Волокно с полым-сердечником (HCF) заменяет стеклянную сердцевину традиционного-одномодового волокна (SMF) с центром,-заполненным воздухом. По сути, HCF представляет собой микроструктурированную стеклянную «оболочку», окружающую центральный воздушный канал. Свет направляется не за счет полного внутреннего отражения в стекле, а за счет фотонной запрещенной зоны или антирезонансного эффекта в оболочке. На рисунке 1 показана распространенная антирезонансная конструкция «ротатора»: центральный воздушный сердечник, окруженный кольцом из тонких кварцевых трубок. Это позволяет более 99% света оставаться в воздухе, что значительно снижает взаимодействие со стеклом. Напротив, SMF состоит из твердого ядра кремнезема, легированного германием- (диаметром примерно 9 мкм) внутри стеклянной оболочки с низким -показателем преломления-стекла. Поскольку ядро HCF имеет гораздо более низкий показатель преломления (n≈1), чем оболочка, для ограничения света требуется специальная структура оболочки.
Рисунок 1. Конструкция волокна с полой-сердцевиной. (а) Схема трубчатого антирезонансного волокна с полым -сердечником (HCF): Свет удерживается в центральной воздушной сердцевине, окруженной вложенными друг в друга тонкими стеклянными капиллярами. (б) Традиционное одномодовое волокно- использует твердую стеклянную сердцевину. Геометрия сердцевины и оболочки HCF (например, сотовых стеклянных колец) заставляет свет отражаться обратно в воздушный канал либо за счет фотонного эффекта запрещенной зоны, либо за счет антирезонансного эффекта.
Затухание (потеря)
Традиционное одномодовое волокно (SMF) имеет очень низкие потери в диапазоне C- (приблизительно 0,2 дБ/км). Например, волокно Corning SMF-28 ULL имеет потери менее 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм. Реальное-высокое-качество SMF имеет диапазон потерь 0,16–0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм. Для сравнения, ранние прототипы HCF демонстрировали потери в диапазоне 1–10 дБ/км. Благодаря технологическим достижениям (вложенные антирезонансные конструкции, «вращающиеся» HCF и т. д.) потери HCF значительно снизились: примерно с 1,3 дБ/км в 2018 году до примерно 0,65 дБ/км в 2019 году, а затем примерно до 0,28 дБ/км в 2020 году. Современные конструкции приближаются к уровням SMF: недавние демонстрации показали потери HCF ниже 0,2 дБ/км, и лабораторные прототипы достигли примерно 0,11 дБ/км. В каналах центров обработки данных ближнего радиуса действия (десятки километров) приемлемы даже 0,2–0,3 дБ/км, поэтому HCF близок к практическому паритету потерь.
Эталоны затухания:SMF (1550 нм) ≈0,16–0,2 дБ/км; HCF (в настоящее время) ≲0,2–0,3 дБ/км (цель ~0,1 дБ/км).
Практический смысл заключается в том, что прямые линии HCF могут охватывать расстояния, аналогичные расстояниям по одномодовому оптоволоконному кабелю (SMF), без необходимости использования повторителей-усилителей. Поскольку HCF избегает стеклянной сердцевины, его оставшиеся потери в основном происходят из-за утечек и поверхностного рассеяния. Примечательно, что рэлеевское рассеяние в воздухе незначительно, что позволяет дополнительно снизить потери за счет улучшенных анти-резонансных структур. В результате хорошо-сконструированный HCF может конкурировать с обычным оптическим волокном по затуханию, по крайней мере, на коротких и средних расстояниях.
Задержка (задержка распространения)
Поскольку HCF проводит свет в воздухе, его эффективный показатель преломления близок к 1 (по сравнению с примерно 1,47 в стекле). Это означает, что свет в HCF распространяется значительно быстрее. В практических приложениях HCF может уменьшить задержку распространения примерно на 30–50%. Например, групповая задержка одномодового волокна (SMF) составляет примерно 2,0 мкс/км, тогда как опубликованные конструкции HCF имеют групповую задержку примерно 1,54 мкс/км. Другими словами, задержка канала HCF снижается примерно на 31% на километр. Рисунки 2a-b иллюстрируют этот эффект ускорения. (Примечание: некоторые источники сообщают об увеличении скорости примерно на 47%, в зависимости от конкретной разницы показателей преломления.)
