DE102014213037B4

DE102014213037B4 - System zur Übertragung von Daten mit mindestens zwei zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildeten Elementen

Info

Publication number: DE102014213037B4
Application number: DE102014213037.9A
Authority: DE
Inventors: Krzysztof Nieweglowski; Michael Jenning; Ralf Rieske; Klaus-Jürgen Wolter; Dirk Plettermeier; Gerhard Fettweis
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-07-05
Also published as: DE102014213037A1

Abstract

System zur Übertragung von Daten mit mindestens zwei zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildeten Elementen (A, B, C, D, E), die jeweils mindestens eine elektronische Schaltung (4) für die Steuerung der wahlweisen Übertragung von Daten auf optischem Weg unter Einsatz mindestens eines Sende- und/oder Empfangselements (3), das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, und einer drahtlosen Datenübertragung mittels mindestens eines weiteren Sende- und/oder Empfangselements (2, 14), das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronisches Vermittlungselement (12) und/oder die mindestens eine elektronische Schaltung (4) sowie mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement (3) und mindestens ein weiteres Sende- und/oder Empfangselement (2, 14) eines Elements (A, B, C, D, E) auf einem Zwischenverdrahtungsträger (1) angeordnet sind und die drahtlose nicht optische Datenübertragung im sub-mm/mm Wellenlängenbereich und die Übertragung optischer Datensignale mit mindestens einem optischen Wellenleiter (7) zwischen den Elementen (A, B, C, D, E) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung von Daten mit mindestens zwei zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildeten Elementen. Sie kann insbesondere in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen, wie dies beispielsweise Computer mit unterschiedlichsten Datenverarbeitungskapazitäten sein können, eingesetzt werden.
Zwischen der Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit der Datenübertragung zwischen integrierten Schaltungen (ICs) besteht eine Diskrepanz, wobei die jeweils kleinere Geschwindigkeit die Gesamtgeschwindigkeit bestimmt. Üblicherweise erfolgt die Datenübertragung innerhalb von Datenübertragungsanlagen allein auf elektrischem Weg. Dies führt zu einer Begrenzung der Übertragungsgeschwindigkeit bzw. -rate. Außerdem ist ein erhöhter Energiebedarf damit verbunden. Bei der Datenübertagung zwischen Modulen elektronischer Systeme werden impedanzangepasste Verbindungsleitungen auf mehrlagigen Leiterplatten für hohe Datenübertragungsraten eingesetzt, die für hohe Datenübertragungsraten und -längen (ab ca. 10 Gbits/s × 1 m) an die physikalische Grenzen stoßen. Mit dem Einsatz komplexer Übertragungstechniken (Multi-Level-Signalling, adaptive Entzerrung) oder optimierter Verbindungstechnik (verlustarme Dielektrika, neuartige Steckertechnologien) werden die erreichbaren Übertragungskennwerte auf Kosten der Energie- und Kosteneffizienz verbessert. Bei der elektrischen Datenübertragung kann dementsprechend nur eine geringe Bandbreite genutzt werden.
Im Gegensatz dazu weist die optische Datenübertragung deutlich bessere Datenübertragungswerte (erreichbare Datenübertragungsraten) bei der Übertragung von Signalen mit hohen Datenraten über längere Strecken auf. Der Hauptteil des Energieverlustes tritt dabei lediglich bei der Konvertierung des elektrischen Signals in das optische und umgekehrt auf.
Dabei werden für die optische Datenübertragung gesonderte Module benötigt, die ausschließlich für die Umwandlung von elektrischer in optische Domäne und umgekehrt und Datenübertragung (optische Hub/Switch-Module) konzipiert sind und entsprechend nur dafür genutzt werden. Die Daten in solchen Systemen werden von gesonderten Modulen (z. B. Prozessor- oder Speichermodul) bereitgestellt. Die Verbindung zwischen diesen Modulen erfolgt mit elektrischen Signalen was die Leistungsfähigkeit des Systems begrenzt. Solche gesonderten Module werden bisher auch für eine drahtlose Datenübertragung genutzt.
Bei allen bisher eingesetzten Datenübertragungsmöglichkeiten ist ein hoher Raumbedarf erforderlich.
Bei optischer Datenübertragung werden die optischen Signale über optische Wellenleiter übertragen. Dabei sind einzelne Module jeweils direkt miteinander verbunden. Für den Fall, dass eine Datenübertragung zu einem bestimmten Modul erfolgen soll, erfolgt die Datenübertragung in der Regel über mehrere Module, also häufig über Umwege und nicht direkt zu dem Ort an dem die Daten tatsächlich verarbeitet werden sollen, was die Datenübertragung hinsichtlich der Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit nachteilig beeinflusst.
Außerdem treten durch diese Art der Übertragung Intensitätsverluste der in optischen Wellenleitern geführten optischen Strahlung auf, die die Übertragungsentfernung begrenzen können.
Aus US 2011/0182218 A1 ist ein drahtloses Bussystem für eine Datenübertragung von Chip zu Chip bekannt.
