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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
смартлинк соединения, многоканальная оптоволоконная линия, полнодуплексная линия передачи данных, оптический элемент, оптоволоконный интерфейс, вертикально-излучающий лазер, pin-фотодиод, двумерный массив, фотоника, внутриплатная фотонная сеть, оптический сигнал, многоканальный делитель сигналов, передача информации

Цель проекта:
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 высокопроизводительных оптических USB-соединений с высоким показателем надёжности связи. Целью работы является создание комплекса научно-технических решений в области разработки оптоэлектронных компонентов полнодуплексных «смартлинк соединений» (ПДСС), изготовленных методами 3D-печати, для создания оптоэлектронных вычислительных комплексов. Задачами работы являются разработка многоканального ПДСС на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, разработка адаптивных алгоритмов и протоколов приема-передачи данных, а также исследование характеристик регенерации (самостоятельного восстановления работоспособности каналов связи) ПДСС.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения ПНИ планируется получить следующие научно-технические результаты:
- результаты теоретических исследований в области разработки элементов «смартлинк соединения», а также результаты патентных исследований;
- технические принципы создания оптоэлектронных компонентов и предложения по созданию перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов с применением ПДСС;
- математическую модель ПДСС;
- адаптивный алгоритм и протокол приема-передачи данных;
- методы 3D-печати оптических элементов ПДСС;
- экспериментальный образец ПДСС и связанную с его разработкой необходимую конструкторскую, технологическую и программную документацию;
- результаты экспериментальных исследований ПДСС, в том числе и его регенеративных способностей;
- результаты сопоставления проводимых исследований с аналогичными разработками мирового уровня;
- проект технического задания на проведение последующей ОКР.
Основные характеристики разрабатываемого экспериментального образца ПДСС:
- тип оптоэлектронного передатчика – двумерный массив VCSEL-лазеров;
- тип оптоэлектронного приемника – двумерный массив pin-фотодиодов;
- тип оптоволоконной шины – жгут регулярный волоконно-оптический.
Основные характеристики массива VCSEL-лазеров:
- количество лазеров в массиве, шт., не менее – 8;
- радиус кругового массива VCSEL-лазеров (R), мм – 0,8;
- длина волны излучения VCSEL-лазера, нм – 850;
- пороговый ток, мА – 0,7 … 1,5;
- выходная мощность, мВт – 1 … 3.
Основные характеристики оптоволоконной шины:
- материал оптоволокна – специальное стекло;
- диаметр ядра оптоволокна, мкм – 20 … 100;
- апертура оптошины, не менее – 0,5;
- разрешающая способность, линий на мм, не менее – 12;
- светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм, %, не менее – 48;
- спектральный диапазон пропускания оптоволокна, мкм – 0,4 … 2,0;
- оптический диаметр оптоволоконной шины, мм, не более – 3,0;
- длина оптоволоконной шины, мм, не менее – 300.
Основные характеристики макета двумерного массивов pin-фотодиодов:
- размер массива pin-фотодиодов, мм, не менее – 2,0х2,0;
- отклик pin-фотодиодов, А/Вт, не менее – 0,4;
- спектр отклика pin-фотодиодов, нм – 750 … 1500;
- напряжение обратного смещения pin-фотодиодов, В – 5.
Основные характеристики макета оптического многоканального делителя:
- тип делителя – полимерный, выполненный методами 3D-печати;
- светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм, %, не менее – 48;
- спектральный диапазон пропускания, мкм, не менее – 0,6 … 0,9;
- вносимые потери – до 50% мощности входящего сигнала;
- материал оптических многоканальных делителей – полимер;
- рабочая температура, о С – от минус 20 до плюс 80;
- размеры сечения оптического канала, мм, не менее – 3,0х3,0.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт, создаваемый в рамках выполнения проекта - экспериментальный образец ПДСС, обладающий регенеративными способностями.
