Hollow - magszál (HCF) helyettesíti a hagyományos kislemez üvegmagját - mód -szál (SMF) egy levegővel - kitöltött központtal. Lényegében egy HCF -et mikroszerkezetű üveg "héj" -ként állítják elő, amely körülveszi a központi légcsatornát. A fényt nem az üveg teljes belső visszatükröződése, hanem egy fotonikus sávrés vagy a burkolat antiresonance -hatása vezet. Az 1. ábra egy általános "rotátor" antiresonancia -kialakítást mutat: egy központi levegőmag, amelyet vékony kvarccsövek gyűrű vesz körül. Ez lehetővé teszi, hogy a fénymód több mint 99% -a a levegőben maradjon, jelentősen csökkentve az üveggel való interakciót. Ezzel szemben egy SMF szilárd germániumból áll, - adalékolt szilícium -dioxid magból (kb. 9 μm átmérőjű) egy alacsony - refraktív - index üveg burkolaton belül. Mivel a HCF magnak sokkal alacsonyabb a törésmutatója (n≈1), mint a burkolat, a fény korlátozásához speciális burkolatszerkezetre van szükség.
1. ábra: Hollow - alapszál -kialakítás. (A) A cső alakú antiresonant üreges - magszál (HCF) vázlata: A fény egy központi levegőmagban van korlátozva, amelyet beágyazott vékony üveg kapillárisok vesznek körül. (b) A hagyományos - módban a szál szilárd üvegmagot használ. A HCF mag és a burkolat geometriája (pl. A méhsejt üveggyűrűk) a fényt tükrözi a légcsatornába a fotonikus sávszélesség vagy az antiressonance hatás révén.
Csillapítás (veszteség)
A hagyományos - mód -rost (SMF) nagyon alacsony vesztesége van a C - sávban (kb. 0,2 dB/km). Például, a Corning SMF - 28 ULL rost vesztesége kevesebb, mint 0,16 dB/km 1550 nm -en. Real - világ, magas - A minőségi SMF veszteségtartománya 0,16–0,2 dB/km 1550 nm -en. Összehasonlításképpen: a korai HCF prototípusok veszteségeket mutattak az 1–10 dB/km tartományban. A technológiai fejlődésnek köszönhetően (beágyazott Antiresonant tervek, "elforgatott" HCF -ek stb.) A HCF -veszteségek jelentősen csökkentek: 2018 -ban körülbelül 1,3 dB/km -ről kb. A laboratóriumi prototípusok körülbelül 0,11 dB/km -t értek el. A rövidre jutó adatközpontok (tíz kilométer) linkeken (tíz kilométer) még a 0,2–0,3 dB/km is elfogadható, tehát a HCF közel áll a gyakorlati veszteségi paritáshoz.
Csillapítási referenciaértékek:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (jelenleg) ≲0,2–0,3 dB/km (cél ~ 0,1 dB/km).
A gyakorlati következtetés az, hogy a közvetlen HCF -kapcsolatok a távolságokat hasonlóak lehetnek, mint az Single - Mode Fiber (SMF), anélkül, hogy ismétlődő erősítők lenne. Mivel a HCF elkerüli az üvegmagot, a fennmaradó veszteségei elsősorban a szivárgásból és a felszíni szórásból származnak. Nevezetesen, a Rayleigh szórás elhanyagolható a levegőben, lehetővé téve a veszteségek további csökkentését a jobb anti - rezonanciaszerkezetek révén. Az eredmény az, hogy a kút - által tervezett HCF riválissá teheti a hagyományos optikai rostot a csillapításban, legalább rövid és közepes távolságokon.
Késleltetés (terjedési késleltetés)
Mivel a HCF fényt hajt végre a levegőben, annak tényleges törésmutatója közel 1 (összehasonlítva az üvegben körülbelül 1,47 -hez). Ez azt jelenti, hogy a fény jelentősen gyorsabban terjed a HCF -ben. Gyakorlati alkalmazásokban a HCF kb. 30–50% -kal csökkentheti a terjedési késleltetést. Például az egyetlen - módú szál (SMF) csoport késleltetése körülbelül 2,0 µs/km, míg a közzétett HCF -tervek csoport késleltetése körülbelül 1,54 µs/km. Más szavakkal, a HCF -kapcsolat késleltetése kb. 31% -kal csökken. A 2A - b ábra szemlélteti ezt a gyorsulási hatást. (MEGJEGYZÉS: Egyes források a sebességjavításokat körülbelül 47%-ra mutatják be, a specifikus törésmutató különbségétől függően.)
