专利名称：容许对准偏差的自由空间光收发器的制作方法
容许对准偏差的自由空间光收发器
背景技术：
高数据速率信号传输是在很多系统中被关注的问题。例如，当前的 服务器系统常常使用一组机架安装的部件或用户选择的刀片，它们一起 工作以提供数据存储、处理和通信，并且各个部件经常需要以高数据速 率相互通信以提供要求的系统性能。在使用刀片的服务器系统中，刀片， 例如服务器刀片和存储刀片，安装在公用机箱中，并且共用诸如冷却风 扇、电源和机箱管理的部件。通常，在刀片之间传输的数据信号必须一 起提供高数据速率传输，并且使用当前的技术，每个数据信号可以具有
约10Gbit/s或者更多的带宽。
电信号通常以高频率振荡以便提供高数据传送速率，并且对于在铜 线上传输的电信号，该高频振荡会表现出阻抗和噪声问题。光信号传送 可以避免很多这类问题，但是光信号传送可能还需要复杂的波导系统， 或者需要处理松散的光缆或光带。光信号传送还需要用于光信号和电信 号之间转换的电路，并且对这种电路的需求是具有挑战性的。例如，由 于电信号的高频率，将高数据速率光信号转换成用于电子部件的电信号 的接收器通常需要小面积光电二极管，并且，将光信号引导到光电二极 管的小面积上通常需要使用精确而可靠的对准系统。人们在寻求可避免 与导线以及光纤或波导相关的问题的用于传输高数据速率信号的其它 方法和系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，系统具有发射器和接收器，其中发射器包 括光束源和光学元件。光束源产生代表信息的光束，并且光学元件改变 该光束，使得该光束在横截面上具有均匀的强度。光束传播通过的自由 空间将接收器与发射器分隔开，并且接收器包括被放置用于接收光束的 一部分的有源区，光束的该部分被接收器转换成接收信号。为了容纳可 能的对准偏差，光束的横截面积比接收器的有源区大出容纳接收器与发 射器的对准偏差范围的量。
图1示出了根据本发明一实施例的服务器系统，其采用了用于系统 平面或刀片之间通信的容许对准偏差的自由空间数据通道。
图2示出了根据本发明一实施例的自由空间数据通道，其采用光学 元件来产生在容许对准偏差传输所需要的宽度上具有空间均匀强度的 光束。
图3示出了根据本发明一实施例的自由空间数据通道，其采用光电 二极管和光栅系统来增加收集的光信号强度。
图4是根据本发明一实施例的系统的横截面视图，该系统使用了用 于容许对准偏差的光信号的扇出的反射器。
在不同的图中使用的相同附图标记表示相似或相同的项。
具体实施例方式
根据本发明的一个方面，用于高数据速率信号的光发射器可以使用 诸如散射器的光学元件，以在足以补偿发射器和目标接收器之间预期对 准偏差的面积上均匀散布自由空间光束的强度。光束的面积相对于接收 器中光电二极管的尺寸一般会是大的。因此，即使发射器和接收器由于 机械振动或由热膨胀或收缩导致的位移而没有对准或者相对于彼此移 动，光电二极管也将接收到一致的功率。在一特定实施例中，大致上彼 此平行安装的分立部件，比如服务器中的电路板或刀片，可以利用自由 空间光信号以高数据速率进行通信。
图1示出了根据本发明一实施例的服务器系统100。系统100包括 一组安装在共用背板120上的刀片110。诸如电源变压器和冷却风扇的 附加部件130也可以连接到背板120上，并且整个组件一般包含在共用 机箱(未示出)中。可以通过该共用机箱来提供用于与服务器系统100 进行外部连接的用户接口和插槽。
系统110中的一些或全部刀片IIO可以基本相同，或者可以具有不 同的设计以执行不同的功能。例如， 一些刀片IIO可以是服务器刀片或 存储刀片。各刀片IIO包括实现刀片110的特定功能的一个或多个子系 统112。子系统112可以以印刷电鴻4反上部件的方式安装在各刀片110 的一侧或两侧上，或者刀片IIO可以包括机箱，其中子系统112在刀片 110内部。这些子系统112的典型实例包括硬盘驱动器或其它数据存储器，以及含有诸如微处理器、内存插槽和集成电路内存的常规计算机部
件的处理器子系统。子系统112和刀片120的一般特征可以具有对于使 用刀片结构的服务器系统所知道的常规类型，刀片结构比如可从 Hewlett-Packard公司购买的服务器系统的c类结构。
各刀片110还包括一个或多个光收发器114或116。每个收发器114 在刀片110上放置为，当各刀片110在背板120上正确地安装时该收发 器114与相邻刀片IIO上对应的收发器116标称对准。或者，收发器114 和116可以是基本相同的。在用于服务器系统100的典型配置中，在相 对应的收发器114和116之间可以有约5 cm的自由空间，并且由于各 刀片IIO的机械安装的变化，每一对对准的收发器114和116可能经受 大约500到1000 ym的量级的对准偏差。另外，由于温度变化和/或例 如来自冷却风扇操作的机械振动，收发器114和116的对准可能经受40 到50|um的量级的变化。
各收发器114或116的接收器部分通常包括光电二极管，该光电二 极管具有根据发送信号的数据速率来选定其尺寸的光敏区。对于10Gb/s 或更大的数据速率，光敏区的宽度通常需要横穿上小于约40ym。通过 使用在不论对准偏差如何都足以向光电二极管提供一致功率的面积上 具有均勻强度的光束118,使一对收发器114和116之间的光通信通道 可容许对准偏差。例如，如果发射器处的功率约为1mW并且接收器灵 敏度约为10pW,则发射光束可以扩大到1 mm2，并且接收器只需要捕 获O.l mm2的发射光束来接收IOmW的功率。 一般来说，10-Gbps的光 探测器具有约40微米的接收孔径，但是，接收侧上的诸如透镜的小型 光学元件可以将来自0.1 mr^面积的接收功率收集并聚焦到接收器中的 光探测器的有源区中。在该实例中，光束的扩大将所需要的收发器114 和116的对准精度从几微米(由于光束必须被聚集到光探测器上的小点 上以避免慢的尾部)放宽到几百微米。
图2示出了根据本发明一实施例的实现容许对准偏差的光通信通道 的系统200。系统200包括光束源210和光学元件220,它们可以在光 发射器或诸如图1的收发器114或116的光收发器的发射部分中。系统 200还包括光电二极管230,其可以在光接收器或诸如图1的收发器116 或114的光收发器的接收器部分中。
光束源210产生光束212,该光束212被调制以编码要传输的数据。在示范性实施例中，光束源210包括诸如VCSEL的激光二极管和驱动 电路，该驱动电路根据需要改变加到激光二极管上的驱动功率以产生光 束212的幅度调制。或者，声光调制器或其它器件可以被布置以将数据 编码到来自激光二极管的恒定功率光束中。光束212通常具有不均匀的 强度分布，这是光束源210的特点。例如，来自激光二极管的典型光束 212可以具有能量或强度分布214,其具有与到光束212中心的径向距 离的近似高斯关系。另外，来自VCSEL的光束的典型数值孔径约为0.3。 光学元件220用作散射器，以准直并在具有宽度A1的面积上均匀 散布光束222中的能量。用作适合于产生光束222的均匀强度分布224 的设计的散射器的衍射光学元件可以通过诸如Thorlabs有限公司和Suss MicrOpitcs的供货商来购买。然而，作为替代，光学元件220可以包括 类似地生成平顶强度分布的折射光学器件。例如，Dickey et.al. "Beam Shaping: A Review," in Laser Beam Shaping Application, Dickey, Holswade and Shealy, CRC p. 269-307描述的系统使用微光学透镜阵列以将输入激 光束转换成多个细光束，同时与球形透镜结合的第二透镜阵列将第一阵 列中的每个细光束的像叠加成均勻化平面。光学元件220所产生的均匀 强度的横截面可以是任何要求的形状，比如圆形、矩形或正方形，但是 优选被选择以覆盖预期的光电二极管230相对于光束源210的对准偏差 和/或移动范围。利用该配置，即使当光电二极管由于振动而移动时，光 电二极管230的光敏区也将保持在均匀光束强度的区域中并接收恒定的 光束功率。
当系统200应用于诸如图l所示的服务器系统中时，其可以以大约 10Gbi仏来发送数据。在这样的频率下，光电二极管230优选地具有较 小的光敏区，例如，具有大约40到50jum的量级的宽度A2。对于由常 规刀片服务器系统中预期的机械振动、热变化和固定对准误差带来的约 40到50jum的预期的最大对准偏差，光束222应当具有约100jum的宽 度。在该配置中，光电二极管230接收光束222中约25%的光功率。因 此，使用lmW强度的激光器，即使在有50jum对准偏差的情况下，接 收器在光探测器处也接收到约250 m W的功率。为了更大的对准偏差容 许量，将光束扩大到约1 mm的宽度，将会在50Mm探测器处得到2.5 in W的接收功率，但是，在接收器处增加透镜240允许捕获更多的功率， 同时还提供相当大的对准偏差容许量。 一般来说，检测传送的数据所需的接收功率的量可以与对准偏差容许量折衷。
图3示出了系统300，其和在图2的系统200 —样使用光束源210 和光学元件220来产生在光束222的横截面上具有均匀强度分布的光束 222，但是，系统300还使用光栅结构350以增强从光束222到光电二 极管230中的光收集。这种光栅结构是已知的，并且，例如，Yuetal., "Design of Midinfrared Photodetectors Enhanced by Surface Plasmon on Grating Structure," Appl. Phys. Lett. 89. 115116 ( 2006 )对其有进一步描 述。光栅结构350将光束222集中在光电二极管230上以提供更强的信 号，并减少从光束222浪费的功率。
作为替代，类似于图3所示自由空间通信通道的自由空间通信通道 可以使用光栅结构350来从不均匀信号光束收集信号能量。如果光栅结 构350的面积足够，以使入射到光栅结构350上的信号光束对于光电二 极管230和光束源210的预期的对准偏差范围的部分，足够用于检测发 送的数据，则光通道将仍是容许对准偏差的。
图4示出了根据本发明一实施例的系统400,其使用自由空间光信 号以将通信从第 一 系统平面410中的发射电^各单元412分配到同 一 系统 平面410中的电路单元414,或另一系统平面420中的电路单元424和 426。系统平面410和420可以是如图1所示的服务器系统中的电路板、 刀片，或者具有配有可能要求高数据速率通信的电路单元412、 414、 424 和426的部件的类似系统。系统平面410和420可以安装在共用基底或 背板430上，使得系统平面410和420相互基本平行，并且基本垂直于 背板430。
在操作中，系统平面410中的发射电路单元412控制光束源210,
衍射元;牛220分散光束能量:产生传过自由空间到系统平面'420的均匀 强度光束222。光束222具有在一面积上的均匀强度，使得对于在光束 源210和光电二极管230的预期的对准偏差范围内的光电二极管230的 任何位置，系统平面420上的光电二极管230都接收一致的功率。因此， 光电二极管230可以接收光束222的一部分并将其转换成向系统平面 420中的电路单元424提供的电信号，并且该电信号的幅度不受由对准 误差或机械振动带来的不受欢迎的变化的影响。这些机械振动的频率非 常低， 一般小于lkHz,而发送的数据在几百MHz到几个或几十个GHz页
的量级，因此，只要发射光束的该部分不偏离到光电二极管区域之外， 由振动带来的光束移动就不会使接收数据恶化。如果来自发射电路板的 机械振动的预期轨迹已知，则包括光栅或透镜的接收孔径可以被构图以 与发射光束的轨迹相匹配，从而改善对准容许度。
光电二极管230附近的反射器435被设计和布置以通过自由空间朝 向系统平面410反射回光束222的一部分。当光电二极管230相对于光 束222的面积小时，反射器435可以将光束222的大部分引回到系统平 面410。反射器435可以是平面镜或诸如抛物面镜的聚焦元件，其将光 束222引到衍射元件440上。衍射元件440为散射器，其被布置和设计 以产生在平面410上的入射面积上具有均匀强度的准直光束442,该入 射面积足以包含光电二才及管450。然后，光电二极管450可以将光束442 的一部分转换成代表来自发射电路单元412的数据的电信号，并且将该 电信号提供给系统平面410中的电路单元414。利用光束222和442将 数据从发射电路412转发到接收单元414,避免了在利用高频电信号于 系统平面440中将数据发送比如若干厘米或更多的较大距离的情况下可 能出现的阻抗和噪声问题。以这种方式，系统400可以"再利用"发射 的光束来向系统平面410的其它部分或者向另一相邻系统平面广播数 据。"引出(drop)"的量将再次取决于接收器灵敏度和系统的损耗。
反射器455在光电二极管450附近，使得光束442入射到反射器455 上。反射镜455可以根据需要为平面或曲面以反射光束442的一部分通 过衍射光学元件460。然后，衍射元件460产生在要求的横截面上具有 均匀强度的光束462。均匀强度的面积具有足以容许系统平面420上的 第二光电二极管470的相对对准偏差的尺寸。然后，光电二极管470可 以将光束462的一部分转换成代表来自发射电路单元412的数据的电信 号，并且将该电信号提供给系统平面420中的电路单元426。
尽管已经参照特定实施例说明了本发明，该说明只是本发明的应用 的一个实例，并且不应被当作对本发明的限制。所公开实施例的特征的 不同修改和组合都在以下权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种系统，包括发射器，其包括光束源(210)，其产生代表信息的光束(212)；以及所述光束(212)的光路中的光学元件(220)，其中所述光学元件(220)改变所述光束(212)，使得所述光束(222)在横截面上具有均匀强度；以及接收器，由所述光束(222)传播通过的自由空间与所述发射器分隔开，所述接收器包括被布置以接收所述光束(222)的一部分的有源区，所述光束(222)的该部分被所述接收器转换成代表所述信息的接收信号，其中所述光束(222)的横截面积比所述有源区大出容纳所述接收器与所述发射器的对准偏差范围的量。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括衍射元件或 折射光学器件，其将光束最初不均匀的强度分布转变成均匀强度分布。
3. 如权利要求1或2所述的系统，其中所述横截面积被构图以与 所述接收器的有源区所采取的位移路径相匹配。
4. 如权利要求1到3中的任意一项所述的系统，其中 所述发射器安装在第一系统平面(410)中，所述第一系统平面(410)进一步包括产生代表所述信息的第一电信号的第一单元(412);并且 所述接收器安装在第二系统平面(420 )中，所述第二系统平面(420 ) 进一步包括被耦接以使用接收的信号的第二单元(424 )。
5. 如;K利要求4所述的系统，其中所述第二系统平面(420 )包 括邻近于所述接收器的有源区的第一反射器(435 ),并且所述第一反 射器(435 )被布置以通过自由空间将光束的一部分引回所述第一系统 平面(410)。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述第一系统平面(410)进 一步包括第二接收器和第三单元("4),所述接收器被布置以接收从 所述第二系统平面(420 )中的第一反射器(435 )反射之后的光束，并 且所述第三单元(414)被耦接以使用所述第二接收器从光束中生成的 电信号。
7. 如权利要求6所述的系统，其中所述第一系统平面(410)进一步包括邻近于所述第二接收器的有源区的第二反射器(455 ),并且 该第二反射器(455 )被布置以通过自由空间将光束的一部分引回到所 述第二系统平面(420 )。
8. 如权利要求4到7中的任意一项所述的系统，其中所述第一和 第二系统平面中的每一个都包括服务器系统中的刀片。
9. 一种通信方法，包括调制光束(212)以代表要从第一系统送至第二系统的信息； 引导所述光束(212)通过光学系统(220 ),所述光学系统(220 ) 改变所述光束(212),使得光束(222 )在比所述第一系统和所述第二 系统的预期的最大对准偏差更宽的横截面上具有均匀强度；以及 通过自由空间从所述第 一 系统向所述第二系统发射所述光束 (222 )。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述第一和第二系统中的每 一个都包括服务器中的刀片。
全文摘要
根据本发明的一个方面，系统具有发射器和接收器，其中发射器包括光束源(210)和光学元件(220)。光束源(210)产生代表信息的光束(212)，并且光学元件(220)改变光束(212)，使得光束(222)在横截面上具有均匀的强度。光束(222)传播通过的自由空间将接收器与发射器分隔开，并且接收器包括被布置以接收光束(222)的一部分的有源区，光束(222)的该部分被接收器转换成接收信号。为了容纳可能的对准偏差，光束(222)的横截面积比所述有源区大出容纳接收器与发射器的对准偏差范围的量。
文档编号G02B6/42GK101688956SQ200880020981
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月16日 优先权日2007年6月18日
发明者D·法塔尔, M·谭, T·莫里斯 申请人:惠普开发有限公司