通过空气而非玻璃传输光信号——空芯光纤打破光损耗物理极限

科技日报记者 张梦然

一种突破性的空芯光纤技术有望彻底改变现代光通信格局。美国微软AzureFiber研究团队最新研发的这种光纤不再依赖传统的实心玻璃导光，而是通过空气传输光信号，其设计打破现有光纤在信号损耗方面的物理极限，显著提升数据传输效率和距离。相关成果发表于最新一期《自然·光子学》杂志。

当前通信网络广泛使用的光纤主要由高纯度石英玻璃制成，光信号在玻璃纤维中通过全反射原理进行传输。尽管经过数十年的材料与工艺优化，玻璃本身对光的吸收和散射仍不可避免，导致信号随距离增加而持续衰减。在典型的长距离通信中，每传输约20公里，光信号强度就会损失一半，因此必须依赖周期性部署的光纤放大器来中继信号，尤其是在跨洋海底光缆等关键基础设施中。然而，降低损耗的传统方法往往局限于狭窄的波长窗口，这严重限制了可同时传输的数据量，成为制约通信带宽进一步提升的瓶颈问题。

此次研究团队提出的新型光纤采用“空芯”结构，其核心并非玻璃，而是空气。光信号在空气通道中传播，周围由精密设计的二氧化硅微结构环阵列包裹，利用光子带隙效应将光有效约束在空气芯内，极大减少了与材料的相互作用。在实验室测试中，该光纤在通信常用波长下的光损耗低至每公里0.091分贝，远低于目前商用实心光纤的最低水平。这一突破意味着，在无需中继放大的情况下，信号可传输的距离有望延长约50%，大幅降低了长距离通信的能耗与设备成本。

此外，该设计还展现出更宽的低损耗传输窗口，即在更宽的波长范围内保持信号的高保真度。这不仅提升了单根光纤的潜在数据容量，也为未来多波长复用技术的进一步发展提供了更大空间。研究人员指出，空芯光纤不仅能提升45%传输速度，还能在不牺牲带宽的前提下实现更远距离的数据传输。