Włókno-z pustym rdzeniem (HCF) zastępuje szklany rdzeń tradycyjnego światłowodu jednomodowego-(SMF) z środkiem-wypełnionym powietrzem. Zasadniczo HCF jest zbudowany jako „skorupa” ze szkła mikrostrukturalnego otaczająca centralny kanał powietrzny. Światło nie jest kierowane przez całkowite wewnętrzne odbicie w szkle, ale raczej przez fotoniczne pasmo wzbronione lub efekt antyrezonansowy w płaszczu. Rysunek 1 przedstawia typową konstrukcję antyrezonansową „rotatora”: centralny rdzeń powietrzny otoczony pierścieniem cienkiej rurki kwarcowej. Dzięki temu ponad 99% trybu świetlnego pozostaje w powietrzu, znacznie ograniczając interakcję ze szkłem. Natomiast SMF składa się z stałego rdzenia z krzemionki-domieszkowanej germanem (o średnicy około 9 μm) w płaszczu ze szkła o niskim-współczynniku załamania światła{13}}. Ponieważ rdzeń HCF ma znacznie niższy współczynnik załamania światła (n≈1) niż płaszcz, do ograniczenia światła wymagana jest wyspecjalizowana konstrukcja płaszcza.
Rysunek 1: Konstrukcja włókna-z pustym rdzeniem. (a) Schemat rurowego antyrezonansowego włókna-z pustym rdzeniem (HCF): Światło jest zatrzymywane w centralnym rdzeniu powietrznym otoczonym zagnieżdżonymi cienkimi szklanymi kapilarami. (b) Tradycyjne włókno jedno-modowe wykorzystuje rdzeń ze szkła litego. Geometria rdzenia i płaszcza HCF (np. pierścienie szklane o strukturze plastra miodu) powoduje, że światło odbija się z powrotem do kanału powietrznego poprzez efekt fotonicznej przerwy wzbronionej lub efekt antyrezonansowy.
Tłumienie (strata)
Tradycyjne włókno-jednomodowe (SMF) ma bardzo niskie straty w paśmie C-(około 0,2 dB/km). Na przykład włókno Corning SMF-28 ULL charakteryzuje się stratą mniejszą niż 0,16 dB/km przy 1550 nm. Prawdziwy-światowy, wysokiej-jakości SMF ma zakres strat 0,16–0,2 dB/km przy 1550 nm. Dla porównania, wczesne prototypy HCF wykazywały straty w zakresie 1–10 dB/km. Dzięki postępowi technologicznemu (zagnieżdżone konstrukcje antyrezonansowe, „obrócone” filtry HCF itp.) straty HCF znacznie się zmniejszyły: z około 1,3 dB/km w 2018 r. do około 0,65 dB/km w 2019 r., a następnie do około 0,28 dB/km w 2020 r. Nowoczesne projekty zbliżają się do poziomów SMF: ostatnie demonstracje wykazały straty HCF poniżej 0,2 dB/km oraz prototypy laboratoryjne osiągnęły około 0,11 dB/km. W przypadku łączy do centrów danych o krótkim zasięgu (dziesiątki kilometrów) dopuszczalne jest nawet 0,2–0,3 dB/km, zatem HCF jest bliskie praktycznemu parytetowi strat.
Wartości referencyjne tłumienia:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (obecnie) ≲0,2–0,3 dB/km (docelowo ~0,1 dB/km).
Praktyczną konsekwencją jest to, że bezpośrednie łącza HCF mogą obejmować odległości podobne do odległości stosowanych w przypadku światłowodu jednomodowego (SMF) bez konieczności stosowania wzmacniaczy wzmacniających. Ponieważ HCF unika szklanego rdzenia, pozostałe straty wynikają głównie z wycieków i rozproszenia powierzchniowego. Warto zauważyć, że rozpraszanie Rayleigha jest znikome w powietrzu, co pozwala na dalszą redukcję strat dzięki ulepszonym-strukturom antyrezonansowym. W rezultacie dobrze-zaprojektowany HCF może konkurować z konwencjonalnym światłowodem pod względem tłumienia, przynajmniej na krótkich i średnich dystansach.
