Brevet FR2620284A1 — publié le 19890310

"Dispositif de connexion optique Sour la connexion de systèmes électronioues complexes tels que les piles de cartes electroniques en panier" Le domaine de l'invention est celui des moyens permettant d'assurer la connexion des composants dans un système électronique. Ce domaine technique recouvre un très grand nombre d'applications, et par exemple les systèmes électroniques matériellement constitués de cartes électroniques empiles dans des paniers de réception. Ce type de réalisation est largement répandu, et se retrouve aussi bien, a titre d'exemple, dans les appareillages informatiques, que dans les appareils de régulation industriels ou encore de télécommunications. Dans ces systèmes existants, les connexions entre les différentes composantes d'un système électrpnique (circuits intégrés, cartes, modules, ...) est réalisé par l'emploi de conducteurs métalliques (souples ou obtenus par dépôts) qui assurent le transport des électrons. Dans les paniers de cartes, et comme représenté en figure 1, ces connecteurs sont essentiellement soit des câbles ou liasses de câbles 13, souples ou parfois rigides, reliant les cartes parallèles 11, 12, soit encore des cartes 14 dites de "fond de panier", pourvues de liaisons conductrices déposées, gravées ou autre dans lesquelles viennent s'enficher les cartes 11, 12. Or, quel que soit leur mode de réalisation, ces liaisons matérielles présentent un certain nombre d'inconvénients, essentiellement liés a la limitation physique et technologique du nombre de connexions réalisables et i la lenteur relative des temps de transit. En effet, les câbles souples 13 réunissant les cartes parallèles 11, 12 sont généralement obligatoirement connectés | sur les extrémités des cartes ce qui irpose une implantation parfois défavorable des corposants sur la carte. Il est pratiquement impossible d'établir d'autres connexions, par exemple au niveau du centre des cartes, en particulier si l'on cherche à réduire au strict minimum la longueur des fils (pour des raisons de coût et de temps de propagation -des signaux) et à rendre l'assemblage réalisable tout en laissant le système accessible et maintenale. D'autre part, cette lir.tation du nombre de connexions est particulièrement défavorable dans les systèmes corplexes, où elle empéche de réaliser des connexions utiles. Dans ce cas, le palliatif habituel consiste à utiliser des méthodes de multiplexage complexes pour permettre par exemple à plusieurs chemins logiques d'emprunter le même chemin physique. Ces méthodes de multiplexage, jointes à la relative lenteur du temps de propagation des signaux dans les conducteurs matériels, obèrent la rapidité du dialogue entre les différents composants interconnectes. En tout état de cause, on notera que quel rue soit la complexité du système, la mise en oeuvre des liaisons matérielles existantes exigent une "main d'oeuvre" (éventuellement automatisée) coûteuse, et nécessite l'utilisation de conducteurs métalliques onéreux, sur des longueurs qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres dans un système complexe tel qu'un "super ordinateur". L'invention a notamment pour objectif de pallier ces divers inconvénients d'état de la technique. Plus précisément, un premier objectif essentiel de l'invention est de fournir un dispositif de connexion entre composants d'un système électronique complexe, susceptible de se passer complètement de support matériel. Cet objectif a pour corrolaire de permettre la mise en oeuvre des connexions i h u cot quasiment nul, e réduisant le poids et l'encombrement du système, ce qui est particulièrement avantageux pour les applications embarquées, en aéronautique ou en astronautique. Un second objectif essentiel de l'invention est de fournir un dispositif de connexion permettant des liaisons entre composants susceptibles d'être en nombre quelconque, depuis un point quelconque d'un système à un autre, avec la possibilité pour des liaisons de s'entrecouper si nécessaire. Un objectif complémentaire de l'invention est de permettre la réalisation de véritables systèmes de connexion tridimensionnelle, et de faire sauter la limite actuelle que l'on pourrait qualifier de "bidirensionnelle et demie" (2 D 1/2) mai consiste corme déjà mentionné à relier des circuits entre eux à l'intérieur d'un même plan ("puces", "cartes",...) puis e général à relier ces différents plans à l'aide de "fonds de paniers" 14 ou de connecteurs avants 13. Un autre objectif de l'invention est d'assurer toutes les liaisons necessaires entre les sous-ensersles d'un système complexe, et ce de façon économique. Il existe en effet aujourd'hui de très nombreux composants VLSI (Very Large Scale Integration), et en particulier des microprocesseurs 16 et 32 bits, ainsi que des processeurs spécialisés, que l'on peut envisager de regrouper dans un système complexe en mue de réaliser certaines fonctions. A titre d'exer.ple, la mise e parallèle de nombreux microprocesseurs 32 bits permet d'obtenir théoriquement une puissance de calcul spectaculaire sur certains problèmes (et par exemple en simulation numérique). Or, le dispositif selon l'invention, permettant la réalisation de connexions tridimensionnelles sans support matériel se substitue très avantageusement aux modes de réalisation existants, en simplifiant grandement le cablage actuel, mais surtout permet de réaliser des systèmes dont la complexité dépasse largement les possibilités des liaisons matérielles. Un autre- objectif important de l'invention est de fournir des connexions très rapides, notamment à des vitesses excédant le Gigabit par seconde. Ces objectifs ainsi que d'autres qu@ apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un dispositif de connexion, pour l'établissement de connexions à l'intérieur de systèmes électroniques complexes notamment du type des piles de cartes en paniers constituées essentiellement de composants conducteurs matériels parcourus par un courant électrique, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins un premier module transcodeur électronique-optique, pour l'émission d'un rayonnement optique laser modulé, recevant en entrée un signal électrique provenant desdits composants matériels et fournissant en sortie un signal optique laser, modulé en fonction dudit signal électrique d'entrée; - au moins un second module transcodeur optique-électronique de réception et de décodage d'un rayonnement optique laser, recevant en entrée un signal laser module, et fournissant e sortie un signal électrique correspondant au signal laser d'entrée, lesdits premiers et seconds modules transcodeurs coopérant de façon que le signal laser modulé émis par un desdits premiers modules transcodeurs électronique-optique soit reçu en entrée de l'un desdits seconds modules transcodeurs optique-électronique. Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention comporte au moins un module transcodeur mixte, constitué de la combinaison d'un premier module transcodeur électronique-optique, et d'un second module transcodeur optique-électronique, comportant deux modes de rebouclage alternatifs - un mode de rebouclage optique, selon lequel les signaux laser modulés d'entrée sont restitués en sortie - un mode de rebouclage électronique, selon lequel les signaux électroniques d'entrée sont restitués en sortie. Le cas échéant, chacun desdits modules transcodeurs est associé à un multiplexeur ou démultiplexeur numérique. Dans des modes de réalisation avantageux et optionnels de l'invention, les modules transcodeurs sont utilisés avec des fibres optiques et/ou des miroirs ou des réseaux de diffraction permettant une propagation non linéaire des signaux laser modulés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de quelques modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre illustratif, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 illustre les modes de connexion électroniques antérieurs, par liaison matérielle; - la figure 2 illustre le structure d'un module transcodeur électronique-optique (TEO) selon l'invention; - la figure 3 schématise un boitier d'intégration a TEO de la figure 2; - la figure 4 illustre la structure d'un module transcodeur optique-électronique (TOE) selon l'invention;; - la figure 5 schématise un boitier d'intégration du TOE de la figure 4; - la figure 6 schématise un boîtier d'intégration d'un transcodeur mixte (TM) à huit faisceaux selon l'invention; - la figure 7 illustre schématiquement la topologie d'un bus en anneau; - la figure 8 est une vue en perspective schématisant le principe de connexion de cartes parallèles au moyen de modules transcodeurs mixtes selon l'invention, agencés dans un bus en