US 7,859,855 B2 betrifft ein Modul mit einem Zwischenverdrahtungsträger.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Datenübertragung, insbesondere in Datenverarbeitungsanlagen effizienter zu machen und dabei sowohl die Datenübertragungsgeschwindigkeit, die Qualität (Bitfehlerrate) der Datenübertragung zu verbessern und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Das erfindungsgemäße System zur Übertragung von Daten besteht aus mindestens zwei zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildeten Elementen. Diese Elemente weisen jeweils mindestens eine elektronische Schaltung (IC) für die Steuerung der wahlweisen Übertragung von Daten auf optischem Weg über mindestens einen optischen Wellenleiter, unter Einsatz mindestens eines Sende- und/oder Empfangselements, das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist und ein weiteres Sende- und/oder Empfangselement, das für eine drahtlosen Datenübertragung ausgebildet ist, auf. Die Elemente, die mindestens eine elektronische Schaltung, mindestens ein optisches Sende- und/oder Empfangselement, mindestens ein weiteres sub-mm/mm Wellen-Sende- und/oder Empfangselement und ein elektronisches Vermittlungselement sind auf einem Zwischenverdrahtungsträger angeordnet. Die drahtlose nicht optische Datenübertragung erfolgt dabei im sub-mm/mm Wellenlängenbereich (Frequenzen im Bereich 30 GHz bis 500 GHz) zwischen den Elementen. Ein elektronisches Vermittlungselement kann vorhanden sein, wenn die elektronische Schaltung die entsprechenden Funktionen nicht oder nur teilweise erfüllen kann. Diese Funktionen sind die Art und Richtung der Datenübertragung zwischen den Elementen auszuwählen und möglichst zu optimieren. Dabei kann der Weg der Datenübertragung (direkt von einem Element zu einem anderen Element oder die Übertragung von einem Element zu einem anderen Element über mindestens ein weiteres Element als Zwischenüberträger) die Art der Datenübertragung (optisch oder drahtlos) und/oder die Größe der jeweiligen Datenpakete entsprechend beeinflusst werden. So kann ein zu übertragendes Datenpaket lediglich ein Teil eines vollständigen Datensatzes sein und mindestens ein weiteres Datenpaket des jeweiligen Datensatzes über einen anderen Weg oder in anderer Form (drahtlos oder optisch) übertragen werden, um eine Datenübertragung in möglichst kurzer Zeit zu ermöglichen.
Die mindestens eine elektronische Schaltung und/oder das elektronische Vermittlungselement sollte(n) lösbar über ein Verbindungselement am Zwischenverdrahtungsträger befestigt sein. Dadurch kann ein erforderlicher Austausch erleichtert werden, wenn ein Ausfall aufgetreten oder eine Anpassung an ein zwischenzeitlich verändertes System mit beispielsweise anderen Elementen oder einer veränderten Daten- bzw. Datenübertragungsart erforderlich ist.
Bevorzugt ist mindestens eine Antenne an einem Element ausgebildet oder dort angeordnet.
Ein Sende- und/oder Empfangselement, das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, kann ein optische Strahlung emittierendes Element und/oder ein optische Strahlung detektierendes Element sein.
Ein weiteres Sende- und/oder Empfangselement, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, kann zur drahtlosen bevorzugt bidirektionalen Datenübertragung mittels mindestens eines Sendeempfängermoduls (Transceiver) und mindestens einer Antenne ausgebildet sein.
Die elektronische Schaltung kann auch die zu übertragenden Daten bereitstellen. Dafür kann ein elektronischer Speicher vorhanden sein.
Vorteilhaft kann am oder innerhalb des Zwischenverdrahtungsträgers mindestens ein optischer Wellenleiter vorhanden sein, der eine steuerbare optische Verbindung zwischen einem zur Umlenkung optischer Strahlung ausgebildeten optischen Element und einem Sende- und Empfangselement bildet. Dabei kann das entsprechende Sende- und Empfangselement zur optischen oder drahtlosen Datenübertragung ausgebildet sein. Dadurch lässt sich die Datenübertragung insbesondere bei einem Wechsel zwischen drahtloser und optischer Datenübertragung verbessern, indem die erforderliche Zeit, der erforderliche Aufwand und die erforderliche Energie reduziert werden können. Außerdem können ggf. auftretende Informationsverluste so besser vermieden werden.
Für die optische Datenübertragung zwischen Elementen werden optische Wellenleiter benutzt, über die die optische Datenübertragung dann verlustarmer und sicherer erfolgen kann, als dies im Freistrahl möglich ist. Dazu sollte mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement zur optischen Datenübertragung über mindestens einen optischen Wellenleiter von und zu einem Element ausgebildet sein.
Die elektronische Schaltung, das/die Sende- und/oder Empfangselement(e), das/die für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist/sind, das/die weiteren) Sende- und/oder Empfangselement(e), das/die für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist/sind, die Antenne(n) sind jeweils gemeinsam auf einem Zwischenverdrahtungsträger (Interposer) und ggf. auch noch auf einem Trägerelement (Leiterplatte) angeordnet. Sie können aber auch in den Zwischenverdrahtungsträger oder dem Trägerelement integriert sein.
Dabei kann ein Sende- und/oder Empfangselement, das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, ein elektro-optisches Element, ein optische Strahlung detektierendes Element, ein optischer Detektor (Photodiode), ein optische Strahlung emittierendes Element, eine Laserlichtquelle, die moduliert betrieben werden kann, sein. Beide Elemente für einen emittierenden und detektierenden Betrieb optischer Strahlung können auch in einem gemeinsamen Element integriert sein und beispielsweise eine Stapel- oder Arrayanordnung bilden, so dass ein beide Funktionen kombinierendes Sende- und Empfangselement, das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, bei der Erfindung eingesetzt werden kann. Ein zur optischen Datenübertragung ausgebildetes Element kann als ein Sendeelement (Umwandlung elektrisch in optisch), Empfangselement (Umwandlung optisch in elektrisch) oder als Sendeempfangselement (Umwandlung optisch in elektrisch und umgekehrt) ausgebildet sein.
