科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

一種突破性的空芯光纖技術(shù)有望徹底改變現(xiàn)代光通信格局。美國(guó)微軟AzureFiber研究團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的這種光纖不再依賴傳統(tǒng)的實(shí)心玻璃導(dǎo)光，而是通過(guò)空氣傳輸光信號(hào)，其設(shè)計(jì)打破現(xiàn)有光纖在信號(hào)損耗方面的物理極限，顯著提升數(shù)據(jù)傳輸效率和距離。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·光子學(xué)》雜志。

當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的光纖主要由高純度石英玻璃制成，光信號(hào)在玻璃纖維中通過(guò)全反射原理進(jìn)行傳輸。盡管經(jīng)過(guò)數(shù)十年的材料與工藝優(yōu)化，玻璃本身對(duì)光的吸收和散射仍不可避免，導(dǎo)致信號(hào)隨距離增加而持續(xù)衰減。在典型的長(zhǎng)距離通信中，每傳輸約20公里，光信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)損失一半，因此必須依賴周期性部署的光纖放大器來(lái)中繼信號(hào)，尤其是在跨洋海底光纜等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中。然而，降低損耗的傳統(tǒng)方法往往局限于狹窄的波長(zhǎng)窗口，這嚴(yán)重限制了可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，成為制約通信帶寬進(jìn)一步提升的瓶頸問(wèn)題。

此次研究團(tuán)隊(duì)提出的新型光纖采用“空芯”結(jié)構(gòu)，其核心并非玻璃，而是空氣。光信號(hào)在空氣通道中傳播，周?chē)删茉O(shè)計(jì)的二氧化硅微結(jié)構(gòu)環(huán)陣列包裹，利用光子帶隙效應(yīng)將光有效約束在空氣芯內(nèi)，極大減少了與材料的相互作用。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該光纖在通信常用波長(zhǎng)下的光損耗低至每公里0.091分貝，遠(yuǎn)低于目前商用實(shí)心光纖的最低水平。這一突破意味著，在無(wú)需中繼放大的情況下，信號(hào)可傳輸?shù)木嚯x有望延長(zhǎng)約50%，大幅降低了長(zhǎng)距離通信的能耗與設(shè)備成本。

此外，該設(shè)計(jì)還展現(xiàn)出更寬的低損耗傳輸窗口，即在更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持信號(hào)的高保真度。這不僅提升了單根光纖的潛在數(shù)據(jù)容量，也為未來(lái)多波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。