DE4006510A1 - Optisches bussystem mit optisch parallelem plattenstapel (opps) bzw. optisch paralleler streifenleiterplatte (opsp) - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf digitale Schaltungen, die üblicherweise mittels eines digitalelektronischen Busses miteinander verbunden sind wie das z. B. in Rechenanlagen, Schaltungen der Steuer- und Regelungstechnik und bei Vermittlungsschaltungen der Fall ist, wobei erfindungsgemäß diese üblichen Bussysteme durch einen optoelektronischen Bus ersetzt werden.

Stand der Technik

"Die Elektronik kann zwar 10-Picosekunden-Transistoren herstellen, es ist aber viel schwieriger, eine 10-Picosekunden-Verbindungsleitung herzustellen." - so bemerkt Alan Huang von AT Bell Laboratories (Bell, Trudy E.: Optical Computing: A Field in Flux. IEEE Spectrum, August 1986, S. 38).

Allgemein bekannt sind parallele galvanische Bussysteme für digitale Schaltungen bzw. Rechner. Bei diesen Schaltungen werden parallele Daten und Adressen über galvanisch parallele Leiterbahnen zwischen einzelnen Systemkomponenten übermittelt. Bei der Übertragung hoher Datenraten über die galvanischen Bussysteme treten Störungen bei der Übertragung durch Leitungsreflexionen und Übersprechen zwischen einzelnen parallelen Leitungen auf. Diese Störungen begrenzen die Datentransferraten von galvanischen Bussystemen. Problematisch in bezug auf die Reflexionseigenschaften einzelner galvanischer Busleitungen ist auch, daß bei digitalen Bussystemen die Zahl der Systemkomponenten eines digitalen Systems durch Hinzufügen oder Entfernen von einzelnen Systemkomponenten schwanken kann. Die geschilderten Probleme führen dazu, daß heute bekannte galvanische Busstrukturen für digitale Systeme lediglich Taktfrequenzen auf den Busleitungen erlauben, die kleiner als 50 MHz sind. Der Kostenaufwand für ein galvanisches Bussystem mit einer Taktfrequenz in der Größenordnung 50 MHz ist jedoch erheblich.

Die Entwicklung der schnellen datenverarbeitenden Module in den letzten Jahren hat Mikroprozessoren mit immer schnellerem Takt und immer größerer Wortbreite, Speicherbausteine mit immer größeren Kapazitäten und immer kürzeren Zugriffszeiten realisiert bzw. auf den Markt gebracht (Bach, R.: Mikroprozessor mit Supercomputer-Leistung, ein Alleskönner unter den Prozessoren. Elektronik Industrie, 4-1989, S. 44-46; Ariane, R.: Speicher der Zukunft (I). Elektronik Journal, 7/89, S. 42-43; Ariane, R.: Speicher der Zukunft (II). Elektronik Journal, 8/89, S. 38-44).

Größere Busbandbreite ist hier gefragt. Es wird z. Zt. angestrebt, sich auf einen Spezifikationsvorschlag für eine neue Busnorm (IEEE 896.1) zu einigen, die für eine maximale Übertragungsrate von 1 GByte/s ausgelegt werden soll (Höfling, J.: "Futurebus-Plus: Bus der Zukunft oder Dinosaurierkonzept?", Elektronik Journal 9/89, S. 7).

Es ist auch bekannt, daß bei integrierten Bausteinen schon seit Jahren versucht wird, die elektrischen Verbindungen durch optische zu ersetzen ("Optical Interconnections", Optical Engineering, October 1986, Vol. 25 No. 10).

Mit holographischen Verfahren ist bereits versucht worden, die Probleme der synchronen Verteilung sehr schneller Taktsignale auf VLSI-Chips (very large scale integrated circuit) zu lösen (B. Clymer, J.W. Goodman: Optical clock distribution to silicon chips. Optical Engineering, October 1986, Vol. 25, No. 10, S. 1103-1108).

Es existieren bereits Schaltungsvorschläge, bei denen die integrierten Bausteine über einem planaren beidseitig verspiegelten Lichtleiter kommunizieren und dadurch der elektrische Leiterplatten-Bus ersetzt wird (Balliet and D.V. Couden: Optical Transmission System for Interconnecting Electronic Units. IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 26 No. 4, September 1983, S. 1793-1796; Hase, K.-R.: Schaltung mit optischem Bus. Europäische Patentschrift 01 68 444). Auf einer Lichtleiterplatte sind digitale Schaltungskomponenten angeordnet und mit dem in der Lichtleiterplatte vorliegenden optischen Bus durch opto-elektronische Wandler gekoppelt. Über die Lichtleiterplatte werden alle Daten zwischen den digitalen Schaltungskomponenten seriell übermittelt.

Es ist auch bekannt, daß die optische Übertragungstechnik vielfach im Bereich lokaler Netzwerke (LAN - Local Area Network) eingesetzt wird. Hier werden als Übertragungsmedium meist Glas- und Plastikfasern eingesetzt, die die Entfernungen von mehreren hundert Metern überbrücken.

Es ist bereits im Laborversuch gelungen, Silizium- mit Gallium-Arsenid-Technologie zu kombinieren und Halbleiterlaser direkt auf einem Glassubstrat herzustellen ("Silizium- mit Gallium-Arsenid-Technologie kombiniert: Zwei Welten vereint", Markt, Nr. 44, 4. November 1988, S. 151; "Laser auf Glas", Markt, Nr. 11, 10. März 1989, S. 18).

In der optischen Datenübertragung mit Glasfasern sind Sender- und Empfänger-Module hergestellt worden, die Übertragungsbandbreite bis zu einigen Gigahertz aufweisen.

Kritik des Standes der Technik

Während der Einführung der Glasfaser in der Telekommunikation hat man schon angefangen, die optische Übertragungstechnik in anderen Bereichen des Datentransportes einzusetzen, um von den Vorzügen des optischen Signals gegenüber dem elektrischen zu profitieren. Dies ist in der letzten Zeit von immer mehr Forschern und Entwicklern erkannt worden, denn durch die enorm gestiegene Integrationsdichte und die immer kürzer gewordenen Schaltzeiten in der Halbleiter-Technologie ist die Anforderung an die Datentransportsubsysteme so hoch, daß sie elektrisch allein nicht mehr lösbar wird.

In Rechnern hat die optische Übertragungstechnik im Gegensatz zum LAN-Bereich noch keinen Einzug gefunden, obwohl sie gerade dort ihre wesentlichen Vorteile, wie hohe Übertragungsbandbreite und Störimmunität, ausspielen kann. Ein wichtiger Grund dafür sind die hohen Kosten der für die Telekommunikation entwickelten optischen Glasfasersysteme. Es gibt bis heute noch keine kostengünstigere, technisch gleichwertige Alternative zu den Fasern. Die Fasern sind wiederum wegen des Koppel- und Justierungsaufwands und Platzbedarfs auf der Chip- und Leiterplattenebene, sowie als Ersatz für Backplane-Verbindungen, kaum brauchbar.

Die heute üblichen Mikroprozessorsysteme arbeiten grundsätzlich mit parallelen Daten- und Adreßleitungen sowie zusätzlichen Statusleitungen. Die Bausteine eines Mikroprozessorsystems (CPU, RAM, ROM und I/O) sind somit zunächst für eine Ankopplung an einen seriellen Bus nicht geeignet. Die parallelen Daten all dieser Bausteine müssen parallel-zu-seriell und seriell-zu-parallel gewandelt werden. Somit können alle Bausteine eines Mikroprozessorsystems (CPU, RAM, ROM und I/O) in ihrer ursprünglichen Form nicht verwendet werden, sondern benötigen je Baustein eine zusätzliche Hardware zur Ankopplung an den oben genannten seriellen Bus.

Heute übliche Prozessoren (z. B. 68030) besitzen Daten- und Adreßbusbreiten von 32 Bit sowie diverse Steuerleitungen bei einem Prozessortakt von 25 MHz. Auf der Berechnungsgrundlage des Prozessortaktes von 25 MHz und der Daten- und Adreßleitungen müßte ein seriell arbeitendes Bussystem einen Bustakt von mindestens 800 MHz (Daten im NRZ-Datenformat) zur Verfügung stellen, um mit dem parallel arbeitenden Bussystem vergleichbare Rechenleistungen zu erbringen. Bereits existierende Mikroprozessoren wie der Prozessor 180860 weisen jedoch schon allein eine Datenbusbreite von 64 bit auf, so daß der erforderliche Bustakt eines seriellen Bussystem für diesen Prozessortyp schon weit oberhalb 1 GHz liegen muß. Der Betrieb der beschriebenen Prozessoren an einem seriellen Bussystem ist wegen der erforderlichen sehr schnellen Hardware zur parallel-seriell- und seriell-parallel-Wandlung mit unvertretbar hohen Kosten verbunden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Module (verschiedene Chip-Teile in einem integrierten Baustein, die einzelnen integrierten Bausteine, die einzelnen bestückten Leiterplatten etc.), die bislang über elektrische, optische bzw. optoelektronische "integrierte Busse", "Leiterplatten-Busse" und "System-Busse" miteinander kommunizieren, durch einen optischen Bus gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu verbinden.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und Strukturen ist es zum ersten Mal möglich, die Module über den optischen Bus so miteinander zu verbinden, daß eine in der Praxis noch nicht annähernd erreichte Busbandbreite mit vertretbarem zusätzlichen Aufwand realisiert werden kann.

