Hollow - Core Fiber (HCF) Korvaa perinteisen yksittäisen - -tilan kuidun (SMF) lasisydin ilmalla - täytetty keskusta. Pohjimmiltaan HCF on rakennettu mikrorakenteisena lasikanavana, joka ympäröi keskikanavaa. Valoa ei ohjaa lasin kokonaishasettamista, vaan fotoninen kaistaväli tai antiresonanssivaikutus verhouksessa. Kuvio 1 esittää yleisen "rotaattorin" antiresonanssisuunnittelun: keskimmäisen ilman ydin, jota ympäröi ohut kvartsiletku. Tämä antaa yli 99% valotilasta pysyä ilmassa vähentäen merkittävästi vuorovaikutusta lasin kanssa. Sitä vastoin SMF koostuu kiinteästä germaniumista - seostetusta piidioksidin ytimestä (halkaisija noin 9 μm) alhaisessa - taite- - hakemistolasilla. Koska HCF -ytimessä on paljon alhaisempi taitekerroin (NÄ1) kuin verhous, valon rajoittamiseen tarvitaan erikoistunut verhousrakenne.
Kuva 1: Hollow - ydinkuidun suunnittelu. (a) Kaavio putkimaisesta antiresonant -ontosta - ydinkuidusta (HCF): valo rajoittuu keskiympäristöön, jota ympäröivät sisäkkäiset ohuet lasikapillaarit. (b) Perinteinen yksittäinen - -tilan kuitu käyttää kiinteää lasin ydintä. HCF -ytimen ja verhouksen geometria (esim. Honeycomb -lasirenkaat) saavat valon heijastumaan ilmakanavaan joko fotonisen kaistanlevyvaikutuksen tai antiresonanssin vastaisen vaikutuksen kautta.
Vaimennus (tappio)
Perinteisellä single - -tilakuitulla (SMF) on erittäin pieni menetys C - kaistalla (noin 0,2 dB/km). Esimerkiksi Corning SMF - 28 ULL -kuidun menetys on alle 0,16 dB/km 1550 nm: ssä. Real - -maailma, korkea - Laadun SMF: n tappioalue on 0,16–0,2 dB/km 1550 nm: ssä. Vertailun vuoksi HCF: n varhaiset prototyypit osoittivat tappioita 1–10 dB/km: n alueella. Teknologisen kehityksen ansiosta (sisäkkäiset antiresonanttiset mallit, "kierrettyjä" HCF: itä jne.) HCF -tappiot ovat vähentyneet huomattavasti: noin 1,3 dB/km vuonna 2018 noin 0,65 dB/km vuonna 2019 ja sitten noin 0,28 dB/km vuonna 2020. Modernit mallit ovat lähestyneet SMF -tasoja: äskettäiset mielenosoitukset ja viimeisimpiä mielenosoituksia, jotka ovat viime aikoina. Prototyypit ovat saavuttaneet noin 0,11 dB/km. Lyhyen ulottuvien datakeskuksen linkit (kymmeniä kilometriä) jopa 0,2–0,3 dB/km on hyväksyttävä, joten HCF on lähellä käytännön menetyksen pariteettia.
Vaimennusvertailut:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (tällä hetkellä) ≲0,2–0,3 dB/km (kohde ~ 0,1 dB/km).
Käytännöllinen merkitys on, että suorat HCF -linkit voivat kattaa etäisyydet, jotka ovat samanlaisia kuin yksittäisen - -moodikuitu (SMF) ilman toistovahvistimien tarvetta. Koska HCF välttää lasin ytimen, sen jäljellä olevat menetykset johtuvat pääasiassa vuotoista ja pinnan sironnasta. Erityisesti Rayleigh -sironta on vähäinen ilmassa, mikä mahdollistaa tappioiden vähentämisen edelleen parannetuilla anti - resonanssirakenteilla. Tuloksena on, että hyvin - Suunniteltu HCF voi kilpailla tavanomaista optista kuitua vaimennuksessa, ainakin lyhyitä tai keskitasoja.
