T比特空芯光纤光传输系统应用展望

        近两年生成式AI大模型驱动算力需求倍增，光网作为算力设施基石，继续向低时延、大带宽、超长距演进。过去的50年，基于全内反射原理的实芯单模光纤的光纤通信系统受光纤折射率、损耗、非线性效应限制，通信时延、单纤容量、传输距离均已触及技术发展的天花板，亟需全新光纤体系破局。

        反谐振空芯光纤因其超低时延、超低损耗、超低非线性三大颠覆特性，被业内誉为“新一代传输介质”，近1年来发展迅速。该技术自2007年巴斯大学提出以来，经历了多轮结构演变，2022年，英国南安普顿大学ORC中心的空芯光纤小组优化得到最低损耗达0.174dB/km的5单元双层嵌套管空芯光纤（DNANF-5），并于2024年和微软公司进一步实现了损耗系数达0.08±0.03 dB/km的DNANF-5；同年国内长飞光纤、领纤科技也相继报道了损耗0.1dB/km级并具备单次拉丝长度10km级的成果。至此，反谐振空芯光纤在损耗上超越了实芯单模光纤，空芯光纤降损突破已基本完成。

空芯光纤特性与应用解析

        空芯光纤凭借超低时延、超低损耗、超低非线性三大颠覆特性，在光传输诸多应用场景有望带来低时延、可靠性、降低组网成本等应用价值，预计在低时延智算间互连、低时延金融高频交易、电力低时延继保业务、超长距组网以及下一代T比特超高速长距光传输系统中有广泛应用，在多个性能指标中相比单模光纤改进显著。

超低时延特性与应用

        在空芯光纤中光传输介质由玻璃转为空气，传输速度由2×108提升至光速，相比单模光纤时延降低30%，即每公里带来1.5µs的时延收益。在智算互连场景中，在开展跨智算集群分布式协同训练数据并行DP、流水线并行PP时，参考业界的智算拉远测试验证，通信时延并不能通过优化算法完全掩盖，导致算效劣化，而空芯光纤带来的时延节省，可缓解因时延导致的算力资源浪费，为大规模智算集群的高效协同提供物理层的关键支撑。在金融高频交易场景中，为最大程度降低通信时延，券商们尽可能将服务器安置在交易所内，但仍有大量服务器无法就近部署，空芯光纤及配套设备无疑将引发新一代金融专线升级。自2020年以来，国外已铺设至少两条反谐振空芯光缆用于建设金融专线，2024年底，微软宣称将在未来24个月部署15000km空芯光纤用于其数据中心互连以及AI大模型训练。在电力行业，高压输电需要在继电保护装置间同步差动保护信息，行业一般约束单向传输时延≤10ms，以满足继电保护速动性要求，空芯光纤有效降低链路时延，保证超长距输电继电保护故障处置响应时间。

超低损耗特性与应用

        实芯单模光纤受瑞利散射限制，损耗难以突破0.14dB/km，而反谐振空芯光纤国内外均已实现0.1dB/km级别超低损耗系数，并在国内多地成缆后C波段4THz内平均损耗可保证0.15dB/km水平。在中长距骨干城域传输场景，相比G.652D光纤，空芯光纤的损耗系数优化0.05dB/km，按标准等跨80km模型，将带来4dB信噪比优化，可颠覆性提升传输距离/余量，减少中继数，带来组网成本和转发时延降低。在电力超长距传输场景，同样300km单跨传输，空芯光纤可带来近15dB收益，从而降低电力超长距骨干组网成本。

超低非线性特性与应用

        空芯光纤非线性系数相比实芯普通单模光纤可降低3~4个数量级，消除了光纤通信系统与香农限间的非线性瓶颈，由此可使用大功率传输高阶QAM信号，用功率换取接收端的信噪比提升。另一方面，单模光纤波段扩展导致的拉曼功率转移问题在空芯光纤中也将不再是约束，理论上空芯光纤可支持超宽带密集波分复用。经评估在长距传输场景，空芯光纤相比单模光纤可提升传输容量2~3倍。在中长距骨干城域场景，单模G.652光纤长距干线传输需要400G QPSK 130+GBd配置在GHz频谱间隔，而空芯光纤中可使用3倍谱效的1.2T 64QAM再结合大功率放大器配置，依然可实现长距传输，由此实现光层简化、降低组网成本。面向下一代Gen200+光传输，利用空芯光纤超低非线性特性，使用大功率光放可使1.6T PS-64QAM具备长距传输能力，其传输距离相比单模光纤提升近10倍。

