空芯光纤：让低频声波探测听得更清、更无惧温度漂移 | 亮点

Photonics Research 2026年第5期Editors’ Pick： 

Meng Ding, William Luocheng Wu, Thomas W. Kelly, Gregory T. Jasion, Ian A. Davidson, Ali Masoudi, Paul White, Francesco Poletti, Radan Slavík, "Towards low-frequency acoustic sensing using antiresonant hollow-core fibers," Photonics Res. 14, 1883 (2026)

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低频声学探测是地震与海啸预警、海洋远程探测、地质活动监测及复杂装备健康监测等领域的重要技术。由于低频声波与环境温度变化引起的光纤相位漂移在频域上高度重叠，传统光纤声学传感器长期受到温度交叉敏感性的制约，难以兼顾高声学灵敏度与高温度稳定性。针对这一问题，英国南安普顿大学光电子研究中心Radan Slavík教授团队和Paul White教授团队提出了一种基于反谐振空芯光纤的低频声学传感新方案，通过光纤材料、空芯结构与涂覆层参数的协同设计，从传感光纤本体上降低温度干扰。实验结果表明，石英空芯光纤相较标准单模光纤的声学“热稳定性”综合品质因子提升14~28倍；采用超低膨胀玻璃制备的空芯光纤在保持相当声学灵敏度的同时，将热灵敏度降低超过3个数量级，综合品质因子提升超过1000倍。该项工作为突破低频光纤声学传感中的温度漂移瓶颈提供了新的材料与结构路径，在海洋探测、地震监测、深海资源勘探及航空航天装备健康监测等领域具有重要应用潜力。

——张俊文教授，复旦大学

Photonics Research 青编委

低频声波传播衰减小、穿透能力强，可在海洋、地层中远距离传播，是地震/海啸预警、火山活动监测、海洋远程探测等领域的核心探测信号。传统压电水听器易受电磁干扰、自噪声高，难以满足复杂环境下的长期、远距离监测需求。光纤声学传感器凭借抗电磁干扰、体积小、可分布式布设、远距离传输等优势，成为低频声学探测的重要发展方向。

然而，低频光纤声学传感长期面临一个瓶颈——温度漂移干扰。环境温度变化会引起光纤相位漂移，且该漂移信号与目标低频声信号频段高度重叠，导致传感器难以区分真实声波与温度噪声，严重降低探测精度。在海洋、地下、发动机舱、高低温交变等场景中，这种温度交叉敏感性尤为突出，制约了光纤声学传感的实际应用。

为应对以上挑战，英国南安普顿大学光电子研究中心（Optoelectronics Research Centre, ORC）Radan Slavík教授团队成员丁孟博士（现已入职中国科学院上海光机所）联合南安普顿大学声学与震动研究所Paul White教授团队成员吴罗柽博士，提出利用空芯光纤检测低频声波的新方案，团队首创的基于超低膨胀玻璃的空芯光纤，可以有效抑制声压-温度交叉敏感度3个数量级以上。相关成果以“Towards low-frequency acoustic sensing using antiresonant hollow-core fibers”为题发表于Photonics Research 2026年第5期。

研究团队聚焦的反谐振空芯光纤（AR-HCFs）与传统实心单模光纤截然不同——光主要在空气芯中传播，而非实心玻璃芯，从而大幅削弱了光与玻璃材料的相互作用。这一独特结构不仅天然降低了温度敏感性（抑制玻璃热光效应），同时由于更低的有效杨氏模量增强声学响应，有望从传感器本体层面解决“声学灵敏”与“温度稳定”的矛盾。

理论层面，团队建立了空芯光纤声压–温度耦合响应模型，将复杂的反谐振结构简化为带涂覆层的空心圆柱，系统分析了包层直径、空气孔尺寸、涂覆层厚度、涂覆层杨氏模量、泊松比等关键参数对声学灵敏度、热灵敏度的影响规律；同时引入声学–热稳定性综合品质因子（FoM），量化光纤在“高声学响应”与“低温度串扰”间的平衡能力，为光纤结构优化提供明确设计准则。

