[论文解读] A prototype optical link board with redundancy design for the ATLAS liquid argon calorimeter Phase-2 upgrade

X. Huang, C. Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用 1

一句话总结

该论文提出了一款用于ATLAS液氩量能器Phase-2升级的冗余光学链路板原型，采用24个lpGBT芯片和8个VTRx+模块，实现22路单工数据链路（10.24 Gb/s）和2路双工控制链路（2.56/5.12 Gb/s）。该设计成功验证了完整数据传输及冗余控制功能，包括时钟分配、I2C配置和复位操作，且在10.24 Gb/s速率下连续3分钟内误码率（BER）低于10⁻¹²。

ABSTRACT

A prototype optical-link board has been developed for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Phase-2 upgrade. The board consists of 24 lpGBT chips and 8 VTRx+ modules and demonstrates the full optical link design of the future front-end board. The board has 22 simplex optical links to transmit detector data, which are emulated in FPGAs and injected through 6 FMC connectors, to the off-detector electronics. The board implements 2 duplex optical links for clocks, control, and monitoring with redundant design to improve the system reliability. Data transmission and all redundant designs have been verified. A fiber routing scheme, in which 2 or 3 VTRx+ modules are re-connected to the front panel with an MPO connector, has been prototyped.

研究动机与目标

• 开发一款光学链路板原型，以模拟未来ATLAS液氩量能器前端电子板（FEB2）在Phase-2升级中的完整光学链路功能。
• 通过FPGA和FMC连接器，验证使用22路单工光学链路在10.24 Gb/s速率下的高速数据传输性能。
• 实现并验证一种冗余控制链路架构，用于时钟、I2C配置、BCR信号和系统监控，以提升系统可靠性。
• 原型化并评估一种新型光纤走线方案，使用MPO连接器将2–3个VTRx+模块直接连接至前面板，以降低复杂度和插入损耗。
• 确保在HL-LHC环境下具备抗辐射能力与系统鲁棒性，包括2.25 kGy的总离子剂量（TID）和4.9 × 10¹³ neq/cm²的NIEL辐照注量。

提出的方法

• 该原型板集成了24个lpGBT芯片（22个用于数据，2个用于控制）和8个VTRx+模块，包含22路单工数据链路（10.24 Gb/s）和2路双工控制链路（下游2.56 Gb/s，上游5.12 Gb/s）。
• 通过FPGA模拟探测器数据，并经由6个FMC连接器注入，以模拟前端电子设备的实时数据传输。
• 通过双控制lpGBT（12号和13号）实现冗余控制功能，包含主从I2C控制器，以及FEB两半之间的双向通信。
• 通过使lpGBT 12通过RefClk引脚向lpGBT 13提供40-MHz时钟，并利用通用I/O引脚控制其配置，实现时钟分配冗余。
• 通过启用次级I2C控制器（lpGBT 10和11）在主链路故障时接管I2C总线，实现I2C配置冗余。
• 通过测试BCR信号分配、ASIC复位和上电循环等操作，验证系统级冗余，所有功能均通过单链路运行完成验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 该光学链路板原型能否成功模拟未来ATLAS液氩量能器FEB2的完整数据与控制链路功能？
• RQ2 在持续运行条件下，10.24 Gb/s数据链路的误码率（BER）性能如何？是否满足所需的可靠性阈值？
• RQ3 当主链路或光模块发生故障时，冗余控制链路是否能维持系统功能（时钟、I2C、BCR、复位）？
• RQ4 采用单个MPO连接器将2–3个VTRx+模块直接连接至前面板的新型光纤走线方案的性能与可行性如何？
• RQ5 该系统在典型HL-LHC环境下的高辐射条件下如何保持可靠性？

主要发现

• 所有22路单工数据链路在10.24 Gb/s速率下连续3分钟测试中，误码率（BER）均低于10⁻¹²，对应置信度为84%。
• 冗余控制链路设计在断开一路下游控制链路后，仍能成功维持时钟分配、I2C配置和BCR信号传输。
• I2C配置冗余已通过验证：主链路故障后，次级控制器（lpGBT 10和11）成功接管I2C总线控制。
• lpGBT 12与13之间的交叉复位和上电循环功能已成功测试，证实任一芯片均可复位或上电重启另一芯片。
• 采用2–3个VTRx+模块通过单个MPO连接器重新连接至前面板的原型光纤走线方案已成功演示，显著降低了插入损耗和机械复杂度。
• 该电路板设计（包括层叠结构和材料EM-888K）与未来FEB2兼容，可直接集成至最终前端电子系统中。