Разрабатывается экспериментальный образец полнодуплексного «смартлинк соединения». Это многока­нальное оптоволоконное соединение, способное осуществлять двунаправленную передачу данных по одной оптоволоконной шине, обладающее способностью самостоятельно, без дополнительной юстировки, восстанавливать нарушенные  опти­ческие каналы. Двунаправленность оптического соединения обеспечивается за счет применения новой технологии разделения оптических сигналов и перспективной конструкции многоканального оптического делителя, выполненного с применением методов 3D-печати.

Однонаправленные смартлинки

В опубликованных ранее статьях [1,2] описывалось устройс­тво и принцип действия первого работоспособ­ного лабораторного образца смартлинка (смартлинк соединения), созданного в ООО “НТЦ “Интрофизика”, и реализующего технологию интеллектуальных многоканальных оптово­локонных соединений [3, 4] (рисунок 1).

Основными функциональными элементами смартлинка являются передатчик сигналов, оптоволоконная шина и приемник сигналов. Управление соединением смартлинка осуществляется микропроцессором с помощью коммутатора, реализованного на ПЛИС.

 

Рисунок 1 – Лабораторный образец смартлинка

Основой передатчика первого образца смартлинка является гибридная микросхема с лазерным массивом, состоящим из двух микроматриц размерностью 1х4, содержащим восемь полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения 680 – 760 нм. Мощность излучения индивидуального лазера составляет порядка 30 - 70 мВт. В качестве оптической шины использован оптово­локонный жгут диаметром 3,1 мм и длиной 500 мм с разреша­ющей способностью не менее 40 линий/мм. Основой приемника является гибридная микросхема с фотодиодным массивом размерностью 4х4, содержащим 16 фоточувствительных элементов, выполненным в едином кристалле из высокоомных кремниевых структур.

Работа смартлинка заключается в следующем. На входы микросхемы передатчика подают электри­ческие импульсы, модулирующие лазерное излучение, которое по оптической шине поступает к микросхеме приемника и преобразуется в поток электрических импульсов. Каж­дый фотодиод приемника подключен к коммутатору, реализованному на ПЛИС и уп­равляемому процессором. Оптическая шина соединяет оптические разъемы микросхем посредством прямой постановки без юстировки соединения. На входы микросхемы приемника сигналы от лазеров передатчика поступают в перепу­танном виде. Для организации требуемого порядка подключения оптической шины в начале работы смартлинка производится соединение процессора с микросхемой передатчика, и, посредством применения особой процедуры, происходит рас­познание каналов связи. С помощью коммутатора распознанные ка­налы переподключаются на выходы коммутатора в заданном порядке. При этом неработоспособные и дублирующие каналы связи автоматически отключаются. Рас­познавание и переподключение каналов осуществляется однократно и не влияет на пропускную способность оптического соединения. В процессе работы исправность оптического соединения находится под постоянным контролем процессора. В случае фиксации нарушения соединения, смартлинк автоматически проводит повторное распознавание каналов, реализуя свойство регенерации (самовосстановления) связи. Другой особенностью смартлинка является свойство его полиморфности, т.е. его способность программным путем изменять порядок под­ключения каналов оптической шины.

Проведенные исследования позволили получить 4-х каналь­ное оптоволоконное соединение, содержащее индивидуальные автоматически сформированные каналы связи в одном оптоволоконном жгуте с оптическим диаметром порядка 3 мм. Реализованный образец смартлинка способен автоматически, без дополнительной юстировки, восстанавливать разорванные оптические це­пи при произвольном повороте оптошины в оптических разъемах на лю­бой угол или при ее осевом смещении в разъемах до 0,6 мм.

Практические исследования, проведенные ООО “НТЦ “Интрофизика” в дальнейшем, позволили получить работоспособный образец смартлинка уже с 8-ю активными каналами в одном оптоволоконном жгуте с оптическим диаметром 3 мм. При неизменном функционале элементов конструктивная схема смартлинка изменилась. Основой передатчика при этом является интегральный матричный кристалл, содержащий массив из восьми вертикально-излучающих лазеров с длиной волны излучения 850 нм. В качестве оптической шины использован оптово­локонный жгут диаметром 3 мм и длиной 817 мм с разреша­ющей способностью не менее 12 линий/мм. Основой приемника является матричный кристалл, содержащий массив из восьми pin-фотодиодов, изготовленный на основе эпитаксиальных гетероструктур на подложках арсенида галлия. В разработанном и изготовленном образце скорость односторонней передачи информации по каждому каналу составила до 0,6 Гбит/с.

