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长盈通——英伟达和微软都在用的空芯反谐振光纤+光模块+铌酸锂

凌晨十二点

春风吹又生的韭菜种子

2023-04-20 13:57:08

先说一下什么是空芯反谐振光纤

空芯反谐振光纤（HC-ARF）具有结构简单、空芯导光、传输谱宽的特点，在光与填充物质相互作用、非线性光学、气体检测、气体激光产生、光流体技术等领域都具有重要的应用。同时空芯导光具有超低的瑞利散射、低非线性系数、色散可调特性，可以提供更高的激光损伤阈值，使其在高功率激光传输、紫外/ 中红外光传输、脉冲压缩和光孤子传输等方面有潜在的应用。空芯的超低损耗、低色散、低非线性、接近光速的传播速度，可实现空芯光纤通信传输及通信器件的开发，为下一代超大容量、低延迟、高速光通信系统的建设发展奠定基础。

先看一下微软布局的空芯反谐振光纤

去年12月份，微软收购了一家生产空心光纤的创业公司Lumenisity

传统的光纤是以玻璃为导光介质，纤芯的折射率略高于包层折射率，基于全反射原理，光被限制在纤芯中进行传输

虽然经过多年的发展，低损耗光纤奠定了光通信发展的基础。但是由于导光材料是玻璃，它存在一定的色散和非线性，这限制了其可以传输光的带宽和功率。一个大胆的想法是利用空气作为光纤的导光介质，也就是所谓的空芯光纤(hollow-core fiber，以下简称HCF)。由于空气中的光速接近真空中的光速，光信号在光纤中的延迟会大幅降低，也没有色散和非线性效应的限制，带宽也得到了很大提高。

空芯光纤根据工作原理，可以分为以下两类，
1)光子带隙光纤(photonic-bandgap fiber， PBGF)顾名思义，光子晶体光纤是在光纤中引入周期性的孔洞微结构，形成光子晶体，由于光子带隙的限制，在光纤中心存在缺陷态，光场以缺陷态的形式在中间的空气中传输，由此形成空芯光纤。也可以理解为光场与周期性的包层结构作用，发生多重散射，对于满足Bragg条件的特定波长会被反射回纤芯中，在空气纤芯中向前传播。典型的光子带隙型空芯光纤PBGF如下图所示，

目前PBGF型空芯光纤的传输损耗最好结果是1.2dB/km, 损耗还是比较大的，这也是人们致力于寻找其他结构空芯光纤的原因之一。

2)反谐振型空芯光纤(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)反谐振型空芯光纤，通常在光纤中引入多个空芯套管，有点像转轮手枪，如下图所示，对于满足谐振条件的波长，其模场会泄漏到包层中，因此损耗较大，而对于不满足共振条件的波长, 其模场主要集中在空气中，因此损耗较小，可以形成稳定的光传输。

研究人员经过多年研究，尝试了多种不同结构的HC-ARF。英国南安普顿大学发明了嵌套式反谐振无节点空芯光纤，nested anti-resonant nodeless fiber, 简称NANF。其结构如下图所示，在每个大的套管里嵌套了一个小的套管，相邻套管间没有接触，这都是为了降低空芯光纤的传输损耗。

目前NANF的传输损耗已经到0.28dB/km，比PBGF降低了一个数量级。南安普顿大学光电研究中心在该领域深耕多年，Lumenisity公司也是从该研究组spinoff出来。Lumenisity公司成立于2017年。在微软官方的PR中提到，NANF空芯光纤的主要优势有如下几点，

1）光信号传播速度比传统光纤提高47%，降低了信号的延迟

2）安全性增强和入侵检测
3）由于消除了光纤非线性和宽频谱，使得成本降低，带宽提高和网络质量增强
4）具有极低传输损耗的潜力

关于第二点，通过内部结构提高信号传输的安全性，这里稍作解释。Lumenisity在2021年与英国电信合作，尝试在空芯光纤中进行量子密钥分发。传统量子通信需要两路光纤，一路用来传递经典光信号，一路用来传递单光子水平的量子信号(密钥)。而使用空芯光纤，由于传输介质为空气，强光与弱光信号间的相互作用和串扰比较小，因此可以用单根光纤同时传递量子与经典光信号，可以大大降低线缆的成本。其他三点比较好理解，这也是空芯光纤受到青睐的原因。低延迟和高带宽的特性，使得空芯光纤在数据中心的应用中非常有潜力。

以上是对空芯光纤技术的简单介绍，微软收购Lumenisity公司，说明空芯光纤技术得到了市场认可，正逐渐进入商业化应用中，基于其延迟小、容量大的独特优势，未来必将在数据中心的部署中发挥重要作用。一项新技术从概念的提出，到最终商业化落地，是多年技术的探索与积累，也是执着与坚持。

无独有偶，

英伟达DGXH100AI服务器系统以及NVLINK架构大幅提升数据速率空芯反谐振光纤或将成为新一代AI算力集群通信传输技术

空芯反谐振光纤将降低传统光纤损耗延时等问题，提高AI 服务器的数据传输效率。

　　传统玻璃光纤在材料的吸收、色散、非线性、低损伤阈值等方面的限制，在光纤通信、高功率激光输出、超快光学、非线性光学等领域的应用上出现限制。空芯光纤改变了光在光纤中的传输介质，能够将光限制在空气芯纤芯中进行传输，并且从根本上避免了由于传统光纤在材料本征限制而带来的问题。空芯光纤有三大优点：

1）低延时，空气折射率为1，光在空芯光线中的传输速度是光速，远远超过在玻璃介质中传输速度；

2）低色散，空芯光纤的材料色散要低于实芯光纤三个数量级；

3）低非线性；

4）高激光损伤阈值，空芯光纤由于可以实现超过99%的光功率在空气中传输，光场与材料重叠极小，在相同的传输功率下有更低的材料吸收，拥有更高的激光损伤阈值，以至于减少光纤损伤。

微软在2022 年年底宣布收购空心光纤厂商Lumenisity，以提升自身的云计算基础设施能力， Lumenisity 的空心光纤已经应用在 euNetworks 公司在英国伦敦和巴西尔登之间14km 长的对金融交易至关重要的数据中心互联上，空芯光纤技术逐渐得到市场的认可，在中短期之内或将开启商业化进程。在国内市场方面，长盈通的空芯反谐振光纤有望加速市场化并且加速渗透进入AI 数据中心互联以及AI 服务器互联场景。在AI 算力的持续热度下，长盈通有望持续受益。

长盈通：公司在实芯光子晶体光纤、空芯光子带隙光纤、大直径异型结构光纤、深锗掺杂被动光纤、大芯径被动传能光纤、空芯反谐振光纤等保偏光纤以外的其他新型特种光纤领域已取得多项重要研发创新成果，持续建立和扩大技术储备，并不断推动其工程化进度，逐步与相关应用产业整合，通过该等深化整合路径进一步拓宽公司的发展空间，实现可持续发展。