Hollow - Core Fiber (HCF) nadomešča stekleno jedro tradicionalnega enojnega - načina vlaken (SMF) z zračnim - napolnjenim centrom. V bistvu je HCF zgrajen kot mikrostrukturirano steklo "lupina", ki obdaja centralni zračni kanal. Svetloba ne vodi popolni notranji odsev v steklu, temveč s fotonskim pasom ali protiresonančnim učinkom pri oblogi. Slika 1 prikazuje skupno "rotatorsko" antiresonančno zasnovo: osrednje zračno jedro, obkroženo z obročem tanke kremenčeve cevi. To omogoča, da več kot 99% svetlobnega načina ostane v zraku, kar znatno zmanjša interakcijo s steklom. V nasprotju s tem je SMF sestavljen iz trdnega germanija - dopiranega jedra kremena (približno 9 μm premera) znotraj nizke - refrakcije - indeksne steklene obloge. Ker ima jedro HCF precej nižji indeks loma (n≈1) kot obloga, je za omejitev svetlobe potrebna specializirana struktura oblog.
Slika 1: Votlo - oblikovanje jedrnih vlaken. (a) Shema cevaste antiresonantne votline - jedrne vlakne (HCF): svetloba je omejena v osrednjem zračnem jedru, obdanem z gnezdenimi tankimi steklenimi kapilarami. (b) Tradicionalna enojna - načina vlakna uporablja trdno stekleno jedro. Geometrija jedra in obloge HCF (npr. Stekleni obroči satja) povzroči, da se svetloba odbija nazaj v zračni kanal skozi učinek fotonskega pasu ali protiresonančni učinek.
Slabljenje (izguba)
Tradicionalna enojna - vlakna (SMF) ima zelo nizko izgubo v pasu C - (približno 0,2 dB/km). Na primer, Corning SMF - 28 Ull Fiber ima izgubo manj kot 0,16 dB/km pri 1550 nm. Real - svet, visok - Kakovostni SMF ima razpon izgube 0,16–0,2 dB/km pri 1550 nm. Za primerjavo so zgodnji prototipi HCF pokazali izgube v območju 1–10 dB/km. Zahvaljujoč tehnološkemu napredku (ugnezdeni antiresonančni modeli, "zasukani" HCF -ji itd.) So se izgube HCF znatno zmanjšale: od približno 1,3 dB/km v letu 2018 do približno 0,65 dB/km v letu 2019 in nato do izgube HC -a, ki so v primerjavi s približno 0,2. Laboratorijski prototipi so dosegli približno 0,11 dB/km. V povezave s kratkim doseganjem podatkovnih centrov (več deset kilometrov) je sprejemljivo celo 0,2–0,3 dB/km, zato je HCF blizu praktične paritete izgube.
Atenuacijska merila:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (trenutno) ≲0,2–0,3 dB/km (cilj ~ 0,1 dB/km).
Praktična posledica je, da lahko neposredne povezave HCF razdalje, podobne povezavam enojnega - vlaken (SMF), brez potrebe po ojačevalnikih repetitorja. Ker se HCF izogne steklenemu jedru, njegove preostale izgube izvirajo predvsem zaradi uhajanja in površinskega razprševanja. Zlasti je Rayleighovo razprševanje v zraku zanemarljivo, kar omogoča nadaljnje zmanjšanje izgub z izboljšanimi anti - resonančnimi strukturami. Rezultat tega je, da lahko Well - zasnovan HCF v slabljenju tekmuje z običajnimi optičnimi vlakni, vsaj na kratki do srednji razdalji.
Zamuda (zamuda s širjenjem)
Ker HCF vodi svetlobo v zraku, je njen učinkovit indeks loma blizu 1 (v primerjavi s približno 1,47 v steklu). To pomeni, da se svetloba v HCF bistveno hitreje širi. V praktičnih aplikacijah lahko HCF zmanjša zamudo širjenja za približno 30% do 50%. Na primer, zamuda skupine enojnih - vlaken (SMF) je približno 2,0 µs/km, medtem ko imajo objavljene modele HCF skupinsko zamudo približno 1,54 µs/km. Z drugimi besedami, zamuda povezave HCF se zmanjša za približno 31% na kilometer. Slike 2a - b ponazarjajo ta učinek pospeška. (Opomba: Nekateri viri poročajo o izboljšanju hitrosti za približno 47%, odvisno od posebne razlike v indeksu refrakcije.)