Основным недостатком разработанных вариантов смартлинка является невозмож­ность организации двунаправленного обмена информацией с использованием одной оптоволоконной шины. В связи с этим создание полнодуплексного (с двунаправлен­ным обменом информацией) смартлинка является достаточно актуальной задачей.

Экспериментальный образец полнодуплексного “смартлинк соединения”

Специалистами ООО “НТЦ “Интрофизика” в рамках выполнения проекта по Соглашению с Минобрнауки России от 24 ноября 2014 г. № 14.579.21.0067 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X0067) разрабатывается экспериментальный образец полнодуплексного “смартлинк соединения”, обладающего регенеративными способностями. Структурная схема организации полнодуплексного “смартлинк соединения” показана на рисунке 2.

В состав полнодуплексного “смартлинк соединения” входят два приемопередающих модуля для преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, оптоволоконная шина для передачи оптических сигналов между приемопередающими модулями, устройства управления на основе комбинации ПЛИС, поддерживающих PCIe с одним двунаправленным последовательным соединением LANE, а также дополнительные радиоэлектронные элементы и внутренние шины для обеспечения работы как модулей в отдельности, так и “смартлинк соединения” в целом.

 

Рисунок 2 – Структурная схема полнодуплексного “смартлинк соединения”

Каждый из приемопередающих модулей содержит корпусированный двумерный массив из 8-и VCSEL-лазеров, излучающих на длине волны 850 нм, корпусированный двумерный массив из 29-и pin-фотодиодов, комплект управляющих микросхем (драйверов) оптоэлектронных компонентов, а также многоканальный оптический делитель сигналов для разделения сигналов между массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов. И массив передатчиков, и массив приемников изготовлены на основе эпитаксиальных гетероструктур на подложках арсенида галлия в виде единых кристаллов с использованием технологии низкотемпературной спекаемой за одну технологическую операцию керамики (LTCC).

Основной особенностью разрабатываемого полнодуплексного “смартлинк соединения” является способность двунаправленной передачи информации по одной оптоволоконной шине с оптическим диаметром 3 мм. При этом двунаправленность передачи информации по одной оптошине обеспечивается за счет применения многоканальных оптических делителей сигналов, изготовленных с использованием методов 3D-печати.

Многоканальный делитель сигналов для смартлинков

Путем проведения экспериментальных исследований установлено, что эффективность существующих вариантов многоканальных оптических делителей, в основе оптической системы которых применяются традиционные призмы, зеркала, светоделительные кубы и др. элементы, достаточна мала для их использования в оптических трактах при передаче информации на двумерные массивы приемников. Низкая эффективность использования призм или зеркал в оптической системе делителя объясняется тем, что большое количество чувствительных элементов приемника (например, фотодиодов) одновременно засвечивается сразу несколькими источниками излучения. Процессор, управляющий работой оптоволоконного соединения, такие чувствительные элементы отключает как неработоспособные, снижая тем самым количество работающих каналов связи.

Повысить эффективность использования ресурсов смартлинков путем снижения процента перекрестных помех позволяет использование многоканального пластинчатого делителя оптических сиг­налов [5]. Однако, данный образец оптического делителя имеет существенные недостатки: достаточно высокая сложность изготовления для достижения требуемой точности конструкции, и, как следствие, высокая себестоимость, а также определенная громоздкость конструкции в случае размещения линеек световодов приемников и передатчиков в одном корпусе при увеличении расстояния между массивами передатчиков и приемников в зависимости от топологии платы.

Для обеспечения двунаправленной передачи информации по одной оптической шине, повышения эффективности использования ресурсов “смартлинк соединения”, повышения технологичности и себестоимости изготовления, а также приемлемой миниатюризации в зависимости от топологии платы разрабо­тан многоканальный делитель сиг­налов для смартлинков (заявка на изобретение № 2015118753 от 19.05.2015 года), схема которого показана на рисунке 3.