Opóźnienie (opóźnienie propagacji)
Ponieważ HCF przewodzi światło w powietrzu, jego efektywny współczynnik załamania światła jest bliski 1 (w porównaniu do około 1,47 w szkle). Oznacza to, że światło rozchodzi się znacznie szybciej w HCF. W praktycznych zastosowaniach HCF może zmniejszyć opóźnienie propagacji o około 30% do 50%. Na przykład opóźnienie grupowe światłowodu jedno-modowego (SMF) wynosi około 2,0 µs/km, podczas gdy opublikowane projekty HCF mają opóźnienie grupowe wynoszące około 1,54 µs/km. Innymi słowy, opóźnienie łącza HCF zmniejsza się o około 31% na kilometr. Ryciny 2a-b ilustrują ten efekt przyspieszenia. (Uwaga: niektóre źródła podają poprawę prędkości aż do około 47%, w zależności od konkretnej różnicy współczynnika załamania światła.)
Rysunek 2:Przewaga szybkościowa światłowodu-z pustym rdzeniem. W pustym-rdzeniowym rdzeniu HCF (po prawej) impulsy świetlne rozchodzą się około 50% szybciej niż w szklanym-rdzeniowym SMF (po lewej). Zmniejsza to opóźnienie grupowe (opóźnienie) na jednostkę długości o około 30% do 50%. Rysunek pokazuje, że łącze HCF przesyła te same dane w czasie około dwóch-trzecich czasu łącza SMF. W rzeczywistych zastosowaniach łącze HCF o długości 10 km ma opóźnienie propagacji wynoszące około 15 µs (5 ns/m), natomiast łącze SMF ma opóźnienie propagacji wynoszące około 20 µs, co pozwala zaoszczędzić-końcowe opóźnienia na poziomie około 5 µs. Pomiary OFS potwierdzają, że HCF ma opóźnienie około 1,54 µs/km, podczas gdy SMF ma opóźnienie około 2,24 µs/km (redukcja o około 31%). Ta redukcja opóźnień ma kluczowe znaczenie dla wymiany danych AI/HPC i handlu-o wysokiej częstotliwości. W rzeczywistości testy branżowe konsekwentnie wykazują poprawę opóźnień o około 30%. (W niedawnej próbie w Madrycie łącze HCF o długości 1,386 km zmniejszyło-opóźnienie w obie strony o 4,287 µs w porównaniu z SMF.) Podsumowanie:
Test porównawczy opóźnienia: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, co odpowiada redukcji opóźnień o około 30–35%.
Ta zaleta „prędkości światła” umożliwia dystrybucję centrów danych na większe odległości w ramach danego budżetu opóźnień. Podobnie w obrębie jednego centrum danych lub kampusu łącza HCF mogą znacząco zmniejszyć opóźnienia przeskoków, pomagając spełnić wymagania dotyczące opóźnień od końca poniżej{{1}mikrosekundy-do{3}}końca rozproszonych pociągów AI.
Efekty dyspersyjne i nieliniowe
HCF charakteryzują się wyjątkowo niską dyspersją. Ponieważ większość światła znajduje się w powietrzu, rozproszenie materiału (zależna od długości fali-zmiana współczynnika załamania światła szkła) jest znikoma. Starannie zaprojektowany anty--rezonansowy HCF wykazuje niemal{{4}zero dyspersję w swoim paśmie niskich-strat. To skutecznie minimalizuje poszerzanie impulsu, poprawiając produkt-odległości i szerokości pasma. Podobnie dyspersja trybu polaryzacji (PMD) w HCF jest minimalna, a wpływ czynników środowiskowych (temperatura i stres) jest minimalny. Dla porównania, SMF wykazują dyspersję około 17 ps/(nm·km) przy 1550 nm (z większą zmiennością w całym paśmie C/L), a PMD w-najwyższych światłowodach wynosi około 0,05–0,2 ps/√km.
W przypadku HCF efekty nieliniowe (takie jak nieliniowość Kerra, SPM/XPM i mieszanie czterech-fal) są o kilka rzędów wielkości słabsze. Przy ponad 99,99% modów w powietrzu efektywny współczynnik nieliniowy jest około 100 do 1000 razy mniejszy niż równoważny współczynnik nieliniowy w krzemionce. Oznacza to, że HCF może obsługiwać wyższe moce optyczne, zanim wystąpią zniekształcenia nieliniowe, potencjalnie poprawiając wydajność widmową na kanał lub upraszczając formaty modulacji. Jak podkreślają niektórzy zwolennicy, może to również poprawić bezpieczeństwo (ułatwiając podsłuchiwanie lub wprowadzanie włókien przez światłowód).
Ogólnie rzecz biorąc, HCF znacznie zmniejsza ograniczenia szerokości pasma i ograniczenia nieliniowe związane z dyspersją. Centra danych mogą wykorzystywać szersze długości fal (poza standardowe pasmo C-), aby uzyskać łącza o dużej-przepustowości bez konieczności kompensacji dyspersji. Wiele konstrukcji HCF ma szerokie „pierwsze okno antyrezonansowe” obejmujące większość pasma 1,5 do 1,6 µm z płaską stratą, podczas gdy drugie okno może rozciągać się do pasma L-, a nawet pasma widzialnego z mniejszą stratą. Ogólnie rzecz biorąc, potencjał przepustowości HCF jest co najmniej porównywalny, a potencjalnie nawet większy niż w przypadku SMF, zwłaszcza biorąc pod uwagę pracę wielopasmową i duże moce nadawania.
Przepustowość i pojemność
Wysoka prędkość i niska nieliniowość HCF zapewniają mu wyjątkową wydajność. Metaforycznie HCF jest jak szybszy światłowód z szerszymi ścieżkami: może przesyłać więcej „samochodów” (bitów) z większą prędkością. Ilustruje to rysunek 3 (po prawej): „super ciężarówka” HCF może przewozić więcej danych przy większej prędkości niż „samochód” SMF. W praktyce HCF wykazał w eksperymentach laboratoryjnych niezwykle wysokie zagregowane szybkości transmisji danych. Na przykład w eksperymentach uzyskano szybkości kanałów wynoszące 800 Gb/s i 1,2 Tb/s przy użyciu antyrezonansowego HCF wykorzystującego spójne multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM). W rzeczywistych-sieciach HCF obsługuje kanały 6 x 100 Gb/s i podobne ładunki o wielu-długościach fali w jednym włóknie.
Rysunek 3:Analogia przepustowości danych. HCFmożna porównać do szybszej „ciężarówki”-o dużej pojemności, podczas gdy SMF można porównać do „samochodu”. Odzwierciedla to połączenie dużej szerokości pasma HCF (więcej długości fal/trybów, mniejsze zniekształcenia) i wyższej prędkości propagacji. W przeciwieństwie do SMF (po lewej), HCF pozwala uniknąć nieliniowości szkła i może wykorzystywać szersze okno widmowe, umożliwiając przepływ danych przekraczający terabity na sekundę w pojedynczym włóknie.
Kluczowe punkty dotyczące wydajności HCF:
● Zakres długości fali:HCF nie jest ograniczony przez „piki wody” absorpcji krzemionki i absorpcję UV przez SMF. Nowe konstrukcje HCF działają dobrze w zakresie od ~1200 nm do ~1700 nm, a nawet w zakresie widzialnym dla wyspecjalizowanych typów.
● Kanały WDM:Wczesne testy wykazały, że HCF przenosi dziesiątki kanałów WDM (pasmo C+L) z minimalnymi nieliniowymi przesłuchami.