Die optische Datenübertragung erfolgt über optische Wellenleiter, die in den Zwischenverdrahtungsträger oder ein Trägerelement integriert oder daran angeordnet sein können. Optische Strahlung kann durch einen optischen Wellenleiter zu einem Sende- und/oder Empfangselement, das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, geführt oder von einem solchen Element emittierte optische Strahlung kann durch einen optischen Wellenleiter weiter geleitet werden.
Ein weiteres Sende- und/oder Empfangselement, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, kann als ein Sendeelement (Umwandlung leitungsgebunden in drahtlos), Empfangselement (Umwandlung drahtlos in leitungsgebunden) oder Sendeempfangselement (Umwandlung drahtlos in leitungsgebunden und umgekehrt) ausgebildet sein.
An einem bei einem erfindungsgemäßen System einsetzbaren Element sollten an einem weiteren Sende- und/oder Empfangselement, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, mehr als eine Antenne vorhanden sein, um die Übertragungssicherheit bei der drahtlosen Datenübertragung zu erhöhen. Mehrere Antennen können dann so angeordnet sein und/oder so betrieben werden, dass eine gerichtete Datenübertragung und ggf. auch ein gerichteter Datenempfang erreichbar sind. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mehr als zwei Elemente ein System bilden und diese Elemente in unterschiedlichen Richtungen zueinander ausgerichtet/angeordnet sind. Es sollte eine richtungsspezifische drahtlose Datenübertragung von einem Element zu einem ausgewählten anderen Element ermöglicht sein.
Antennen eines weiteren Sende- und/oder Empfangselements, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, (Sendeempfangsmodul) können als reine Empfangsantenne, als reine Sendeantenne oder als kombinierte Sende-Empfangsantenne ausgebildet sein.
Damit eine variable Vorzugsrichtung der durch die Antennen abgestrahlten Wellen erreicht wird, sollte einem weiteren Sende- und/oder Empfangselement, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, jedes Antennensignal oder Signale für Gruppen von Antennen in der elektrischen Phase einstellbar sein. Die eingestellte Phase führt in bestimmten Raumrichtungen zu konstruktiver Überlagerung der Wellen, in anderen Richtungen zur destruktiven Überlagerung und damit zur einstellbaren Vorzugsrichtung für eine drahtlose Datenübertragung.
Vorteilhaft für die drahtlose Übertragung sind dabei sub-mm/mm-Wellen zu wählen. Diese weisen Wellenlängen im namensgebenden Bereich auf, also Mikrometer bis Millimeter, was vorteilhaft bei der Integration der Antennen auf dem Chip/im Chippackage ist. Antennen weisen üblicherweise Abmessungen je Dimension auf, die etwa bei der Hälfte der Wellenlänge liegen. Chipfläche, die für die Unterbringung von Antennen genutzt wird, kann dabei nur noch bedingt oder gar nicht mehr für andere Aufgaben genutzt werden. Üblicherweise ist Chipfläche sehr teuer (Technologie bedingt), vor allem im Vergleich zur konventionellen Leiterplattentechnologie. Somit ist es vorteilhaft, kleine Antennen auf einem Chip zu integrieren. Im Vergleich zur konventionellen Leiterplattentechnologie ist die Integration der Antennen auf dem Chip selbst noch aus einem anderen Grund vorteilhaft. Die Kontaktierung der Schaltung auf dem Chip zur Antenne auf der Leiterplatte wird sehr aufwändig und ist, wie bereits zuvor angeführt, sehr verlustbehaftet, wenn sie konventionell drahtgebunden erfolgt. Diese Verluste werden bei einer Chipintegration vermieden.
Unter Berücksichtigung der Anordnung von Elementen und der verfügbaren momentanen Kapazität der optischen und drahtlosen Verbindungen zwischen den Elementen kann eine Auswahl zwischen optischer und drahtloser Datenübertragung getroffen werden. Dies ist von besonderer Bedeutung wenn beispielsweise Elemente eines Systems, zwischen denen eine Datenübertragung erfolgen soll, mittels optischer Wellenleiter nicht direkt miteinander verbunden sind und die Datenübertragung so über mindestens ein weiteres Element, das zwischen diesen beiden Elementen angeordnet ist, erfolgen soll. Es kann für diese Datenübertragung ausgewählt werden, ob es dann günstiger ist eine direkte Datenübertragung zwischen den beiden Elementen drahtlos durchzuführen und Umwege über andere Elemente, wie dies bei einer optischen Datenübertragung erforderlich wäre, zu vermeiden.
Es kann aber auch bei der Auswahl der Datenübertragungsart berücksichtigt werden, mit welcher Geschwindigkeit eine Datenübertragung momentan auf optischem Weg oder drahtlos erreichbar ist. Werden zu dem jeweiligen Zeitpunkt gerade sehr viele Daten zwischen den Elementen eines erfindungsgemäßen Systems über optische Wellenleiter übertragen, kann es günstiger sein eine direkte drahtlose Datenübertragung anstelle einer optischen Datenübertragung zu wählen. Dies kann auch im umgekehrten Fall erfolgen, wenn eine optische Datenübertragung im jeweiligen Moment effektiver als eine drahtlose Datenübertragung erfolgen kann. Bei der Auswahl der jeweiligen Datenübertragungsart kann auch die momentane freie Kapazität oder die Auslastung des optischen und drahtlosen Übertragungskanals oder die Verzögerungszeit des jeweiligen Übertragungspfades bei der Auswahl der Datenübertragungsform berücksichtigt werden. Dies trifft auch auf den für eine Datenübertragung erforderlichen Energieverbrauch zu. Es kann also eine entsprechende Optimierung erfolgen.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine Datenübertragung von einem Element zu einem anderen Element eines erfindungsgemäßen Systems gleichzeitig drahtlos und optisch durchzuführen. Dabei können bestimmte Daten allein optisch und andere Daten rein drahtlos von einem Element zu einem anderen Element übertragen werden, wodurch die Datenübertragungsgeschwindigkeit und/oder die Zuverlässigkeit/Sicherheit der Datenübertragung erhöht werden kann/können.
Die übertragenen Daten können der elektronischen Schaltung, insbesondere einer integrierten Schaltung (IC) eines bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzten Elements, einem Prozessor oder einem elektronischen Speicher zugeführt werden.
Ein bei der Erfindung eingesetzter Zwischenverdrahtungsträger und ggf. auch ein Trägerelement (Interposer) sollte(n) bei den für die Datenübertragung genutzten sehr hohen Frequenzen einsetzbar sein und zumindest die Datenübertragung nicht nachteilig beeinflussen. Er sollte auch ausreichend temperaturstabil sein und kann als reines Verdrahtungselement dienen (integriert keine passiven bzw. aktiven Bauelemente). Trägerelemente können z. B. aus keramischen Werkstoffen, aus Silizium, Glas oder Leiterplattenmaterial (glasfaserverstärktes Epoxidlaminat) gebildet sein. In dem Zwischenverdrahtungsträger können aber sowohl passive (z. B. Widerstände, Kondensatoren oder Spulen) als auch aktive Bauelemente, wie integrierte Schaltungen, integriert werden. Für die Datenübertragung kann es auch vorteilhaft sein, wenn ein Trägerelement zumindest bereichsweise für das eingesetzte optische und drahtlose Signal transparent ist. Es können auch optische Wellenleiter durch Trägerelemente geführt oder definiert daran fixiert sein.
Die bei dem erfindungsgemäßen System einsetzbaren Elemente sollten auch über mindestens eine elektrische Schnittstelle verfügen, über die eine Energieversorgung ggf. auch eine elektrische Datenübertragung erreicht werden kann. Dies kann beispielsweise über einen Steckplatz erfolgen, bei dem ein Austausch eines Elements gegen ein anderes Element, insbesondere für einen Austausch der elektronischen Schaltung, möglich ist. Es kann aber auch eine feste dann ggf. stoffschlüssige Verbindung gewählt werden, mit der ein Element auf einer Leiterplatte oder einer Karte fixiert werden kann. Günstig ist es dabei, wenn zumindest ein Element lösbar mit dem Zwischenverdrahtungsträger verbunden werden kann. Dies kann beispielsweise über eine Steckverbindung erfolgen. Dabei kann es sich vorteilhaft um ein Element, das mit höheren Kosten verbunden ist, handeln, wie dies beispielsweise die elektronische Schaltung ist. Andere Elemente können dann beispielsweise stoffschlüssig befestigt bzw. verbunden sein, was durch Löten oder Kleben erreicht werden kann. Solche Verbindungen bzw. Befestigungen ermöglichen eine dauerhafte Justierung und Positionierung, was bei der Art der möglichen Datenübertragungen günstig ist.
Die bei dem erfindungsgemäßen System eingesetzten Elemente, von und zu denen eine Datenübertragung erfolgen soll, können in Form eines oberflächenmontierbaren Packages ausgebildet sein.
Dadurch kann eine Verbindung zu einem Prozessor, einer integrierten Schaltung, einem elektronischen Speicher, einer Datenquelle oder -senke unmittelbar an einem Zwischenverdrahtungsträger erreicht werden.
Es sollte auch eine festdefinierte optische Verbindung vorhanden sein, so dass beispielseise emittierte oder detektierte optische Strahlung definiert zur optischen Datenübertragung genutzt werden kann. Hierfür sollte insbesondere eine verlustarme Ein- und Auskopplung in bzw. aus einem optischen Wellenleiter berücksichtigt werden.
Ein optisches Sende- und/oder Empfangselement kann Schaltungselemente, wie Transimpedanzverstärker (TIA) und/oder Laserdiodentreiber (LDD) und/oder Multiplexer und Demultiplexer (MUX/DEMUX) und/oder ICs zur Rückgewinnung von Takt- und Datensignalen (CDR) beinhalten.
Ein weiteres drahtloses Sende- und/oder Empfangselement kann Schaltungselemente (bspw. Verstärker, Mischer oder Phasenschieber) für die Ansteuerung der Antennen (gesamt als Frontend bezeichnet), sowie eine oder bevorzugt mehrere Antenne(n) aufweisen.
In bei dem erfindungsgemäßen System einsetzbaren Elementen sind alle Komponenten für die optische und drahtlose Datenübertragung sowie deren Steuerung und ggf. für die Verarbeitung und Speicherung von Daten in/an ein/einem Zwischenverdrahtungsträger integriert oder daran angeordnet und können so an einer Leiterplatte oder Karte befestigt sein. Elemente eines erfindungsgemäßen Systems können auch an mehreren unterschiedlichen Leiterplatten oder Karten vorhanden sein, die in Abständen zueinander angeordnet sein können. Die Abstände sollten dabei die Reichweite einer sicheren drahtlosen Datenübertragung von einem Element zu einem anderen Element berücksichtigen.
