Eine Hohlkernfaser (HCF) ersetzt den Glaskern einer herkömmlichen Single-{1}Mode-Faser (SMF) durch ein mit Luft-gefülltes Zentrum. Im Wesentlichen besteht ein HCF aus einer mikrostrukturierten Glashülle, die einen zentralen Luftkanal umgibt. Das Licht wird nicht durch Totalreflexion im Glas geleitet, sondern durch eine photonische Bandlücke oder einen Antiresonanzeffekt in der Ummantelung. Abbildung 1 zeigt ein übliches „Rotator“-Antiresonanzdesign: ein zentraler Luftkern, umgeben von einem Ring aus dünnen Quarzrohren. Dadurch bleiben über 99 % des Lichtmodus in der Luft, wodurch die Interaktion mit dem Glas deutlich reduziert wird. Im Gegensatz dazu besteht ein SMF aus einem festen, mit Germanium-dotierten Quarzkern (ca. 9 μm Durchmesser) innerhalb einer Glasummantelung mit niedrigem -Brechungsindex-. Da der HCF-Kern einen viel niedrigeren Brechungsindex (n≈1) als der Mantel hat, ist eine spezielle Mantelstruktur erforderlich, um das Licht einzudämmen.
Abbildung 1: Hohlkernfaserdesign. (a) Schematische Darstellung einer röhrenförmigen antiresonanten Hohlkernfaser (HCF): Licht wird in einem zentralen Luftkern eingeschlossen, der von ineinander verschachtelten dünnen Glaskapillaren umgeben ist. (b) Herkömmliche Single---Mode-Fasern verwenden einen massiven Glaskern. Die Geometrie des HCF-Kerns und der Umhüllung (z. B. Wabenglasringe) bewirkt, dass Licht entweder durch den photonischen Bandlückeneffekt oder den Antiresonanzeffekt zurück in den Luftkanal reflektiert wird.
Dämpfung (Verlust)
Herkömmliche Single--Mode-Fasern (SMF) haben einen sehr geringen Verlust im C--Band (ca. 0,2 dB/km). Beispielsweise weist die Corning SMF-28 ULL-Faser einen Verlust von weniger als 0,16 dB/km bei 1550 nm auf. Reales -hochwertiges SMF hat einen Verlustbereich von 0,16–0,2 dB/km bei 1550 nm. Im Vergleich dazu wiesen frühe HCF-Prototypen Verluste im Bereich von 1–10 dB/km auf. Dank technologischer Fortschritte (verschachtelte Antiresonanzdesigns, „gedrehte“ HCFs usw.) sind die HCF-Verluste erheblich zurückgegangen: von etwa 1,3 dB/km im Jahr 2018 auf etwa 0,65 dB/km im Jahr 2019 und dann auf etwa 0,28 dB/km im Jahr 2020. Moderne Designs nähern sich dem SMF-Niveau: Jüngste Demonstrationen haben HCF-Verluste unter 0,2 dB/km und im Labor gemeldet Prototypen haben etwa 0,11 dB/km erreicht. Bei Rechenzentrumsverbindungen mit kurzer Reichweite (mehrere zehn Kilometer) sind sogar 0,2–0,3 dB/km akzeptabel, sodass HCF nahezu der praktischen Verlustparität entspricht.
Dämpfungs-Benchmarks:SMF (1550 nm) ≈0,16–0,2 dB/km; HCF (derzeit) ≲0,2–0,3 dB/km (Ziel ~0,1 dB/km).
Die praktische Auswirkung besteht darin, dass direkte HCF-Verbindungen ähnliche Entfernungen wie Single-Mode-Fasern (SMF) überbrücken können, ohne dass Repeater-Verstärker erforderlich sind. Da HCF den Glaskern umgeht, sind seine verbleibenden Verluste hauptsächlich auf Leckagen und Oberflächenstreuung zurückzuführen. Bemerkenswert ist, dass die Rayleigh-Streuung in Luft vernachlässigbar ist, was eine weitere Reduzierung der Verluste durch verbesserte Anti-{3}}-Resonanzstrukturen ermöglicht. Das Ergebnis ist, dass ein gut konzipiertes HCF zumindest auf kurzen bis mittleren Distanzen hinsichtlich der Dämpfung mit herkömmlichen Glasfasern mithalten kann.