anneau; - la figure 9 schématise l'implantation des modules transcodeurs mixtes de l'invention dans un bus en anneau bi-directionnel. Le principe de l'invention est de fournir un dispositif de connexion qui assure des liaisons optiques à l'intérieur d'un système complexe par faisceaux de lumière laser collimatés. La mise en oeuvre de l'invention se traduit donc par la réalisation d'une véritable connexicr. tridImensionnelle, à différentes échelles, à l'intérieur d'un système complexe. Les sous-ensembles du système électronique qui sont connectés entre-eux sont par exemple des composants, des cartes ou encore des modules du système. De façon avantageuse, et comme illustre e figure c, la connexion tridimensionnelle utilise - - sur un plan (d'un composant ou d'une carte), des conducteurs métalliques, obtenus par exemple par procédés traditionnels (circuits imprimés, techniques des circuits intégrés, ...); - orthogonalement à ce plan, et constituant ainsi virtuellement la troisième dimension de connexion, des liaisons Optirles. Bien entendu, ceci n'exclut pas l'existence, selon cette troisième dimension, de conducteurs métalliques ou de fibres optiques, ou autres, non plus que l'existence de liaisons optiques à l'intérieur des deux premières dimensions. Pour aboutir a ce résultat, le dispositif de connexion suivant l'invention utilise trois types de circuit VLSI, à savoir - un module transcodeur électronique-optique (noté TEO); - un module transcodeur optique-électricrje (noté TOE); - un transcodeur mixte (noté TH). La figure 2 présente l'architechture de la chaine de transcodage électronique-optique. La figure 3 schématise un exemple de circuit à huit faisceaux optiques, mettant chacun en oeuvre la chaine structurelle de la figure 2. Le module transcodeur électronique-optique 20 de la figure 2 est constitué d'une diode laser 21 assurant l'émission d'un rayonnement laser, en lumière cohérente, modulée par un train de bits incidents à transmettre reçus en entrée 22. Ces signaux d'entrée 22 sont des signaux électroniques, de préférence sous forme numérique. Le faisceau optique modulé 23 issu de la diode laser traverse ensuite un système optique 24 assurant la formation d'un faisceau optique résultant 25 parfaitement parallèle. Le système optique 24 est rendu nécessaire par le manque de directivité du faisceau 23 émis par la diode laser, et le fin faisceau de lumière résultant 25 issu du système optique 24 ne présente que quelques microns de diamètre. Lorsque un haut taux d'intégration optique est nécessaire, on utilise une technise du type "micro- usinage" pour réaliser un jeu de plusieurs petites lentilles constituant le système optique 24. En aval du système 24, une ou plusieurs "fenêtres" 31 (figure 3) permettent à la lumière de traverser la boitier 30 d'intégration du TEO. Dans le cas d'un TEO à huit faisceaux, comme représenté en figure 3, on peut prévoir soit une fenetre de sortie 31 par faisceau, soit encore une seule entre corune à l'ensemble des faisceaux. Pour éviter l'accumulation d'impuretés, notamatent 60US forme de poussières ambiantes, la :face supérieure du boitier 30 doit être parfaitement plaie et sans aspérité, notamatent à la jonction entre les parties opaques du boîtier 30 et les portions transparentes constituant les fenêtres 31. Ceci a pour avantage de favoriser la libre circulation des fluides ambiants, et de faciliter le nettoyage éventuel des fenêtres 31. Les pattes 32 du boitier 30, représentées en nombre et disposition arbitraires en figure 3, ramènent la masse, les alimentations, le signal d'horloge, et le signaux numériques 22 assurant la modulation des faisceaux optiques émis. Les pattes 32 amènent également des lignes de fonction, dont une ligne d'initialisation. Le boîtier 30 est avantageusement pourvu d'une encoche 33 formant détrompeur. Le cas échant, le signal numérique 22 reçu en entrée par la diode laser 21 peut provenir d'un circuit multiplexeur 26. Le circuit 26 assure le multiplexage de plusieurs lignes numériques électroniques 27 gu'il reçoit en entrée. Un tel multiplexeur 26 trouve parfaitement sa place dans le module transcodeur selon l'invention, du fait que la liaison optique permet en général d'assurer un débit plus élevé que les liaisons électroniques. Une technologie AsGa (Arséniure de gallium) est alors avantageusement employée. La figure 