Hollow - südamik kiud (HCF) asendab traditsioonilise singli - režiimi kiud (SMF) klaasist südamiku õhu - täidetud keskpunktiga. Sisuliselt ehitatakse HCF keskse õhukanali ümbritseva mikrostruktureeritud klaasist "kestina". Valgust ei juhita mitte klaasi täieliku sisemise peegeldusega, vaid pigem fotoonilise riba vahe või antireonantsi efektiga kattes. Joonis 1 näitab tavalist "rotaatori" antiresonantsi kujundust: keskne õhusüdam, mida ümbritseb õhukese kvarts -torude rõngas. See võimaldab üle 99% valguse režiimist õhku jääda, vähendades oluliselt interaktsiooni klaasiga. Seevastu SMF koosneb tahkest germaaniumist - legeeritud ränidioksiidi südamikust (läbimõõduga umbes 9 μm) madala - murdumisnäitaja {- indeksi klaasist. Kuna HCF -i südamikul on palju madalam murdumisnäitaja (N≈1) kui kattel, on valguse piiramiseks vajalik spetsiaalne kattekonstruktsioon.
Joonis 1: Hollow - südamiku kiudude kujundus. (a) Tubulaarse antiresonantse õõnes - südamiku kiud (HCF) skeem: valgus piirdub keskse õhusüdamikuga, mida ümbritsevad pesastatud õhukesed klaasist kapillaarid. (b) Traditsiooniline üksik - režiim Fiber kasutab tahket klaasist südamikku. HCF -südamiku ja kattega (nt kärgstruktuuri klaasrõngad) geomeetria põhjustab valguse peegeldumist õhukanalisse kas fotoonilise ribalaiuse efekti või antiresonantsi efekti kaudu.
Sumbumine (kaotus)
Traditsioonilisel singlil - režiimi kiud (SMF) on C - ribas väga madal kadu (umbes 0,2 dB/km). Näiteks Corning SMF - 28 ULL -kiudude kaotus on alla 0,16 dB/km kiirusel 1550 nm. Real - maailm, kõrge - kvaliteediga SMF on kadude vahemik 0,16–0,2 dB/km kiirusel 1550 nm. Võrdluseks - varajastel HCF -i prototüüpidel olid kaotused vahemikus 1–10 dB/km. Tänu tehnoloogilistele edusammudele (pesastatud antireonantsed disainilahendused, "pööratud" HCF -id jne) on HCF -i kaotused märkimisväärselt vähenenud: umbes 1,3 dB/km 2018. aastal kuni umbes 0,65 dB/km 2019. aastal ja seejärel umbes 0,28 dB/km 2020. aastal. Kaasaegsed disainilahendused on lähenenud SMF -i tasemele ja on teatatud SMF -ile ja on HCF -id. HCF -id on HCF -id ja HCF -id on teatatud HCF -ist ja on HCF -id. saavutas umbes 0,11 dB/km. Lühiajalistes andmekeskuste lingides (kümned kilomeetrid) on isegi 0,2–0,3 dB/km vastuvõetav, nii et HCF on lähedal praktilisele kahjumi pariteedile.
Sumbumisvõrdmed:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (praegu) ≲0,2–0,3 dB/km (sihtmärk ~ 0,1 dB/km).
Praktiline tähendus on see, et otsesed HCF -lingid võivad ulatuda sarnaselt ühe - režiimi kiududega (SMF), ilma et oleks vaja korduva võimendite järele. Kuna HCF väldib klaasist südamikku, tulenevad selle järelejäänud kaotused peamiselt lekkest ja pinna hajumisest. Nimelt on Rayleighi hajumine õhus tühine, võimaldades kadude täiendavat vähenemist paranenud anti - resonantsstruktuuride kaudu. Tulemuseks on see, et hästi - kujundatud HCF suudab nõrgenemisel konkureerida tavapäraste optiliste kiududega, vähemalt lühikese ja keskmise vahemaaga.
Viivitus (levimise viivitus)
Kuna HCF juhib õhus valgust, on selle efektiivne murdumisnäitaja lähedal 1 (võrreldes umbes 1,47 klaasiga). See tähendab, et valgus levib HCF -is oluliselt kiiremini. Praktilistes rakendustes võib HCF vähendada leviku viivitust umbes 30–50%. Näiteks on ühe - režiimi kiud (SMF) rühma viivitus umbes 2,0 µs/km, samas kui avaldatud HCF -disainilahenduste rühma viivitus on umbes 1,54 µs/km. Teisisõnu väheneb HCF -lingi latentsusaeg umbes 31% kilomeetri kohta. Joonised 2a - b illustreerivad seda kiirenduse efekti. (Märkus. Mõned allikad teatavad kiiruse paranemisest kuni umbes 47%, sõltuvalt konkreetsest murdumisnäitaja erinevusest.)
