在光通信、光纤传感和精密测量等领域，温度波动是影响系统稳定性的重要因素。传统实芯光纤因石英玻璃的热光效应和热膨胀效应，对温度变化较为敏感，可能导致时延变化和测量误差。特别在长距离传输应用中，温度变化带来的误差会显著影响系统的稳定性和精度。近年来，空芯光纤（Hollow Core Fiber, HCF）凭借其独特的气体导光机制，展现出了大幅降低光纤系统温度敏感性的潜质，在高精度光学应用中备受关注。
本文将带你深入了解空芯光纤的温度敏感性机理，剖析降低温度影响的创新技术，探究在特定条件下实现空芯光纤零温度敏感性的可能，并展望该方向的研究对推动光学干涉仪、光纤陀螺、数据中心时钟同步等精密系统在复杂环境下稳定运行的应用前景。
研究背景
温度对光纤系统的影响主要通过热光效应和热膨胀效应作用于光波的传播，导致光的相位和时延发生变化，从而引发系统信号的不稳定性和测量误差。对于传统实芯光纤而言，温度引起的折射率变化是主要影响因素，特别是在高精度通信和测量系统中，温度波动可能造成信号延迟抖动、相位畸变或误差，进而影响系统的稳定性和精度。
相较之下，空芯光纤通过气体导光的方式，显著减少了玻璃材料的热光效应，降幅可达三个数量级，使得热膨胀效应和波导效应成为温度敏感性的主导因素。研究表明，空芯光纤的温度敏感性比实芯光纤降低了20-30倍，使其在温度变化较大的环境中表现出更稳定的传输性能，特别适用于高精度光学应用场景。
在排除了玻璃介质影响之后，不同类型的空芯光纤在温度敏感性方面也表现出迥然不同的特征：
· 光子带隙空芯光纤（PBG-HCF）的温度敏感性主要由通光带宽和工作波长决定，只能在较窄的波长区域实现极低温度系数。在实际应用中，这一特殊波长区域还会受到偏振串扰效应的影响，目前的技术无法克服这一缺点。
· 反谐振空芯光纤（AR-HCF）的温度敏感性则具有宽带特征，偏振串扰也显著降低。不过在这类空芯光纤中，绝对的零温度敏感性较难设计，只能通过改变环境温度、调节内部气体流动、补偿热膨胀系数等措施来做一定程度的优化。
图1(a)光子带隙空芯光纤（7-cell）和(b)反谐振空芯光纤（NANF）典型结构示意图
主要内容
空芯光纤的温度敏感性主要受以下三个因素影响：
· 光纤包层玻璃骨架的热膨胀效应：温度变化会引起包层尺寸在纵向和横向两个方向上变化，不仅会导致光纤长度变化，也会造成导光窗口漂移。
· 纤芯气体的热光效应：温度波动可能导致纤芯气压变化，如果允许气体流入或流出纤芯，将会导致空芯光纤的模式折射率发生变化。
· 通光窗口引起的波导效应：对于有窄带通光特性的光子带隙空芯光纤（PBG-HCF），通光窗口相对于工作波长的漂移会造成附加的温度敏感性，而反谐振空芯光纤（AR-HCF）则较少受到这一影响。
表1. 空芯光纤与实芯光纤的温度敏感性对比
注释：TCD为温度时延系数，Sφ为温度相位系数，数值越小表示温度敏感性越低。空芯光纤相比实芯光纤温度敏感性降低约20~30倍。
为了进一步降低空芯光纤的温度敏感性，研究人员提出了以下优化方案：
· 优化光纤的外部结构：减少涂覆层厚度，或采用低膨胀系数材料（如微晶玻璃）作为绕盘，降低热膨胀效应。
· 调节纤芯气体压力与成分：利用气体流入或流出对热膨胀效应进行补偿。研究表明，控制开口结构反谐振空芯光纤的纤芯气压可将温度相位系数降至0.2 rad/m/K。
· 创新光纤环绕制工艺：通过环圈绕制和凝胶固定，以环圈内外层之间的相互挤压自动补偿温度变化引起的光纤长度变化，使光纤环圈整体的温度敏感性趋近于零。
图2(a)设计薄涂覆层(b)将空芯光纤缠绕在光纤环上并固定(c)空芯光纤中气体受热流动示意图