Slika 2:Hitrost prednost Hollow - Core Fiber. V Hollow - Core HCF (desno) se svetlobni impulzi razmnožujejo približno 50% hitreje kot v steklu - jedro SMF (levo). To zmanjša zamudo skupine (zakasnitev) na enoto dolžine za približno 30% do 50%. Na sliki je razvidno, da povezava HCF prenaša iste podatke v približno dveh - tretjine časa povezave SMF. V resničnih - svetovnih aplikacijah ima 10 km povezava HCF približno 15 µs (5 ns/m), medtem ko ima povezava SMF približno 20 µs zakasnitev širjenja, kar ima za posledico končni končni varčevanje z - do - končne varčevanja z latentnostjo približno 5 µs. Meritve OFS potrjujejo, da ima HCF zamudo približno 1,54 µs/km, medtem ko ima SMF zamudo približno 2,24 µs/km (znižanje približno 31%). To zmanjšanje zamud je ključnega pomena za izmenjavo podatkov AI/HPC in visoko - frekvenčno trgovanje. Dejansko industrijski testi dosledno poročajo o izboljšavah zamud v višini približno 30%. (V nedavnem preskusu Madrid je 1,386 km HCF povezava zmanjšala krog - zakasnitev potovanja za 4.287 µs v primerjavi s SMF.) Povzetek:
Zakasnitev zakasnitve: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, kar predstavlja zmanjšanje zamude za približno 30–35%.
Ta prednost "Hitrost svetlobe" omogoča razdelitev podatkovnih centrov na večjih razdaljah v določenem proračunu za zamudo. Podobno lahko v enem podatkovnem centru ali kampusu povezave HCF znatno zmanjšajo zamudo hmelja in tako pomagajo pri doseganju pod - mikrosekundnega konca - do - končne zahteve za končne latentne zahteve distribuiranih vlakov AI.
Disperzijski in nelinearni učinki
HCFS podeduje izjemno nizko disperzijo. Ker večina svetlobe prebiva v zraku, je razpršenost materiala (valovna dolžina - odvisna variacija indeksa loma stekla) zanemarljiva. Skrbno zasnovan anti - resonant HCF razstavlja blizu - nič disperzije v njegovem nizkem - izgube. To učinkovito zmanjšuje širjenje impulza in izboljšuje pasovno širino - izdelka na daljavo. Podobno je disperzija načina polarizacije (PMD) v HCFS minimalna, učinki okoljskih faktorjev (temperatura in stres) pa minimalni. V primerjavi, SMF kažejo disperzijo približno 17 ps/(nm · km) pri 1550 nm (z večjo variacijo v pasu C/L), PMD pa v visokih - končnih optičnih vlaken je približno 0,05–0,2 ps/√km.
V HCF so nelinearni učinki (kot so nelinearnost Kerr, SPM/XPM in štiri - mešanje valov) več vrst velikosti šibkejši. Z več kot 99,99% načinov v zraku je efektivni nelinearni koeficient približno 100 do 1000 -krat manjši od enakovrednega nelinearnega koeficienta v silicijevem dioksidu. To pomeni, da lahko HCF podpira večje optične moči, preden pride do nelinearnega izkrivljanja, kar lahko izboljša spektralno učinkovitost na kanal ali poenostavi modulacijske formate. Kot poudarjajo nekateri zagovorniki, lahko tudi izboljša varnost (olajša prisluškovanje ali vbrizgavanje vlaken skozi vlakna).
Na splošno HCF znatno zmanjša omejitve pasovne širine in nelinearne omejitve, povezane z disperzijo. Podatkovni centri lahko uporabljajo širše valovne dolžine (zunaj standardnega pasu C -), da dosežejo visoke povezave - brez potrebe po disperzijski kompenzaciji. Številni modeli HCF imajo široko "prvo antiresonančno okno", ki pokriva velik del 1,5 do 1,6 µm pasu z ravnim izgubo, medtem ko se drugo okno lahko razširi v L - pas in celo vidni pas z nižjo izgubo. Na splošno je potencial pasovne širine HCF vsaj primerljiv z in potencialno še večji od potenciala SMF, zlasti pri razmišljanju o večstranski operaciji in moči z visokimi oddajniki.
