Motorola hat mit dem Optobus ein System entwickelt, das es ermöglichen sollte, die große Bandbreite von Glasfaserverbindungen ohne die üblicherweise hohen Investitionen einsetzen zu können. Im IEEE-Paper "A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect" ist ein Ziel von 300$/GBit angegeben. In der Applikation Note AN1572 von Motorola findet sich für eine Großserie sogar ein Wert von 100$/GBit. Motorola hatte eine Webseite für das Optobus-System, das die Spezifikationen des Optobus-Moduls enthält. Dort ist eine Übertragungsraten von 4GBit/s über 300m spezifiziert. Genau genommen sind es 10Bit, die parallel mit 400MBit/s übertragen werden.
Das Optobus-System wurde anscheinend nie in einer größeren Serie produziert. In der Zeitschrift Electronic News Vol. 40 (November 1994) ist zu lesen, dass die Serienproduktion im dritten Quartal 1995 starten sollte. Beim hier zu sehenden Transceiver muss es sich noch um ein Muster handeln. Er wurde im Juni 1994 produziert. Wie sich später zeigen wird, entspricht die Konstruktion noch nicht dem Serienstand. Es finden sich viele IEEE-Artikel zum Optobus-System, die teilweise unterschiedliche Spezifikationen enthalten. Sie spiegeln offenbar die Entwicklung der Transceiver wider.
Die Motorola-Webseite enthält auch Informationen zum Nachfolger Optobus II, der auf 200m eine Übertragungsrate von 8GBit/s ermöglichen sollte. Im IEEE-Paper "OPTOBUS I: Performance of a 4Gb/s Optical Interconnect" (1996) wird erwähnt, dass die Optobus II Module Ende 1996 verfügbar sein sollten, also nur kurz nach dem Optobus I System.
Die Application Note AN1572 zeigt für welche Bandbreiten und Distanzen das Optobus-System geeignet ist und für welche Bereiche es noch weiterentwickelt werden sollte.
Der IEEE-Artikel "OPTOBUS I: Performance of a 4Gb/s Optical Interconnect" zeigt ein grobes Blockschaltbild des Bausteins. Es handelt sich um eine transparente Schnittstelle. Das Eingangssignal steuert eine Laserdiode, deren Signal von einem Photodetektor ausgewertet und wieder ausgegeben wird. Die Schaltschwelle ist fest eingestellt.
Die Application Note AN1572 zeigt die Funktionsblöcke noch etwas genauer. Es handelt sich um zwei zehn Bit breite Schnittstellen. Eine Schnittstelle dient zum Senden, die andere zum Empfangen von Daten. Hier ist nur eine Übertragungsrichtung dargestellt.
Die Senderseite enthält spezielle Lasertreiber. Die Empfangsseite ist vierstufig. Die erste Stufe ist ein Transimpedanzverstärker, der den Strom der Photodiode in eine Spannung wandelt. Die zweite Stufe verstärkt das Signal, das in einer dritten Stufe ausgewertet wird. Spezielle Ausgangstreiber geben schließlich die übertragenen Daten differentiell aus.
Die Abmessungen des Optobus-Moduls betragen 3,7cm x 3,9cm. Es besitzt auf der Unterseite ein Pin-Grid-Array (PGA-196) mit 96 Pins. 40 Pins führen 10 differentielle Eingangssignale und 10 differentielle Ausgangssignale. Die anderen 56 Pins sind an das Versorgungs- und das Bezugspotentiale angebunden und sorgen dafür, dass die hohen Frequenzen beherrschbar bleiben. Außerdem verbessern die vielen Pins die Entwärmung des Moduls. Die Optobus-Webseite von Motorola ordnet dem Modul 101 Pins zu. Anscheinend hat man zur Serienversion fünf weitere Pins ergänzt.
Wie man deutlich sieht, handelt es sich um ein gebrauchtes Modul, das bereits in eine Platine eingelötet war. Beim Herauslösen des Moduls aus der Platine wurden einige der Pins aus dem Pin-Grid-Array herausgerissen.
Im oberen linken Bereich stellt der Bestückungsdruck einige Zeichenfolgen dar, die sich nur teilweise zuordnen lassen. MCM-L steht für "laminated multichip module". Formation B könnte eine zweite Revision kennzeichnen. 9351 stellt wahrscheinlich einen Datecode dar.