Рисунок 2:Преимущество в скорости полого-волокна с сердцевиной. В HCF с полым-сердечником (справа) световые импульсы распространяются примерно на 50 % быстрее, чем в SMF со стеклянным-сердечником (слева). Это уменьшает групповую задержку (задержку) на единицу длины примерно на 30–50%. На рисунке показано, что канал HCF передает те же данные примерно за две-трети времени, по сравнению с каналом SMF. В реальных приложениях-линия HCF длиной 10 км имеет задержку распространения примерно 15 мкс (5 нс/м), а линия SMF имеет задержку распространения примерно 20 мкс, что приводит к экономии меж--задержки примерно на 5 мкс. Измерения OFS подтверждают, что задержка HCF составляет примерно 1,54 мкс/км, тогда как задержка SMF составляет примерно 2,24 мкс/км (снижение примерно на 31%). Такое сокращение задержки имеет решающее значение для обмена данными AI/HPC и высокочастотной-торговли. Фактически, отраслевые тесты постоянно сообщают об уменьшении задержки примерно на 30%. (В ходе недавнего испытания в Мадриде линия HCF длиной 1,386 км снизила задержку в обоих направлениях на 4,287 мкс по сравнению с SMF.) Резюме:
Контрольная задержка: SMF ≈2,0 мкс/км; HCF ≈1,5–1,6 мкс/км, что означает сокращение задержки примерно на 30–35%.
Это преимущество «скорости света» позволяет распределять центры обработки данных на большие расстояния в рамках заданного бюджета задержки. Аналогичным образом, в пределах одного центра обработки данных или кампуса каналы HCF могут значительно сократить задержку перехода, помогая удовлетворить требования к задержке между-микросекундами от конца-до-конца распределенных поездов искусственного интеллекта.
Дисперсия и нелинейные эффекты
HCF наследуют чрезвычайно низкую дисперсию. Поскольку большая часть света находится в воздухе, дисперсия материала (изменение показателя преломления стекла в зависимости от длины волны-) незначительна. Тщательно разработанный анти-резонансный HCF демонстрирует почти-нулевую дисперсию в диапазоне низких-потерь. Это эффективно минимизирует расширение импульса, улучшая произведение полосы пропускания-на расстояние. Аналогичным образом, поляризационная модовая дисперсия (PMD) в HCF минимальна, а влияние факторов окружающей среды (температуры и стресса) минимально. Для сравнения, SMF демонстрируют дисперсию примерно 17 пс/(нм·км) на длине волны 1550 нм (с большим изменением в диапазоне C/L), а PMD в оптических волокнах высокого класса - составляет примерно 0,05–0,2 пс/√км.
В HCF нелинейные эффекты (такие как нелинейность Керра, СЗМ/XPM и четырехволновое смешение) на несколько порядков слабее. При более чем 99,99% мод в воздухе эффективный коэффициент нелинейности примерно в 100–1000 раз меньше, чем эквивалентный коэффициент нелинейности в кремнеземе. Это означает, что HCF может поддерживать более высокие оптические мощности до возникновения нелинейных искажений, потенциально улучшая спектральную эффективность на канал или упрощая форматы модуляции. Как отмечают некоторые сторонники, это также может повысить безопасность (облегчает подслушивание или внедрение волокон через волокно).
В целом, HCF значительно снижает ограничения полосы пропускания и нелинейные ограничения, связанные с дисперсией. Центры обработки данных могут использовать более широкие длины волн (за пределами стандартного диапазона C-) для создания каналов связи с высокой-пропускной способностью без необходимости компенсации дисперсии. Многие конструкции HCF имеют широкое «первое антирезонансное окно», охватывающее большую часть диапазона от 1,5 до 1,6 мкм с плоскими потерями, тогда как второе окно может простираться до диапазона L- и даже видимого диапазона с меньшими потерями. В целом, потенциал полосы пропускания HCF, по крайней мере, сопоставим, а потенциально даже выше, чем у SMF, особенно с учетом многодиапазонной работы и высоких мощностей передачи.