Es ist eine hohe Packungsdichte, also ein geringer Raumbedarf bei gleichzeitiger hoher Bandbreite der Datenübertragung, erreichbar.
Ein System kann während der Betriebsdauer konfiguriert werden, indem ein Austausch von Elementen oder eine Veränderung der Anzahl an Elementen, mit denen in einem System eine Datenübertragung möglich ist, vorgenommen wird.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Bei den Beispielen beschriebenen Merkmale können unabhängig vom jeweiligen Beispiel miteinander kombiniert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Elements, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
2 in schematischer Darstellung ein weiteres Beispiel mit einem optischen Wellenleiter;
3 eine schematische Darstellung mehrerer Elemente eines erfindungsgemäßen Systems und Möglichkeiten der Datenübertragung zwischen einzelnen Elementen;
4 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Sendeelements 2 wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
5 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Empfangselements 2, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
6 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines weiteren Sende-/Empfangselements 2, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
7 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Sendeelements 3, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
8 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Empfangselements 3, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
9 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Sendeelements 14, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann;
10 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Empfangselements 14, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann und
11 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer integrierten Variante eines Sendelements 3, wie es bei einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann.
Die 1 zeigt ein Beispiel eines Elements A an dem auf einem Zwischenverdrahtungsträger 1 eine elektronische Schaltung 4 elektrisch leitend über elektrische Leiterbahnen mit zwei Sende- und Empfangselemente 2, die für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet sind, und deren Antennen 11, die zum Senden und Empfangen von drahtlos zu übertragenden Daten ausgebildet sind, zwei optische Strahlung detektierenden und emittierenden Elementen als Sende- und Empfangselemente 3, die für eine optische Datenübertragung ausgebildet sind, und zwei Arrays optischer Wellenleiter 7 in die optische Strahlung zur Datenübertragung, die von den Sende- und Empfangselementen 3 emittiert werden kann, eingekoppelt werden kann, wenn eine optische Datenübertragung zu mindestens einem weiteren hier nicht dargestellten Element B, C, D oder E erfolgen soll. Aus einem der optischen Wellenleiter 7 ausgekoppelte optische Strahlung wird bei einem Datenempfang auf ein Sende- und Empfangselement 3 über ein zur Umlenkung der optischen Strahlung ausgebildetes optisches Element 6 gerichtet und mit diesem erfolgt eine Detektion. Empfangene Daten können beispielsweise in der elektronischen Schaltung 4 verarbeitet oder ggf. auch in einem elektronischen Speicher gespeichert werden. Mit den die optische Strahlung umlenkenden optischen Elementen 6 kann optische Strahlung, die von einem Sende- und Empfangselement 3 emittiert wird, in einen optischen Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Bei dem gezeigten Beispiel ist dafür an den optischen Elementen 6 eine um 45° in Bezug zur optischen Achse der optischen Wellenleiter 7 geneigte Fläche vorhanden, an der die optische Strahlung entsprechend im richtigen Winkel reflektiert werden kann. Die optische Datensignalübertragung zwischen den Elementen A, B, C, D und/oder E erfolgt über die optischen Wellenleiter 7.
Alle Komponenten sind dabei an dem Zwischenverdrahtungsträger 1 vorhanden. Bei dem gezeigten Beispiel sind die optischen Wellenleiter 7 in einem Substrat 5, das beispielsweise eine Leiterplatte sein kann, zumindest bereichsweise aufgenommen. Ihre Stirnflächen für die Ein- und Auskopplung können in Bezug zu dem jeweiligen Element A, B, C, D oder E positioniert sein. Der Zwischenverdrahtungsträger 1 wird mit dem Substrat 5 über eine feste elektrische Schnittstelle 9 verbunden, über die eine Energieversorgung ggf. auch eine elektrische Datenübertragung erreicht werden kann. Dagegen wird die elektronische Schaltung 4 über eine elektrische Schnittstelle mit dem Zwischenverdrahtungsträger 1 verbunden, die sowohl über einen Steckplatz 10 als auch als eine feste ggf. stoffschlüssige Verbindung ausgeführt werden kann.
Bei einem Element A kann aber auch ein Sende- und/oder Empfangselement 3 lediglich für die Detektion optischer Strahlung, also für den Datenempfang und ein anderes Element 3 lediglich für die Emission optischer Strahlung, also zum Senden von Daten ausgebildet sein. Jedes der in 1 gezeigten Sende- und/oder Empfangselemente 3, die für eine optische Datenübertragung ausgebildet sind, kann ein Array mehrerer optische Strahlung detektierender und emittierender Elemente sein, wodurch die Gesamtübertragungsrate bei der optischen Datenübertragung erhöht werden kann.
Aus 1 wird außerdem deutlich, dass durch eine entsprechende Anordnung von Sende- und/oder Empfangselementen 2, die für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet sind, mit Antennen 11 eine entsprechend gerichtete drahtlose Datenübertragung zu bestimmten weiteren Elementen B, C, D oder E, die in der entsprechenden Richtung angeordnet sind, erfolgen kann. Die Auswahl des jeweiligen Sende- und/oder Empfangselements 2, das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, kann dabei mit Hilfe der elektronischen Schaltung 4 erfolgen.
Die zwei oder ggf. auch mehr als zwei Sende- und/oder Empfangselemente 2 mit Antennen 11 können jeweils als Array mehrerer einzelner Antennen 11 ausgebildet sein, die entsprechend zueinander angeordnet sind. Jedes der in 1 gezeigten Sende- und/oder Empfangselemente 2 kann also ein Array mehrerer Antennen 11 sein, wodurch die richtungsabhängige Selektivität bei der drahtlosen Datenübertragung erhöht werden kann.
