Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELL’ELETTRONICA ATTUALE E FUTURA

1. Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELL’ELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI A FIBRE OTTICHE PER GLI ESPERIMENTI DI LHC Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

2. Reciver Transmitter Modulator Amplifier Detector Light Source Light Sensor Glass Fibre Connector Connector Electricity Light Electricity Il concetto della trasmissione ottica • Sistema di principio di trasmissione ottica Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

3. Spettro delle comunicazioni ottiche Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

4. 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) Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

5. Limitazioni • 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) Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

6. Che 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 65.5µm diametro cladding 125µm n1= 1.461 n2= 1.460 ∆n=0.001÷0.01 Materiale: core in Silica (SiO2) cladding Silica drogata Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

7. Profilo dell’indice di rifrazione Nella propagazione multimodo esistono infiniti raggi che incidono nella faccia della fibra con angoli diversi, ciascun raggio incidente viene detto modo. 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. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

8. n2 n1 Dispersione Modale Si ha principalmente nelle fibre multimodo. E’ causata dalla differenza dei percorsi dei vari modi all’interno del core. Velocità effettiva in direzione dell’asse La massima differenza di tempo riguarda il modo corrispondente all’angolo critico e quello in direzione orizzontale. Apertura Numerica 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. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

9. 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. Dispersione Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

10. ATTENUAZIONE Espressa per comodità in unità logaritmiche (dB/Km). Determina la massima distanza copribile senza ripetitori. Può essere rappresentata come un polinomio Perdite per microcurvature, provocate da piccole irregolarità alla superficie della fibra o all’interfaccia core-cladding. Diffusione di Rayleigh. Disomogeneità nell’indice di rifrazione. 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). Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

11. Curve tipiche d’attenuazione Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

12. Mezzi a confronto Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

13. Tecniche di giunzione La 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 estrinsechecausate da fattori legati alla giunzione -- perdite intrinsechecausate da proprietà legate alla costruzione delle fibre. Il controllo dell’allineamento del solo mantello esterno può non essere sufficiente. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

14. λ1 λ2 λ3 λ4 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. Il parametro fondamentaleè 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. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

15. Connettori per fibre ottiche SC LC • Alcuni tipi più comuni di connettori ottici FC MPO • 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 ST Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

16. BOLOGNA BOLOGNA Link ottici in LHCb • Calorimeters system Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

17. Transmitter board Receiver board 16 bits @ 80 MHz 32 bits @ 40 MHz 32 bits @ 40 MHz Optical Transmitter Optical Receiver De-Mux & Synch. TLK2501 Deserializer Fiber Optical 1.6 Gb/s GOL Serializer Data In Data Out Crystal Oscillator 80MHz Clock Clock Low jitter 40 MHz 40 MHz  80 meters  Link ottici in LHCb • Specifiche principali -- distanza del collegamento circa 80m -- Data rate, 1.28Gb/s -- basso BER(Bit Error Rate) Schema a blocchi di un canale ottico Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

18. Mezzanine Verranno 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. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

19. Scelte: Serializzatore 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. 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). Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

20. Scelte: De-Serializzatore 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 clock Richiede il ckock con jitter <40ps p-p. Interfaccia seriale di tipo differenziale. Alimentazione +2.5V (360mW). Packege: 64 pin VQFP (Power PAD), (12x12mm). TLK2501 transceiver, Texas Insrtument Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

21. Scelte: 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 fotodiodo interno, permette di realizzare la retroazione e mantenere il livello di potenza ottica. Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

22. Scelte: Optical Transmitter 2.125 Gbit/s Fibre Channel Standard 2x5 pin SFF 850nm VCSEL laser trasmier Connettore LC duplex Supporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodale Alimentazione +3.3V, dissipazione circa 750mW. -- Optical Receiver: HFBR-722BP, Parallel Fiber Optic Modules, Agilent 12 canali indipendenti 2.5 Gbit/s per canale Standard SNAP12 850nm VCSEL laser trasmier Connettore MPO Supporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodale 500MHz•Km Alimentazione +3.3V, dissipazione circa 2.25W. Nelle versioni finali -- sarà utilizzato l’equivalente ZL60101 della Zarlink (ingombro). -- Optical Transmitter/Receiver: FTRJ-8519-1-2.5 transceiver, Finisar Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

23. Scelte: 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 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

24. Prototipo TX - RX Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

25. BERT Xilinix FPGA VME Control Fiber Optical 1.6 Gb/s Receiver board Transmitter board  80 meters  Crystal Oscillator 80MHz DG2040 Tektronix 40MHz SDA 5000 Lecroy Test, metodo del pattern generator Il BER è un indicatore che misura la qualità trasmissiva del sistema di comunicazione 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: • BERT (Bit Error Rate Test) implementato su FPGA Xilinx. 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 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

26. Test, metodo del diagramma ad occhio Scopo: verificare che il BER di circa 10-14 sia possibile. Condizione: • Oscilloscopio Lecroy SDA5000 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 Sheet Es. 0.40UI Conclusione: il valore di BER è verificato. Jitter sul clock Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

27. Test Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica