空芯光纤的研究应该比目前的实芯光纤还要早一些，因为在高琨论证硅基光纤的可行性之前，还是倾向将光限制在一个空间中进行传播，早在60年代，Bell实验室就提出一种中空的介质波导，理想的理论最小损耗就达到1.8dB/km，但极受弯曲影响。随着高琨的突破，实芯光纤受到极大发展，空芯光纤就基本处于停滞状态。

随着硅基光纤的发展，目前带宽瓶颈越来越难以克服，一方面损耗已经逼近硅基光纤的本证损耗，目前大于0.14dB/km，而0.001dB/km的提升都需要极大的努力，另一方面，长途通信中的非线性也限制着通信容量的增长。

提高容量或者带宽的最基本方式是降低损耗和提高光功率，这两方面对于硅基实芯光纤都在逼近其极限，重点是如何针对实际场景采用最合适的光纤，本身是一个系统优化问题。

基于硅基光纤的瓶颈，空芯光纤目前确实吸引了大量的关注。科研院所，传统的光纤制造商，以及初创的公司等等都投入了资源进行研究实验。目前实验室的损耗基本可以和硅基光纤持平。但是从理论上来说，空芯光纤其损耗比目前实芯光纤低1-2个数量级，如果传输几千公里的损耗足以放弃中间任何光放大，其前景将非常广阔。这是一条新的赛道，也是一条必将出现的赛道。传统的光纤制造商得益于其强大的制造经验和技术积累，初创的公司本身或许强于创新和研究投入。当然，可以说，空芯光纤要在光通信领域规模应用，但依旧还有很长很远的路要走，目前依旧是“理想很丰满，现实很骨感”的状态。从真正的理论认识和突破，技术方案，制造工艺，从光纤，线缆到互联，标准统一化，应用方案等等，这一系列均需要大量的工作。

无疑，无损的空芯波导是最理想的光波导，对应于目前的光纤，依靠中心的高折射率分布形成全反射，进而形成波导。对于空芯来说，自然界中还没有发现低于空气的折射率的物质，全反射机理对于空芯波导失去意义，需要构造特殊的形状完成等效的低于空气的折射率的物质。由此形成目前的充满智慧的空芯光纤结构。

目前空芯光纤可以分为两大类：

第一类是布拉格空芯光纤和光子带隙光纤

布拉格空芯光纤中心为空芯，周围一般为周期性的玻璃管，因为玻璃管无法悬浮在外层的玻璃管内部，所以很多情况下是玻璃管中间用高分子材料填充。

第一种商用的布拉格光纤应该是2002年Omniguide光纤，损耗达到了1dB/km@10.6um。

光子带隙光纤有非常多的类型，似乎归为定制化特种光纤。

光子带隙光纤也称为光子晶体光纤，这个命名总感觉有些奇怪，本意是某一些波长的光子在径向被禁止传播，而只能纵向传播，这样就达到了波导的目的。但是光波导实际上也是这个效果。

光子带隙光纤本身的固有设计缺陷和制造难度，似乎无法和目前的光纤匹配，最低的损耗是2005年的1.2dB/km。其损耗是是目前实芯光纤的7倍左右，以后好像就没有进一步的发展。

值得特别提到的是Kagome光子带隙光纤，大概在2010年左右，其设计上将其早期的光子带隙光纤做了简单修改，只是空芯纤芯内壁有直线型改为圆形，其他设计均未改动，但是其结构让人非常惊奇。

测量结果发现其损耗降低了1-2个数量级，这个发现也引入了负曲率设计，负曲率对空芯光纤的性能确实非常重要。

第二类就是目前重点研究的或许有望在将来取代目前实芯光纤的反谐振空芯光纤。

南安普敦大学在2022年演示的反谐振空芯光纤在C波段的损耗为0.174dB/km，已经可以和目前的标准光纤相比较了。实际上的损耗或许比目前的全硅光纤还能低1-2个数量级。其超低损耗和高功率的超低非线性将带来整个光纤通信领域的变革。

在导光机理方面，从简单原理来说，这几类空芯光纤可以说均利用了相长干涉和相消干涉。一方面，在中间的空芯区域，要实现相长干涉，而包层外围部分，要实现相消干涉。这个是非常关键的。所以看到对于一个固定的空芯光纤，其损耗有波长周期依赖性，这和目前的实心光纤有较大差别。

空芯光纤的工作机理，个人认为，可以用最简单的布拉格衍射定律作为基础进行解释，这个也非常容易理解。其工作机理同时适用于光子带隙光纤(包括布拉格空芯光纤)和反谐振光纤。

