Hollow - Core Fiber: Nova paradigma za ultra - niska - Linkovi za gubitak podataka

Hollow - Core Fiber (HCF) zamjenjuje staklenu jezgru tradicionalnog jednostruka - moda Fiber (SMF) s zrakom - ispunjenim središtem. U osnovi, HCF se konstruira kao mikrostrukturirano staklo "školjka" koja okružuje središnji zračni kanal. Svjetlost se vodi ne potpunim unutarnjim odraz u čaši, već fotonski jaz ili antiresonsko učinak u oblozi. Na slici 1 prikazan je uobičajeni "rotator" antiresonancijski dizajn: središnja zračna jezgra okružena prstenom tankih kvarcnih cijevi. To omogućava da preko 99% načina svjetlosti ostane u zraku, značajno smanjujući interakciju sa staklom. Suprotno tome, SMF se sastoji od čvrstog germanija - dopiranog silicijevog jezgre (promjera otprilike 9 µm) unutar niskog - refrakcije - obloga indeksa. Budući da HCF jezgra ima mnogo niži indeks loma (n≈1) od obloge, potrebna je specijalizirana struktura obloga koja je ograničila svjetlost.

Slika 1: Hollow - Dizajn jezgre vlakana. (a) Shema tubularne antirezonantne šuplje - jezgre jezgre (HCF): Svjetlo je ograničeno u središnjoj zračnoj jezgri okruženoj ugniježđenim kapilarima od tanke stakla. (b) Tradicionalni pojedinačni - vlakno vlakna koristi jezgru čvrstog stakla. Geometrija jezgre i obloge HCF -a (npr. Stakleni prstenovi saća) uzrokuje da se svjetlost odražava natrag u zračni kanal bilo fotonskim efektom BandGAP ili antiresonskom efektom.

Prigušenje (gubitak)

Tradicionalni pojedinačni - mod vlakna (SMF) ima vrlo nizak gubitak u opsegu C - (približno 0,2 dB/km). Na primjer, Corning SMF - 28 Ull vlakna ima gubitak manji od 0,16 dB/km pri 1550 nm. Real - svijet, visoki - Kvaliteta SMF ima raspon gubitka od 0,16–0,2 dB/km pri 1550 nm. Za usporedbu, rani HCF prototipi pokazali su gubitke u rasponu od 1–10 dB/km. Zahvaljujući tehnološkom napretku (ugniježđenim antirezonantnim nacrtima, "rotirani" HCF -ovi, itd.), Gubici HCF -a značajno su se smanjili: s otprilike 1,3 dB/km u 2018. na otprilike 0,65 dB/km u 2019. godini, a zatim na oko 0,28 db/km u 2020. godini su moderni SMF. Prototipovi su postigli otprilike 0,11 dB/km. U kratkim spojenim vezama za podatkovne centre (deseci kilometara), prihvatljivo je čak 0,2–0,3 dB/km, tako da je HCF blizu praktičnog pariteta gubitka.

Mjerilo prigušenja:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (trenutno) ≲0,2–0,3 dB/km (cilj ~ 0,1 dB/km).

Praktična implikacija je da izravne HCF veze mogu rasporediti udaljenosti slične onima iz jednostrukih - vlakana (SMF) bez potrebe za pojačavačima ponavljača. Budući da HCF izbjegava staklenu jezgru, njegovi preostali gubici prvenstveno dolaze iz istjecanja i raspršivanja površine. Značajno je da je Rayleigh rasipanje zanemarivo u zraku, što omogućava daljnje smanjenje gubitaka kroz poboljšane rezonantne strukture anti -. Rezultat je da je dobro - dizajniran HCF može supariti konvencionalnim optičkim vlaknima u prigušivanju, barem na kratkim do srednjim udaljenostima.

Kašnjenje (kašnjenje širenja)

Budući da HCF provodi svjetlost u zraku, njegov efektivni indeks loma je blizu 1 (u usporedbi s približno 1,47 u staklu). To znači da se svjetlost širi znatno brže u HCF -u. U praktičnim primjenama, HCF može smanjiti kašnjenje širenja za otprilike 30% na 50%. Na primjer, kašnjenje grupe jednog - vlakana (SMF) je približno 2,0 µs/km, dok objavljeni HCF dizajni imaju kašnjenje u grupi od približno 1,54 µs/km. Drugim riječima, latencija HCF veze smanjuje se za oko 31% na kilometru. Slike 2a - b ilustriraju ovaj efekt ubrzanja. (Napomena: Neki izvori prijavljuju poboljšanja brzine čak 47%, ovisno o specifičnoj razlici indeksa loma.)

