Hollow - Основно влакно (HCF) замества стъкленото ядро на традиционно сингъл - влакно (SMF) с въздух - запълнен център. По същество HCF е конструиран като микроструктурирано стъкло „черупка“ около централен въздушен канал. Светлината се ръководи не от общо вътрешно отражение в стъклото, а по -скоро от фотонна лента или ефект на антиресонанс при облицовката. Фигура 1 показва често срещан „ротатор“ антиресонанс: централно въздушно ядро, заобиколено от пръстен от тънка кварцови тръби. Това позволява над 99% от светлинния режим да остане във въздуха, като значително намалява взаимодействието със стъклото. За разлика от тях, SMF се състои от твърд германий - легирана силициево ядро (приблизително 9 μm в диаметър) в рамките на ниско - пречупване - индексно стъкло. Тъй като HCF ядрото има много по -нисък показател на пречупване (N≈1) от облицовката, е необходима специализирана структура на облицовка, за да се ограничи светлината.
Фигура 1: Hollow - Дизайн на основни влакна. (A) Схема на тубуларен антирезонантен кух - Основно влакно (HCF): Светлината е ограничена в централно въздушно ядро, заобиколено от вложени тънки стъклени капиляри. (b) Традиционно сингъл - влакно от режим използва твърдо стъкло. Геометрията на ядрото на HCF и облицовката (напр. Пръстени с пчелни пита) причинява светлината да се отразява обратно във въздушния канал чрез ефекта на фотонната лента или антирезонансния ефект.
Затихване (загуба)
Традиционното сингъл - влакно (SMF) има много ниска загуба в лентата C - (приблизително 0,2 dB/km). Например, Corning SMF - 28 ULL влакна има загуба под 0,16 dB/km при 1550 nm. Истински - свят, висок - Качеството SMF има диапазон на загуба от 0,16–0,2 dB/km при 1550 nm. За сравнение, ранните HCF прототипи проявяват загуби в диапазона 1–10 dB/km. Thanks to technological advances (nested antiresonant designs, "rotated" HCFs, etc.), HCF losses have decreased significantly: from approximately 1.3 dB/km in 2018 to approximately 0.65 dB/km in 2019, and then to approximately 0.28 dB/km in 2020. Modern designs are approaching SMF levels: recent demonstrations have reported HCF losses below 0.2 dB/km, and Лабораторните прототипи са постигнали приблизително 0,11 dB/km. При връзки за центъра за данни с кратък достъп (десетки километри), дори 0,2–0,3 dB/km е приемлива, така че HCF е близо до практически паритет на загубите.
Затихване на показатели:SMF (1550 nm) ≈0.16–0.2 dB/km; HCF (в момента) ≲0.2–0.3 dB/km (цел ~ 0,1 dB/km).
Практическото значение е, че директните HCF връзки могат да обхващат разстояния, подобни на тези на сингъл - влакно (SMF) без нужда от усилватели на ретранслатори. Тъй като HCF избягва стъкленото ядро, останалите му загуби идват предимно от изтичане и разсейване на повърхността. По -специално, разсейването на Rayleigh е незначително във въздуха, което позволява по -нататъшно намаляване на загубите чрез подобрени анти - резонансни структури. Резултатът е, че добре - проектиран HCF може да съперничи на конвенционалните оптични влакна в затихване, поне на къси до средни разстояния.
Забавяне (забавяне на разпространението)
Тъй като HCF провежда светлина във въздуха, неговият ефективен показател на пречупване е близо до 1 (в сравнение с приблизително 1,47 в стъкло). Това означава, че светлината се разпространява значително по -бързо в HCF. В практически приложения HCF може да намали забавянето на разпространението с приблизително 30% до 50%. Например, груповото закъснение на сингъл - влакно (SMF) е приблизително 2,0 µs/km, докато публикуваните HCF дизайни имат групово закъснение от приблизително 1,54 µs/km. С други думи, латентността на HCF връзка се намалява с приблизително 31% на километър. Фигури 2A - B илюстрират този ефект на ускорение. (Забележка: Някои източници отчитат подобрения на скоростта до приблизително 47%, в зависимост от специфичната разлика в показателя на пречупването.)
Фигура 2:Предимството на скоростта на кухото - основно влакно. В куха - ядро HCF (вдясно), светлинните импулси се разпространяват приблизително 50% по -бързо, отколкото в стъкло - Core SMF (вляво). Това намалява груповото забавяне (закъснение) на дължина на единицата с приблизително 30% до 50%. Фигурата показва, че HCF връзка предава същите данни в приблизително две - третата на времето на SMF връзка. In real-world applications, a 10 km HCF link has a propagation delay of approximately 15 µs (5 ns/m), while an SMF link has a propagation delay of approximately 20 µs, resulting in an end-to-end latency savings of approximately 5 µs. Измерванията на OFS потвърждават, че HCF има латентност от приблизително 1,54 µs/km, докато SMF има латентност приблизително 2,24 µs/km (намаление с приблизително 31%). Това намаляване на латентността е от решаващо значение за AI/HPC обмяна на данни и високо - честотна търговия. Всъщност индустриалните тестове последователно отчитат подобрения на латентността от приблизително 30%. (В скорошно изпитание в Мадрид, 1,386 км HCF връзка намали кръг - латентност на пътуването с 4.287 µs в сравнение с SMF.) Обобщение:
Латентният показател: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, което представлява намаляване на латентността от приблизително 30–35%.
Това предимство на „Скоростта на светлината“ дава възможност на центровете за данни да бъдат разпределени на по -големи разстояния в рамките на даден бюджет за латентност. По същия начин, в рамките на един център за данни или кампус, HCF връзките могат значително да намалят латентността на хмела, като спомагат за посрещане на под - Microsecond End - до - Изисквания за крайни латентност на разпределените AI влакове.
Дисперсия и нелинейни ефекти
HCFS наследява изключително ниска дисперсия. Тъй като повечето светлини се намират във въздуха, дисперсията на материала (дължината на вълната - зависима вариация на коефициента на пречупване на стъклото) е незначителна. Внимателно проектиран anti - резонансен HCF показва близо до - нулева дисперсия в ниската му лента -. Това ефективно свежда до минимум разширяването на пулса, подобрявайки дистанционния продукт на честотната лента -. По подобен начин дисперсията на режима на поляризация (PMD) в HCFS е минимална и ефектите на факторите на околната среда (температура и стрес) са минимални. За сравнение, SMFs проявяват дисперсия от приблизително 17 ps/(nm · km) при 1550 nm (с по -голямо изменение в обхвата C/L), а PMD във високи - крайни оптични влакна е приблизително 0,05–0,2 ps/√km.
В HCFS нелинейните ефекти (като нелинейност на Kerr, SPM/XPM и четири - смесване на вълната) са с няколко порядъка по -слаби. С над 99,99% от режимите във въздуха, ефективният нелинеен коефициент е приблизително 100 до 1000 пъти по -малък от еквивалентния нелинеен коефициент в силициев диоксид. Това означава, че HCF може да поддържа по -високи оптични сили преди да се появи нелинейно изкривяване, потенциално подобрявайки спектралната ефективност на канал или опростяващи формати на модулация. Както някои привърженици посочват, това също може да подобри сигурността (което улеснява подслушването или инжектирането на влакна през влакното).
Като цяло HCF значително намалява ограниченията на честотната лента и нелинейните ограничения, свързани с дисперсия. Центровете за данни могат да използват по -широки дължини на вълната (извън стандартната лента C -, за да постигнат високи връзки -, без да е необходимо компенсация на дисперсия. Много дизайни на HCF разполагат с широк „първи антиресонанс“, обхващащ голяма част от лентата от 1,5 до 1,6 µm с плоска загуба, докато вторият прозорец може да се простира в L - лентата и дори видимата лента с по -ниска загуба. Като цяло, потенциалът на честотната лента на HCF е поне съпоставим с и потенциално дори по -голям от този на SMF, особено когато се разглежда многобанда и високите мощности на предаването.
Честотна лента и капацитет
Високата скорост на HCF и ниската нелинейност му придават изключителен капацитет. Метафорично, HCF е като по -бързо оптично влакно с по -широки платна: може да носи повече „коли“ (битове) с по -бърза скорост. Фигура 3 (вдясно) илюстрира това: HCF "Super Truck" може да носи повече данни с по -висока скорост от SMF "автомобил". На практика HCF демонстрира изключително високи агрегирани скорости на данни при лабораторни експерименти. Например, експериментите са постигнали скорост на канала от 800 GB/s и 1,2 TB/S, използвайки антирезонант HCF, използвайки мултиплексиране на кохерентна дължина на вълната (WDM). В реални - World Networks, HCF поддържа 6 x 100 Gb/s канала и подобни мулти - полезни натоварвания на вълната на едно влакно.
Фигура 3:Аналогия на пропускателната способност на данните. HCFМоже да се оприличи на по -бърз, висок - Камион "Камион", докато SMF се оприличава на "кола". Това отразява комбинацията от висока честотна лента на HCF (повече дължини на вълната/режими, по -ниско изкривяване) и по -висока скорост на разпространение. За разлика от SMF (вляво), HCF избягва нелинейностите на стъклото и може да използва по -широк спектрален прозорец, като позволява скоростта на данни, надвишаващи терабитите/секунда на едно влакно.
Основни точки за капацитета на HCF:
● Диапазон на дължината на вълната:HCF не е ограничен от абсорбцията на силициев диоксид „водни пикове“ и UV абсорбции на SMF. Новите дизайни на HCF работят добре от ~ 1200 nm до ~ 1700 nm и дори в видими за специализирани видове.
● WDM канали:Ранните тестове показват HCF, носещ десетки WDM канали (C+L лента) с минимален нелинеен кръстосан разход.
● Формати на модулация:Тъй като нелинейността е ниска, HCF може по -лесно да носи високо - модулация на поръчката (напр. {{2} QAM) при висока мощност на канал.
● бит - процент:С кохерентно откриване, HCF трябва да поддържа същите за - канален бит - скорост като SMF (100 Gb/s+ на дължина на вълната); Ранните изпитания при дължини на вълните 100–600 GB/s успяха.
В обобщение, HCF предлагапонеСъщата потенциална честотна лента като SMF и в мулти - канални връзки често може да го надвиши чрез по -висока изстрелване на мощността и по -нисък кръстосан разход. Единственото предупреждение е, че много типове HCF имат ограничен нисък прозорец за загуба-, така че използването на лента C+L+U може да изисква множество типа влакна или оптимизирана дисперсия - инженерни дизайни.
Изработка и практически предизвикателства
Докато физиката на HCF е обещаваща, остават няколко инженерни предизвикателства:
● Сложни предварителни форми:HCF предварителните форми (структурите на стъклените пръчки) са сложни. Те изискват подреждане на множество тънки капилярни тръби, което изисква високо - прецизно производство и контрол на тегленето. В резултат на това текущият HCF се прави с ограничен обем. Мащабирането на производството до десетките хиляди км връзки с постоянен ток ще отнеме повече развитие и нови производствени линии.
● Сплайсиране и конектори:HCF не може директно да се чифтосва със стандартни влакнести конектори. Така че терминалите използват кратки конвенционални SMF пигтейли. На практика индустрията използва сплитане на сливане на HCF на притежателите на SMF в LC/SC конектори. Отчетените загуби на сплайс варират от ~ 0,5 dB (оптимизирани) до ~ 2,5 dB. Всеки конектор/пигтейл добавя ~ 0,5 dB. Тези допълнителни загуби (на връзка) са значителни в сравнение с бюджета на приемо -предавателя в DC. Ниски - Загуби HCF Splices и новите ниски - Разтворите на конектора на разходите са активни области на НИРД.
● Чувствителност към огъване и опаковане:HCF (особено големи - основни дизайни) е по -чувствителен към огъване и микро - огъване, отколкото SMF. Завоите въвеждат загуба и могат да конвертират режими. За да смекчат това, HCF кабелите използват свободни - тръба или конструкция на лентата с големи радиуси на огъване. Необходимо е специално внимание, за да се предотврати напрежение по време на инсталирането. При лабораторни тестове HCF на твърди макари показа приемливо поведение, но истинското окабеляване (с минимално смущение) всъщност може да увеличи по -високите - интерференция на режима на поръчка, освен ако не е проектирано с филтри за режим. OFS и други са добавили "шунт" структури, за да умишлено се събличат по -високо - режими на поръчка и потискане на модалната дисперсия.
● Загуба на сплайс и фибри:Рекордните ниски загуби (≪0,2 dB/km) са измерени на „голи“ направления на HCF. Факторите за окабеляване, сплайсиране и околната среда (замърсяване, влажност) обикновено повишават загубата. Например, OFS съобщава, че кабенето на техния HCF добавя ~ 0,1–0,7 dB/km загуба в c - лента. По този начин реалната - световна загуба може да бъде ~ 0,3–0,5 dB/km, докато процесите узряват.
● Разходи и наличност:В момента HCF носи ценова премия, както отбелязва експерти от индустрията. Ранните разгръщания (напр. BT/Lumenisity за Лондонската фондова борса) са употреба на ниша - случаи, когато цената е оправдана. За да станат мейнстрийм в DC взаимовръзките, обемът на производството трябва да намалява и материалните разходи падат. Няколко нови начинания (мрежи за относителност, Lumenisity, Silenfiber и др.) Изграждат производството на HCF с финансиране и придобивания на VC.
В обобщение,Практически HCF връзкиДнес може да изисква внимателно обработка: сплитащи се сплайсирани конектори, големи провиснали бримки и специализирани кабели. Индустрията активно развива стандарти и най -добри практики. Например, кабелите на OFS Accucore ™ вече се предлагат за HCF със стандартни форми. Въпреки това, всяка HCF връзка все още има приблизително 0,5–3 dB допълнителна загуба за окабеляване/сплайси, ограничавайки обхвата и налагането на бюджета на мощността.
Изпитвания и прототипи в настройките на центрове за данни
HCF вече се премества от лабораторията в реални мрежи. Последните полеви изпитания и пилотни внедрявания показват обещаващи резултати:
● DC - до - DC връзки:През февруари 2024 г. испанският оператор Линия си партнира с Nokia, OFS|Furukawa и Digital Realty, за да разгърне кухия - основен кабел между поп и център за данни в Мадрид. Над 1,386 км HCF връзка те постигнаха кръг - намаляване на латентността на пътуването287 µs (>30%) в сравнение с SMF, докато носите 600 GB/s на една дължина на вълната. Този истински - световен тест използва кохерентни транспондери при 100 Gb/s на λ. Изпитването потвърди, че HCF може да бъде сплетен в съществуваща инфраструктура (OFS Accucore® кабел) със стандартна кохерентна предавка, отваряща вратата за DC взаимосвързвания.
● Кратко - достигайте връзки:OFS Labs демонстрира 3,1 км HCF връзка, носеща 10 GB/S DWDM трафик (10 дължини на вълните) за търговски мрежи. Това беше първата кабелна HCF предаване, показваща бит - грешка - безплатен 10Gb/s над влакна+кабел с 31% намаляване на латентността. По същия начин, Nokia/Bell Labs са тествали HCF при агрегат 800–1200 GB/S (8 × 100Gb/s) в лабораторни настройки.
