중공-코어 섬유(HCF)는 기존 단일{1}}모드 섬유(SMF)의 유리 코어를 공기-로 채워진 중앙으로 대체합니다. 본질적으로 HCF는 중앙 공기 채널을 둘러싸는 미세 구조의 유리 "쉘"로 구성됩니다. 빛은 유리의 내부 전반사가 아니라 클래딩의 광자 밴드 갭이나 반공진 효과에 의해 유도됩니다. 그림 1은 일반적인 "회전자" 반공진 설계를 보여줍니다. 중앙 공기 코어는 얇은 석영 튜브 링으로 둘러싸여 있습니다. 이를 통해 조명 모드의 99% 이상이 공기 중에 유지되어 유리와의 상호 작용을 크게 줄일 수 있습니다. 이와 대조적으로 SMF는 저-굴절률-유리 클래딩 내에 고체 게르마늄-도핑된 실리카 코어(직경 약 9μm)로 구성됩니다. HCF 코어는 클래딩보다 굴절률(n≒1)이 훨씬 낮기 때문에 빛을 가두기 위해서는 특수한 클래딩 구조가 필요합니다.
그림 1: 중공-코어 섬유 설계. (a) 관형 반공진 중공{3}}코어 섬유(HCF)의 도식: 빛은 중첩된 얇은 유리 모세관으로 둘러싸인 중앙 공기 코어에 갇혀 있습니다. (b) 기존의 단일{5}}모드 광섬유는 고체 유리 코어를 사용합니다. HCF 코어와 클래딩(예: 벌집형 유리 링)의 기하학적 구조로 인해 광자 밴드갭 효과 또는 반공진 효과를 통해 빛이 공기 채널로 다시 반사됩니다.
감쇠(손실)
기존의 단일{0}}모드 광섬유(SMF)는 C-대역에서 손실이 매우 낮습니다(약 0.2dB/km). 예를 들어 Corning SMF-28 ULL 광섬유는 1550nm에서 0.16dB/km 미만의 손실을 갖습니다. 실제-고품질-SMF의 손실 범위는 1550nm에서 0.16~0.2dB/km입니다. 이에 비해 초기 HCF 프로토타입은 1~10dB/km 범위의 손실을 나타냈습니다. 기술 발전(중첩 반공진 설계, "회전" HCF 등) 덕분에 HCF 손실은 2018년 약 1.3dB/km에서 2019년 약 0.65dB/km, 2020년 약 0.28dB/km로 크게 감소했습니다. 최신 설계는 SMF 수준에 접근하고 있습니다. 최근 시연에서는 HCF 손실이 0.2dB/km 미만으로 보고되었습니다. 실험실 프로토타입은 약 0.11dB/km를 달성했습니다. 단거리 데이터 센터 링크(수십 킬로미터)에서는 0.2~0.3dB/km도 허용되므로 HCF는 실제 손실 패리티에 가깝습니다.
감쇠 벤치마크:SMF(1550nm) ≒0.16~0.2dB/km; HCF(현재) ≲0.2–0.3dB/km(목표 ~0.1dB/km).
실질적인 의미는 직접 HCF 링크가 리피터 증폭기 없이도 단일{0}}모드 광섬유(SMF)와 유사한 거리에 걸쳐 있을 수 있다는 것입니다. HCF는 유리 코어를 피하기 때문에 나머지 손실은 주로 누출과 표면 산란으로 인해 발생합니다. 특히, 레일리 산란은 공기 중에서 무시할 수 있으므로 개선된 반공진 구조를 통해 손실을 더욱 줄일 수 있습니다.- 결과적으로 잘 설계된 HCF는 적어도 단거리에서 중거리까지 감쇠 측면에서 기존 광섬유와 경쟁할 수 있습니다.
지연(전파 지연)
HCF는 공기 중에서 빛을 전도하기 때문에 유효 굴절률은 1에 가깝습니다(유리의 경우 약 1.47임). 이는 HCF에서 빛이 훨씬 더 빠르게 전파된다는 것을 의미합니다. 실제 응용 분야에서 HCF는 전파 지연을 약 30%~50% 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 단일{7}}모드 광섬유(SMF)의 그룹 지연은 약 2.0μs/km인 반면, 게시된 HCF 설계의 그룹 지연은 약 1.54μs/km입니다. 즉, HCF 링크의 대기 시간은 킬로미터당 약 31% 감소합니다. 그림 2a-b는 이러한 가속 효과를 보여줍니다. (참고: 일부 소스에서는 특정 굴절률 차이에 따라 약 47%까지 속도가 향상되었다고 보고합니다.)