Joonis 2:Hollow - südamiku kiudude eelis. Hollow - Core HCF (paremal) levivad valgusempulsid umbes 50% kiiremini kui klaasides - core SMF (vasakul). See vähendab rühma viivitust (latentsusaega) ühiku pikkuse kohta umbes 30–50%. Joonisel on näidatud, et HCF -link edastab samu andmeid umbes kahes - kolmandikuga SMF -lingi aja jooksul. Real - maailmarakendustes on 10 km HCF -lingi levimisviivitus umbes 15 µs (5 ns/m), samas kui SMF -lingi levimisviivitus on umbes 20 µs, mille tulemuseks on lõpp -, kuni- lõpp -latentsuse kokkuhoid umbes 5 µs. OFS mõõtmised kinnitavad, et HCF -i latentsus on umbes 1,54 µs/km, samas kui SMF -i latentsus on umbes 2,24 µs/km (vähenemine umbes 31%). See latentsuse vähendamine on kriitilise tähtsusega AI/HPC andmevahetuse ja kõrge - sageduskaubanduse jaoks. Tegelikult teatavad tööstustestid järjekindlalt latentsuse paranemist umbes 30%. .
Latentsusarja võrdlusalus: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, mis tähendab latentsuse vähenemist umbes 30–35%.
See "valguse kiirus" eelis võimaldab andmekeskusi jagada suurema vahemaa tagant antud latentsusaja eelarves. Sarnaselt võivad HCF -lingid ühes andmekeskuses või ülikoolilinnakus märkimisväärselt vähendada hüppe latentsusaega, aidates täita alam - MicroseCond End - {- lõppenud AI -rongide latentsusnõueteni.
Dispersioon ja mittelineaarne mõju
HCF -id pärivad äärmiselt madalat dispersiooni. Kuna enamik valgust asub õhus, on materjali dispersioon (lainepikkus - klaasi murdumisnäitaja sõltuv variatsioon) tühine. Hoolikalt kujundatud anti -- resonant HCF näitab - nullhaigumise lähedal madala - kadumisriba. See minimeerib tõhusalt impulsi laienemist, parandades ribalaiust - kaugprodukti. Sarnaselt on polarisatsioonirežiimi dispersioon (PMD) HCFS -is minimaalne ning keskkonnategurite (temperatuur ja stress) mõju on minimaalne. Võrdluseks - SMF -idel on umbes 17 PS/(nm · km) dispersioon temperatuuril 1550 nm (suurema variatsiooniga C/L riba vahel) ja PMD kõrgel - otsa optilised kiud on umbes 0,05–0,2 ps/√km.
HCFS -is on mittelineaarsed efektid (näiteks Kerri mittelineaarsus, SPM/XPM ja neli- laine segamine) mitu suurusjärku nõrgem. Üle 99,99% õhus olevate režiimide korral on efektiivne mittelineaarne koefitsient umbes 100–1000 korda väiksem kui ränidioksiidi samaväärne mittelineaarne koefitsient. See tähendab, et HCF suudab enne mittelineaarsete moonutuste ilmnemist toetada kõrgemaid optilisi võimsusi, parandades potentsiaalselt spektraalse efektiivsust kanali kohta või lihtsustades modulatsioonivorminguid. Nagu mõned pooldajad osutavad, võib see ka turvalisust parandada (hõlbustades kiudude pealt pealtkuulamist või kiudainete süstimist).
Üldiselt vähendab HCF oluliselt dispersiooniga seotud ribalaiuse ja mittelineaarsete piiranguid. Andmekeskused saavad kõrge - mahutavuse lingide saavutamiseks kasutada laiemat lainepikkust (väljaspool standardset C -). Paljudel HCF -kujundustel on lai "esimene Antiresonance aken", mis katab suure osa 1,5–1,6 um riba lameda kaotusega, teine aken võib ulatuda riba L - ja isegi madalama kaotusega nähtava riba. Üldiselt on HCF -i ribalaiuse potentsiaal vähemalt võrreldav SMF -i ja potentsiaalselt isegi suurega, eriti kui arvestada mitmebaase töö ja kõrge edastamisjõududega.
Ribalaius ja võimsus
HCF -i kiire ja madal mittelineaarsus annavad sellele erakordse mahu. Metafooriliselt on HCF nagu laiemate radadega kiirem optiline kiud: see võib kanda rohkem "autosid" (bitti) kiiremini. Joonis 3 (paremal) illustreerib seda: HCF "Super Truck" võib kanda rohkem andmeid suurema kiirusega kui SMF -i "auto". Praktikas on HCF laboratoorsetes katsetes näidanud äärmiselt kõrgeid andmeedastuskiirusi. Näiteks on katsed saavutanud kanalite määra 800 GB/s ja 1,2 TB/s, kasutades Antiresonant HCF -i, kasutades koherentset lainepikkuse jaotuse multipleksimist (WDM). Real - World Networks on HCF toetanud 6 x 100 GB/S kanaleid ja sarnast multi - lainepikkust kandekoormusi ühe kiuduga.
Joonis 3:Andmete läbilaskevõime analoogia. Hcfsaab võrrelda kiirema, kõrge - mahutavusega "veoauto", samal ajal kui SMF -i võrreldakse "autoga". See kajastab HCF -i suure ribalaiuse (rohkem lainepikkusi/režiime, madalamaid moonutusi) ja suurema levimiskiiruse kombinatsiooni. Erinevalt SMF -ist (vasakul) väldib HCF klaasi mittelineaarsusi ja suudab kasutada laiemat spektriaknat, võimaldades ühe kiudainete suhtes üle terabiite ületada andmeedastuskiirust.
Põhipunktid HCF -i mahutavuse kohta:
● Lainepikkuse vahemik:HCF -i ei piira SMF -i ränidioksiidi neeldumine "veepiigid" ja UV -i neeldumised. Uued HCF -i kujundused töötavad hästi vahemikus ~ 1200 nm kuni ~ 1700 nm ja isegi spetsialiseerunud tüüpide nähtav.
● WDM -kanalid:Varased testid näitavad HCF -i, mis kannab kümneid WDM -kanalite (C+L riba) minimaalse mittelineaarse ristiga.
● Modulatsioonivormingud:Kuna mittelineaarsus on madal, suudab HCF hõlpsamini kanda kõrge - tellimismodulatsiooni (nt . 64 qam) suure võimsusega kanali kohta.
● bit - määr:Siduse tuvastamise korral peaks HCF toetama sama - kanali bitti - kiirusega kui SMF (100 gb/s+ lainepikkuse kohta); Varased katsed 100–600 GB/S lainepikkustel on õnnestunud.
Kokkuvõtlikult pakub HCFvähemalt vähemaltSama potentsiaalne ribalaius kui SMF -i ja multi - kanalilingid võivad seda sageli ületada suurema käivitusvõimsuse ja madalama Crosstalki kaudu. Ainus hoiatus on see, et paljudel HCF -tüüpidel on piiratud madal - kaotuse aken, nii et täiskiudu C+L+U riba kasutamine võib vajada mitut kiudainet tüüpi või optimeeritud dispersiooni - projekteeritud kujundused.
Valmistamine ja praktilised väljakutsed
Kuigi HCF -i füüsika on paljutõotav, on alles mitmeid inseneriprobleeme:
● Keerulised eelvormid:HCF -i eelvormid (klaasist varda konstruktsioonid) on keerulised. Need nõuavad mitme õhukese kapillaaride toru virnastamist, mis nõuab kõrget - täpsust valmistamist ja tõmmata juhtimist. Selle tulemusel tehakse praegune HCF piiratud mahuga. Skaleerimine kümnete tuhandete km -de alalisvoolude linkidega võtab rohkem arendust ja uusi tootmisliine.
● splaissimine ja pistikud:HCF ei saa otseselt paarita tavaliste kiudühendustega. Seega kasutavad lõpetused lühikesi tavapäraseid SMF -i patsid. Praktikas kasutab tööstus HCF -i sulandumist SMF -i omanikele LC/SC pistikutes. Teatatud splaissimiskaod ulatuvad vahemikus ~ 0,5 dB (optimeeritud) kuni ~ 2,5 dB. Mis tahes pistik/pigtail lisab ~ 0,5 dB. Need lisakaod (ühe lingi kohta) on märkimisväärsed, võrreldes DC transiiveri eelarvega. Madal - kaotuse HCF -splaud ja uus madal - kulude pistiku lahendused on aktiivsed teadus- ja arendustegevuse alad.