Pasovna širina in zmogljivost
Hitrost in nizka nelinearnost HCF dajeta izjemno zmogljivost. Metaforično je HCF kot hitrejša optična vlakna s širšimi pasovi: lahko s hitrejšo hitrostjo nosi več "avtomobilov" (bitov). Slika 3 (desno) prikazuje to: HCF "Super Truck" lahko prenaša več podatkov z večjo hitrostjo kot SMF "avtomobil". V praksi je HCF v laboratorijskih poskusih pokazal izjemno visoke stopnje skupnih podatkov. Na primer, poskusi so dosegli hitrost kanala 800 GB/s in 1,2 TB/S z uporabo antiresonantnega HCF, ki uporablja koherentno multipleksiranje delitve valovne dolžine (WDM). V resničnih - svetovnih omrežjih je HCF podprl 6 x 100 GB/s kanalov in podobne več - telesne obremenitve valovne dolžine na enem samem vlaknu.
Slika 3:Analogija podatkovnega pretoka. HCFlahko primerjamo s hitrejšim, visokim - zmogljivosti "tovornjaka", medtem ko je SMF primerjan z "avtomobilom". To odraža kombinacijo visoke pasovne širine HCF (več valovnih dolžin/načinov, nižje izkrivljanja) in večje hitrosti širjenja. Za razliko od SMF (levo) se HCF izogne nelinearnosti stekla in lahko uporabi širše spektralno okno, kar omogoča hitrost podatkov, ki presegajo terabite/sekundo na enem samem vlaknu.
Ključne točke zmogljivosti HCF:
● Obseg valovne dolžine:HCF ni omejen z absorpcijo kremena "vodni vrhovi" in UV absorpcijami SMF. Novi HCF modeli delujejo dobro od ~ 1200 nm do ~ 1700 nm in celo vidni za specializirane vrste.
● WDM kanali:Zgodnji testi prikazujejo HCF, ki nosi več deset kanalov WDM (C+L Band) z minimalnim nelinearnim križem.
● Modulacijski formati:Ker je nelinearnost nizka, lahko HCF lažje nosi modulacijo naročila visokega - (npr. . 64 qam) pri veliki moči na kanal.
● Bit - stopnja:S skladnim zaznavanjem mora HCF podpirati isto na - bit - stopnje kot SMF (100 GB/S+ na valovno dolžino); Zgodnje preskuse pri valovnih dolžinah 100–600 GB/S so uspele.
Če povzamemo, HCF ponujavsajEnaka potencialna pasovna širina kot SMF in v vezi več - lahko jo pogosto preseže z večjo močjo lansiranja in nižjo krivo. Edino opozorilo je, da imajo številne vrste HCF končno nizko okno izgube -, zato lahko polna uporaba vlaken C+L+U lahko zahteva več vrst vlaken ali optimizirano disperzijo - inženirne modele.
Izdelava in praktični izzivi
Medtem ko je fizika HCF obetavna, ostaja več inženirskih izzivov:
● Kompleksne predoblike:HCF predoblike (strukture steklenih palic) so zapletene. Zahtevajo zlaganje več tankih kapilarnih cevi, kar zahteva visoko - natančno izdelavo in narišite nadzor. Kot rezultat, je trenutni HCF narejen v omejenem obsegu. Izdelava izdelave na več deset tisoč kilometrov DC vlaken bo trajala več razvoja in novih proizvodnih linij.
● spajanje in konektorji:HCF ne more neposredno pariti s standardnimi vlakninami. Torej zaključke uporabljajo kratke običajne SMF pigtails. V praksi industrija uporablja fuzijsko spajanje HCF za imetnike SMF v priključkih LC/SC. Poročene izgube spaja se gibljejo od ~ 0,5 dB (optimizirano) do ~ 2,5 dB. Vsak konektor/pigtail doda ~ 0,5 dB. Te dodatne izgube (na povezavo) so pomembne v primerjavi s proračunom za oddajnik v DC. Nizka - izguba HCF Splices in nove nizke - rešitve stroškovnih priključkov so aktivna območja R & D.