Slika 2:Prednost brzine šupljeg - jezgrenih vlakana. U Hollow - jezgra HCF (desno), svjetlosni impulsi se šire otprilike 50% brže nego u staklu - jezgra SMF (lijevo). To smanjuje kašnjenje grupe (latencija) po jedinici duljine za otprilike 30% do 50%. Na slici se prikazuje da HCF veza prenosi iste podatke u otprilike dvije - treće vrijeme SMF veze. U stvarnim {- svjetskim aplikacijama, veza od 10 km HCF ima kašnjenje širenja od približno 15 µs (5 ns/m), dok SMF veza ima kašnjenje širenja od približno 20 µs, što rezultira krajem - do -. OFS mjerenja potvrđuju da HCF ima kašnjenje od približno 1,54 µs/km, dok SMF ima kašnjenje od približno 2,24 µs/km (smanjenje od približno 31%). Ovo smanjenje kašnjenja kritično je za AI/HPC razmjenu podataka i visoku - Trgovanje frekvencijom. U stvari, industrijski testovi dosljedno izvještavaju o poboljšanjima kašnjenja od oko 30%. (U nedavnom pokusu Madrida, 1,386 km HCF veza smanjila je krug - latencija putovanja za 4,287 µs u usporedbi sa SMF.) Sažetak:

Referentna vrijednost kašnjenja: SMF ≈2.0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, što predstavlja smanjenje kašnjenja od oko 30–35%.

Ova prednost "brzina svjetlosti" omogućava raspodjelu podataka da se podatkovni centri na veće udaljenosti unutar određenog proračuna za latenciju. Slično tome, unutar jednog podatkovnog centra ili kampusa, HCF veze mogu značajno smanjiti latenciju hmelja, pomažući u ispunjavanju sub - Microsecond End - do - krajnjih latencijskih zahtjeva distribuiranih AI vlakova.

Disperzija i nelinearni učinci

HCFS nasljeđuje izuzetno nisku disperziju. Budući da se većina svjetla nalazi u zraku, disperzija materijala (valna duljina - ovisna varijacija indeksa loma stakla) je zanemariva. Pažljivo dizajniran anti - rezonantni HCF pokazuje blizu - nulte disperzije u njegovom niskom opsegu gubitka -. To učinkovito minimizira širenje impulsa, poboljšavajući širinu propusnosti - proizvod udaljenosti. Slično tome, disperzija polarizacijskog načina (PMD) u HCFS je minimalna, a učinci okolišnih čimbenika (temperatura i stres) su minimalni. Za usporedbu, SMF -ovi pokazuju disperziju od oko 17 ps/(nm · km) na 1550 nm (s većom varijacijom u C/L opsegu), a PMD u visokim - krajnjim optičkim vlaknima je približno 0,05–0,2 ps/√km.

U HCFS -u, nelinearni učinci (poput Kerr nelinearnosti, SPM/XPM i četiri - miješanje valova) su nekoliko reda slabijeg. S preko 99,99% načina rada u zraku, efektivni nelinearni koeficijent otprilike je 100 do 1000 puta manji od ekvivalentnog nelinearnog koeficijenta u silicijumu. To znači da HCF može podržati veće optičke sile prije nego što se dogodi nelinearno izobličenje, što potencijalno poboljšava spektralnu učinkovitost po kanalu ili pojednostavljujući formate modulacije. Kao što neki zagovornici ističu, također može poboljšati sigurnost (olakšavajući prisluškivanje ili ubrizgavanje vlakana kroz vlakno).

