A fibra de núcleo-oco (HCF) substitui o núcleo de vidro de uma fibra-de modo único (SMF) tradicional por um centro-preenchido com ar. Em essência, um HCF é construído como uma “concha” de vidro microestruturado que envolve um canal de ar central. A luz é guiada não pela reflexão interna total no vidro, mas sim por um band gap fotônico ou efeito anti-ressonância no revestimento. A Figura 1 mostra um projeto de anti-ressonância de "rotador" comum: um núcleo de ar central cercado por um anel de tubo fino de quartzo. Isto permite que mais de 99% do modo de luz permaneça no ar, reduzindo significativamente a interação com o vidro. Em contraste, um SMF consiste em um núcleo sólido de sílica dopada com germânio-(aproximadamente 9 μm de diâmetro) dentro de um revestimento de vidro com baixo índice de-refração-. Como o núcleo HCF tem um índice de refração muito mais baixo (n≈1) do que o revestimento, é necessária uma estrutura de revestimento especializada para confinar a luz.
Figura 1: Projeto de fibra-de núcleo oco. (a) Esquema de uma fibra tubular de núcleo oco antirressonante (HCF): a luz é confinada em um núcleo de ar central cercado por finos capilares de vidro aninhados. (b) A fibra monomodo tradicional usa um núcleo de vidro sólido. A geometria do núcleo e do revestimento do HCF (por exemplo, anéis de vidro em forma de favo de mel) faz com que a luz seja refletida de volta para o canal de ar através do efeito bandgap fotônico ou do efeito anti-ressonância.
Atenuação (perda)
A fibra-de modo único (SMF) tradicional tem perda muito baixa na banda-C (aproximadamente 0,2 dB/km). Por exemplo, a fibra Corning SMF-28 ULL tem uma perda inferior a 0,16 dB/km em 1550 nm. O SMF-de alta-qualidade do mundo real tem uma faixa de perda de 0,16 a 0,2 dB/km em 1550 nm. Em comparação, os primeiros protótipos de HCF exibiram perdas na faixa de 1 a 10 dB/km. Graças aos avanços tecnológicos (projetos antirressonantes aninhados, HCFs "girados", etc.), as perdas de HCF diminuíram significativamente: de aproximadamente 1,3 dB/km em 2018 para aproximadamente 0,65 dB/km em 2019, e depois para aproximadamente 0,28 dB/km em 2020. Os projetos modernos estão se aproximando dos níveis de SMF: demonstrações recentes relataram perdas de HCF abaixo de 0,2 dB/km, e os protótipos de laboratório atingiram aproximadamente 0,11 dB/km. Em links de data centers de curto alcance (dezenas de quilômetros), até 0,2–0,3 dB/km é aceitável, portanto o HCF está próximo da paridade prática de perdas.
Referências de atenuação:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (atualmente) ≲0,2–0,3 dB/km (alvo ~0,1 dB/km).
A implicação prática é que os links HCF diretos podem abranger distâncias semelhantes às da fibra-monomodo (SMF) sem a necessidade de amplificadores repetidores. Como o HCF evita o núcleo de vidro, suas perdas restantes provêm principalmente de vazamentos e espalhamento superficial. Notavelmente, o espalhamento Rayleigh é insignificante no ar, permitindo maior redução de perdas por meio de estruturas anti{3}}de ressonância aprimoradas. O resultado é que o HCF bem-projetado pode rivalizar com a fibra óptica convencional em atenuação, pelo menos em distâncias curtas e médias.
Atraso (atraso de propagação)
Como o HCF conduz luz no ar, seu índice de refração efetivo é próximo de 1 (em comparação com aproximadamente 1,47 no vidro). Isto significa que a luz se propaga significativamente mais rápido no HCF. Em aplicações práticas, o HCF pode reduzir o atraso de propagação em aproximadamente 30% a 50%. Por exemplo, o atraso de grupo da fibra monomodo (SMF) é de aproximadamente 2,0 µs/km, enquanto os projetos de HCF publicados têm um atraso de grupo de aproximadamente 1,54 µs/km. Em outras palavras, a latência de um link HCF é reduzida em aproximadamente 31% por quilômetro. As Figuras 2a-b ilustram esse efeito de aceleração. (Observação: algumas fontes relatam melhorias de velocidade de até aproximadamente 47%, dependendo da diferença específica do índice de refração.)
