Ein Schwerpunkt der Detektorentwicklung im Detektor-Labor liegt auf der Studie und Entwicklung opto-elektrischer Datenübertragungsstrecken. Diese werden dann in Detektoren zur Kontrolle und Datenauslese der verbauten Elektronik eingesetzt.

Für den ATLAS Pixel Detektor, der seit 2009 am CERN in Betrieb ist, haben wir eine optische Datenübertragungsstrecke mit entwickelt, die mit bis zu 160 Mb/s Daten von über 80 Millionen Pixelzellen parallel ausliest.

Derzeit entwickeln wir schnellere und flexiblere Hardware für einen Ausbau des ATLAS Pixel Detektors.

Im folgenden soll das Prinzip der Datenübertragung anhand des aktuellen Auslesesystems vorgestellt werden.

 

Auslese des ATLAS Pixel Detektors

 

In Abbildung 1 ist das Auslesesystem des ATLAS Pixel Detektors schematisch dargestellt.

 

Abb. 1: Schematischer Überblick über den ATLAS Pixel Detektor optical Link.

 

Die optische Datenübertragungsstrecke verbindet die Detektorelektronik mit der Ausleseelektronik im Kontrollraum über ca. 80m Faserstrecke.

 

 

Abb. 2: Optoboard

 

Die optischen Komponenten befinden sich auf einem Optoboard (Abbildung 2) im Detektor und auf plugin-Boards (Abbildung 3 und 4) im Kontrollraum. Es werden optische Komponenten in Mehrkanal Bauform (arrays) verwendet. VCSEL (vertical surface emitting laser) senden Licht, das von PiN Dioden auf der anderen Seite empfangen wird.

 

Abb. 3: TX-Plugi Abb. 4: RX-Plugin

2 Richtungen der Verbindungen müssen implementiert werden. Takt und Steuersignale werden zum Detektor übertragen, während Daten vom Detektor in den Kontrollraum übertragen werden.

Die Komponenten, die Signale optisch in den Detektor senden (TX-Plugins, siehe Abb. 3) sind mit einem speziell entwickelten Chip (BPM-12) und einem 12-Wege VCSEL array bestückt. Für jeden Kanal wird Takt und Steuersignal in ein gemeinsames optisches Signal gewandelt und zum Detektor gesendet (Bi-Phase-Mark encoding). Dieser Pfad kann auf Lichtleistung und Verzögerung optimiert werden.

Die Komponenten, die Signale vom Detektor empfängt (RX-Plugin, siehe Abb.4) sind ebenfalls mit einem speziell entwickelten Chip (DRX-12), der die elektrischen Signal verstärkt und ausgibt, sowie mit einem 12-Wege PiN Dioden array bestückt. In diesem Pfad kann die Schwelle ab der ein Signal als "high" erkannt wird eingestellt werden. Weitere informationen zu Fotodioden erhält man hier. Eine Einführung zu VCSEL gibt es hier.

Die Komponente im Detektor, das Optoboard ist mit einem PiN Dioden array (8-Wege) und ein oder zwei (B-Layer) VCSEL arrays bestückt, sowie mit strahlenharten Empfänger- (DORIC) und Treiber (VDC)-Chips.
Signale, die zum Detektor geschickt werden, werden in Takt und Datensignal aufgeteilt und elektrisch zum Detektormodul getrieben. Signal vom Detektormodul werden optisch gewandelt und in den Kontrollraum gesendet.

Der Sendepfad muss in beide Richtungen eingestellt werden, um eine fehlerfreie Datenübertragung zu gewährleisten. Hierzu wurden detaillierte Studien betrieben und Programme entwickelt, die die Optimierung automatisch vornehmen können.

Im aktuellen ATLAS Pixeldetektor werden Takt und Steuersignale in ein optisches Signal pro Module codiert (Bi-Phase Mark Encoding), das dann optisch übertragen wird. Somit ist Auslastung des Links immer 50% an. Das ermöglicht ein "self-adjustment" auf der Detektor Seite.

Die Daten werden im NRZ (Non Return to Zero) Format übertragen. Der Link ist nur dann aktiv, wenn Daten im Detektormodul genommen wurden und übertragen werden müssen. Daher muss die Empfängerseite von außen eingestellt werden, da eine automatische Schwellensuche für ein nicht ausbalanciertes Signal nicht möglich ist.

Das Optoboard ist von Kollaborationspartnern der OSU (Ohio, US) und der Universität Siegen entwickelt und produziert worden. Die plugin-boards wurden in Taiwan (Academica Sinica, Taipei) hergestellt. Der Wuppertaler Beitrag ist die Interface Karte im Kontrollraum, die Back-of-Crate Karte (Abb.).

 

Abb. 5: ATLAS Pixel Back of Crate Karte (BOC)

Auf dieser Karte wird neben der Einstellung der plugin-boards auch das Timing der on-detector und off-detector Komponenten generiert und kann optimiert werden. 132 solcher Karten sind im ATLAS Pixel Detektor im Einsatz und übertragen Daten zu 1744 Detektormodulen auf jeweils einer optischen Faser mit 40 Mb/s. Daten vom Detektor werden abhängig von der Position der Module im Detektor mit einer Bandbreite von 40Mb/s, 80 Mb/s oder 160 Mb/s empfangen und an die Datenverarbeitung weitergegeben.

Desweiteren befindet sich auf der BOC Karte die Anbindung zum Datenbuffer und damit zur höheren Instanz der Datenverarbeitung.

IBL-Auslese

Für die nächste Ausbaustufe des ATLAS Pixel Detektors wird eine zusätzliche Detektorlage integriert, für die derzeit ein Auslesesystem, das kompatibel zum aktuellen ATLAS Pixel Detektor Auslesesystem, aber angepasst an die neu einzubringende Elektronik ist.

Die Detektorlaborgruppe entwickelt derzeit eine neue Auslesekarte zur Installation im Kontrollraum, eine Nachfolgekarte der ATLAS Pixel BOC Karte.

Alle Logik, die in den speziell entwickelten Chips integriert ist, soll auf der neuen Karte in FPGAs integriert werden.