突破性低损耗空心微结构光纤：实现0.091 dB km-1衰减与66 THz超宽传输窗口

研究人员针对传统石英光纤衰减极限（0.14 dB km-1）和带宽限制（26 THz）的瓶颈问题，开发出双嵌套反谐振无节点空心光纤（DNANF）。通过空气导光与微结构设计，实现创纪录的0.091 dB km-1@1550 nm衰减和66 THz（1250-1730 nm）超低损耗窗口，较传统光纤提升45%传输速度并降低7倍色散。该成果发表于《Nature Photonics》，为长距离通信与激光传输开辟新范式。

　　

在人类通信技术发展史上，每一次传输介质的革新都深刻改变着社会形态——从19世纪跨大西洋电报电缆到20世纪同轴电缆，再到1970年代低损耗石英光纤的问世。然而近半个世纪以来，光纤通信始终面临两个难以突破的物理极限：石英材料本征衰减的"天花板"（0.14 dB km^-1）和有限的传输带宽（约26 THz）。这些限制迫使全球通信网络不得不密集部署中继放大器，并将信号压缩在狭窄的C+L波段（4.5 THz）。

为突破这一困境，南安普顿大学Francesco Poletti团队另辟蹊径，摒弃传统实心玻璃导光思路，转而开发空气导光的双嵌套反谐振无节点空心光纤（Double Nested Antiresonant Nodeless Hollow Core Fibre, DNANF）。这种革命性设计通过精密调控亚波长级玻璃膜厚度（约500 nm），使光波在空气芯中借助反谐振效应传导，从根本上规避了玻璃材料的散射与吸收损耗。

研究团队采用三项关键技术：1）基于15种不同DNANF样本的损耗模型校准，整合泄漏损耗（LL）、表面散射损耗（SSL）和微弯损耗（μBL）的量化分析；2）两级堆叠拉制工艺，独立控制三组嵌套玻璃管（直径7.0-31.7 μm）的气压与几何参数；3）双向光时域反射仪（OTDR）与五次截断法验证15 km长光纤的均匀性。

纤维制造与表征

通过优化29.5 μm直径空气芯周围的五层嵌套玻璃管结构，实现1550 nm波长0.091 dB km^-1的实测衰减，较传统石英光纤降低35%。

分布式测量显示该衰减在18 THz（1481-1625 nm）带宽内稳定低于0.1 dB km^-1，并在66 THz（1250-1730 nm）范围保持<0.2 dB km^-1。

与现有技术的比较

相较于2024年纯硅芯光纤（PSCF）记录（0.1397 dB km^-1），DNANF在54.3 THz带宽内实现<0.14 dB km^-1衰减。

更突出的是其色散系数仅3.2 ps nm^-1 km^-1@1550 nm，比PSCF降低7倍，且偏振模色散（0.1 ps km^-1）满足长距传输需求。

未来优化潜力

理论模拟表明，通过调整微结构尺寸可将低损耗窗口调谐至850-2000 nm任意波段。

若将芯径扩大至50 μm并增强光纤刚度，衰减可进一步降至0.018 dB km^-1，接近海底通信电缆的无中继传输需求。

这项发表于《Nature Photonics》的研究标志着光纤技术40年来最重大的突破。DNANF不仅以更低的损耗和更宽的带宽重新定义了传输介质标准，其空气导光特性还带来三重衍生优势：1）光非线性效应可忽略不计，避免高功率下的信号畸变；2）支持30%的延迟降低；3）兼容现有掺铒光纤放大器（EDFA）之外的超宽带放大器（如掺镱、铋或钬放大器）。随着制造工艺的成熟，这种光纤有望在跨洋通信、高功率激光传输和空间通信等领域引发连锁技术革新，为6G时代提供关键物理层支撑。