Пропускная способность и емкость
Высокая скорость и низкая нелинейность HCF придают ему исключительную производительность. Образно говоря, HCF похож на более быстрое оптоволокно с более широкими полосами: оно может передавать больше «машин» (битов) на более высокой скорости. Рисунок 3 (справа) иллюстрирует это: «супергрузовик» HCF может переносить больше данных с более высокой скоростью, чем «автомобиль» SMF. На практике HCF продемонстрировал чрезвычайно высокую совокупную скорость передачи данных в лабораторных экспериментах. Например, в ходе экспериментов были достигнуты скорости каналов 800 Гбит/с и 1,2 Тбит/с с использованием антирезонансного HCF, использующего когерентное мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). В реальных сетях-HCF поддерживает 6 каналов по 100 Гбит/с и аналогичную многоволновую полезную нагрузку по одному волокну.
Рисунок 3:Аналогия с пропускной способностью данных. ХКФможно сравнить с более быстрым и вместительным-грузовиком, а SMF — с автомобилем. Это отражает сочетание широкой полосы пропускания HCF (больше длин волн/мод, меньше искажений) и более высокой скорости распространения. В отличие от SMF (слева), HCF позволяет избежать стеклянных нелинейностей и может использовать более широкое спектральное окно, обеспечивая скорость передачи данных, превышающую терабиты в секунду по одному волокну.
Ключевые моменты по мощности ЛПУ:
● Диапазон длин волн:HCF не ограничивается «пиками воды» поглощения диоксида кремния и поглощением УФ-излучения SMF. Новые конструкции HCF хорошо работают в диапазоне от ~1200 до ~1700 нм и даже в видимом диапазоне для специализированных типов.
● Каналы WDM:Ранние тесты показали, что HCF передает десятки каналов WDM (диапазон C+L) с минимальными нелинейными перекрестными помехами.
● Форматы модуляции:Поскольку нелинейность низкая, HCF легче переносить модуляцию высокого-порядка (например,. 64QAM) с высокой мощностью на канал.
● Битовая-скорость:При когерентном обнаружении HCF должен поддерживать ту же -скорость передачи битов на канал-, что и SMF (более 100 Гбит/с на длину волны); первые испытания на длинах волн 100–600 Гбит/с увенчались успехом.
Таким образом, HCF предлагаетпо меньшей мерета же потенциальная пропускная способность, что и у SMF, а в многоканальных каналах-часто может превышать ее за счет более высокой мощности запуска и меньших перекрестных помех. Единственное предостережение заключается в том, что многие типы HCF имеют ограниченное окно с низкими-потерями, поэтому для использования полного диапазона волокон C+L+U может потребоваться несколько типов волокон или конструкции с оптимизированной дисперсией-.
Изготовление и практические задачи
Хотя физика HCF выглядит многообещающе, остается несколько инженерных проблем:
● Сложные преформы:Преформы HCF (структуры из стеклянных стержней) имеют сложную конструкцию. Они требуют укладки нескольких тонких капиллярных трубок, что требует высокой-точности изготовления и контроля вытяжки. В результате текущий ЛПУ производится в ограниченном объеме. Масштабирование производства до десятков тысяч километров оптоволоконных линий постоянного тока потребует дополнительных разработок и новых производственных линий.
● Сращивание и соединители:HCF не может напрямую сопрягаться со стандартными оптоволоконными разъемами. Поэтому для заделки используются короткие обычные пигтейлы SMF. На практике в промышленности используется сварка HCF с держателями SMF в разъемах LC/SC. Зарегистрированные потери на сварном соединении варьируются от ~0,5 дБ (оптимизировано) до ~2,5 дБ. Любой разъем/пигтейл добавляет ~0,5 дБ. Эти дополнительные потери (на канал) значительны по сравнению с бюджетом приемопередатчика в ЦОД. Соединения HCF с низкими-потерями и новые недорогие-разъемы являются активными областями исследований и разработок.
