近兩年生成式AI大模型驅動算力需求倍增，光網作為算力設施基石，繼續向低時延、大帶寬、超長距演進。過去的50年，基于全內反射原理的實芯單模光纖的光纖通信系統受光纖折射率、損耗、非線性效應限制，通信時延、單纖容量、傳輸距離均已觸及技術發展的天花板，亟需全新光纖體系破局。

  反諧振空芯光纖因其超低時延、超低損耗、超低非線性三大顛覆特性，被業內譽為“新一代傳輸介質”，近1年來發展迅速。該技術自2007年巴斯大學提出以來，經歷了多輪結構演變，2022年，英國南安普頓大學ORC中心的空芯光纖小組優化得到最低損耗達0.174dB/km的5單元雙層嵌套管空芯光纖（DNANF-5），并于2024年和微軟公司進一步實現了損耗系數達0.08±0.03 dB/km的DNANF-5；同年國內長飛光纖、領纖科技也相繼報道了損耗0.1dB/km級并具備單次拉絲長度10km級的成果。至此，反諧振空芯光纖在損耗上超越了實芯單模光纖，空芯光纖降損突破已基本完成。

  空芯光纖特性與應用解析

  空芯光纖憑借超低時延、超低損耗、超低非線性三大顛覆特性，在光傳輸諸多應用場景有望帶來低時延、可靠性、降低組網成本等應用價值，預計在低時延智算間互連、低時延金融高頻交易、電力低時延繼保業務、超長距組網以及下一代T比特超高速長距光傳輸系統中有廣泛應用，在多個性能指標中相比單模光纖改進顯著。

  超低時延特性與應用

  在空芯光纖中光傳輸介質由玻璃轉為空氣，傳輸速度由2×108提升至光速，相比單模光纖時延降低30%，即每公里帶來1.5μs的時延收益。在智算互連場景中，在開展跨智算集群分布式協同訓練數據并行DP、流水線并行PP時，參考業界的智算拉遠測試驗證，通信時延并不能通過優化算法完全掩蓋，導致算效劣化，而空芯光纖帶來的時延節省，可緩解因時延導致的算力資源浪費，為大規模智算集群的高效協同提供物理層的關鍵支撐。在金融高頻交易場景中，為最大程度降低通信時延，券商們盡可能將服務器安置在交易所內，但仍有大量服務器無法就近部署，空芯光纖及配套設備無疑將引發新一代金融專線升級。自2020年以來，國外已鋪設至少兩條反諧振空芯光纜用于建設金融專線，2024年底，微軟宣稱將在未來24個月部署15000km空芯光纖用于其數據中心互連以及AI大模型訓練。在電力行業，高壓輸電需要在繼電保護裝置間同步差動保護信息，行業一般約束單向傳輸時延≤10ms，以滿足繼電保護速動性要求，空芯光纖有效降低鏈路時延，保證超長距輸電繼電保護故障處置響應時間。

  超低損耗特性與應用

  實芯單模光纖受瑞利散射限制，損耗難以突破0.14dB/km，而反諧振空芯光纖國內外均已實現0.1dB/km級別超低損耗系數，并在國內多地成纜后C波段4THz內平均損耗可保證0.15dB/km水平。在中長距骨干城域傳輸場景，相比G.652D光纖，空芯光纖的損耗系數優化0.05dB/km，按標準等跨80km模型，將帶來4dB信噪比優化，可顛覆性提升傳輸距離/余量，減少中繼數，帶來組網成本和轉發時延降低。在電力超長距傳輸場景，同樣300km單跨傳輸，空芯光纖可帶來近15dB收益，從而降低電力超長距骨干組網成本。

  超低非線性特性與應用

  空芯光纖非線性系數相比實芯普通單模光纖可降低3~4個數量級，消除了光纖通信系統與香農限間的非線性瓶頸，由此可使用大功率傳輸高階QAM信號，用功率換取接收端的信噪比提升。另一方面，單模光纖波段擴展導致的拉曼功率轉移問題在空芯光纖中也將不再是約束，理論上空芯光纖可支持超寬帶密集波分復用。經評估在長距傳輸場景，空芯光纖相比單模光纖可提升傳輸容量2~3倍。在中長距骨干城域場景，單模G.652光纖長距干線傳輸需要400G QPSK 130+GBd配置在GHz頻譜間隔，而空芯光纖中可使用3倍譜效的1.2T 64QAM再結合大功率放大器配置，依然可實現長距傳輸，由此實現光層簡化、降低組網成本。面向下一代Gen200+光傳輸，利用空芯光纖超低非線性特性，使用大功率光放可使1.6T PS-64QAM具備長距傳輸能力，其傳輸距離相比單模光纖提升近10倍。

  中興通訊空芯光纖光傳輸系統應用探索

  2023年，中興通訊聯合中國移動研究院提出了一種基于高階QAM傳輸產生非線性相移的非線性系數測量方案，并使用大功率光放大器放大400G 64QAM信號在1km空芯光纖中傳輸成功驗證空芯光纖Kerr非線性系數小于單模光纖3個數量級。

  2024年，隨著空芯光纖損耗、單次拉絲長度顯著提升，中興通訊聯合長飛公司首次演示了單波入纖功率達到3W的1.2T PS-64QAM在20km反諧振空芯光纖中無代價傳輸，同時也證明了空芯光纖中極低的拉曼功率轉移，為超高速、超寬帶大容量傳輸系統應用奠定基礎。

  自2024年5月，中國移動、中國電信先后在國內鋪設空芯光纜，中興通訊聯合中國電信在其杭州智算中心和杭州分公司義橋IDC數據中心間鋪設了10.4km2芯空芯光纖，通過光纖環回，演示了首個C+L波段單波1.2T與800G混合速率，單纖容量超100Tbps的超低時延數據中心互連。

  同年9月，中興通訊聯合中國移動在其無錫梨園和蘇南數據中心間，演示了國內首個超低損耗（最低損耗達0.13dB/km）空芯光纜C+L波段800G傳輸性能，并在現網發現CO2氣體吸收工程問題，該問題目前也成為業內公認空芯光纖應用亟待解決的關鍵問題之一。

  為進一步探索空芯光纖在大容量、長距傳輸方面的潛力，中興通訊先后在實驗室開展了空芯光纖S+C+L波段100km單纖雙向377.6T超大容量傳輸，將當前單纖容量紀錄提升了超過1.5倍。具體而言，利用自研硅光外腔nano封裝的大功率S波段可調諧激光器極大改善S波段發射端光信噪比以及接收機靈敏度，采用Flex Shaping算法針對信道特性選擇波特率、傳輸碼型和信道間隔，在C波段配置85GBd PS-144QAM放在87.5GHz柵格，L波段配置98GBd PS-144QAM放在100GHz柵格并在S波段配置49GBd PS-144QAM放在50GHz柵格內。進一步為改進濾波以及器件帶寬問題，使用光域均衡光譜整形算法進行補償，最終達成了指標。在長距傳輸能力方面，在實驗室演示了單波>1Tbps傳輸距離超10000km空芯光纖長距傳輸世界紀錄，相比同速率下單模光纖傳輸距離提升至少10倍。這里正是利用空芯光纖超低非線性特性，采用大入纖功率提升傳輸后信噪比的結果，在超長距傳輸過程中的模間干擾效應、帶內不平坦效應以及濾波效應也將突顯，針對這些問題中興通訊也分別做了空芯光纖指標擇優和算法擇優工作。由此可見，高階QAM調制、大功率光放大器以及信道損傷補償算法在釋放空芯光纖系統傳輸能力方面尤為重要，中興通訊正在積極開展上述器件與算法的研究，重點評估工程應用所需指標的可行性與必要性。

  空芯光纖應用挑戰與展望

  盡管空芯光纖幾乎在關鍵參數上全面優于實芯單模光纖，但距離商用仍有大量的問題有待解決。空芯光纖內氣體例如CO2和水汽均會在特定頻點產生寬度、分布不均的氣體吸收特征峰，當業務光傳輸時頻譜會產生“凹坑”，對信號調制解調以及時鐘穩定性產生極大影響，限制了波分復用頻譜可使用范圍（見圖1）。通過Hitran數據庫結合空芯光纖環境中氣壓、溫度以及分子密度可半定量分析出氣體吸收特性。目前亟需光纖廠家光纖拉制工藝方面的改進以及設備廠家開展氣體吸收算法補償相關研究。另一方面，反諧振空芯光纖在導光機理上不支持完全消除高階模式，且光纖的連接點、彎曲盤繞等各種機械因素都可能導致激發高階模，造成模間干涉（IMI）效應，該效應在超長距傳輸時影響逐步突顯，需重點優化。

  在運維方面，空芯光纖由于背向散射系數比單模光纖低30dB，原光時域檢測儀可測量動態范圍將顯著劣化14dB~15dB，另外熔接點處壓差將使得外界氣體吸入空芯光纖，產生氣體密度的差異，由此在熔接點處的反射峰會產生“鼓包”，導致策略盲區增大，以上需要光檢測器件與算法同時優化補償差距。

  最后，當前階段空芯光纖結構還未標準化，同時受工藝、產能等諸多原因限制，其當前售價高于單模光纖2000倍，限制了其大規模應用。未來，中興通訊愿繼續攜手產業上下游合作伙伴，推動空芯光纖系統由技術驗證邁向商用部署。

  作者：中興通訊 閆寶羅