Viive (etenemisviive)
Koska HCF johtaa valoa ilmassa, sen tehokas taitekerroin on lähellä 1 (verrattuna lasin noin 1,47). Tämä tarkoittaa, että valo etenee huomattavasti nopeammin HCF: ssä. Käytännön sovelluksissa HCF voi vähentää etenemisviivettä noin 30–50%. Esimerkiksi yksittäisen - -tilan kuidun (SMF) ryhmäviive on noin 2,0 µs/km, kun taas julkaistujen HCF -mallien ryhmäviive on noin 1,54 µs/km. Toisin sanoen HCF -linkin latenssi vähenee noin 31% kilometriä kohti. Kuviot 2a - b kuvaa tätä kiihtyvyysvaikutusta. (Huomaa: Jotkut lähteet ilmoittavat nopeuden parannuksista niin korkeita kuin noin 47%, tietystä taitekertoimesta riippuen.)
Kuva 2:Hollow - ydinkuidun nopeusetu. Hollow - ydin HCF (oikea), kevyt pulssit etenevät noin 50% nopeammin kuin lasissa - ydin SMF (vasen). Tämä vähentää ryhmäviivettä (latenssi) yksikköä kohti noin 30–50%. Kuvio osoittaa, että HCF -linkki välittää samat tiedot suunnilleen kahdessa - kolmasosassa SMF -linkin ajan. Todellisissa - maailmansovelluksissa 10 km HCF -linkin etenemisviive on noin 15 µs (5 ns/m), kun taas SMF -linkin etenemisviive on noin 20 µs, mikä johtaa - - päätyjen säästämiseen noin 5 µs. OFS -mittaukset vahvistavat, että HCF: n latenssi on noin 1,54 µs/km, kun taas SMF: n latenssi on noin 2,24 µs/km (vähennys on noin 31%). Tämä viiveiden vähentäminen on kriittinen AI/HPC: n tiedonvaihtolle ja korkealle - taajuuskaupoille. Itse asiassa teollisuuskokeet ilmoittavat jatkuvasti noin 30%: n latenssiparannuksista. (Äskettäisessä Madrid -tutkimuksessa 1,386 km HCF -linkki vähensi kierrosta - matkan latenssi 4,287 µs verrattuna SMF: ään.) Yhteenveto:
Latenssivertailu: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, mikä edustaa noin 30–35%: n latenssin vähenemistä.
Tämä "valonopeus" -etu mahdollistaa tietokeskukset jakautumaan suuremmille etäisyyksille tietyn latenssibudjetin sisällä. Samoin yhdessä datakeskuksessa tai kampuksella HCF -linkit voivat vähentää huomattavasti hypyn latenssia, mikä auttaa täyttämään ala -- mikrosekunnin pääty - - - Hajautettujen AI -junien loppuviiveen vaatimukset.
Hajotus ja epälineaariset vaikutukset
HCF: t perivät erittäin matalan leviämisen. Koska suurin osa valoista sijaitsee ilmassa, materiaalien dispersio (aallonpituus - riippuvainen lasin taitekerroksen variaatio) on vähäinen. Huolellisesti suunniteltu anti - resonanssi HCF -esittelyt lähellä - nolla -dispersiota sen alhaisessa - tappiokaistassa. Tämä minimoi pulssin laajentumisen tehokkaasti kaistanleveyden parantamalla - etäisyystuotetta. Samoin polarisaatiotilan dispersio (PMD) HCFS: ssä on minimaalinen, ja ympäristötekijöiden (lämpötila ja stressi) vaikutukset ovat minimaaliset. Vertailun vuoksi SMF: llä on noin 17 ps/(nm · km) dispersio 1550 nm: llä (suuremmalla variaatiolla C/L -kaistalla) ja PMD korkealla - -optiset optiset kuidut ovat noin 0,05–0,2 ps/√km.