4 illustre schématiquement la structure d'un module transcodeur optique-électronique destiné à coopérer avec le module transcodeur électronique-optique des figures 2 et 3. Le module transcodeur optique-électronique de la figure 4 est essentiellement constitué d'un photodétecteur 41 assurant l'émission d'un train de bits électronique 42 par démodulation du faisceau optique incident 43 provenant d'un module TEO. Le photodétecteur 41 est par exemple intégré dans un boitier 50 tel que schématisé en figure 5. Le boitier 50 comporte, de façon symétrique au boitier 30 du TEO de la figure 3, des fenêtres =1 d'entrée des faisceaux (ou éventuellemnt une fenêtre unique commune à l'ensemble ou à plusieurs faisceaux), des pattes de connexion 52, et un détrompeur 53. Dans les cas où cela se justifie, un circuit démultiplexeur 4 est monté en sortie du photodétecteur 41, et assure le démultiplexage du signal électronique 42 d'entrée sur plusieurs lignes numériques électroniques 45 de sortie. La figure 6 illustre un mode de mise e oeuvre avantageux du principe à la base de l'invention, sous la forme d'un module transcodeur mixte. Le module TM de la figure 6 est schématisé sots la forme d'un boitier d'intégration 60 à huit faisceaux incidents 61 et huit faisceaux émergeants 62. Le transcodeur mixte constitue la combinaison d'un module TEO et d'un module transcodeur TOE. Dans un des odes de fonctionnement, les deux modules TEO et TOE. de base du module TM fonctionnent indépendamment, chacun des modules associés constituant par exemple une voie de liaison fonctionnant en sens inverse de l'autre. Dans un autre mode de fonctionnement, le module T possède des modes de rebouclage, optique et électronique. Dans le cas de la mise en mode de rebouclage optique, les signaux optiques émergeants 62 sont identiques aux signaux optiques incidents 61. Dans le cas d'un rebouclage électronique, ce sont les signaux électroniques qui ne font qu'entrer et sortir. Avantageusement, la mise en mode de rebouclage, optique ou électronique, est une fonction prograrmable du transcodeur mixte. Le boitier 60 d'intégration du module TM présente aussi des fenêtres individuelles 63 ou communes d'entrée et de sortie des faisceaux 61, 62, des pattes de connexion 6A, et avantageusement un détrompeur 65. Dans le but d'éviter de perturber l'acheminement des faisceaux optiques émis et/ou reçus par les modules TEO, TOE, et TM, et en complément des exigences précisées plus haut quant à l'état de surface des boîtiers d'intégration 30, 50, 60, le fluide (gaz ou licwice) dans lequel est immergé le système doit obligatoirement être traité et filtré. Cette précaution évite la présence de poussières susceptibles d'obstruer les fenêtres 31, 51, 63, ou de diffracter les faisceaux optiques. L'isothermie du fluide doit également être garantie, pour éviter la réfraction. Dans le cas d'un livide, les points de contact chaud doivent être proscrits, afin d'éviter la formation d'une ébullition, dont les bulles viendraient troubler le milieu de propagation des faisceaux. Enfin, le choix de la nature du fluide d'immersion du système d'une part, et de la nature du rayonnement du laser utilisé d'autre part, doit être fait conjointement, de façon que les bandes d'absorption du fluide ne coincident pas avec la longueur d'onde des photons. Des procédures d'auto-tests des liaisons construites au moyen des modules TEO, TOE et TX assurent la qualité de fonctionnement du dispositif de connexion suivant l'invention. Ces procédures d'auto-tests sont avantageusement déclenchées à la mise en route, ou lors de phases d'initialisation du système.Elles peuvent avantageusement utiliser les fonctions de rebouclage optiques mentionnées plus haut, de façon que, par exemple, un module TX vérifie l'identité du signal optique qui lui est renvoyé par un autre module TM en cours de test, et en mode de rebouclage optique, avec le signal optique source émis par ledit premier module TM en direction dudit second module TX en cours de test. Les modules transcodeurs IEO, TOE et TX de l'invention peuvent avantageusement se superposer à des circuits VLSI du type des microprocesseurs, et permettre ainsi des liaisons directes et rapides de processeurs à processeurs (universels ou spécialisés). Les modules TEO, TOE et TM de l'invention peuvent également coopérer, par exemple sous la