Многоканальный делитель сигналов для “смартлинк соединения” состоит из платы 1, на которой расположены корпуса микросхемы массивов оптических передатчиков  2  и оптических приемников 3.

Делитель содержит расширитель светового потока 5 и соединенный с ним набор сложенных вплотную пластин световодов оптических приемников 7 и пластин световодов оптических передатчиков 8. Набор пластин со световодами содержит два вида пластин 7 и 8 разной длины и формы, чередующихся друг с другом в пакете делителя 4. При этом  чередующиеся пластины соединены одной стороной так,  чтобы образовался общий торец, обращенный к месту соединения с оптошиной (на рисунке 3 не показана),  а другие стороны образовали раздельные торцы,  заканчивающиеся у массивов оптических передатчиков 2 и приемников 3.

Пластины 7 и 8, содержащие световоды, образованы набором оптоволоконных световодов, соприкасающихся боковыми поверхностями, при этом в месте контакта друг с другом оптоволоконные световоды склеены, приварены или соединены друг с другом иным образом. При этом пластины 7 и 8 могут иметь плоскую или произвольную трехмерную форму.

Расширитель светового потока 5 выполнен в виде пластины из прозрачного материала, он расположен у общего торца делителя 4, обращенного к месту соединения с оптошиной. Расширитель светового потока 5 может  быть выполнен в виде объема, заполненного прозрачным пластиком, гелем или воздухом. Выходя из световода в прозрачный материал, луч света вследствие наличия апертурного угла расширяется, образуя освещенную область, размер которой может быть значительно больше диаметра ядра оптического волокна, образующего световод.

 

 

Рисунок 3 – Схема многоканального делителя сигналов для смартлинков

 

Варьируя толщиной расширителя светового потока  5 можно подобрать такую степень расширения лучей, которая обеспечивает устойчивое функционирование «смартлинк соединения» и надежное восстановление его работоспособности при различных смещениях оптических шин относительно друг друга  и массивов приемников и источников сигналов.

Принцип работы многоканального делителя сигналов для смартлинков заключается в следующем.

Оптический сигнал, сформированный от нескольких пикселов массива передатчиков 2 (сечение А-А), передается по пакету световодов оптических передатчиков 8 к расширителю 5, образуя картину, показанную сечением В-В. Проходя оптошину 6 и  расширитель 5 второго делителя 4, световые потоки расширяются, образуя картину, показанную сечением С-С.  Накрывая несколько световодов пакета 7, оптические сигналы образуют на массиве оптических приемников 3 картину, показанную сечением D-D. Применение расширителей 5 светового потока позволяет исключить замыкание световых потоков при совпадении встречных каналов пластин 7 и 8, так как световые потоки,  расширяясь в расширителе световых потоков 5, будут способны засвечивать соседние оптические каналы. Таким образом, обеспечивается деление и прохождение светового потока через делители и оптошину при любых смещениях оптических каналов при соединении двух делителей 4 и оптической шины 6. Аналогичные процессы происходят при распространении оптических сигналов с противоположного направления, обеспечивая работу оптошины 6 в полнодуплексном режиме.

Таким образом, конструкция делителя обеспе­чивает одновременный двусторонний обмен информацией по одной оптошине.

Применение предложенного изобретения позволяет:

· обеспечить одновременный прием и передачу информации в оптошину, обеспечивая ее полнодуплексную (двунаправленную) работу

· обойтись без применения дорогих оптических элементов в виде микролинз и светоделительных кубов, а также без юстировки оптических элементов;

· обеспечить высокую стойкость делителей к механических ударам и вибрациям;

· повысить эффективность использования ресурсов смартлинков, за счет снижения процента перекрестных помех.

Повышение технологичности и себестоимости изготовления многоканального делителя, а также повышение приемлемой миниатюризации устройства в зависимости от топологии платы возможно за счет применения для изготовления многоканального делителя технологии 3D-печати. В результате проведенных поисковых исследований отрабатываются три основных направления практической реализации конструкции многоканального делителя методами прототипирования.

Первое направление – послойное изготовление оптического делителя из отдельных пластин с размещенными на их разноименных сторонах разнонаправленных световодов (рисунок 4) с использованием технологии лазерной стереолитографии (технологии SLA).

