Hollow - Core Fibre (HCF) substitueix el nucli de vidre d'un single tradicional - fibra del mode (SMF) amb un centre ple d'aire -. En essència, un HCF es construeix com una "closca" de vidre microestructurada que envolta un canal d'aire central. La llum no es guia no per la reflexió interna total del vidre, sinó per una bretxa de banda fotònica o un efecte antiresonància en el revestiment. La figura 1 mostra un disseny d’antiresonància “rotador” comú: un nucli d’aire central envoltat d’un anell de tub de quars prim. Això permet que més del 99% del mode de llum es mantingui a l’aire, reduint significativament la interacció amb el vidre. En canvi, un SMF consisteix en un nucli de sílice dopat doped (aproximadament 9 μm de diàmetre) dins d’un baix {{12} refractiu - revestiment de vidre índex. Com que el nucli HCF té un índex de refracció molt inferior (N≈1) que el revestiment, es necessita una estructura especialitzada de revestiment per limitar la llum.
Figura 1: Hollow - Disseny de fibra principal. (a) Esquema d'un buit antiresonant tubular - Fibra principal (HCF): la llum es limita en un nucli d'aire central envoltat de capil·lars de vidre prim imbricats. (b) La fibra del mode single tradicional - utilitza un nucli de vidre sòlid. La geometria del nucli HCF i del revestiment (per exemple, anells de vidre de bresca) fa que la llum es reflecteixi al canal de l’aire a través de l’efecte fotònic de banda o l’efecte antiresonància.
Atenuació (pèrdua)
La fibra del mode single - (SMF) té una pèrdua molt baixa a la banda C - (aproximadament 0,2 dB/km). Per exemple, Corning SMF - 28 ULL FIBER té una pèrdua inferior a 0,16 dB/km a 1550 nm. Real - món, High - Qualitat SMF té un rang de pèrdues de 0,16–0,2 dB/km a 1550 nm. En comparació, els prototips HCF precoç van mostrar pèrdues en el rang d’1-10 dB/km. Gràcies als avenços tecnològics (dissenys antiresonants nidificats, HCFs "rotats", etc.), les pèrdues de HCF han disminuït significativament: d'aproximadament 1,3 dB/km el 2018 a aproximadament 0,65 dB/km el 2019, i després fins a aproximadament 0,28 dB/km el 2020. Els dissenys moderns s'aproximen Els prototips de laboratori han aconseguit aproximadament 0,11 dB/km. En els enllaços del centre de dades de curt abast (desenes de quilòmetres), fins i tot 0,2–0,3 dB/km és acceptable, de manera que el HCF està a prop de la paritat pràctica de pèrdues.
Benques d’atenuació:SMF (1550 nm) ≈0.16–0,2 dB/km; HCF (actualment) ≲0,2–0,3 dB/km (objectiu ~ 0,1 dB/km).
La implicació pràctica és que els enllaços HCF directes poden abastar distàncies similars a les de la fibra del mode single - (SMF) sense necessitat d'amplificadors de repetició. Com que la HCF evita el nucli de vidre, les pèrdues restants provenen principalment de la fuga i la dispersió de la superfície. Sobretot, la dispersió de Rayleigh és insignificant a l’aire, permetent una reducció de pèrdues mitjançant estructures de ressonància anti -. El resultat és que bé - HCF dissenyat pot rivalitzar la fibra òptica convencional en atenuació, almenys a distàncies curtes a mitjanes.
Retard (retard de propagació)
Com que la HCF realitza llum a l’aire, el seu índex de refracció efectiu és proper a 1 (en comparació amb aproximadament 1,47 en vidre). Això significa que la llum es propaga significativament més ràpidament en HCF. En aplicacions pràctiques, HCF pot reduir el retard de la propagació en un 30% al 50% aproximadament. Per exemple, el retard de grup de la fibra del mode single - (SMF) és d'aproximadament 2,0 µs/km, mentre que els dissenys publicats HCF tenen un retard de grup d'aproximadament 1,54 µs/km. És a dir, la latència d’un enllaç HCF es redueix aproximadament un 31% per quilòmetre. Les figures 2a - b il·lustren aquest efecte d'acceleració. (Nota: Algunes fonts reporten millores de velocitat fins a aproximadament un 47%, depenent de la diferència específica de l'índex de refracció.)
