超低膨胀玻璃空心光纤：实现室温光纤光学终极稳定性的突破

为解决传统单模光纤(SMF)和纯硅空心光纤(silica-HCF)因热致相位敏感性导致的信号传输不稳定问题，研究人员创新性地采用超低膨胀(ULE)玻璃制备空心光纤(ULE-HCF)。实验表明，该光纤在15°C时的热相位灵敏度低至8 ppb/°C，比SMF降低1700倍，传播时间热系数(TCD)达0.006 ps/km/°C，首次实现室温下接近零热敏感的光纤传输。这一突破为引力波探测、光纤陀螺仪等精密应用提供了革命性解决方案。

　　

在光通信、传感和精密测量领域，光纤技术的热稳定性一直是制约性能提升的关键瓶颈。传统单模光纤(SMF)因光-玻璃相互作用会产生约6.1 ppm/°C的热致相位变化，而新兴的纯硅空心光纤(silica-HCF)虽将这一数值降低至0.3 ppm/°C，仍无法满足引力波探测器、光纤陀螺仪等应用对亚ppm级稳定性的严苛需求。特别是在长基线干涉仪、量子计算机互联等前沿领域，环境温度波动导致的信号漂移已成为制约系统性能的核心问题。

为攻克这一难题，研究人员开创性地将航天级超低膨胀(ULE)玻璃引入空心光纤设计。通过精密控制含钛硅酸盐玻璃的组分，该材料在室温附近具有接近零的热膨胀系数(CTE)。研究团队采用创新的"堆叠-拉制"工艺，克服了ULE玻璃在1200-1728°C区间易析晶的技术障碍，成功制备出核心直径54μm、衰减低至70 dB/km的七管反共振结构光纤。

关键技术包括：(1)基于机械加工和玻璃车床拉伸的ULE管材预处理技术；(2)1900°C高温拉丝工艺避免玻璃失透；(3)双干涉仪法(马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪)精确测量热敏感性；(4)290μm大直径光纤设计结合24μm薄涂层方案，将涂层对热性能的影响降至最低。

【ULE-HCF设计、制备与表征】
通过优化单环反共振结构，研究人员设计的ULE-HCF在1550nm波段具有46μm核心和500nm包层管壁厚。扫描电镜显示制备的光纤截面均匀性良好，实测衰减谱与模拟结果高度吻合，主要损耗来源为限制损耗(50 dB/km)和微弯损耗(19 dB/km)。

【热相位灵敏度与TCD评估】
采用载波包络偏移稳定的光学频率梳锁定系统，测得51m ULE-HCF在15°C时的热相位灵敏度仅为8 ppb/°C，比silica-HCF降低58倍。通过剥离涂层实验证实，裸光纤性能与ULE玻璃本征CTE一致，验证了材料特性在加工过程中未受破坏。理论计算显示该光纤在1610nm波长可实现零TCD，在100nm带宽内TCD变化小于10 fs/km/°C。

这项研究首次证明ULE玻璃可用于光纤制备，创造了室温下热稳定性最优的光纤纪录。其意义在于：(1)为分布式地震监测、天文光谱仪等野外应用提供免温控的稳定光纤解决方案；(2)使光纤陀螺仪偏置漂移有望突破0.01度/小时的极限；(3)为千量级激光器相干合成等大尺度网络提供飞秒级时间同步基础。该成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，标志着光纤技术向"绝对稳定"迈出了关键一步。