Впервые создано многоканальное оптоволоконное оптическое соединение, способное автоматически без юстировки восстанавливать разорванные оптические цепи даже при произвольном повороте жгута в разъеме или его смещении на величины порядка 0,1 - 0,2 диаметра. Впервые удалось осуществить одновременную передачу информации по четырем раздельным оптическим каналам, автоматически сформированным в одной оптошине диа­метром 3 мм на базе стекловолоконного жгута.

 

СМАРТЛИНКИ - новый тип оптоволоконных соединений

Под таким заголовком журнал «Фотоника» анонсировал пер­вое сообщение о смартлинках на обложке своего 13-го номе­ра в январе 2009 года [1]. Это число оказалось счастливым. Сразу же после публикации нашей разработкой заинтересо­вались несколько солидных заказчиков. А в мае 2009 года нам удалось победить в сложнейшем конкурсе Роснауки и выиграть тендер на заключение Государственного контракта на НИР (Госконтракт № 02.513.11.3449) [2]. Статья в журнале была замечена экспертной комиссией Роснауки.

Актуальность создания смартлинков обусловлена важней­шей технологической проблемой современной электроники - поиском принципиально нового способа соединений, позво­ляющего легко выводить из сложнейших микросистем десят­ки тысяч информационных каналов и соединять в суперком­пьютерах миллионы процессоров. Большинство экспертов высказывают мысль о том, что на современном уровне раз­вития электроники фактически достигнут физический пре­дел пропускной способности электрических средств «ввода- вывода» в электронных микросистемах. Например, количес­тво коммутируемых элементов в микросхемах стремительно приближается к миллиардам единиц на кристалл. А коли­чество выводов в них вот уже 10 лет не может перешагнуть рубеж в 2000 контактов. В связи с этим в электронике обос­трилась серьезная техническая проблема, которую называ­ют «тиранией соединений». Для разработчиков электронных микросистем «тирания соединений» сводится к тому, что из них становится все труднее и труднее выводить информа­цию.

Смартлинки позволяют решить эту задачу за счет исполь­зования интеллектуальной технологии многоканальных соединений, по которой соединения осуществляются по принципу «как получится», а процессор с помощью комму­татора переподключает образовавшиеся связи «как нужно». Эта технология позволяет совершить прорыв в области мно­гоканальных оптических коммутаций электронных микросис­тем (патенты РФ №№ 2270493 и 2350054), заключающийся в том, что можно будет создавать высокоскоростные нано- размерные многоканальные оптоволоконные интерфейсы для электронных микросистем с большим количеством эле­ментов, при этом пропускная способность этих интерфейсов может достигнуть сотен терабайт в секунду. Электрические соединения и одноканальные оптоволоконные соединения уже не способны достичь такой производительности. Необ­ходимость дальнейшего развития трех крупнейших областей электроники - микросистемной техники, архитектуры опти­ческих суперкомпьютеров и биокибернетики подталкивает к реализации нового способа соединения микросистем с опто- волоконным вводом/выводом информации, то есть созданию смартлинков. Прогресс в этих областях непосредственно свя­зан с дальнейшим развитием современных технологий элек­тронных соединений.

 

КОНКУРЕНТЫ, ОНИ ЖЕ И СОЮЗНИКИ

Развитию оптических многоканальных соединений уделя­ют большое внимание все ведущие производители опти­ческих средств передачи информации. Разработки ведут­ся в двух основных направлениях - создание активных оптических кабелей (АОК) и высокоплотных параллельных оптических соединений (Highly Parallel Optical Interconnect). Принципиально это близкие к смартлинкам классы много­канальных оптоволоконных соединений, но не обладающие встроенным интеллектом.

Несмотря на это, по некоторым оценкам [2], в ближайшие четыре года ожидается десятикратный рост на рынке АОК. Причина в том, что цены на активные оптические кабели за 5 лет упали более чем в 50 раз, опустившись до 100 долла­ров США. Они стали дешевле медных кабелей близкой про­пускной способности. В 2009 году было продано около 2 миллионов АОК стоимостью 200 млн.долл. В 2013 году ожи­дается рост рынка до 2,6 млрд. долл. США. Скорость пере­дачи данных по дешевым АОК уже достигла 5 Гбит/с. Уже сейчас на больших расстояниях и на больших скоростях у активных оптических кабелей нет реальной конкуренции. Количество компаний, выпускающих АОК, постоянно растет. Компании Emcore Zarlink, Avago, Finisar, Reflex Photonics, Tyco, MergeOptics, Luxtera - активно осваивают новый рынок, «который увеличивается еще быстрее, чем скорость переда­чи данных» [3].

Принципиально конструкция АОК предполагает механи­ческое соединение с помощью металлических контактов к источнику сигналов, преобразование электрического сигна­ла в оптический и передачу оптического сигнала в оптово­локно через неразъемное соединение каждого волокна с индивидуальным лазером. На приемном конце расположено неразъемное соединение волокна с pin-фотодиодом, реали­зующее процедуру обратного преобразования скоростного оптического сигнала в электрический, и механическое соеди­нение с помощью металлических контактов к потребителю. Это довольно громоздкая система, увеличивающая габари­ты ответных частей кабелей. Поэтому, несмотря на то, что с помощью АОК решается вопрос передачи сигналов с боль­шой скоростью, разумное число жил в АОК все же останет­ся небольшим. Это определяет специфику рыночной ниши, которую займут АОК. Предполагается, что это будут сегменты неответственных межкластерных соединений, сверхчеткое, а может быть даже и голографическое, видео. Это, конечно, очень большой сегмент устройств, но в нем остается доста­точно места для других решений, в том числе и для смарт- линков.

Еще одно направление, конкурирующее со смартлинками, это высокоплотные параллельные оптические соедине­ния (Highly Parallel Optical Interconnect). На рис. 2 показан оптический разъем на 80 оптоволоконных каналов, выпол­ненный по технологии Highly Parallel Optical Interconnect [4] . В соединении, показанном на рис. 3, оптический много­канальный кабель имеет разъемное оптическое многокаа­нальное соединение на 160 волокон. По 80 волокнам сиг­нал направляется от лазерного VCSEL массива в волокна, от каждого элемента массива в отдельное волокно. Обратный сигнал идет по 80 другим волокнам к массиву pin-фотодио­дов. Сами массивы установлены на переходном кристалле по flip-chip технологии. На переходном кремниевом крис­талле размещены интерфейсные и усилительные элементы соединения, которые в свою очередь соединены контактной сваркой с площадками внешнего PGA- корпуса соединения. Реализованная скорость двухсторонней передачи составила 1,25 Гбит/с на канал, а всего 80 Гбит/с, При создании этого устройства разработчиками проделана очень сложная кро­потливая ювелирная работа, которая под силу только запад­ным умельцам. Такой сложный сендвич из разных технологий иначе как гибридным не назовешь. Нам, русским, с нашим характером, любящим свободу и простор, в массовом про­изводстве никогда не сделать ничего подобного. А если сде­лаем - получится хуже некуда. С выходом годных в единицы процентов.

 

И все же главным недостатком высокоплотных парал­лельных оптических соединений является их низкая надеж­ность. Представьте себе, при сдвиге разъема всего лишь на полдиаметра волокна, а это 20-50 мкм (!), все 80 каналов высокоплотного соединения становятся неработоспособны­ми, окончательно и бесповоротно. Поэтому мы пошли другим путем - создали смартлинки, или интеллектуальные соедиения с русским национальным характером. Они не требуют высочайшей точности, которая присуща западным и японс­ким специалистам. Наоборот, там все может быть сделано «как получится», но подключать каналы они все равно будут "как нужно». Только такой принцип позволит соединять не только десятки, но и сотни, а затем и тысячи каналов. Этого никогда не достичь, если пойти путем, которым идут наши западные конкуренты. В этом большое преимущество умных смартлинков перед другими неинтеллектуальными типами оптических соединителей.

