ООО «НТЦ «Интрофизика» Исследование возможности увеличения скорости передачи данных

Презентация
ООО «НТЦ «Интрофизика»
Исследование возможности увеличения скорости передачи данных
по многоканальным оптическим кабелям на основе двумерных
массивов VCSEL-лазеров, pin-фотодиодов и оптоволоконных жгутов
Директор ООО «НТЦ «Интрофизика», канд. техн. наук Никитин В.С.
2012 г.
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.
2
1
9
3
9
4
8
7
5
6
6
11
10
11
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 усилителяограничителя);
9 – разъем PCIe подключения к ПК;
10 – коаксиальные кабели;
11 – разъем для питающего кабеля
ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ
Общий вид передающего модуля
1
4
3
2
5
Индивидуальный
VCSEL-лазер
0,8 мм
6
30 мкм
7
Таблица 1 – Характеристики передающего модуля
1 – МПП;
2 – оптошина;
3 – опторазъем;
4 – драйвер лазера – микросхема
MAX3740A;
5 – LC-фильтр входного канала;
6 – элементы одного канала связи;
7 – разъем ASP-134603-01
Наименование характеристики
Тип платы
Значение
МПП
Число печатных слоев, шт.
2
Тип применяемых лазеров
VCSEL
Количество каналов, шт.
Схема подключения лазеров
Габаритные размеры (без опторазъема), мм
8
Общий катод
140×140×7
ПРИНИМАЮЩИЙ МОДУЛЬ
Общий вид принимающего модуля
1
6
0,8 мм
4
3
2
Кристаллы с массивами
pin-фотодиодов
в вафельной кассете
5
1 – МПП;
2 – оптошина; 3 – опторазъем; 4 – трансимпендансный усилитель MAX3657;
5 – усилитель-ограничитель MAX3964; 6 – драйвер одного фотодиода;
Таблица 2 – Характеристики принимающего модуля
Наименование характеристики
Тип платы
Число печатных слоев, шт.
Тип применяемых фотодиодов
Количество каналов, шт.
Схема подключения фотодиодов
Значение
МПП
2
pin
8
Общий катод
Массив
pin- фотодиодов
ОПТОВОЛОКОННЫЕ
РасчетШИНЫ,
объемаОПТИЧЕСКИЕ
денежных потоков
РАЗЪЕМЫ
по проекту
и АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
3
2
1
4
400х
1 – оптошина; 2 – концевик; 3 – наружная оболочка; 4 – ОВ
(регулярная гексагональная вертикальная укладка)
Опторазъем
Активированные лазеры
(вид через 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
В виду отсутствия
дополнительного разъема,
связанного с I/O ножками
ПЛИС, на плату SP605
установили
дополнительный
шестнадцатиконтактный
контрольный разъем, на
котором с 1 по 8 контакт
выведены с 0 по 7 каналы
данных, а остальные
Контрольный разъем:
контакты используются в
гнездо
PBD-16
c
Отладочная плата
качестве контрольных и
вилкой PLD-16
SP605 с ПЛИС
тестовых
АКТИВНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ
В образце многоканального оптического кабеля реализованы восемь активных каналов передачи/приема
информации, что было доказано в ходе проведения исследований.
Б
В
2
3
4
5
6
7
Г
А
1
Осциллограмма оценки правильности
передачи/приема информации – активности канала
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
8
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.
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Таблица 3 – Конструктивные и технические характеристики образца и его оптоэлектронных структур
Наименование параметра
Количество активных каналов в шине, шт., не менее
Тип оптоэлектронного передатчика
Количество лазеров в массиве, шт., не менее
Тип оптоволоконной шины
Оптический диаметр оптоволоконной шины, мм, не более
Длина оптоволоконной шины, мм, не менее
Тип оптоэлектронного приемника
Количество фотодиодов в массиве, шт., не менее
Питающее напряжение, В
Подача питающего напряжения
Радиус кругового массива VCSEL-лазеров R, мм
Длина волны излучения VCSEL-лазера, нм
Пороговый ток, мА
Выходная мощность, мВт
Плотность каналов по R, мм-2, не менее
Радиус кругового массива pin-фотодиодов, мм
Отклик pin-фотодиодов, А/Вт
Спектр отклика pin-фотодиодов, нм
Напряжение обратного смещения pin-фотодиодов, В
Материал оптоволокна
Диаметр ядра оптоволокна, мкм
Апертура оптошины, не менее
Разрешающая способность, линий на мм, не менее
Светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм,
%, не менее
Спектральный диапазон пропускания оптоволокна, мкм
Значение
8
структура в виде интегрального массива VCSEL-лазеров
8
оптоволоконный жгут
3,0
817,3
структура в виде интегрального массива pin-фотодиодов
8
передатчик – 3,3; приемник – 3,2
от отдельного источника питания
0,8
840 – 870
0,7 – 1,5
1–3
3,98
0,8
0,3 – 0,5
700 – 870
3 – 10
специальное стекло
30 ± 2
0,5
12
48
0,3 – 2,1
СКОРОСТЬ И ОШИБКА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ КАБЕЛЯ
Скорость передачи данных
1
2
Получено: 166 Мбит/с
3
4
5
6
7
Пиковая
активность
каналов
50 нс
8
Восемь
информ.
бит
Длительность одного информационного бита : ТВ = 50 : 8 = 6,25 (нс)
Скорость передачи данных по одному каналу : V = 1 : ТВ = 1 : 6,25 = 160 (Мбит/с) ; по осциллографу : 166 Мбит/с
Физическая суммарная скорость передачи данных по 8-и каналам : VСУМ = 166 · 8 = 1328 (Мбит/с)
Суммарная скорость передачи информационных бит : VСУМ.ИНФ = 1328 – 0,2 · 1328 = 1062,4 (Мбит/с)
Ошибка передачи данных
Получено: 3,3·10-7
2
1
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 109 бит – нет ни одной ошибки.
С достоверностью 99 % можно утверждать, что вероятность ошибки в
системе не более
Р = (1 · 10-9) : 30 = 3,3 · 10-7.
1 – условная линия “0”;
2 – устойчивая “1” –
отсутствие ошибок
Полоса пропускания кабеля
Передающий
модуль
Тактирующий
сигнал
166,6 МГц
Получено: 1333,3 МГц
Принимающий
модуль
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
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
Увеличение скорости передачи по
активному каналу
Оптимизация протоколов передачи
данных
Объем информации – 20 МБ
Число активных каналов – 4
Средняя скорость передачи по каналу:
V1 = 13,3 МБ/с; V2 = 22,0 МБ/с; V3 = 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
РАЗРАБОТКА
РЕКОМЕНДАЦИЙ
ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
РЕЗУЛЬТАТОВ
Расчет
объема денежных
потоков по проекту
25
Цена, млрд.дол.США
20
15
Оптические устройства
Электрические устройства
10
Общий рынок устройств
5
0
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Оптимистический прогноз рынка
USB-устройств
7
Цена, млрд.дол.США
6
5
4
Оптические устройства
Электрические устройства
3
Общий рынок устройств
2
1
0
2010
Спектр возможного применения
многоканального оптического кабеля
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Пессимистический прогноз рынка
USB-устройств
Спасибо за внимание