01
光通信技术发展历程
人类对远距离通信的追求推动了数百年来的技术创新。从古代的夜间火焰信号到拿破仑时代的机械光学电报，再到1850年代突破性的电报系统，每一次进步都让我们更接近瞬时全球连接的目标。1858年第一条跨大西洋海底电报电缆传输摩尔斯编码信息的成功，标志着地理界限的缩小和通信技术的根本性变化。
20世纪初期，调制无线电波通过电离层反射实现远距离通信的发现进一步增强了通信能力，即使在没有直接连接和视线的情况下也能进行长距离通信。然而，无线电波通信固有的噪声、不可靠性和有限带宽促使人们开发能够同时传输多个语音通话的更高质量电缆。赫维赛德的同轴电缆配合适当开发的导电和绝缘材料，成为支撑长距离传输数十年的技术。
从同轴电缆向光纤的转变标志着通信技术的另一个重要里程碑。高锟和霍克汉在1960年代的开创性工作识别出使用纯化玻璃传输调制光信号到公里级距离的潜力，这导致康宁公司在1970年代开发出低损耗光纤。这一创新开启了数字光通信时代，在过去半个世纪中形成了全球电信网络的骨干，使互联网革命得以实现[1]。
图1：扫描电子显微镜显示的DNANF横截面图像(a)和测量与仿真损耗对比(b)，显示实验数据与理论预测在第一和第二反谐振窗口中的优异一致性。
02
中空芯光纤技术的科学原理
传统光纤通过固体玻璃芯传输光，由于材料固有的散射和吸收，这种方式限制了性能。本研究描述的突破性方法采用根本不同的策略：通过精心设计的玻璃微结构包围的空气芯引导光。这种中空芯设计，专门称为双嵌套反谐振无节点光纤(DNANF)，代表了光波导技术的范式转变。
这一创新背后的原理基于反谐振效应和受抑耦合机制。微结构包层不是将光限制在玻璃内，而是创造了光优先保留在中央空气区域的条件。这种方法消除了困扰传统实芯光纤的许多基本损耗机制，特别是为硅基波导设定理论最小损耗限制的瑞利散射。
制造这些光纤的工程挑战涉及对三种主要损耗机制的精确控制：泄漏损耗、表面散射损耗和微弯损耗。每种机制对光纤几何特征和工作波长的响应不同，需要复杂的建模和制造技术来实现最佳性能。研究人员开发了综合模型，能够准确预测光纤在多个反谐振传输窗口中的行为，实现设计参数的系统优化。
图2：制造的15公里HCF2光纤的完整表征，显示(a)扫描电子显微镜横截面、(b)双向OTDR测量、(c)带置信区间的综合损耗测量，以及(d)特定波长带的详细损耗分析。
03
破纪录的性能成就
实验结果展示了超越所有以往光纤成就的卓越性能。制造的光纤HCF2在关键的1550纳米波长处测得损耗仅为0.091 dB km⁻¹，代表了任何光波导中记录的最低衰减。这一成就突破了限制传统硅光纤超过四十年的基本屏障。
也许比最小损耗值更令人印象深刻的是卓越的带宽性能。光纤在令人印象深刻的144纳米波长范围内保持低于0.1 dB km⁻¹的损耗，对应18太赫兹的可用带宽。当考虑损耗低于0.2 dB km⁻¹的更广操作窗口时，光纤支持从1250到1730纳米跨越的非凡66太赫兹带宽。这代表比当前电信光纤的260%改进，后者通常仅提供约25太赫兹的可比性能。
综合表征涉及多种测量技术以确保准确性和可靠性。光时域反射测量确认了整个15公里光纤长度上的均匀损耗分布，而多次回切测量为光谱损耗特性提供了统计置信度。光纤还表现出优异的模式纯度，模间干扰低于负70 dB km⁻¹，确保适合长距离传输应用的信号质量。
图3：新DNANF技术与最先进纯硅芯光纤的直接比较，显示(a)跨波长范围的损耗特性和(b)色散特性，突出了中空芯方法的优越带宽和减少的色散。
04
额外性能优势和技术特点
除了显著的损耗特性外，这种中空芯光纤技术还提供几个额外优势，使其对下一代通信系统特别有吸引力。色散的减少代表另一个重大突破，光纤在1550纳米处表现出比传统光纤少七倍的色散。从21.8到仅3.2皮秒每纳米每公里的显著减少简化了数字信号处理要求，无需色散补偿即可实现更长的传输距离。
