2012 г. ООО «НТЦ «Интрофизика» Презентация Директор ООО «НТЦ «Интрофизика», канд. техн. наук Никитин В.С. Исследование возможности увеличения скорости передачи данных по многоканальным оптическим кабелям на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров, pin-фотодиодов и оптоволоконных жгутов

ОБРАЗЕЦ МНОГОКАНАЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ В ходе выполнения работ изготовлен образец многоканального оптического кабеля, который функционально состоит из передающего модуля, содержащего интегральный массив с 8 VCSEL-лазерами с соответствующим драйвером, принимающего модуля, содержащего интегральный массив с 8 pin-фотодиодами с соответствующим драйвером и оптошины с опторазъемами. 1 – передающий модуль; 2 – принимающий модуль; 3 – оптоволоконная шина; 4 – опторазъем, в основании которого массив VCSEL-лазеров; 5 – опторазъем, в основании которого массив pin-фотодиодов; 6 – отладочная плата с ПЛИС; 7 – драйвер лазера (отдельная микросхема); 8 – драйвер фотодиода (пара из трансимпедансного усилителя и усилителя- ограничителя); 9 – разъем PCIe подключения к ПК; 10 – коаксиальные кабели; 11 – разъем для питающего кабеля

ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ 1 – МПП; 2 – оптошина; 3 – опторазъем; 4 – драйвер лазера – микросхема MAX3740A; 5 – LC-фильтр входного канала; 6 – элементы одного канала связи; 7 – разъем ASP – МПП; 2 – оптошина; 3 – опторазъем; 4 – драйвер лазера – микросхема MAX3740A; 5 – LC-фильтр входного канала; 6 – элементы одного канала связи; 7 – разъем ASP Наименование характеристики Значение Тип платыМПП Число печатных слоев, шт.2 Тип применяемых лазеровVCSEL Количество каналов, шт.8 Схема подключения лазеров Общий катод Габаритные размеры (без опторазъема), мм 140×140×7 Общий вид передающего модуля Таблица 1 – Характеристики передающего модуля Индивидуальный VCSEL-лазер Индивидуальный VCSEL-лазер 0,8 мм 30 мкм

ПРИНИМАЮЩИЙ МОДУЛЬ 1 – МПП; 2 – оптошина; 3 – опторазъем; 4 – трансимпендансный усилитель MAX3657; 5 – усилитель-ограничитель MAX3964; 6 – драйвер одного фотодиода; 1 – МПП; 2 – оптошина; 3 – опторазъем; 4 – трансимпендансный усилитель MAX3657; 5 – усилитель-ограничитель MAX3964; 6 – драйвер одного фотодиода; Наименование характеристики Значение Тип платыМПП Число печатных слоев, шт.2 Тип применяемых фотодиодовpin Количество каналов, шт.8 Схема подключения фотодиодов Общий катод Общий вид принимающего модуля Таблица 2 – Характеристики принимающего модуля Массив pin- фотодиодов Массив pin- фотодиодов 0,8 мм Кристаллы с массивами pin-фотодиодов в вафельной кассете Кристаллы с массивами pin-фотодиодов в вафельной кассете

Расчет объема денежных потоков по проектуОПТОВОЛОКОННЫЕ ШИНЫ, ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ и АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ – оптошина; 2 – концевик; 3 – наружная оболочка; 4 – ОВ (регулярная гексагональная вертикальная укладка) Активированные лазеры (вид через опторазъем) 400 х Опторазъем Для полного заполнения канала как на стороне передатчика, так и на стороне приемника применены шины PCI Express и устройства на этой шине – отладочные платы SP605 с ПЛИС Spartan-6 на базе кристалла XC6SLX45T в корпусе FPGA, реализующие интерфейс многоканального оптического кабеля Отладочная плата SP605 с ПЛИС Отладочная плата SP605 с ПЛИС Контрольный разъем: гнездо PBD-16 c вилкой PLD-16 В виду отсутствия дополнительного разъема, связанного с I/O ножками ПЛИС, на плату SP605 установили дополнительный шестнадцати контактный контрольный разъем, на котором с 1 по 8 контакт выведены с 0 по 7 каналы данных, а остальные контакты используются в качестве контрольных и тестовых

АКТИВНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ В образце многоканального оптического кабеля реализованы восемь активных каналов передачи/приема информации, что было доказано в ходе проведения исследований. Б Б В В Г Г А А 1…8 – осциллограммы 8-и активных каналов. На осциллограммах задержка между передаваемыми и принимаемыми данными в 177,5 нс связана с операциями передачи, кодировки и раскодировки сигнала в канале. А (желтый луч) – сигнал синхронизации данных, формируется один раз в 256 циклов обмена данными; Б (зеленый луч) – сигнал захвата, формируется при правильном приеме данных по всем восьми каналам. В случае отказа в работе хотя бы одного канала, данный сигнал сбрасывается (на осциллограмме появляются пики – визуализация ошибки); В (синий луч) – передаваемые данные, которые снимаются с ПЛИС передатчика до момента кодирования 8b/10b; Г (красный луч) – принимаемые данные, которые снимаются с ПЛИС приемника после раскодирования А (желтый луч) – сигнал синхронизации данных, формируется один раз в 256 циклов обмена данными; Б (зеленый луч) – сигнал захвата, формируется при правильном приеме данных по всем восьми каналам. В случае отказа в работе хотя бы одного канала, данный сигнал сбрасывается (на осциллограмме появляются пики – визуализация ошибки); В (синий луч) – передаваемые данные, которые снимаются с ПЛИС передатчика до момента кодирования 8b/10b; Г (красный луч) – принимаемые данные, которые снимаются с ПЛИС приемника после раскодирования Осциллограмма оценки правильности передачи/приема информации – активности канала

КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Таблица 3 – Конструктивные и технические характеристики образца и его оптоэлектронных структур Наименование параметра Значение Количество активных каналов в шине, шт., не менее 8 Тип оптоэлектронного передатчика структура в виде интегрального массива VCSEL-лазеров Количество лазеров в массиве, шт., не менее 8 Тип оптоволоконной шины оптоволоконный жгут Оптический диаметр оптоволоконной шины, мм, не более 3,0 Длина оптоволоконной шины, мм, не менее 817,3 Тип оптоэлектронного приемника структура в виде интегрального массива pin-фотодиодов Количество фотодиодов в массиве, шт., не менее 8 Питающее напряжение, Впередатчик – 3,3; приемник – 3,2 Подача питающего напряжения от отдельного источника питания Радиус кругового массива VCSEL-лазеров R, мм 0,8 Длина волны излучения VCSEL-лазера, нм 840 – 870 Пороговый ток, мА0,7 – 1,5 Выходная мощность, м Вт 1 – 3 Плотность каналов по R, мм -2, не менее 3,98 Радиус кругового массива pin-фотодиодов, мм 0,8 Отклик pin-фотодиодов, А/Вт 0,3 – 0,5 Спектр отклика pin-фотодиодов, нм 700 – 870 Напряжение обратного смещения pin-фотодиодов, В3 – 10 Материал оптоволокна специальное стекло Диаметр ядра оптоволокна, мкм 30 ± 2 Апертура оптошины, не менее 0,5 Разрешающая способность, линий на мм, не менее 12 Светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм, %, не менее 48 Спектральный диапазон пропускания оптоволокна, мкм 0,3 – 2,1

СКОРОСТЬ И ОШИБКА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ КАБЕЛЯ Скорость передачи данных Ошибка передачи данных Полоса пропускания кабеля 50 нс Восемь информ. бит Восемь информ. бит Длительность одного информационного бита : Т В = 50 : 8 = 6,25 (нс) Скорость передачи данных по одному каналу: V = 1 : Т В = 1 : 6,25 = 160 (Мбит/с) ; по осциллографу : 166 Мбит/с Физическая суммарная скорость передачи данных по 8-и каналам : V СУМ = 166 · 8 = 1328 (Мбит/с) Суммарная скорость передачи информационных бит : V СУМ.ИНФ = 1328 – 0,2 · 1328 = 1062,4 (Мбит/с) Пиковая активность каналов 1 – условная линия 0; 2 – устойчивая 1 – отсутствие ошибок Получено: 166 Мбит/с Получено: 3,3·10 -7 Получено: 1333,3 МГц Развертка осциллографа 100 мс/дел, полная развертка одного экрана осциллографа 1 с (время одной итерации наблюдения за сигналом захвата). Сигнал захвата в "1": при приеме 10 9 бит – нет ни одной ошибки. С достоверностью 99 % можно утверждать, что вероятность ошибки в системе не более Р = (1 · ) : 30 = 3,3 · Передающий модуль Принимающий модуль Тактирующий сигнал 166,6 МГц Один такт сигнала – передача одного бита информации. Максимальная полоса пропускания оптоволоконного кабеля 166,6 · 8 = 1333,3 (ГГц)

ВОЗМОЖНОСТЬ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Увеличение количества активных каналов Увеличение скорости передачи по активному каналу Оптимизация протоколов передачи данных Объем информации – 20 МБ Число активных каналов – 1, 2, 4, 8 Средняя скорость передачи по каналу – 13,5 МБ/с Результат: практически линейное увеличение общей скорости, в 7,74 раза Объем информации – 20 МБ Число активных каналов – 1, 2, 4, 8 Средняя скорость передачи по каналу – 13,5 МБ/с Результат: практически линейное увеличение общей скорости, в 7,74 раза Объем информации – 20 МБ Число активных каналов – 4 Средняя скорость передачи по каналу: V 1 = 13,3 МБ/с; V 2 = 22,0 МБ/с; V 3 = 35,8 МБ/с Результат : Нелинейное увеличение общей скорости практически в 5,37 раза Объем информации – 20 МБ Число активных каналов – 4 Средняя скорость передачи по каналу: V 1 = 13,3 МБ/с; V 2 = 22,0 МБ/с; V 3 = 35,8 МБ/с Результат : Нелинейное увеличение общей скорости практически в 5,37 раза Объем информации – 20 МБ Варианты протоколов: 1 – исходная версия (число активных каналов – 4, средняя скорость передачи по каналу – 13,5 МБ/с); 2 – оптимизация пороговых значений активации сигналов приемников и незначительное увеличение скорости передачи данных за счет снижения количества ложных срабатываний; 3 – оптимизация геометрии: поиск оптимальных сочетаний расположения источников, приемников и каналов друг относительно друга. Результат : незначительное увеличение общей скорости практически в 5,37 раза Объем информации – 20 МБ Варианты протоколов: 1 – исходная версия (число активных каналов – 4, средняя скорость передачи по каналу – 13,5 МБ/с); 2 – оптимизация пороговых значений активации сигналов приемников и незначительное увеличение скорости передачи данных за счет снижения количества ложных срабатываний; 3 – оптимизация геометрии: поиск оптимальных сочетаний расположения источников, приемников и каналов друг относительно друга. Результат : незначительное увеличение общей скорости практически в 5,37 раза

Расчет объема денежных потоков по проекту РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ Спектр возможного применения многоканального оптического кабеля Оптимистический прогноз рынка USB-устройств Оптимистический прогноз рынка USB-устройств Пессимистический прогноз рынка USB-устройств Пессимистический прогноз рынка USB-устройств

Спасибо за внимание