Das parallele optische Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beinhaltet im wesentlichen zwei Realisierungsmöglichkeiten:

• - den optisch parallelen Plattenstapel (OPPS), wobei die geometrischen Ausdehnungen in der Plattenebene erheblich größer als die Plattendicke ist und die in die einzelne Platte seitlich eingekoppelte Strahlung sich in der Platte ausbreitet und vom Detektor überall am Plattenumfang empfangen wird, und
• - die optisch parallele Streifenleiterplatte (OPSP), wobei der einzelne Streifenleiter eine wesentlich größere geometrische Ausdehnung längs des Streifenleiters als die Querschnittabmessungen besitzt und sich die eingekoppelte Strahlung über Reflexionen an den Grenzflächen (z. B. vier bei rechteckförmigem Querschnitt) ausbreitet.

Durch die verschiedenen geometrischen Ausdehnungen und, noch wichtiger, die unterschiedlichen Übertragungsprinzipien ergeben sich bei den beiden Realisierungen einige Besonderheiten. Sie werden daher im folgenden getrennt aufgeführt.

Für den OPPS gilt:
Die erfindungsgemäße Bus-Geometrie ermöglicht eine große überbrückbare Buslänge. So hat man für die Backplane mit einem Durchmesser von 20 cm bereits eine Buslänge von über 60 cm (bei der kreisförmigen Geometrie ist der Umfang das 3,14fache des Durchmessers).

Um die Laufzeitdispersion des optischen Bussignals bei größeren Abmessungen der Lichtleiterplatten zu reduzieren, wird, ähnlich wie bei Gradientenfasern, eine "Gradientenplatte" für die Übertragung des Bussignals herangezogen (Patentanspruch 13). Der Brechungsindex nimmt hier symmetrisch zu der mittleren Schicht schichtenweise ab.

Die Richtcharakteristiken der dafür erforderlichen Strahlungsemitter sind meist nicht optimal für das erfindungsgemäße optische Bussystem. Eine gezielte Beeinflussung auf die Richtcharakteristik verbessert die Leistungsverteilung auf den Buskanälen. Die Patentansprüche 14 und 27 stellen einige entsprechende Möglichkeiten dar.

Neben der überbrückbaren Buslänge ist sicherlich ein weiterer großer Vorteil der hier vorgeschlagenen neuen Bus-Geometrie, daß die synchrone Taktübertragung ohne Taktschräglage (clock skew) einfach möglich ist (Patentansprüche 15 und 16).

Der optische Bus nach Patentansprüchen 1 bis 3 ist beim Bedarf auch als serieller Bus (Patentanspruch 23) oder als optischer Koppler (Patentanspruch 28) einsetzbar.

Für die OPSP gilt:
Das optoelektronische Bussystem gemäß der Erfindung besteht aus parallelen Streifen eines optisch leitenden Materials (3), dessen Refraktionsindex n₁ größer ist, als der Refraktionsindex n₂ der an den Streifen angrenzenden Materialien (Fig. 2).

In den einzelnen Streifen wird Strahlung eines Strahlungsemitters (8) eingekoppelt. Innerhalb des Streifens breitet sich Strahlung durch Mehrfachreflexion an allen Oberflächen des Streifens aus (Fig. 6). Ein ausreichend großer Teil der eingekoppelten Strahlung kann an einer beliebigen anderen Stelle des Streifens wieder ausgekoppelt werden.

Das vorgestellte optoelektronische Bussystem besitzt neben wichtigen Gemeinsamkeiten mit heute üblichen galvanischen Bussystemen gegenüber diesen ganz wesentliche Vorteile, die eine besonders leichte Adaption bestehender galvanischer Bussysteme an die hier vorgestellte neue Technik ermöglichen:

• - Die heute übliche parallele Busstruktur kann unverändert erhalten bleiben (Fig. 4).
• - Werden als Strahlungsemitter (8) LED′s verwendet, so sind alle heute eingesetzten galvanischen Bustreiber (12) in der Lage den Flußstrom einer LED von z. B. 40 mA aufzubringen.
• - Entsprechende LED′s mit einer Emission im infraroten Spektrum des Lichts, die bei entsprechenden Untersuchungen mit Laboraufbauten bereits eingesetzt wurden, sind als "Pfennigware" verfügbar.
• - Werden als optoelektronische Detektoren (9) z. B. Photodioden verwandt, so sind diese mit mit einem Operationsverstärker (13) zu beschalten. Eine solche Empfängerkombination ist wie der LED-Strahlungsemitter in der Lage, eine sehr hohe Datenübertragungsrate bereitzustellen
• - Die hier vorgestellten optoelektronischen Koppelelemente lassen sich als einfache Erweiterung besonders leicht bei digitalen Schaltungen, die in Form gedruckter Schaltungen realisiert werden, zusätzlich aufbringen (vgl."Backplane"-Strukturen).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1 gibt die Seitenansicht des optischen Busses mit OPPS und den Einzelheiten zweier benachbarter Buskanäle wieder.

Fig. 2 zeigt parallele optische Lichtleiterstreifen (OPSP), die optisch gegeneinander isoliert sind.