Figura 2:A vantagem de velocidade da fibra-de núcleo oco. No HCF de núcleo-oco (à direita), os pulsos de luz se propagam aproximadamente 50% mais rápido do que no SMF de núcleo-de vidro (à esquerda). Isso reduz o atraso do grupo (latência) por unidade de comprimento em aproximadamente 30% a 50%. A figura mostra que um link HCF transmite os mesmos dados em aproximadamente dois{8}}terços do tempo de um link SMF. Em aplicações-do mundo real, um link HCF de 10 km tem um atraso de propagação de aproximadamente 15 µs (5 ns/m), enquanto um link SMF tem um atraso de propagação de aproximadamente 20 µs, resultando em uma economia de latência-a-de aproximadamente 5 µs. As medições OFS confirmam que o HCF tem uma latência de aproximadamente 1,54 µs/km, enquanto o SMF tem uma latência de aproximadamente 2,24 µs/km (uma redução de aproximadamente 31%). Essa redução de latência é fundamental para troca de dados de IA/HPC e negociação de alta-frequência. Na verdade, os testes da indústria relatam consistentemente melhorias de latência de aproximadamente 30%. (Em um teste recente em Madri, um link HCF de 1,386 km reduziu a latência de ida e volta em 4,287 µs em comparação ao SMF.) Resumo:
Referência de latência: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, representando uma redução de latência de aproximadamente 30–35%.
Essa vantagem da “velocidade da luz” permite que os data centers sejam distribuídos por distâncias maiores dentro de um determinado orçamento de latência. Da mesma forma, em um único data center ou campus, os links HCF podem reduzir significativamente a latência do salto, ajudando a atender aos requisitos de latência de sub-microssegundos-a{3}}final dos trens de IA distribuídos.
Dispersão e efeitos não lineares
Os HCFs herdam uma dispersão extremamente baixa. Como a maior parte da luz reside no ar, a dispersão do material (a variação-dependente do comprimento de onda do índice de refração do vidro) é insignificante. Um HCF anti{3}}ressonante cuidadosamente projetado exibe dispersão próxima de{4}}zero em sua banda de-baixa perda. Isso minimiza efetivamente o alargamento do pulso, melhorando o produto de largura de banda-distância. Da mesma forma, a dispersão do modo de polarização (PMD) em HCFs é mínima e os efeitos dos fatores ambientais (temperatura e estresse) são mínimos. Em comparação, os SMFs exibem dispersão de aproximadamente 17 ps/(nm·km) a 1550 nm (com maior variação na banda C/L), e o PMD em-fibras ópticas de ponta é de aproximadamente 0,05–0,2 ps/√km.
Em HCFs, os efeitos não lineares (como não linearidade de Kerr, SPM/XPM e mistura de quatro{0}}ondas) são várias ordens de magnitude mais fracos. Com mais de 99,99% dos modos no ar, o coeficiente não linear efetivo é aproximadamente 100 a 1000 vezes menor que o coeficiente não linear equivalente na sílica. Isso significa que o HCF pode suportar potências ópticas mais altas antes que ocorra distorção não linear, melhorando potencialmente a eficiência espectral por canal ou simplificando os formatos de modulação. Como alguns proponentes apontam, também pode melhorar a segurança (tornando mais fácil escutar ou injetar fibras através da fibra).
No geral, o HCF reduz significativamente as limitações de largura de banda e as restrições não lineares associadas à dispersão. Os data centers podem utilizar comprimentos de onda mais amplos (além da banda C-padrão) para obter links de alta-capacidade sem a necessidade de compensação de dispersão. Muitos projetos de HCF apresentam uma ampla "primeira janela anti-ressonância" cobrindo grande parte da banda de 1,5 a 1,6 µm com perda plana, enquanto a segunda janela pode se estender para a banda L- e até mesmo para a banda visível com menor perda. No geral, o potencial de largura de banda do HCF é pelo menos comparável e potencialmente ainda maior que o do SMF, especialmente quando se considera a operação multibanda e altas potências de transmissão.
