Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica1 Il PROBLEMA DELLE...

Bologna, 6 Maggio 2004

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI

NELL’ELETTRONICA ATTUALE E FUTURA

COLLEGAMENTI A FIBRE OTTICHE

PER GLI ESPERIMENTI DI LHC



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Il concetto della trasmissione otticaIl concetto della trasmissione otticaSistema di principio di trasmissione ottica

Modulator Amplifier Detector

Light Source

Connector Connector

Light Sensor

Transmitter Reciver

Electricity ElectricityLight

Glass Fibre



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Spettro delle comunicazioni otticheSpettro delle comunicazioni ottiche



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Vantaggi della trasmissione in fibra ottica

Vantaggi della trasmissione in fibra ottica

basse perdite di trasmissione banda di trasmissione molto grande immunità al rumore elettromagnetico basso costo ingombro e peso ridotto materiale resistente e flessibile maggiore sicurezza (risulta bassissimo il segnale

che va all’esterno del cavo)



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LimitazioniLimitazioni

unione tra due cavi raggio di curvatura richiede la conversione elettro-ottica possibili interferenze delle radiazioni gamma

provenienti dallo spazio.Su alcuni tipi di materiale possono provocare emissione di luce o alterazione del colore della fibra, provocando un aumento del rumore e dell’attenuazione.

(in condizioni normali sono poco influenti)



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Che cosa è una fibra otticaChe cosa è una fibra ottica è una guida d’onda dielettrica cilindrica, formata da un core e da un cladding l’interfaccia tra core e cladding realizza uno specchio perfetto in grado di confinare i raggi all’interno del core. Dimensioni tipiche:diametro core da 9 a 65.5µmdiametro cladding 125µmn1= 1.461n2= 1.460∆n=0.001÷0.01Materiale: core in Silica (SiO2) cladding Silica drogata

C o re

C la d d in g

n 1

n 2 n 1 > n 2



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Profilo dell’indice di rifrazioneProfilo dell’indice di rifrazione

Ogni modo si propaga su un percorso geometrico diverso.

Il modo che compie il percorso più lungo lo fa principalmente in un mezzo più veloce. Il profilo dell’indice ha una forma tale da realizzare l’annullamento delle differenze temporali tra i modi.

Il numero di modi che si propagano dipende dal diametro del core.Se il diametro del core è comparabile con λ si propaga un solo modo.

Nella propagazione multimodo esistono infiniti raggi che incidono nella faccia della fibra con angoli diversi, ciascun raggio incidente viene detto modo.



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Dispersione ModaleDispersione ModaleSi ha principalmente nelle fibre multimodo. E’ causata dalla differenza dei percorsi dei vari modi all’interno del core.

n2

n1

Velocità effettiva in direzione dell’asse

L’effetto della dispersione è l’allargamento dell’impulso luminoso. Questo limita la minima distanza temporale tra due impulsi luminosi, ossia il massimo numero di bit/s.

Tenendo conto del Goos-Hänchen shift, la velocità d’ogni modo è leggermente maggiore di quella geometrica, dato che una parte del percorso avviene in direzione quasi orizzontale e in un mezzo più veloce del core.

Per ridurre la dispersione modale in una fibra multimodo si realizza un profilo dell’indice a gradiente.

2

2

max 2Cn

NAL

La massima differenza di tempo riguarda il modo corrispondente all’angolo critico e quello in direzione orizzontale.

Apertura Numerica2

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1 nnNA

senn

cVeff

1



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Dispersione Cromatica o del Materiale

Dispersione Cromatica o del Materiale

Deriva dalla variazione d’indice con la lunghezza d’onda, risulta significativa per portanti ottiche con ampie bande di modulazione o di scarsa monocromaticità (sorgenti a LED).

Differenza temporale delle lunghezze d’onda

L’andamento della dispersione è crescente con λ e si annulla, per la silica, intorno a 1300nm.

λ=1300nm è interessante poiché, nella curva di attenuazione, ha un minimo.

È utilizzata per comunicazioni a grande distanza.

2

2

d

nd

c

L

mD Dispersione



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ATTENUAZIONEATTENUAZIONE

Espressa per comodità in unità logaritmiche (dB/Km).Determina la massima distanza copribile senza ripetitori.

L

PP outinKmdB

)/(log10 10/

)()()()( 54321

:1 Perdite per microcurvature, provocate da piccole irregolarità alla superficie della fibra o all’interfaccia core-cladding.

