摘要：全球数字基础设施正在迎来一场根本性变革。微软AzureFiber研究团队开发的革命性空芯光纤技术成功打破了困扰光通信领域数十年的物理极限，通过让光信号在空气中传播而非传统玻璃介质，实现了前所未有的低损耗传输。这项发表在最新一期《自然·光子学》杂志上的突破性成果

信息来源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/9/551104.shtm

全球数字基础设施正在迎来一场根本性变革。微软AzureFiber研究团队开发的革命性空芯光纤技术成功打破了困扰光通信领域数十年的物理极限，通过让光信号在空气中传播而非传统玻璃介质，实现了前所未有的低损耗传输。这项发表在最新一期《自然·光子学》杂志上的突破性成果，不仅将单根光纤的无中继传输距离延长约50%，更重要的是为未来高速、大容量数据传输奠定了全新的技术基础。

实验数据显示，这种空芯光纤在通信常用波长下的光损耗仅为每公里0.091分贝，远低于目前商用实心光纤的最低水平。更令人瞩目的是，该技术不仅实现了45%的传输速度提升，还在更宽的波长范围内保持了信号的高保真度，为多波长复用技术的进一步发展开辟了广阔空间。

这一技术突破的意义远超单纯的性能提升。在当前数据流量呈指数级增长的时代，传统光纤技术正逐渐接近其物理极限，而空芯光纤的出现为解决这一瓶颈提供了全新路径，有望彻底改变从数据中心互连到跨洋海底光缆的整个通信基础设施格局。

突破传统材料限制的工程创新

现代光通信系统的核心是实心光纤，这种由高纯度石英玻璃制成的传输介质通过全反射原理引导光信号传播。经过数十年的材料科学和工艺技术发展，商用光纤的损耗已从最初的每公里数十分贝降低到目前的0.2分贝左右，这一进步为互联网时代的到来奠定了技术基础。

然而，玻璃材料本身的物理特性决定了其对光的吸收和散射无法完全避免。在长距离传输中，光信号强度会随距离增加而持续衰减，通常每传输20公里左右，信号强度就会损失一半。这种固有损耗迫使运营商在长距离线路上每隔一定距离就必须部署光纤放大器进行信号中继，不仅增加了系统复杂性和运营成本，也引入了额外的噪声和延迟。

微软研究团队采用的空芯光纤代表了一种根本性的设计哲学转变。与其继续优化玻璃材料的光学特性，不如直接让光信号在损耗最小的介质——空气中传播。这种设计的核心挑战在于如何在没有实体导光介质的情况下有效约束光信号，防止其发散和泄漏。

研究团队的解决方案是利用精密设计的二氧化硅微结构环阵列。这些微结构围绕空气通道形成复杂的几何图案，通过光子带隙效应将光波有效约束在空气芯内。光子带隙效应是一种量子光学现象，当光波遇到具有特定周期性结构的材料时,某些频率的光会被禁止传播，从而实现对光的约束和引导。

这种设计不仅解决了光约束问题，还带来了意想不到的额外优势。由于光信号主要在空气中传播，与材料的相互作用大幅减少，除了降低损耗外，还显著减少了非线性效应。在高功率传输时，实心光纤中的非线性效应会导致信号失真和频谱展宽，而空芯光纤在这方面表现出明显的优势。

性能突破与技术指标

实验测试结果展现了空芯光纤技术的卓越性能。0.091分贝/公里的损耗水平不仅创造了新的记录，更重要的是为实际应用提供了显著的经济效益。在典型的长距离通信场景中，这种低损耗特性意味着光信号可以在更长距离内保持足够的强度，从而减少中继设备的需求。

传输速度的45%提升同样具有重要意义。在数据中心互连、云计算服务等对延迟敏感的应用中，这种速度优势可以直接转化为用户体验的改善和系统性能的提升。对于金融交易、实时游戏、远程医疗等应用而言，毫秒级的延迟差异可能产生巨大的商业价值。

更宽的低损耗传输窗口为未来技术发展留下了充分空间。当前商用光纤系统主要工作在C波段（1530-1565纳米）和L波段（1565-1625纳米）等有限的波长范围内，这限制了通过波长复用技术增加传输容量的潜力。空芯光纤在更宽波长范围内的优异表现为实现更高密度的波长复用提供了可能，这对于满足未来数据流量增长需求至关重要。

从系统级性能来看，50%的无中继传输距离延长将对网络架构产生深远影响。在海底光缆系统中，减少中继器数量不仅能降低建设成本，还能提高系统可靠性，因为中继器是整个系统中最容易出现故障的组件之一。

产业应用与市场前景

空芯光纤技术的商业化前景广阔，特别是在对性能要求最苛刻的应用领域。数据中心互连是最有希望率先采用这一技术的市场。随着云计算和人工智能应用的快速发展，数据中心之间的数据交换量持续增长，对高速、低延迟传输的需求日益迫切。

在跨洋通信领域，空芯光纤的优势更加明显。海底光缆是连接各大洲的重要数据通道，其建设和维护成本极其昂贵。通过减少中继设备数量，空芯光纤技术不仅能降低初始投资，还能减少维护复杂性和运营风险。

5G和未来6G网络的发展也为空芯光纤创造了新的机遇。这些新一代移动通信技术对回传网络的带宽和延迟提出了更高要求，特别是在支持增强现实、虚拟现实、自动驾驶等新兴应用时。空芯光纤的高性能特性使其成为构建未来移动网络基础设施的理想选择。

从制造业角度来看,空芯光纤的生产工艺相比传统光纤更加复杂，需要在微结构设计、材料加工、质量控制等方面进行大量技术创新。这为相关产业链企业带来了新的发展机遇，同时也提出了更高的技术门槛要求。

金融服务业是另一个有望从空芯光纤技术中获益的领域。高频交易等应用对传输延迟极其敏感，即使是微秒级的延迟差异也可能影响交易结果。空芯光纤的低延迟特性使其在连接各大金融中心的专用网络中具有独特价值。

技术挑战与发展前景

尽管空芯光纤技术取得了重大突破，但其大规模商业化仍面临一些技术挑战。首先是制造复杂性。空芯光纤的微结构设计需要极高的精度，任何细微的偏差都可能影响其光学性能。目前的制造工艺虽然能够产出高质量的样品，但要实现大规模量产还需要进一步的工艺优化和成本控制。

与现有系统的兼容性是另一个需要解决的问题。空芯光纤的光学特性与传统实心光纤存在差异，在与现有光电设备连接时可能需要特殊的接口设计和信号处理技术。这要求整个产业链在器件设计、系统集成等方面进行相应的技术升级。

长期可靠性验证也是一个重要考量。通信基础设施通常需要运行数十年，而空芯光纤作为一种相对新颖的技术，其长期性能稳定性还需要更多的实际运行数据来验证。

然而，随着数字化转型的加速和数据流量的持续增长,对高性能光通信技术的需求将继续推动空芯光纤技术的发展。预计在未来5-10年内，这一技术将首先在高端应用领域实现商业化，然后逐步向更广泛的市场扩展。微软等科技巨头的积极投入也为这一技术的产业化提供了强有力的支持。

来源：人工智能学家