그림 2:중공-코어 섬유의 속도 이점. 중공-코어 HCF(오른쪽)에서 광 펄스는 유리-코어 SMF(왼쪽)보다 약 50% 빠르게 전파됩니다. 이를 통해 단위 길이당 그룹 지연(대기 시간)이 약 30%~50% 감소합니다. 그림은 HCF 링크가 SMF 링크 시간의 약 2/3에 걸쳐 동일한 데이터를 전송하는 것을 보여줍니다. 실제 애플리케이션에서 10km HCF 링크의 전파 지연은 약 15μs(5ns/m)인 반면, SMF 링크의 전파 지연은 약 20μs이므로 엔드{15}}투{16}}지연 시간이 약 5μs 절약됩니다. OFS 측정에 따르면 HCF의 대기 시간은 약 1.54μs/km인 반면 SMF의 대기 시간은 약 2.24μs/km(약 31% 감소)입니다. 이러한 지연 시간 감소는 AI/HPC 데이터 교환 및 고주파수 거래에 매우 중요합니다.{23}} 실제로 업계 테스트에서는 지연 시간이 약 30% 향상되는 것으로 일관되게 보고되었습니다. (최근 마드리드 시험에서 1.386km HCF 링크는 SMF에 비해 왕복- 지연 시간을 4.287μs만큼 줄였습니다.) 요약:
지연 시간 벤치마크: SMF ≒2.0 µs/km; HCF 1.5~1.6 µs/km, 대기 시간이 약 30~35% 감소합니다.
이러한 "빛의 속도" 이점을 통해 데이터 센터는 주어진 대기 시간 예산 내에서 더 먼 거리에 분산될 수 있습니다. 마찬가지로, 단일 데이터 센터나 캠퍼스 내에서 HCF 링크는 홉 지연 시간을 크게 줄여 분산 AI 열차의 -마이크로초 미만{2}}대-지연 시간 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.
분산 및 비선형 효과
HCF는 분산이 매우 낮습니다. 대부분의 빛은 공기 중에 존재하므로 재료 분산(파장-에 따른 유리 굴절률 변화)은 무시할 수 있습니다. 세심하게 설계된 반공진 HCF는 낮은-손실 대역에서 거의 -제로 분산을 나타냅니다. 이는 펄스 확장을 효과적으로 최소화하여 대역폭-거리 곱을 향상시킵니다. 마찬가지로 HCF의 PMD(편광 모드 분산)는 최소화되며 환경 요인(온도 및 스트레스)의 영향도 최소화됩니다. 이에 비해 SMF는 1550nm에서 약 17ps/(nm·km)의 분산을 나타내며(C/L 대역 전반에 걸쳐 변동이 더 큼) 고급{12}}광섬유의 PMD는 약 0.05~0.2ps/√km입니다.
HCF에서 비선형 효과(예: Kerr 비선형성, SPM/XPM 및 4-파동 혼합)는 몇 배 더 약합니다. 99.99% 이상의 모드가 공기 중에 있는 경우 유효 비선형 계수는 실리카의 등가 비선형 계수보다 약 100~1000배 더 작습니다. 이는 비선형 왜곡이 발생하기 전에 HCF가 더 높은 광 출력을 지원하여 잠재적으로 채널당 스펙트럼 효율성을 향상하거나 변조 형식을 단순화할 수 있음을 의미합니다. 일부 지지자들이 지적했듯이 보안도 향상될 수 있습니다(섬유를 통해 섬유를 도청하거나 주입하는 것이 더 쉬워집니다).
전반적으로 HCF는 분산과 관련된 대역폭 제한과 비선형 제약을 크게 줄입니다. 데이터 센터는 더 넓은 파장(표준 C-대역 이상)을 활용하여 분산 보상 없이 고용량 링크를-구현할 수 있습니다. 많은 HCF 설계에는 평탄한 손실로 1.5~1.6μm 대역 대부분을 포괄하는 넓은 "1차 반공진 창"이 있는 반면, 두 번째 창은 L-대역과 더 낮은 손실로 가시 대역까지 확장할 수 있습니다. 전반적으로, HCF의 대역폭 잠재력은 특히 다중 대역 작동과 높은 전송 전력을 고려할 때 SMF의 대역폭과 적어도 비슷하거나 잠재적으로 훨씬 더 큽니다.