 

 

Рисунок 4 – Послойное изготовление оптического делителя

Пластины, как основа делителя, выращиваются из непрозрачной или полупрозрачной смолы. Световоды на пластины могут формироваться одним из двух способов:

· на предварительно отполированную химическим способом поверхность пластин наносят слой металла с высокой отражающей вакуумным напылением или химическим способом. После пакетирования пластин с определенным зазором между ними производят заполнение зазора оптическим полимером с последующим вакуумированием и вибрационным воздействием для однородного заполнения каналов пластин оптическим полимером. Завершающим этапом является плотное пакетирование до полной полимеризации залитого материала;

· на пластины сначала наносят тонкий слой оптического полимера, имитирующего оболочку будущего оптоволокна, затем – слой полимера с более высоким  коэффициентом преломления, имитирующего сердцевину оптоволокна.

Завершающим этапом является сборка делителя из пластин.

Второе направление – монолитное изготовление делителя, т.е. одновременное формирование и разнонаправленных световодов и корпуса (рисунок 5) с использованием технологии лазерной стереолитографии. Оптический делитель выращивается в вертикальном положении от торца корпуса, содержащего общий пучок световодов. Все элементы делителя формируются одновременно из прозрачной смолы. После полного отверждения смолы производят заполнение внутренних полостей корпуса оптически прозрачным материалом с показателем коэффициента преломления меньшим, чем у материала смолы, из которой выращены оптоволокна (например, силиконом).

 

 

Рисунок 5 – Монолитное изготовление оптического делителя

Третье направление – поэлементное изготовление делителя с использованием технологии послойного наплавления (технологии FDM). Изогнутые и прямые пластины световодов диаметром от 100 до 200 мкм формируются из специальных полимерных оптоволоконных нитей, используемых в качестве филамента 3D-принтера. Отдельно формируется корпус делителя. Завершающим этапом является сборка делителя из пластин световодов. На рисунке 6 показаны результаты практического применения технологии FDM для изготовления оптического делителя.

Использование методов 3D-печати при изготовлении многоканального оптического делителя позволяет обходиться без фокусирующих оптических линз и призм, что повышает ее технологичность и снижает стоимость. Предполагается, что оптический делитель такой конструкции можно будет использовать в перспективных образцах высокоскоростных многоканаль­ных оптических USB-устройств.

 

Рисунок 6 – Поэлементное изготовление оптического делителя

Исследования проводятся в рамках выполнения проекта по Соглашению с Минобрнауки России от 24 ноября 2014 г. № 14.579.21.0067 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X0067).

 

Литература:

1.  Никитин В.С., Семенов Э.И., Ломанов А.Н. и др, Смартлинки - умные соединения [Электронный ресурс]: Журнал «Фотоника», № 13, 2009г., http://www.photonics.su/pdf/1_2009/1763.pdf

2. Никитин В.С., Семенов Э.И., Ломанов А.Н. Первый смартлинк создан в России [Электронный ресурс]: Журнал «Фотоника», №2, 2010 г., http://www.photonics.su/files/article_pdf/2/article_2501_564.pdf

3. Пат. 2270493 Российская Федерация, МПК7 H 01 L 23/525. Способы самовосстанавливающегося соединения многоконтактных приборов или микросхем и устройство для его осуществления [Текст]/ Никитин В.С. ;  заявитель и патентообладатель Никитин В.С. –        № 2004101348/28; заявл. 16.01.2004; опубл. 20.02.2006. – 1 с. : ил., табл.         4. Пат. 2350054 Российская Федерация, МПК7 H 05 K 1/00, H 01 L 23/52. Микросхема с оптоволоконными многоконтактными соединениями [Текст]/ Никитин В.С. ;  заявитель и патентообладатель Никитин В.С. – № 2007108476/09; заявл. 06.03.2007; опубл. 20.03.2009. – 1 с. : ил., табл.

5. Пат. 2419129 Российская Федерация, МПК7 G 06 F 3/042, H 01 L 27/14. Многоканальный делитель сигналов для смартлинков [Текст]/ Никитин В.С. ;  заявитель и патентообладатель ООО "НТЦ "Интрофизика" – № 2009131971/08; заявл. 24.08.2009; опубл. 20.05.2011. – 1 с. : ил.