空芯光纤介绍
现象：2026 年光通信的”空芯”时刻
2026 年 6 月，中国电信联合长飞、德科立宣布完成全球首个基于现网空芯光纤的单波 1.2 Tb/s 超长单跨无中继传输试验：在 206.5 km 单跨上实现 51.3 Tb/s 总容量，依托的是”全球最长跨境商用空芯光缆” [S1]。一个多月后，烽火通信在 IEEE SUM 2026 上报告了 51.2 km 单纤双向 240 Tb/s 的实时光传输纪录 [S2]。8 月 5 日，香港电讯（HKT）宣布推出 3.2 Tbps 超低时延 AI 数据中心互联超级通道，采用的正是长飞提供的空芯光纤光缆 [S3]。
三条新闻指向同一个词——空芯光纤（hollow-core fiber）。它把传统光纤的玻璃纤芯”掏空”，让光在空气里传输。为什么要这么做？因为它同时踩中了 AI 时代最痛的三根神经：时延、功耗和容量。
光在玻璃里，其实”不够快”
先回答一个基础问题：光在光纤里到底跑多快？
介质中的光速由折射率决定：
$$v = \frac{c}{n}$$
其中 $c$ 是真空光速（约 $3.0 \times 10^8$ m/s），$n$ 是介质的折射率。石英玻璃的折射率约 1.47，所以光在传统光纤的玻璃纤芯里约为 $2.05 \times 10^8$ m/s [S4][S5]。换算成每公里传播时延：
$$\tau = \frac{L \cdot n}{c}$$
即每公里约 5 µs（微秒）[S5]。这个数字几乎是”光在玻璃里”的物理极限：标准单模光纤（SSMF）用了三十年，损耗从 0.2 dB/km 一路优化到接近理论极限，但时延这条线始终钉在 5 µs/km 附近——因为它由折射率决定，跟工艺无关。
5 µs 听起来微不足道，但有两个场景把它放大成了关键指标：
- AI 大模型训练：千卡、万卡 GPU 集群依赖跨节点同步通信，传播时延直接拖慢分布式训练效率；
- 金融高频交易：同一订单在不同城市的执行速度差，微秒级时延就是可量化的真金白银。
想再快，唯一的办法是换介质——让光不要在玻璃里走。
把芯掏空：思路与两类结构
空芯光纤的思路很直接：把折射率高的玻璃纤芯换成折射率接近 1 的空气，光速从 $c/n$ 变成接近真空光速 $c$，每公里时延从约 5 µs/km 降到约 3.46 µs/km，降低约 30% [S5]。不同论文与厂商口径下，这个数字在 28%–34% 之间 [S6][S7][S8]。
图 1：实芯与空芯光纤对比。左：光在玻璃纤芯中全反射前进（v≈2.05×10^8 m/s，时延≈5.0 µs/km）；右：光在空气纤芯中直线前进（v≈c，时延≈3.46 µs/km）。图注中的速度与时延为典型值。
但这里藏着一个反直觉的难点：普通光纤靠全内反射导光，空气芯做不到。全内反射要求纤芯折射率高于包层（$n_{\text{core}} > n_{\text{clad}}$），而空气 $n \approx 1$ 是所有透明材料里最低的，不存在折射率更低的固体包层来”兜住”光。光在空气里天然向四周扩散泄漏。所以空芯光纤必须换一种方式约束光，历史上形成了两类结构：
光子带隙型（photonic bandgap fiber, PBG-HCF）：包层做成周期性微结构（类似光子晶体），形成”光子带隙”——某些波长的光在包层里根本不允许存在，只能待在空气芯里。DARPA 早期的空芯光纤多是这类，特点是能传光但带隙窗口窄、损耗高。
反谐振型（antiresonant fiber, AR-HCF，含 NANF）：包层是围绕空气芯的一圈薄玻璃管（常带嵌套结构），利用”反谐振”反射把光挡在芯里。目前几乎所有的通信传输纪录都由它创造，是当前主流路线 [S9][S10]。
图 2：光子晶体光纤两种导光机制示意。左侧为折射率导引（全内反射）型，右侧为光子带隙导引型；空芯导光属于后者。来源：Wikimedia Commons（ViaGraceTR），CC BY-SA 4.0。
反谐振：让光”穿不透”一层薄玻璃
反谐振的物理直觉可以这样理解：那圈薄玻璃管壁对光来说不是”墙”，而是”反射镜”——前提是壁厚选得对。
光波试图穿过管壁时，会在壁内来回反射。如果壁厚对应某波长的共振条件，透射增强，光就漏出去了；如果壁厚落在反谐振条件上，反射相干增强，光被挡回空气芯 [S10][S11]。共振条件把波长 $\lambda_n$ 与壁厚 $t$ 联系起来：
$$\lambda_n = \frac{2t}{m}\sqrt{n_g^2 - n_l^2}$$
其中 $m$ 是正整数（共振阶数），$n_g$ 是玻璃折射率（1550 nm 处约 1.444），$n_l$ 是纤芯介质折射率（空气，约 1）[S11]。反谐振条件即取奇数倍的四分之一波长壁厚：
$$t \approx \frac{(2m+1)\lambda}{4\sqrt{n_g^2 - n_l^2}}$$
