Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELL’ELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI A FIBRE OTTICHE PER GLI ESPERIMENTI DI LHC Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Il concetto della trasmissione ottica Sistema di principio di trasmissione ottica Modulator Amplifier Detector Light Source Connector Light Sensor Transmitter Reciver Electricity Light Glass Fibre Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Spettro delle comunicazioni ottiche Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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) Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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) Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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 n2 n1 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. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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). Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Curve tipiche d’attenuazione Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica Mezzi a confronto Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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 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. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Connettori per fibre ottiche Alcuni tipi più comuni di connettori ottici SC LC Connector Type Insertion Loss (MM) (SM) Return Loss SC 0.25 dB 0.2 dB 40 dB FC ST LC 0.15 dB 0.17 dB MPO 0.50 dB 0.75 dB 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 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica Link ottici in LHCb Calorimeters system BOLOGNA Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

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 Fiber Optical 1.6 Gb/s GOL Serializer Optical Transmitter 32 bits @ 40 MHz Transmitter board Data In Clock Low jitter  80 meters  Optical Receiver TLK2501 Deserializer De-Mux & Synch. 16 bits @ 80 MHz Data Out Crystal Oscillator 80MHz Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Scelte: Serializzatore GOL (Gigabit Optical Link), sviluppato al CERN per vari esperimenti. 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. 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). Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Scelte: 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 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). Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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 foto diodo interno, permette di realizzare la retroazione e mantenere il livello di potenza ottica. Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Scelte: Optical Transmitter -- Optical Transmitter/Receiver: FTRJ-8519-1-2.5 transceiver, Finisar 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 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). Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica 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 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica Prototipo TX - RX Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Test, metodo del pattern generator Il BER è un indicatore che misura la qualità trasmissiva del sistema di comunicazione BERT (Bit Error Rate Test) implementato su FPGA Xilinx. 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: Fiber Optical 1.6 Gb/s Transmitter board  80 meters  DG2040 Tektronix 40MHz Receiver SDA 5000 Lecroy BERT Xilinix FPGA VME Control Crystal Oscillator 80MHz 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 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Test, metodo del diagramma ad occhio Scopo: verificare che il BER di circa 10-14 sia possibile. Condizione: 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. Oscilloscopio Lecroy SDA5000 Jitter sul clock Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica

Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica Test Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica