La connettività in fibra ottica di VITA 66

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Molti vedono in VPX il futuro di VME per i sistemi embedded nei settori aerospaziale e militare. Anche se infatti è prevedibile che il VMEbus possa restare presente a lungo nei sistemi legacy, molte delle piattaforme usate in questi settori stanno però passando velocemente a VPX. Le ragioni si possono riassumere essenzialmente nella necessità di prestazioni e flessibilità che caratterizzano questi segmenti. Per esempio, i processori hanno aumentano sensibilmente le loro prestazioni grazie all’impiego di più core, e questo, da una lato permette di ottenere performance migliori da un singolo chip, ma dall’altro aumenta anche la necessità di I/O performanti.

VPX è conosciuto principalmente per le specifiche VITA 46, che definiscono le caratteristiche elettriche e meccaniche dei moduli, e VITA 48 che invece offrono opzioni meccaniche aggiuntive e per il raffreddamento. Lo sviluppo di queste specifiche ha portato i working group a lavorare su quelle VITA 66 e VITA 67. Le prime definiscono l’uso della fibra ottica al di fuori del backplane, e le seconde invece sono relative all’uso di connessioni coassiali analogiche/RF.

Le specifiche VITA 66, che sono per ora ancora a livello di draft del working group, sono particolarmente interessanti per diversi aspetti. Un esempio citato in più occasioni è relativo alla presenza di una porta Ethernet a 10 Gigabit, dove si può utilizzare una connessione in fibra ottica sullo chassis, ma questo solitamente viene fatto usando un connettore di I/O sul pannello frontale perché sinora questo tipo di collegamento non era previsto dal meccanismo del dataplane per il trasferimento dei dati. Usare una connessione in fibra ottica tramite il pannello frontale richiede comunque tecniche proprietarie per portare la fibra sul retro della scheda, con tutte le relative complicazioni.

Fig. 1 – Sul versante delle tecnologie, la roadmap di VITA prevede l’introduzione delle specifiche VITA 66 per le interconnessioni tramite fibre ottiche, mentre il passo successivo sarà quello di una riduzione dei form factor

Le nuove specifiche, invece, definiscono tre diversi connettori per collegamenti ottici su fibra in modo da sostituire alcuni connettori VPX. Visto che VITA 66 permette di utilizzare connessioni in fibra direttamente dal connettore del backplane, grazie ai nuovi connettori definiti dalle specifiche, i dati che arrivano sotto forma ottica possono essere portati direttamente sul retro dello chassis.

Questo permette di salvaguardare anche il concetto di manutenzione a due livelli (VPX definisce il concetto di due livelli di manutenzione e di gestione dei sistemi) anche perché non occorre più scollegare la fibra ottica dal pannello frontale della scheda per i controlli. Viene semplificato, inoltre, anche il lavoro ai system integrator che possono disporre di tutte le connessioni sul retro dello chassis.

MT variant (VITA 66.1)
Le specifiche VITA 66 definiscono un sistema ruggedized di interconnessione con tre soluzioni che offrono diversi livelli di robustezza. La prima variante dello standard è quella siglata 66.1 e prevede l’uso di connettori chiamati MT ferrule. Si utilizza quando occorrono numerose fibre per connettore. Le specifiche VITA 66.1 in un sistema 3U prevedono infatti fino a 48 fibre per sistema. Nel caso di dispositivi 6U, invece, si possono usare fino a 240 fibre ottiche. Per contro tra le tre diverse specifiche, questa è quella che offre il livello più basso di “ruggedness” e il numero di cicli di accoppiamento del connettore indicato è di 100. Con questo tipo di connettori, la perdita di inserzione in presenza di più fibre tende a essere maggiore di quella presente nei connettori a fibra singola.

Fig. 2 – Un esempio di connettore VITA 66: in questo caso si tratta di un connettore per la variante MT (VITA 66.1)

I dati relativi alle performance indicano una perdita di inserzione (insertion loss) tipica di 0,25 dB per fibre single mode, valore che scende a 0,2 dB per fibre multi mode. La perdita di ritorno (return loss) invece è maggiore di 55 dB per fibre single mode e superiore a 20 dB per quelle multi mode. Tra i limiti di questo tipo di connettore vi è quello di non permettere la terminazione sul campo della fibra e la sostituzione di una singola fibra ottica. A questo va aggiunto che la tecnologia utilizzata prevede il contatto fisico fra le parti terminali della fibra, che può provocare abrasioni con il relativo impatto sulle performance. Dal punto di vista delle applicazioni, questa soluzione è particolarmente idonea per l’impiego in switch e concentratori.