Verzögerung (Ausbreitungsverzögerung)
Da HCF Licht in Luft leitet, liegt sein effektiver Brechungsindex nahe bei 1 (im Vergleich zu etwa 1,47 in Glas). Das bedeutet, dass sich Licht in HCF deutlich schneller ausbreitet. In praktischen Anwendungen kann HCF die Ausbreitungsverzögerung um etwa 30 bis 50 % reduzieren. Beispielsweise beträgt die Gruppenverzögerung von Single-{7}-Mode-Fasern (SMF) etwa 2,0 µs/km, während veröffentlichte HCF-Designs eine Gruppenverzögerung von etwa 1,54 µs/km aufweisen. Mit anderen Worten: Die Latenz einer HCF-Verbindung wird um etwa 31 % pro Kilometer reduziert. Die Abbildungen 2a-b veranschaulichen diesen Beschleunigungseffekt. (Hinweis: Einige Quellen berichten von Geschwindigkeitsverbesserungen von bis zu etwa 47 %, abhängig von der spezifischen Brechungsindexdifferenz.)
Abbildung 2:Der Geschwindigkeitsvorteil von Hohlkernfasern. Im Hohlkern-HCF (rechts) breiten sich Lichtimpulse etwa 50 % schneller aus als im Glaskern-SMF (links). Dadurch wird die Gruppenverzögerung (Latenz) pro Längeneinheit um etwa 30 % bis 50 % reduziert. Die Abbildung zeigt, dass ein HCF-Link die gleichen Daten in etwa zwei-Dritteln der Zeit eines SMF-Links überträgt. In realen Anwendungen hat eine 10 km lange HCF-Verbindung eine Ausbreitungsverzögerung von etwa 15 µs (5 ns/m), während eine SMF-Verbindung eine Ausbreitungsverzögerung von etwa 20 µs hat, was zu Einsparungen bei der Ende-zu-Ende-Latenz von etwa 5 µs führt. OFS-Messungen bestätigen, dass HCF eine Latenz von etwa 1,54 µs/km aufweist, während SMF eine Latenz von etwa 2,24 µs/km aufweist (eine Reduzierung um etwa 31 %). Diese Latenzreduzierung ist für den AI/HPC-Datenaustausch und den Hochfrequenzhandel von entscheidender Bedeutung. Tatsächlich berichten Branchentests durchweg über Latenzverbesserungen von etwa 30 %. (In einem aktuellen Test in Madrid reduzierte eine 1,386 km lange HCF-Verbindung die Round-{28}}Trip-Latenz im Vergleich zu SMF um 4,287 µs.) Zusammenfassung:
Latenz-Benchmark: SMF ≈2,0 µs/km; HCF ≈1,5–1,6 µs/km, was einer Latenzreduzierung von etwa 30–35 % entspricht.
Dieser Vorteil der „Lichtgeschwindigkeit“ ermöglicht die Verteilung von Rechenzentren über größere Entfernungen innerhalb eines vorgegebenen Latenzbudgets. In ähnlicher Weise können HCF-Verbindungen innerhalb eines einzelnen Rechenzentrums oder Campus die Hop-Latenz erheblich reduzieren und so dazu beitragen, die End-{{2}bis{3}Endlatenzanforderungen von verteilten KI-Zügen von weniger als einer Mikrosekunde zu erfüllen.
Dispersion und nichtlineare Effekte
HCFs zeichnen sich durch eine extrem geringe Dispersion aus. Da sich das meiste Licht in der Luft befindet, ist die Materialdispersion (die wellenlängenabhängige Variation des Brechungsindex des Glases) vernachlässigbar. Ein sorgfältig entworfener anti-resonanter HCF weist in seinem verlustarmen Band eine Streuung von nahezu-Null auf. Dadurch wird die Pulsverbreiterung effektiv minimiert und das Bandbreiten-Entfernungsprodukt verbessert. Ebenso ist die Polarisationsmodendispersion (PMD) in HCFs minimal und die Auswirkungen von Umweltfaktoren (Temperatur und Stress) sind minimal. Im Vergleich dazu weisen SMFs eine Dispersion von etwa 17 ps/(nm·km) bei 1550 nm auf (mit größerer Variation über das C/L-Band), und PMD in High-End-Lichtwellenleitern beträgt etwa 0,05–0,2 ps/√km.
