OFC 2025前瞻：微软&南安普顿大学实现创纪录的＜0.1 dB/km损耗的空芯光纤

自1970年以来，尽管光通信领域不断进步，但二氧化硅玻璃光纤的最小衰减在四十多年里几乎没有变化。从1985年的0.154dB/km到2024年的0.1397dB/km（由住友报道，OFC 2025会做邀请报告），看似微小的变化却难以突破约0.14dB/km的衰减极限。

为突破这一困境，研究人员尝试了多种方法。其中一种思路是避免玻璃引起的散射和吸收，通过在空芯区域传输光信号来降低信号功率损失。此前，虽有研究探索过空芯光纤，但因各种原因未能取得理想成果。直到第二代空心光纤（HCFs）出现，特别是嵌套或双嵌套反谐振无节点空心光纤（NANFs/DNANFs）技术的发展，才让实现更低衰减成为可能。南安普顿大学光电子研究中心是空芯光纤领域的主要领导者，微软也一直在与他们合作并持续推动空芯光纤的部署和产业化，应用于AI数据中心的连接。在OFC召开前夕，研究团队在arxiv上报道了这项成果，展示了首款在损耗和带宽方面均超越传统光纤的空芯光纤（＜0.1 dB/km@1481-1625 nm），同时传输速度提升30%，色散降低了6倍。

国内在空芯光纤领域也在持续推进，这次OFC 2025会议上也有一篇来自领纤/移动研究院/华为波普实验室/长飞/暨南大学/北京大学的Top-Scored论文，首次报道了在中国城市管道网络（东莞-深圳）中部署的20km AR-HCF（反谐振空芯光纤）上实现128Tb/s （C+L 波段，120波*800Gb/s*双向）实时同频同时全双工（CCFD）传输的现场试验。

• 新型光纤的技术突破

（一）光纤制造与优化

优化空芯DNANFs的损耗，需要深入理解并精确建模其三种主要损耗机制：泄漏损耗（LL）、表面散射损耗（SSL）和微弯损耗（μBL）。这三种机制对光纤横截面几何特征和工作波长的依赖各不相同。由于SSL和μBL模型所需的微观结构玻璃管表面粗糙度和光纤外部微扰动统计特性难以精确获取，研究人员通过拟合模型中的自由参数，使模拟损耗与实际测量损耗相匹配（如图1所示）。

基于校准后的损耗模型，研究团队对光纤几何结构进行优化。他们将目标设定为使（最宽的）第一反谐振窗口中心位于1550nm，以获得尽可能宽的低损耗带宽，同时确保模态纯度足够高，使模间干扰（IM）优于 - 60 dB/km，满足长距离传输要求。通过建模预测，当芯径在25 - 36μm之间时，总损耗有可能低于0.1dB/km。最终，研究团队确定了约29μm的芯径，理论上可实现低至0.07dB/km的损耗。

（二）光纤的制备与测量

在确定光纤参数后，研究团队制备了首款光纤（HCF1），其芯径为28.8±0.5μm，嵌套管平均直径分别为31.0±1.5μm（大管）、28.8±2μm（中管）和10.0±3μm（小管），管壁厚度约500nm，光纤长度4.12km。由于光纤长度较短且损耗极低，使用三种不同测量方法得到的损耗值差异较大。在1550nm处，两次独立的截断法测量平均损耗分别为0.055和0.065dB/km；插入损耗测量值为0.09±0.01dB/km；光时域反射仪（OTDR）测量值为0.11±0.01dB/km。这表明，要获得准确的损耗测量值，需要更长的光纤。

随后，研究团队制备了HCF2，其光纤横截面如图2（a）所示，几何结构与HCF1相似，芯径在29.1 - 29.6μm之间，嵌套管直径在一定范围内变化，光纤长度达到15km，这使得损耗测量精度大幅提高。通过OTDR在1310nm和1550nm处测量（如图2（b）所示），以及多次截断法测量（如图2（c）、（d）所示），结果显示在1310nm处平均损耗为0.128dB/km，1550nm处为0.091dB/km，在1481 - 1625nm之间损耗低于0.1dB/km，在1292 - 1347nm的O波段也低于目前实芯光纤0.14dB/km的记录。

此外，研究团队还对光纤的模间干扰（IMI）和偏振特性进行了测量。在1550nm附近，IMI低至 - 70dB/km，根据以往研究，这对任何长距离数据传输都不会产生可测量的影响。光纤的偏振相关损耗（PDL）和偏振模色散（PMD）系数分别为0.013dB/km和0.1ps/km，与标准电信光纤相近。

（三）与传统光纤的性能对比

将HCF2的平均损耗与目前损耗最低的纯二氧化硅芯光纤（PSCF）进行对比（如图3（a）所示），可以明显看出，忽略气体吸收，HCF2在以1504nm为中心的424nm带宽内（对应54.3THz），基本衰减低于0.14dB/km；在1553nm附近的144nm（17.9THz）光谱区域内，衰减低于0.1dB/km。

在色散方面（如图3（b）所示），HCF2在1310nm、1550nm和1700nm处的模拟色散分别为2.1、3.2和3.7ps/nm/km，与记录最低损耗的PSCF相比，在1550nm处色散降低了7倍，色散斜率降低了17倍。这一优势对于相干传输，可简化收发器的数字信号处理（DSP）复杂度并降低能耗；对于短距离传输中使用的强度调制 - 直接检测，可实现更长的传输距离而无需色散补偿。

• 技术展望与潜在应用

通过进一步的工程优化，这种类型的HCF有望实现更优异的性能。从模拟结果（如图4（a）所示）来看，与目前的PSCF相比，理想的DNANF在1550nm处的损耗预计可低至0.07dB/km，在损耗低于0.2dB/km、0.14dB/km和0.1dB/km时，对应的带宽分别为92THz、78THz和54THz。通过调整管壁厚度，还可将反谐振窗口移至850nm、1060nm、1310nm、1700nm和2000nm等波长，实现更广泛的低损耗传输。

研究还发现，通过增大芯径和适当增加涂层厚度，可以进一步降低损耗（如图4（b）所示）。例如，对于在1550nm工作的光纤，当芯径从HCF2的29.5μm增加到40μm或50μm时，总损耗预计可分别降至0.033 dB/km和0.018 dB/km。虽然这种光纤会更硬、更不易弯曲，临界弯曲半径会增大，但如果性能优势得到验证，这些挑战是可以克服的。

这种新型光纤的出现，为长距离通信带来了诸多潜在应用。它可实现前所未有的数据传输容量，构建更节能的光网络，并延长无放大传输跨度。在未来，随着光电子元件和放大技术的进一步发展，配合这种低损耗、宽带宽的光纤，有望实现更高性能的长距离通信系统。