Figura 2:L’avantatge de velocitat de Hollow - Fibra del nucli. A Hollow - nucli hcf (dreta), els polsos de llum es propaguen aproximadament un 50% més ràpid que en vidre - core smf (esquerra). Això redueix el retard del grup (latència) per unitat de longitud aproximadament del 30% al 50%. La figura mostra que un enllaç HCF transmet les mateixes dades en aproximadament dos - Thirds el temps d'un enllaç SMF. En les aplicacions mundials reals -, un enllaç HCF de 10 km té un retard de propagació d'aproximadament 15 µs (5 ns/m), mentre que un enllaç SMF té un retard de propagació d'aproximadament 20 µs, donant lloc a un final - a {{16} estalvis de latència final d'aproximadament 5 µs. Les mesures dels OFS confirmen que el HCF té una latència d'aproximadament 1,54 µs/km, mentre que SMF té una latència d'aproximadament 2,24 µs/km (una reducció d'aproximadament el 31%). Aquesta reducció de latència és fonamental per a l’intercanvi de dades AI/HPC i la negociació de freqüència alta -. De fet, les proves de la indústria reporten de forma constant una millora de la latència aproximadament del 30%. (En un recent assaig de Madrid, un enllaç HCF de 1.386 km va reduir la ronda - latència de viatge en 4,287 µs en comparació amb Smf.) Resum:
Benquet de latència: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1.5–1,6 µs/km, que representa una reducció de latència aproximadament del 30-35%.
Aquesta "velocitat de la llum" avantatge permet distribuir centres de dades a distàncies més grans dins d'un pressupost de latència determinat. De la mateixa manera, dins d’un sol centre de dades o campus, els enllaços HCF poden reduir significativament la latència de llúpol, ajudant a complir el sub - Microsecond End - a - Requisits de latència final dels trens AI distribuïts.
Dispersió i efectes no lineals
Els HCFS hereten una dispersió extremadament baixa. Com que la majoria de la llum resideix a l’aire, la dispersió del material (la longitud d’ona - variació dependent de l’índex de refracció del vidre) és insignificant. Una dispersió anti - amb cura es mostra a prop de - dispersió zero a la seva baixa banda de pèrdua -. Això minimitza efectivament l’ampliació de pols, millorant l’amplada de banda - a distància. De la mateixa manera, la dispersió del mode de polarització (PMD) en HCFS és mínima i els efectes dels factors ambientals (temperatura i tensió) són mínims. En comparació, els SMF presenten una dispersió d’aproximadament 17 ps/(nm · km) a 1550 nm (amb una major variació a la banda C/L) i PMD en fibres òptiques finals altes - són aproximadament de 0,05–0,2 ps/√km.
En HCFS, els efectes no lineals (com la no linealitat Kerr, SPM/XPM i quatre - mescla d’ona) són diversos ordres de magnitud més febles. Amb més del 99,99% dels modes a l’aire, el coeficient no lineal efectiu és aproximadament de 100 a 1000 vegades menor que el coeficient no lineal equivalent en sílice. Això significa que la HCF pot suportar potències òptiques més elevades abans que es produeixi una distorsió no lineal, millorant potencialment l'eficiència espectral per canal o els formats de modulació simplificadors. Tal com assenyalen alguns defensors, també pot millorar la seguretat (facilitant el fet de fer fora o injectar fibres a través de la fibra).
En general, HCF redueix significativament les limitacions de l'amplada de banda i les restriccions no lineals associades a la dispersió. Els centres de dades poden utilitzar longituds d'ona més àmplies (més enllà de la banda estàndard C -) per aconseguir enllaços de capacitat alts - sense necessitat de compensació de dispersió. Molts dissenys de HCF presenten una àmplia "primera finestra antiresonància" que cobreix bona part de la banda de 1,5 a 1,6 µm amb pèrdua plana, mentre que la segona finestra es pot estendre a la banda L - i fins i tot la banda visible amb pèrdua inferior. En general, el potencial de l'ample de banda de HCF és almenys comparable i potencialment fins i tot més gran que el de SMF, sobretot quan es considera el funcionament multiband i les potències de transmissió elevades.