● Občutljivost upogiba in embalaže:HCF (zlasti velike - jedrne modele) je bolj občutljiv na upogibanje in mikro - upogibanje kot SMF. Bendi uvedejo izgubo in lahko pretvorijo načine. Če želite to ublažiti, HCF kabli uporabite ohlapno - cev ali konstrukcijo trakov z velikimi upogibnimi polmeri. Posebna pozornost je potrebna za preprečevanje napetosti med namestitvijo. V laboratorijskih testih je HCF na togih kolutih pokazal sprejemljivo vedenje, vendar lahko resnično kablo (z minimalno motnjo) dejansko poveča večje - motnje naročila, razen če je zasnovan s filtri načina. OFS in drugi so dodali "shunt" strukture, da namerno odstranijo višje - Naročne načine in zavirajo modalno disperzijo.
● Splice in izguba vlaken:Rekordne nizke izgube (≪0,2 dB/km) so bile izmerjene na "golih" HCF pramenih. Kabli, spajanje in okoljski dejavniki (kontaminacija, vlaga) običajno povečajo izgubo. Na primer, OFS je poročal, da je kablo njihovega HCF dodalo ~ 0,1–0,7 dB/km izgubo v pasu C -. Tako je lahko resnična - izguba na svetu ~ 0,3–0,5 dB/km, dokler procesi dozorijo.
● Stroški in razpoložljivost:HCF trenutno nosi cenovno premijo, kot so zapisali strokovnjaki za industrijo. Zgodnje uvajanja (npr. BT/Lumenisity za londonsko borzo) so uporaba niše - primeri, ko so stroški upravičeni. Če želite postati glavni tok v medsebojnih povezavah DC, morajo količine proizvodnje obseg in materialni stroški padajo. Več novih podvigov (omrežja za relativnost, Lumenisity, Silenfiber itd.) Gradi proizvodnjo HCF s financiranjem in pridobitvami VC.
Če povzamemo,Praktične povezave HCFDanes bo morda potrebno skrbno ravnanje: fuzijski priključki, velike ohlapne zanke in specializirani kabli. Industrija aktivno razvija standarde in najboljše prakse. Na primer, kabli OFS Accucore ™ so zdaj na voljo za HCF s standardnimi faktorji obrazcev. Vendar pa vsaka povezava HCF še vedno nastane približno 0,5–3 dB dodatne izgube za kabliranje/zaplete, kar omejuje doseg in zahteva proračun za moč.
Preskusi in prototipi v nastavitvah podatkovnega centra
HCF se že premika iz laboratorija v resnična omrežja. Nedavna terenska preskušanja in pilotne uvajanja kažejo obetavne rezultate:
● DC - do - DC povezave:Februarja 2024 se je španski operater Lyntia združil z Nokia, OFS|Furukawa in Digital Realty, da bi med pop in Madrid Data Center namestil votlino - jedrna kabel. V povezavi 1,386 km HCF so dosegli krog - Zmanjšanje zamude287 µs (>30%) v primerjavi s SMF, medtem ko na eni valovni dolžini nosite 600 GB/s. Ta resnični - svetovni test je uporabil skladne odzive pri 100 GB/s na λ. Preskus je potrdil, da se HCF lahko zlijemo v obstoječo infrastrukturo (OFS Accucore® Cable) s standardnim koherentnim orodjem, s čimer odpira vrata za medsebojne povezave DC.
● Kratka - dosežejo povezave:OFS Labs je pokazal 3,1 km HCF povezavo, ki je prenesla 10 GB/s DWDM prometa (10 valovnih dolžin) za trgovska omrežja. To je bil prvi kamen HCF menjalnik, ki je prikazal bit - napaka - brezplačno 10GB/s preko vlaken+kabla z 31% zmanjšanjem zamude. Podobno so Nokia/Bell Labs testirali HCF pri 800–1200 GB/S agregatu (8 × 100 GB/s) v laboratorijskih nastavitvah.