实验层面，团队制备并测试了4种空芯光纤，包括3种石英基反谐振空芯光纤和1种团队首创的掺钛超低膨胀（ULE）玻璃空芯光纤。实验将光纤绕成直径10 cm环置于水槽，激励100~1000 Hz低频声波，通过3*3干涉仪解调光纤相位变化，同步对照标准单模光纤性能。实验结果与理论模拟高度吻合，验证了模型的可靠性。

该研究的核心突破是：石英基空芯光纤的综合性能较标准单模光纤提升14~28倍，可显著抑制温度干扰；ULE玻璃空芯光纤实现卓越性能——声学灵敏度与标准单模光纤相当，热灵敏度降低超3个数量级，综合品质因子提升超1000倍，为突破低频光纤声学传感中的温度漂移瓶颈提供了新的材料与结构路径。

该工作的创新价值在于：系统揭示反谐振空芯光纤声学–热响应的设计规律，证实材料与结构协同优化可实现“高灵敏+低温漂”的双重目标；进一步验证了ULE玻璃空芯光纤的极端温度稳定性，为下一代高性能光纤声学传感器开辟全新材料与结构路径。未来可广泛应用于海洋声学探测、地震/火山监测、深海资源勘探、航空航天发动机健康监测等场景。

第一作者丁孟博士表示：“低频传感的核心痛点，是真实环境下声信号与温度漂移的强耦合。空芯光纤跳出了‘后端补偿温度’的传统思路，从光纤材料与结构源头降低温度敏感性，为低频声学传感的实用化提供了关键光纤支撑，是光纤传感领域的重要突破。”

后续工作将聚焦三个方面：1. 优化涂覆材料（如低模量、低泊松比涂层），进一步提升ULE空芯光纤声学响应、降低热灵敏度；2. 优化光纤结构参数，平衡低损耗与高传感性能；3. 结合分布式光纤传感技术，推进空芯光纤在长距离、复杂环境下的工程化应用，助力低频声学传感技术落地。

主要作者简介

丁孟，中国科学院上海光学精密机械研究所青年领军研究员，博士生导师。长期在英国南安普顿大学光电子研究中心从事温度不敏感空芯光纤器件与稳频、传感等应用的研究，曾参与多个空芯光纤重大项目，在Science Advances、Laser & Photonics Review、Photonics Research 等期刊与会议发表论文40余篇。2026年4月以中国科学院青年人才计划身份加入中国科学院上海光机所。

吴罗柽（William Wu），英国南安普顿大学讲师，博士生导师，玛丽居里学者，从事水声信号处理以及海洋声学传感研究，在相关领域国际学术期刊与会议上发表论文10余篇，如Journal of the Acoustical Society of America、Photonics Research、Ocean & Coastal Management 等。多次参与英国政府、企业及欧盟地平线计划的项目研究，主持英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）项目2项。

Radan Slavík，英国南安普顿大学光电子研究中心教授，博士生导师，先进光纤应用课题组负责人。聚焦新型空芯光纤的实用化研发，并拓展其在时频计量、量子技术、光通信、传感等多领域的应用，近期的贡献包括低损耗空芯光纤连接、分布式空芯光纤性能表征等。在Nature Photonics、Science Advances、Photonics Research 等期刊与会议发表论文200余篇。Radan Slavík教授是国际电气与电子工程师学会（IEEE）会士、美国光学学会（Optica）会士。

撰稿 | 丁孟

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[2].Yinghui Zhang, Yizhi Sun, Zijie Yang, Shoufei Gao, Yingying Wang, Wei Ding, "Selectively SF₆-filled conjoined-tube hollow-core fibers for low-loss, bend-resistant LP11 mode transmission at visible wavelengths," Photonics Res. 14, 356 (2026)

[3].Weihua Song, Yu Wen, Qian Zhang, Xin Zhang, Pu Wang, "All-fiber-structure high-power mid-infrared gas-filled hollow-core-fiber amplified spontaneous emission source," Photonics Res. 13, 1137 (2025)