HCFS: ssä epälineaariset vaikutukset (kuten Kerr epälineaarisuus, SPM/XPM ja neljä - aalto sekoittumista) ovat useita suuruusluokkia heikompia. Yli 99,99% ilmassa olevista moodista, efektiivinen epälineaarinen kerroin on noin 100 - 1000 kertaa pienempi kuin vastaava epälineaarinen kertoimet piidioksidissa. Tämä tarkoittaa, että HCF voi tukea korkeampia optisia voimia ennen kuin epälineaarinen vääristymä tapahtuu, mikä mahdollisesti parantaa spektritehokkuutta kanavaa kohti tai yksinkertaistaa modulaatiomuotoja. Kuten jotkut kannattajat huomauttavat, se voi myös parantaa turvallisuutta (helpottaa salakuuntelua tai injektoida kuituja kuidun läpi).
Kaiken kaikkiaan HCF vähentää merkittävästi dispersioon liittyviä kaistanleveysrajoituksia ja epälineaarisia rajoituksia. Tietokeskukset voivat hyödyntää laajempia aallonpituuksia (standardin C - kaista) saavuttaaksesi korkean - kapasiteetin linkit ilman dispersion kompensointia. Monissa HCF -malleissa on leveä "ensimmäinen antireonanssi -ikkuna", joka kattaa suuren osan 1,5 - 1,6 µm: n kaistasta, jolla on tasainen häviö, kun taas toinen ikkuna voi ulottua L - -kaistalle ja jopa näkyvälle kaistalle, jolla on alhaisempi menetys. Kaiken kaikkiaan HCF: n kaistanleveyspotentiaali on ainakin verrattavissa ja mahdollisesti jopa suurempi kuin SMF: n potentiaali, varsinkin kun harkitaan monikaistan toimintaa ja suuria lähetysvoimia.
Kaistanleveys ja kapasiteetti
HCF: n nopea ja alhainen epälineaarisuus antavat sille poikkeuksellisen kapasiteetin. Metaforisesti HCF on kuin nopeampi optinen kuitu, jolla on laajemmat kaistat: se voi kuljettaa enemmän "autoja" (bittiä) nopeammin. Kuvio 3 (oikea) kuvaa tätä: HCF: n "superauto" voi kuljettaa enemmän tietoa suuremmalla nopeudella kuin SMF "auto". Käytännössä HCF on osoittanut erittäin korkean aggregaatin tiedonsiirtonopeuden laboratoriokokeissa. Esimerkiksi kokeet ovat saavuttaneet kanavanopeudet 800 gb/s ja 1,2 TB/s käyttämällä antiresonantti HCF: ää käyttämällä koherenttia aallonpituuden jakautumista multipleksointia (WDM). Real - -verkoissa HCF on tukenut 6 x 100 gb/s -kanavia ja vastaavia multi - aallonpituuskuormia yhdellä kuidulla.
Kuva 3:Datan läpäisyanalogia. HCFvoidaan verrata nopeampaan, korkeaan - -kapasiteettiin "kuorma -auto", kun SMF on verrattu "autoon". Tämä heijastaa HCF: n korkean kaistanleveyden (enemmän aallonpituuksia/moodia, pienempi vääristymä) yhdistelmää ja suurempaa etenemisnopeutta. Toisin kuin SMF (vasen), HCF välttää lasin epälineaarisuudet ja pystyy hyödyntämään laajempaa spektriikkunaa, mikä mahdollistaa tiedonsiirtonopeudet, jotka ylittävät terabiitit/sekunnin yhdellä kuidulla.
HCF -kapasiteetin avainkohdat:
● Aallonpituusalue:Piidioksidin imeytyminen "vesipiikit" ja SMF: n UV -imeytyminen ei rajoita HCF: ää. Uudet HCF -mallit toimivat hyvin ~ 1200 nm: stä ~ 1700 nm: iin ja jopa näkyväksi erikoistuneille tyypeille.
● WDM -kanavat:Varhaiset testit osoittavat HCF: n kuljettavan kymmeniä WDM -kanavia (C+L -kaista), jolla on minimaalinen epälineaarinen ylikuormitus.
● Modulaatiomuodot:Koska epälineaarisuus on alhainen, HCF voi helpommin kuljettaa korkeaa - tilausmodulaatiota (esim. . 64 qAM) suurella teholla kanavaa kohti.