● Finančna in trgovinska omrežja:HCF -jevi prihranki so pritegnili visoko - frekvenčno trgovanje (HFT) Uporaba - primeri. Leta 2021 sta Lumenisity (zdaj del Nokia) in Eunetworks nameščena Hollow - temeljne povezave za povezavo londonske borze. Z uporabo HCF za zadnji - miljo do trgovalnih prizorišč se mikrosekundne zamude zmanjšajo. Takšne namestitve označujejo nekatere prve komercialne uporabe HCF. (BT in drugi so tudi pilotirali HCF za mobilne nalete in varne omrežja, čeprav so to zunaj DC -jev.)
● izmenjave podatkov AI/HPC:Medtem ko so javni podatki omejeni, večji ponudniki oblakov preiskujejo HCF. Microsoft Azure je ustanovil ekipo (prej Lumenisity) za prototipne povezave HCF med podatkovnimi centri. Relativnost omrežij (ameriški zagon - UP) razvija HCF posebej za Fabrike podatkovnih centrov AI. Ta prizadevanja so namenjena izkoriščanju hitrosti HCF za lajšanje ozkih grl za zamudo pri porazdeljenem AI treningu. Čeprav so še zgodaj, te pobude poudarjajo potencial tehnologije v hipersveznem in HPC okolju.
V vseh teh preskušanjihNastopi izpolnjujejo pričakovanja: Pomembne latentne padce (običajno ~ 30%) in multi - sto - GBPS zmogljivosti na kratkih povezavah. Vendar nobena od teh preskušanj še ne razširja na stotine km HCF - to ostaja prihodnje delo. Za zdaj je HCF najbolj primeren za metro - lestvico ali intra - povezave podatkovnega centra (do ~ 10–20 km), kjer njegove koristi zasijejo, ne da bi potrebovali aktivne ponavljalnike.
Outlook: AI/HPC in prihodnja omrežja podatkovnih centrov
Potis AI in Ultra - Hiter HPC povečuje povpraševanje po ultra - nizki - latenca, ultra - visoke - pasovne povezave. HCF je edinstveno nameščen za reševanje teh potreb. Z zmanjšanjem zamude povezave ~ 30% na km HCF omogoča, da DC operaterji raztegnejo geografsko pokritost: analize kažejo, da bi lahko podatkovne centre postavili 1,5 × dlje narazen za isto zamudo. Ta "geografska fleksibilnost" je lahko ključnega pomena, saj AI grozdi obsegajo več mest. Prav tako lahko v podatkovnem centru HCF razreže inter - regala in inter - latence, ki napajajo velike modele z minimalnim zaostankom prenosa podatkov.
Poleg surove hitrosti, nizka nelinearnost HCF in podpora širokega spektra pomeni, da lahko prihodnji oddajniki še višje potisnejo hitrost podatkov. V kombinaciji z napredno modulacijo in vzporednimi shemami vlaken (npr. Multicore HCF) bi lahko celotna prepustnost močno presegla današnje povezave SMF. Ponudniki si zamislijo HCF, ki nosi terabit - na - drugi promet na pramen v naslednjem desetletju in ustrezajo potrebam AI čipov v/I Exascale.
Industrija se obvesti. Glavni predvajalniki v oblaku/HPC (Microsoft, Google, Meta) so financirali R&D ali pridobitve HCF, startupi (relativnost, Lumenisity) pa so zagotovili milijone za podporo podjetja in vlade. Organi standardov in konzorcije začenjajo vključevati HCF v prihodnje omrežne načrte. Medtem ko ostajajo številne negotovosti (stroški, zanesljivost, integracija), je trend jasen: HCF je na poti, da postane ključni gradnik za naslednji - generacija nizka - latenca, visoka - omrežja podatkovnih podatkovnih podatkov.
Za zaključek, Hollow - Core Fiber predstavlja prepričljiv napredek za podatke - centralna optika. Z zamenjavo stekla za zrak zmanjšuje izgubo in zamude, medtem ko širi pasovno širino in linearnost. Zgodnja preskušanja dokazujejo njegovo sposobnost, nenehni razvoj pa hitro premaguje praktične ovire. Za uvajanje AI in HPC, ki zahtevajo omrežje "svetlobo - hitrost", HCF ponuja neprimerljivo pot naprej - pod pogojem, da je mogoče rešiti svoje preostale inženirske izzive in stroškovne izzive.