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
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Il concetto della trasmissione ottica
 Sistema
di principio di trasmissione ottica
Reciver
Transmitter
Modulator
Light
Source
Connector
Electricity
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Amplifier
Detector
Light Sensor
Glass
Fibre
Light
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Connector
Electricity
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Spettro delle comunicazioni ottiche
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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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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)
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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
C
ladding
n2= 1.460
∆n=0.001÷0.01
n
1
>
n
2
Materiale: core in Silica (SiO2)
n
2
cladding Silica drogata
n
1
C
ore

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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.
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Dispersione Modale
Si ha principalmente nelle fibre multimodo. E’ causata dalla differenza dei percorsi dei vari
modi all’interno del core.
n2
n1
Veff 
c
sen
n1
 max
L NA2

2Cn2
NA  n1  n2
2
Velocità effettiva in
direzione dell’asse
2
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.
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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).
2
L d n
 

2
c d

Dm 

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Differenza temporale delle
lunghezze d’onda
Dispersione
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.
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ATTENUAZIONE
Espressa per comodità in unità logaritmiche (dB/Km).
Determina la massima distanza copribile senza ripetitori.
Pout  Pine
 dB / Km 
Può essere rappresentata come un polinomio
L
10 log 10 ( Pin / Pout )
L
  1   2 ( )   3 ( )   4 ( )  5 ( )
1 : Perdite per microcurvature, provocate da piccole irregolarità alla superficie della fibra o all’interfaccia corecladding.
 2 ( ) : Diffusione di Rayleigh. Disomogeneità nell’indice di rifrazione.
 3 ( ) : Impurezze risonanti. Molecole estranee incorporate nella fibra, tipicamente radicali OH-, che provocano picchi di
assorbimento.
 4 ( ) : Assorbimento UV. La coda di assorbimento, anche se di poco, si estende nel vicino infrarosso.
 5 ( ) : Assorbimento IR. È significativo solo per lunghezze d’onda >1400nm. Determina la massima lunghezza d’onda
impiegabile con le fibre in silice (1700nm).
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Curve tipiche d’attenuazione
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Mezzi a confronto
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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.
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Il controllo dell’allineamento del solo
mantello esterno può non essere sufficiente.
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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 ottiche

Alcuni tipi più comuni di connettori ottici
SC
LC
FC
MPO
ST
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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 LHCb

Calorimeters system
BOLOGNA
BOLOGNA
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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
Transmitter
board
Receiver
board
16 bits @
80 MHz
32 bits @
40 MHz
Data In
Clock
Fiber Optical
GOL
Serializer
Optical Transmitter
1.6 Gb/s
Optical
Receiver
Crystal
Oscillator
80MHz
40 MHz
Low
jitter

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TLK2501
Deserializer
80 meters
De-Mux
&
Synch.
32 bits @
40 MHz
Data Out
40 MHz
Clock

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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.
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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).
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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).
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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.
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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
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).
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Scelte: Cavo
La scelta del cavo è vincolata dai dispositivi di conversione elettroottica.
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
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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:
VME
Control
BERT
Fiber Optical
1.6 Gb/s
Bit _ errati
BER 
Bit _ totali
Transmitter
board
Xilinix
FPGA
Un sistema trasmissivo può essere definito error-free
se presenta un BER di circa 10-9÷10-12
DG2040
Tektronix
40MHz


Receiver
board
80 meters
Crystal
Oscillator
80MHz
SDA 5000
Lecroy
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
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Test, metodo del diagramma ad occhio
Scopo: verificare che il BER di circa 10-14 sia possibile.
Condizione:
AOSegnaleSeriale  AODe serializzatore
Il calcolo del jitter e quindi l’apertura
dell’occhio è effettuato considerando una
deviazione standard corrispondente al
BER da verificare, nell’ipotesi di
Da Data Sheet
Es. 0.40UI
distribuzione Gaussiana.
Es. 0.43UI
Conclusione: il valore di BER è verificato.

Oscilloscopio Lecroy SDA5000
Jitter sul clock
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Test
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