Физика/ 7. Оптика
К.т.н. Никитин В.С., Солостин А.В.
ООО “Научно-технологический центр информационной физики “Интрофизика”,
Россия
Разработка
экспериментального образца полнодуплексного “смартлинк соединения”
Разработан и реализован
экспериментальный образец полнодуплексного «смартлинк соединения» на
основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов, с конструктивными элементами, в том числе
интегральными оптическими, изготовленными методами 3D-печати. Реализованное
оптоволоконное соединение обладает свойством регенерации каналов связи,
осуществляемой программно-аппаратными методами, без организации дополнительного
резервирования оптических
трактов.
ООО “Интрофизика” осуществляет
научно-исследовательскую и прикладную практическую деятельность в области
разработки многоканальных оптоволоконных соединений
– смартлинков (смартлинк соединений) [1, 2].
Разработка экспериментального
образца полнодуплексного “смартлинк соединения” (ЭО ПСС), осуществляющего
одновременный прием и передачу информации по множеству оптоволоконных каналов, основана
на положениях теории интеллектуальных многоконтактных соединений [3, 4], а
также на результатах функционирования математической модели [5].
Экспериментальный образец функционально состоит из двух
взаимозависимых частей – аппаратной и программной.
На рисунке 1 показан общий вид
изготовленного ЭО ПСС, элементы аппаратной части которого размещены на
вертикальных консолях лабораторного комплекса для исследования характеристики
регенерации.
В состав аппаратной части ЭО ПСС
входят:
а) два приемо-передающих модуля для осуществления цепочки преобразования «электрический сигнал → оптический сигнал → электрический сигнал»;
б) оптоволоконные шины для полнодуплексной передачи оптических сигналов между оптоэлектронными компонентами;
в) 
два
устройства управления ЭО ПСС на основе комбинации программируемых
логических интегральных схем (ПЛИС), поддерживающих PCIe с одним
двунаправленным последовательным соединением Lane.
Рисунок 1 – Общий вид ЭО ПСС
Приемо-передающие модули ЭО ПСС абсолютно идентичны как по конструкции, так и по функциональным возможностям. Устройство приемо-передающего модуля ЭО ПСС показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Приемо-передающий модуль ЭО ПСС
Каждый из приемо-передающих модулей ЭО ПСС включает:
а) многослойную печатную плату (МПП) с поверхностно-монтируемыми изделиями (ПМИ);
б) двумерные массивы VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов, установленные в специальных корпусах;
в) комплект управляющих микросхем (драйверов) оптоэлектронных компонентов;
г) оптический многоканальный делитель сигналов для разделения оптических сигналов между массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей. Оптический делитель представляет собой полимерный, интегральный оптический элемент, выполненный методами 3D-печати.
Многослойная печатная плата состоит из 16-и слоев, выполнена с множеством сквозных и двумя типами глухих переходных отверстий. На наружных и внутренних слоях платы выполнена разводка 8-и линий передачи данных и 58-и линий приема данных и тактовых сигналов в виде дифференциальных пар. Двустороннее размещение элементов на МПП позволило реализовать компоновочное решение приемной части, разместив микросхемы и обвязку приемных каналов симметрично друг под другом на лицевой и оборотной сторонах платы. Симметричная относительно ядра платы структура слоев разводки дифференциальных пар передачи данных и тактовых сигналов, использование двух симметричных типов глухих отверстий, рациональное размещение опорных плэйнов земли и питания позволило проложить линии передачи данных по кратчайшему расстоянию и выполнить выравнивание длин линий передачи на минимальной площади, обеспечив требования по электромагнитной совместимости. Защита проводников и переходных отверстий на плате выполнена с использованием маски Elремеr GL2467 SМ-DG.
Основными элементами приемо-передающего модуля являются двумерный массив из 8-и VCSEL-лазеров и двумерный массив из 29-и pin-фотодиодов, установленные в специальных корпусах в зонах передатчика и приемника соответственно (рисунок 3).
