Hollow - jadrové vlákno (HCF) nahrádza sklenené jadro tradičného singla - vlákno (SMF) s naplneným stredom vzduchu -. V podstate je HCF skonštruovaný ako mikroštruktúrovaný sklenený „škrupina“ obklopujúci centrálny vzduchový kanál. Svetlo nie je riadené úplným vnútorným odrazom v skle, ale skôr medzerou s fotonickým pásmom alebo antiresonančným účinkom pri opláštení. Obrázok 1 zobrazuje bežný dizajn antiresonancie „rotátora“: centrálne vzduchové jadro obklopené krúžkom tenkých kremenných hadičiek. To umožňuje, aby viac ako 99% režimu svetla zostalo vo vzduchu, čo výrazne znižuje interakciu so sklom. Naopak, SMF pozostáva z solídneho germánia - dotované jadro oxidu kremičitého (priemer približne 9 μm) v rámci nízkeho - refrakčný - indexové sklo sklo. Pretože jadro HCF má oveľa nižší index lomu (n≈1) ako opláštenie, na obmedzenie svetla je potrebná špecializovaná štruktúra opláštenia.
Obrázok 1: Hollow - dizajn jadrových vlákien. (A) Schéma rúrkovej antiresonantnej dutej - jadrové vlákno (HCF): Svetlo je obmedzené v centrálnom vzduchovom jadre obklopenom vnorenými tenkými sklenenými kapilármi. (b) Tradičné single - Vlákno používa pevné sklenené jadro. Geometria jadra HCF a opláštenia (napr. Hlastové sklenené krúžky) spôsobuje, že svetlo sa odráža späť do vzduchového kanála prostredníctvom fotonického efektu Bandgap alebo antirezonančného efektu.
Útlm (strata)
Tradičné single - vlákno (SMF) má veľmi nízku stratu v pásme C - (približne 0,2 dB/km). Napríklad Corning SMF - 28 Ull Fiber má stratu menej ako 0,16 dB/km pri 1550 nm. Real - World, High - kvalita SMF má rozsah straty 0,16–0,2 dB/km pri 1550 nm. V porovnaní s tým prvé prototypy HCF vykazovali straty v rozsahu 1–10 dB/km. Vďaka technologickému pokroku (vnorené antiresonantné návrhy, „Roted“ HCFS atď.), Straty HCF významne znížili: z približne 1,3 dB/km v roku 2018 na približne 0,65 dB/km v roku 2019 a potom na približne 0,28 dB/km v roku 2020. Laboratórne prototypy dosiahli približne 0,11 dB/km. V prepojeniach s krátkodobým dátovým centrom (desiatky kilometrov) je prijateľné dokonca 0,2–0,3 dB/km, takže HCF je blízko praktickej parity straty.
Útlmové referenčné hodnoty:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (v súčasnosti) ≲0,2–0,3 dB/km (cieľ ~ 0,1 dB/km).
Praktickým dôsledkom je, že priame odkazy na HCF môžu preklenúť vzdialenosti podobné vzdialenostiam v režime Single - vlákno (SMF) bez potreby zosilňovačov opakovača. Pretože HCF sa vyhýba sklenenému jadru, jeho zostávajúce straty pochádzajú predovšetkým z úniku a rozptylu povrchu. Najmä Rayleighov rozptyl je vo vzduchu zanedbateľný, čo umožňuje ďalšie zníženie strát prostredníctvom vylepšených anti - rezonančných štruktúr. Výsledkom je, že dobre - navrhnutý HCF môže konkurovať konvenčné optické vlákno pri útlóch, aspoň na krátke až stredné vzdialenosti.
Oneskorenie (oneskorenie šírenia)
Pretože HCF vedie svetlo vo vzduchu, jeho efektívny index lomu je blízko 1 (v porovnaní s približne 1,47 v skle). To znamená, že svetlo sa v HCF výrazne šíri. V praktických aplikáciách môže HCF znížiť oneskorenie šírenia približne o 30% až 50%. Napríklad skupinové oneskorenie single - vlákno (SMF) je približne 2,0 µs/km, zatiaľ čo publikované návrhy HCF majú skupinové oneskorenie približne 1,54 µs/km. Inými slovami, latencia spojenia HCF sa zníži približne o 31% na kilometer. Obrázky 2A - b ilustrujú tento efekt zrýchlenia. (Poznámka: Niektoré zdroje uvádzajú vylepšenia rýchlosti až približne 47%, v závislosti od špecifického rozdielu indexu lomu.)