做个数值验证：取 $\lambda = 1550$ nm、$n_g = 1.444$、$n_l = 1$，则 $\sqrt{n_g^2 - 1} \approx 1.042$，$m = 0$ 时 $t \approx 372$ nm。文献中 NANF 的实测膜厚约 0.32 µm（320 nm），量级吻合 [S10]。
也就是说，1550 nm 通信波段的反谐振光纤，管壁厚度大约只有 300–400 nm——比头发丝直径细两个数量级。这就是空芯光纤”原理一句话、制造难上天”的根源：它需要用几百纳米的玻璃膜，在几十公里的拉制长度上保持均匀。
图 3：反谐振导光原理示意。(a) 壁厚接近共振条件时，光穿透薄壁泄漏到包层；(b) 壁厚取奇数倍四分之一波长时，反射相干增强，光被挡回空气芯。壁厚数值按 1550 nm、石英 n≈1.444 计算（自制示意图）。
空芯 vs 实芯：一张表看清差异
表 1：实芯与空芯光纤关键指标对比。时延降低幅度不同来源为 28.4%–34%（[S6][S7][S8]）；”0.04 dB/km”为长飞厂商宣称（[S12]），第三方综述记录的实验室最低为 0.05–0.10 dB/km（[S9]）；实芯衰减极限 0.14 dB/km（[S9]）。
| 维度 | 实芯光纤（SSMF） | 空芯光纤（AR-HCF） |
|---|---|---|
| 光传播介质 | 玻璃纤芯（n≈1.47） | 空气纤芯（n≈1.00） |
| 每公里传播时延 | 约 5.0 µs/km | 约 3.46 µs/km（低约 30%） |
| 光速 | 约 2.05×10^8 m/s | 接近真空光速（约 99%） |
| 衰减（1550 nm） | 极限约 0.14 dB/km | 实验室 0.05–0.10 dB/km；厂商宣称 0.04 dB/km |
| 非线性 | 显著（受激拉曼/布里渊散射等） | 极低，近乎为零 |
| 色散 | 需补偿管理 | 平坦、可设计 |
| 弯曲损耗 | 低、成熟 | 相对敏感 |
| 熔接与连接 | 成熟 | 难度高、损耗大 |
| 制造与成本 | 大规模量产 | 小批量、成本高 |
图 4：时延与光速对比。左：每公里传播时延（5.0 vs 3.46 µs/km）；右：光在介质中的速度（2.05 vs 3.0×10^8 m/s）。
表里最值得注意的两行是衰减和非线性。传统实芯光纤 0.14 dB/km 已经是纯硅芯能达到的最低衰减，而空芯光纤因为光大部分时间在空气里走，绕开了玻璃材料的瑞利散射和吸收，反而把衰减推进到 0.1 dB/km 以下 [S9]。非线性则更关键：实芯光纤在长距离、大功率传输时会出现受激拉曼散射等信号损伤，而空气的非线性系数远低于玻璃，这让空芯光纤能承受更高的入纤功率，直接转化为更大的容量距离积 [S9][S7]。
图 5：空芯光子带隙光纤截面照片。中心深色区域为空气纤芯，周围周期性微结构包层负责把光限制在芯内。来源：DARPA（Wikimedia Commons），公有领域。
2026：从实验室纪录到现网部署
表 2：空芯光纤 2026 年里程碑（[S1][S12][S2][S3]）。
| 时间 | 事件 | 意义 |
|---|---|---|
| 2026-03 | 长飞在 MWC Barcelona 发布空芯光纤品牌，宣称衰减 0.04 dB/km | 宣称全球最低衰减（厂商口径，未获第三方独立验证） |
| 2026-06 | 中国电信+长飞+德科立：现网空芯光纤单波 1.2 Tb/s，206.5 km 单跨无中继 | 全球首个现网单波 Tb/s 级空芯光纤纪录 |
| 2026-07 | 烽火通信：51.2 km 单纤双向 240 Tb/s 实时光传输 | 刷新空芯光纤实时传输容量纪录（容量距离积 12.288 Pbit/s·km） |
| 2026-08-05 | 香港电讯推出 3.2 Tbps 超低时延 AI 数据中心互联通道，采用长飞空芯光缆 | 空芯光纤商用化部署的标志性案例 |
把这几件事连起来看，2026 年空芯光纤完成了”实验室创纪录 → 现网验证 → 商用部署”三级跳。尤其香港电讯的 3.2 Tbps 通道，说明它已经从论文走进真实的数据中心互联场景 [S3]。
代价：为什么不是所有光纤都换成空芯
空芯光纤的物理优势明显，工程代价同样明显：
- 连接是硬伤：空芯光纤的模场分布与标准单模光纤不完全匹配，熔接与连接损耗高于实芯，接续工艺要求高，这是当前最影响工程化的环节；
- 弯曲敏感：空气芯对弯曲泄漏更敏感，布线时需要更大的弯曲半径约束；
- 制造一致性：几百纳米壁厚要在整根（几十公里）拉制中保持均匀，良率和成本是主要瓶颈。普睿司曼 2026 年 8 月刚造出含 24 根空芯光纤、直径 10 mm 的商用光缆，说明产品化才刚刚起步 [S13]；
- 生态与标准：连接器、施工工具、维护规程都还在建立期，短期内无法替代存量实芯网络。
所以空芯光纤的现实定位不是”取代”实芯光纤，而是先在时延和容量最值钱的地方落地：AI 数据中心互联（GPU 集群跨机房同步）、金融高频交易、海底光缆骨干，以及量子通信等对介质干扰敏感的场景 [S1][S12][S3]。
