特种光纤突破传统限制，为5G、AI提供高性能传输方案

特种光纤突破传统限制，为5G、AI提供高性能传输方案

特种光纤作为新一代光纤技术的代表，正在逐步改变我们的光纤网络性能。通过开发少模、多芯以及轨道角动量光纤等通信光纤，特种光纤有望大幅提升通信容量，应对日益增长的互联网流量需求。此外，空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤等新技术也在不断提高光纤的损伤阈值，使得高功率激光传输成为可能。这些创新不仅推动了光纤通信技术的发展，也为智能制造、生命健康等多个行业带来了新的机遇。

特种光纤可以定义为不符合单模和多模通信光纤标准的光纤。单模光纤广泛采用国际电信联盟（ITU）标准，也就是电信运营商集采时常出现的G.652型号；对于多模光纤，国际常用美国电信工业协会的光纤技术联盟（TIAFOTC）标准。这类标准化的单模/多模光纤用于传输特定波长的调制光信号，针对低损耗和模态特性进行了优化。而我们讲的特种光纤，要对信号传输以外的应用进行专门优化，例如，放大器、传感器、激光器、滤波器、环形谐振器等。为满足不同的应用场景，有数百种不同的特种光纤类型，在玻璃成分、纤芯等参数上有诸多针对性的定制、优化。具体来讲，特种光纤的“特种”主要体现在以下几个方面：

• 纤芯掺杂其它元素，如掺铒光纤放大器；
• 双折射特殊结构，如保偏光纤；
• 多包层，如光纤激光器、功率放大器；
• 耐辐射性，如太空通信激光系统；
• 特殊的折射率以控制波导特性，如激光功率传输系统。

保偏光纤是一种特种光纤，用于维持光传输的偏振态。常规光纤在生产过程中，会受到外力作用等原因，使光纤粗细不均匀或弯曲等，就会使其产生双折射现象。当光纤受到任何外部干扰，例如波长、弯曲度、温度等的影响因素时，光的偏振态在常规光纤中传输时就会变得杂乱无章，在最坏的情况下，光探测器将无法区分数字“1和0”或模拟波形。保偏光纤的应用则是可以解决这一偏振态变化的问题，通过特殊设计纤芯的结构，产生更强烈的双折射，来消除应力对入射光偏振态的影响。

保偏光纤结构较为特殊，在制造时，通过内置不同热膨胀系数的“应力部件”（Stress-applying parts，SAP），在光纤拉制时，SAP收缩率较高，就会产生永久的应力区域，如下图1、2、3黑影部分所示。椭圆芯光纤应用了形状双折射原理，而非掺杂SAP。熊猫和领结型目前使用最为广泛。

近年来，中国在信息技术、智能化和激光领域取得显著进展，逐步迈入太空时代。数字化、网络化和智能化已经成为新一代信息技术的核心，高功率激光器不断涌现，特种光纤作为传输高功率激光能量的媒介，在太空领域发挥着关键作用，支持卫星间通信、地面站与太空探测器的数据传输，实现近地探测和深空探测，它不仅构建了卫星共联体系，实现了全球覆盖的低轨卫星互联网网络，还提高了导弹等**系统的定位精度，光纤陀螺为太空探测器和卫星提供精准的导航信息，促进了太空科学、通信、探测和安全监测等领域的发展。在核能领域，光纤广泛应用于管道、储罐和井下设备的监测，以及温度、压力和振动监测，确保反应堆系统的安全运行，光纤传感器用于结构健康监测，评估设施的耐久性和性能，同时光纤还可用于高效的数据传输和X射线成像技术，为设施监控、通信和传感提供先进工具和解决方案。无源光纤和有源光纤在这些领域展现出卓越性能，包括高功率传输、低损耗、高损伤阈值和高透光率等，这些光纤技术在太空通信、传感和核工厂能源领域都具有广泛应用前景。

在这些应用场景中，一些环境长期面临较低辐射剂量，而另一些则长时间处于大剂量率辐射环境，包括X射线、γ射线和中子辐射等。这种辐照会在不同程度上损伤光纤，显著降低信号传递、能量传输和传感性能，无法保证光纤在工作过程中的稳定性和效果。光纤中存在本征缺陷和离子团簇，经过长时间辐照后会形成色心和缺陷，进一步降低光纤的传能传感性能，严重影响工作并导致损耗增加，降低使用寿命，带来不必要的损失。为构建高效智能的物联网和通信传感系统，确保****防线和航空航天系统的稳定安全，研究在不同辐照条件下有效提升传能光纤抗辐照性能的方法变得至关重要。

粒子辐照与物质之间的相互作用主要是非弹性碰撞，入射粒子在碰撞过程中会损失部分动能，可能会转移给原子核，导致原子核移位，产生弗兰克缺陷，也可能会转移给核外电子，导致电子被激发或是电离。原子核移位会产生氧空位和间隙氧原子，电离破坏会产生电子型色心和空穴型色心，由于电离破坏所需能量阈值较低，所以其是破坏石英光纤的主要机制。粒子辐照纯石英光纤产生色心包括粒子辐照、原子位移和电子-空穴对产生、激发态弛豫和复合、载流子俘获和缺陷形成与扩散限制这5个过程，流程图如图1所示。