Općenito, HCF značajno smanjuje ograničenja propusnosti i nelinearna ograničenja povezana s disperzijom. Podatkovni centri mogu koristiti šire valne duljine (izvan standardnog C - pojasa) za postizanje visokih veza s kapacitetom - bez potrebe za kompenzacijom disperzije. Mnogi HCF dizajni sadrže širok "prvi antiresonancijski prozor" koji pokriva veći dio 1,5 do 1,6 µm opsega s ravnim gubitkom, dok se drugi prozor može proširiti u L - pojas, pa čak i vidljivi pojas s nižim gubitkom. Općenito, potencijal propusnosti HCF -a barem je usporediv i potencijalno čak i veći od SMF -a, posebno kada se razmotri višepojasna operacija i visoke snage prijenosa.

Širina pojasa i kapacitet

HCF -ova velika brzina i niska nelinearnost daju mu izuzetan kapacitet. Metaforički, HCF je poput bržeg optičkog vlakna sa širim trakama: može brže brzinu nositi više "automobila" (bita). Slika 3 (desno) to ilustrira: HCF "Super Truck" može nositi više podataka s većom brzinom od SMF "automobila". U praksi je HCF pokazao izuzetno visoke zbirne stope podataka u laboratorijskim eksperimentima. Na primjer, eksperimenti su postigli brzinu kanala od 800 GB/s i 1,2 TB/s koristeći antiresonantni HCF koristeći multipleksiranje koherentne podjele valne duljine (WDM). U stvarnim - Svjetske mreže, HCF je podržao 6 x 100 GB/S kanala i slične multi - korisne opterećenja valne duljine na jednom vlaknu.

Slika 3:Analogija propusnosti podataka. HCFMože se usporediti s bržim, visokim - kapacitetom "kamion", dok se SMF uspoređuje s "automobilom". To odražava kombinaciju visoke propusnosti HCF -a (više valnih duljina/načina, nižeg izobličenja) i veće brzine širenja. Za razliku od SMF -a (lijevo), HCF izbjegava staklene nelinearnosti i može koristiti širi spektralni prozor, što omogućava brzinu podataka veće od terabita/sekunde na jednom vlaknu.

Ključne točke na kapacitetu HCF -a:

● Raspon valne duljine:HCF nije ograničen apsorpcijom silika apsorpcijom "Vodeni vrhovi" i UV apsorpcijom SMF -a. Novi HCF dizajni djeluju dobro od ~ 1200 nm do ~ 1700 nm, pa čak i u vidljivim za specijalizirane vrste.

● WDM kanali:Rani testovi pokazuju HCF koji nosi desetke WDM kanala (C+L pojas) s minimalnim nelinearnim presjekom.

● Formati modulacije:Budući da je nelinearnost niska, HCF može lakše nositi visoku - modulaciju narudžbe (npr. . 64 qam) pri velikoj snazi ​​po kanalu.

● bit - stopa:Uz koherentno otkrivanje, HCF bi trebao podržati isti po - Bit - kao SMF (100 GB/S+ po valnoj duljini); Rana ispitivanja na 100–600 GB/s valne duljine uspjela su.

Ukratko, HCF nudinajmanjeIsta potencijalna propusna širina kao i SMF i, u više - veza, često ga mogu premašiti većom snagom lansiranja i nižim presjekom. Jedino upozorenje je da mnoge vrste HCF -a imaju konačni prozor s niskim -, tako da puna vlakna C+l+U koristi može zahtijevati više vrsta vlakana ili optimiziranu disperziju - dizajniranih dizajna.

Izrada i praktični izazovi

Iako je fizika HCF -a obećavajuća, ostaje nekoliko inženjerskih izazova:

● Složeni predformacije:HCF preformane (strukture staklenih šipki) su zamršene. Potrebne su slaganje više tankih kapilarnih epruveta, što zahtijeva visoku - preciznu izradu i crtanje kontrole. Kao rezultat, trenutni HCF izrađen je u ograničenom volumenu. Proizvodnja skaliranja na desetine tisuća km DC vlaknastih veza trebat će više razvoja i novih proizvodnih linija.

● Spajanje i priključci:HCF se ne može izravno pariti sa standardnim konektorima vlakana. Tako završeci koriste kratke konvencionalne SMF pigtails. U praksi industrija koristi fuzijsko spajanje HCF -a za SMF držače u LC/SC priključcima. Prijavljeni gubici spajanja kreću se od ~ 0,5 dB (optimizirano) do ~ 2,5 dB. Bilo koji priključak/pigtail dodaje ~ 0,5 dB. Ovi dodatni gubici (po vezi) značajni su u usporedbi s primopredajnim proračunom u DC -u. Niski - gubitak HCF spoj i novi niski - rješenja za priključak troškova su aktivna područja istraživanja i razvoja.