Ample de banda i capacitat
L’alta velocitat i la baixa no linealitat de HCF li donen una capacitat excepcional. Metafòricament, HCF és com una fibra òptica més ràpida amb carrils més amplis: pot portar més "cotxes" (bits) a una velocitat més ràpida. La figura 3 (dreta) il·lustra això: un "súper camió" de HCF pot portar més dades a una velocitat més alta que un "cotxe" SMF. A la pràctica, HCF ha demostrat taxes de dades agregades extremadament elevades en experiments de laboratori. Per exemple, els experiments han aconseguit taxes de canal de 800 GB/s i 1,2 TB/s mitjançant HCF antiresonant utilitzant multiplexació de divisió de longitud d’ona coherent (WDM). A les xarxes mundials reals -, HCF ha suportat 6 x 100 GB/s canals i multi - càrregues de longitud d'ona en una sola fibra.
Figura 3:Analogia de rendiment de dades. HCFEs pot semblar amb una capacitat més ràpida, alta - "camió", mentre que SMF s'assembla a un "cotxe". Això reflecteix la combinació de l'ample de banda alta de HCF (més longituds d'ona/modes, menor distorsió) i una velocitat de propagació més elevada. A diferència de SMF (esquerra), HCF evita les no linealitats de vidre i pot utilitzar una finestra espectral més àmplia, permetent que les taxes de dades superin els terabits/segon en una sola fibra.
Punts clau de la capacitat de HCF:
● Range de longitud d'ona:El HCF no està limitat per l’absorció de sílice “pics d’aigua” i absorcions UV de SMF. Els nous dissenys de HCF funcionen des de ~ 1200 nm fins a ~ 1700 nm, i fins i tot en visibles per a tipus especialitzats.
● Canals WDM:Les primeres proves mostren que HCF que transporta desenes de canals WDM (banda C+L) amb un mínim crosstalk no lineal.
● Formats de modulació:Com que la no linealitat és baixa, HCF pot transportar més fàcilment la modulació de l'ordre High - (per exemple, . 64 qam) a alta potència per canal.
● Bit - velocitat:Amb la detecció coherent, HCF hauria de suportar el mateix per - canal bit - com a SMF (100 GB/S+ per longitud d'ona); Els primers assaigs de 100 a 600 GB/S han tingut èxit.
En resum, HCF ofereixalmenysEl mateix ample de banda potencial que SMF i, en els enllaços de canals multi -, sovint poden superar -la mitjançant una potència de llançament més alta i una menor crisi. L’única advertència és que molts tipus HCF tenen una finestra de pèrdua baixa -, de manera que l’ús de la banda de fibra completa C+L+U pot requerir diversos tipus de fibra o dispersió optimitzada - dissenyades.
Fabricació i reptes pràctics
Si bé la física de HCF és prometedora, encara queden diversos reptes d’enginyeria:
● preformes complexes:Les preformes HCF (les estructures de la barra de vidre) són complexes. Necessiten apilar diversos tubs capil·lars prims, que exigeixen una fabricació de precisió alta - i control de dibuix. Com a resultat, el HCF actual es fa en volum limitat. La fabricació d’escala fins a les desenes de milers de km d’enllaços de fibra de corrent continu, tindrà més desenvolupament i noves línies de producció.
● Splicing i connectors:HCF no es pot combinar directament amb els connectors de fibra estàndard. Així doncs, les terminacions utilitzen coletes SMF convencionals curtes. A la pràctica, la indústria utilitza el splicing de fusió de HCF als titulars de SMF en connectors LC/SC. Les pèrdues de divulgació reportades oscil·len entre ~ 0,5 dB (optimitzades) fins a ~ 2,5 dB. Qualsevol connector/colom afegeix ~ 0,5 dB. Aquestes pèrdues addicionals (per enllaç) són significatives en comparació amb un pressupost transceptor en un corrent continu. Low - Pèrdua Splices HCF i noves solucions de connector de costos baixos - són àrees de R + D actives.