Obrázok 2:Výhoda rýchlosti dutého - jadrové vlákno. V Hollow - jadro HCF (vpravo) sa svetelné impulzy šíria približne o 50% rýchlejšie ako v skle- jadro SMF (vľavo). To znižuje oneskorenie skupiny (latencia) na dĺžku jednotky o približne 30% až 50%. Obrázok ukazuje, že odkaz HCF prenáša rovnaké údaje v približne dvoch - treťom čase času SMF. V skutočných - svetových aplikáciách má prepojenie 10 km HCF približne 15 µs oneskorenie propagácie približne 15 µs (5 ns/m), zatiaľ čo Link SMF má oneskorenie šírenia približne 20 µs, čo vedie k end - až do -} približne 5 µs. Merania OFS potvrdzujú, že HCF má latenciu približne 1,54 µs/km, zatiaľ čo SMF má latenciu približne 2,24 µs/km (zníženie približne 31%). Toto zníženie latencie je rozhodujúce pre výmenu údajov AI/HPC a vysoké - frekvenčné obchodovanie. V skutočnosti priemyselné testy neustále hlásia zlepšenia latencie približne o 30%. (V nedávnej skúške Madrid sa odkaz na 1,386 km HCF znížil kolo - latencia výletu o 4,287 µs v porovnaní so SMF.) Zhrnutie:
Latencia Benchmark: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈ 1,5–1,6 µs/km, čo predstavuje zníženie latencie približne o 30–35%.
Táto „rýchlosť svetla“ umožňuje distribúciu dátových centier na väčšie vzdialenosti v rámci daného rozpočtu na latenciu. Podobne v rámci jedného dátového centra alebo kampusu môžu odkazy HCF výrazne znížiť latenciu hopu a pomôcť splniť sub - MicroseCond End - na - požiadavky na koncovú latenciu distribuovaných vlakov AI.
Disperzia a nelineárne účinky
HCF zdedia extrémne nízku disperziu. Pretože väčšina svetla sa nachádza vo vzduchu, disperzia materiálu (vlnová dĺžka - závislá variácia indexu lomu skla) je zanedbateľná. Starostlivo navrhnutá anti - rezonančné HCF vystavuje v blízkosti - nulovú disperziu vo svojom nízkom - stratovom pásme. Toto efektívne minimalizuje rozšírenie impulzov, čím sa zlepšuje šírka pásma - diaľkový produkt. Podobne je disperzia polarizačného režimu (PMD) v HCF minimálny a účinky faktorov prostredia (teplota a stres) sú minimálne. Na porovnanie, SMF vykazujú disperziu približne 17 ps/(nm · km) pri 1550 nm (s väčšou variáciou v pásme C/L) a PMD v vysokom - koncových optických vláknach sú približne 0,05–0,2 ps/√km.
V HCFS sú nelineárne účinky (ako je nelinearita Kerr, SPM/XPM a štyri - zamiešanie vĺn) niekoľko rádov. S viac ako 99,99% režimov vo vzduchu je účinný nelineárny koeficient približne 100 až 1 000 -krát menší ako ekvivalentný nelineárny koeficient v oxidu kremičitve. To znamená, že HCF môže podporovať vyššie optické sily skôr, ako dôjde k nelineárnemu skresleniu, čo potenciálne zlepšuje spektrálnu účinnosť na kanál alebo zjednodušenie modulačných formátov. Ako niektorí zástancovia zdôrazňujú, môže tiež zlepšiť bezpečnosť (uľahčuje odpočúvanie alebo vstrekovanie vlákien cez vlákno).
Celkovo HCF významne znižuje obmedzenia šírky pásma a nelineárne obmedzenia spojené s disperziou. Dátové centrá môžu využívať širšie vlnové dĺžky (za štandardným C - pásmom) na dosiahnutie vysokých - kapacitných odkazov bez potreby kompenzácie disperzie. Mnoho návrhov HCF obsahuje široké „prvé antiresonančné okno“ pokrývajúce väčšinu pásma 1,5 až 1,6 µm s plochou stratou, zatiaľ čo druhé okno sa môže rozšíriť do pásma L - a dokonca aj viditeľné pásmo s nižšou stratou. Celkovo je potenciál šírky pásma HCF prinajmenšom porovnateľný a potenciálne ešte väčší ako potenciál SMF, najmä pri zvažovaní prevádzky viacerých a vysokých prenosových síl.
Šírka pásma a kapacita
Vysoká rýchlosť a nízka nelinearita HCF mu dodávajú výnimočnú kapacitu. Metaforicky je HCF ako rýchlejšie optické vlákno so širšími jazdnými pruhmi: môže niesť viac „automobilov“ (bity) rýchlejšie. Obrázok 3 (vpravo) to zobrazuje: „Super nákladný automobil“ HCF môže prenášať viac údajov vyššou rýchlosťou ako „auto SMF“. V praxi HCF preukázala v laboratórnych experimentoch extrémne vysokú agregovanú mieru dát. Napríklad experimenty dosiahli rýchlosti kanálov 800 GB/s a 1,2 TB/s pomocou antiresonantného HCF využívajúceho multiplexovanie koherentnej vlnovej dĺžky (WDM). V spoločnosti Real - World Networks podporoval HCF kanály 6 x 100 GB/s a podobné multi - užitočné zaťaženie na jednom vlákne.
Obrázok 3:Analógia priepustnosti údajov. HCFdá sa prirovnať k rýchlejšiemu, vysokému - kamiónu „Truck“, zatiaľ čo SMF je prirovnávaný k „autu“. Odráža to kombináciu vysokej šírky pásma HCF (viac vlnových dĺžok/režimov, nižšie skreslenie) a vyššej rýchlosti šírenia. Na rozdiel od SMF (vľavo) sa HCF vyhýba skleneným nelinearitám a môže využívať širšie spektrálne okno, čo umožňuje dátové rýchlosti presahujúce terabity/sekundu na jednom vlákne.
Kľúčové body kapacity HCF:
● Rozsah vlnovej dĺžky:HCF nie je obmedzená absorpciou oxidu kremičitého „vrcholov vody“ a UV absorpciami SMF. Nové návrhy HCF fungujú dobre od ~ 1200 nm do ~ 1700 nm a dokonca viditeľné pre špecializované typy.
● Kanály WDM:Prvé testy ukazujú HCF, ktoré nesú desiatky kanálov WDM (pásmo C+L) s minimálnym nelineárnym krížom.
● Modulačné formáty:Pretože nelinearita je nízka, HCF môže ľahšie prenášať vysoké - moduláciu objednávok (napr. . 64 qAM) pri vysokom výkone na kanál.
● Bit - sadzba:Pri koherentnej detekcii by HCF mal podporovať rovnaké za - kanál bit - sadzby ako SMF (100 GB/S+ na vlnovú dĺžku); Prvé pokusy pri vlnových dĺžkach 100 - 600 GB/s uspeli.
Stručne povedané, ponúka HCFaspoňRovnaká potenciálna šírka pásma ako SMF a viacerí odkazy na kanály Multi - ju môžu často prekročiť prostredníctvom vyššieho spúšťacieho výkonu a nižšej presluch. Jediným upozornením je, že mnoho typov HCF má konečné nízko - okno straty, takže používanie pásma Full Fiber C+L+U môže vyžadovať viac typov vlákien alebo optimalizovanú disperziu - inžinierske návrhy.
Výroba a praktické výzvy
Zatiaľ čo fyzika HCF je sľubná, zostáva niekoľko inžinierskych výziev:
● Komplexné preformy:Preformy HCF (štruktúry sklenenej tyče) sú zložité. Vyžadujú stohovanie viacerých tenkých kapilár, ktoré si vyžadujú vysoké - Presnú výrobu a kontrolu kreslenia. V dôsledku toho sa súčasný HCF vyrába v obmedzenom objeme. Výroba škálovania na desiatky tisíc km prepojení na DC vlákien bude mať väčší vývoj a nové výrobné linky.
● Zostrihanie a konektory:HCF sa nemôže priamo spojiť so štandardnými konektormi vlákien. Ukončenia teda používajú krátke konvenčné SMF Pigtails. V praxi priemysel používa fúzne zostrih HCF držiteľom SMF v konektoroch LC/SC. Hlásené straty zostrihu sa pohybujú od ~ 0,5 dB (optimalizovaných) do ~ 2,5 dB. Akýkoľvek konektor/pigtail dodáva ~ 0,5 dB. Tieto ďalšie straty (na odkaz) sú významné v porovnaní s rozpočtom na vysielač v DC. Low - Strata HCF Splices a Nové nízke - Cena Connector Solutions sú aktívne oblasti výskumu a vývoja.
