Hollow - Fiber Core (HCF) menggantikan teras kaca single tradisional - serat mod (SMF) dengan udara - pusat yang diisi. Pada dasarnya, HCF dibina sebagai "shell" kaca mikro yang mengelilingi saluran udara tengah. Cahaya tidak dipandu oleh keseluruhan refleksi dalaman dalam kaca, melainkan dengan jurang band fotonik atau kesan antiresonance dalam pelapisan. Rajah 1 menunjukkan reka bentuk antiresonance "pemutar" biasa: teras udara pusat yang dikelilingi oleh cincin tiub kuarza nipis. Ini membolehkan lebih daripada 99% mod cahaya kekal di udara, dengan ketara mengurangkan interaksi dengan kaca. Sebaliknya, SMF terdiri daripada germanium pepejal - teras silika doped (kira -kira 9 μm diameter) dalam pelapisan kaca - yang rendah -. Kerana teras HCF mempunyai indeks refraktif yang jauh lebih rendah (n≈1) daripada pelapisan, struktur pelapisan khusus diperlukan untuk mengurung cahaya.
Rajah 1: Hollow - Reka bentuk serat teras. (a) Skematik antiresonan tiub berongga - serat teras (HCF): Cahaya dikurung dalam teras udara pusat yang dikelilingi oleh kapilari kaca nipis bersarang. (b) Serat mod tradisional - menggunakan teras kaca pepejal. Geometri teras HCF dan pelapisan (contohnya, cincin kaca sarang lebah) menyebabkan cahaya mencerminkan kembali saluran udara melalui sama ada kesan bandgap fotonik atau kesan antiresonance.
Pelemahan (kerugian)
Serat mode tradisional - (SMF) mempunyai kerugian yang sangat rendah dalam band C - (kira -kira 0.2 dB/km). Sebagai contoh, Corning SMF - 28 ULL Fiber mempunyai kehilangan kurang daripada 0.16 dB/km pada 1550 nm. Real - dunia, tinggi - SMF kualiti mempunyai julat kerugian 0.16-0.2 dB/km pada 1550 nm. Sebagai perbandingan, prototaip awal HCF mempamerkan kerugian dalam julat 1-10 dB/km. Terima kasih kepada kemajuan teknologi (reka bentuk antiresonan bersarang, "diputar" HCFs, dan sebagainya), kerugian HCF telah menurun dengan ketara: dari kira -kira 1.3 dB/km pada 2018 hingga kira -kira 0.65 dB/km pada 2019, dan kemudian kepada kira -kira 0.28 dB/km pada 2020. Prototaip telah mencapai kira -kira 0.11 dB/km. Dalam pautan pusat data jangka pendek (puluhan kilometer), walaupun 0.2-0.3 dB/km boleh diterima, jadi HCF hampir dengan pariti kehilangan praktikal.
Penanda aras pelemahan:SMF (1550 nm) ≈0.16-0.2 dB/km; HCF (saat ini) ≲0.2-0.3 dB/km (sasaran ~ 0.1 dB/km).
Implikasi praktikal adalah bahawa pautan HCF langsung boleh merangkumi jarak yang serupa dengan serat mod - tunggal (SMF) tanpa memerlukan penguat pengulang. Kerana HCF mengelakkan teras kaca, kerugian yang tersisa terutamanya berasal dari kebocoran dan penyebaran permukaan. Terutama, penyebaran Rayleigh boleh diabaikan di udara, yang membolehkan pengurangan kerugian selanjutnya melalui struktur resonans anti - yang lebih baik. Hasilnya ialah HCF yang direka bentuk - boleh menyaingi serat optik konvensional dalam pelemahan, sekurang -kurangnya lebih jauh hingga jarak sederhana.
Kelewatan (kelewatan penyebaran)
Kerana HCF menjalankan cahaya di udara, indeks biasannya yang berkesan hampir 1 (berbanding dengan kira -kira 1.47 dalam kaca). Ini bermakna cahaya menyebarkan dengan lebih cepat dalam HCF. Dalam aplikasi praktikal, HCF dapat mengurangkan kelewatan penyebaran sebanyak kira -kira 30% hingga 50%. Sebagai contoh, kelewatan kumpulan tunggal - serat mod (SMF) adalah kira -kira 2.0 μs/km, manakala reka bentuk HCF yang diterbitkan mempunyai kelewatan kumpulan kira -kira 1.54 μs/km. Dalam erti kata lain, latensi pautan HCF dikurangkan sebanyak kira -kira 31% setiap kilometer. Rajah 2a - b menggambarkan kesan pecutan ini. (Nota: Sesetengah sumber melaporkan peningkatan kelajuan setinggi kira -kira 47%, bergantung kepada perbezaan indeks biasan tertentu.)