В настоящее время двусторонний обмен данными в волоконно-оптических соединениях передачи обеспечивается, в основном, за счёт использования разных оптошин на приём и передачу данных, либо, в случае применения одной оптошины, за счёт использования разных длин волн передачи и приёма сигналов. В экспериментальном образце полнодуплексного «смартлинк соединения» планируется обеспечить приём и передачу данных по одной оптоволоконной шине на одной длине волны передающихся и принимающихся сигналов благодаря применению разработанной конструкции многоканального оптического делителя, выполненного по технологии 3D-печати, и нового принципа деления сигналов.
Предлагаемый способ изготовления многоканальных оптических делителей методами 3D-печати исключает процессы сборки и юстировки оптического элемента, на порядок снижает стоимость соединений. Важным преимуществом использования оптических 3D-делителей является то, что по надежности и простоте таким элементам не будет соперников, а по миниатюрности разрабатываемые оптические соединения будут превышать лучшие мировые достижения.
Современными способами восстановления связи в волоконно-оптических соединениях передачи в аварийных ситуациях являются традиционные способы, ориентированные, в основном, на резервирование трактов (линейное, кольцевое и пр.) – предварительное введение в систему определенной избыточности в виде независимых путей передачи информации. Реализация свойства регенерации «смартлинк соединения» обеспечивается аппаратно на основании принципов технологии, без организации дополнительного резервирования оптических трактов. Исследование характеристик регенерации полнодуплексного «смартлинк соединения» позволит получить ценную научно-техническую информацию в области разработки оптоэлектронных компонентов для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения – оптоэлектроника, электронная компонентная база.
Создания простого и технологичного ПДСС позволит:
- создать надежные многоканальные оптические USB-соединения, например для быстрого снятия большого объема информации с БПЛА;
- разработать технологию аддитивного синтеза внешних (расположенных вне печатных плат) трёхмерных полнодуплексных оптоволоконных многоканальных шин для межпроцессорной, внутриплатной и межплатной коммутации вычислительных элементов, что позволит увеличить скорость и быстродействие бортовых устройств, повысить их компактность;
- создать технологический задел для разработки аддитивных технологий синтеза имплантируемых многоканальных оптоволоконных нейроинтерфейсов для биосовместимых человеко-машинных интерфейсов нового поколения.
Исследования интересуют ведущих российских разработчиков суперкомпьютеров – компанию «T-Платформы» и ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука».

Текущие результаты проекта:
В ходе реализации ПНИ в 2015 г. выполнено следующее:
1) Проведены теоретические исследования в области разработки двумерных массивов pin-фотодиодов для ПДСС.
2) Разработан макет двумерного массива pin-фотодиодов для ПДСС. Разработана эскизная конструкторская документация на макет двумерного массива pin-фотодиодов.
3) Проведены теоретические исследования в области разработки оптических делителей сигналов между двумерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей ПДСС.
Исследованы зависимости предельной (максимальной) частоты сигнала от длины и диаметра оптического канала.
Разработана оптическая схема многоканального оптического делителя и определены технологические аспекты формирования оптического делителя методами 3D-печати.
Подана заявка на изобретение от 19.05.2015 г. № 2015118753 «Многоканальный делитель сигналов для смартлинков».
4) Проведено тестирование двумерных массивов VCSEL-лазеров для приемо-передающих модулей ПДСС.
5) Изготовлена партия полимерных оптоволоконных нитей для проведения работ по разработке методов 3D-печати оптических компонентов ПДСС.
6) Разработано программное обеспечение для оптического и светотехнического анализа и проектирования элементов ПДСС.
7) Изготовлены макеты двумерных массивов pin-фотодиодов для ПДСС.
8) Разработана математическая модель ПДСС.
В настоящее время осуществляется разработка:
- методов 3D-печати оптических компонентов ПДСС;
- Программы и методик лабораторных испытаний макетов двумерных массивов pin-фотодиодов;
- макета оптического многоканального делителя сигналов для разделения оптических сигналов между двумерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей ПДСС;
- адаптивного алгоритма и протокола приёма-передачи данных ПДСС.