Arinc 801 (VITA 66.2)
Le specifiche VITA 66.2 prevedono invece l’adozione di connettori di tipo Arinc 801 e sono destinate all’ottenimento delle prestazioni ottiche più elevate. Le specifiche Arinc 801 sono legate al settore aerospaziale e forniscono una standardizzazione molto versatile nei collegamenti tramite fibre ottiche. La famiglia di connettori è infatti basata su un design standard per la terminazione della fibra ottica e della cavità associata, che è utilizzata in tutti i vari tipi di connettori.
I ferrule sono standard, da 1,25 mm ceramici con i relativi vantaggi come per esempio delle perdite di inserzione molto basse e perdite da riflessione minime. I valori tipici sono infatti 0,15 dB per fibre single mode e di 0,1 dB per fibre multi mode nel caso della perdita di inserzione, mentre la perdita di ritorno è rispettivamente superiore a 50 dB e 20 dB.

Fig. 3 – Uno dei limiti delle varianti MT e Arinc 801 è costituito dal contatto fisico tra le fibre che può portare a decadimenti delle performance

Dal punto di vista del numero di fibre utilizzabili, le specifiche prevedono l’impiego di 4 fibre per connettore per sistemi 3U, e di un massimo di 20 fibre per connettore per i sistemi 6U. Una importante differenza rispetto alla soluzione MT ferrule è che Arinc 801 permette l’installazione e la rimozione della singola fibra ottica. Anche questo tipo di connettore comunque usa una tecnologia che mette fisicamente in contatto le fibre e si possono avere quindi delle perdite legate all’abrasione della parte terminale della fibra ottica. Il livello di robustezza viene infatti considerato medio se il numero di cicli di accoppiamento indicato è 100.

Expanded Beam (VITA 66.3)
Il terzo tipo di connessione definito con le specifiche VITA 66.3 è quello Expanded Beam (EB) che utilizza piccole lenti sferiche agli estremi delle fibre per focalizzare e collimare meglio la luce. L’elevata affidabilità di questo tipo di connessione la rende particolarmente apprezzabile per l’impiego in ambienti estremi. La tecnologia utilizzata non comporta infatti il contatto fisico fra le fibre e anche la presenza di polvere non produce gli stessi problemi che si possono avere con gli altri tipi di connettori.

Fig. 4 – A differenza delle altre varianti, quelle Expanded Beam non prevede il contatto fra le fibre, ma l’impiego di lenti sferiche. In questo modo è possibile aumentare notevolmente la robustezza del collegamento e il numero di cicli di inserzione

Questo porta a classificare come alta la robustezza del connettore e il numero di cicli di accoppiamento sale infatti a oltre 3000, cosa che semplifica enormemente i periodici controlli tramite ispezione dei connettori. Come per la versione 66.2 è possibile la sostituzione della singola fibra ed è analogo anche il numero di fibre utilizzabili dal connettore: 4 per i sistemi 3U e 20 per quelli 6U. Su
l versante delle prestazioni ottiche, la perdita tipica di inserzione per fibre single mode è di 0,8 dB e di 0,7 dB per quelle multi mode. La return loss è invece di oltre 34 dB per fibre single mode e 14 per quelle multi mode.

Ferrule
Spesso con le fibre ottiche si fa riferimento al termine ferrule (letteralmente: puntale), che tipicamente descrive un componente, per esempio un piccolo tubo rigido, utilizzato per allineare e proteggere la parte terminale della fibra. Il ferrule permette di allineare correttamente la fibra nel connettore e può essere realizzato in metallo, plastica oppure ceramica, che attualmente è uno dei componenti più usati anche perché il suo coefficiente di espansione è simile a quello delle fibre rendendo l’insieme più stabile.

Francesco Ferrari

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