Diffusione di Rayleigh. Disomogeneità nell’indice di rifrazione.:)(2

:)(3 Impurezze risonanti. Molecole estranee incorporate nella fibra, tipicamente radicali OH -, che provocano picchi di assorbimento.

Assorbimento UV. La coda di assorbimento, anche se di poco, si estende nel vicino infrarosso.

Assorbimento IR. È significativo solo per lunghezze d’onda >1400nm. Determina la massima lunghezza d’onda impiegabile con le fibre in silice (1700nm).

:)(4

:)(5

Linout ePP

Può essere rappresentata come un polinomio



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Curve tipiche d’attenuazioneCurve tipiche d’attenuazione



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Mezzi a confrontoMezzi a confronto



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Tecniche di giunzioneTecniche di giunzioneLa criticità nella giunzione è legata alle dimensioni della fibra (dell’ordine di qualche μm).

La giunzione tra 2 fibre può essere realizzata mediante :-- giunti a fusione (perdita circa 0.05dB)-- giunti meccanici-- connettori meccanici (perdita circa 0.2dB)

Cause di perdite dei giunti-- perdite estrinseche causate da fattori legati alla giunzione

-- perdite intrinseche causate da proprietà legate alla costruzione delle fibre. Il controllo dell’allineamento del solo mantello esterno può non essere sufficiente.



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Trasmissione WDM (Wavelenght Division Multiplexing)

Trasmissione WDM (Wavelenght Division Multiplexing)

Per aumentare la capacità della fibra si usa la tecnica della multiplazione a divisione di λ.All’interno della finestra trasmissiva della fibra si trasmettono numerosi canali a diversa lunghezza d’onda.

λ1 λ2 λ3 λ4

Il parametro fondamentale è rappresentato dalla spaziatura Δλ tra i canali ottici.Le normative prevedono che la spaziatura sia un multiplo di 0.4nm (50GHz).Δλ più piccoli permettono una maggiore capacità trasmissione. Vi è però un limite tecnologico dei Mux/DeMux.

Attualmente la banda di trasmissione digitale arriva a 10÷20Gb/s, nei laboratori si è arrivati fino a 100Gb/s.Considerato che per un canale telefonico occorrono 64Kb/s, il numero di canali telefonici su una singola fibra è, rispettivamente, 156K÷312K e 1.5M.La multiplazione permette di avere circa 132canali indipendenti.



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Connettori per fibre otticheConnettori per fibre ottiche Alcuni tipi più comuni di connettori ottici

SC

FC

LC

ST

MPO

Connector Type

Insertion Loss

(MM)

Insertion Loss

(SM)Return Loss

SC 0.25 dB 0.2 dB 40 dB

FC 0.25 dB 0.2 dB 40 dB

ST 0.25 dB 0.2 dB 40 dB

LC 0.15 dB 0.17 dB 40 dB

MPO 0.50 dB 0.75 dB 40 dB

Il tipo di accoppiamento ricalca in genere quello dei connettori per radiofrequenza (BNC, SMA) e può essere classificato in accoppiamento: -- a vite

-- a baionetta-- a scatto



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Link ottici in LHCbLink ottici in LHCb Calorimeters system

BOLOGNA

BOLOGNA



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Link ottici in LHCbLink ottici in LHCb Specifiche principali

-- distanza del collegamento circa 80m -- Data rate, 1.28Gb/s -- basso BER (Bit Error Rate)

Fiber Optical1.6 Gb/sGOL

Serializer

Optical Transmitter

32 bits @40 MHz

Transmitterboard

Data In

Clock Low jitter

40 MHz

80 meters

OpticalReceiver

TLK2501Deserializer

De-Mux&

Synch.

32 bits @40 MHz

16 bits @80 MHz

Data Out

Crystal Oscillator 80MHz

Clock40 MHz

Receiverboard

Schema a blocchi di un canale ottico



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MezzanineMezzanineVerranno realizzate due schede mezzanine di trasmissione, una a singolo canale ed una a 12 canali, da distribuire ai vari gruppi della collaborazione.Bologna realizzerà inoltre la scheda di Selection Crate con 28 Rx e 3 Tx inglobati nel PCB.La densità di canali non permette in questo caso l’adozione delle mezzanine.



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Scelte: SerializzatoreScelte: Serializzatore GOL (Gigabit Optical Link), sviluppato al CERN per vari esperimenti.

In LHC il clock distribuito dal TTC (Timing Trigger and Control), ha un jitter > 100ps p-p non idoneo per realizzare valori di BER accettabili.Per ridurre il jitter, al CERN, hanno sviluppato un filtro realizzato con un chip QPLL (Quartz crystal based Phase Locked Loop).