中兴通讯空芯光纤光传输系统应用探索

        2023年，中兴通讯联合中国移动研究院提出了一种基于高阶QAM传输产生非线性相移的非线性系数测量方案，并使用大功率光放大器放大400G 64QAM信号在1km空芯光纤中传输成功验证空芯光纤Kerr非线性系数小于单模光纤3个数量级。

        2024年，随着空芯光纤损耗、单次拉丝长度显著提升，中兴通讯联合长飞公司首次演示了单波入纤功率达到3W的1.2T PS-64QAM在20km反谐振空芯光纤中无代价传输，同时也证明了空芯光纤中极低的拉曼功率转移，为超高速、超宽带大容量传输系统应用奠定基础。

        自2024年5月，中国移动、中国电信先后在国内铺设空芯光缆，中兴通讯联合中国电信在其杭州智算中心和杭州分公司义桥IDC数据中心间铺设了10.4km2芯空芯光纤，通过光纤环回，演示了首个C+L波段单波1.2T与800G混合速率，单纤容量超100Tbps的超低时延数据中心互连。

        同年9月，中兴通讯联合中国移动在其无锡梨园和苏南数据中心间，演示了国内首个超低损耗（最低损耗达0.13dB/km）空芯光缆C+L波段800G传输性能，并在现网发现CO2气体吸收工程问题，该问题目前也成为业内公认空芯光纤应用亟待解决的关键问题之一。

        为进一步探索空芯光纤在大容量、长距传输方面的潜力，中兴通讯先后在实验室开展了空芯光纤S+C+L波段100km单纤双向377.6T超大容量传输，将当前单纤容量纪录提升了超过1.5倍。具体而言，利用自研硅光外腔nano封装的大功率S波段可调谐激光器极大改善S波段发射端光信噪比以及接收机灵敏度，采用Flex Shaping算法针对信道特性选择波特率、传输码型和信道间隔，在C波段配置85GBd PS-144QAM放在87.5GHz栅格，L波段配置98GBd PS-144QAM放在100GHz栅格并在S波段配置49GBd PS-144QAM放在50GHz栅格内。进一步为改进滤波以及器件带宽问题，使用光域均衡光谱整形算法进行补偿，最终达成了指标。在长距传输能力方面，在实验室演示了单波>1Tbps传输距离超10000km空芯光纤长距传输世界纪录，相比同速率下单模光纤传输距离提升至少10倍。这里正是利用空芯光纤超低非线性特性，采用大入纤功率提升传输后信噪比的结果，在超长距传输过程中的模间干扰效应、带内不平坦效应以及滤波效应也将突显，针对这些问题中兴通讯也分别做了空芯光纤指标择优和算法择优工作。由此可见，高阶QAM调制、大功率光放大器以及信道损伤补偿算法在释放空芯光纤系统传输能力方面尤为重要，中兴通讯正在积极开展上述器件与算法的研究，重点评估工程应用所需指标的可行性与必要性。

空芯光纤应用挑战与展望

        尽管空芯光纤几乎在关键参数上全面优于实芯单模光纤，但距离商用仍有大量的问题有待解决。空芯光纤内气体例如CO2和水汽均会在特定频点产生宽度、分布不均的气体吸收特征峰，当业务光传输时频谱会产生“凹坑”，对信号调制解调以及时钟稳定性产生极大影响，限制了波分复用频谱可使用范围（见图1）。通过Hitran数据库结合空芯光纤环境中气压、温度以及分子密度可半定量分析出气体吸收特性。目前亟需光纤厂家光纤拉制工艺方面的改进以及设备厂家开展气体吸收算法补偿相关研究。另一方面，反谐振空芯光纤在导光机理上不支持完全消除高阶模式，且光纤的连接点、弯曲盘绕等各种机械因素都可能导致激发高阶模，造成模间干涉（IMI）效应，该效应在超长距传输时影响逐步突显，需重点优化。

        在运维方面，空芯光纤由于背向散射系数比单模光纤低30dB，原光时域检测仪可测量动态范围将显著劣化14dB~15dB，另外熔接点处压差将使得外界气体吸入空芯光纤，产生气体密度的差异，由此在熔接点处的反射峰会产生“鼓包”，导致策略盲区增大，以上需要光检测器件与算法同时优化补偿差距。

        最后，当前阶段空芯光纤结构还未标准化，同时受工艺、产能等诸多原因限制，其当前售价高于单模光纤2000倍，限制了其大规模应用。未来，中兴通讯愿继续携手产业上下游合作伙伴，推动空芯光纤系统由技术验证迈向商用部署。