Специальный корпус для размещения оптоэлектронного компонента представляет собой сборную полимерную конструкцию, выполненную с применением методов 3D-печати. Микросхема с массивом VCSEL-лазеров (корпус передатчика) или массивом pin-фотодиодов (корпус приемника) располагается в основании специального корпуса. Доступ к VCSEL-лазерам или pin-фотодиодам (вход для коннектора делителя или оптошины) осуществляется через конусообразную горловину основания.
Рисунок 3 – Оптоэлектронные компоненты в специальных корпусах
Вокруг специального корпуса с массивом VCSEL-лазеров
располагаются 8 драйверов-микросхем лазеров, которые обеспечивают лазерам стабильные параметры питающего напряжения и/или тока.
В качестве аппаратного драйвера выбрана драйвер-микросхема MAX3740AETG –
быстродействующий драйвер для SFF- и SFP-передатчиков
волоконно-оптических линий связи. Прибор содержит источник смещения, модулятор
лазера и различные узлы защиты. Автоматическая регулировка мощности позволяет
корректировать ток смещения лазера для поддержания постоянного уровня
оптического излучения при изменении температуры окружающей среды и
излучательных свойств лазера. Драйвер позволяет сконфигурировать выход как
дифференциальный или по схеме с общим коллектором. MAX3740AETG работает на
скорости до 3,2 Гб/с, имеется возможность программирования токов смещения и
модуляции до 15 мА. Схема температурной коррекции позволяет сохранять
неизменным уровень излучения во всем рабочем температурном диапазоне. Схема
защиты MAX3740AETG отслеживает режимы, которые могут вызвать повреждения
кристалла, и блокируют вывод VCSEL-лазера [6]. Паразитные индуктивности
увеличивают сопротивления лазеров на высоких частотах и, как следствие,
приводят к дребезгу, выбросам и деградации лазеров. Для борьбы с ними
использованы сетевые компенсирующие фильтры, снижающие сопротивление лазеров на
высоких частотах и уменьшающие тем самым уровень помех.
Вокруг специального корпуса с массивом pin-фотодиодов
располагаются трансимпедансные усилители (усилители с обратной связью): 14
усилителей расположены на лицевой стороне МПП, 15 – на оборотной стороне МПП. В качестве трансимпедансных усилителей для pin-фотодиодов выбраны микросхемы MAX3658AETA
– полнофункциональное, высококачественное
однокристальное решение для преобразования тока фотодиода в дифференциальное
напряжение. Его основное преимущество –
отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого
усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без
коррекции. Работая от питания +3,3 В, микросхема MAX3658AETA потребляет всего 66 мВт. Встроенный фильтр-резистор
обеспечивает положительное смещение на фотодиод, микросхема включает монитор
фототока. MAX3658AETA имеет типичную оптическую чувствительность -33 дБм [7].
В общем случае на МПП каждого
приемо-передающего модуля ЭО ПСС находится 1417 ПМИ, в том числе 81 микросхема
Для
полнодуплексной передачи оптических сигналов между оптоэлектронными
компонентами приемо-передающих модулей ЭО ПСС используются оптоволоконные шины
с оптическим диаметром 3 мм. На рисунке 4 показаны варианты оптоволоконных шин
для ЭО ПСС в зависимости от используемых в приемо-передающих модулях ЭО ПСС
макетов оптических многоканальных делителей сигналов. Оптоволоконные шины
изготовлены ОАО «ЛЗОС» (http://lzos.ru/index.php).
Рисунок 4 – Варианты использования оптоволоконных шин для ЭО ПСС
Наружная оболочка оптоволоконной шины выполнена из поливинилхлоридного пластиката, обладает высокой гибкостью. Диаметр оптоволоконной шины по наружной оболочке составляет 4,5 мм. Оптические волокна туго собраны в пучок, тип укладки - регулярная гексагональная вертикальная. Оптоволоконные шины изготовлены с использованием многомодовых оптических волокон из специального стекла: сердцевина ОВ - стекло ТК16, оболочка - стекло ВО73.
Устройства управления ЭО ПСС реализованы на основе комбинации ПЛИС, поддерживающих PCIe с одним двунаправленным последовательным соединением Lane. На рисунке 5 показаны элементы устройства управления одного приемо-передающего модуля ЭО ПСС. Второй приемо-передающий модуль содержит аналогичное устройство управления.