Die Platine besitzt eine Kantenlänge von 3,56cm. Auf der Oberseite befindet sich kein Lötstopplack, so dass man teilweise auch die Leitungen in der zweiten Lage erkennen kann. Das Copyright in der rechten oberen Ecke verweist auf das Jahr 1993, was zu dem Datecode im Bestückungsdruck auf der Rückseite passt.
An der oberen Kante fallen die beiden Bausteine auf, die die optischen Schnittstellen darstellen. Sie bestehen aus einem lichtdurchlässigen Polymer. Das Sendemodul ist hier dokumentiert, das Empfangsmodul hier. Der rechte Baustein wurde von der Platine gelötet und danach mit Heißkleber wieder befestigt. Wahrscheinlich wollte man die optische Erscheinung einigermaßen erhalten.
Die integrierten Schaltkreise hat Motorola als "bare die", ohne Gehäuse auf der Platine befestigt und mit Bonddrähten elektrisch angebunden. Die Bonddrähte sind zum Großteil bereits verbogen und abgerissen.
Um ein möglichst kostengünstiges Transceiver-Modul darstellen zu können, kam
ein gewöhnliches FR4-Platinenmaterial zu Einsatz. Den Lagenaufbau beschreiben
die verschiedenen IEEE-Artikel sehr unterschiedlich. Vermutlich spiegeln sie die
Weiterentwicklung des Moduls wider:
"Parallel Optical Interconnects Using
VCSELs" (August 1995): 7 Lagen, davon 4 mit 70µm
"Characteristics of VCSEL Arrays for Parallel
Optical Interconnects" (Mai 1996): 4 Lagen, davon 2 mit 70µm
"A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect"
(August 1996): 8 Lagen, davon 4 mit 70µm
Die vielen Lagen waren notwendig,
um eine ausreichende Signalintegrität garantieren zu können. Der hohe
Kupferanteil hat gleichzeitig einen positiven Einfluss auf die Entwärmung. Für
die
Verlustleistung des Moduls finden sich ebenfalls unterschiedliche Angaben:
"Parallel
Optical Interconnects Using VCSELs" (August 1995): 1,7W
"Characteristics of
VCSEL Arrays for Parallel Optical Interconnects" (Mai 1996): 1,5W
"A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect"
(August 1996): 1,6W
Optobus-Webseite von Motorola: 1,35W
Im Detail kann man die im Epoxid eingebetteten Glasfasermatten erkennen, die aus längs und quer verlaufenden, miteinander verflochtenen Bündeln bestehen. Im oberen und im unteren Bereich sind die Bündel dünner und liegen entsprechend näher beieinander. In diesen Ebenen sind die parasitären Eigenschaften homogener, was bei sehr schnellen Signalen vorteilhaft ist. Ob dieser Zusammenhang hier relevant war oder ob sich die Schichten einfach so ergeben haben, bleibt offen. Ein Lagenaufbau lässt sich auf diesen Bildern nicht eindeutig erkennen.
Schleift man die Platine an der linken und der rechten unteren Ecke bis zu den ersten Durchkontaktierungen, so ergeben sich diese Bilder. Es werden sieben Lagen sichtbar. Das ist ungewöhnlich, da man Platinen üblicherweise symmetrisch aufbaut. Auch die Dicken der Kupferlagen sind hier unsymmetrisch. Im oberen Bereich befinden sich zwei 35µm-Kupferlagen, während die meisten anderen Lagen eine Dicke von 70µm aufweisen. Die unterste Lage ist mit 105µm noch etwas dicker.
Beim vorliegenden Transceiver handelt es sich offensichtlich um ein Entwicklungsmodell. Die IEEE-Artikel beschreiben, dass es geplant war den Schaltungsträger zu vergießen. Die Form des Gehäuses hat man in diesem Zusammenhang offensichtlich auch angepasst.
(Links: "Handbook of fiber optic data communication" Mitte: IEEE "OPTOBUST: A Parallel Interconnect Solution" Rechts: Motorola Optobus-Webseite)
Der IEEE-Artikel "A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect" beschreibt den Aufbau des Serienmoduls genauer. Demnach bringt man im Außenbereich der Platine einen Damm auf, der es erleichtert die Elektronik vollständig zu vergießen.