Fig. 3 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung mit dem optischen Bus (OPPS) dar.

Fig. 4 zeigt eine Skizze einer einzelnen herkömmlichen Systemkarte eines digitalen Systems mit einem Interface zum Anschluß an das vorgestellte optoelektronische parallele Bussystem OPSP. Einzelne Lichtleiterstreifen liegen parallel nebeneinander und verbinden die dargestellte Systemkomponente mit allen weiteren durch den von den Streifen gebildeten parallelen Bus.

Fig. 5 gibt die Ansicht eines rechteckförmigen einzelnen Lichtleiterstreifens (Projektion eines möglichen Weges eines Strahlenganges) innerhalb der OPSP wieder.

Fig. 6 verdeutlicht einen einzelnen optischen Lichtleiterstreifen der OPSP und dessen Ankopplung an Leiterplatten bzw. Busteilnehmer durch Paare von Strahlungsemittern und Strahlungsdetektoren.

Fig. 7 stellt einen einzelnen optischen Lichtleiterstreifen der OPSP mit Strahlungsemitter und vorgesetzter Optik (links im Bild) sowie der Verwendung von zwei gerichteten Strahlungsemittern (rechts im Bild) dar.

Fig. 8 zeigt die Schaltungskomponenten für die Umsetzung elektrischer in optische Signale und optischer in elektrische Signale (links im Bild mit einer LED als Strahlungsemitter; rechts mit zwei LEDs als Strahlungsemitter in Reihenschaltung) für OPSP und OPPS.

Fig. 9 gibt den Aufriß der Anordnung von Fig. 3 mit einigen zusätzlichen Einzelheiten wie der optischen Ankopplung eines Strahlungsemitters und eines Strahlungsdetektors an den OPPS wieder.

Fig. 10 stellt einen optischen Bus mit dem OPPS mit 3 Teilnehmern sowie ein Blockschaltbild für einen Strahlungsein- und -ausgang dar.

Fig. 11 zeigt eine zusätzliche Schicht zur verbesserten Verteilung des optischen Bussignals in der Lichtleiterplatte (OPPS).

Fig. 12 verdeutlicht die synchrone Taktverteilung für einen optischen Bus mit OPPS.

Fig. 13 stellt synchrone Taktverteilung für mehrere optische Busse mit OPPS dar.

Fig. 14 verdeutlicht die Kopplung zweier optischer Bussysteme mit OPPS über einen Koppelmodul.

Fig. 15 zeigt die Übertragungsschicht eines Buskanals mit dem OPPS bei einem nichtkonstanten Brechungsindex.

Fig. 16 verdeutlicht den Aufriß eines optischen Busses mit dem OPPS mit 6 Schlitzen und 3 Teilnehmern.

Fig. 17 stellt einen Lichtleiterstreifen mit gerichteter Faserankopplung (27) (links im Bild) und Faserankopplung von der Stirnseite des Lichtleiterstreifens her (rechts im Bild) für OPSP dar.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Für den OPPS gilt:
Gemäß Fig. 1b setzt sich ein einziger Buskanal (2) in der Regel aus fünf Schichten zusammen: einer Übertragungsschicht (3), zwei Reflexionsschichten (4) und zwei Isolationsschichten (5). Die Übertragungsschicht besteht aus einer für den verwendeten Wellenlängenbereich der Strahlungsemitter gut transparenten Lichtleiterplatte mit dem reellen Brechungsindex n₁. Hier ist darauf hinzuweisen, daß in dieser Anmeldung genanntes "Licht" nicht auf dem Licht im Sinne des menschlichen Auges bezieht, sondern ein Begriff ist, der den Bereich des sichtbaren und infraroten Spektrums abdeckt, wie er sich in der optischen Übertragungstechnik bereits eingebürgert hat. Die Lichtleiterplatte kann aus Quarzgläsern, optischen Gläsern, Kunststoffen wie PMMA (Polymethylmethacrylat), Polystyrol oder Polycabonat hergestellt werden. Im Einsatz als optische Backplane kann sich ihre Dicke im Millimeter-Bereich bewegen. Die Spiegelschichten besitzen einen von n₁ stark abweichenden Brechungsindex n₂ (n₂ kleiner als n₁). In diesem Fall übertragen die Buskanäle die optischen Signale durch Totalreflexion an den Grenzschichten der Brechungsindex-Sprünge. Größere Brechungsindex-Sprünge bedeuten mehr übertragene optische Leistungen, aber zugleich auch größere Laufzeitverzerrungen, die negativ auf die Bandbreite wirken. Man kann hier entsprechend der Anforderungen an die Busbandbreite die Brechungsindex-Sprünge gezielt auswählen (andere Möglichkeit zur Reduzierung der Laufzeitverzerrungen siehe Fig. 15). Die Isolationsschichten (5) haben die Aufgabe, die einzelnen Buskanäle optisch voneinander zu trennen. Sie können beim Einsatz von Spiegelmetallen wie Silber oder Aluminium als Spiegelschichten mit den Spiegelschichten zusammenfallen.

