當(dāng)AI算力需求呈爆發(fā)式增長、全球數(shù)據(jù)流量以指數(shù)級攀升，傳統(tǒng)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(zhì)的空芯光纖（Hollow-core Fiber, HCF），憑借“光在空氣里跑”的顛覆性設(shè)計，不僅入選《物理世界》2025年度十大科學(xué)突破，更有望重塑光通信產(chǎn)業(yè)規(guī)則，成為支撐數(shù)字經(jīng)濟縱深發(fā)展的核心基石。
空芯光纖核心定義
1、本質(zhì)特征：從“玻芯”到“空芯”的結(jié)構(gòu)躍遷
傳統(tǒng)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(zhì)中通過全反射原理傳輸。而空芯光纖徹底顛覆了這一設(shè)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(xiàn)對光的約束。這種結(jié)構(gòu)差異是對光傳輸介質(zhì)的根本性革新。
2、導(dǎo)光原理：超越全反射的技術(shù)創(chuàng)新
傳統(tǒng)實心光纖的導(dǎo)光基礎(chǔ)是“纖芯折射率高于包層”的全反射效應(yīng)，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(shù)路徑：
（1）光子帶隙效應(yīng)：通過包層中周期性排列的空氣孔形成光子晶體結(jié)構(gòu)，像“光學(xué)濾網(wǎng)”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(yīng)：以嵌套式玻璃管構(gòu)成諧振腔，利用光的干涉作用形成高反射區(qū)（抗諧振窗口），將光牢牢約束在空芯內(nèi)。其中，嵌套式抗共振無節(jié)點光纖通過“雙嵌套玻璃管+無節(jié)點設(shè)計”，大幅降低了泄漏損耗，成為當(dāng)前主流技術(shù)方案。
3、與傳統(tǒng)光纖的核心差異
空芯光纖技術(shù)演進
空芯光纖的發(fā)展歷經(jīng)半個多世紀(jì)的理論探索與技術(shù)攻堅，關(guān)鍵節(jié)點的突破推動其從構(gòu)想走向現(xiàn)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(dǎo)光”的設(shè)想，但受限于材料技術(shù)，無法實現(xiàn)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(diào)控提供了理論基礎(chǔ)，打破了空芯光纖的技術(shù)僵局；
1991年：英國南安普頓大學(xué)菲利普·羅素提出“光子晶體光纖（PCF）”概念，為空芯結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了技術(shù)路徑；
1998年：喬納森·奈特團隊發(fā)現(xiàn)“光纖中的光子帶隙導(dǎo)波效應(yīng)”，制備出首根光子帶隙型光子晶體光纖，證實了空芯導(dǎo)光的可行性；
1999年：菲利普·羅素團隊在《Science》發(fā)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(shù)攻堅期（2000s-2010s）
基于Kagome型空芯光纖的研究，反諧振結(jié)構(gòu)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(xué)弗朗西斯科·伯樂蒂團隊發(fā)明嵌套式抗共振無節(jié)點光纖（NANF），將損耗降至1.3dB/km，首次接近傳統(tǒng)光纖水平；
2020年：南安普頓大學(xué)產(chǎn)業(yè)化子公司Lumenisity將NANF光纖損耗進一步降至0.28dB/km，轟動行業(yè)，標(biāo)志著空芯光纖具備了商用潛力。
3、性能爆發(fā)期（2021年至今）：刷新物理極限
近年來，空芯光纖的損耗指標(biāo)持續(xù)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(jié)點光纖（DNANF），在1550nm波長下實現(xiàn)0.091dB/km的衰減，首次低于傳統(tǒng)石英光纖0.14dB/km的理論極限；
2025年：我國企業(yè)再創(chuàng)紀(jì)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(jì)錄。
空芯光纖核心優(yōu)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(tǒng)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(yī)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(wǎng)絡(luò)，可使AI訓(xùn)練效率提升10%以上。
2、超低損耗
傳統(tǒng)石英光纖的理論損耗極限為0.14dB/km，而當(dāng)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，還能減少能耗，契合“綠色通信”的發(fā)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(yīng)比傳統(tǒng)光纖低3-4個數(shù)量級，可大幅提高入纖光功率；同時，其不依賴玻璃介質(zhì)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(tǒng)光纖的5倍以上。
4、高功率承載與抗干擾
傳統(tǒng)光纖在傳輸千瓦級高功率激光時，會因玻璃吸收能量導(dǎo)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(yè)高溫環(huán)境等特殊場景中具備不可替代的優(yōu)勢。
空芯光纖應(yīng)用場景
空芯光纖的應(yīng)用場景正從核心剛需領(lǐng)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(lǐng)域：剛需場景率先落地
● 時延敏感型通信：金融高頻交易、AI數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）、智算中心協(xié)同是當(dāng)前最明確的剛需場景。
● 長距離干線傳輸：適配“東數(shù)西算”工程中西部算力中心與東部需求端的長距離連接，優(yōu)于傳統(tǒng)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(fā)提供了穩(wěn)定的傳輸通道。
2、激光應(yīng)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(lǐng)域大顯身手：
● 工業(yè)制造：用于激光切割、刻蝕等高精度加工，避免傳統(tǒng)光纖因功率過高導(dǎo)致的損壞；
● 醫(yī)療領(lǐng)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(yè)內(nèi)窺鏡等場景提供解決方案。
3、傳感領(lǐng)域：特殊環(huán)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(xué)傳感領(lǐng)域具備獨特優(yōu)勢：可用于測量溫度、壓力、流量和化學(xué)成分等參數(shù)，尤其適用于工業(yè)高溫爐、深海環(huán)境等傳統(tǒng)傳感技術(shù)難以覆蓋的場景。
產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
當(dāng)前，空芯光纖正從實驗室走向規(guī)模化應(yīng)用，全球科技巨頭與國內(nèi)企業(yè)展開競速，產(chǎn)業(yè)化進程加速推進：
1、海外進展：巨頭引領(lǐng)，場景驗證
微軟：2022年收購Lumenisity后，持續(xù)推動技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，2024年宣布未來24個月在Azure全球網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)網(wǎng)運行；
英國電信：將NANF光纖用于移動網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)建設(shè)，并完成量子密鑰分發(fā)測試；
康卡斯特：在費城部署40公里混合空芯光纖與傳統(tǒng)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(wǎng)和DCI、“Scale-Across”技術(shù)構(gòu)想，推動場景拓展。
2、國內(nèi)進展：政策驅(qū)動，技術(shù)領(lǐng)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(lián)通完成深圳-香港跨境互聯(lián)，時延降低32%；
廠商：長飛光纖掌握三種預(yù)制棒技術(shù)，空芯光纖損耗達0.05dB/km，獨家中標(biāo)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(shù)，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(fā)信息等也已實現(xiàn)技術(shù)突破與試點應(yīng)用。
3、市場前景：高增長潛力顯現(xiàn)
中泰證券預(yù)測，空芯光纖仍處于商業(yè)化初期，2024-2030年復(fù)合增速有望達到56.52%；康寧預(yù)計，到2030年末，DCI業(yè)務(wù)擴張將為其帶來10億美元商機。隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)全面部署。
行業(yè)挑戰(zhàn)
盡管空芯光纖優(yōu)勢顯著，但要實現(xiàn)大規(guī)模商用，仍需攻克一系列技術(shù)與產(chǎn)業(yè)瓶頸：
1、技術(shù)與工藝瓶頸
● 量產(chǎn)能力不足：當(dāng)前空芯光纖單次拉絲長度僅數(shù)十公里，且結(jié)構(gòu)控制難度大，大批量、高合格率生產(chǎn)尚未實現(xiàn)；
● 工程化難題：空芯光纖的熔接需要專用設(shè)備，OTDR檢測兼容性差，氣密性、水密性要求高，導(dǎo)致鋪設(shè)效率低、運維成本高；
● 配套技術(shù)缺失：寬頻譜放大、高功率注入等配套技術(shù)仍需突破，與現(xiàn)有光通信系統(tǒng)的適配性有待進一步驗證。
2、產(chǎn)業(yè)生態(tài)短板
● 標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一：空芯光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵參數(shù)等尚未形成統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運營商采購仍以試點為主，制約規(guī)模化應(yīng)用；
● 成本居高不下：當(dāng)前空芯光纖單價約3萬元/芯公里，是傳統(tǒng)光纖的1500倍以上，盡管已大幅下降，但仍需通過規(guī)模化生產(chǎn)、工藝優(yōu)化進一步降本；
● 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不足：材料、器件、設(shè)備等配套環(huán)節(jié)的支撐能力有待提升，需要形成從上游預(yù)制棒到下游應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
空芯光纖的出現(xiàn)，不僅打破了傳統(tǒng)光纖的物理極限，更重構(gòu)了光通信技術(shù)的發(fā)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(shù)對高速度、低時延、大容量的需求，更將為數(shù)字經(jīng)濟的縱深發(fā)展提供核心支撐。未來，空芯光纖有望成為光通信領(lǐng)域的主流技術(shù)，重塑從數(shù)據(jù)中心到骨干網(wǎng)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(chǔ)。從實驗室的理論構(gòu)想，到規(guī)模化商用的初步落地，空芯光纖的技術(shù)演進與產(chǎn)業(yè)突圍，正書寫著光通信領(lǐng)域的新篇章。
綠天使集團是中國領(lǐng)先的專注于服務(wù)戰(zhàn)略新興領(lǐng)域，為快速成長的科技企業(yè)提供專業(yè)化產(chǎn)業(yè)升級服務(wù)的機構(gòu)。以孵化基地為支點，調(diào)動、整合各方資源，為創(chuàng)業(yè)者打造一個環(huán)境優(yōu)良的創(chuàng)業(yè)生態(tài)圈。綠天使集團目前已運營20個創(chuàng)業(yè)園區(qū)和26個產(chǎn)業(yè)園區(qū)，成立3支產(chǎn)業(yè)專項投資基金，孵化企業(yè)3000余家，已投資企業(yè)70余家。通過在相關(guān)領(lǐng)域不斷深耕，綠天使集團逐步形成以孵化+投資+加速+輔導(dǎo)上市的特色運營模式，打造鏈條式、專業(yè)化、行業(yè)集聚的產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)。促進產(chǎn)業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)、新技術(shù)的升級，推動戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提升相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、科技化、國際化，助力行業(yè)整合，促進產(chǎn)業(yè)升級，形成生態(tài)共享的產(chǎn)業(yè)集群。