Im linken Bild aus dem "Handbook of fiber optic data communication" ist der Damm gut erkennbar. Das Layout des Transceivers unterscheidet sich etwas von dem hier dokumentierten Modul. Im rechten Bild aus "Optobus I: Performance of a 4Gb/s Optical Interconnect" ist wiederum eine etwas andere Revision zu sehen. Dort scheinen auch die optischen Module anders aufgebaut zu sein.
Die zwei optischen Bausteine beinhalten jeweils 10 Kanäle. In der linken Hälfte ist der Empfänger integriert. Nach der Umwandlung der optischen Signale in elektrische Signale, erfolgt eine erste Auswertung im Eingangsverstärker (rot). Dessen Ausgangssignale durchlaufen zwei Treiberbausteine (gelb).
In der rechten Hälfte befindet sich das Lasermodul des Otpobus Transceiver. Ein Lasertreiber (grün) nimmt die Eingangssignale entgegen und steuert die Laserdioden. An der rechten Kante ist die Referenzspannungsquelle "C91J" integriert (lila).
In der Application Note AN1572 ist die Schaltung an den Ausgängen des Optobus-Moduls noch etwas detaillierter dargestellt. Es kommt eine sogenannte Current Mode Logic (CML) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Differenzverstärker, an dem das differentielle Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Bei einem Summenstrom von 5mA und 50Ω-Pull-Up-Widerständen beträgt die Spannung zwischen den Ausgängen 0,25V. Dieser Aufbau ermöglicht Anstiegs- und Abfallzeiten von 500ps. Laut den IEEE-Artikeln nimmt die Empfängerseite des Optobus-Moduls bei 5V einen Strom zwischen 160mA und 200mA auf.
Der IEEE-Artikel "Parallel Optical Interconnects Using VCSELs" (August 1995) beschreibt, dass vor allem das Design des Empfängerbausteins herausfordern war. Die Eingangskapazität durfte 5pF nicht übersteigen. Die Induktivität musste unter 7nH bleiben. Der Empfänger kann Ströme ab 20µA auswerten. Umgelegt auf die optische Seite können demnach Signale ab 40µW detektiert werden. Etwas später wird der Wert auf 29µW reduziert ("Characteristics of VCSEL Arrays for Parallel Optical Interconnects", Mai 1996). Der IEEE-Artikel "OPTOBUS I: A Production Parallel Fiber Optical Interconnect" (Mai 1997) gibt an, dass die Bandbreite des Frontends 750MHz beträgt, was eine sichere Datenrate von 400MBit/s erlaubt. Bis zu 600MBit/s wurden bereits dargestellt.
Die Signale werden von oben zugeführt und an der unteren Kante ausgegeben. Die Versorgung erfolgt von links und rechts. Man kann gerade so erkennen, dass im unteren Bereich drei Signale nach links und zwei Signale nach rechts führen. Die anderen fünf Signale müssen sich in einer tieferen Lage befinden. Das erklärt wahrscheinlich einen Teil des Platinenaufbaus, bei dem die Lagen 2 und 4 eine Dicke von 35µm aufweisen, während alle anderen Lagen dicker sind. Die Lagen 2 und 4 wurden anscheinend als Signallagen genutzt.
Links und rechts des Empfängers befinden sich jeweils drei Kondensatorblöcke. Jeder Kondensator bietet eine Kapazität von 1nF.
Rechts und links des Empfängers sind außerdem spezielle Widerstände aufgelötet. Der rechte Widerstand wurde abgeglichen.
Auf dem Die kann man die zehn Verstärkerbereiche trotz der massiven Metalllage deutlich erkennen. Die Signaleingänge und -ausgänge befinden sich in einer zweiten Reihe. Nach außen hin hat man auf beiden Seiten 12 Massebondpads platziert. Offensichtlich wird der Baustein von den seitlichen Kanten aus versorgt. Die verschiedenen Verstärkerstufen scheinen zwei getrennte Versorgungen zu besitzen.