考虑间距为d的平行晶面，入射线和反射线如图位于屏幕平面上。

相邻平行晶面反射的射线行程差是2dsinθ。当行程差是波长的整数倍时，即2dsinθ=n*λ，λ为入射波波长，θ为入射光与晶面之夹角，n为整数(1,2...)时，回到入射面的辐射就发生了相长干涉。

满足上面条件的波长λ就是布拉格谐振波长，或者布拉格波长。

对于周期性多层结构，周期性节距d=d1+d2，d1为介质1的厚度，d2则为介质2或者空气的厚度，介质中光程考虑介质的折射率，则布拉格定律重写为：

m为整数，为该种设计的布拉格谐振波长。

对于光子晶体光纤，内部形成三种类型谐振器，中间的空气气孔，三个连接的中心玻璃节点，以及连接的玻璃支柱。三个的内部会形成不同的模式，以及一起完成整个光纤的性能。

从物理上看，其层数越多，反射自然也越高，光子带隙效应越强。

光子带隙光纤和反谐振光纤的导光差别在于：光子带隙光纤需要周期性的多层晶面完成光的限制；而反谐振光纤是需要一个层面完成光的限制。

无论是光子带隙光纤，还是反谐振光纤，都需要满足带隙条件或者反谐振条件，将光波限制在中间的空芯中进行纵向传播。

理想情况下，左图中的光模式限制在空芯中，其电场的横向传播分量被禁止传播。右图可以看到其模式已经辐射到空芯的外围，形成了辐射模，无法形成有效波导。

目前反谐振光纤尚处于探索研究阶段，在具体的很多细节方面，仍旧不是非常清楚。目前还没有一个数学模型对该类光纤能完整的解释，理论解释方面还需要继续深入，主要还是以建模进行仿真模拟，但是目前也已经有了很丰富的研究结果。但是只有把理论彻底搞清楚了，才能进行有效的设计，一方面探究其损耗的底线，最优的设计，另一方面也可以进行充分简化，降低成本，便于制造，便于应用的普及。

这也是目前反谐振光纤的结构依旧五花八门的原因，但是均为有意义的探索，因为每一种结构都确实发现了一些规律，充实了反谐振光纤的理论和规律。

目前典型的反谐振光纤的结构，其包层为嵌套的毛细管结构，负曲率，毛细管间无接触节点。

这种结构对于分析波导规律确实比较复杂，因为任何一个几何参数都深深的影响了反谐振光纤的性能，比如毛细管的嵌套层数，从前面的基础机理可以定性的认为，其毛细管的嵌套层数越多，其损耗也越低，而实际上也确实已经被验证。毛细管的数量，形状，内部嵌套的方式，每一层毛细管直径和厚度，嵌套的位置，毛细管之间的间隔大小，中心空芯的直径大小，等等，都给出反谐振光纤的独特结果。

不同的设计结构影响着存在于反谐振光纤内的模式。空芯直径目前典型大于20um，因为空芯直径越大，其损耗越小，这个也可以定性理解，因为空间越大，其基模更大可能处于空芯中，空间越小，基模更大可能分布到包层中，增加了损耗的可能。由于空芯直径的原因，目前的典型的反谐振光纤实际上为多模光纤，虽然设计上企图将高阶模式光损耗掉，形成有效的单模，但是在实际应用中，还是有很多缺陷，实际应用中需要真正的单模光纤。

从损耗机理上，反谐振光纤的损耗主要有泄露损耗，表面散射损耗，微弯损耗，以及玻璃本身固有的瑞利散射损耗，吸收损耗等。但研究表明主要的贡献来自于泄露损耗。从几何光学看，泄露损耗可以简单看做折射光比例，折射光形成辐射模式，终将随着传播距离而被损耗掉。表面散射损耗，微弯损耗或许和制造有关，玻璃本身固有的瑞利散射损耗吸收损耗和目前实芯光纤类似。所以从设计看，反谐振光纤的损耗主要工作是如何降低泄露损耗。理论上泄露损耗可以足够小到忽略的地步，所以反谐振光纤的损耗瓶颈或许最终来自表面散射损耗和微弯损耗。当然，随着时间的推移，这种认识或许被修改。

目前研究结果看，如果LP01估计的总损耗为0.32dB/km。则LP01的泄露损耗大致为0.27dB/km；其散射损耗大致为0.027dB/km；附加的微弯损耗为0.02dB/km。对泄露损耗的加强优化后，其总损耗0.05dB/km应该是可以做到的，可能也是将来应用阶段的损耗要求。

空芯光纤的复杂性应该是充分的认识，因为对其研究的跨度应该比实芯光纤还要长。

空芯光纤距离产业化还有很长的路要走，目前还是处于研究认识阶段，实验探索阶段，还有很多课题有待院校和企业的突破。但是其卓越的前景已经被整个行业所认识，势必加快其进展。