● Formaty modulacji:Ponieważ nieliniowość jest niska, HCF może łatwiej przenosić modulację-wysokiego rzędu (np.. 64QAM) przy dużej mocy na kanał.
● Szybkość transmisji-:W przypadku spójnego wykrywania protokół HCF powinien obsługiwać tę samą-przepustowość kanału-jak SMF (ponad 100 Gb/s na długość fali); wczesne próby przy długości fal 100–600 Gb/s zakończyły się sukcesem.
Podsumowując, oferty HCFco najmniejtaką samą potencjalną przepustowość jak SMF, a w przypadku łączy wielokanałowych-często może ją przekroczyć ze względu na większą moc uruchamiania i niższy przesłuch. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że wiele typów HCF ma skończone okno o niskich-stratach, zatem użycie pełnego pasma światłowodowego C+L+U może wymagać wielu typów włókien lub zoptymalizowanych projektów-dyspersyjnych.
Produkcja i wyzwania praktyczne
Chociaż fizyka HCF jest obiecująca, pozostaje kilka wyzwań inżynieryjnych:
● Złożone preformy:Preformy HCF (struktury prętów szklanych) są skomplikowane. Wymagają ułożenia wielu cienkich rurek kapilarnych, co wymaga-wysokiej precyzji wykonania i kontroli ciągu. W rezultacie obecny HCF jest wytwarzany w ograniczonej ilości. Skalowanie produkcji do dziesiątek tysięcy km łączy światłowodowych prądu stałego będzie wymagało dalszego rozwoju i nowych linii produkcyjnych.
● Łączenie i złącza:HCF nie może bezpośrednio współpracować ze standardowymi złączami światłowodowymi. Dlatego w zakończeniach stosowane są krótkie, konwencjonalne pigtaile SMF. W praktyce w przemyśle stosuje się łączenie HCF z uchwytami SMF w złączach LC/SC. Zgłaszane straty na spawach wahają się od ~0,5 dB (zoptymalizowane) do ~2,5 dB. Każde złącze/pigtail dodaje ~0,5 dB. Te dodatkowe straty (na łącze) są znaczące w porównaniu z budżetem transceivera w DC. Złącza HCF o niskich{{9}stratach i nowe, niedrogie-rozwiązania w zakresie złączy to aktywne obszary badań i rozwoju.
● Wrażliwość na zginanie i pakowanie:HCF (szczególnie-konstrukcje z dużymi rdzeniami) jest bardziej wrażliwa na zginanie i mikro-zginanie niż SMF. Zagięcia wprowadzają straty i mogą konwertować mody. Aby temu zaradzić, w kablach HCF zastosowano luźną-konstrukcję rurową lub taśmową o dużych promieniach zgięcia. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby zapobiec naprężeniom podczas instalacji. W testach laboratoryjnych HCF na sztywnych szpulach wykazał akceptowalne zachowanie, ale rzeczywiste okablowanie (przy minimalnych zakłóceniach) może w rzeczywistości zwiększyć zakłócenia w trybie-wyższego rzędu, chyba że zaprojektowano je z filtrami trybów. OFS i inni dodali struktury „bocznikujące”, aby celowo usunąć tryby wyższego-rzędu i stłumić dyspersję modową.
● Utrata połączeń i włókien:Rekordowo niskie straty (≪0,2 dB/km) zmierzono na „gołych” żyłach HCF. Okablowanie, łączenie i czynniki środowiskowe (zanieczyszczenie, wilgotność) zazwyczaj zwiększają straty. Na przykład firma OFS podała, że okablowanie ich HCF spowodowało zwiększenie strat o ~0,1–0,7 dB/km w paśmie C-. Zatem rzeczywiste-straty wdrożone w świecie mogą wynosić ~0,3–0,5 dB/km do czasu osiągnięcia dojrzałości procesów.