● Doblar i sensibilitat envasat:HCF (especialment gran - Core Designs) és més sensible a la flexió i al micro - flexió que SMF. Els revolts introdueixen pèrdues i poden convertir els modes. Per mitigar -ho, els cables de HCF utilitzen el tub o la construcció de tubs o cintes amb ràdios grans. Es necessita una atenció especial per evitar la tensió durant la instal·lació. A les proves de laboratori, HCF en rodets rígids va mostrar un comportament acceptable, però el cablejat real (amb pertorbació mínima) pot augmentar en realitat la interferència del mode de comanda més elevada - tret que estigui dissenyat amb filtres de mode. OFS i altres han afegit estructures "shunt" per despistar deliberadament els modes d'ordre - i suprimir la dispersió modal.
● Pèrdua de fibra i fibra:Les pèrdues baixes (≪0,2 dB/km) es mesuren en cadenes HCF "nues". El cablejat, el splicing i els factors ambientals (contaminació, humitat) solen augmentar la pèrdua. Per exemple, OFS va informar que el cablejat del seu HCF va afegir ~ 0,1–0,7 dB/km a la banda C -. Així, la pèrdua del món real - pot ser de ~ 0,3–0,5 dB/km fins que els processos madurin.
● Cost i disponibilitat:Actualment, HCF té una prima de preus, com van assenyalar els experts de la indústria. Els desplegaments anticipats (per exemple, BT/lumenisity per a la Borsa de Valors de Londres) són casos de nínxol - on es justifica el cost. Per convertir -se en corrent en les interconnexions de corrent continu, els volums de producció han d’escalar i els costos de material cauen. Diverses noves empreses (xarxes de relativitat, lumenisitat, SilenFiber, etc.) estan construint la producció de HCF amb finançament i adquisicions de VC.
En resum,Enllaços pràctics de HCFAvui pot requerir una manipulació acurada: connectors empalmats de fusió, grans bucles fluixos i cables especialitzats. La indústria desenvolupa activament estàndards i bones pràctiques. Per exemple, els cables ACCUCORE ™ s’ofereixen ara per a HCF amb factors de forma estàndard. No obstant això, cada enllaç HCF encara incorpora aproximadament 0,5-3 dB de pèrdua addicional per al cablejat/escletxes, limitant l’abast i la necessitat de pressupost de potència.
Assaigs i prototips en la configuració del centre de dades
HCF ja es trasllada del laboratori a xarxes reals. Els assaigs de camp recents i els desplegaments pilot mostren resultats prometedors:
● DC - a - DC Enllaços:Al febrer de 2024, l'operador espanyol Lyntia es va unir amb Nokia, OFS|Furukawa i Digital Realty per desplegar un nucli Hollow - entre un pop i un centre de dades de Madrid. En un enllaç HCF de 1.386 km, van aconseguir una reducció de la latència del viatge -287 µs (>30%) en comparació amb SMF, mentre que porta 600 GB/s amb una longitud d’ona única. Aquesta prova real - mundial va utilitzar transpondedors coherents a 100 GB/s per λ. L’assaig va confirmar que la HCF es pot empènyer en la infraestructura existent (cable OFS Accucore®) amb un equip coherent estàndard, obrint la porta per a interconnexions de corrent continu.
● curt - Enllaços d'arribada:OFS Labs va demostrar un enllaç HCF de 3,1 km que transportava 10 GB/s trànsit DWDM (10 longituds d'ona) per a xarxes de negociació. Aquesta va ser la primera transmissió HCF de cable, que mostrava el bit - error - lliure de 10 GB/s sobre fibra+cable amb una reducció del 31% de latència. De la mateixa manera, els laboratoris Nokia/Bell han provat HCF a un agregat de 800–1200 GB/s (8 × 100 GB/s) en configuracions de laboratori.