Рисунок 5 – Устройства управления приемо-передающего модуля
В программной части ЭО ПСС реализованы
следующие событийно-ориентированные компоненты:
а)
приложения
верхнего уровня для приема и передачи данных приемо-передающих модулей, а также
сбора необходимой для исследований статистической информации;
б)
библиотеки
базовых функций Windows API (DLL-библиотеки) для
реализации протокола обмена данными между приложениями верхнего и нижнего
уровня;
в)
программные
драйверы для управления работой оптоэлектронных компонентов (массивов
VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов).
Основными функциями программной
части являются:
а)
передача и прием
информационного потока данных;
б)
оценка качества
приема-передачи информационного потока данных;
в)
оценка
эффективности работы систем диагностики и регенерации (самовосстановления) “смартлинк
соединения”;
г)
обнаружение и фиксация
ошибок, возникающих при передаче данных в передаваемых/принимаемых файлах;
д)
обеспечение
вывода сообщений об ошибках, возникающих при передаче данных в
передаваемых/принимаемых файлах, в виде записи в текстовом файле журнала
ошибок.
Для осуществления приема и
передачи данных приемо-передающих модулей, а также сбора необходимой для
исследований статистической информации, приложения верхнего уровня управляют
ПЛИС Xilinx Spartan. Интерфейс для управления ПЛИС предоставляется
разработанными библиотеками базовых функций Windows API.
Библиотеки базовых функций
Windows API предназначены для реализации протокола обмена данными между
приложениями верхнего и нижнего уровня, в том числе и для ПЛИС на шине PCIe. Библиотеки базовых функций Windows API реализуют как
функции программных драйверов устройства (режим пользователя User-mode), так и
протокол логического канала соединения.
Приложения верхнего уровня и
библиотеки базовых функций Windows API программной части ЭО ПСС функционируют
на ядрах ОС Windows версии 2k и выше.
Программные драйверы,
предназначенные для управления работой оптоэлектронных компонентов, включают
драйвер для управления работой массива VCSEL-лазеров и драйвер для управления
работой массива pin-фотодиодов. Основные функции управления передающей частью
приемо-передающего модуля (содержащей массив VCSEL-лазеров) и принимающей
частью приемо-передающего модуля (содержащей массив pin-фотодиодов) зашиты в ПЛИС. Реализация программных
драйверов, предназначенных для управления работой оптоэлектронных компонентов,
в виде одной программы имеет ряд преимуществ перед реализацией двух отдельных
программ:
а)
в случае
реализации двух отдельных программ, они
будут включать в себя ряд дублирующих функций (например, запуск и отключение
устройства, управление питанием и пр.);
б)
нет необходимости
организовывать взаимодействие в их общем стеке;
в)
нет опасности
конфликта программ между собой и пр.
Суть функционирования устройств управления ЭО ПСС заключается в следующем (рисунок 6)
Отладочная плата SP605, в состав которой входит программируемая логическая интегральная схема компании XILINX, служит для преобразования данных, получаемых по шине PCIe, в цифровой поток для оптической среды передачи данных.
Плата приемо-передающего модуля (оптотрансивера), в состав которой входит ПЛИС компании Altera, осуществляет организацию Link-уровня оптического канала, формирует статистику по приемным каналам с последующей передачей ее через универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) в ПК (главный интерфейс пользователя, ГИП), а также производит прием данных от отладочной платы SP605 и преобразует их в транспортный уровень оптического канала. Преобразованные данные поступают на входы оптических передатчиков. С входов оптических приемников данные поступают на матрицу, которая, анализируя транспортный протокол, принимает решение о качестве и количестве приемных каналов и восстанавливает полученные данные в формат цифрового потока для оптической среды передачи данных, для дальнейшей передачи их в отладочную плату SP605 и шину PCIe.
Рисунок 6 – Функционирование устройств управления ЭО ПСС
Сопряжение приемо-передающих модулей ЭО ПСС с отладочными платами SP605 осуществляется с помощью многоконтактных разъемов (160-и контактных мезонинных разъемов SEAM).