● Painutage ja pakkimistundlikkus:HCF (eriti suur - Core Designs) on tundlikum painutamise ja mikro - painutamise suhtes kui SMF. Kurvid tutvustavad kaotust ja saavad režiime teisendada. Selle leevendamiseks kasutavad HCF -kaablid lahti - toru või lindi konstruktsiooni suurte painderaadidega. Paigaldamise ajal on vaja erilist tähelepanu pinge vältimiseks. Lab -testides näitas HCF jäikadel rullidel vastuvõetavat käitumist, kuid tegelik kaabeldus (minimaalse häirega) võib tegelikult suurendada - tellimisrežiimi häireid, kui see pole kujundatud režiimi filtritega. OFS ja teised on lisanud "šunt" struktuurid, et teadlikult kõrgemale - tellimisrežiimid välja tõmmata ja modaalse dispersiooni mahasuruda.
● Splaissi- ja kiudude kaotus:Rekordilisi madalaid kadusid (≪0,2 dB/km) on mõõdetud "paljaste" HCF -i ahelatel. Kaabellus, splaissimine ja keskkonnategurid (saastumine, niiskus) tekitavad tavaliselt kaotust. Näiteks teatas OFS, et nende HCF -i kaabeldus lisas riba C - kadu ~ 0,1–0,7 dB/km. Seega võib reaalne - maailma kasutusele võetud kaotus olla ~ 0,3–0,5 dB/km, kuni protsessid küpsevad.
● Maksumus ja saadavus:HCF -il on praegu hinnatasu, nagu märkis tööstuse eksperdid. Varased juurutused (nt BT/Lumenenity jaoks Londoni börsil) on nišikasutus - juhtumid, kui kulud on õigustatud. Alalisvoolu ühendustes tavapäraseks saamiseks peavad tootmismahud skaleerimis- ja materiaalkulud langema. Mitmed uued ettevõtmised (relatiivvõrgud, valendlikkus, Silenfiber jne) ehitavad HCF -i tootmist koos riskikapitaliettevõtte rahastamise ja omandamistega.
KokkuvõtlikultPraktilised HCF -lingidTäna võib vajada hoolikat käitlemist: sulanduda splaissitud pistikud, suured lõtvad silmused ja spetsialiseeritud kaablid. Tööstus arendab aktiivselt standardeid ja parimaid tavasid. Näiteks pakutakse nüüd HCF -i jaoks standardvormifaktoritega OFS Accucore ™ kaableid. Kuid iga HCF -lingi korral on endiselt umbes 0,5–3 dB lisakahjumit kaabeldus/splaisside jaoks, piirates ulatust ja vajades võimu eelarvestamist.
Uuringud ja prototüübid andmekeskuse seadetes
HCF liigub juba laborist välja reaalsetesse võrkudesse. Hiljutised uuringukatsed ja pilootide juurutamine näitavad paljulubavaid tulemusi:
● DC - kuni - DC lingid:Veebruaris 2024 tegi Hispaania operaator Lyntia koos Nokia, OFS|Furukawa ja Digital Realtyga, et juurutada õõnes - südamiku kaabel popi ja Madridi andmekeskuse vahel. Üle 1,386 km HCF -lingi saavutasid nad ümmarguse - reisi latentsuse latentsuse vähendamine287 µs (>30%) võrreldes SMF -iga, kandes samal ajal 600 GB/s ühe lainepikkusega. See reaalne - maailmatest kasutas koherentseid transpondereid 100 GB/s juures λ kohta. Uuring kinnitas, et HCF -i saab standardse sidusa käiguga lüüa olemasolevasse infrastruktuuri (OFS Accucore® -kaablit), avades ukse alalisvoolu ühenduste jaoks.
● lühike - jõuda linkide juurde:OFS Labs demonstreeris 3,1 km HCF -lingi, mis vedas 10 GB/s DWDM -i liiklust (10 lainepikkust) kauplemisvõrkude jaoks. See oli esimene CAP -ga HCF -i käigukast, mis näitas bitti - viga - tasuta 10 GB/s kiudude+kaabli kohal 31% latentsuse vähendamisega. Sarnaselt on Nokia/Bell Labs testinud HCF -i 800–1200 GB/s agregaati (8 × 100 GB/s) labori seadistustes.