Multi protocollo: G-Link e Gigabit Ethernet (8B/10B).Tollerante alle radiazioni.Rate: Fast 1.6Gbit/s (32 bit data input @ 40MHz), Slow 0.8Gbit/s (16 bit data input @ 40MHz).PLL interno per la sintesi del clock.Interfacce per il controllo e lo status: JTAG e I2C.Driver: Laser driver e 50Ω line driver.Alimentazione +2.5V (400mW).Packege: 144 pin fpBGA (13x13mm).Richiede il ckock con jitter <100ps p-p.



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Scelte: De-SerializzatoreScelte: De-Serializzatore TLK2501 transceiver, Texas Insrtument

Protocollo: Gigabit Ethernet (8B/10B).Rate: Fast 1.5Gbit/s to 2.5Gbit/s (16 bit data input @ 75MHz to 125MHz).

PLL interno per la sintesi del clockRichiede il ckock con jitter <40ps p-p.

Interfaccia seriale di tipo differenziale.

Alimentazione +2.5V (360mW).

Packege: 64 pin VQFP (Power PAD), (12x12mm).



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Scelte: LASERScelte: LASER

-- Nel singolo canale è utilizzato il diodo laser ULM850-05-TN-USMBOP della ULM Photonics, 5 Gb/s a 850nm con connettore SMA (economico rispetto ai moduli).

Le caratteristiche del laser possono variare da laser a laser e in qualche caso con la temperatura e l’invecchiamento.La corrente di monitor, ottenuta dal foto diodo interno, permette di realizzare la retroazione e mantenere il livello di potenza ottica.



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Scelte: Optical TransmitterScelte: Optical Transmitter-- Optical Transmitter/Receiver: FTRJ-8519-1-2.5 transceiver, Finisar

2.125 Gbit/s Fibre ChannelStandard 2x5 pin SFF850nm VCSEL laser trasmierConnettore LC duplexSupporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodaleAlimentazione +3.3V, dissipazione circa 750mW.-- Optical Receiver: HFBR-722BP, Parallel Fiber Optic Modules, Agilent12 canali indipendenti2.5 Gbit/s per canaleStandard SNAP12850nm VCSEL laser trasmierConnettore MPOSupporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodale 500MHz•KmAlimentazione +3.3V, dissipazione circa 2.25W.

Nelle versioni finali-- sarà utilizzato l’equivalente ZL60101 della Zarlink (ingombro).



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Scelte: CavoScelte: Cavo

La scelta del cavo è vincolata dai dispositivi di conversione elettro-ottica.Nella scelta si sono considerati i parametri:-- distanza;-- data rate;-- costo del singolo canale.

Risultano idonei:-- multimodale-- 850nm-- 50/125µm



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Prototipo TX - RX Prototipo TX - RX



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Test, metodo del pattern generatorTest, metodo del pattern generator

BERT (Bit Error Rate Test) implementato su FPGA Xilinx.

Fiber Optical1.6 Gb/s

Transmitterboard

80 meters

DG2040Tektronix40MHz

Receiverboard

SDA 5000Lecroy

BERT

XilinixFPGA

VMEControl

Crystal Oscillator 80MHz

I pattern da 32 bit generati in modo pseudo-random, trasmessi e ricevuti dal link ottico sono confrontati da una logica di controllo. La stima del BER è da:

totaliBit

erratiBitBER

_

_

Un sistema trasmissivo può essere definito error-free se presenta un BER di circa 10-9÷10-12

Per misurare un tasso di errore di 10-N è ragionevole prendere in considerazione almeno 10N bit.@ 1.6Gb/s BER=10-14

BER test 1014x625ps=62.500s=17,36 ore

Il BER è un indicatore che misura la qualità trasmissiva del sistema di comunicazione



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Test, metodo del diagramma ad occhio

Test, metodo del diagramma ad occhio

Oscilloscopio Lecroy SDA5000

Scopo: verificare che il BER di circa 10-14 sia possibile.Condizione:

toreserializzaDeialeSegnaleSer AOAO Il calcolo del jitter e quindi l’apertura dell’occhio è effettuato considerando una deviazione standard corrispondente al BER da verificare, nell’ipotesi di

distribuzione Gaussiana.Es. 0.43UI

Da Data SheetEs. 0.40UI

Conclusione: il valore di BER è verificato.

Jitter sul clock



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TestTest

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