Bei dem Beispiel nach 1 kann ein Sende- und/oder Empfangselement 2 mit einem Mischer/Mischelement 201 für Daten, der ein Modulator oder Frequenzwandler sein kann, und ein Verstärker 202, 203 genutzt werden. Mit dem Mischer 201 können zu sendende Daten, die als niederfrequentes Basisbandsignal (z. B. bei Frequenzen von ca. 5 GHz) in zu übertragende Datensignale umgewandelt werden (Trägerfrequenzen z. B. zwischen 30 GHz bis 500 GHz). Vor der Übertragung der Daten über eine Antenne kann eine Verstärkung mit einem Verstärker 202 der gewandelten Datensignale durchgeführt werden. Bei einem Empfang von Datensignalen kann genau entgegengesetzt vorgegangen werden, wobei die empfangenen Datensignale zuerst mit einem Verstärker 203 verstärkt und dann mittels des Mischers 201 gewandelt bzw. verändert werden. Bei der Frequenzwandlung wird dabei aus dem Übertragungssignal im Frequenzbereich zwischen 30 GHz und 500 GHz das darauf aufmodulierte Basisbandsignal extrahiert. Es sollten möglichst rauscharme Verstärker 203 genutzt werden. Es kann auch ein Umschalter (Sende- Empfangsweiche) 204 vorgesehen werden, mit dem eine Auswahl getroffen werden kann, ob gesendet, empfangen oder beides gleichzeitig erfolgen soll. Als Umschalter 204 kann ein Zirkulator genutzt werden.
Das in 2 gezeigte Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel nach 1 dadurch, dass ein optischer Wellenleiter 13 in den Zwischenverdrahtungsträger 1 aufgenommen oder bei diesem Beispiel darin integriert ist. Der optische Wellenleiter 13 stellt eine direkte optische Verbindung zwischen dem einen zur Umlenkung optischer Strahlung ausgebildeten Element 6 zu einem, in 2 rechts angeordneten Sende- und Empfangselement 14 dar. Dieses Sende- und Empfangselement 14 kann so ausgebildet sein, dass von dort die Datenübertragung drahtlos und nicht mehr optisch erfolgen kann. Dabei kann ein bevorzugt integrierter hier nicht dargestellter opto-elektrischer Wandler 301, 303 genutzt werden. Durch die direkte Datensignalübertragung können Informations- und Zeitverluste vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Anstelle des zur Umlenkung optischer Strahlung ausgebildeten Elements 6 kann auch ein anderes zur Aufnahme bzw. den Empfang geeignetes optisches Element, z. B. eine Photodiode genutzt werden.
Bei diesem Beispiel kann ein Sende- und Empfangselement 3 in üblicher Form mit einer Laserdiode 301 oder als integrierte Variante (z. B. mit Siliziumphotonik-Plattform) als ein- oder mehrkanalige Ausführung genutzt werden. Bei Nutzung einer Laserdiode 301 können Datensignale direkt mit einer hohen Frequenz unter Einsatz eines Laserdiodentreibers 302 moduliert werden. Bei der integrierten Variante können mit einem Modulatortreiber 306 auf die optische kontinuierliche Welle von der Laserdiode 301 hochfrequente Datensignale aufmoduliert werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass mehrkanalige (z. B. mittels Wellenlängenmultiplex-Methode – WDM) auf Silizium integrierte Sende- und Empfangselemente realisierbar sind und damit mit einem einzigen physischen Kanal mehrere Datensignale übertragen werden können, was zu einer hohen kumulierten Datenübertragungsrate führt. Bei Empfang von Datensignalen kann der mit einer Photodiode 303 erhaltene elektrische Strom (Photodiodenstrom) mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) 304 in elektrische Spannungssignale umgewandelt und mit einem Begrenzungsverstärker (LA) 305) auf einen vorgebbaren definierten Wert Pegel der digitalen Datensignale (z. B. ±500 mV) verstärkt werden.
Sende- und Empfangselemente 14 können bei der Erfindung auch mit optisch zugeführten Signalen, beispielsweise bis zu einer Antenne (waveguide to the antenna – W2A) betrieben werden. Die Signalzuführung zum mm-Wellen abstrahlenden/sendenden Element 14 erfolgt dabei auf optischem Weg über den optischen Wellenleiter 13. Vor der Abstrahlung durch die Antennen 11 erfolgt eine Wandlung aus der optischen Domäne (optischer Bereich) in die drahtlose mm-Wellendomäne 303, durch entsprechende Wandlung der optischen Datensignale in drahtlos zu übertragende Datensignale. Vor der Abstrahlung bzw. dem Senden kann das mm-Wellensignal zusätzlich noch verstärkt werden. Beim Empfang können die mm-Wellendatensignale in optische Signale gewandelt werden, was mit Nutzung der Laserdiode 301 erreicht werden kann. Dies kann aber auch reversibel erfolgen.
In 3 sind mehrere bei einem erfindungsgemäßen System einsetzbare Elemente A, B, C, D und E dargestellt, die mittels optischer Wellenleiter 7 miteinander verbunden und zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildet sind.
Die optische Datenübertragung erfolgt dabei von einem Element D über die Elemente E, A, B zu einem Element C, wenn der längste Weg bei der optischen Datenübertragung zurückgelegt werden soll oder muss. Es wird also zwangsläufig ein weiter Weg zurückgelegt und die optisch übertragenen Daten müssen von einem zum nächstfolgenden Element übertragen werden, bis sie das eigentliche Zielelement C erreicht haben, was einen erhöhten Übertragungsaufwand bedeutet.
Zur Vereinfachung der Übertragung kann daher anstelle der optischen Datenübertragung die drahtlose Übertragung gewählt werden. Dies erfolgt dann direkt, wie in 3 gezeigt, vom Element E zum Element C oder in umgekehrter Richtung. Dies ist in 3 auch für eine drahtlos erreichbare Datenübertragung zwischen den Elementen A und C, aber auch zwischen anderen Elementen möglich, wofür in 3 auf eine entsprechende Darstellung verzichtet worden ist.
Eine drahtlose Datenübertragung kann aber auch gewählt werden, wenn sehr viele andere Daten gleichzeitig optisch übertragen werden, so dass die optische Datenübertragungskapazität nahezu ausgeschöpft ist und es daher zu einer Reduzierung der Datenübertragungsgeschwindigkeit auf optischem Wege kommen kann.
Die Elemente A, B, C, D und E bilden dabei Verbindungsknoten, wobei jedes Element A, B, C, D und E als Verbindungsknoten für sich entscheiden kann, welche Art der Datenübertragung optisch oder drahtlos zu einem anderen Element A, B, C, D, E gewählt wird. Dies kann mittels der elektronischen Schaltung 4 und durch elektrische Steuerung erreicht werden. Die Elemente A, B, C, D und E stellen quasi Vermittler bei der Datenübertragung dar, die in der Lage sind, die jeweilige Übertragungsart – drahtlos oder optisch – selbsttätig auszuwählen.
Bei der Erfindung können auch mehr oder weniger als die hier gezeigten fünf Elemente A, B, C, D und E ein erfindungsgemäßes System bilden.
4 zeigt ein Sendeelement für drahtlose sub-mm/mm-Wellen mit einem Mischer 201, der die niederfrequenten elektrischen Basisbanddatensignale in den zu übertragenden Frequenzbereich (z. B. 30 GHz bis 500 GHz) wandelt, und einem Verstärker 203, der die zu übertragenden Sendesignale vor der Abstrahlung durch die Antenne 11 verstärkt. Ein solches Sendeelement kann im erfindungsgemäßen System im Sende- und/oder Empfangselement 2 vorhanden sein.
5 zeigt ein Empfangselement für drahtlose sub-mm/mm-Wellen mit einer Antenne 11, die die drahtlosen Datensignale empfängt und in elektrische Datensignale umwandelt, einem Verstärker 202, der die gewandelten elektrischen Datensignale verstärkt, und einem Mischer 201, der die hochfrequenten elektrischen Datensignale, die zuvor von der Antenne 11 empfangen wurden, dann gewandelt und vom Verstärker 203 verstärkt wurden, in das niederfrequente elektrische Basisbandsignal wandelt. Ein solches Sendeelement kann im erfindungsgemäßen System im Sende- und/oder Empfangselement 2 vorhanden sein.
6 zeigt ein kombiniertes Sende- und Empfangselement 2. Es besteht aus dem zuvor beschriebenen Sendeelement und dem Empfangselement. Für eine gemeinsame Nutzung der Antenne 11, ist ein zusätzlicher Schalter oder eine Weiche 204 erforderlich. Dies kann beispielsweise auch ein Zirkulator sein, womit zeitgleicher Sende- und Empfangsbetrieb möglich werden. Ein solches Sende- und Empfangselement 2 kann beim erfindungsgemäßen System eingesetzt werden.
7 zeigt ein Sendeelement für optische Signale mit einer Laserdiode 301, die elektrische Signale (hier elektrische Ströme) in optische Signale umwandelt, und einem Laserdiodentreiber 302, der die elektrischen Signale, die vor allem als elektrischer Spannungspegel vorliegen, in die für den Betrieb der Laserdiode 301 erforderlichen elektrischen Ströme wandelt. Ein solches Sendeelement kann bei einem erfindungsgemäßen System im Sende- und/oder Empfangselement 3 vorhanden sein.
8 zeigt ein Empfangselement für optische Signale mit einer Photodiode 303, die optische Signale in einen elektrischen Photostrom wandelt, einem Transimpedanzverstärker 304, der den elektrischen Photostrom verstärkt und in elektrische Signale, vor allem elektrische Spannungspegel wandelt, und einem Begrenzungsverstärker 305, der die elektrischen Spannungspegel auf einen maximalen Ausgangswert verstärkt. Ein solches Empfangselement kann im erfindungsgemäßen System in einem Sende- und/oder Empfangselement 3 vorhanden sein.
9 zeigt ein Sendeelement für drahtlose sub-mm/mm-Wellen mit optischer Datensignalzuführung mit einer Photodiode 303, die die zugeführten optischen Datensignale in elektrische Datensignale wandelt, und einer Antenne 11, die die elektrischen Datensignale abstrahlt. Ein solches Sendeelement kann bei einem erfindungsgemäßen System in einem weiteren Sende- und/oder Empfangselement 14 vorhanden sein.
10 zeigt ein Empfangselement für drahtlose sub-mm/mm-Wellen mit optischem Datensignalausgang, bei dem eine Antenne 11, die die zu empfangenden Datensignale in Form von sub-mm/mm-Wellen in elektrische Datensignale umwandelt und eine Laserdiode 301, die die elektrischen Datensignale in optische Datensignale umwandelt, vorhanden sind. Ein solches Empfangselement kann bei einem erfindungsgemäßen System im Sende- und/oder Empfangselement 14 vorhanden sein.