Largura de banda e capacidade
A alta velocidade e a baixa não linearidade do HCF conferem-lhe uma capacidade excepcional. Metaforicamente, o HCF é como uma fibra óptica mais rápida com faixas mais largas: pode transportar mais “carros” (bits) a uma velocidade mais rápida. A Figura 3 (à direita) ilustra isso: um “super caminhão” HCF pode transportar mais dados a uma velocidade maior do que um “carro” SMF. Na prática, o HCF demonstrou taxas de dados agregados extremamente altas em experimentos de laboratório. Por exemplo, experimentos alcançaram taxas de canal de 800 Gb/s e 1,2 Tb/s usando HCF antirressonante empregando multiplexação por divisão de comprimento de onda coerente (WDM). Em redes-do mundo real, o HCF oferece suporte a canais de 6 x 100 Gb/s e cargas úteis semelhantes de vários-comprimentos de onda em uma única fibra.
Figura 3:Analogia de transferência de dados. HCFpode ser comparado a um "caminhão" mais rápido e{0}}de alta capacidade, enquanto o SMF é comparado a um "carro". Isso reflete a combinação da alta largura de banda do HCF (mais comprimentos de onda/modos, menor distorção) e maior velocidade de propagação. Ao contrário do SMF (esquerda), o HCF evita não-linearidades de vidro e pode utilizar uma janela espectral mais ampla, permitindo taxas de dados superiores a terabits/segundo em uma única fibra.
Pontos-chave sobre a capacidade do HCF:
● Faixa de comprimento de onda:O HCF não é limitado pelos "picos de água" de absorção de sílica e pelas absorções de UV do SMF. Novos designs de HCF funcionam bem de ~1200 nm a ~1700 nm, e até mesmo visíveis para tipos especializados.
● Canais WDM:Os primeiros testes mostram que o HCF transporta dezenas de canais WDM (banda C+L) com crosstalk não linear mínimo.
● Formatos de modulação:Como a não linearidade é baixa, o HCF pode transportar mais facilmente modulação de ordem-alta (por exemplo,. 64QAM) em alta potência por canal.
● Taxa-de bits:Com detecção coerente, o HCF deve suportar as mesmas taxas de-bits por canal-que o SMF (100 Gb/s+ por comprimento de onda); os primeiros testes em comprimentos de onda de 100–600 Gb/s foram bem-sucedidos.
Em resumo, o HCF oferecepelo menosa mesma largura de banda potencial que o SMF e, em links multi{0}}canais, muitas vezes pode excedê-la por meio de maior potência de lançamento e menor crosstalk. A única ressalva é que muitos tipos de HCF têm uma janela finita de baixa-perda, portanto, o uso da banda C+L+U de fibra completa pode exigir vários tipos de fibra ou projetos de engenharia-de dispersão otimizada.
Fabricação e desafios práticos
Embora a física do HCF seja promissora, vários desafios de engenharia permanecem:
● Pré-formas complexas:As pré-formas HCF (as estruturas de bastões de vidro) são complexas. Eles exigem o empilhamento de vários tubos capilares finos, o que exige fabricação de alta-precisão e controle de tração. Como resultado, o HCF atual é produzido em volume limitado. Aumentar a produção para dezenas de milhares de quilômetros de links de fibra CC exigirá mais desenvolvimento e novas linhas de produção.
● Emendas e Conectores:O HCF não pode combinar diretamente com conectores de fibra padrão. Portanto, as terminações usam tranças SMF convencionais curtas. Na prática, a indústria utiliza emenda por fusão de HCF para suportes SMF em conectores LC/SC. As perdas de emenda relatadas variam de ~0,5 dB (otimizado) a ~2,5 dB. Qualquer conector/pigtail adiciona ~0,5 dB. Essas perdas extras (por link) são significativas em comparação com o orçamento de um transceptor em um DC. Emendas HCF de baixa perda-e novas soluções{10}}de conectores de baixo custo são áreas ativas de pesquisa e desenvolvimento.