结论
把这条因果链收拢：时延瓶颈来自玻璃折射率 n≈1.47 → 空气 n≈1 让光速接近 c → 但空气芯没有全内反射可用 → 用反谐振薄壁管把光”关”在空气里 → 换来时延降低约 30%、非线性近乎归零、衰减进入 0.05 dB/km 量级 → 代价是制造、连接与弯曲难题 → 2026 年从现网纪录走向商用部署，AI 数据中心互联先行。
下次看到”空芯光纤刷新纪录”的新闻时，可以想起：那根看似中空的纤芯，是靠一圈几百纳米厚的玻璃管壁，跟光玩了一场”四分之一波长”的反射游戏——决定它能不能用的，正是这层薄到极致的玻璃。
参考资料
- [S1] 1.2Tb/s！中国电信刷新一项光通信技术世界纪录（中国信息产业网）
- [S2] 烽火通信空芯反谐振光纤三项重磅成果登上全球光子学权威讲台（通信世界网）
- [S3] 长飞光纤为香港电讯提供空芯光纤光缆（上海证券报·中国证券网）
- [S4] The FOA Reference For Fiber Optics — Hollow-core fiber（FOA）
- [S5] 空芯光纤：面向下一代网络的新型光纤（爱德泰）
- [S6] Low-latency wavelength-switched clock-synchronized intra-data center interconnects enabled by hollow core fiber（Optics Express）
- [S7] Low-Latency WDM Transmission Over >100 km Distances in a Hollow Core Fiber（Laser & Photonics Reviews）
- [S8] Coherent optical interconnects using Fermat number transform and hollow core fibre（Communications Engineering）
- [S9] Recent Progress in Development of Hollow-Core Fibers for Telecommunications（MDPI Photonics）
- [S10] Nested antiresonant nodeless hollow core fiber（Optics Express）
- [S11] Hollow-Core Antiresonant Fibers（IEEE Access）
- [S12] YOFC launches next-gen cable technology at MWC Barcelona（LightReading）
- [S13] 普睿司曼与Relativity Networks完成空芯光纤光缆部署测试（中国电子元件行业协会）
- [S14] Orbital Angular Momentum preserving guided mode in helically twisted hollow core photonic crystal fiber at Dirac point（arXiv）
- [S15] Radiation trapping inside a hollow-core photonic crystal fiber（arXiv）
- [S16] Laser-cooled atoms inside a hollow-core photonic-crystal fiber（arXiv）
- [S17] Polarization-Tailored Raman Frequency Conversion in Chiral Gas-Filled Hollow Core Photonic Crystal Fibers（arXiv）
- [S18] Soliton dynamics in gas-filled hollow-core photonic crystal fibers（arXiv）
- [S19] Modulational-instability-free pulse compression in anti-resonant hollow-core photonic crystal fiber（arXiv）
- [S20] Position Measurement of Multiple Microparticles in Hollow-Core Photonic Crystal Fiber by Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry（arXiv）
- [S21] Accelerating Solitons in Gas-Filled Hollow-Core Photonic Crystal Fibers（arXiv）