11 zeigt ein Sendeelement für optische Datensignale in einer integrierten Variante mit einem Laserdiodenarray 301, das optische Datensignale (optische kontinuierliche Welle – CW) mit unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁ ... λ_n) bereit stellt und einem Laserdiodentreiberarray 306, das hochfrequente Datensignale auf CW-Signale aufmoduliert. Diese Datensignale werden dann mittels Multiplexer 307 in einen einzigen physischen Kanal zusammengefasst. Ein solches Sendeelement kann bei einem erfindungsgemäßen System im Sende- und/oder Empfangselement 3 vorhanden sein.

Claims

System zur Übertragung von Daten mit mindestens zwei zur Datenübertragung und Datenverarbeitung ausgebildeten Elementen (A, B, C, D, E), die jeweils mindestens eine elektronische Schaltung (4) für die Steuerung der wahlweisen Übertragung von Daten auf optischem Weg unter Einsatz mindestens eines Sende- und/oder Empfangselements (3), das für eine optische Datenübertragung ausgebildet ist, und einer drahtlosen Datenübertragung mittels mindestens eines weiteren Sende- und/oder Empfangselements (2, 14), das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronisches Vermittlungselement (12) und/oder die mindestens eine elektronische Schaltung (4) sowie mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement (3) und mindestens ein weiteres Sende- und/oder Empfangselement (2, 14) eines Elements (A, B, C, D, E) auf einem Zwischenverdrahtungsträger (1) angeordnet sind und die drahtlose nicht optische Datenübertragung im sub-mm/mm Wellenlängenbereich und die Übertragung optischer Datensignale mit mindestens einem optischen Wellenleiter (7) zwischen den Elementen (A, B, C, D, E) erfolgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am oder innerhalb des Zwischenverdrahtungsträgers (1) mindestens ein optischer Wellenleiter (13) vorhanden ist, der eine steuerbare optische Verbindung zwischen einem zur Umlenkung optischer Strahlung ausgebildeten optischen Element (6) und dem mindestens einen weiteren Sende- und/oder Empfangselement (14) bildet und das mindestens eine weitere Sende- und/oder Empfangselement (14) zur optischen und drahtlosen sub-mm/mm-Datenübertragung ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Element (A, B, C, D, E) mindestens eine Sende- und/oder Empfangsantenne (11) ausgebildet oder dort angeordnet ist, in den Zwischenverdrahtungsträger (1) integriert und/oder darauf befestigt ist, wobei mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen (11) oder Antennentypen des mindestens einen weiteren Sende- und/oder Empfangselements (2, 14), das für eine drahtlose Datenübertragung ausgebildet ist, als Antennenarray ausgebildet sind, mit dem eine richtungsspezifische drahtlose Datenübertragung erreichbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sende- und/oder Empfangselement (3) zur optischen Datenübertragung über den mindestens einen optischen Wellenleiter (7) von und zu einem Element (A, B, C, D, E) ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (4) und/oder das mindestens eine elektronische Vermittlungselement (12) so ausgebildet sind/ist, dass unter Berücksichtigung der Anordnung und optischen Verbindung von Elementen (A, B, C, D, E) eine Auswahl zwischen optischer und drahtloser sub-mm/mm-Datenübertragung von einem der Elemente (A, B, C, D, E) zu mindestens einem der weiteren Elemente (A, B, C, D, E) und der Art der jeweiligen Datenübertragung getroffen wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektronische Schaltung (4) lösbar über ein Verbindungselement am Zwischenverdrahtungsträger (1) befestigt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (4) oder das mindestens eine elektronische Vermittlungselement (12) so ausgebildet ist, dass unter Berücksichtigung der momentanen Auslastung der optischen Verbindung und/oder der Kapazität und/oder der Verzögerungszeit des jeweiligen Übertragungspfades eine Auswahl zwischen optischer Datenübertragung über den mindestens einen optischen Wellenleiter (7) und drahtloser sub-mm/mm-Datenübertragung getroffen wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Sende- und/oder Empfangselement (2) ein Mischelement (201) und ein Verstärker (202, 203) vorhanden sind, wobei das Mischelement (201) zur Wandlung von niederfrequenten Datensignalen in die zu übertragenden Daten ausgebildet ist und der Verstärker (202, 203) die zu sendenden gewandelten Daten oder die empfangenen Daten vor der Wandlung verstärkt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Sende- und/oder Empfangselement (3) für die Sendefunktionalität eine Laserdiode (301) und ein Laserdiodentreiber (302) vorhanden sind, für die Empfangsfunktionalität eine Photodiode (303) und ein Transimpedanzverstärker (304) vorhanden sind, wobei die Laserdiode (301) zur Wandlung von elektrischen Datensignalen in die zu übertragenden optischen Datensignale ausgebildet ist, die Photodiode (303) die optischen Datensignale in elektrische Datensignale wandelt und der Laserdiodentreiber (302) die elektrischen Spannungssignale in die für den Laserbetrieb erforderlichen elektrischen Stromsignale umwandelt und der Tranzimpedanzverstärker (304) den durch die Photodiode (303) gewandelten Photostrom in elektrische Spannungssignale umwandelt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Vermittlungselement (12) in der elektronischen Schaltung (4) integriert ist und nicht als gesondertes Bauteil auf dem Zwischenverdrahtungsträger (1) ausgeführt ist
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Element (A, B, C, D, E) mindestens eine elektrische Schnittstelle vorhanden ist.