Rajah 2:Kelebihan kelajuan berongga - serat teras. Dalam berongga - teras HCF (kanan), denyutan cahaya menyebarkan kira -kira 50% lebih cepat daripada kaca - Core SMF (kiri). Ini mengurangkan kelewatan kumpulan (latency) per unit panjang dengan kira -kira 30% hingga 50%. Angka ini menunjukkan bahawa pautan HCF menghantar data yang sama dalam kira -kira dua - tiga kali masa pautan SMF. Dalam aplikasi dunia sebenar -, pautan HCF 10 km mempunyai kelewatan penyebaran kira -kira 15 μs (5 ns/m), manakala pautan SMF mempunyai kelewatan penyebaran kira -kira 20 μs, mengakibatkan akhir - ke - akhir latency shavings kira -kira 5 μs. Pengukuran OFS mengesahkan bahawa HCF mempunyai latensi kira -kira 1.54 μS/km, manakala SMF mempunyai latensi kira -kira 2.24 μs/km (pengurangan kira -kira 31%). Pengurangan latensi ini penting untuk pertukaran data AI/HPC dan perdagangan frekuensi tinggi -. Malah, ujian industri secara konsisten melaporkan peningkatan latensi kira -kira 30%. (Dalam percubaan Madrid baru -baru ini, pautan HCF 1.386 km dikurangkan pusingan - latency perjalanan dengan 4.287 μs berbanding dengan SMF.) Ringkasan:
Penanda aras latensi: SMF ≈2.0 μs/km; HCF ≈1.5-1.6 μs/km, mewakili pengurangan latensi kira -kira 30-35%.
Kelebihan "kelajuan cahaya" ini membolehkan pusat data diedarkan ke atas jarak yang lebih jauh dalam anggaran latensi yang diberikan. Begitu juga, dalam satu pusat data atau kampus, pautan HCF dapat mengurangkan kependaman hop dengan ketara, membantu memenuhi keperluan mikrosecond sub - - ke - keperluan latency akhir kereta api yang diedarkan.
Kesan penyebaran dan tidak linear
HCFs mewarisi penyebaran yang sangat rendah. Oleh kerana kebanyakan cahaya berada di udara, penyebaran bahan (panjang gelombang - variasi bergantung pada indeks biasan kaca) boleh diabaikan. Anti - Resonant HCF yang direka dengan teliti berhampiran - penyebaran sifar dalam band - yang rendah. Ini berkesan meminimumkan peluasan nadi, meningkatkan jalur lebar - produk jarak jauh. Begitu juga, penyebaran mod polarisasi (PMD) dalam HCFS adalah minimum, dan kesan faktor persekitaran (suhu dan tekanan) adalah minimum. Sebagai perbandingan, SMFs mempamerkan penyebaran kira -kira 17 ps/(nm · km) pada 1550 nm (dengan variasi yang lebih besar di seluruh band C/L), dan PMD dalam gentian optik - yang tinggi adalah kira -kira 0.05-0.2 ps/√km.
Dalam HCFS, kesan tak linear (seperti kerriteriti Kerr, SPM/XPM, dan empat - pencampuran gelombang) adalah beberapa pesanan magnitud yang lemah. Dengan lebih daripada 99.99% mod di udara, pekali tidak linear yang berkesan adalah kira -kira 100 hingga 1000 kali lebih kecil daripada pekali bukan linear yang setara dalam silika. Ini bermakna HCF boleh menyokong kuasa optik yang lebih tinggi sebelum penyimpangan tak linear berlaku, berpotensi meningkatkan kecekapan spektrum setiap saluran atau memudahkan format modulasi. Seperti yang ditunjukkan oleh sesetengah penyokong, ia juga dapat meningkatkan keselamatan (menjadikannya lebih mudah untuk menguping atau menyuntik serat melalui serat).
Secara keseluruhannya, HCF secara signifikan mengurangkan batasan jalur lebar dan kekangan tak linear yang berkaitan dengan penyebaran. Pusat data boleh menggunakan panjang gelombang yang lebih luas (di luar standard C - band) untuk mencapai pautan kapasiti - tinggi tanpa memerlukan pampasan penyebaran. Ramai reka bentuk HCF mempunyai "tetingkap antiresonance pertama" yang meliputi banyak jalur 1.5 hingga 1.6 μm dengan kehilangan rata, manakala tetingkap kedua boleh dilanjutkan ke dalam band L - dan juga band yang kelihatan dengan kehilangan yang lebih rendah. Secara keseluruhannya, potensi jalur lebar HCF sekurang -kurangnya setanding dengan, dan berpotensi lebih besar daripada, SMF, terutamanya apabila mempertimbangkan operasi multiband dan kuasa penghantaran yang tinggi.
Jalur lebar dan kapasiti
Kelajuan tinggi HCF dan nonlineariti rendah memberikan kapasiti yang luar biasa. Secara metafora, HCF adalah seperti serat optik yang lebih cepat dengan lorong yang lebih luas: ia boleh membawa lebih banyak "kereta" (bit) pada kelajuan yang lebih cepat. Rajah 3 (kanan) menggambarkan ini: HCF "trak super" boleh membawa lebih banyak data pada kelajuan yang lebih tinggi daripada kereta SMF "." Dalam amalan, HCF telah menunjukkan kadar data agregat yang sangat tinggi dalam eksperimen makmal. Sebagai contoh, eksperimen telah mencapai kadar saluran 800 GB/s dan 1.2 TB/s menggunakan HCF antiresonan yang menggunakan Multiplexing Division Coherent (WDM). Dalam Rangkaian Dunia -, HCF telah menyokong saluran 6 x 100 GB/s dan muatan Multi Multi - pada serat tunggal.
Rajah 3:Analogi melalui data. HCFBoleh disamakan dengan kapasiti yang lebih cepat, tinggi - "trak," sementara SMF disamakan dengan "kereta." Ini mencerminkan gabungan jalur lebar tinggi HCF (lebih banyak panjang gelombang/mod, penyelewengan yang lebih rendah) dan kelajuan penyebaran yang lebih tinggi. Tidak seperti SMF (kiri), HCF mengelakkan tidak linear kaca dan boleh menggunakan tetingkap spektrum yang lebih luas, membolehkan kadar data melebihi terabits/saat pada serat tunggal.
Mata utama mengenai kapasiti HCF:
● Julat panjang gelombang:HCF tidak terhad oleh penyerapan silika "puncak air" dan penyerapan UV SMF. Reka bentuk HCF baru berfungsi dengan baik dari ~ 1200 nm sehingga ~ 1700 nm, dan bahkan dapat dilihat untuk jenis khusus.
● Saluran WDM:Ujian awal menunjukkan HCF yang membawa berpuluh -puluh saluran WDM (C+L band) dengan crosstalk tak linear yang minimum.
● Format modulasi:Kerana nonlinearity adalah rendah, HCF lebih mudah membawa modulasi pesanan - yang tinggi (eg . 64 qam) pada kuasa tinggi setiap saluran.
● bit - kadar:Dengan pengesanan yang koheren, HCF harus menyokong sama setiap - bit saluran - kadar sebagai SMF (100 gb/s+ per gelombang panjang); Ujian awal pada panjang gelombang 100-600 GB/s telah berjaya.
Ringkasnya, HCF menawarkansekurang -kurangnyaJalur lebar berpotensi yang sama seperti SMF dan, dalam pautan saluran multi -, sering boleh melampauinya melalui kuasa pelancaran yang lebih tinggi dan crosstalk yang lebih rendah. Satu -satunya kaveat adalah bahawa banyak jenis HCF mempunyai tetingkap kerugian rendah - yang rendah, jadi serat penuh C+L+U Band Penggunaan mungkin memerlukan pelbagai jenis serat atau penyebaran yang dioptimumkan - reka bentuk kejuruteraan.
Fabrikasi dan cabaran praktikal
Walaupun fizik HCF menjanjikan, beberapa cabaran kejuruteraan kekal:
● Preforms kompleks:HCF Preforms (struktur rod kaca) adalah rumit. Mereka memerlukan menyusun pelbagai tiub kapilari nipis, yang menuntut fabrikasi ketepatan - yang tinggi dan menarik kawalan. Akibatnya, HCF semasa dibuat dalam jumlah terhad. Pengilangan pembuatan kepada puluhan ribu km pautan serat DC akan mengambil lebih banyak pembangunan dan barisan pengeluaran baru.
● Splicing dan penyambung:HCF tidak boleh secara langsung dengan penyambung serat standard. Oleh itu, penamatan menggunakan pigtail SMF konvensional pendek. Dalam amalan, industri menggunakan splicing fusion HCF kepada pemegang SMF dalam penyambung LC/SC. Kerugian splice yang dilaporkan berkisar dari ~ 0.5 dB (dioptimumkan) sehingga ~ 2.5 dB. Mana -mana penyambung/pigtail menambah ~ 0.5 dB. Kerugian tambahan ini (setiap pautan) adalah signifikan berbanding dengan bajet transceiver dalam DC. Low - kehilangan splices HCF dan penyelesaian penyambung kos rendah - adalah kawasan R & D aktif.
● Bend dan kepekaan pembungkusan:HCF (terutamanya besar - reka bentuk teras) lebih sensitif terhadap lenturan dan mikro - membongkok daripada SMF. Bends memperkenalkan kerugian dan boleh menukar mod. Untuk mengurangkan ini, kabel HCF menggunakan longgar - tiub atau pembinaan reben dengan radius bendung besar. Perhatian khusus diperlukan untuk mengelakkan ketegangan semasa pemasangan. Dalam ujian makmal, HCF pada gulungan tegar menunjukkan tingkah laku yang boleh diterima, tetapi kabel sebenar (dengan gangguan minimum) sebenarnya boleh meningkatkan gangguan mod - yang lebih tinggi kecuali direka dengan penapis mod. OFS dan lain -lain telah menambah struktur "shunt" untuk sengaja melucutkan mod pesanan - dan menindas penyebaran modal.
● Sambutan dan kehilangan serat:Rekod kerugian rendah (≪0.2 dB/km) telah diukur pada helai HCF "telanjang". Kabel, splicing, dan faktor persekitaran (pencemaran, kelembapan) biasanya menimbulkan kerugian. Sebagai contoh, OFS melaporkan bahawa kabel HCF mereka menambah ~ 0.1-0.7 dB/km kehilangan dalam band C -. Oleh itu, sebenar - kerugian yang digunakan dunia mungkin ~ 0.3-0.5 dB/km sehingga proses matang.
● Kos dan ketersediaan:HCF kini membawa premium harga, seperti yang dinyatakan oleh pakar industri. Penyebaran awal (misalnya BT/Lumenisity untuk Bursa Saham London) adalah penggunaan niche - kes di mana kos dibenarkan. Untuk menjadi arus perdana dalam interkoneksi DC, jumlah pengeluaran mesti skala dan kos bahan jatuh. Beberapa usaha baru (Rangkaian Relativiti, Lumenisity, Silenfiber, dan lain -lain) sedang membina pengeluaran HCF dengan pembiayaan dan pengambilalihan VC.
Ringkasnya,Pautan HCF praktikalHari ini mungkin memerlukan pengendalian yang teliti: penyambung spliced fusion, gelung kendur besar, dan kabel khusus. Industri ini secara aktif membangun piawaian dan amalan terbaik. Sebagai contoh, kabel OFS ACCUCORE ™ kini ditawarkan untuk HCF dengan faktor bentuk standard. Walau bagaimanapun, setiap pautan HCF masih menanggung kira -kira 0.5-3 dB kehilangan tambahan untuk kabel/splices, mengehadkan jangkauan dan memerlukan belanjawan kuasa.
Ujian dan Prototaip dalam Tetapan Datacenter
HCF sudah keluar dari makmal ke rangkaian sebenar. Ujian lapangan terkini dan penyebaran perintis menunjukkan hasil yang menjanjikan:
● dc - ke - dc links:Pada bulan Februari 2024, pengendali Sepanyol Lyntia bekerjasama dengan Nokia, OF|Furukawa dan Digital Realty untuk menggunakan kabel teras - di antara pop dan pusat data Madrid. Lebih dari pautan HCF 1.386 km, mereka mencapai pengurangan latensi perjalanan -287 µs (>30%) berbanding dengan SMF, sambil membawa 600 GB/s pada panjang gelombang tunggal. Ujian dunia sebenar - ini digunakan transponder koheren pada 100 gb/s per λ. Percubaan itu mengesahkan bahawa HCF boleh disambungkan ke dalam infrastruktur sedia ada (kabel OFS Accucore®) dengan gear koheren standard, membuka pintu untuk interkoneksi DC.
● Pendek - mencapai pautan:Labs OFS menunjukkan pautan HCF 3.1 km yang membawa trafik DWDM 10 GB/s (10 panjang gelombang) untuk rangkaian dagangan. Ini adalah transmisi HCF yang pertama, menunjukkan bit - error - percuma 10GB/s ke atas serat+kabel dengan pengurangan latensi 31%. Begitu juga, Nokia/Bell Labs telah menguji HCF pada agregat 800-1200 GB/s (8 × 100GB/s) dalam persediaan makmal.