● Bit - arvio:Koherenttien havaitsemisen avulla HCF: n tulisi tukea samaa kohden - kanavan bitti - nopeus kuin SMF (100 gb/s+/aallonpituus); Varhaiset tutkimukset 100–600 Gt/s aallonpituudet ovat onnistuneet.
Yhteenvetona voidaan todeta, että HCF tarjoaavähintäänSama potentiaalinen kaistanleveys kuin SMF ja multi - -kanavalinkit voivat usein ylittää sen korkeamman laukaisu tehon ja alemman ylimmän kautta. Ainoa varoitus on, että monilla HCF -tyypeillä on rajallinen matala - -tappioikkuna, joten Full Fiber C+L+U -kaistakäyttö voi vaatia useita kuitutyyppejä tai optimoitua dispersiota - suunnitellut mallit.
Valmistus ja käytännön haasteet
Vaikka HCF: n fysiikka on lupaava, useita tekniikan haasteita on edelleen:
● Kompleksiset esimuodot:HCF -esimuodot (lasitankojen rakenteet) ovat monimutkaisia. Ne vaativat useiden ohuiden kapillaariputkien pinoamista, mikä vaatii korkeaa - tarkkuusvalmistusta ja piirtämistä. Seurauksena on, että nykyinen HCF tehdään rajoitetussa määrässä. Valmistus kymmenille tuhansille km: n DC -kuituyhteyksille vie enemmän kehitys- ja uusia tuotantolinjoja.
● Silmukointi ja liittimet:HCF ei voi suoraan pariutua vakiokuituliittimien kanssa. Joten päätelmät käyttävät lyhyitä tavanomaisia SMF -pigtaileja. Käytännössä teollisuus käyttää HCF: n fuusion silmukointia SMF -haltijoihin LC/SC -liittimissä. Raportoidut silmäshäviöt vaihtelevat ~ 0,5 dB (optimoitu) ~ 2,5 dB: iin. Mikä tahansa liitin/pigtail lisää ~ 0,5 dB. Nämä ylimääräiset tappiot (linkkiä kohden) ovat merkittäviä verrattuna lähetin -vastaanottimen budjettiin DC: ssä. Matala - häviö HCF -liitokset ja uudet alhaiset - Kustannusliitinratkaisut ovat aktiivisia tutkimus- ja kehitysalueita.
● Taivuta ja pakkausherkkyys:HCF (erityisesti suuri - ydinmallit) on herkempi taivutukselle ja mikro - taivutukselle kuin SMF. Taivutukset tuovat tappiota ja voivat muuntaa tilat. Tämän lieventämiseksi HCF -kaapelit käyttävät löysää - -putkea tai nauharakennetta suurilla taivutussäteillä. Erityistä huomiota tarvitaan rasituksen estämiseksi asennuksen aikana. Laboratoriokokeissa HCF jäykillä keloilla osoitti hyväksyttävää käyttäytymistä, mutta todellinen kaapelointi (minimaalisella häiriöllä) voi tosiasiallisesti lisätä korkeampaa - tilaustilan häiriöitä, ellei suunniteltu moodisuodattimilla. Ofs ja muut ovat lisänneet "shunt" -rakenteet tahallisesti suurempaan - tilaustilaan ja tukahduttamaan modaalinen dispersio.
● Silmäs- ja kuituhäviö:Tietueen alhaiset tappiot (≪0,2 dB/km) on mitattu "paljain" HCF -säikeisiin. Kaapelointi, silmukointi ja ympäristötekijät (saastuminen, kosteus) tyypillisesti nostavat menetyksiä. Esimerkiksi OFS ilmoitti, että niiden HCF: n kaapelointi lisäsi ~ 0,1–0,7 dB/km tappiota C - kaistalla. Siten todellinen - maailman käyttöönotettu menetys voi olla ~ 0,3–0,5 dB/km, kunnes prosessit kypsät.