● Sensibilidade à curvatura e embalagem:O HCF (especialmente projetos de-núcleos grandes) é mais sensível a dobras e micro{1}}dobras do que o SMF. As curvas introduzem perdas e podem converter modos. Para mitigar isso, os cabos HCF usam tubos- soltos ou construção em fita com grandes raios de curvatura. É necessária atenção especial para evitar esforços durante a instalação. Em testes de laboratório, o HCF em bobinas rígidas mostrou um comportamento aceitável, mas o cabeamento real (com perturbação mínima) pode, na verdade, aumentar a interferência de modo de ordem-mais alta, a menos que seja projetado com filtros de modo. OFS e outros adicionaram estruturas de "shunt" para remover deliberadamente modos de{9}ordem superior e suprimir a dispersão modal.
● Emenda e perda de fibra:As baixas perdas recordes (≪0,2 dB/km) foram medidas em fios HCF "nus". Cabeamento, emendas e fatores ambientais (contaminação, umidade) normalmente aumentam as perdas. Por exemplo, o OFS relatou que o cabeamento de seu HCF adicionou perda de aproximadamente 0,1–0,7 dB/km na banda C-. Assim, a perda implantada-no mundo real pode ser de aproximadamente 0,3 a 0,5 dB/km até que os processos amadureçam.
● Custo e Disponibilidade:Atualmente, o HCF tem um preço premium, conforme observado por especialistas do setor. As implantações iniciais (por exemplo, BT/Lumenisity para a Bolsa de Valores de Londres) são casos de uso-de nicho onde o custo é justificado. Para se tornarem dominantes nas interconexões DC, os volumes de produção devem ser escalonados e os custos dos materiais devem cair. Vários novos empreendimentos (Relativity Networks, Lumenisity, SilenFiber, etc.) estão construindo a produção de HCF com financiamento e aquisições de capital de risco.
Resumindo,links práticos de HCFhoje podem exigir um manuseio cuidadoso: conectores emendados por fusão, grandes laços frouxos e cabos especializados. A indústria está desenvolvendo ativamente padrões e melhores práticas. Por exemplo, os cabos OFS AccuCore™ agora são oferecidos para HCF com formatos padrão. No entanto, cada link HCF ainda incorre em aproximadamente 0,5–3 dB de perda extra para cabeamento/emendas, limitando o alcance e necessitando de orçamento de energia.
Testes e protótipos nas configurações do datacenter
O HCF já está saindo do laboratório para redes reais. Testes de campo recentes e implantações piloto mostram resultados promissores:
● Links DC-para{1}}DC:Em fevereiro de 2024, a operadora espanhola Lyntia se uniu à Nokia, OFS|Furukawa e Digital Realty para implantar um cabo de núcleo-oco entre um POP e um data center de Madri. Em um link HCF de 1.386 km, eles alcançaram uma-redução de latência de ida e volta de287 µs (>30%) em comparação com SMF, enquanto transporta 600 Gb/s em um único comprimento de onda. Este teste-do mundo real usou transponders coerentes a 100 Gb/s por λ. O teste confirmou que o HCF pode ser conectado à infraestrutura existente (cabo OFS AccuCore®) com equipamento coerente padrão, abrindo a porta para interconexões CC.
● Links-de alcance curto:OFS Labs demonstrou um link HCF de 3,1 km transportando tráfego DWDM de 10 Gb/s (10 comprimentos de onda) para redes comerciais. Esta foi a primeira transmissão HCF por cabo, mostrando 10 Gb/s sem{4}}erros-bits por fibra+cabo com uma redução de latência de 31%. Da mesma forma, os Laboratórios Nokia/Bell testaram o HCF em agregados de 800–1200 Gb/s (8×100 Gb/s) em configurações de laboratório.