● Citlivosť ohýbania a balenia:HCF (najmä veľké - Core Designs) je citlivejší na ohýbanie a mikro - ohýbanie ako SMF. Ohyb zavádzajú stratu a môžu prevádzať režimy. Aby sa to zmiernilo, káble HCF používajú voľnú - konštrukciu trubice alebo stuhy s veľkými polomermi ohybu. Na zabránenie napätia počas inštalácie je potrebná osobitná pozornosť. V laboratórnych testoch HCF na tuhých valcoch vykazovalo prijateľné správanie, ale skutočná kabeláž (s minimálnym narušením) môže skutočne zvýšiť interferenciu režimu režimu objednávky, pokiaľ nie je navrhnuté s filtrami režimu. OFS a ďalší pridali štruktúry „Shunt“ na úmyselne odstránenie vyšších - režimov objednávok a potlačenie modálnej disperzie.
● Splice a strata vlákien:Nízke straty záznamu (≪0,2 dB/km) sa merali na „holých“ prameňoch HCF. Kabeláž, zostrihovanie a faktory prostredia (kontaminácia, vlhkosť) zvyčajne zvyšujú stratu. Napríklad OFS uviedla, že kabeláž ich HCF pridala ~ 0,1–0,7 dB/km stratu v pásme C -. Strata World nasadená sveta môže byť teda ~ 0,3–0,5 dB/km, kým nebude vyspelý, ~ 0,3–0,5 dB/km, kým nedozrí.
● Náklady a dostupnosť:HCF v súčasnosti nesie cenovú prémiu, ako poznamenajú odborníci v odbore. Včasné nasadenia (napr. BT/lumenisity pre londýnsku burzu cenných papierov) sú výklenky používanie - prípady, v ktorých sú náklady odôvodnené. Aby sa v prepojeniach DC stal hlavným prúdom, musia objemy výroby mierky a náklady na materiál klesajú. Niekoľko nových podnikov (siete relativity, lumenisity, Silenfiber atď.) Buduje produkciu HCF s financovaním a akvizíciami VC.
V súhrne,praktické odkazy na HCFDnes si môže vyžadovať starostlivú manipuláciu: fúzne zostrihové konektory, veľké slučky a špecializované káble. Odvetvie aktívne vyvíja normy a osvedčené postupy. Napríklad káble OFS ACCORE ™ sú teraz ponúkané pre HCF so štandardnými formovými faktormi. Každé spojenie HCF však stále vynakladá zhruba 0,5–3 dB extra straty pre kabeláž/zostrihy, obmedzuje dosah a vyžaduje si rozpočtovanie energie.
Pokusy a prototypy v nastaveniach dátového centra
HCF sa už sťahuje z laboratória do skutočných sietí. Posledné terénne pokusy a nasadenie pilotov ukazujú sľubné výsledky:
● DC - na - dc odkazy:Vo februári 2024 sa španielsky operátor Lyntia spojil s Nokia, OF|Furukawa a Digital Realty, aby nasadil dutinu - Core medzi Pop a Madridovým dátovým centrom. Počas 1,386 km HCF odkazu dosiahli kolo - zníženie latencie výletu287 µs (>30%) v porovnaní s SMF, zatiaľ čo prepravuje 600 GB/s na jednej vlnovej dĺžke. Tento skutočný - svetový test použil koherentné transpondéry pri 100 GB/s na λ. Trial potvrdil, že HCF sa môže zostrihať do existujúcej infraštruktúry (OFS ACCORE® kábel) so štandardným koherentným prevodom, čím otvára dvere pre prepojenia DC.
● Krátke - dosah odkazy:OFS Labs demonštrovala 3,1 km HCF Link, ktorý prepravuje 10 GB/s DWDM prenos (10 vlnových dĺžok) pre obchodné siete. Toto bol prvý prenos HCF s kabátmi, ktorý ukazuje chybu bit - - voľný 10 GB/s cez vlákno+kábel so znížením latencie 31%. Podobne laboratóriá Nokia/Bell testovali HCF pri agregáte 800 - 1200 GB/s (8 x 100 GB/s) v nastaveniach laboratória.