In HCFs sind nichtlineare Effekte (wie Kerr-Nichtlinearität, SPM/XPM und Vierwellenmischung) um mehrere Größenordnungen schwächer. Bei über 99,99 % der Moden in Luft ist der effektive nichtlineare Koeffizient etwa 100- bis 1000-mal kleiner als der entsprechende nichtlineare Koeffizient in Siliziumdioxid. Dies bedeutet, dass HCF höhere optische Leistungen unterstützen kann, bevor nichtlineare Verzerrungen auftreten, was möglicherweise die spektrale Effizienz pro Kanal verbessert oder Modulationsformate vereinfacht. Wie einige Befürworter betonen, kann es auch die Sicherheit verbessern (was das Abhören oder Einschleusen von Fasern durch die Faser erleichtert).
Insgesamt reduziert HCF die Bandbreitenbeschränkungen und nichtlinearen Einschränkungen, die mit der Dispersion verbunden sind, erheblich. Rechenzentren können breitere Wellenlängen (über das Standard-C--Band hinaus nutzen, um Verbindungen mit hoher-Kapazität zu erreichen, ohne dass eine Dispersionskompensation erforderlich ist. Viele HCF-Designs verfügen über ein breites „erstes Antiresonanzfenster“, das einen Großteil des 1,5 bis 1,6 µm-Bandes mit flachem Verlust abdeckt, während sich das zweite Fenster mit geringerem Verlust bis in das L--Band und sogar in das sichtbare Band erstrecken kann. Insgesamt ist das Bandbreitenpotenzial von HCF zumindest vergleichbar mit dem von SMF und möglicherweise sogar größer als dieses, insbesondere wenn man den Multibandbetrieb und hohe Sendeleistungen berücksichtigt.
Bandbreite und Kapazität
Die hohe Geschwindigkeit und geringe Nichtlinearität von HCF verleihen ihm eine außergewöhnliche Kapazität. Metaphorisch gesehen ist HCF wie eine schnellere Glasfaser mit breiteren Leitungen: Sie kann mehr „Autos“ (Bits) mit höherer Geschwindigkeit transportieren. Abbildung 3 (rechts) veranschaulicht dies: Ein HCF-„Supertruck“ kann mehr Daten bei höherer Geschwindigkeit transportieren als ein SMF-„Auto“. In der Praxis hat HCF in Laborexperimenten extrem hohe aggregierte Datenraten gezeigt. Experimente haben beispielsweise Kanalraten von 800 Gbit/s und 1,2 Tbit/s unter Verwendung von antiresonantem HCF und kohärentem Wellenlängenmultiplex (WDM) erreicht. In realen Netzwerken hat HCF 6 x 100-Gbit/s-Kanäle und ähnliche Multiwellenlängen-Nutzlasten auf einer einzigen Glasfaser unterstützt.
Abbildung 3:Analogie zum Datendurchsatz. HCFkann mit einem schnelleren „Lkw“ mit hoher -Kapazität verglichen werden, während SMF mit einem „Auto“ verglichen werden kann. Dies spiegelt die Kombination aus der hohen Bandbreite von HCF (mehr Wellenlängen/Moden, geringere Verzerrung) und der höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit wider. Im Gegensatz zu SMF (links) vermeidet HCF Glas-Nichtlinearitäten und kann ein breiteres Spektralfenster nutzen, was Datenraten von mehr als Terabit/Sekunde auf einer einzelnen Faser ermöglicht.
Wichtige Punkte zur HCF-Kapazität:
● Wellenlängenbereich:HCF ist nicht durch die „Wasserspitzen“ der Silikatabsorption und die UV-Absorption von SMF begrenzt. Neue HCF-Designs funktionieren gut von ~1200 nm bis ~1700 nm und bei Spezialtypen sogar bis in den sichtbaren Bereich.