● Koszt i dostępność:Jak zauważyli eksperci branżowi, HCF ma obecnie wyższą cenę. Wczesne wdrożenia (np. BT/Lumenisity dla londyńskiej giełdy papierów wartościowych) to przypadki zastosowań niszowych,-w których koszty są uzasadnione. Aby stać się głównym nurtem połączeń wzajemnych prądu stałego, wielkość produkcji musi zostać skalowana, a koszty materiałów spadną. Kilka nowych przedsięwzięć (Relativity Networks, Lumenisity, SilenFiber itp.) rozwija produkcję HCF dzięki funduszom VC i przejęciom.
Podsumowując,praktyczne łącza HCFdzisiaj mogą wymagać ostrożnego obchodzenia się: złącza spawane, duże luźne pętle i specjalistyczne kable. Branża aktywnie opracowuje standardy i najlepsze praktyki. Na przykład kable OFS AccuCore™ są teraz oferowane dla HCF w standardowych obudowach. Jednak każde łącze HCF nadal powoduje około 0,5–3 dB dodatkowych strat na okablowaniu/złączach, co ogranicza zasięg i wymaga budżetowania mocy.
Próby i prototypy w ustawieniach centrum danych
HCF już przenosi się z laboratorium do prawdziwych sieci. Niedawne próby terenowe i wdrożenia pilotażowe dają obiecujące wyniki:
● Łącza DC-do-DC:W lutym 2024 r. hiszpański operator Lyntia nawiązał współpracę z firmami Nokia, OFS|Furukawa i Digital Realty w celu wdrożenia kabla-z rdzeniem pustym między punktem POP a centrum danych w Madrycie. Na łączu HCF o długości 1,386 km osiągnięto redukcję opóźnień-w obie strony o287 µs (>30%) w porównaniu do SMF, przy transmisji 600 Gb/s na jednej długości fali. W tym rzeczywistym-teście wykorzystano spójne transpondery o szybkości 100 Gb/s na λ. Próba potwierdziła, że HCF można włączyć do istniejącej infrastruktury (kabel OFS AccuCore®) za pomocą standardowego spójnego osprzętu, otwierając drzwi dla połączeń wzajemnych prądu stałego.
● Linki o krótkim-zasięgu:OFS Labs zademonstrowało łącze HCF o długości 3,1 km, przenoszące ruch DWDM 10 Gb/s (10 długości fal) dla sieci handlowych. Była to pierwsza transmisja przewodowa HCF, w której wykazano-bezbłędne-bitowe łącze 10 Gb/s po połączeniu światłowodem i kablem z redukcją opóźnień o 31%. Podobnie laboratoria Nokia/Bell Labs przetestowały technologię HCF przy łącznej przepustowości 800–1200 Gb/s (8 × 100 Gb/s) w konfiguracjach laboratoryjnych.
● Sieci finansowe i handlowe:Oszczędności w zakresie opóźnień dzięki HCF przyciągnęły przypadki-handlu o wysokiej częstotliwości (HFT)-. W 2021 r. firmy Lumenisity (obecnie część Nokii) i euNetworks wdrożyły łącza typu pusty-w celu połączenia londyńskiej giełdy papierów wartościowych. Dzięki wykorzystaniu HCF na-ostatniej mili do systemów obrotu zmniejszają się opóźnienia mikrosekundowe. Takie wdrożenia są jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań HCF. (Firma BT i inne firmy również przeprowadziły pilotażowe badania HCF na potrzeby mobilnych sieci typu backhaul i bezpiecznych sieci, chociaż znajdują się one poza DC).