粒子辐照会导致有源光纤与无源光纤产生不同程度的损伤，有源光纤与无源光纤最大的区别在于掺杂元素的不同，其中有源光纤为掺杂稀土离子如Yb3+、Er3+等的石英基光纤，无源光纤为纯石英光纤、掺Ge、掺F石英光纤等。有源光纤由于稀土离子的存在，光纤内部电子与空穴数量更多，而无源光纤中并不存在此类3价离子，相对有源光纤来说，辐照后产生的色心较少。因此，在相同辐照条件下，无源光纤比有源光纤具有更好的抗辐照性能。

光纤耐辐射特性的影响因素主要分为三类，即光纤参数、环境参数以及应用参数。光纤参数包括纤芯、包层、涂覆层成分以及制备工艺等，以纯石英光纤为例，在相同辐照条件下，掺Al石英光纤的耐辐照性能最差，纯石英光纤的耐辐照性能最好，掺Ge和掺P石英光纤的耐辐照性能介于二者之间，图2展示了纤芯掺杂元素（Ge、P、Al）对石英光纤在1550 nm处RIA的影响［13］。光纤的包层成分和涂覆层材料在一定程度上也会影响光纤的耐辐射性能。环境参数包含辐射粒子的种类、辐射模式、总剂量和剂量率、环境温度等。应用参数包括光纤泵浦结构、泵浦波长、泵浦功率、光纤长度、使用时间等。

为了应对特殊辐照环境，已有研究表明提高光纤耐辐照性能的方法大致可分为两类：1）改变光纤组分，在纤芯中掺杂元素，如Ce、GeO2、纳米颗粒等，以提高抗辐照性能；2）采用不同后处理方式，如载气、预辐照、退火、光漂白、增加涂层等，或者它们的组合形式来处理光纤，以提升其抗辐照性能。

特种光纤在多个领域展现出广泛的应用前景。例如，特种光纤在通信、传感、AI、低空经济等领域的具体应用案例：

• 光纤陀螺仪：1976年，犹他大学的Vali和Shorthill提出使用单模光纤制成光纤环，高精度、低成本的光纤陀螺仪正式诞生，取代传统的机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。后人依据Vali的理念，发展了保偏光纤、宽带波长稳定光源等光学器件，逐步改善光纤陀螺仪的性能。当今，低空经济、机器人概念兴起，基于光纤陀螺仪或MEMS陀螺仪的惯性导航已作为卫星导航的补充，成为无人驾驶工具的核心控制设备。

• 掺铒光纤放大器：在模拟通信转向数字通信的时期，“电子瓶颈”凸显（最大速率被物理限制在40Gbps），而光纤可以同时传输多路波长不同的光信号，波分复用应运而生；而稀土掺杂光纤的发明使得掺铒光纤放大器诞生，其与密集波分复用技术相结合，组成大容量长距离的光传输网。

• CPO交换机：CPO因其优秀的能耗管理，被博通、思科、英特尔等厂商广为推崇，但激光器发热从而影响交换芯片的问题暂时无法避免，因此，目前相关厂商的CPO产品多为外部激光源方案，这种方案需要外部光源发射信号时保持激光偏振态，因此需要保偏光纤连接光源和交换芯片。激光源发热短期难以解决，我们看好CPO内部保偏光纤的强需求。

• 空芯光纤：今年2月，Lyntia、诺基亚、古河和Interxio联合实验空芯光纤，其相对单模光纤延迟降低30%以上，光传输速度提升近46%，且极大降低非线性效应，现场demo800Gbps和1.2Tbps，具有突破香农极限容量的潜力。若空芯光纤成功商用，可以进一步提升AI超算通信网络的带宽并降低延迟瓶颈，将资本开支倾斜至网络设备的性价比，有望进一步凸显。

全球特种光纤市场规模持续增长，预计到2032年将达到34.1亿美元，复合年增长率为8.4%。特种光纤在物联网、云计算、5G等领域的应用前景广阔，成为推动市场增长的主要动力。例如，5G技术的发展推动了对特种光纤的需求，制造企业正在逐步增加5G覆盖范围，以满足不断变化的数据需求。与传统Wi-Fi相比，5G具有更高的安全性和移动性，可为工厂运营提供更强大的连接。此外，特种光纤在数据中心和企业网络中的应用也在不断扩大，多模特种光纤因其成本优势和灵活性，占据最大的市场份额。

特种光纤的未来发展面临一些挑战，例如光纤的脆弱特性可能给处理带来技术挑战。特种光纤由小芯组成，处理起来很脆弱，容易因维护或安装而受到损坏。因此，需要更精确的处理方式，以防止光纤断裂影响网络可靠性和服务效率。

特种光纤作为新一代光纤技术的代表，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。随着技术的不断进步和应用场景的拓展，特种光纤将在未来的信息通信和智能化领域发挥越来越重要的作用。