● WDM-Kanäle:Erste Tests zeigen, dass HCF Dutzende von WDM-Kanälen (C+L-Band) mit minimalem nichtlinearem Übersprechen überträgt.
● Modulationsformate:Da die Nichtlinearität gering ist, kann HCF leichter eine Modulation hoher -Ordnung (z. B. . 64QAM) bei hoher Leistung pro Kanal übertragen.
● Bit-rate:Bei kohärenter Erkennung sollte HCF die gleichen Bitraten pro Kanal wie SMF unterstützen (100 Gbit/s+ pro Wellenlänge). Erste Versuche bei Wellenlängen von 100–600 Gbit/s waren erfolgreich.
Zusammenfassend bietet HCFmindestensdie gleiche potenzielle Bandbreite wie SMF und kann diese bei Mehrkanalverbindungen häufig durch höhere Startleistung und geringeres Übersprechen überschreiten. Der einzige Vorbehalt besteht darin, dass viele HCF-Typen ein endliches Fenster mit geringem Verlust-haben, so dass die Nutzung des C+L+U-Bandes mit Vollfaser möglicherweise mehrere Fasertypen oder optimierte Dispersionskonstruktionen erfordert.
Herstellung und praktische Herausforderungen
Obwohl die Physik von HCF vielversprechend ist, bleiben einige technische Herausforderungen bestehen:
● Komplexe Vorformlinge:HCF-Vorformen (die Glasstabstrukturen) sind kompliziert. Sie erfordern das Stapeln mehrerer dünner Kapillarröhrchen, was eine hochpräzise Fertigung und Zugkontrolle erfordert. Daher wird HCF derzeit in begrenzter Menge hergestellt. Die Skalierung der Fertigung auf Zehntausende Kilometer DC-Glasfaserverbindungen erfordert mehr Entwicklung und neue Produktionslinien.
● Spleißen und Anschlüsse:HCF kann nicht direkt mit Standard-Glasfasersteckern verbunden werden. Daher verwenden die Abschlüsse kurze herkömmliche SMF-Pigtails. In der Praxis verwendet die Industrie das Fusionsspleißen von HCF mit SMF-Haltern in LC/SC-Steckverbindern. Die gemeldeten Spleißverluste reichen von ~0,5 dB (optimiert) bis ~2,5 dB. Jeder Stecker/Pigtail fügt etwa 0,5 dB hinzu. Diese zusätzlichen Verluste (pro Link) sind im Vergleich zum Transceiver-Budget in einem DC erheblich. Verlustarme HCF-Spleiße und neue kostengünstige Verbindungslösungen sind aktive Forschungs- und Entwicklungsbereiche.
● Biege- und Verpackungsempfindlichkeit:HCF (insbesondere große -Kernkonstruktionen) reagiert empfindlicher auf Biegung und Mikrobiegung als SMF. Biegungen führen zu Verlusten und können Moden umwandeln. Um dies zu mildern, verwenden HCF-Kabel eine lose-Röhren- oder Bandkonstruktion mit großen Biegeradien. Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich, um Spannungen während der Installation zu vermeiden. In Labortests zeigte HCF auf starren Spulen ein akzeptables Verhalten, aber echte Verkabelung (mit minimaler Störung) kann Modenstörungen höherer Ordnung tatsächlich verstärken, sofern sie nicht mit Modenfiltern ausgestattet sind. OFS und andere haben „Shunt“-Strukturen hinzugefügt, um Moden höherer Ordnung gezielt zu entfernen und die Modendispersion zu unterdrücken.
● Spleiß- und Faserverlust:Die rekordniedrigen Verluste (≪0,2 dB/km) wurden an „nackten“ HCF-Strängen gemessen. Verkabelung, Spleißen und Umweltfaktoren (Kontamination, Feuchtigkeit) führen typischerweise zu Verlusten. OFS berichtete beispielsweise, dass die Verkabelung ihres HCF zu einem Verlust von ca. 0,1–0,7 dB/km im C--Band führte. Bis die Prozesse ausgereift sind, kann der tatsächliche Einsatzverlust daher etwa 0,3–0,5 dB/km betragen.
