Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование характеристик регенерации полнодуплексных смартлинк соединений на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати

Докладчик: Никитин Владимир Степанович

Должность: директор, кандидат технических наук

Цель проекта:
1) Формулировка задачи/проблемы Важность проблемы заключается в импортозамещении чувствительных технологий. Развитию многоканальных оптоволоконных соединений, как продукту «чувствительных» высоких технологий, уделяют большое внимание все ведущие производители оптических средств передачи информации, например, такие компании, как Emcore, Zarlink, Avago, Finisar, ReflexPhotonics, Tyco, MergeOptics, Luxtera. Разработки ведутся в двух основных направлениях – создание активных оптических кабелей (АОК) и высокоплотных параллельных оптических соединений (Highly Parallel Optical Interconnect (HPOI). Несмотря на впечатляющие достижения зарубежных производителей в области скорости передачи и количества работающих каналов, главным недостатком соединений типа АОК и HPOI является невозможность создания компактных и, в то же время, быстроразъемных оптоволоконных соединений, например, для создания оптических USB-соединений высокой пропускной способности. В силу своей ювелирной миниатюрности, необходимости сверхточной юстировки каналов, прецизионного выравнивания массива волокон, использования оптических гелей для обеспечения оптического контакта HPOI физически не способны выдержать большое количество рабочих циклов «стыковки-расстыковки». А существующие в настоящее время АОК не обладают необходимой миниатюрностью для решения этой проблемы. Более того, сам принцип АОК сводит на нет преимущества оптических соединений, так как они соединяются с конечными устройствами с помощью электрических контактов. Создание многоканальных оптоволоконных соединений, пригодных для осуществления быстрых и многократных соединений возможно на основе принципа интеллектуальных многоканальных оптоволоконных соединений (ИМКС-соединений) или «смарлинк соединений», изобретенных в ООО «НТЦ «Интрофизика» в 2004 году (патент РФ на изобретение № 2270493). С помощью «смарлинк соединений» сложнейшие электронные устройства можно соединять произвольным образом – «как получится». Процессор, обслуживающий соединение, переключит все каналы «как надо». «Смартлинк соединения» – единственный вид оптических соединений, обладающий свойствами регенерации или самовосстановления. Это свойство чрезвычайно важно для создания высоконадежных самоформирующихся компьютерных систем и высокопроизводительных оптических USB-соединений. «Смартлинк соединения» будут вне конкуренции для быстрых и многократных оптических соединений, так как в них нет массивов контактов или механических направляющих для юстировки оптических волокон, а значит, и нечему будет ломаться. Потенциал технологии позволяет довести число оптических каналов до 32 – 128 при оптическом диаметре кабеля в 3 – 5 мм. Такие соединения не требуют высочайшей точности изготовления, сохраняют свою работоспособность при сдвигах и деформациях и имеет значительно меньшие габариты, чем у аналогов. Поэтому, разработка «смартлинк соединений» для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов и особенно оптических USB-соединений весьма актуальна. Исследование характеристик регенерации вновь разработанных «смартлинк соединений» с конструктивными элементами, изготовленными по новой технологии методами 3D-печати, позволит получить ценную научно-техническую информацию в области разработки оптоэлектронных компонентов для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов. Предлагаемые прикладные научные исследования станут продолжением выполняемых работ по созданию отечественной технологии многоканальных оптоволоконных соединений и, несомненно, внесут свой вклад в решение вопросов импортозамещения в сфере электронной промышленности. 2) Формулировка цели реализуемого проекта Цели проекта: 1. Создание комплекса научно-технических решений в области разработки оптоэлектронных компонентов полнодуплексных «смартлинк соединений», изготовленных методами 3D-печати, для создания оптоэлектронных вычислительных комплексов. 2. Получение значимых научных результатов в области разработки полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Краткое описание основных результатов
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие основные научно-технические результаты:
а) Технические принципы создания оптоэлектронных компонентов для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов с применением полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
б) Методы 3D-печати конструктивных элементов для полнодуплексных «смартлинк соединений».
в) Математическая модель полнодуплексного «смартлинк соединения» на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, на основе аппарата раскрашенных сетей Петри.
г) Адаптивные алгоритмы и протоколы приема-передачи данных полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
д) Экспериментальные образцы полнодуплексных «смартлинк соединений» (ЭО ПСС) на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
е) Результаты исследования характеристик регенерации ЭО ПСС на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
ж) Предложения по созданию перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов с применением полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
и) Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
к) Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, для перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов».