대역폭 및 용량
HCF의 빠른 속도와 낮은 비선형성은 탁월한 용량을 제공합니다. 은유적으로 HCF는 더 넓은 차선을 가진 더 빠른 광섬유와 같습니다. 더 빠른 속도로 더 많은 "자동차"(비트)를 운반할 수 있습니다. 그림 3(오른쪽)은 이를 보여줍니다. HCF "슈퍼 트럭"은 SMF "자동차"보다 더 빠른 속도로 더 많은 데이터를 전달할 수 있습니다. 실제로 HCF는 실험실 실험에서 매우 높은 집계 데이터 속도를 보여주었습니다. 예를 들어, 실험에서는 WDM(Coherent Wavelength Division Multiplexing)을 사용하는 반공진 HCF를 사용하여 800Gb/s 및 1.2Tb/s의 채널 속도를 달성했습니다. 실제-네트워크에서 HCF는 단일 광섬유에서 6개의 100Gb/s 채널과 유사한 다중{11}파장 페이로드를 지원했습니다.
그림 3:데이터 처리량 비유. HCF더 빠르고 고용량-'트럭'에 비유할 수 있는 반면 SMF는 '자동차'에 비유할 수 있습니다. 이는 HCF의 높은 대역폭(더 많은 파장/모드, 더 낮은 왜곡)과 더 높은 전파 속도의 조합을 반영합니다. SMF(왼쪽)와 달리 HCF는 유리 비선형성을 방지하고 더 넓은 스펙트럼 창을 활용하여 단일 광섬유에서 테라비트/초를 초과하는 데이터 속도를 가능하게 합니다.
HCF 용량의 핵심 사항:
● 파장 범위:HCF는 실리카 흡수 "물 피크"와 SMF의 UV 흡수에 의해 제한되지 않습니다. 새로운 HCF 설계는 ~1200nm에서 ~1700nm까지 잘 작동하며 특수 유형의 경우 가시광선에서도 작동합니다.
● WDM 채널:초기 테스트에서는 HCF가 비선형 누화를 최소화하면서 수십 개의 WDM 채널(C+L 대역)을 전달하는 것으로 나타났습니다.
● 변조 형식:비선형성이 낮기 때문에 HCF는 채널당 고전력에서 고차 변조(예:. 64QAM)를 더 쉽게 전달할 수 있습니다.
● 비트- 전송률:일관된 감지를 통해 HCF는 SMF와 동일한-채널별 비트율-을 지원해야 합니다(파장당 100Gb/s+). 100~600Gb/s 파장의 초기 시험이 성공했습니다.
요약하면 HCF는 다음을 제공합니다.적어도SMF와 동일한 잠재적 대역폭을 가지며 다중{0}채널 링크에서는 더 높은 실행 전력과 더 낮은 누화를 통해 종종 이를 초과할 수 있습니다. 유일한 주의 사항은 많은 HCF 유형이 유한한 낮은-손실 창을 갖고 있으므로 전체 광케이블 C+L+U 대역을 사용하려면 여러 광케이블 유형 또는 최적화된 분산-설계 설계가 필요할 수 있다는 것입니다.
제작 및 실제 과제
HCF의 물리학은 유망하지만 몇 가지 엔지니어링 과제가 남아 있습니다.
● 복잡한 프리폼:HCF 프리폼(유리 막대 구조)은 복잡합니다. 이를 위해서는 고정밀 제작 및 드로우 제어가 필요한 여러 개의 얇은 모세관을 쌓아야 합니다.- 결과적으로 현재 HCF는 제한된 양으로 만들어집니다. 제조를 수만 킬로미터에 달하는 DC 광섬유 링크로 확장하려면 더 많은 개발과 새로운 생산 라인이 필요합니다.
● 접합 및 커넥터:HCF는 표준 광섬유 커넥터와 직접 결합할 수 없습니다. 따라서 종단에는 짧은 기존 SMF 피그테일이 사용됩니다. 실제로 업계에서는 LC/SC 커넥터의 SMF 홀더에 HCF 융합 접합을 사용합니다. 보고된 접속 손실 범위는 ~0.5dB(최적화)에서 최대 ~2.5dB입니다. 모든 커넥터/피그테일은 ~0.5dB를 추가합니다. 이러한 추가 손실(링크당)은 DC의 트랜시버 예산에 비해 상당합니다. 저-손실 HCF 스플라이스와 새로운 저비용{10}}커넥터 솔루션이 활발한 연구 개발 분야입니다.