● Kosten und Verfügbarkeit:Laut Branchenexperten weist HCF derzeit einen Preisaufschlag auf. Frühe Einsätze (z. B. BT/Lumenisity für die London Stock Exchange) sind Nischenanwendungsfälle-, bei denen sich die Kosten rechtfertigen. Um bei DC-Verbindungen zum Mainstream zu werden, müssen die Produktionsmengen skaliert und die Materialkosten gesenkt werden. Mehrere neue Unternehmen (Relativity Networks, Lumenisity, SilenFiber usw.) bauen die HCF-Produktion mit VC-Finanzierung und Akquisitionen aus.
Zusammenfassend:praktische HCF-LinksHeutzutage kann eine sorgfältige Handhabung erforderlich sein: Fusionsspleißverbinder, große schlaffe Schlaufen und Spezialkabel. Die Branche entwickelt aktiv Standards und Best Practices. Beispielsweise werden OFS AccuCore™-Kabel jetzt für HCF mit Standardformfaktoren angeboten. Allerdings entstehen bei jeder HCF-Verbindung immer noch etwa 0,5–3 dB zusätzlicher Verlust für die Verkabelung/Spleiße, was die Reichweite einschränkt und eine Energiebudgetierung erforderlich macht.
Versuche und Prototypen in Rechenzentrumsumgebungen
HCF bewegt sich bereits aus dem Labor in echte Netzwerke. Aktuelle Feldversuche und Piloteinsätze zeigen vielversprechende Ergebnisse:
● DC-zu-DC-Links:Im Februar 2024 hat sich der spanische Betreiber Lyntia mit Nokia, OFS|Furukawa und Digital Realty zusammengetan, um ein Hohlkernkabel zwischen einem POP und einem Rechenzentrum in Madrid zu installieren. Über eine 1,386 km lange HCF-Verbindung erreichten sie eine Reduzierung der Roundtrip-Latenz um287 µs (>30 % im Vergleich zu SMF, bei gleichzeitiger Übertragung von 600 Gbit/s auf einer einzigen Wellenlänge. Bei diesem realen-Test wurden kohärente Transponder mit 100 Gbit/s pro λ verwendet. Der Versuch bestätigte, dass HCF mit standardmäßiger kohärenter Ausrüstung in die bestehende Infrastruktur (OFS AccuCore®-Kabel) gespleißt werden kann, was die Tür für DC-Verbindungen öffnet.
● Kurze-Reichweiten-Links:OFS Labs demonstrierte eine 3,1 km lange HCF-Verbindung, die 10 Gbit/s DWDM-Verkehr (10 Wellenlängen) für Handelsnetzwerke überträgt. Dies war die erste kabelgebundene HCF-Übertragung, die bit-fehlerfreie 10 Gbit/s über Glasfaser+Kabel mit einer Latenzreduzierung von 31 % zeigte. In ähnlicher Weise haben Nokia/Bell Labs HCF mit insgesamt 800–1200 Gbit/s (8×100 Gbit/s) in Laboraufbauten getestet.
● Finanz- und Handelsnetzwerke:Die Latenzeinsparungen von HCF haben zu Anwendungsfällen im Hochfrequenzhandel (HFT)- geführt. Im Jahr 2021 stellten Lumenisity (heute Teil von Nokia) und euNetworks Hollow-Core-Verbindungen zur Verbindung der Londoner Börse bereit. Durch die Verwendung von HCF auf der letzten Meile zu den Handelsplätzen werden Latenzen im Mikrosekundenbereich reduziert. Solche Einsätze stellen einige der ersten kommerziellen Anwendungen von HCF dar. (BT und andere haben HCF auch als Pilotprojekt für mobiles Backhaul und sichere Netzwerke eingesetzt, allerdings außerhalb von DCs.)