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier kann man sich am anschaulichsten vorstellen, daß die Busteilnehmer (6) bestückte Leiterplatten sind und der optische Bus (1) als optisches Bussystem (Backplane) dient. Alle Ein- bzw. Ausgänge (7) der Busteilnehmer für die Takt-, Steuer-, Adreß- und Datensignale sind optisch. Die elektrischen Leitungen für die Versorgung der Busteilnehmer sind nicht eingezeichnet. Sie können in Form von Stecker-Verbindungen auf der Trägerplatte (17) (Fig. 9), die den optischen Bus und die Busteilnehmer trägt, angebracht werden.

Um einen möglichst hohen Koppel-Wirkungsgrad der Strahlungsemitter (8) und Strahlungsdetektoren (9) zu erreichen, wird ein Koppelmedium (18) (Fig. 9) benutzt, das zur optischen Anpassung der Strahlungsemitter und Strahlungsdetektoren und der Übertragungsschichten (3) (Fig. 1) dienen soll. Der Strahlungsemitter und der Strahlungsdetektor, die als Aus- bzw. Eingang für die eine Signalleitung vorgesehen sind, müssen optisch durch eine Trennschicht (19) voneinander getrennt werden, um eine ungewollte Kopplung zu vermeiden. Diese Kopplung stellt in der Praxis kein Problem dar, weil der Strahlungsemitter naturgemäß nur eine sehr geringe Leistung senkrecht zum Lot der aktiven Fläche abstrahlt.

Ein zusätzliches Gatter (14) in Fig. 10b soll verhindern, die soeben empfangenen Daten über den Ausgang wieder auf den Bus geschickt zu werden.

Die Strahlungsemitter haben ohne zusätzlicher Optik bzw. spezielles Fertigungsverfahren meist eine Richtcharakteristik, so daß das Maximum immer in Richtung des Lotes zeigt. Für die Übertragung im optischen Bussystem wäre die Richtcharakteristik eines Punktstrahlers optimal. Um die Richtcharakteristik gezielt zu beeinflussen, kann man neben dem Einsatz von Linsen und Hologrammen auch eine zusätzliche Schicht (20) (Fig. 11) mit dem Brechungsindex n₃ (n₃ größer als n₁) um die Übertragungsschicht (3) des Buskanals aufbringen.

In der VLSI-Technologie (Very Large Scale Integration) wurde schon Anfang ′80 die Schwierigkeit erkannt, schnelle Signale über elektrische Verbindungsleitungen zu transportieren. Dies betrifft besonders das Taktsignal, weil verschiedene Leitungslängen auf einem VLSI-Chip bereits zu den in der Literatur vielfach bekannten Taktschräglage-Problemen (clock skew) führen. Lösungsansätze mit optischen Bauelementen gibt es bereits. Aber die dafür notwendigen Lichtquellen zur Versorgung der Hologramme stehen für den praktischen Einsatz noch nicht zur Verfügung.

Fig. 12 und Fig. 13 zeigen zwei Ausführungsbeispiele zur Lösung des Problems der Taktschräglage. Bei der Taktübertragung vom Mittelpunkt eines kreisförmigen Buskanals aus kommen die Signale gleichzeitig am Kreisumfang an. Ein komplexes System mit mehreren optischen Bussen kann über ein Bündel Lichtleitfaser (23) gleicher Länge synchron mit Takt versorgt werden. Verständlicherweise sind seitliche optische Ankopplungen der Taktgeber auf den Mittelpunkten der kreisförmigen Buskanäle nicht möglich. Verschiedene Optiken können zur Erhöhung des Koppelgrades eingesetzt werden. Hier ist als Beispiel nur eine kegelförmige Einprägung (24) in das Faserende dargestellt.

Die Kommunikation verschiedener optischer Busse geschieht über einen Koppelmodul (25) (Fig. 13 und Fig. 14). Der Koppelmodul kann eine Anzahl von Lichtleiterfasern, eine integrierte Schaltung oder auch eine elektrische Leiterplatte sein.

Zur mechanischen Befestigung der Busteilnehmer ist neben dem Halter (16) in Fig. 9 der Vorschlag in Fig. 16 zu beachten. Hier erreicht man mit den Schlitzen (26) neben der Befestigung auch die erleichterte Einkopplung und Justierung der Busteilnehmer (6).

Für die OPSP gilt:
Nach Fig. 2 können einzelne Streifen aus optisch leitendem Material (3) mit dem Refraktionsindex n₁ bei rechteckigem Querschnitt zu einer Plattenstruktur zusammengefaßt werden. Die Streifen sind von einem Material mit dem Refraktionsindex n₂ (4) eingeschlossen (n₁<n₂). Zwischen den Streifen kann zusätzlich eine Schicht aus stark strahlungsabsorbierendem Material oder eine Schicht mit dem Refraktionsindex n₃ (n₃<n₂) eingefügt sein.

Nach Fig. 4 kann zur Ankopplung bestehender Steckkartensysteme digitaler Schaltungen zunächst eine Interfaceschaltung (10) zur Adaption an das vorgestellte Bussystem verwendet werden. Die Interfaceschaltung wandelt die elektrischen Signale einer Systemkarte (gedruckte Leiterplatte) eines Rechnersystems mittels Treiberschaltung (12) und eines Strahlungsemitters (8) (z. B. LED) in optische Signale für die optische Übertragung in den Lichtleiterstreifen. Des weiteren werden optische Signale aus den Lichtleiterstreifen mittels Strahlungsdetektoren (9) und Folgeverstärker (13) in elektrische Signale für die Systemkarte zurückgewandelt.

Wie in Fig. 6 gezeigt, können Busteilnehmer bzw. Leiterplatten (6) über Strahlungsemitter (8) und Strahlungsdetektoren (9) Strahlung in die Lichtleiterstreifen ein- bzw. auskoppeln. Entsprechend Fig. 8 werden die Signale jeder galvanischen Leitung eines Busteilnehmers (bidirektionale Leitung) (15) über den Empfangsverstärker (13) und den Treiberbaustein sowie die Strahlungsemitter (8) und die Strahlungsdetektoren (9) in die Lichtleiterstreifen ein- bzw. ausge­ koppelt.

Nach Fig. 7 kann der Strahlungsemitter (8) aus einer lichtemittierenden Diode (LED) bestehen. Die LED, wie in Fig. 6 gezeigt kann senkrecht auf den optischen Lichtleiterstreifen montiert werden. Zur Verteilung der Lichtleistung in Richtung der Enden eines Streifens kann eine Optik verwandt werden. Diese Optik kann nach Fig. 7 z. B. aus einem Prisma (11) bestehen. Die Richtung der emittierten Strahlungsleistung kann gemäß Fig. 7 auch durch Einsatz zweier Strahlungsemitter (8) geschehen, wobei die einzelnen LEDs jeweils in Richtung der Enden eines Streifens geneigt montiert werden.

Nach Fig. 17 kann eine optische Faser gerichtet (links im Bild entsprechend der Ausrichtung in Fig. 7 (rechts im Bild)) oder senkrecht auf den Lichtleiter auftreffend (rechts im Bild; insbesondere an den Stirnseiten des Lichtleiterstreifens) an Lichtleiterstreifen angekoppelt werden.

Vorzüge des vorgeschlagenen optischen Bussystems

Es sind einige verschiedene Faktoren bei der Auswahl eines Bussystems von Bedeutung. Es sind dies im einzelnen:

• - die Kosten für ein Bussystem,
• - die Übertragungskapazität des Bussystems,
• - die Möglichkeit der Datensicherung,
• - die überbrückbare Entfernung und
• - die Flexibilität (Färber, G.: Bussysteme. R. Oldenbourg Verlag, München 1987, S. 28-31).

Betrachtet man diese Faktoren, so ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen optischen Bussystem folgende Vorzüge:

1. Die mit elektrischen galvanischen Leitungen praktisch nicht erreichbaren enormen Übertragungskapazitäten

Bezieht man sich hier auf der bereits vorhandenen Herstellungstechnologie der Halbleiterlaserdioden (LDs), der lichtemittierenden Dioden (LEDs) und der verschiedenen Photodioden (PDs), so sind Kombinationen von optischen Sendern und Empfängern bis zu einigen Gigahertz-Modulationsfrequenz seit langem einsetzbar. Verwendet man beispielsweise eine solche Kombination mit einer Modulationsfrequenz von 100 MHz, so wird bei der gleichen Anzahl von Buskanälen die Übertragungskapazität sechsfach höher sein als die erreichte, die in dem Spezifikationsvorschlag der neuen Busnorm (IEEE 896.1) erwähnt ist.

Gegenüber bekannten Lichtleitern (Europäische Patentschrift 01 68 444; IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 26, no. 4, September 1983, New York) mit einer zeitraubenden seriellen Datenübertragung arbeitet das hier beschriebene Verfahren mit einer parallelen Datenübertragung. Beim Bussystem mit der OPSP findet in der vorgestellten Erfindung die Strahlübertragung durch Reflexion an allen Seitenwänden des Mediums statt (Fig. 5), wodurch eine Strahlungsausbreitung entlang der Richtung der Längsachse des Lichtleiterstreifens stattfindet.

2. Störimmunität

Störimmunität ist eine bekannte Eigenschaft optischer Übertragungssysteme. Mit dieser Eigenschaft kann beim Systementwurf der Aufwand für Datensicherung reduziert werden. Zugleich eignet sich ein System mit dem optischen Bus besser für Umgebungen mit starken elektromagnetischen Feldstörungen.

3. Größere überbrückbare Entfernung

Diese ist beim optischen Bussystem durch die Leistung der Sender und die Empfindlichkeit der Empfänger bedingt. Bei der erfindungsgemäßen Geometrie vom OPPS wird die Ausgangsleistung der Strahlungsemitter effizient ausgenutzt, weil die unter großem Austrittswinkel abgestrahlte, für die Einkopplung in die Glasfasern ungenutzte Leistungen hier zur Signalübertragung beiträgt. Ferner wird bei einer kreisförmigen Anordnung mit einem Durchmesser von 20 cm eine Buslänge von mehr als 60 cm erreicht.

In den planaren Strukturen nimmt der Strahlungsfluß einer Strahlungsquelle mit 1/r ab, wobei r der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektoren ist. Bei der vorliegenden Erfindung mit OPSP ist der Strahlungsfluß auf Grund der Geometrie unabhängig vom Abstand zwischen Strahlungsquelle und Empfänger. Die Absorption der Strahlung durch das Medium des Lichtleiters ist bei den hier benutzten Dimensionen des Lichtleiters (z. B. Einzelabmessungen<1 m) zu vernachlässigen.

4. Große Belastbarkeit

Die in den optischen Bus eingekoppelte Leistung der Strahlungsemitter verteilt sich auf den Umfang des Busses. Die Busteilnehmer können überall angeschlossen werden, solange Platz vorhanden ist. Hier ist eine Überbelastung der Bus-Treiber nicht zu befürchten. Das Abschließen der Busleitungen mit Wellenwiderstand bei schnellen Datensignalen ist hier überflüssig.

5. Hohe Flexibilität

Diese betrifft in der ersten Linie die Erweiterbarkeit des optischen Busses. Bei der Anforderung zusätzlicher Buskanäle lassen sich diese zu den ursprünglichen einfach aufstapeln.

Diese genannten Vorzüge sind mit entsprechendem Mehraufwand verknüpft. Der Mehraufwand liegt hauptsächlich in den hierfür zusätzlich benötigten Strahlungsein- und -ausgänge mit ihren Treiber- und Verstärkerschaltungen. Aber ein Teil des Aufwands wird sicherlich durch den Wegfall der Abschlußwiderstände, durch die Reduzierung der für die Übertragung der Prüfinformation benötigten Hardware, durch die Reduzierung der Bustreiber und durch den Wegfall der Steckerverbindungen wettgemacht.

Beim heutigen Stand der Technologie im Bereich der integrierten Schaltungen und der Optronik ist der restliche Mehraufwand im Hinblick auf die obengenannten gewonnenen Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Bussystems mehr als vertretbar.

Claims (29)

1. Optisches Bussystem mit Lichtleiterplatten für Kommunikation intern im Gerät, auf der Leiterplatte bzw. auf dem Halbleiter-Chip, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Bus (1) aus mindestens einem Buskanal (2) besteht, der eine Platten-Form hat und an dem die Strahlungsein- und -ausgänge (7) der Busteilnehmer (6) seitlich optisch angekoppelt sind.

2. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstellen verschiedener Busteilnehmer (6) beim optisch parallelen Plattenstapel (OPPS) auf einem kreisförmigen oder einem nahezu kreisförmigen oder einem ellipsenförmigen oder einem polygonförmigen oder einem unregelmäßig geformten Umfang angeordnet sind.

3. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Buskanal bei der optisch parallelen Streifenleiterplatte (OPSP) aus einem optisch leitenden Material besteht und das bei vorgegebenem Querschnittsprofil (z. B. Rechteck oder regelmäßiges Polygon) eine wesentlich größere Ausdehnung in den Richtungen senkrecht zur Querschnittsfläche besitzt als die Einzelabmessungen der Querschnittsfläche. Alle Oberflächen dieses optischen Lichtleiterstreifens sind verspiegelt. Die Verspiegelung kann durch einen beliebig komplexwertigen (auch reellwertigen) Refraktionsindex erreicht werden. An die Oberflächen sind optoelektronische Koppelelemente zur Emission von Lichtstrahlung und zur Detektion von Lichtstrahlung angebracht. Im Inneren des Lichtleiters werden Strahlen durch Reflexion an den Seitenflächen entlang den beiden Richtungen senkrecht zur Querschnittsfläche des optischen Leiters gelenkt.

4. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buskanäle (2) aus für den verwendeten Wellenlängenbereich der optischen Sender gut transparenten Medien mit dem Brechungsindex n₁, die die optischen Bussignale führende Schichten (3) darstellen, den Spiegelschichten (44) und den Isolationsschichten (5) für die optischen Bus- bzw. Störsignale bestehen.

5. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Systemkomponenten einer digitalen Schaltung durch Lichtleiterstreifen, die als paralleler Bus wirken, datenmäßig zu verbinden, wobei der optoelektronische Bus gemäß der Erfindung ein Übersprechen (vgl. Fig. 2) zwischen einzelnen Kanälen des parallelen Bussystems verhindert.

6. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang des Strahlungsemitters (8) durch Vorsatz eines Prismas oder einer Optik gemäß Fig. 7 so modifiziert wird, so daß die Strahlen vorzugsweise in die zwei Ausdehungsrichtungen entlang der Längsachse des Lichtleiterstreifens gelenkt werden, wobei die Optik z. B. durch Fräsen oder Prägen der Oberfläche des Lichtleiterstreifens erreicht werden kann.

7. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß nicht einer, sondern zwei Strahlungsemitter (vgl. Fig. 8) verwendet werden, die bereits so ausgerichtet sind, daß die jeweiligen Strahlen eines Strahlungsemitters sich in Richtung der Längsausdehnung des Lichtleiterstreifens ausbreiten.

8. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Strahlungsemitter und Strahlungsdetektoren mittels eines optisch leitenden Klebers auf dem Lichtleiterstreifen fixiert werden, wobei dieser Kleber bei geeigneter Wahl des Refraktionsindex u. a. zur Füllung von Oberflächenunebenheiten des optischen Leiters, des Strahlungsemitters und des Strahlungsdetektors dient.

9. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung lösbarer Verbindungen mit ansonsten entsprechender Funktion des o. g. Klebers ein Gel oder Öl verwandt wird.

10. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Lichtleiterstreifens ein in der optischen Übertragungstechnik üblicher Lichtwellenleiter angekoppelt wird.

11. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des geschilderten optoelektronischen Bussystems (auch galvanische digital-elektronische Bussysteme) mittels spezieller Transceiverkomponenten erreicht wird, wobei diese Komponenten auf der Seite des hier geschilderten Bussystems die erforderlichen optoelektronischen Koppelelemente (z. B. LED und Photodiode) besitzen und dann galvanisch mit den Koppelelementen des zweiten digital-elektronischen Bussystems gekoppelt sind.

12. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichttransparentes Medium (18) mit Brechungsindex n₁ zur optischen Anpassung der Strahlungsemitter (8) und Strahlungsdetektoren (9) an den Bussignale führenden Schichten (3) verwendet wird.

13. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtleiterplatten mit über der Dicke nicht konstantem Brechungsindex zur Reduzierung der Laufzeitverzerrung anstelle der die optischen Signale führenden Schichten (3) eingesetzt werden.

14. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anpassungsschichten (20) mit dem Brechungsindex n₃ zur besseren Leistungsverteilung der optischen Bussignale um die Plattenumfänge von Schichten (3) angebracht werden.

15. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Taktgeber (21) zum Lösen des Problems der Taktschräglage (englisch: clock skew) eingesetzt wird, der vom Mittelpunkt rotationssymmetrischer Buskanäle die Taktübertragung zu den Busteilnehmern übernimmt.

16. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtleiterfasern (23) zur zentralen Taktversorgung für mehrere optische Busse verwendet werden, die einerseits an dem optischen Taktgeber, andererseits an den Mittelpunkten der Buskanäle für die Taktübertragung angekoppelt sind.

17. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Leistung aus den Fasern mit Kegel-Optik (24) an den Koppelstellen der Faserenden und der das Taktsignal führenden Schichten zur Seite gelenkt werden.

18. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere optische Busse über Koppelmodule (25) miteinander verbinden lassen.

19. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmodule aus Lichtleiterfasern bestehen.

20. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmodule aus integrierten Schaltungen (ICs) oder elektrischen Leiterplatten bestehen.

21. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Bus (1) gegen Störungen durch Fremdlicht von einer licht-isolierenden Schicht geschützt wird, auf der Aussparungen als Koppelfenster für die Strahlungsein- und -ausgänge (7) angebracht sind.

22. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die mechanische Befestigung der Busteilnehmer (6) Schlitze (26) am Umfang geschnitten werden.

23. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Buskanal (2) als ein optischer serieller Bus eingesetzt wird.

24. Optisches Bussystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsein- und -ausgänge (7) in die Busteilnehmer (6) integriert sind.

25. Optisches Bussystem nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Versorgung der Busteilnehmer (6) über elektrische Leitungen auf der Trägerplatte (17) bzw. auf dem optischen Bus (1) geschieht.

26. Optisches Bussystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungen der Busteilnehmer (6) an den optischen Bus (1) lösbar sind.

27. Optisches Bussystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Ein- bzw. Auskopplung optischer Leistung bekannte optische Systeme wie Linsen und Hologramme an den Koppelstellen zwischen den Buskanälen (2) und den aktiven Flächen der Strahlungsemitter (8) und Strahlungsdetektoren (9) eingesetzt werden.

28. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Bus (1) als optischer Koppler eingesetzt wird.

29. Optisches Bussystem nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Faser (27) an einzelne Lichtleiterstreifen (3) gekoppelt ist.