该技术还在传输速度方面提供实质性改进，理论计算表明比传统光纤增加45%。这种增强源于光通过空气与玻璃传播方式的根本差异，有效折射率更接近真空值。此外，中空芯设计几乎消除了可能在高功率传输场景中降低信号质量的光非线性效应，为传输数量级更高的光功率创造了可能。
制造过程涉及复杂的堆叠和拉制技术，其中精确设计的玻璃毛细管围绕中央空气芯组装。约500纳米的关键膜厚必须以卓越的均匀性维持，以实现所需的反谐振特性。制造过程中的质量控制需要先进的表征方法，包括用于尺寸验证的扫描电子显微镜和跨多个波长范围的综合光学测试。
图4：优化DNANF性能的理论预测，显示(a)从700到2400纳米多个波长带的潜在操作和(b)通过更大芯设计实现损耗减少的可能性，指示接近0.01 dB km⁻¹的更低衰减值的路径。
05
未来发展和技术影响
这一突破的影响远远超出了简单实现更低损耗值的范围。理论建模表明，DNANF技术可以适应在空前的波长范围内最佳操作，从可见光谱的700纳米到中红外的2400纳米以上。这种灵活性为光通信系统开辟了全新的可能性，可能实现在已存在更宽带宽放大器的波长下操作。
例如，在1060纳米附近操作的钇基放大器提供13.7太赫兹的增益带宽，而铋掺杂放大器可以在O、E和S波段提供21太赫兹。在2000纳米附近的铥和钬放大器提供更令人印象深刻的31.5太赫兹带宽。通过调整DNANF设计在这些波长区域操作，通信系统可能访问比当前传统C和L波段系统多五到十倍的带宽。
研究还展示了接近0.01 dB km⁻¹水平的更低损耗值的路径。通过扩大芯直径并使用更硬的玻璃结构和增强涂层优化机械设计，理论模型预测40微米芯的损耗减少到0.033 dB km⁻¹，50微米芯的损耗减少到0.018 dB km⁻¹。虽然这些更大的光纤由于减少的灵活性和更大的弯曲半径会带来安装挑战，但在需要终极传输性能的特定应用中，性能优势可能证明这些权衡是合理的。
06
对未来通信的意义
光纤技术的这一突破在波导光学系统领域取得了新的进展。实现低于0.1 dB km⁻¹的损耗结合优异的带宽能力，使中空芯DNANF技术在未来通信网络中具有应用潜力。该技术不仅提供了更低的衰减，还在色散特性、非线性抑制和传输速度方面有所改进。
这项技术的应用范围包括电信、远程激光传输、科学仪器以及需要在较长距离上进行低损耗光传输的其他领域。随着制造工艺的改进和生产规模的扩大，这项技术可能有助于满足对数据传输容量不断增长的需求，同时提高能源效率并延长无放大传输距离。
该技术的成功验证表明，通过创新的波导设计方法可以克服一些以前认为难以解决的技术限制。随着研究的深入和制造技术的完善，中空芯光纤技术可能在下一代通信网络中发挥重要作用。当然，从实验室成果到大规模商业应用还需要解决成本控制、可靠性验证和生产工艺标准化等实际问题。
参考文献
[1] M. Petrovich, E. N. Fokoua, Y. Chen, H. Sakr, A. I. Adamu, R. Hassan, D. Wu, R. F. Ando, A. Papadimopoulos, S. R. Sandoghchi, G. Jasion, and F. Poletti, "Broadband optical fibre with an attenuation lower than 0.1 decibel per kilometre," Nature Photonics, 2025, doi: 10.1038/s41566-025-01747-5.
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