低温度敏感性的空芯光纤在多个高精度传输领域展现了巨大应用潜力：
· 光学干涉仪：在高精度光学测量中，温度波动会导致相位干涉信号不稳定。低温度敏感性空芯光纤能够大幅降低相位漂移，提高测量精度。
· 光纤陀螺：在惯性导航系统中，光纤陀螺仪是测量转动速度的重要器件，空芯光纤能够减少温度变化对顺时针/逆时针光程差的影响，提高角速度测量精度，适用于极端环境应用。
· 数据中心时钟同步：在高速光通信领域，空芯光纤的链路性能可以在较大温度范围内保持稳定，减少时延抖动和误码率，提高数据传输可靠性。
· 量子通信 & 稳定时频传输：在量子光学信息处理和高精度时频传输系统中，空芯光纤能够有效抑制温度引起的时延波动。
图3低温度敏感性的空芯光纤应用场景图（a）低温度敏感性马赫-曾德尔干涉仪示意图（b）光纤陀螺中Shupe效应示意图（c）低温度敏感性法布里-珀罗干涉仪示意图（d）光电振荡器示意图（e）数据中心光交换链路示意图（f）基于空芯光纤的光频梳传输系统示意图
结论
本文综述了空芯光纤的温度敏感性来源，并总结了近年来降低温度敏感性的代表性技术。研究表明，相较传统实芯光纤，空芯光纤的温度时延系数（TCD）和温度相位系数（Sφ）可降低20-30倍。未来的研究将围绕光纤材料优化、包层结构改进、气体流动特性调控及智能温控技术等方向展开，以进一步提升空芯光纤的温度稳定性。
低温度敏感性空芯光纤在精密测量、航空航天、量子通信等高精度光学应用中具有广阔的前景，并将在未来推动光纤系统在复杂环境中的稳定运行。
作者及团队介绍
孙一之
孙一之，2019年博士毕业于在北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院光学工程专业。2019年加入暨南大学光子技术研究院，任讲师。主要从事空芯光纤和微纳光子学的研究工作，包括反谐振空芯光纤性质研究、光学测量和近场显微光学等方面，共发表SCI收录论文20余篇，并且多次在国际会议上做报告。
丁伟
丁伟，暨南大学物理与光电工程学院研究员，博士生导师。先后获得北京大学学士、硕士学位及英国巴斯大学博士学位（导师Philip Russell教授为光子晶体光纤发明人）。主要研究方向涵盖反谐振空芯光纤、空芯光纤通信、非线性波导光学、近场光学及微纳光纤等领域。在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research等国际顶级期刊发表论文70余篇，授权发明专利10余项。研究成果获《中国激光》“2018中国光学十大进展”应用研究类奖项。作为美国光学学会高级会员（匿名推荐），丁伟研究员同时担任领纤科技（南通）有限公司首席科学家、鹏城实验室访问学者等职。2024年作为光网络领域专家，受邀参与科技部《未来5-10年重点科技发展方向部署建议》的起草工作。
暨南大学光子技术研究院微结构光纤团队长期致力于微结构光纤的制备工艺、表征技术及应用研究，尤其在反谐振空芯光纤领域取得了一系列具有国际影响力的突破性成果。团队研发的系列产品已在光纤通信、激光传输等领域实现工程应用。
文章信息
孙一之，吴贺林，高寿飞，等.空芯光纤温度敏感性研究进展(特邀)．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20240561. DOI: 10.3788/IRLA20240561
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20240561（阅读原文）