forme d'un bus en anneau tel que schématise en figure 7. La structure d'un bus en anneau, qui est bien connue de l'homme de métier, consiste à réaliser un che. r. fermé 70 reliant des sous-ensembles 71, 72,..., éventuellement en traversant d'autres sous-ensersles. De cette manere, le sous-ensemble 71 peut envoyer un message M spécifique au sous-ensemble 72, même Si ces sous-ensembles intermédiaires (non représentes) sort interposés sur le chemin de transmission 70. Dans ce cas, le message M doit inclure l'adresse du sous-ensemble 72. Alors que, dans les systèmes complexes actuels pourvus exclusivement de connexions materielles entre les composantes du système, les bus de ce type ne peuvent étre réalisés qu'en nombre limité pour les raisons rappelées en préambule, ces limitations disparaissent avec l'utilisation des liaisons optiques de l'invention. L'implantation d'un bus en anneau dans un système électronique Q cartes parallèles 81, 91 est schématisé en figure 8. Dans un but de simplification, le schéma de la figure E ne se réfère qu'à un fragment de bus, pour un système à bus à anneau unique. Bien entendu, ni le nombre de cartes 81, 91 connectées, ni le nombre de bus en anneau réalisé à l'intérieur du système ne sont des caractéristiques limitatives de l'invention. Chacune des cartes 81, 91 est pourvue de modules transcodeurs 82, 83 ; 92, 93 alignés sur le trajet (éventuellement non linéaire) du faisceau laser modulé 80, 90, 100 formant bus optique. Deux modes de réalisation peuvent être envisagés pour chaque paire de transcodeurs 82, 83 et 92, 93. Dans un premier mode de réalisation, l'un des transcodeur de charte paire c2, 92 est un module TOE, le transcodeur complémentaire 83, 93 étant un module TEO. Dans un autre mode de réalisation, chacun des modules 82, 83, ; 92, 93 est un transcodeur TM. Ce second mode de realisation peut dans certains cas etre considéré comme étant plus avantageux, du fait des possibilités de rebouclage qu'il présente, et de fonctionnement L~- directionnel du bus comme on le verra en relation avec la figure c. Chaque carte 81, 91 comporte en outre au moins un composant 84, 94 d'analyse des messages. Chacun de ces composants 84, 94 assure l'analyse des messages incidents sur la carte. Dans le cas ou le message incident courant est destiné à la carte, le circuit 84, 94 assure la transmission vers les autres composants de la carte. Dans le cas contraire, les signaux sont réémis vers la carte suivante. La notion de carte suivante peut être soit physique (il s'agit alors de la carte voisine), soit logique (carte dont l'adresse suit l'adresse de la carte courante).Les connexions 85, 86 ; 95, 96 de connexion des modules transcodeurs avec les circuits d'analyse des messages sont en général des liaisons matérielles mais peuvent également être optiques. Les circuits 84, 94 peuvent le cas échéant, être intégrés avec les modules transcodeurs correspondants. Co=.e déjà mentionné, un tel bus optique peut être bi-directionnel dans le cas où on utilise des modules transcodeurs de type mixte (fig.9). Dans ce cas, les connexions entre les modules TM 82, 83 et le circuit d'analyse des messages 84 sont constituées par quatre liaisons distinctes 101, 102, 103, 104. Le circuit d'analyse des messages 84 doit étre multiaccés (double accés dans le cas de la figure 9) pour permettre la prise en compte de plusieurs messages simultanés (2 dans le cas représenté). Il doit donc inclure une gestion de file d'attente, ou tout autre dispositif analogue. Dans le cas de la première et de la dernière carte (au sens des emplacements physiques) connectées par le bus optique de la figure 8, l'un des deux modules 82, 83 ; 92, 93 doit être mis en mode de rebouclage électronique. La mise en mode de rebouclage électronique est avantageusement réalisée par forçage mécanique au m@yen d'un étrier spécifique ou équivalent pré-positionné sur la carte correspondante lors de l'assemblage du système. Le caractère immatériel des liaisons optiques permet la mise en place d'un nombre quelconque de bus sans compliquer en aucune façon l'architecture physique au niveau des connexions. La seule contrainte est liée à l'usinage des cartes, et au positionnement précis des modules transcodeurs, pour permettre l'établissement correct des liaisons optiques. L'ajustement du positionnement des modules transcodeurs, au