● Xarxes financeres i comercials:L’estalvi de latència de HCF ha atret els casos d’alta - Freqüència (HFT) Utilitzeu casos -. El 2021, Lumenisity (ara part de Nokia) i EunetWorks van desplegar Hollow - Core Links per connectar la borsa de valors de Londres. Utilitzant HCF per a la darrera - milla a llocs de negociació, es redueixen latències microsegons. Aquests desplegaments marquen alguns dels primers usos comercials de HCF. (BT i altres també han pilotat HCF per a xarxes de backhaul mòbil i xarxes segures, tot i que es troben fora de DC.)
● Intercanvis de dades AI/HPC:Si bé les dades públiques són limitades, els principals proveïdors de núvols investiguen HCF. Microsoft Azure ha format un equip (abans lumenisity) per prototipar enllaços HCF entre centres de dades. Les xarxes de relativitat (A EUA Start - UP) està desenvolupant HCF específicament per a les teles de dades AI. Aquests esforços tenen com a objectiu explotar la velocitat de HCF per alleujar els colls d’ampolla de latència en la formació de IA distribuïda. Tot i que encara primerencs, aquestes iniciatives subratllen el potencial de la tecnologia en entorns hiperscala i HPC.
En tots aquests assaigs,Les actuacions van complir les expectatives: La latència significativa cau (normalment ~ 30%) i multi - Cent - GBPS Capacitats en enllaços curts. Tanmateix, cap d’aquests assaigs encara estén HCF centenars de km, que segueix sent un treball futur. Per ara, HCF s’adapta millor a l’escala Metro - o intra - enllaços de dades (fins a ~ 10-20 km), on els seus beneficis brillen sense requerir repetidors actius.
Outlook: AI/HPC i futures xarxes de dades de dades
L’empenta cap a Ai i Ultra - Fast Hpc augmenta la demanda d’Ultra - Low - latència, Ultra - High - Enllaços d’amplada de banda. HCF està posicionat de manera única per atendre aquestes necessitats. En reduir el retard d’enllaç ~ 30% per km, HCF permet als operadors de DC estirar la cobertura geogràfica: Les anàlisis suggereixen que els centres de dades es podrien col·locar a 1,5 × més lluny per a la mateixa latència. Aquesta "flexibilitat geogràfica" pot ser crucial a mesura que els clústers d'AI abasten diversos llocs. De la mateixa manera, dins d’un centre de dades, HCF pot tallar Inter - Rack i Inter - Latències, alimentant models grans amb un retard de transferència de dades mínims.
Més enllà de la velocitat bruta, la baixa no linealitat de HCF i l’ampli espectre de suport significa que els futurs transceiversius poden impulsar les taxes de dades encara més altes. Combinat amb modulació avançada i esquemes de fibra paral·lel (per exemple, HCF multicor), el rendiment global podria superar molt els enllaços SMF actuals. Els proveïdors preveuen hcf que transporten terabit - per - segon trànsit per cadena en la propera dècada, complint les necessitats d'E/o exascale de xips AI.
La indústria està prenent nota. Els principals reproductors de núvols/HPC (Microsoft, Google, Meta) han finançat la R + D o adquisicions de HCF i les startups (relativitat, lumenisity) han aconseguit milions en el suport de risc i govern. Els òrgans de normes i els consorcis comencen a incloure HCF en els futurs plans de xarxa. Tot i que es mantenen moltes incerteses (cost, fiabilitat, integració), la tendència és clara: HCF està en camí de convertir -se en un bloc de construcció clau per a les properes - Generació baixa - latència, alta - Capacitat de les xarxes de datactaler.
En conclusió, Hollow - La fibra central representa un avenç convincent per a les dades - del centre. Intercantant vidre per aire, redueix la pèrdua i la latència alhora que amplia l'amplada de banda i la linealitat. Els primers assaigs demostren la seva viabilitat i els desenvolupaments en curs superen ràpidament els obstacles pràctics. Per als desplegaments AI i HPC que exigeixen la xarxa de "llum - velocitat", HCF ofereix una ruta inigualable cap endavant, sempre que es puguin resoldre els seus reptes d'enginyeria i cost.