Полое волокно преодолевает физические ограничения, открывая новую эру оптической связи

Полое волокно преодолевает физические ограничения, открывая новую эру оптической связи

Свет распространяется по воздуху, скорость увеличилась на 45%, потери сократились до 0,091 дБ/км — революция в области оптоволоконных технологий, возглавляемая Microsoft, меняет ландшафт глобальной цифровой инфраструктуры.

Недавно исследовательская группа Lumenisity, поддерживаемая Microsoft, опубликовала новаторское исследование в журнале Nature Photonics: новое полое волокно достигло затухания сигнала всего 0,091 дБ/км, что превышает теоретический предел в 0,14 дБ/км для традиционного кварцевого волокна — « Широкополосное оптическое волокно с затуханием менее 0,1 децибел на километр ».

Эта технология, названная «самым выдающимся достижением в области волноводных технологий за последние 40 лет», знаменует собой монументальный прорыв в оптической связи. Полое волокно не только увеличивает скорость передачи данных на 45%, но и позволяет передавать данные на большие расстояния без ущерба для пропускной способности.

01 Технологический скачок: революция в коммуникациях: от стекла к воздуху

Традиционное волокно использует для передачи световых сигналов высокочистое кварцевое стекло, в котором свет распространяется со скоростью около 200 миллионов метров в секунду. В отличие от этого, полое волокно позволяет свету распространяться по воздуху, достигая скорости 300 миллионов метров в секунду — на 45% быстрее, чем в стекле.

Полое волокно использует уникальную структуру «двойного вложенного антирезонансного безузлового волокна» (DNANF), состоящую из множества концентрических стеклянных трубок толщиной порядка микрона. Стенки этих трубок действуют как микроскопические зеркала, непрерывно отражая свет обратно в центральный воздушный канал и подавляя моды более высокого порядка.

Эффект фотонной запрещённой зоны лежит в основе этой технологии. Тщательно спроектированные массивы микроструктурированных кремниевых колец эффективно ограничивают свет внутри воздушного ядра, значительно уменьшая взаимодействие света с материалом и, следовательно, значительно снижая затухание сигнала.

02 Прорыв в производительности: ключевые показатели побили 40-летний рекорд

Исследовательская группа достигла уровня затухания 0,091 дБ/км на длине волны связи 1550 нм, впервые превысив теоретический предел традиционного кварцевого волокна.

Еще более впечатляющим является то, что это полое волокно обеспечивает потери ниже 0,2 дБ/км в широком спектре 66 ТГц, что значительно превышает показатели традиционного кварцевого волокна, которое достигает таких характеристик только в узких диапазонах связи.

Традиционное оптоволокно теряет примерно половину мощности сигнала каждые 20 километров, что требует использования усилителей-ретрансляторов. Оптоволокно с полым сердечником увеличивает это расстояние примерно до 33 километров, снижая потребность в ретрансляторах на 46% и значительно сокращая энергопотребление и затраты на оборудование для дальней связи.

03 Стратегия Microsoft: от лаборатории к глобальному сетевому развертыванию

Инвестиции Microsoft в технологию полых волокон имеют стратегический характер. В 2022 году Microsoft приобрела компанию Lumenisity, обладающую передовой технологией полых волокон, и с тех пор продвигает эту технологию от лабораторных исследований до промышленного внедрения.

В настоящее время Microsoft использует около 1200 километров нового оптоволоконного кабеля, работающего в реальных сетях и передающего реальный трафик. На конференции Ignite 2024 компания Microsoft объявила о планах развернуть 15 000 километров полого оптоволокна в своей глобальной сети Azure в течение следующих 24 месяцев.

Это развертывание будет специально поддерживать требования искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в плане малой задержки и высокой пропускной способности, что свидетельствует о подготовке Microsoft к широкомасштабному коммерческому использованию технологии полых волокон.

04 Перспективы применения: неограниченный потенциал за пределами традиционных коммуникаций

Применение полого оптоволокна выйдет далеко за рамки традиционных коммуникаций. В области искусственного интеллекта оно удовлетворит потребность в быстрой передаче данных, необходимой для инструментов ИИ.

Квантовая связь представляет собой ещё одну важнейшую область применения. Полое волокно может передавать более чем в 1000 раз больше энергии, чем традиционные варианты, и передавать однофотонные импульсы видимого света.

В чувствительных к задержкам сценариях, таких как внутрицентровое соединение данных, высокочастотная финансовая торговля и распределенные интеллектуальные вычислительные центры, низкая задержка полого волокна будет играть важную роль.

05 Проблемы индустриализации: препятствия, связанные со стоимостью и стандартизацией

Несмотря на многообещающие перспективы, широкомасштабное коммерческое внедрение полых волокон по-прежнему сталкивается с трудностями. Основным препятствием является стоимость производства.

Традиционное волокно изготавливается путем плавления и вытягивания твердого стекла в тонкие нити, тогда как полое волокно начинается со стеклянной заготовки шириной около 20 см, в которой уже имеется встроенный полый канал.

При растяжении волокна до диаметра около 100 микрон, для сохранения структуры полости требуется герметизация. Этот процесс более сложный и точный, чем традиционное производство.

Глобальная стандартизация — ещё одна проблема. Отрасли необходимо разработать новые стандарты, чтобы обеспечить совместимость полого оптоволокна с существующими сетями.

Более того, волокно со сплошным сердечником по-прежнему остается основным направлением на рынке, а сопряжение его с полым волокном в практических приложениях представляет собой существенную проблему.

06 Международные исследования и разработки: мировые гиганты, стремящиеся к развитию

Помимо Microsoft, другие международные технологические гиганты активно развивают технологию полого оптоволокна. Nokia Bell Labs в сотрудничестве с Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) решила проблему слабого обратного рассеяния в полом оптоволокне, используя 20-километровую структуру на основе трубки со сверхнизкими потерями.

Компания BT (British Telecom) ранее сотрудничала с Lumenisity в проведении испытаний волоконно-оптических кабелей с полым сердечником. По мере развития технологии ожидается, что всё больше операторов связи присоединятся к испытаниям и развертыванию.

Академическое сообщество также принимает активное участие. Исследовательские группы Саутгемптонского университета совершенствуют эту технологию уже более десяти лет, закладывая прочную основу для её индустриализации.

Компания Microsoft объявила о планах по развертыванию 15 000 километров полого оптоволоконного кабеля в своей глобальной сети Azure в течение следующих двух лет, уделяя особое внимание поддержке потребностей искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.

Традиционные оптоволоконные кабели требуют повторителей сигнала примерно каждые 20 километров; волокно с полым сердечником увеличивает это расстояние до 33 километров. Это означает, что трансокеанские подводные кабели могут использовать почти вдвое меньше повторителей.

Полое волокно используется не только для текущих нужд связи; оно является основой инфраструктуры будущих квантовых сетей связи. Оно способно передавать хрупкие квантовые сигналы, открывая путь к появлению квантового интернета.