Der IEEE-Artikel "A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect" gibt an, dass die Schaltschwelle des Bausteins mit Metallisierungs- und Bondvarianten eingestellt werden kann. Weder das eine noch das andere ist hier zu erkennen. Es könnte aber durchaus sein, dass die Schaltschwelle mit den abgleichbaren Widerständen eingestellt wurde.
Der IEEE-Artikel "Parallel Optical Interconnects Using VCSELs" (August 1995) beschreibt, dass hier Motorolas MOSAIC III Prozess zum Einsatz kam. Ein bipolarer 2µm-Prozess mit einer Grenzfrequenz von 16GHz. Im IEEE-Artikel "OPTOBUS I: A Production Parallel Fiber Optical Interconnect" (Mai 1997) wird von einem 1,5µm-Prozess berichtet. Die Optobus-Webseite von Motorola spezifiziert eine Grenzfrequenz von 12GHz.
Das Dokument "ECLinPS Data" von Motorola enthält das obige Bild. Es zeigt vereinfacht den Aufbau eines Transistors aus dem MOSAIC III Prozess. Demnach handelt es sich um einen Prozess mit zwei Polysiliziumlagen, der es ermöglich sehr kleine Strukturen mit sehr kleinen parasitären Kapazitäten aufzubauen, was sich entsprechend positiv auf die Grenzfrequenz auswirkt.
Das Datenblatt des Gatearrays MCA10000ECL zeigt einen realistischeren Querschnitt eines MOSAIC III Transistors.
Das Design stammt aus dem Jahr 1993. Die interne Bezeichnung lautet anscheinend E14HZA1.
Es kamen mindestens zwei Metalllagen zum Einsatz. Die großen Flächen an den seitlichen Kanten könnten Kapazitäten sein, die die Versorgungsspannung stabilisieren.
Unter dem Empfänger-Baustein befinden sich zwei Ausgangstreiber, die dem Eingangsverstärker sehr ähnlich sind. Sie nehmen jeweils fünf Signale entgegen und geben sie differentiell aus.
Man kann gut erkennen, dass hier Bestückplätze für mehrere Kondensatoren vorgehalten wurden.
Die Ähnlichkeit der beiden Ausgangstreiber mit dem Eingangsverstärker ist deutlich zu sehen.
Die Bezeichnungen von Eingangsverstärker (oben) und Ausgangstreiber (unten) sind ebenso ähnlich wie deren Strukturen. Höchstwahrscheinlich hat man bei beiden Schaltkreisen das gleiche Grunddesign verwendet und lediglich die Metalllage variiert.
Auch im Detail sind die Strukturen denen des Eingangsverstärkers sehr ähnlich. Gleichzeitig sind die Unterschiede unter der oberen Metallschicht zu erkennen. Ein Kanal belegt hier zwei der vertikalen Spalten.
Beide Ausgangsverstärker zeigen starke Beschädigungen. Es könnte sich um eine elektrische Überlastung handeln. Es könnte aber auch sein, dass das nicht optimale Handling über lange Zeit Korrosionseffekte gefördert hat.
Der Lasertreiber sieht bereits oberflächlich betrachtet deutlich anders aus. Die Signalführung ist allerdings sehr ähnlich. Von unten treffen die zehn differentiellen Signale ein, die nach oben als Steuersignale für die Laserdioden ausgegeben werden.
Der IEEE-Artikel "Parallel Optical Interconnects Using VCSELs" enthält einige Details zum Lasertreiber. Demnach nimmt er bis zu 120mA auf, wenn er die zehn Ausgänge mit jeweils 5mA treibt. Mit den schlechtest möglichen Laserdioden wären noch Übertragungsfrequenzen von 250MHz möglich. Geschwindigkeit von bis zu 500MHz wurden getestet.
Die Application Note AN1572 zeigt den Aufbau des Lasertreibers: Eine Stromquelle sorgt für einen gewissen Ruhestrom durch die Laserdiode. Die Stromschwelle, bei der der Lasereffekt einsetzt lässt sich so schneller erreichen. Ein Differenzverstärker leitet abhängig vom Eingangssignal einen zusätzlichen Strom durch die Laserdiode und moduliert so den Laserstrahl.