● Чувствительность к изгибу и упаковке:HCF (особенно конструкции с большими-сердечниками) более чувствителен к изгибам и микро-изгибам, чем SMF. Изгибы вносят потери и могут преобразовывать режимы. Чтобы избежать этого, в кабелях HCF используются свободные-трубчатые или ленточные конструкции с большими радиусами изгиба. Особое внимание необходимо для предотвращения деформации во время установки. В лабораторных испытаниях HCF на жестких катушках показал приемлемое поведение, но реальная кабельная система (с минимальными помехами) может фактически увеличивать модовые помехи более-порядка, если в ней не предусмотрены модовые фильтры. OFS и другие компании добавили «шунтирующие» структуры, чтобы намеренно исключить моды более высокого-порядка и подавить модальную дисперсию.
● Сращивание и потери волокна:Рекордно низкие потери (≪0,2 дБ/км) были измерены на «голых» нитях HCF. Кабели, соединения и факторы окружающей среды (загрязнение, влажность) обычно увеличивают потери. Например, представители OFS сообщили, что прокладка кабеля в их HCF добавила потери ~0,1–0,7 дБ/км в диапазоне C-. Таким образом, реальные-потери при развертывании могут составлять ~0,3–0,5 дБ/км, пока процессы не станут более совершенными.
● Стоимость и доступность:Как отмечают эксперты отрасли, HCF в настоящее время имеет ценовую надбавку. Раннее развертывание (например, BT/Lumenisity для Лондонской фондовой биржи) — это нишевые случаи использования,-где затраты оправданы. Чтобы стать основным направлением межсоединений постоянного тока, объемы производства должны масштабироваться, а затраты на материалы снижаться. Несколько новых предприятий (Relativity Networks, Lumenisity, SilenFiber и т. д.) развивают производство HCF за счет венчурного финансирования и приобретений.
В итоге,практические ссылки на ЛПУСегодня может потребоваться осторожное обращение: разъемы, сращенные плавлением, большие провисающие петли и специальные кабели. В отрасли активно разрабатываются стандарты и лучшие практики. Например, кабели OFS AccuCore™ теперь предлагаются для HCF со стандартными форм-факторами. Тем не менее, каждая линия HCF по-прежнему несет дополнительные потери примерно на 0,5–3 дБ для кабелей/сращиваний, что ограничивает радиус действия и требует планирования мощности.
Пробные версии и прототипы в настройках центра обработки данных
HCF уже выходит из лаборатории в реальные сети. Недавние полевые испытания и пилотные внедрения показывают многообещающие результаты:
● Каналы постоянного тока-к-DC:В феврале 2024 года испанский оператор Lyntia совместно с Nokia, OFS|Furukawa и Digital Realty проложили полый-кабель между точкой доступа и центром обработки данных в Мадриде. На линии HCF длиной 1,386 км они добились сокращения-задержки при передаче туда и обратно на287 µs (>30%) по сравнению с SMF при скорости передачи 600 Гбит/с на одной длине волны. В этом реальном-испытании использовались когерентные транспондеры со скоростью 100 Гбит/с на λ. Испытания подтвердили, что HCF можно подключить к существующей инфраструктуре (кабель OFS AccuCore®) со стандартным когерентным оборудованием, открывая возможности для межсоединений постоянного тока.
● Короткие-ссылки для охвата:Компания OFS Labs продемонстрировала линию HCF длиной 3,1 км, передающую трафик DWDM 10 Гбит/с (10 длин волн) для торговых сетей. Это была первая кабельная передача HCF, показавшая скорость -без ошибок-10 Гбит/с по оптоволоконному кабелю и сокращение задержки на 31 %. Аналогичным образом, лаборатории Nokia/Bell Labs протестировали HCF на совокупной скорости 800–1200 Гбит/с (8×100 Гбит/с) в лабораторных условиях.
● Финансовые и торговые сети:Экономия времени на задержку благодаря HCF привлекает случаи-высокочастотного трейдинга (HFT)-. В 2021 году Lumenisity (теперь часть Nokia) и euNetworks развернули пустые-основные каналы связи для соединения Лондонской фондовой биржи. Использование HCF на последней-миле до торговых площадок позволяет сократить микросекундные задержки. Такое внедрение знаменует собой одно из первых коммерческих применений HCF. (BT и другие компании также опробовали HCF для мобильной транспортной связи и защищенных сетей, хотя они находятся за пределами ЦОД.)
● Обмен данными AI/HPC:Хотя общедоступные данные ограничены, крупные поставщики облачных услуг исследуют HCF. Microsoft Azure сформировала команду (ранее Lumenisity) для создания прототипов каналов HCF между центрами обработки данных. Relativity Networks (стартап из США-) разрабатывает HCF специально для фабрик центров обработки данных с искусственным интеллектом. Эти усилия направлены на использование скорости HCF для устранения узких мест, связанных с задержкой в распределенном обучении ИИ. Хотя эти инициативы еще рано, они подчеркивают потенциал технологии в гипермасштабных средах и средах высокопроизводительных вычислений.
Во всех этих испытанияхвыступления оправдали ожидания: значительное снижение задержки (обычно около 30 %) и пропускная способность в несколько-сот-Гбит/с на коротких каналах. Однако ни одно из этих испытаний еще не расширило HCF на сотни километров – это еще предстоит сделать. На данный момент HCF лучше всего подходит для городских-каналов или внутри-каналов обработки данных (до ~10–20 км), где его преимущества проявляются без необходимости использования активных ретрансляторов.
Перспективы: ИИ/HPC и будущие сети центров обработки данных
Стремление к искусственному интеллекту и сверх{0}}быстрым высокопроизводительным вычислениям приводит к повышению спроса на каналы со сверх-малой-задержкой и сверх-высокой-пропускной способностью. HCF имеет уникальные возможности для удовлетворения этих потребностей. Уменьшая задержку соединения примерно на 30% на километр, HCF позволяет операторам ЦОД расширять географическое покрытие: анализы показывают, что центры обработки данных могут быть расположены в 1,5 раза дальше друг от друга при той же задержке. Эта «географическая гибкость» может иметь решающее значение, поскольку кластеры ИИ охватывают несколько площадок. Аналогичным образом, в центре обработки данных HCF может сократить задержки между-стойками и-модульами, загружая большие модели с минимальной задержкой передачи данных.
Помимо чистой скорости, низкая нелинейность HCF и поддержка широкого спектра означают, что будущие трансиверы могут повысить скорость передачи данных еще выше. В сочетании с усовершенствованной модуляцией и схемами параллельного оптоволокна (например, многоядерным HCF) общая пропускная способность может значительно превосходить современные каналы SMF. Провайдеры предполагают, что в следующем десятилетии HCF будет передавать терабитный трафик-в-секунду на каждый канал, удовлетворяя эксамасштабные потребности ввода-вывода микросхем искусственного интеллекта.
Промышленность обращает на это внимание. Крупнейшие игроки в области облачных технологий и высокопроизводительных вычислений (Microsoft, Google, Meta) профинансировали исследования и разработки HCF или приобретения, а стартапы (Relativity, Lumenisity) получили миллионы венчурной и государственной поддержки. Органы по стандартизации и консорциумы начинают включать HCF в будущие сетевые планы. Несмотря на то, что остается много неопределенностей (стоимость, надежность, интеграция), тенденция очевидна: HCF находится на пути к тому, чтобы стать ключевым строительным блоком для сетей центров обработки данных следующего-поколения с низкой-задержкой и высокой-емкостью.
В заключениеВолокно с полым-сердечником представляет собой убедительное достижение в области оптики-центров обработки данных. Заменив стекло на воздух, мы сокращаем потери и задержки, одновременно расширяя полосу пропускания и линейность. Первые испытания доказывают его жизнеспособность, а текущие разработки быстро преодолевают практические препятствия. Для развертываний искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений, требующих «легкой-скоростной» сети, HCF предлагает беспрецедентный путь вперед — при условии, что оставшиеся проблемы проектирования и затрат могут быть решены.