 

В соответствии с законами эволюции - в природе побеждает тот, кто умнее и способнее. На рынке побеждает то, что функциональнее и дешевле. С развитием технологии смартлинки станут не дороже своих конкурентов, но останутся надежнее и функциональнее. Поэтому рано или поздно они вытеснят своих неинтеллектуальных конкурентов практически из всех сфер их нынешнего применения. Наши конкуренты - АОК и высокоплотные параллельные оптические соедине­ния - являются переходным типом оптических соединений, задача которых вытеснить медные соединения из электроники. После них наступит эпоха смартлинков. И время здесь работает на нашу русскую технологию.

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОБРАЗЕЦ СМАРТЛИНКА

Первый образец смартлинка (см. рис.3) содержит передат­чик. оптошину и приемник сигналов. Управление смартлинком осуществляется микропроцессором, управляющим соедине­нием с помощью коммутатора, реализованному на ПЛИС.

 

Основой передатчика стала гибридная микросхема (рис.4), содержащая 8 полупроводниковых лазеров, излучающих в видимом диапазоне (длина волны 680 - 760 нм). Мощность излучения одного лазера составляла порядка 30 - 70 мВт. В качестве оптошины в смартлинках был использован оптово­локонный жгут диаметром 3 мм. В качестве многоканального приемника в смартлинке была использована 16-элементная матрица pin-фотодиодов с прямым доступом.

Смартлинк работает следующим образом. На входы лазер­ной матрицы, расположенной в микросхеме - источни­ке информации, подают электрические импульсы, которые модулируют излучение лазеров. Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемни­ке информации (рис. 5), и преобразуется в поток электричес­ких импульсов. Каждый фотодиод подключен к управляемому процессором коммутатору, реализованному на ПЛИС.

При соединении оптошину подключают к матрицам пере­датчика и приемника «как получится», совмещая лишь опти­ческие области матриц и оптошины путем установки в про­извольном порядке концов оптошины в оптические разъемы микросхем приемника и передатчика. Поэтому на входы матрицы-приемника сигналы от лазеров поступают в перепутан­ном порядке. Чтобы получить нужный порядок подключения шины, процессор в начале работы устройства соединяется с матрицей передатчика, и по особой процедуре проводит рас­познание каналов. С помощью коммутатора распознанные каналы связи переподключаются на выходы коммутатора в заданном порядке. Неработоспособные и дублирующие кана­лы отключаются. Процедура распознания каналов и перепод­ключения производится однократно и никак не влияет на ско­рость передачи информации в дальнейшем.

В случае нарушения связи смартлинк обнаруживает это и проводит повторную процедуру распознания каналов, реали­зуя, таким образом, свойство самовосстановления или реге­нерации связей. Смартлинк способен программным путем изменять порядок подключения каналов шины, реализуя свойство полиморфности.

В ходе НИР впервые удалось создать многоканальное оптоволоконное оптическое соединение (рис.6 и 7), способ­ное автоматически без юстировки восстанавливать разорван­ные оптические цепи даже при произвольном повороте жгу­та в разъеме на любой угол или его смещении на величины порядка 0,1 - 0,2 диаметра. Впервые удалось осуществить одновременную передачу информации по четырем разде­льным оптическим каналам, автоматически сформированным в одной оптошине на базе стекловолоконного жгута диамет­ром 3 мм.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.  Никитин B.C., Семенов Э.И., Ломанов А.Н и др. Смар- тлинки - умные соединения. ^— Фотоника, 2009, №13.) 2. Никитин B.C., Семенов Э.И., Ломанов А.Н и др. Испы­тания технических возможностей лабораторного образца смартлинка. Отчет по НИР по ГК от 01 06.2009 №02.513,11 3449, ООО НТЦ «Интрофизика», УДК 621 382-027.31, 2009 г.

2. Anderson М. Optical Lasers in а 100$ Cable. Really, 2010, http://spectrum.ieee.org/semiconductors/. 4. De Wilde M. Modeling and Integration of Highly Parallel Optical Interconnect in Electronic Systems. - Ghent University, Gent, Belgium, 2007 r. escher.elis.ugent.be/publ/ Edocs/DOC/Dl 07_158.pdf