A passive optical network based system for a new generation timing, trigger and control system in high energy physics experiments

Abstract

The Timing, Trigger and Control (TTC) system is crucial in synchronizing numerous electronic systems of the Large Hadron Collider (LHC) and its experiments. The current TTC design uses extensive unidirectional Point-to-Multipoint (P2MP) optical networks. These networks distribute the 40.078 MHz LHC clock, also known as Bunch Clock or BC, the Level-1 Accept (L1A) trigger decision and commands, broadcasted to all detectors or individually addressed to each of them. A parallel electrical network was implemented to compensate for bidirectionality, a feature absent from the current TTC. The parallel network transmits information about the status of the very Front-End (FE) electronics to the Central Trigger Processor (CTP). A new generation of a TTC system has been developed and is presented here to replace the existing system. This system is based on emerging Passive Optical Networks (PONs) technology in conjunction with commercially available Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). The new system delivers a bidirectional serial link with low and deterministic latency capable of providing a low jitter copy of the bunch crossing. A first demonstrator of this concept system was built in 2010 at European Organization for Nuclear Research (CERN) using commercial FPGAs and 1-Gigabit Ethernet PON (EPON) transceivers and fully characterized in 2013. The very encouraging results of these studies provoked further investigations based on the newer 10G EPON and 10-Gigabit-capable PON (XG-PON) technologies to fulfill the needs for lower latency and higher bandwidth. Hence, a TTC demonstrator was developed and characterized which operates at 9.6 Gbps downstream and 2.4 Gbps upstream, has a deterministic downstream latency of 86 ns, a bounded upstream latency of 170.4 ns - 178.2 ns, a clock jitter of 13.36 ps RMS and a split ratio of 1:64.

Το υπάρχον σύστημα συγχρονισμού, σκανδαλισμού και ελέγχου, γνωστό και ως Timing, Trigger and Control (TTC) που λειτουργεί στο Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή του CERN είναι ένα παθητικό οπτικό δίκτυο μίας κατεύθυνσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μη ύπαρξη επιβεβαίωσης για τις εντολές που αποστέλλονται. Έχει πολύ χαμηλό εύρος ζώνης (40 Mbps) και επίσης κάποιες ελλείψεις όπως για παράδειγμα το Dynamic Software Partitioning λόγω σχεδιασμού. Ο σχεδιασμός του βασίζεται σε Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) και οπτικούς πομποδέκτες από τα μέσα της δεκαετίας το 1990. Αν και αποτελεσματικά ακόμη, θεωρούνται παραχωρημένης τεχνολογίας. Παράλληλα το διαθέσιμα αποθέματα έχουν μειωθεί αισθητά. Για το λόγο αυτό τέθηκε το ζήτημα της αναβάθμισης του συστήματος με τη βασική προϋπόθεση ότι θα χρησιμοποιεί το υπάρχον δίκτυο οπτικών ινών, θα είναι πλήρως αμφίδρομο, με υψηλό εύρος ζώνης και δυνατότητα.