● Kustannukset ja saatavuus:HCF: llä on tällä hetkellä hintapalkkio, kuten alan asiantuntijat ovat todenneet. Varhaiset käyttöönotot (esim. BT/Lumenisity Lontoon pörssissä) ovat kapeat - tapaukset, joissa kustannukset ovat perusteltuja. Jotta saataisiin valtavirta tasavirtayhteyksiin, tuotantomäärien on mittakaava ja materiaalikustannukset lasketaan. Useat uudet yritykset (suhteellisuusverkot, lumenisiteetti, Silenfiber jne.) Rakennetaan HCF -tuotantoa riskipääomarahoituksella ja yritysostoilla.
Yhteenvetona,Käytännölliset HCF -linkitNykyään voi vaatia huolellista käsittelyä: fuusiota liitetyt liittimet, suuret löysät silmukot ja erikoistuneet kaapelit. Teollisuus kehittää aktiivisesti standardeja ja parhaita käytäntöjä. Esimerkiksi OFS Accucore ™ -kaapelit tarjotaan nyt HCF: lle vakiomuotokertoimilla. Jokaisella HCF -linkillä on kuitenkin edelleen noin 0,5–3 dB ylimääräistä menetystä kaapeloinnille/liitoksille, rajoittaen ulottuvuutta ja edellyttäen energian budjetointia.
Kokeet ja prototyypit datakeskuksen asetuksissa
HCF on jo siirtymässä laboratoriosta todellisiin verkkoihin. Viimeaikaiset kenttäkokeet ja pilottin käyttöönotot osoittavat lupaavia tuloksia:
● DC - - - DC -linkit:Helmikuussa 2024 espanjalainen operaattori Lyntia ryhtyi Nokia, OFS|Furukawan ja Digital Realty -yhtiön kanssa onton - ydinkaapelin käyttöön popin ja Madrid -tietokeskuksen välillä. Yli 1,386 km HCF -linkki, he saavuttivat kierroksen - matkan latenssin vähentäminen287 µs (>30%) verrattuna SMF: ään, samalla kun se kantaa 600 gb/s yhdellä aallonpituudella. Tämä todellinen - -testi käytettiin koherentteja transpondereita nopeudella 100 gb/s per λ. Koe vahvisti, että HCF voidaan silmukoida olemassa olevaan infrastruktuuriin (OFS Accucore® -kaapeli) tavallisilla koherenttivaihteilla, avaamalla oven DC -yhteyksille.
● Lyhyt - tavoittaa linkit:Ofs Labs osoitti 3,1 km HCF -linkin, joka kantoi 10 Gt/s DWDM -liikennettä (10 aallonpituutta) kaupankäyntiverkoihin. Tämä oli ensimmäinen liitetty HCF -lähetys, joka osoitti bittin - -virheen - ilmainen 10 gb/s kuidun+kaapelin yli 31%: n latenssin vähentämisellä. Samoin Nokia/Bell Labs on testannut HCF: n nopeudella 800–1200 Gt/s aggregaatti (8 x 100 gb/s) laboratorioasetuksissa.
● Taloudelliset ja kauppaverkot:HCF: n latenssisäästöt ovat houkutelleet korkeaa - taajuuskaupan (HFT) käytä - tapauksia. Vuonna 2021 Lumenisity (nyt osa Nokiaa) ja EunetWorks käyttivät onttoja - ydinlinkkejä Connect Londonin pörssiin. Käyttämällä HCF: ää viimeisimmässä - mailissa kauppapaikkoihin, mikrosekunnin viiveet vähenevät. Tällaiset käyttöönotot merkitsevät joitain HCF: n ensimmäisistä kaupallisista käytöistä. (BT ja muut ovat myös pilotoineet HCF: ää mobiililaitteille ja turvallisille verkkoille, vaikka nämä ovat DC: n ulkopuolella.)
● AI/HPC -datanvaihto:Vaikka julkiset tiedot ovat rajallisia, suuret pilvipalveluntarjoajat tutkivat HCF: ää. Microsoft Azure on muodostanut tiimin (entinen lumenisivuus) Prototyyppiin HCF -linkkejä tietokeskusten välillä. Relatiivisuusverkot (Yhdysvaltain start - ylös) kehittää HCF: tä erityisesti AI -tietokeskuksen kankaisiin. Näiden pyrkimysten tavoitteena on hyödyntää HCF: n nopeutta lieventämään latenssipullonkauloja hajautetussa AI -koulutuksessa. Vaikka nämä aloitteet ovat vielä varhaisia, ne korostavat tekniikan potentiaalia hyperscale- ja HPC -ympäristöissä.
Kaikissa näissä kokeissa,Esitykset vastasivat odotuksia: Merkittävät viivepisarat (tyypillisesti ~ 30%) ja multi - sata - gbps -kapasiteettia lyhyillä linkillä. Mikään näistä kokeista ei kuitenkaan vielä laajenna HCF: tä satoja KM - joka on edelleen tulevaisuuden työ. Toistaiseksi HCF sopii parhaiten metro - asteikkoon tai intra - datakeskuksen linkkejä (jopa ~ 10–20 km), missä sen edut loistavat ilman, että vaaditaan aktiivisia toistimia.
Outlook: AI/HPC ja Future DataCenter -verkot
Pyrkimys kohti AI: tä ja ultra - Nopea HPC on Ultra - {- viive, ultra - korkea - kaistanleveyslinkkien kysyntä. HCF on ainutlaatuisesti sijoitettu näiden tarpeiden ratkaisemiseksi. Vähentämällä linkkiviivettä ~ 30% / km, HCF antaa DC -operaattorien venyttää maantieteellistä kattavuutta: Analyysit viittaavat siihen, että tietokeskukset voitaisiin sijoittaa 1,5 x kauemmaksi saman latenssin suhteen. Tämä "maantieteellinen joustavuus" voi olla ratkaisevan tärkeä, koska AI -klusterit kattavat useita sivustoja. Samoin datakeskuksessa HCF voi leikata Inter - telineen ja Inter - pod -viiveitä, syöttämällä suuria malleja minimaalisella tiedonsiirtoviiveellä.
RAW -nopeuden lisäksi HCF: n matala epälineaarisuus ja laaja spektrin tuki tulevaisuuden lähetinvastaanottimet voivat nostaa tiedonsiirtonopeutta vielä korkeammalle. Yhdistettynä edistyneisiin modulaatio- ja rinnakkaiskuitujärjestelmiin (esim. Multicore HCF), kokonaismäärä voi ylittää huomattavasti nykypäivän SMF -linkit. Palveluntarjoajat kuvittelevat HCF: n kantavan terabitia - per - toinen liikenne nauhaa kohti seuraavan vuosikymmenen aikana vastaten AI -sirujen Excale I/O -tarpeisiin.
Teollisuus ottaa huomiota. Suurimmat Cloud/HPC -pelaajat (Microsoft, Google, Meta) ovat rahoittaneet HCF -T & K -kehitystä tai yritysostoja, ja startup -yritykset (suhteellisuus, lumenisiteetti) ovat saaneet miljoonia yrityksiä ja valtion tukea. Standardit ja konsortiot ovat alkaneet sisällyttää HCF: n tuleviin verkkosuunnitelmiin. Vaikka monet epävarmuustekijät pysyvät (kustannukset, luotettavuus, integraatio), suuntaus on selkeä: HCF: n on tulossa avainrakennuspalikana seuraavalle - Generation Low - viive, korkea - kapasiteettitietoverkot.
Lopuksi, ontto - Core Fiber edustaa kiinnostavaa etenemistä datalle - keskikeskuksen optiikka. Vaihtamalla lasi ilmaa varten, se vähentää menetystä ja viivettä samalla laajentaen kaistanleveyttä ja lineaarisuutta. Varhaiset tutkimukset todistavat sen elinkelpoisuuden, ja jatkuva kehitys ylittää nopeasti käytännön esteet. HCF tarjoaa AI- ja HPC -käyttöönottoja, jotka vaativat "Light - nopeus" -verkkoa, HCF tarjoaa vertaansa vailla olevan polun - edellyttäen, että sen jäljellä olevat suunnittelu- ja kustannushaasteet voidaan ratkaista.