На рисунке 7 показаны этапы и соответствующие им схемы преобразования изображения в оптической системе (вариант оптимизированной схемы полнодуплексного “смартлинк соединения” с двумя оптическими многоканальными делителями сигналов).
Рисунок 7 – Схемы преобразования изображения в оптической системе
Свет
от источника сигналов первой вычислительной системы отображается на входном
сечении первого делителя. На выходе первого делителя формируется изображение
массива, чередующееся неактивными пакетами световодов приемного плеча первого
делителя. В результате такой операции высота изображения увеличивается вдвое (с
3 до 6 мм), так как число пакетов
приемного плеча делителя равно числу пакетов передающего плеча делителя,
а их высоты одинаковы.
Для
сжатия изображения выходного пакета первого делителя до диаметра оптошины (3
мм) используется сжимающая цилиндрическая линза, изготовленная методами
SLA-печати из оптически прозрачной смолы. Линза установлена на выходном сечении
суммирующего плеча делителя. С линзой стыкуется полнодуплексная оптошина на
основе оптического регулярного жгута диаметром 3 мм. Сжатое изображение по
оптошине поступает на вторую цилиндрическую линзу, установленную на втором
конце оптошины. Вторая цилиндрическая линза восстанавливает (расширяет) изображение,
полученное от первого массива
передатчиков до исходной высоты 6 мм, при этом происходит формирование нового
изображения, которое зависит от взаимной ориентации суммирующих сечений первого
и второго делителей: взаимно параллельной ориентации либо взаимно
перпендикулярной ориентации пакетов делителей.
Эти
изображения не эквивалентны.
Изображение,
сформированное на суммирующем плече первого делителя, трансформируется выходным
плечом второго делителя (удаляются пакеты, которые повернуты к выходному
сечению делителя). Это изображение по короткой полудуплексной оптошине
передается на массив приемников и попадает на pin-фотодиоды массива приемников
второй вычислительной системы, образуя соединенные каналы полнодуплексного “смартлинк
соединения”.
Аналогичные
процессы протекают при передаче сигналов в обратном направлении.
Исследования проводятся при
финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения Соглашения
от 24 ноября 2014 г. №14.579.21.0067 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X0067).
Литература:
1. Никитин В.С. Смартлинки - умные соединения / В.С. Никитин, Э.И. Семенов, А.Н. Ломанов, А.В. Гусаров // Фотоника. – 2009. – № 13. – С.32-39.
2. Никитин В.С. Первый смартлинк создан в России / В.С.
Никитин, Э.И. Семенов, А.Н. Ломанов // Фотоника. – 2010. – № 2. – С.30-34.
3. Пат.
2270493 Российская Федерация, МПК7
H 01 L
23/525. Способы самовосстанавливающегося соединения многоконтактных
приборов или микросхем и устройство для его осуществления [Текст]/ Никитин В.С.; заявитель и патентообладатель Никитин В.С. – № 2004101348/28; заявл.
16.01.2004; опубл. 20.02.2006. Бюл. № 5 – 1 с. : ил., табл.
4. Пат. 2350054
Российская Федерация, МПК7 H 05 K 1/00, H 01
L 23/52. Микросхема с оптоволоконными многоконтактными соединениями [Текст]/ Никитин В.С.; заявитель и патентообладатель Никитин В.С. – № 2007108476/09; заявл.
06.03.2007; опубл. 20.03.2009. Бюл. № 8 – 1 с. : ил., табл.
5. Никитин В.С. Моделирование работы “смартлинк соединения” / В.С. Никитин, Э.И. Семёнов, А.В. Солостин, В.Г. Шаров, С.В. Чайка // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 1. – С. 64-72. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-1-64-73.
6. MAX3740 3.2 Гбит/с SFP VCSEL драйвер с диагностическими мониторами [Электронный ресурс]: ООО Рынок Микроэлектроники, - http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/communications/max3740.htm.
7. 622Mbps, Low-Noise, High-Gain Transimpedance Preamplifier [Электронный ресурс]: 5 элемент. Электронные компоненты, - http://fivel.ru/product/data-sheet/fr2292378.