● AI/HPC-Datenaustausch:Während die öffentlichen Daten begrenzt sind, untersuchen große Cloud-Anbieter HCF. Microsoft Azure hat ein Team (ehemals Lumenisity) gebildet, um Prototypen von HCF-Verbindungen zwischen Rechenzentren zu erstellen. Relativity Networks (ein US-amerikanisches Startup-) entwickelt HCF speziell für KI-Rechenzentrumsstrukturen. Diese Bemühungen zielen darauf ab, die Geschwindigkeit von HCF zu nutzen, um Latenzengpässe beim verteilten KI-Training zu lindern. Obwohl diese Initiativen noch am Anfang stehen, unterstreichen sie das Potenzial der Technologie in Hyperscale- und HPC-Umgebungen.
In all diesen PrüfungenDie Leistungen entsprachen den Erwartungen: erhebliche Latenzrückgänge (typischerweise ~30 %) und Kapazitäten von mehreren-hundert-Gbit/s auf kurzen Verbindungen. Allerdings hat noch keiner dieser Versuche die HCF-Streckenlänge um Hunderte von Kilometern verlängert – das bleibt Zukunftsarbeit. Derzeit eignet sich HCF am besten für Verbindungen im Großraum- oder innerhalb-Rechenzentren (bis zu ca. 10–20 km), wo seine Vorteile zum Tragen kommen, ohne dass aktive Repeater erforderlich sind.
Ausblick: KI/HPC und zukünftige Rechenzentrumsnetzwerke
Der Vorstoß in Richtung KI und ultra{0}}schnellem HPC erhöht die Nachfrage nach Verbindungen mit ultra-niedriger-Latenz und ultra-hoher-Bandbreite. HCF ist einzigartig positioniert, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Durch die Reduzierung der Verbindungsverzögerung um ca. 30 % pro km ermöglicht HCF DC-Betreibern, die geografische Abdeckung auszudehnen: Analysen deuten darauf hin, dass Rechenzentren bei gleicher Latenz 1,5-mal weiter voneinander entfernt platziert werden könnten. Diese „geografische Flexibilität“ kann von entscheidender Bedeutung sein, da sich KI-Cluster über mehrere Standorte erstrecken. Ebenso kann HCF innerhalb eines Rechenzentrums die Latenzen zwischen Racks und Pods reduzieren und so große Modelle mit minimaler Datenübertragungsverzögerung versorgen.
Über die bloße Geschwindigkeit hinaus bedeuten die geringe Nichtlinearität und die breite Spektrumsunterstützung von HCF, dass zukünftige Transceiver die Datenraten noch weiter steigern können. In Kombination mit fortschrittlichen Modulations- und Parallelfaserverfahren (z. B. Multicore-HCF) könnte der Gesamtdurchsatz den der heutigen SMF-Verbindungen deutlich übertreffen. Anbieter gehen davon aus, dass HCF im nächsten Jahrzehnt Terabit-pro-Sekunde Datenverkehr pro Strang übertragen und so den Exascale-I/O-Anforderungen von KI-Chips gerecht werden kann.
Die Industrie nimmt es zur Kenntnis. Große Cloud-/HPC-Akteure (Microsoft, Google, Meta) haben HCF-Forschung und -Entwicklung oder -Akquisitionen finanziert, und Startups (Relativity, Lumenisity) haben sich Millionen an Risikokapital und staatlicher Unterstützung gesichert. Normungsgremien und Konsortien beginnen, HCF in zukünftige Netzwerkpläne einzubeziehen. Obwohl noch viele Unsicherheiten bestehen (Kosten, Zuverlässigkeit, Integration), ist der Trend klar: HCF ist auf dem besten Weg, ein wichtiger Baustein für Rechenzentrumsnetzwerke der nächsten -Generation mit niedriger-Latenz und hoher-Kapazität zu werden.
AbschließendHohlkernfasern stellen einen überzeugenden Fortschritt für die Optik von Rechenzentren dar. Durch den Austausch von Glas gegen Luft werden Verluste und Latenzzeiten reduziert und gleichzeitig die Bandbreite und Linearität erweitert. Erste Versuche beweisen seine Machbarkeit, und laufende Entwicklungen überwinden schnell praktische Hürden. Für KI- und HPC-Bereitstellungen, die Netzwerke mit „leichter Geschwindigkeit“ erfordern, bietet HCF einen unübertroffenen Weg nach vorn – vorausgesetzt, die verbleibenden technischen und kostentechnischen Herausforderungen können gelöst werden.