● Redes Financeiras e de Negociação:A economia de latência do HCF atraiu casos de uso de-negociação de alta frequência (HFT)-. Em 2021, a Lumenisity (agora parte da Nokia) e a euNetworks implantaram links de núcleo-oco para conectar a Bolsa de Valores de Londres. Ao usar o HCF na última{6}} milha até os locais de negociação, as latências de microssegundos são reduzidas. Essas implantações marcam alguns dos primeiros usos comerciais do HCF. (A BT e outros também testaram o HCF para backhaul móvel e redes seguras, embora estes estejam fora dos DCs.)
● Trocas de dados de IA/HPC:Embora os dados públicos sejam limitados, os principais provedores de nuvem estão investigando o HCF. O Microsoft Azure formou uma equipe (anteriormente Lumenisity) para criar protótipos de links HCF entre data centers. A Relativity Networks (uma start-up-dos EUA) está desenvolvendo HCF especificamente para estruturas de datacenter de IA. Esses esforços visam explorar a velocidade do HCF para aliviar gargalos de latência no treinamento distribuído de IA. Embora ainda sejam iniciais, estas iniciativas sublinham o potencial da tecnologia em ambientes de hiperescala e HPC.
Em todas essas provações,performances atenderam às expectativas: quedas significativas de latência (normalmente cerca de 30%) e capacidades de várias-centenas-Gbps em links curtos. No entanto, nenhum desses testes estendeu o HCF por centenas de quilômetros – isso continua sendo um trabalho futuro. Por enquanto, o HCF é mais adequado para links em escala metropolitana ou intra{6}}datacenter (até cerca de 10 a 20 km), onde seus benefícios brilham sem a necessidade de repetidores ativos.
Outlook: IA/HPC e futuras redes de datacenters
O impulso em direção à IA e à HPC ultra{0}}rápida está aumentando a demanda por links de largura de banda ultra-baixa-de latência ultra{3}}alta-. A HCF está numa posição única para responder a estas necessidades. Ao reduzir o atraso do link em aproximadamente 30% por km, o HCF permite que as operadoras de DC ampliem a cobertura geográfica: as análises sugerem que os data centers poderiam ser colocados 1,5 vezes mais distantes um do outro para a mesma latência. Esta “flexibilidade geográfica” pode ser crucial, uma vez que os clusters de IA abrangem vários locais. Da mesma forma, em um data center, o HCF pode reduzir as latências entre-racks e entre{12}}pods, alimentando modelos grandes com atraso mínimo na transferência de dados.
Além da velocidade bruta, a baixa não-linearidade e o suporte de amplo espectro do HCF significam que os transceptores futuros podem aumentar ainda mais as taxas de dados. Combinado com modulação avançada e esquemas de fibra paralela (por exemplo, HCF multicore), o rendimento geral poderia exceder em muito os links SMF atuais. Os provedores prevêem que o HCF transporte tráfego de terabits{4}}por{5}}segundo por vertente na próxima década, atendendo às necessidades de E/S em exaescala dos chips de IA.
A indústria está percebendo. Os principais players de nuvem/HPC (Microsoft, Google, Meta) financiaram P&D ou aquisições de HCF, e startups (Relativity, Lumenisity) garantiram milhões em capital de risco e apoio governamental. Os organismos de normalização e os consórcios estão a começar a incluir o HCF nos futuros planos de rede. Embora muitas incertezas permaneçam (custo, confiabilidade, integração), a tendência é clara: o HCF está no caminho certo para se tornar um alicerce fundamental para redes de datacenters de-baixa{4}}latência e alta{5}}capacidade da próxima geração.
Para concluir, a fibra-de núcleo oco representa um avanço atraente para a óptica de-data centers. Ao trocar o vidro pelo ar, ele reduz a perda e a latência enquanto expande a largura de banda e a linearidade. Os primeiros testes provam a sua viabilidade e os desenvolvimentos em curso estão a superar rapidamente os obstáculos práticos. Para implantações de IA e HPC que exigem redes de “velocidade leve”, o HCF oferece um caminho incomparável – desde que seus desafios restantes de engenharia e custos possam ser resolvidos.