● Savijte i osjetljivost pakiranja:HCF (posebno velik - dizajniranje jezgre) je osjetljiviji na savijanje i mikro - savijanje od SMF -a. Zavoji unose gubitak i mogu pretvoriti načine. Da bi se to ublažilo, kabeli HCF koriste labavu - cijev ili vrpcu s velikim radijusima zavoja. Potrebna je posebna pažnja kako bi se spriječilo naprezanje tijekom instalacije. U laboratorijskim testovima, HCF na krutim kolutima pokazao je prihvatljivo ponašanje, ali stvarno kabliranje (s minimalnim poremećajem) može se zapravo povećati s interferencijama načina narudžbe -, osim ako je dizajniran s filtrima načina rada. OFS i drugi su dodali strukture "shunt" kako bi namjerno uklopljene viši - Načini narudžbe i suzbijali modalnu disperziju.

● Gubitak spajanja i vlakana:Rekordni niski gubici (≪0,2 dB/km) izmjereni su na "golim" HCF nitima. Čimbenici kabliranja, spajanja i okoliša (kontaminacija, vlaga) obično povećavaju gubitak. Na primjer, OFS je izvijestio da je kabliranje njihovog HCF dodao ~ 0,1–0,7 dB/km gubitak u C -. Dakle, stvarni - Svijet imponirani gubitak može biti ~ 0,3–0,5 dB/km dok procesi sazrijevaju.

● Trošak i dostupnost:HCF trenutno nosi premiju cijene, kao što su primijetili stručnjaci za industriju. Rana implementacija (npr. BT/Lumenisity za londonsku burzu) su niša upotreba - slučajevi kada su troškovi opravdani. Da bi postali uobičajeni u DC Interconects, volumen proizvodnje mora skalirati i smanjuju troškove materijala. Nekoliko novih pothvata (relativne mreže, Lumenisity, Silenfiber itd.) Izgrađuju proizvodnju HCF -a s VC financiranjem i akvizicijama.

Ukratko,Praktične veze HCFDanas će možda zahtijevati pažljivo rukovanje: Fusion Spaised konektori, velike petlje za slatke i specijalizirane kablove. Industrija aktivno razvija standarde i najbolje prakse. Na primjer, OFS Accucore ™ kabeli sada se nude za HCF sa standardnim faktorima oblika. Međutim, svaka HCF veza i dalje ima otprilike 0,5–3 dB dodatnog gubitka za kabliranje/spoj, ograničavajući doseg i zahtijeva proračun energije.

Pokusi i prototipovi u postavkama podatkovnog centra

HCF se već izlazi iz laboratorija u stvarne mreže. Najnovija terenska suđenja i pilot implementacije pokazuju obećavajuće rezultate:

● DC - do - DC veze:U veljači 2024., španjolski operater Lyntia udružio se s Nokia, OFS|Furukawa i Digital Realty kako bi implementirao šuplje - temeljni kabel između pop i madridskog podatkovnog centra. Preko 1,386 km HCF veze postigli su okrugli - smanjenje kašnjenja putovanja287 µs (>30%) u usporedbi sa SMF -om, dok nosi 600 GB/s na jednoj valnoj duljini. Ovaj pravi - svjetski test koristio je koherentne transpondere pri 100 GB/s po λ. Ispitivanje je potvrdilo da se HCF može spojiti u postojeću infrastrukturu (OFS Accucore® kabel) sa standardnim koherentnim zupčanikom, otvarajući vrata za DC Interconects.

● Kratko - dosega veze:OFS laboratoriji pokazali su 3,1 km HCF vezu s 10 GB/s DWDM prometa (10 valnih duljina) za trgovačke mreže. Ovo je prvi kabelirani HCF prijenos, koji pokazuje bit - pogreška - slobodno 10GB/s preko vlakana+kabela s smanjenjem kašnjenja od 31%. Slično tome, Nokia/Bell Labs testirali su HCF na 800–1200 GB/s agregata (8 × 100GB/s) u laboratorijskim postavkama.