2. ábra:A Hollow - magszál sebességének előnye- A Hollow - mag HCF (jobbra) magban a fényimpulzusok körülbelül 50% -kal gyorsabban terjednek, mint az üvegben - Core SMF (balra). Ez kb. 30–50% -kal csökkenti a csoport késleltetését (késés) egységenként. Az ábra azt mutatja, hogy egy HCF -kapcsolat ugyanazokat az adatokat továbbítja körülbelül két - SMF -link idején. A valós - világ alkalmazásaiban a 10 km -es HCF -link kb. 15 µs (5 ns/m) terjedési késleltetése, míg az SMF link kb. 20 µs terjedési késleltetése - -}}} végső latencia -megtakarítást eredményez kb. 5 µs. Az OFS -mérések megerősítik, hogy a HCF késés körülbelül 1,54 µs/km, míg az SMF késés körülbelül 2,24 µs/km (kb. 31%-os csökkenés). Ez a késleltetési csökkentés kritikus az AI/HPC adatcsere és a magas - frekvencia -kereskedelem szempontjából. Valójában az ipari tesztek következetesen körülbelül 30%-os késleltetési javulást jelentenek. (Egy nemrégiben készült madridi kísérletben egy 1,386 km -es HCF -kapcsolat csökkentette a kerek - utazási késleltetést 4,287 µs -val az SMF -hez képest.) Összegzés:
Latencia -referenciaérték: SMF ≈2.0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, ami kb. 30–35%-os késleltetési csökkenést jelent.
Ez a "fénysebesség" előnye lehetővé teszi az adatközpontok eloszlását nagyobb távolságokon egy adott késleltetési költségvetésen belül. Hasonlóképpen, egyetlen adatközpontban vagy campuson belül a HCF -kapcsolatok jelentősen csökkenthetik a komló késleltetését, elősegítve a - mikrosekundum end - - - endési követelményekhez az elosztott AI vonatok végső követelményeit.
Diszperzió és nemlineáris hatások
A HCF -ek rendkívül alacsony diszperziót örökölnek. Mivel a legtöbb fény levegőben él, az anyag diszperziója (a- hullámhossz az üveg törésmutatójának függő variációja) elhanyagolható. Egy gondosan megtervezett anti - rezonáns HCF a - nulla diszperzió közelében mutat ki alacsony - veszteségsávban. Ez ténylegesen minimalizálja az impulzus kibővítését, javítva a sávszélességet - távolságterméket. Hasonlóképpen, a polarizációs mód diszperziója (PMD) a HCFS -ben minimális, és a környezeti tényezők (hőmérséklet és stressz) hatása minimális. Összehasonlításképpen: az SMF -ek körülbelül 17 ps/(nm · km) diszperziót mutatnak 1550 nm -en (nagyobb variációval a C/L sávban), és a PMD magas - end optikai szálakban körülbelül 0,05–0,2 ps/√km.
A HCF -kben a nemlineáris hatások (például a KERR nemlinearitás, az SPM/XPM és a négy - hullámkeverés) több nagyságrendűek. A levegőben lévő üzemmódok több mint 99,99% -ával a tényleges nemlineáris együttható körülbelül 100–1000 -szer kisebb, mint a szilícium -dioxidban az ekvivalens nemlineáris együttható. Ez azt jelenti, hogy a HCF képes támogatni a magasabb optikai teljesítményt, mielőtt a nemlineáris torzulás megtörténik, potenciálisan javítva a csatornánkénti spektrális hatékonyságot vagy a modulációs formátumok egyszerűsítését. Amint egyes támogatók rámutatnak, javíthatja a biztonságot is (megkönnyítheti a roston keresztüli hallgatást vagy a szálak befecskendezését).
Összességében a HCF jelentősen csökkenti a sávszélesség korlátozásait és a diszperzióval kapcsolatos nemlineáris korlátokat. Az adatközpontok szélesebb hullámhosszon (a standard C - sávon túl) felhasználhatják a magas - kapacitás -kapcsolatok elérését anélkül, hogy diszperziós kompenzáció lenne. Számos HCF -formatervezés széles "Első Antiresonance ablakot" tartalmaz, amely az 1,5–1,6 um sáv nagy részét lefedi lapos veszteséggel, míg a második ablak kiterjedhet az L- sávba, és még a látható sávba is alacsonyabb veszteséggel. Összességében a HCF sávszélességi potenciálja legalább összehasonlítható, és potenciálisan még nagyobb, mint az SMF -hez, különösen akkor, ha figyelembe vesszük a multiband működést és a nagy átviteli képességeket.
Sávszélesség és kapacitás
A HCF nagy sebessége és alacsony nemlinearitása kivételes kapacitást eredményez. Metaforikusan a HCF olyan, mint egy gyorsabb optikai szál, szélesebb sávokkal: gyorsabb sebességgel képes több "autót" (bit) hordozni. A 3. ábra (jobbra) ezt szemlélteti: A HCF "Super Truck" több adatot képes nagyobb sebességgel hordozni, mint egy SMF "autó". A gyakorlatban a HCF rendkívül magas aggregált adatsebességet mutatott be a laboratóriumi kísérletekben. Például a kísérletek 800 GB/s és 1,2 TB/s csatorna sebességét értek el AntiresOnant HCF alkalmazásával, amely koherens hullámhosszú multiplexelést (WDM) alkalmaz. A valós - világhálózatokban a HCF 6 x 100 GB/s csatornát és hasonló multi - hullámhossz -hasznos teherbírókat támogatott egyetlen roston.
3. ábra:Adatok átviteli analógiája. HCFÖssze lehet hasonlítani egy gyorsabb, magas - kapacitású "teherautóval", míg az SMF -et "autóhoz" hasonlítják. Ez tükrözi a HCF nagy sávszélességének (több hullámhossz/mód, alacsonyabb torzítás) és a nagyobb terjedési sebesség kombinációját. Az SMF -től (balra) ellentétben a HCF elkerüli az üveg nemlinearitását, és szélesebb spektrális ablakot használhat, lehetővé téve az adatsebességeket, amelyek meghaladják a terabitákat/másodpercet egyetlen roston.
A HCF kapacitásának legfontosabb pontjai:
● Hullámhossz -tartomány:A HCF -et nem korlátozza a szilícium -dioxid "vízcsúcsok" és az SMF UV abszorpciója. Az új HCF minták jól működnek ~ 1200 nm -től ~ 1700 nm -ig, és még a speciális típusok számára is láthatóak.
● WDM csatornák:A korai tesztek azt mutatják, hogy a HCF tucatnyi WDM csatornát (C+L sávot) szállít, minimális nemlineáris áthallással.
● Modulációs formátumok:Mivel a nemlinearitás alacsony, a HCF könnyebben képes magas - rendelési modulációt (pl.
● Bit - sebesség:Koherens detektálással a HCF -nek ugyanezt kell támogatnia a PER - csatorna bit - sebességet SMF -ként (100 GB/s+ hullámhosszonként); A korai vizsgálatok 100–600 GB/s hullámhosszon sikeresek voltak.
Összefoglalva: a HCF kínállegalábbUgyanaz a potenciális sávszélesség, mint az SMF, és a multi - csatorna linkeken gyakran meghaladhatja azt a magasabb indító teljesítmény és az alsó áthárítás révén. Az egyetlen figyelmeztetés az, hogy sok HCF -típusnak véges alacsony - veszteségablak van, tehát a teljes szálas C+L+U sávhasználat többszálas típushoz vagy optimalizált diszperzióhoz lehet szükség - tervezett tervek.
Gyártás és gyakorlati kihívások
Míg a HCF fizikája ígéretes, számos mérnöki kihívás továbbra is fennáll:
● Komplex előformák:A HCF előformák (az üvegrúdszerkezetek) bonyolultak. Szükségük van több vékony kapilláris cső egymásra rakására, ami magas - precíziós gyártást igényel és vezérlésre van szüksége. Ennek eredményeként az aktuális HCF korlátozott mennyiségben készül. A gyártás több tízezer km -es DC -rost -linkekhez történő méretezését több fejlesztés és új gyártósor veszi igénybe.
● Splicing és csatlakozók:A HCF nem tud közvetlenül párosulni a standard szálas csatlakozókkal. Tehát a végződések rövid hagyományos SMF pigtaileket használnak. A gyakorlatban az ipar a HCF fúziós splicingjét használja az SMF -tartókba az LC/SC csatlakozókban. A bejelentett illesztési veszteségek ~ 0,5 dB (optimalizált) és ~ 2,5 dB -ig terjednek. Bármely csatlakozó/pigtail hozzáadja ~ 0,5 dB -t. Ezek az extra veszteségek (linkenként) szignifikánsak, összehasonlítva az adó -vevő költségvetésével egy DC -ben. Alacsony - veszteség HCF -illesztések és az új alacsony - költségcsatlakozó -megoldások aktív K + F területek.
● Hajlási és csomagolási érzékenység:A HCF (különösen a nagy - Core Designs) érzékenyebb a hajlításra és a mikro - hajlításra, mint az SMF. A Bends bevezeti a veszteséget, és konvertálhatja az üzemmódokat. Ennek enyhítéséhez a HCF kábelek laza - csövet vagy szalagszerkezetet használnak, nagy hajlítású sugarakkal. Különös figyelmet kell fordítani a feszültség megakadályozására a telepítés során. A laboratóriumi tesztek során a merev orsókon lévő HCF elfogadható viselkedést mutatott, de a valódi kábelezés (minimális zavarokkal) valóban növelheti a magasabb - rendezési mód interferenciáját, kivéve, ha üzemmódos szűrőkkel tervezték. Az OFS és mások hozzáadtak a "shunt" struktúrákat, hogy szándékosan kiemeljék a magasabb - rendelési módokat és elnyomják a modális diszperziót.
● Összelállapítás és rostvesztés:A rekord alacsony veszteségeket (≪0,2 dB/km) a "csupasz" HCF szálakon mértük. A kábelezés, a splicing és a környezeti tényezők (szennyeződés, páratartalom) általában növelik a veszteséget. Például az OFS beszámolt arról, hogy a kábelezés HCF -jük ~ 0,1–0,7 dB/km veszteséget adott a C - sávban. Így a valós - világ telepített vesztesége ~ 0,3–0,5 dB/km lehet, amíg a folyamatok meg nem érik.
● Költség és elérhetőség:A HCF jelenleg árprémiumot hordoz, amint azt az iparági szakértők megjegyezték. A korai telepítések (pl. BT/lumenisity a londoni tőzsdén), a niche -használat - olyan esetek, amikor a költségek indokoltak. A DC összekapcsolásokban való mainstreamsé váláshoz a termelési volumennek skálázniuk kell, és az anyagköltségek csökkennek. Számos új vállalkozás (relativitáshálózatok, lumenisitás, silenfiber stb.) Készítik ki a HCF -termelést a kockázatitőke -finanszírozással és akvizíciókkal.
Összefoglalva:Gyakorlati HCF linkekMa gondos kezelést igényelhet: fúziós összeillesztett csatlakozók, nagy laza hurkok és speciális kábelek. Az iparág aktívan fejleszti a szabványokat és a bevált gyakorlatokat. Például az OFS AccuCore ™ kábeleket most a HCF -hez kínálják standard formájú tényezőkkel. Mindazonáltal minden HCF -kapcsolat továbbra is nagyjából 0,5–3 dB extra veszteséget jelent a kábelezés/illesztéshez, korlátozva az elérést és az energiatöltést.
Kísérletek és prototípusok az adatközponti beállításokban
A HCF már költözik a laboratóriumból a valódi hálózatokba. A közelmúltbeli terepi kísérletek és a pilóta telepítése ígéretes eredményeket mutat:
● DC - to - DC linkek:2024 februárjában a spanyol Lyntia üzemeltető a Nokia, az OFS|Furukawa és a Digital Realty együttes volt, hogy egy üreges - magkábelt telepítsen egy pop és egy madridi adatközpont között. Egy 1,386 km -es HCF linken keresztül kerek - utazási késés csökkentését érte el287 µs (>30%) az SMF -hez képest, miközben 600 GB/s -ot hordoz egyetlen hullámhosszon. Ez a valós - világteszt koherens transzpondereket használt 100 GB/s/λ -nél. A vizsgálat megerősítette, hogy a HCF a meglévő infrastruktúrába (OFS AccUCORE® Cable) standard koherens felszereléssel illeszthető be, kinyitva az ajtót a DC összekapcsolásokhoz.
● Rövid - A linkek elérése:Az OFS Labs 3,1 km -es HCF -kapcsolatot mutatott be, amely 10 GB/s DWDM forgalmat (10 hullámhossz) hordoz a kereskedési hálózatokhoz. Ez volt az első CALLE HCF sebességváltó, amely bit - hibát mutatott be - ingyenes 10 GB/s -os szál+kábel felett, 31% -os latencia -csökkentéssel. Hasonlóképpen, a Nokia/Bell laboratóriumok 800–1200 GB/s aggregátumban (8 × 100 GB/s) tesztelték a HCF -t a laboratóriumi beállításokban.
● Pénzügyi és kereskedési hálózatok:A HCF késleltetési megtakarításai magas - frekvenciakereskedést (HFT) vonzottak a - esetek. 2021 -ben a Lumenisity (ma a Nokia része) és az Eunetworks a Hollow - alapvető linkeket telepített a londoni tőzsde összekapcsolásához. Az utolsó - mérföldre a kereskedési helyszíneken HCF használatával a mikrosekundum -késleltetések csökkennek. Az ilyen telepítések jelölik a HCF első kereskedelmi felhasználását. (A BT és mások a HCF -et is kísérletezték a mobil backhaul és a biztonságos hálózatok számára, bár ezek a DC -k kívül vannak.)
● AI/HPC adatcserék:Noha a nyilvános adatok korlátozottak, a fő felhőszolgáltatók a HCF -et vizsgálják. A Microsoft Azure egy csapatot hozott létre (korábban lumenisity) az adatközpontok közötti HCF kapcsolatok prototípusához. A relativitáshálózatok (az USA indítása - up) kifejezetten az AI Datacenter szövetekhez fejleszti a HCF -t. Ezeknek az erőfeszítéseknek a célja, hogy kihasználják a HCF sebességét, hogy enyhítsék a késés szűk keresztmetszeteit az elosztott AI képzésben. Bár ezek a kezdeményezések még mindig koraiak, hangsúlyozzák a technológia potenciálját a hiperskál és a HPC környezetben.
Mindezen vizsgálatokban,Az előadások teljesítettek az elvárásoknak: szignifikáns késleltetési csepp (általában ~ 30%) és multi - száz - GBPS kapacitások rövid linkeken. Ezen kísérletek egyike azonban még nem terjeszti ki a HCF -t több száz km -t - ez továbbra is a jövőbeli munka. Jelenleg a HCF a legmegfelelőbb a metró - skála vagy intra - adatközpontú linkekhez (akár ~ 10–20 km -ig), ahol előnyei ragyognak anélkül, hogy aktív ismétlőkre lenne szükség.
Outlook: AI/HPC és jövőbeli adatközpontú hálózatok
Az AI és az Ultra - gyors HPC felé történő nyomása növeli az ultra - alacsony - késés iránti igényt, ultra - magas - sávszélesség -linkek. A HCF egyedülálló helyzetben van ezen igények kielégítésére. A link késleltetésének csökkentésével ~ 30% / km, a HCF lehetővé teszi a DC operátorok számára nyújtott földrajzi lefedettséget: Az elemzések azt sugallják, hogy az adatközpontok 1,5 × távolabb helyezkedhetnek el ugyanabban a késleltetésben. Ez a "földrajzi rugalmasság" döntő jelentőségű lehet, mivel az AI klaszterek több helyet foglalnak el. Hasonlóképpen, egy adatközponton belül a HCF kivághatja az inter - állványt és az inter - pod késleltetést, nagy modelleket etetve minimális adatátviteli késleltetéssel.
A nyers sebességen túl a HCF alacsony nemlinearitása és széles spektrum -támogatása azt jelenti, hogy a jövőbeni adó -vevők még magasabbra tudják nyomni az adatsebességeket. A fejlett modulációval és a párhuzamos szálas sémákkal (pl. Multicore HCF) kombinálva a teljes átviteli sebesség nagymértékben meghaladhatja a mai SMF linkeket. A szolgáltatók elképzelik, hogy a HCF terabit - - szálonkénti forgalmat hordoz a következő évtizedben, megfelel az AI chipek exascale I/O igényeinek.
Az ipar figyelmezteti. A fő Cloud/HPC játékosok (Microsoft, Google, META) finanszírozták a HCF K + F -t vagy az akvizíciókat, valamint az induló vállalkozásokat (relativitás, lumenisitás) milliókat biztosítanak a vállalkozás és a kormány támogatásában. A szabványos testületek és a konzorciumok kezdték bevonni a HCF -t a jövőbeli hálózati tervekbe. Noha sok bizonytalanság továbbra is fennáll (költség, megbízhatóság, integráció), a tendencia egyértelmű: a HCF pályán van, hogy a következő - generációs alacsony - latencia, magas - kapacitás -adatközpontok kulcsfontosságú építőeleme legyen.
Következtetéssel, Hollow - A magszál az - center optika adatának kényszerítő fejlődését képviseli. Az üveg cseréjével levegve csökkenti a veszteségeket és a késleltetést, miközben bővíti a sávszélességet és a linearitást. A korai vizsgálatok bizonyítják életképességét, és a folyamatban lévő fejlemények gyorsan legyőzik a gyakorlati akadályokat. Az AI és a HPC telepítések esetén, amelyek "fényt igényelnek - sebesség" hálózatépítésre, a HCF páratlan utat kínál - feltéve, hogy a fennmaradó mérnöki és költség -kihívások megoldhatók.