● Finants- ja kauplemisvõrgud:HCF -i latentsusaja kokkuhoid on meelitanud kõrge - sageduskaubandus (HFT) kasutage - juhtumeid. Aastal 2021 kasutasid valendlikkus (nüüd Nokia osa) ja Eunetworks Hollow - põhilinke Londoni börsi ühendamiseks. Kasutades HCF -i viimase - miili jaoks kauplemispaikadele, vähenevad mikrosekundi latentsused. Sellised juurutused tähistavad mõnda HCF -i esimest kommertslikku kasutust. (BT ja teised on piloteerinud ka HCF -i mobiilse tagasipöördumise ja turvaliste võrkude jaoks, ehkki need on väljaspool DC -d.)
● AI/HPC andmevahetused:Ehkki avalikud andmed on piiratud, uurivad suuremad pilveteenuse pakkujad HCF -i. Microsoft Azure on moodustanud meeskonna (endine luumeensus) HCF -i seoste prototüüpiks andmekeskuste vahel. Relatiivvõrgud (A USA Start - üles) arendab HCF -i spetsiaalselt AI andmekeskuse kangaste jaoks. Nende jõupingutuste eesmärk on kasutada HCF -i kiirust, et leevendada latentsusaja kitsaskohti hajutatud AI -koolitusel. Ehkki need algatused veel varakult, rõhutavad tehnoloogia potentsiaali hüperskaala ja HPC keskkonnas.
Kõigis neis katsetesEtendused vastasid ootustele: märkimisväärsed latentsusaadmed (tavaliselt ~ 30%) ja multi - sada - GBPS -i mahutavus lühikestel linkidel. Kuid ükski neist uuringutest ei laienda veel sadu km - see on endiselt tulevane töö. Praegu sobib HCF kõige paremini Metro - skaala või intra - Datacenter Links (kuni ~ 10–20 km), kus selle eelised paistavad ilma aktiivsete repistajate nõudmiseta.
Outlook: AI/HPC ja tulevased Datacenter võrgud
Push AI ja Ultra - kiire HPC suurendab nõudlust ultra - madala {- latentsusaja, ultra - kõrge {- ribalaiuse linkidega. HCF on nende vajaduste rahuldamiseks ainulaadselt positsioneeritud. Vähendades lüli hilinemist ~ 30% km kohta, võimaldab HCF DC -operaatoritel venitada geograafilist leviala: analüüside kohaselt võiks andmekeskused asetada sama latentsusaja jaoks 1,5 x kaugemale. See "geograafiline paindlikkus" võib olla ülioluline, kuna AI klastrid hõlmavad mitut saiti. Samuti saab HCF andmekeskuses lõigata inter - racki ja inter - POD latentsusi, toites suuri mudeleid minimaalse andmeedastuse viivitusega.
Lisaks toorele kiirusele võivad HCF -i madal mittelineaarsus ja lai spekter toetada tulevasi transiiveriid andmeedastuskiirust veelgi kõrgemale. Koos täiustatud modulatsiooni ja paralleelsete kiudude skeemidega (nt Multicore HCF) võib üldine läbilaskevõime ületada tänapäeva SMF -linke. Pakkujad kujutavad ette HCF -i, mis kannab Terabit - per - järgmisel kümnendil teist liiklust ahela kohta, vastates AI -kiipide Exascale I/O vajadustele.
Tööstus võtab tähele. Suuremad pilve-/HPC -mängijad (Microsoft, Google, Meta) on rahastanud HCF -i R&D või omandamisi ning idufirmad (relatiivsus, valendlikkus) on taganud miljonid ettevõtmise ja valitsuse toetuse. Standardite asutused ja konsortsiumid on hakanud hõlmama HCF -i tulevastesse võrguplaanidesse. Kuigi paljud ebakindlused jäävad (hind, usaldusväärsus, integreerimine), on trend selge: HCF on õigel teel, et saada järgmise {- genereerimise madal - latentsusaeg, kõrge - mahutavuse andmekeskuste võrkude võtmehõikeks.
Kokkuvõttes, Hollow - südamik kiud tähistab andmete kaalukat edasiminekut - keskprootika. Vahetades klaasi õhu vastu, vähendab see kaotust ja latentsust, laiendades samal ajal ribalaiust ja lineaarsust. Varased uuringud tõestavad selle elujõulisust ja jätkuvad arengud ületavad kiiresti praktilisi takistusi. AI ja HPC juurutuste jaoks, mis nõuavad "kerget - kiirust" võrgustike loomist, pakub HCF tasakaalustamata tee edasi - kui selle järelejäänud inseneri- ja kuluprobleemid saab lahendada.