● Financijske i trgovačke mreže:Ušteda latencije HCF -a privukla je visoke - slučajeve frekvencije (HFT) Koristi -. 2021. godine Lumenisity (sada dio Nokia) i Eunetworks implementirali su šuplje - temeljne veze za povezivanje londonske burze. Korištenjem HCF -a za posljednje - milje do trgovačkih mjesta, latencije mikrosekundi su smanjene. Takve implementacije označavaju neke od prvih komercijalnih upotreba HCF -a. (BT i drugi su također pilotirali HCF za mobilne backhaul i sigurne mreže, iako su to izvan DCS -a.)

● AI/HPC razmjene podataka:Iako su javni podaci ograničeni, glavni pružatelji usluga oblaka istražuju HCF. Microsoft Azure formirao je tim (ranije Lumenisity) za prototip HCF veze između podatkovnih centara. Relativne mreže (američki početak - up) razvija HCF posebno za AI datacenter tkanine. Ti napori imaju za cilj iskoristiti brzinu HCF -a kako bi ublažili uska grla kašnjenja u distribuiranom AI treningu. Iako su još rane, ove inicijative podvlače potencijal tehnologije u hiperskale i HPC okruženju.

U svim tim ispitivanjima,Nastupi su ispunili očekivanja: značajne kapi kašnjenja (obično ~ 30%) i multi - stotinu - GBPS kapaciteti na kratkim vezama. Međutim, nijedno od ovih pokusa još nije produžilo stotine km HCF -a - to ostaje budući rad. Za sada, HCF je najprikladniji za metro - skali ili intra - poveznice podataka (do ~ 10–20 km), gdje njegove prednosti sjaju bez potrebe za aktivnim ponavljačem.

Outlook: AI/HPC i buduće mreže podataka

Pritisak prema AI i Ultra - Brzi HPC pojačava potražnju za ultra - niskom - latencijom, ultra - visokim - veza. HCF je jedinstveno pozicioniran za rješavanje ovih potreba. Smanjivanjem kašnjenja veze ~ 30% po km, HCF omogućuje DC operatorima da rastežu geografsku pokrivenost: Analize sugeriraju da bi se podatkovni centri mogli postaviti 1,5 × dalje za istu latenciju. Ova "geografska fleksibilnost" može biti presudna jer AI klasteri obuhvaćaju više mjesta. Isto tako, unutar podatkovnog centra, HCF može rezati Inter - stalak i inter - latencije mahuna, hranjenjem velikih modela s minimalnim zaostajanjem podataka.

Osim sirove brzine, HCF -ova niska nelinearnost i podrška širokog spektra, budući primopredajnik može potaknuti brzinu podataka još veće. U kombinaciji s naprednom modulacijom i shemama paralelnih vlakana (npr. MultiCore HCF), ukupna propusnost mogla bi u velikoj mjeri premašiti današnje SMF veze. Davatelji predviđaju HCF noseći terabit - po - Drugi promet po pramenu u sljedećem desetljeću, zadovoljavajući Exascale I/O potrebe AI čipova.

Industrija primjećuje. Glavni playeri Cloud/HPC (Microsoft, Google, Meta) financirali su HCF istraživanje i razvoj ili akvizicije, a startupi (relativnost, lumenisity) osigurali su milijune u pothvatu i državnoj podršci. Tijela standarda i konzorcije počinju uključivati ​​HCF u buduće mrežne planove. Iako mnoge nesigurnosti ostaju (trošak, pouzdanost, integracija), trend je jasan: HCF je na putu da postane ključni građevinski blok za sljedeće - generacija nisko - latencija, visoke - Netacentera kapaciteta.

Zaključno, Hollow - Core Fiber predstavlja uvjerljiv napredak za podatke - Center Optics. Zamjenom stakla za zrak smanjuje gubitak i kašnjenje dok širi širinu pojasa i linearnost. Rana ispitivanja dokazuju njegovu održivost, a stalni razvoj brzog prevladavanja praktičnih prepreka. Za AI i HPC implementacije koje zahtijevaju "svjetlo - brzinu" Umrežavanje, HCF nudi neusporedivi put prema naprijed - pod uvjetom da se mogu riješiti preostali inženjerski i troškovni izazovi.