● 굽힘 및 포장 감도:HCF(특히 대형-코어 설계)는 SMF보다 굽힘 및 미세 굽힘에 더 민감합니다.- 굽힘은 손실을 유발하고 모드를 변환할 수 있습니다. 이를 완화하기 위해 HCF 케이블은 굴곡 반경이 큰 느슨한-튜브 또는 리본 구조를 사용합니다. 설치 중 변형을 방지하려면 특별한 주의가 필요합니다. 실험실 테스트에서 견고한 릴의 HCF는 허용 가능한 동작을 보였지만, 모드 필터로 설계하지 않는 한 실제 케이블링(교란을 최소화한)은 실제로 고차{7}}모드 간섭을 증가시킬 수 있습니다. OFS 및 기타 업체에서는 의도적으로 고차-차수 모드를 제거하고 모드 분산을 억제하기 위해 "션트" 구조를 추가했습니다.
● 접속 및 광섬유 손실:"베어" HCF 스트랜드에서 기록적으로 낮은 손실(<0.2dB/km)이 측정되었습니다. 케이블링, 접합 및 환경적 요인(오염, 습도)은 일반적으로 손실을 증가시킵니다. 예를 들어 OFS는 HCF 케이블 연결이 C-대역에서 ~0.1~0.7dB/km 손실을 추가했다고 보고했습니다. 따라서 실제{7}}배포 손실은 프로세스가 성숙될 때까지 ~0.3~0.5dB/km일 수 있습니다.
● 비용 및 가용성:업계 전문가들이 지적한 바와 같이 HCF는 현재 가격 프리미엄을 지니고 있습니다. 초기 배포(예: 런던 증권 거래소의 BT/Lumenisity)는 비용이 정당한 틈새 사용 사례-입니다. DC 상호 연결이 주류가 되려면 생산량이 늘어나고 자재 비용이 낮아져야 합니다. 몇몇 새로운 벤처(Relativity Networks, Lumenisity, SilenFiber 등)는 VC 자금 조달 및 인수를 통해 HCF 생산을 구축하고 있습니다.
요약하자면,실용적인 HCF 링크오늘날에는 융착 접속 커넥터, 대형 느슨한 루프 및 특수 케이블 등을 조심스럽게 다루어야 할 수도 있습니다. 업계에서는 표준과 모범 사례를 적극적으로 개발하고 있습니다. 예를 들어 OFS AccuCore™ 케이블은 이제 표준 폼 팩터를 갖춘 HCF용으로 제공됩니다. 그러나 모든 HCF 링크는 여전히 케이블링/스플라이스에 대해 약 0.5-3dB의 추가 손실을 발생시켜 도달 범위를 제한하고 전력 예산 책정이 필요합니다.
데이터 센터 설정의 시험판 및 프로토타입
HCF는 이미 실험실을 벗어나 실제 네트워크로 이동하고 있습니다. 최근 현장 시험 및 파일럿 배포에서는 다음과 같은 유망한 결과가 나타났습니다.
● DC---DC 링크:2024년 2월, 스페인 통신업체 Lyntia는 Nokia, OFS|Furukawa 및 Digital Realty와 협력하여 POP와 마드리드 데이터 센터 사이에 중공{1}}코어 케이블을 배포했습니다. 1.386km HCF 링크에서 왕복 지연 시간을 다음과 같이 단축했습니다.-287 µs (>30%), 단일 파장에서 600Gb/s를 전송하는 동시에 SMF와 비교됩니다. 이 실제{3}}테스트에서는 λ당 100Gb/s의 일관성 있는 응답기를 사용했습니다. 이 시험을 통해 HCF를 표준 코히어런트 기어를 사용하여 기존 인프라(OFS AccuCore® 케이블)에 연결할 수 있음이 확인되었으며 이를 통해 DC 상호 연결이 가능해졌습니다.
● 짧은-도달 링크:OFS Labs는 거래 네트워크를 위해 10Gb/s DWDM 트래픽(10개 파장)을 전달하는 3.1km HCF 링크를 시연했습니다. 이는 최초의 케이블 연결 HCF 전송으로, 지연 시간이 31% 감소하고 파이버+케이블을 통해 비트{4}}오류-없는 10Gb/s를 보여줍니다. 마찬가지로 Nokia/Bell Labs는 실험실 설정에서 총 800~1200Gb/s(8×100Gb/s)로 HCF를 테스트했습니다.
