通過空氣而非玻璃傳輸光信號——空芯光纖打破光損耗物理極限

科技日報記者 張夢然

一種突破性的空芯光纖技術有望徹底改變現代光通信格局。美國微軟AzureFiber研究團隊最新研發的這種光纖不再依賴傳統的實心玻璃導光，而是通過空氣傳輸光信號，其設計打破現有光纖在信號損耗方面的物理極限，顯著提升數據傳輸效率和距離。相關成果發表於最新一期《自然·光子學》雜誌。

當前通信網絡廣泛使用的光纖主要由高純度石英玻璃製成，光信號在玻璃纖維中通過全反射原理進行傳輸。儘管經過數十年的材料與工藝優化，玻璃本身對光的吸收和散射仍不可避免，導致信號隨距離增加而持續衰減。在典型的長距離通信中，每傳輸約20公里，光信號強度就會損失一半，因此必須依賴週期性部署的光纖放大器來中繼信號，尤其是在跨洋海底光纜等關鍵基礎設施中。然而，降低損耗的傳統方法往往侷限於狹窄的波長窗口，這嚴重限制了可同時傳輸的數據量，成為制約通信帶寬進一步提升的瓶頸問題。

此次研究團隊提出的新型光纖採用“空芯”結構，其核心並非玻璃，而是空氣。光信號在空氣通道中傳播，周圍由精密設計的二氧化硅微結構環陣列包裹，利用光子帶隙效應將光有效約束在空氣芯內，極大減少了與材料的相互作用。在實驗室測試中，該光纖在通信常用波長下的光損耗低至每公里0.091分貝，遠低於目前商用實心光纖的最低水平。這一突破意味着，在無需中繼放大的情況下，信號可傳輸的距離有望延長約50%，大幅降低了長距離通信的能耗與設備成本。

此外，該設計還展現出更寬的低損耗傳輸窗口，即在更寬的波長範圍內保持信號的高保真度。這不僅提升了單根光纖的潛在數據容量，也為未來多波長複用技術的進一步發展提供了更大空間。研究人員指出，空芯光纖不僅能提升45%傳輸速度，還能在不犧牲帶寬的前提下實現更遠距離的數據傳輸。