● Rangkaian kewangan dan perdagangan:Penjimatan latency HCF telah menarik tinggi - frekuensi perdagangan (HFT) Gunakan - kes. Pada tahun 2021, Lumenisity (kini sebahagian daripada Nokia) dan EUnetWorks yang dikerahkan Hollow - pautan teras untuk menghubungkan Bursa Saham London. Dengan menggunakan HCF untuk - batu terakhir ke tempat perdagangan, latensi mikrosecond dikurangkan. Penyebaran sedemikian menandakan beberapa penggunaan komersial pertama HCF. (BT dan lain -lain juga telah mengetuai HCF untuk backhaul mudah alih dan rangkaian selamat, walaupun ini berada di luar DCS.)
● Pertukaran data AI/HPC:Walaupun data awam terhad, penyedia awan utama sedang menyiasat HCF. Microsoft Azure telah membentuk satu pasukan (dahulunya lumenisity) kepada prototaip hubungan HCF antara pusat data. Rangkaian Relativiti (A Start US - UP) sedang membangunkan HCF khusus untuk kain datacenter AI. Usaha ini bertujuan untuk mengeksploitasi kelajuan HCF untuk mengurangkan kesesakan latensi dalam latihan AI yang diedarkan. Walaupun masih awal, inisiatif ini menggariskan potensi teknologi dalam persekitaran hiperscale dan HPC.
Dalam semua percubaan ini,Pertunjukan memenuhi jangkaan: Drops latency yang signifikan (biasanya ~ 30%) dan multi - seratus - kapasiti Gbps pada pautan pendek. Walau bagaimanapun, tiada satu pun daripada ujian ini yang masih melanjutkan beratus -ratus km HCF - yang kekal sebagai kerja masa depan. Buat masa ini, HCF paling sesuai dengan skala Metro - atau intra - pautan datacenter (sehingga ~ 10-20 km), di mana manfaatnya bersinar tanpa memerlukan pengulang aktif.
Outlook: AI/HPC dan rangkaian pusat data masa depan
Dorongan ke arah AI dan Ultra - Fast HPC adalah permintaan yang tinggi untuk pautan jalur lebar Ultra - -, ultra - pautan lebar tinggi -. HCF adalah kedudukan yang unik untuk menangani keperluan ini. Dengan mengurangkan kelewatan pautan ~ 30% per km, HCF membolehkan pengendali DC meregangkan liputan geografi: Analisis mencadangkan pusat data boleh diletakkan 1.5 × lebih jauh untuk latensi yang sama. "Fleksibiliti geografi" ini boleh menjadi penting kerana kelompok AI merangkumi beberapa tapak. Begitu juga, dalam pusat data, HCF boleh memotong antara - rak dan inter - latency pod, memberi makan model besar dengan lag pemindahan data minimum.
Di luar kelajuan mentah, sokongan rendah dan sokongan spektrum yang rendah HCF bermakna transceiver masa depan boleh menolak kadar data lebih tinggi. Dikombinasikan dengan modulasi lanjutan dan skim serat selari (misalnya Multicore HCF), keseluruhannya dapat melebihi pautan SMF hari ini. Penyedia membayangkan HCF membawa terabit - per - trafik kedua setiap helai dalam dekad yang akan datang, memenuhi keperluan Exascale I/O cip AI.
Industri mengambil perhatian. Pemain awan/HPC utama (Microsoft, Google, META) telah membiayai HCF R & D atau pengambilalihan, dan permulaan (relativiti, lumenisity) telah memperoleh berjuta -juta dalam usaha dan sokongan kerajaan. Badan piawaian dan konsortia mula termasuk HCF dalam rancangan rangkaian masa depan. Walaupun banyak ketidakpastian kekal (kos, kebolehpercayaan, integrasi), trend ini jelas: HCF berada di landasan untuk menjadi blok bangunan utama untuk generasi seterusnya - rendah - latency, tinggi - rangkaian pusat data kapasiti.
Kesimpulannya, Hollow - Serat teras mewakili kemajuan yang menarik untuk data - Optik. Dengan menukar kaca untuk udara, ia memotong kehilangan dan latensi sambil mengembangkan jalur lebar dan linearity. Percubaan awal membuktikan daya majunya, dan perkembangan berterusan dengan cepat mengatasi halangan praktikal. Untuk penyebaran AI dan HPC yang menuntut rangkaian "cahaya -", HCF menawarkan jalan yang tidak dapat ditandingi ke hadapan - dengan syarat cabaran kejuruteraan dan kosnya dapat diselesaikan.