moment du montage, peut être réalisé avec l'aide des procédures d'auto-tests, afin d'assurer l'alignement parfait des faisceaux optiques. Dans le cas où une propagation non linéaire des faisceaux optiques de connexion est nécessaire (par exemple pour- franchir un obstacle, ou changer d'étage) deux solutions au moins sont envisageables - l'utilisation de fibres optiques, avec des systèmes de raccord mécanique assurant l'adaptation entre les TEO, TOE et TX d'une part, et les fibres optiques d'autre part; - l'utilisation de miroirs, ou encore de réseaux de diffraction, du type obtenus par holographie, qui permet alors de plus un traitement optique des signaux, tel que leur duplication dans le cas d'un aicuillase multiplie. Bien entendu, les applications du dispositif de connexion de l'invention ne se limite pas aux exemples donnés Flus haut, et s'appliquent notamment aux systèmes complexes en informatique (ordinateurs de grande puissance, ...) et dans les télécommunications (autocommutateurs, PABX, ...). REVENDICATIONS 1) Dispositif de connexion, pour l'interconnexion de sous-ensembles 81, 91 à l'intérieur de systèmes électroniques complexes, notamment du type des piles de cartes 81, 91 en paniers constituées essentiellement de composants conducteurs matériels parcourus par un courant électrique, dispositif caractérisé en ce qu'il colporte - au moins un premier module transcodeur électronique -optique (20) recevant en entrée un signal électronique (22) provenant desdits composants matériels, et fournissant en sortie un signal optique laser (25) modulé en fonction dudit signal électrique d'entrée;; - au moins un second module transcodeur optique-électronique (40) recevant en entrée un signal optique laser modulé (43), et fournissant en sortie un signal électrique (42) correspondant audit signal optique (43) d'entrée; - lesdits premier et second modules (20, 4C) coopérant de façon que le signal laser modulé (25) émis par l'un desdits premiers modules transcodeurs électronique-optique (20) soit reçu en entrée (43) de l'un desdits seconds modules transcodeurs optique- électronique (40). 2) Dispositif de connexion pour l'interconnexion de sous-ensembles à l'intérieur de systèmes électroniques complexes, notamment du type des piles de cartes en paniers constituées essentiellement de composants conducteurs matériels parcourus par un courant électrique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins ur. module transcodeur mixte (60), ledit module (60) comportant au moins une entrée d'un signal optique laser modulé incident (61), et au moins une sortie d'un faisceau optique laser modulé émergeant (62), ainsi mJe des moyens de sortie, d'entree respectivement d'un signal électronique correspondant auxdits signaux optiques (El, 62), ledit module (60) comprenant d'une part un sous-module transcodeur optique-Flectronique entre ladite entrée optique (61) et les moyens de sortie électronique, et d'autre part un sous-module transcodeur éectronique optique entre lesdits moyens d'entrée électronique et ladIte sortie optique (62). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit module, sous-module respectivement, transcodeur électronique-optique est constitué d'une diode laser (21) coopérant avec un système optique (24) de collimatage du faisceau optique (23) émis par ladite diode laser (21). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit module, sous-module respectivement, transcodeur optique électronique est constitué par un photo-détecteur (41). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins certains desdits modules et/ou sous-modules transcodeurs coopèrent avec un circuit multiplexeur (26) ou démultiplexeur (44). 6) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins un desdits modules transcodeurs mixtes présente un premier état de rebouclage optique et/ou un second état de rebouclage électronique. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins un desdits modules transcodeurs (20, 40, 60) coopère avec des moyens d'inflection de la direction de propagation des signaux optiques, lesdits moyens d'inflection appartenant au groupe comprenant les fibres optiques, les miroirs, et les réseaux de diffraction. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins deux desdits modules transcodeurs (20, 40, 60) sont Insérés dans un bus optique en anneau.