2) Основные характеристики планируемых результатов
В состав ЭО ПСС должны входить:
а) аппаратная часть, содержащая приемо-передающие модули (на основе массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с соответствующими драйверами и оптическими многоканальными делителями) для преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, оптоволоконные шины для передачи оптических сигналов между оптоэлектронными компонентами и устройства управления «смартлинк соединением» (на основе комбинации двух ПЛИС, поддерживающих PCIe с одним двунаправленным последовательным соединением LANE);
б) программная часть, содержащая приложения верхнего уровня для приёма и передачи данных приемо-передающих модулей и сбора статистической информации, библиотеки базовых функций Windows API для реализации протокола обмена данными между приложениями верхнего и нижнего уровня и программные драйверы для управления работой оптоэлектронных компонентов.
ЭО ПСС должен обеспечивать передачу данных по группе от 4 до 8 работоспособных оптоволоконных каналов со скоростью не менее 125 Мбит/с по каждому каналу в режиме полнодуплексного обмена информацией между приемо-передающими модулями с ошибкой передачи до 0,2 %.
ЭО ПСС должен иметь следующие характеристики:
а) тип оптоэлектронного передатчика – двумерный массив VCSEL-лазеров;
б) тип оптоэлектронного приемника – двумерный массив pin-фотодиодов;
в) тип оптоволоконной шины – жгут регулярный волоконно-оптический.
г) количество лазеров в массиве, шт., не менее – 8;
д) радиус кругового массива VCSEL-лазеров (R), мм – 0,8;
е) длина волны излучения VCSEL-лазера, нм – 850;
ж) пороговый ток, мА – 0,7 … 1,5;
з) выходная мощность, мВт – 1 … 3.
и) размер массива pin-фотодиодов, мм, не менее – 2,0х2,0;
к) отклик pin-фотодиодов, А/Вт, не менее – 0,4;
л) спектр отклика pin-фотодиодов, нм – 750 … 1500;
м) напряжение обратного смещения pin-фотодиодов, В – 5.
н) материал оптоволокна – специальное стекло;
о) диаметр ядра оптоволокна, мкм – 20 … 100;
п) апертура оптошины, не менее – 0,5;
р) разрешающая способность, линий на мм, не менее – 12;
с) светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм, %, не менее – 48;
т) спектральный диапазон пропускания оптоволокна, мкм – 0,4 … 2,0;
у) оптический диаметр оптоволоконной шины, мм, не более – 3,0;
ф) длина оптоволоконной шины, мм, не менее – 300.
Программная часть ЭО ПСС должна:
а) обеспечивать передачу и прием информационного потока данных;
б) обеспечивать оценку качества приема-передачи информационного потока данных;
в) обеспечивать оценку эффективности работы систем диагностики и самовосстановления «смартлинк соединений».
г) обнаруживать и фиксировать ошибки, возникающие при передаче данных в передаваемых/принимаемых файлах;
д) обеспечивать вывод сообщений об ошибках, возникающих при передаче данных в передаваемых/принимаемых файлах, в виде записи в текстовом файле журнала ошибок.

3) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений
При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника «как получится», совмещая лишь оптические области матриц и оптошины. 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 выход коммутатора в заданном порядке. Неработоспособные и дублирующие каналы отключаются. Важно, что процедура распознания каналов и переподключения производится однократно и никак не влияет на скорость передачи информации в дальнейшем.
Разработанный многоканальный делитель оптических сигналов отличается тем, что содержит набор сложенных вплотную пластин с линейками световодов. На каждой пластине с одной стороны расположена линейка световодов оптических приемников, а с другой стороны – линейка световодов оптических передатчиков. Линейки световодов оптических приемников начинаются от места соединения с оптошиной, плавно изгибаются и заканчиваются у матрицы оптических приемников. Линейки световодов оптических передатчиков начинаются от места соединения с оптошиной, плавно изгибаются и заканчиваются у матрицы оптических передатчиков. Применение предложенного изобретения позволяет обеспечить одновременный прием и передачу информации в многоканальную оптошину, обеспечивая ее двунаправленную работу.

4) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
«Смартлинк соединения» – единственный вид оптических соединений, обладающий свойствами регенерации или самовосстановления. Это свойство чрезвычайно важно для создания высоконадежных самоформирующихся компьютерных систем и высокопроизводительных оптических USB-соединений. «Смартлинк соединения» будут вне конкуренции для быстрых и многократных оптических соединений, так как в них нет массивов контактов или механических направляющих для юстировки оптических волокон, а значит, и нечему будет ломаться. Потенциал технологии позволяет довести число оптических каналов до 32 – 128 при оптическом диаметре кабеля в 3 – 5 мм. Такие соединения не требуют высочайшей точности изготовления, сохраняют свою работоспособность при сдвигах и деформациях и имеет значительно меньшие габариты, чем у аналогов.

5) Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Разработку многоканальных полнодуплексных «смартлинк соединений» планируется осуществить с использованием интегральных двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов. В экспериментальных образцах «смартлинк соединений» планируется использование двухмерных массивов VCSEL-лазеров, содержащих 8 лазеров, размещенных в круге радиусом 0,8 мм. Данная микросхема была разработана ООО «НТЦ «Интрофизика» в ходе выполнения предыдущих НИР и изготовлена компанией ОАО «Коннектор Оптикс» (г. Санкт-Петербург). Рабочая частота лазеров может достигать 5 ГГц. Многоканальный приемник планируется разработать на основе 29-ти элементной двухмерной матрицы pin-фотодиодов, собственной разработки. В качестве оптошин на первом этапе планируется использовать оптические жгуты собственной разработки, с оптическим диаметром 2 – 3 мм, изготовленные на ОАО «ЛЗОС».
Если при создании миниатюрных «смартлинк соединений» опираться на традиционные технологии производства микрооптических изделий, то наиболее сложными узлами таких соединений будут многоканальные делители оптических сигналов. Предварительный анализ их конструкции, выполненной по традиционной оптической схеме, показывает, что они могут быть успешно реализованы с использованием делительных кубиков и трех наборов из 3-х сложных микролинз. Стоимость и трудоемкость такой конструкции может быть неприемлемой для массового производства полнодуплексных «смартлинк соединений». Эту проблему можно с использованием новых технических решений (патент РФ на изобретение Участника проекта № 2419129) и методов 3D-печати. Такие исследования ранее никем не проводились.
В процессе ПНИ планируется разработать ряд конструктивных элементов «смартлинк соединений», формируемых методами 3D-печати, включая многоканальные делители сигнала, создать полнодуплексный смартлинк простой конструкции и исследовать регенеративные характеристики его пропускной способности.
В ходе настоящей ПНИ впервые в России планируется создать полнодуплексное «смартлинк соединение» с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.
Исследование характеристик регенерации полнодуплексных «смартлинк соединений» никогда ранее не проводилось. Поэтому результаты исследований позволят получить новую научно-техническую информацию, а решения, найденные в процессе ПНИ, будут патентоспособными.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Описание областей применения планируемых результатов
Область применения – оптоэлектроника, электронная компонентная база.
Основные способы использования ожидаемых научных и научно-технических результатов – достижение экономического и технического эффектов, в том числе направленных на решение вопросов импортозамещения в сфере электронной промышленности.
Предлагаемый способ изготовления многоканальных оптических делителей сигналов методами 3D-печати по стереолитографической технологии для многоканальной полнодуплексной оптоволоконной линии исключает процесс сборки и юстировки сложного оптического многоканального делителя, на порядок снижает стоимость соединений. Важным преимуществом использования многоканальных оптических делителей сигналов, изготовленных методами 3D-печати, является то, что по надежности и простоте таким элементам не будет соперников, а по миниатюрности разрабатываемые оптические соединения будут превышать лучшие мировые достижения.
Исследование характеристик регенерации вновь разработанных «смартлинк соединений» с конструктивными элементами, изготовленными по новой технологии методами 3D-печати, позволит получить ценную научно-техническую информацию в области разработки оптоэлектронных компонентов для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов.

2) Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования;
Разработками предприятия заинтересовались холдинги «Росэлектроника» и «Швабе», концерн «Морское подводное оружие», а также несколько профильных предприятий – наш индустриальный партнер ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», ОАО «Коннектор Оптикс», компания «T-Systems» и ОАО «НИИ мортеплотехники».

3) Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений
Результаты ПНИ могут быть использованы для создания новейших образцов соединений для компактной вычислительной техники, прежде всего бортовых систем управления боевыми роботами, бортовых систем спутников и систем видеоразведки.
Результаты ПНИ могут быть использованы в ОАО «НИИ «Полюс», ОАО «Коннектор Оптикс», компании «T-Systems» и ОАО «НИИ мортеплотехники», которым требуются высокопроизводительные и эффективные решения, выполненные с использованием интегральных оптических компонентов.

Текущие результаты проекта:
Подписание Соглашения о предоставлении субсидии на выполнение проекта планируется на 25 ноября текущего года.