等人[19]报道了一种单嵌套反谐振空芯光纤，其截面图如图2(i)所示，光纤在C和L通信波段的损耗降至1 dB/km以下(0.65 dB/km)。2025年，petrovich等人[20]提出一种双嵌套反谐振空芯光纤，其截面图如图2(j)所示，光纤在1550 nm处的传输损耗降至0.1 dB/km以下(0.091 dB/km)。

图2 AR-HCF的起源与发展:(a)第一根AR-HCF(kagome光纤)[10]；(b)低损耗kagome光纤[11，12]；(C)有节点无嵌套AR-HCF[13]；(d)冰淇淋型管AR-HCF[14]；(e)无节点无嵌套AR-HCF[15]；(f)第一根单嵌套AR-HCF[16]；(g)连体管AR-HCF[17]；(h)混合包层管AR-HCF[18]；(i)首个低于1dB/km的AR-HCF[19]；(j)首个低于0.1dB/km的AR-HCF[20]；

空芯光纤具有的超低时延、超低损耗和超低非线性效应等突出优势有望彻底改变现代光通信格局。同样，其超低损耗、超低非线性效应，也使其成为高功率激光长距离柔性传输的“完美通道”。但目前HCF缺乏成熟的配套器件和设备，因此，HCF与实芯光纤的低损耗耦合技术成为限制其应用的关键技术。

目前，高功率光纤激光大多数通过透镜等光学元件与HCF空间耦合，已实现最高3 kW高功率激光的耦合与传输。但空间结构耦合易受环境影响，且在高功率激光传输时由于热透镜效应焦点会发生偏移，进而影响耦合效率，稳定性差，难以满足工程应用。因此，全光纤化是走向未来工程应用的必然趋势。

实现实芯光纤与反谐振空芯光纤的全光纤结构耦合需要重点解决三个关键问题:首先，模场失配会导致显著的耦合损耗，因此需要精确匹配两者的模场分布；其次，glass-air界面产生的4%菲涅尔反射，不仅带来了插入损耗，并且会对激光器产生影响，需对其进行抑制；最后，连接处应该具有长期的密封性和热稳定性。

针对模场失配问题，现有解决方案是对实芯光纤拉锥和热扩芯处理、对反谐振空芯光纤优化设计以及引入渐变折射率光纤等方法实现模场精准匹配。南安普顿大学团队在实芯光纤与反谐振空芯光纤之间引入一段具有模场自适应的渐变折射率光纤，实现了目前报道的HCF最低耦合损耗0.079 dB。菲涅尔背向反射可以通过切斜角以及沉积增透膜来进行抑制。在切斜角熔接时，背向反射损耗可小于-40 dB，但熔接损耗比平角熔接时高，且该方案并不能减小插入损耗，背向反射的光会偏移出光纤。而采用镀增透膜这种方法时，在减小能量损失方面更有优势。为了减小反谐振空芯光纤在空气中长期暴露导致其性能下降的可能性，实芯光纤与反谐振空芯光纤耦合处的密封性也需要考虑。目前可密封的稳定的连接方式主要有熔接、胶连以及通过器件对接。

近期，国防科技大学南湖之光实验室联合长飞光坊(武汉)科技有限公司和光纤光缆先进制造与应用技术全国重点实验室，突破了千瓦级高功率下实芯光纤与反谐振空芯光纤的低损耗熔接技术[13]。在实芯光纤表面沉积增透膜之后与反谐振空芯光纤熔接，回波损耗约为-28.5 dB，耦合损耗约为0.2 dB。通过这种耦合方式，实现了全光纤结构的2 kW级激光在~2.45 km反谐振空芯光纤中的柔性传输，传输效率为85.4%。这是目前反谐振空芯光纤全光纤结构远距离传输的最高功率，且是反谐振空芯光纤高功率激光传输的最远距离。此外，该团队在反谐振空芯光纤输出端熔接端帽，保护反谐振空芯光纤输出端不被污染和破坏，实现了全光纤化集成系统，实验结果如图3所示。

图3全光纤结构空芯光纤激光长距离传输系统

图4为实现的一部分实验结果图。我们分别对经过1 km和2.45 km反谐振空芯光纤进行了测试，如图4(a)所示，对于2.45 km的反谐振空芯光纤，最大输出功率为2050 W，传输效率为85.4%，输出端熔接端帽后的最大输出功率是1960 W，传输效率为81.7%。1 km的反谐振空芯光纤最大输出功率为2160 W，传输效率为90.0%，当输出端熔接端帽后，最大输出功率降低到2022 W，传输效率为84.2%。图4(b)显示经过1 km和2.45 km反谐振空芯光纤传输后，传输光谱与激光器基本保持一致。经过对1 km集成端帽的反谐振空芯光纤进行了2小时的功率稳定性测试，熔点处的最高温度为58.59℃，光纤盘上最高温度为58.8℃，热像仪图如图4(c)所示，光纤盘上的热点可能由于光纤拉制不均匀性或者在缠绕过程中被损坏。经过测试，1 km和2.45 km反谐振空芯光纤输出光束质量因子M2分别为1.3和1.29，激光器输出M2为1.26，光束质量保持良好。图4(e)为1 km和2.45 km反谐振空芯光纤输出近场光斑轮廓图，光斑呈现较好的高斯光斑。这一工作促进了反谐振空芯光纤技术从实验室向实际应用的过渡。

图4 高功率激光传输结果。(a)1 km和2.45 km反谐振空芯光纤传输后的功率结果。(b)最大输入功率下1 km和2.45 km反谐振空芯光纤传输后的输入和输出光谱。(c)在最大输入功率下使用端帽输出的1 km反谐振空芯光纤的2小时功率稳定性测试结果。插图显⽰了最大输入功率下熔点、CLS和光纤的热图像。(d)在最大输入功率下1 km和2.45 km反谐振空芯光纤的光束质量。(e)分别在1018 W、1611 W和2400 W的不同输入功率下，传输1 km和2.45 km反谐振空芯光纤后反谐振空芯光纤的近场光斑图。

空芯光纤的优异光学特性，使其成为高功率激光长距离柔性传输的“完美通道”。并且随着空芯光纤及其相关技术的不断进步和发展，激光在空芯光纤的传输功率和长度必将持续得到突破。在工业加工领域，远距离柔性激光传输系统可以实现激光光源与工件之间的物理分隔，提高工厂布局的灵活性，同时使操作人员远离危险区域。在核废物处理领域，利用高功率高能激光可以实现远程切割放射性核废物，精度可达毫米级，且切割过程中产生的二次废物较少。在石油勘探领域，该系统可以实现更安全和更精确的地下激光钻探操作，为传统的岩石破碎方法提供了高效的替代方案。随着国内外基于HCF开展的一系列从紫外到中红外波段的高功率激光传能研究，空芯光纤高功率激光传输技术也将愈发成熟。

作者简介:

陈子伦，国防科技大学南湖之光实验室副研究员，硕士生导师。主要从事光纤激光核心器件和高能激光长距离传输方向的研究；

石婧，国防科技大学前沿前沿交叉学科学院博士研究生。主要从事空芯光纤耦合技术与空芯光纤高功率激光传输方向的研究；

饶斌裕，国防科技大学前沿交叉学科学院博士研究生。主要从事高功率光纤激光技术与空芯光纤高功率激光传输方向的研究；

王泽锋，国防科技大学南湖之光实验室教授，博士生导师。主要从事高功率光纤激光及核心器

件方向的研究；

陈金宝，国防科技大学南湖之光实验室研究员，博士生导师。主要从事高能激光技术研究；

参考文献:

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