Rechts des Lasertreibers befindet sich ein abgeglichener Widerstand. Die Konstruktion lässt im Vergleich zu den Widerständen des Eingangsverstärkers nur einen deutlich weniger genauen Abgleich zu. Höchstwahrscheinlich wird darüber die Leistung der Laserdioden eingestellt. Um eine hohe Übertragungsrate erreichen zu können, sollte die Leistung möglichst hoch sein. Gleichzeitig muss die optische Leistung der einzelnen Laserdioden unter 1mW bleiben. Höhere Leistungen würden erhöhte Schutzmaßnahmen erzwingen.
Man kann davon ausgehen, dass die stabile Spannung der Referenzspannungsquelle "C91J" ebenfalls zur Einstellung der Lichtleistung genutzt wird. So ist die Lichtleistung deutlich weniger von der Eingangsspannung und der Betriebstemperatur abhängig.
Die Optobus-Webseite von Motorola gibt an, dass der Treiber mit einem
1µm-CMOS-Prozess gefertigt wurde. In den IEEE-Artikeln ist die Strukturbreite
folgendermaßen dokumentiert:
"Parallel Optical Interconnects Using VCSELs"
(August 1995): 1µm
"A Low-Cost High-Performance Optical Interconnect" (August
1996): 0,8µm
"Characteristics of VCSEL Arrays for Parallel Optical Interconnects"
(Mai 1996) 1µm
Die Aufteilung des Dies in zehn Bereiche für die zehn Laserdioden ist deutlich zu erkennen. Zwischen den Bereichen verlaufen breite Versorgungsleitungen, die abwechselnd die zwei Potentiale führen.
Der IEEE-Artikel "Parallel Optical Interconnects Using VCSELs" erwähnt, dass sich zur Stabilisierung der Versorgungsspannung auf dem Die insgesamt 3nF an Kapazitäten befinden. Damit wird klar, dass die zweimal vier langen horizontalen Streifen Kondensatoren darstellen. Die Lasertreiber nehmen folglich nur den kleinen Teil der Fläche in der Mitte des Dies ein.
In jeder Spalte kann man zwei von unten kommende Signalleitungen und zwei nach oben führenden Signalleitungen erkennen. Das Eingangssignal wird bekanntlich differentiell zugeführt. Die zwei nach oben führenden Leitungen führen die Ausgangspotentiale des Differenzverstärkers. Auch der Zweig, der lediglich den Steuerstrom nach Masse ableitet, wird zur oberen Kante des Dies geführt und erst außerhalb an das Bezugspotential angebunden. Diese Maßnahme garantiert einen möglichst störungsarmen Betrieb.
Hier sieht man die breiten Versorgungsleitungen des Bausteins. Die Rahmenstruktur besitzt eigene Versorgungspotentiale. Die großen Kondensatoren besitzen keine besonderen Strukturen.
Der Treiber selbst besteht aus mehreren Elementen. Im unteren Bereich wird das Eingangssignal verarbeitet (gelb). Ein Stück weit entfernt befindet sich der Differenzverstärker, der die Laserdiode steuert (grün). Darüber sind drei Stromquellen integriert. Zwei Stromquellen versorgen gemeinsam den Differenzverstärker (rot). Eine Stromquelle erzeugt den konstanten Ruhestrom durch die Laserdiode (blau).
Der IEEE-Artikel "Parallel Optical Interconnects Using VCSELs" erwähnt, dass man sowohl den Ruhestrom als auch den Modulationsstrom über Bondverbindungen in 0,5mA-Schritten einstellen kann. Das bestätigen die Strukturen. Durch jede der drei Stromquellen verlaufen 12 Leitungen. Auf der linken Seite des Dies bedient eine Schaltung die 24 Leitungen der Stromquellen des Differenzverstärkers. Auf der rechten Seite bedient eine ähnliche Schaltung die 12 Leitungen der Stromquellen für die Ruhestromeinstellung. Wahrscheinlich handelt es sich im Detail um einzelne Stromquellen, die zu- oder abgeschaltet werden können. Passend dazu führen links fünf und rechts vier Leitungen zu den seitlichen Bondpads.
Die zusätzliche Schaltung im unteren Bereich auf der rechten Seite des Dies stellt mit Sicherheit eine gemeinsame Arbeitspunkteinstellung für die Eingangsverstärker dar.