● Wymiana danych AI/HPC:Chociaż dane publiczne są ograniczone, główni dostawcy usług w chmurze badają HCF. Microsoft Azure utworzył zespół (dawniej Lumenisity), którego zadaniem jest prototypowanie łączy HCF pomiędzy centrami danych. Relativity Networks (amerykański start-up-) opracowuje technologię HCF specjalnie na potrzeby infrastruktury centrów danych AI. Wysiłki te mają na celu wykorzystanie szybkości HCF do eliminowania wąskich gardeł związanych z opóźnieniami w rozproszonym szkoleniu AI. Chociaż inicjatywy te są jeszcze na wczesnym etapie, podkreślają potencjał tej technologii w środowiskach hiperskalowych i HPC.
We wszystkich tych próbachwystępy spełniły oczekiwania: znaczny spadek opóźnień (zwykle ~30%) i przepustowość o wiele-stu-Gb/s na krótkich łączach. Jednak żadna z tych prób nie wydłużyła jeszcze HCF o setki km – pozostaje to kwestią przyszłej pracy. Na razie HCF najlepiej sprawdza się w przypadku łączy-metrycznych lub wewnątrz-centrów danych (do ~10–20 km), gdzie jego zalety są widoczne bez konieczności stosowania aktywnych wzmacniaczy.
Perspektywy: AI/HPC i przyszłe sieci centrów danych
Nacisk na sztuczną inteligencję i ultra-szybkie HPC zwiększa popyt na łącza o ultra-niskich-opóźnieniach i bardzo-wysokiej-przepustowości. HCF ma wyjątkową pozycję, aby sprostać tym potrzebom. Zmniejszając opóźnienie łącza o ~30% na km, HCF pozwala operatorom DC rozszerzyć zasięg geograficzny: analizy sugerują, że centra danych można umieścić 1,5 razy dalej od siebie przy takim samym opóźnieniu. Ta „elastyczność geograficzna” może mieć kluczowe znaczenie, ponieważ klastry sztucznej inteligencji obejmują wiele lokalizacji. Podobnie w centrum danych HCF może zmniejszyć opóźnienia między-szafami i{12}}podami, obsługując duże modele przy minimalnym opóźnieniu w przesyłaniu danych.
Poza samą szybkością, niska nieliniowość HCF i obsługa szerokiego spektrum oznaczają, że przyszłe transceivery będą mogły jeszcze zwiększyć szybkość transmisji danych. W połączeniu z zaawansowaną modulacją i równoległymi schematami światłowodowymi (np. wielordzeniowy HCF), całkowita przepustowość może znacznie przekroczyć dzisiejsze łącza SMF. Dostawcy przewidują, że w następnej dekadzie HCF będzie przenosił ruch wynoszący terabajt-na- sekundę na pasmo, spełniając wymagania eksaskalowych operacji we/wy chipów AI.
Przemysł zwraca na to uwagę. Główni gracze w chmurze/HPC (Microsoft, Google, Meta) sfinansowali prace badawczo-rozwojowe lub przejęcia HCF, a start-upy (Relativity, Lumenisity) zapewniły sobie wielomilionowe inwestycje w przedsięwzięcia i wsparcie rządowe. Organy i konsorcja normalizacyjne zaczynają uwzględniać HCF w przyszłych planach sieci. Chociaż pozostaje wiele niewiadomych (koszt, niezawodność, integracja), tendencja jest jasna: HCF jest na dobrej drodze, aby stać się kluczowym elementem składowym sieci centrów danych nowej-niskiej-łaźni-o{5}}wysokiej przepustowości.
Podsumowującwłókno z pustym-rdzeniowym rdzeniem stanowi istotny postęp w-optyce centrów danych. Zamiana szkła na powietrze zmniejsza straty i opóźnienia, jednocześnie zwiększając przepustowość i liniowość. Wczesne próby dowodzą jego wykonalności, a trwające prace rozwojowe szybko pokonują praktyczne przeszkody. W przypadku wdrożeń AI i HPC, które wymagają „niewielkiej-szybkości” sieci, HCF oferuje niezrównaną ścieżkę rozwoju – pod warunkiem, że uda się rozwiązać pozostałe wyzwania inżynieryjne i kosztowe.