● Finančné a obchodné siete:Úspory latencie HCF pritiahli vysoké - frekvenčné obchodovanie (Hft) Použite prípady -. V roku 2021 nasadili Lumenisity (teraz súčasť spoločnosti Nokia) a Eunetworks Hollow - základné odkazy na pripojenie londýnskej burzy cenných papierov. Použitím HCF pre poslednú - míľu na obchodné miesta sa mikrosekundové latencie znížia. Takéto nasadenia označujú niektoré z prvých komerčných použití HCF. (BT a ďalší tiež pilotovali HCF pre mobilné zadné a zabezpečené siete, hoci sú mimo DCS.)
● Výmeny údajov AI/HPC:Zatiaľ čo verejné údaje sú obmedzené, hlavní poskytovatelia cloudu vyšetrujú HCF. Spoločnosť Microsoft Azure vytvorila tím (predtým Lumenisity) na prototypové spojenia HCF medzi dátovými centrami. Relativity Networks (americký štart - UP) vyvíja HCF špeciálne pre AI DataCenter Fabrics. Cieľom tohto úsilia je využiť rýchlosť spoločnosti HCF zmierniť Latency prekážky v distribuovanom tréningu AI. Aj keď sú tieto iniciatívy ešte skoro zdôrazňujú potenciál technológie v prostrediach hyperscale a HPC.
Vo všetkých týchto pokusoch,Výkony splnili očakávania: Významné latencie kvapky (zvyčajne ~ 30%) a multi - sto - GBPS kapacity na krátkych odkazoch. Žiadna z týchto súdov však však ešte nerozširuje stovky km - to zostáva budúcou prácou. Zatiaľ je HCF najvhodnejší pre metro - stupnica alebo intra - datacenter odkazy (až do ~ 10–20 km), kde jeho výhody žiaria bez vyžadovania aktívnych zosilňovačov.
Outlook: AI/HPC a Future Datacenter Networks
Push smerom k AI a ultra - Fast HPC zvyšuje dopyt po ultra - low {{}} latencia, ultra - vysoké {- väzby. HCF má jedinečnú pozíciu na riešenie týchto potrieb. Znížením oneskorenia spojenia ~ 30% na km, HCF umožňuje operátorom DC natiahnuť geografické pokrytie: Analýzy naznačujú, že dátové centrá by sa mohli umiestniť 1,5 × ďalej od seba pre rovnakú latenciu. Táto „geografická flexibilita“ môže byť rozhodujúca, pretože klastry AI prekračujú viac miest. Podobne v dátovom centre môže HCF rezať inter - stojan a inter - latencie podvádzania, kŕmiť veľké modely s minimálnym oneskorením prenosu údajov.
Okrem rýchlosti, nízka nelinearita a široké spektrum HCF znamenajú, že budúce vysielače môžu tlačiť rýchlosť dát ešte vyššiu. V kombinácii s pokročilou moduláciou a paralelnými schémami vlákien (napr. Multicore HCF) by celková priepustnosť mohla výrazne prekročiť dnešné SMF odkazy. Poskytovatelia si predstavujú hcf, ktorý nosí terabit - per - druhý prenos na prameň v nasledujúcom desaťročí, uspokojenie potrieb exascale I/O čipov AI.
Priemysel si to všimne. Hlavné prehrávače Cloud/HPC (Microsoft, Google, Meta) financovali výskum a vývoj HCF alebo akvizície a začínajúce podniky (relativita, lumenisity) zabezpečili milióny v oblasti rizikového a vlády. Orgány a konzorciá štandardov začínajú zahrnúť HCF do budúcich sieťových plánov. Zatiaľ čo mnoho neistôt zostáva (náklady, spoľahlivosť, integrácia), trend je jasný: HCF je na dobrej ceste, aby sa stal kľúčovým stavebným blokom pre ďalšie - generácia Low - latencia, vysoké - siete DataCenter.
Záver, Hollow - jadrové vlákno predstavuje presvedčivý pokrok pre údaje - Center Optics. Vymenením skla za vzduch znižuje stratu a latenciu pri rozširovaní šírky pásma a linearity. Včasné skúšky dokazujú jeho životaschopnosť a prebiehajúci vývoj rýchlo prekonávajú praktické prekážky. V prípade nasadenia AI a HPC, ktoré požadujú „svetlo - siete“, ponúka HCF bezkonkurenčnú cestu vpred - za predpokladu, že jej zostávajúce technické a nákladové výzvy je možné vyriešiť.