● Финансови и търговски мрежи:Латентните спестявания на HCF привлякоха високо - честотна търговия (HFT) употреба - случаи. През 2021 г. Lumenisity (сега част от Nokia) и Eunetworks разгърнаха Hollow - основни връзки за свързване на лондонската фондова борса. Използвайки HCF за последния - миля до места за търговия, закъсненията на микросекундата се намаляват. Подобни внедрявания бележат някои от първите търговски приложения на HCF. (BT и други също са пилотирали HCF за мобилни Backhaul и сигурни мрежи, въпреки че това са извън DC.)
● AI/HPC обмен на данни:Докато публичните данни са ограничени, основните доставчици на облаци разследват HCF. Microsoft Azure създаде екип (преди Lumenisity) за прототипиране на HCF връзки между центровете за данни. Networks Relativity (стартиране на САЩ - нагоре) разработва HCF специално за AI тъкани от данни. Тези усилия имат за цел да използват скоростта на HCF за облекчаване на затрудненията в латентността в разпределеното AI обучение. Въпреки че все още са рано, тези инициативи подчертават потенциала на технологията в хиперсал и HPC среда.
Във всички тези изпитания,Изпълненията отговаряха на очакванията: значителни спадове на латентността (обикновено ~ 30%) и мулти - сто стотин - GBPS капацитет на кратки връзки. Въпреки това, нито едно от тези изпитания все още не разширява HCF стотици км - това остава бъдеща работа. Засега HCF е най -подходящ за Metro - скала или Intra - връзки за центрове за данни (до ~ 10–20 km), където предимствата му блестят, без да изискват активни повторни повторни повторения.
Outlook: AI/HPC и бъдещи мрежи на Datacenter
Натискането към AI и Ultra - бързият HPC засилва търсенето на ултра - ниско - латентност, Ultra - високи - връзки на лентата. HCF е уникално позициониран за справяне с тези нужди. Чрез намаляване на забавянето на връзките ~ 30% на km, HCF позволява на DC операторите да се стремят географско покритие: Анализите предполагат, че центровете за данни могат да бъдат поставени на 1,5 × по -далеч за една и съща латентност. Тази „географска гъвкавост“ може да бъде от решаващо значение, тъй като AI клъстерите обхващат множество сайтове. По същия начин, в рамките на центъра за данни, HCF може да изреже inter - багажник и inter - латентности на POD, захранвайки големи модели с минимално изоставане на данни.
Освен суровата скорост, ниската нелинейност на HCF и широката поддръжка на спектъра означава, че бъдещите приемо -предаватели могат да изтласкат скоростта на данните още по -високи. В комбинация с усъвършенствана модулация и схеми за паралелни влакна (напр. Multicore HCF), общата пропускателна способност може значително да надвиши днешните SMF връзки. Доставчиците предвиждат HCF, носещ terabit - на - втори трафик на нишка през следващото десетилетие, отговаряйки на Exascale I/O нуждите на AI чипове.
Индустрията забелязва. Основните плейъри в облак/HPC (Microsoft, Google, META) са финансирали HCF R&D или придобивания, а стартиращите компании (относителност, луменизивност) са осигурили милиони в подкрепа на начинанието и правителството. Органите за стандарти и консорциурите започват да включват HCF в бъдещи мрежови планове. Докато много несигурности остават (разходи, надеждност, интеграция), тенденцията е ясна: HCF е на път да се превърне в ключов градивен елемент за следващото - поколение ниско - латентност, висока - мрежи за данни за данни.
В заключение, Hollow - Основното влакно представлява непреодолим напредък за данни - Централна оптика. Чрез смяна на стъкло за въздух, тя намалява загубата и латентността, като същевременно разширява честотната лента и линейността. Ранните изпитвания доказват неговата жизнеспособност и текущите разработки бързо преодоляват практическите препятствия. За разгръщането на AI и HPC, които изискват „светлина - скорост“, HCF предлага ненадминат път напред - при условие че оставащите им предизвикателства за инженеринг и разходи могат да бъдат решени.
