研究人员开发了空芯光纤来代替玻璃介质导光，以提高传输速度，消除不良的非线性效应。在空气芯导光条件下，光速接近真空速度，与掺杂锗硅玻璃等传统纤维材料相比，空气的非线性效应和损伤阈值要小得多。且空芯光纤的中空通道允许化学样品的渗透，可以应用在高灵敏度的化学/气体传感。比如基于光纤的光流控装置和光催化装置。

近年来已经报道了实现空芯光纤的不同机制，如光子带隙、 Kagome型空心芯导光、反共振导光、全向反射等。然而，这些设计通常涉及复杂的光纤几何形状，只能允许在狭窄的光谱范围内传输。此外，这些空芯光纤仍然受到根本上现有的限制：包层玻璃材料由于孔隙包覆结构造成散射损耗。。

Leon Zhang等人研究展示了一种全新的气导光纤，它使用新开发的“零折射率”材料作为引导介质。近零（epsilon-near-zero，ENZ）材料，或零折射率材料，其真实的相对介电常数Re(ε)在一定波长减少到零。他们研究了一种基于厚ENZ涂层的空气导空芯光纤。

1、什么是空芯光纤

空芯光纤，网上很多文章也称之为“空心光纤”，英文名为Hollow-core fiber（HCF），是一种新型光纤。

我们现在普遍使用的传统光纤，都是玻芯光纤。在光纤里面，有石英玻璃（主要成分是二氧化硅）制作的纤芯。

空芯光纤，顾名思义，就是光纤里面不再有实体纤芯，而是“空”的——只有空气、惰性气体或真空。那么，空芯光纤，相比于传统玻芯光纤，到底有什么优势呢？为什么现在光通信行业，都非常关注和重视空芯光纤呢？研究空芯光纤，并不是因为减少了里面的纤芯能够降低成本，而是因为光信号在空气中传播，比在玻璃纤维中传播更有优势。

根据实验数据，如果采用空芯光纤，光信号的传播速度将会比传统玻芯光纤提升47%左右。

这将大幅降低光纤通信的时延（大约三分之一）。根据相关研究机构的测算，玻芯光纤的时延大约是5微秒/公里，空芯光纤是3.46微秒/公里。1000公里的距离，可以减少1.54毫秒的时延。

对于高频率的金融证券交易，以及远程医疗、工业制造等行业场景，这个时延改善具有重要的意义。

2、自主工艺的优化降低了生产成本

通过自主工艺的优化，中国光纤企业大幅降低了光纤的生产成本。自主研发的工艺使得产能、产量和技术优势达到了世界领先水平。中国光纤企业在全球十大光纤企业中，有七家中国企业，光纤产业链的技术优势催生了新一代的多芯光纤和空芯光纤产品。

借助电子显微镜，可见光纤内有八条光通道，即为八芯光纤，每条道都能承载不同的数据，传输速度可达到千万亿字节每秒，相比于单芯光纤，可以在更小的体积内传输更多的数据。这种新型多芯光纤变得越来越重要，成为5G通信和工业信息通信的重要传输方式。

空芯光纤的产品，内部处于真空状态，就像太空中的无阻尼数据传输通道，可以使搭载数据的光信号真正接近光速，传输速度可达光速，这种产品未来肯定会在广泛应用领域中有很大的市场。

3、传统光纤基于光的全反射原理实现光在玻芯中传输

当光进入光纤中心传播时，光纤纤芯的折射率n1比包层n2高，而纤芯的损耗比包层低，这样光会发生全反射现象，其光能量主要在纤芯内传输，借助于接连不断地全反射，光可以从一端传导到另一端。

空芯光纤的芯是空气，由于空气的折射率小于包层介质的折射率，不满足全反射的条件，所以要在空芯中传输光就需要采用特殊设计的包层结构。

例如，基于光子带隙效应的空心光子晶体光纤，它的包层由一系列微小的空气孔构成，具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期，纤芯则为空气。

当光入射到纤芯和包层界面上时，会受到包层中周期排列的空气孔的强烈散射。这种多重散射产生相干，使得满足特定波长和入射角的光波能够回到芯层中继续传播。

采用这种结构，就在纤芯层的折射率小于包层的情况下，实现对光的引导和传播。

上面的光子带隙导波机制是一个复杂的光学现象，我们可以尽量用通俗易懂的语言来解释它：

想象一下，在一条有许多柱子的长廊里，柱子按照一定规律排列，你试着丢一个球，看球在长廊里如何滚动。

由于柱子的存在，球不会直接穿过长廊，而是会在柱子之间反弹和滚动。在某些情况下，球可能会因为柱子的排列方式而无法前进，就像是被“困住”了一样。

在光子带隙导波机制中，光子就像是那个球，而光子晶体（具有周期性折射率变化的结构）就像是那条有很多柱子的长廊。光子晶体中的空气孔就像柱子一样，按照一定的规律排列。

当光波进入这种结构时，它会在空气孔之间反射和散射，就像球在柱子之间反弹一样。有些频率的光波会因为这种特殊的排列方式而无法在包层中传播，就像球在某些情况下无法前进一样。这些光波就被限制在纤芯中传播，就像球被“困”在长廊的某个区域一样。

4、空芯光纤的应用场景

第一类场景，当然是通信。

空芯光纤的低损耗、低时延，非常适合光纤通信用途。尤其是前面提到的时延敏感型通信场景。

第二类场景，是传感。也就是利用光纤进行环境感知。

空芯光纤具备更强的灵活性和大孔径特性，可以用于光学传感领域，测量温度、压力、流量和化学成分等参数。

第三类场景，激光应用。

刚才说了，空芯光纤能扛得住高功率激光。所以，可以将它用于传送激光束，例如工业制造的激光切割、刻蚀，以及人体深处来改善病变组织的成像和治疗。

传送激光，其实也是某种形式的传送能量。这也有很大的应用想象空间。