● 금융 및 무역 네트워크:HCF의 지연 시간 절감 효과로 인해{0}}빈도 거래(HFT)-사용 사례가 많아졌습니다. 2021년에 Lumenisity(현재 Nokia의 일부)와 euNetworks는 런던 증권 거래소를 연결하기 위해 속이 빈{4}}코어 링크를 배포했습니다. 거래 장소까지의 마지막-마일에 HCF를 사용하면 마이크로초 지연 시간이 단축됩니다. 이러한 배포는 HCF의 첫 번째 상업적 사용을 의미합니다. (BT 등도 모바일 백홀 및 보안 네트워크를 위해 HCF를 시험했지만 이는 DC 외부에 있습니다.)
● AI/HPC 데이터 교환:공개 데이터는 제한되어 있지만 주요 클라우드 제공업체는 HCF를 조사하고 있습니다. Microsoft Azure는 데이터 센터 간의 HCF 링크를 프로토타입화하기 위해 팀(이전의 Lumenisity)을 구성했습니다. Relativity Networks(미국 스타트업-)는 AI 데이터 센터 패브릭용으로 특별히 HCF를 개발하고 있습니다. 이러한 노력의 목표는 HCF의 속도를 활용하여 분산 AI 훈련에서 지연 시간 병목 현상을 완화하는 것입니다. 아직 초기 단계이지만 이러한 이니셔티브는 하이퍼스케일 및 HPC 환경에서 기술의 잠재력을 강조합니다.
이 모든 재판에서,기대에 부응한 공연: 짧은 링크에서 상당한 지연 시간 감소(일반적으로 ~30%) 및 수백{1}}수백-Gbps 용량. 그러나 이러한 시도 중 HCF를 수백 킬로미터까지 확장한 것은 아직 없습니다. 이는 향후 작업으로 남아 있습니다. 현재 HCF는 대도시-규모 또는 내부-데이터 센터 링크(최대 10~20km)에 가장 적합하며 활성 중계기가 없어도 그 이점이 빛납니다.
전망: AI/HPC 및 미래 데이터센터 네트워크
AI와 초{0}}초고속 HPC에 대한 추진으로 인해 초-지연-, 초-초고-대역폭 링크에 대한 수요가 높아지고 있습니다. HCF는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. HCF는 링크 지연을 km당 30%까지 줄여 DC 운영자가 지리적 범위를 확장할 수 있도록 해줍니다. 분석에 따르면 동일한 대기 시간 동안 데이터 센터를 1.5배 더 멀리 배치할 수 있습니다. AI 클러스터가 여러 사이트에 걸쳐 있기 때문에 이러한 "지리적 유연성"은 매우 중요할 수 있습니다. 마찬가지로, 데이터 센터 내에서 HCF는 랙 간 및 포드 간 지연 시간을 줄여 데이터 전송 지연을 최소화하면서 대규모 모델을 제공할 수 있습니다.
원시 속도 외에도 HCF의 낮은 비선형성과 광범위한 스펙트럼 지원은 미래의 트랜시버가 데이터 속도를 훨씬 더 높일 수 있음을 의미합니다. 고급 변조 및 병렬 파이버 방식(예: 멀티코어 HCF)과 결합하면 전체 처리량은 오늘날의 SMF 링크를 크게 초과할 수 있습니다. 제공업체는 HCF가 향후 10년 내에 스트랜드당 테라비트-초당-트래픽을 전달하여 AI 칩의 엑사스케일 I/O 요구 사항을 충족할 것으로 예상합니다.
업계에서는 주목하고 있다. 주요 클라우드/HPC 업체(Microsoft, Google, Meta)는 HCF R&D 또는 인수에 자금을 지원했으며, 스타트업(Relativity, Lumenisity)은 수백만 달러의 벤처 및 정부 지원을 확보했습니다. 표준 기관과 컨소시엄은 향후 네트워크 계획에 HCF를 포함하기 시작했습니다. 많은 불확실성(비용, 안정성, 통합)이 남아 있지만 추세는 분명합니다. HCF는 차세대 -지연 시간이 짧은-대용량-데이터 센터 네트워크의 핵심 구성 요소가 될 것입니다.
결론적으로, 중공-코어 광섬유는 데이터 센터 광학 분야의 강력한 발전을 나타냅니다.- 유리를 공기로 교체함으로써 대역폭과 선형성을 확장하는 동시에 손실과 대기 시간을 줄입니다. 초기 시험을 통해 실행 가능성이 입증되었으며 지속적인 개발이 빠르게 실질적인 장애물을 극복하고 있습니다. "광속" 네트워킹을 요구하는 AI 및 HPC 배포의 경우 HCF는 남은 엔지니어링 및 비용 문제를 해결할 수 있다면 비교할 수 없는 발전 경로를 제공합니다.
