专利名称：用于光学地耦合光子元件的装置的制作方法
用于光学地耦合光子元件的装置
背景技术：
计算单元之间的光学通信相对于电信号传送方法提供包括增大的速度和带宽在内的许多优点。此类连接常常涉及使用光纤或其它波导。通常，计算机机架中的相邻印刷电路板(PCB)或刀片之间的通信沿着刀片的长度流动，通过连接器到背板中，通过另一连接器到开关中，并通过类似的路径返回第二刀片上的目的地。此过程可能相对较慢，并且要求相当多的电功率以驱动金属迹线和连接器管脚。信号完整性和功率使用通过光学通信的使用得以改善。为了在成对光纤或波导之间建立更高效的通信，使传送光的光学通道相对精确地共轴对准是有价值的。例如，单模光纤以约1微米的对准精度使光功率的损耗最小化。多模光纤以数微米内的对准精度使光功率的损耗最小化。在配对组件之间可能难以实现这种水平的对准精度。因此，期望降低所需的精度并降低用于连接光学通道的部件和过程的复杂性。
图1是发射光子元件的阵列和接收光子元件的阵列之间的旋转失准Φ的图示； 图2是两个光子元件之间的旋转失准的程度与在元件之间传送的信号的完整性的关
系的图表；
图3是表现出相互倾斜失准θ的两个光子组件的横截面图； 图4是两个光子元件之间的倾斜失准的程度与在元件之间传送的信号的完整性之间的关系的图表；
图5是表现出移位失准(Δχ，Δγ)的两个光子组件的横截面图； 图6是两个光子元件之间的移位失准的程度与在元件之间传送的信号的完整性的关系的图表；
图7Α是依照本发明的实施例的包括介于两个光子元件之间的光学通道的光学连接的分离的部件的横截面图7Β是组装状态下的图7Α的光学连接的横截面图8Α是依照本发明的实施例的其中两个单独的光学通道元件被配置为结合两个光子元件的光学连接的分离的部件的横截面图8Β是组装状态下的图8Α的光学连接的横截面图9Α是还包括隔离物的如图8Α和8Β中的光学连接的分离的部件的横截面图； 图9Β是组装状态下的图9Α的光学连接的横截面图；以及
图10是根据本发明的实施例的两个分别封装的刀片的透视图，所述两个刀片被定位为实现通过介于它们之间的光学通道的连接。
具体实施例方式现在将对举例说明的示例性实施例进行参考，并且将在本文中使用特定的语言来对其进行描述。然而，应理解的是，并不从而意图限制本发明的范围。本文举例说明的本发明的特征的变更和其它修改以及如本文举例说明的本发明的原理的附加应用(在相关领域内并拥有本公开的技术人员将会想到它们)被视为在本发明的范围内。不同图中的相同附图标记表示相同的元素。使用光电(OE)或电光(EO)互连来将PCB和PCB上的电路连接在一起。手动地附着OE互连可能是耗费时间的，并且要求笨重且昂贵的电缆或光缆敷设。情况还可能是待对准的光学元件被定位为使得不可能手动地附着光纤。在服务器式计算机中情况就是如此， 其中，刀片组件之间的紧密间距阻止手或者乃至薄的工具的插入。计算机制造商期望用以连接诸如计算机机架中的印刷电路板(即刀片)的计算单元、同时从网络系统中的光学数据传输中获益并解决伴随对这样的连接中的高精度的需要的困难的方式。因此，可以提供用于光学地连接PCB的装置和系统，其中光子元件被对准以保持数据信号强度和保真度。用于光学地耦合光子元件的装置可以包括位于所述元件之间的插入器。出于描述的目的，本讨论将参考通常与诸如服务器刀片的PCB之间的信号相关联的光子元件。然而， 所讨论的装置的应用还与连接其它类型的计算单元或发送或接收光子信号的其它装置有关。服务器刀片通常被包含在金属板外壳内。这些外壳通常在前端和后端上是开放的，以便允许电连接器穿透到后面以及向前面附着诸如磁盘驱动器的外围装置。该外壳通常在其它四面是封闭的。可以通过波导在刀片外壳的外部与PCB内部之间载送光学数据信号。所述波导可以是一个或多个空芯金属波导、光纤或包含一个或多个光学芯的聚合物波导。在一个示例中，可能有两个OE部件被涉及，例如左刀片上的发射机光学子组件(TOSA) 向右侧的刀片上的接收机光学组件(ROSA)进行发射。连接到TOSA的是向穿透刀片外壳的接线块载送多个并行光信号的光纤带。连接到ROSA的类似光纤带在穿透ROSA刀片外壳的接线块中终止。为了从TOSA向ROSA传送光信号，有利的是使接线块单元精确地对准，从而使得它们各自的光纤被共轴地对准。一种方式是跨越开放空间简单地将两个接线块彼此相对地放置。然而，很明显，在此类布置中，将常常存在围绕一个或多个空间轴的接线块的相对对准方面的轻微差异。两个刀片的光子元件之间的失准可能导致传输期间的明显信号损失。如本文所使用的，“光子元件”指的是被配置为发射或接收基于光的信号的元件，并且可以是单个元件或此类元件的阵列。光子元件可以是光发射机(例如激光器)或接收机(例如光电二极管)， 或者其可以是到此类元件的外部接入点(例如，波导的终端)。图1示出4X4发射阵列10 (以实线描绘)和相应的接收阵列12 (虚线)的图示。 在本示例中，接收阵列相对于发射阵列被旋转角度Φ。该旋转角度导致随着Φ而快速地增大的信号损失。此关系在图2的图表中被举例说明，图2示出具有变化的旋转角度的此类阵列中的两个检测器通道的输出。因此可以看出，此类连接易于相当不能容忍旋转失准。 Φ的容差与检测器阵列(如图1所示)的最大线性尺寸、即有效区域直径D和阵列长度L线性地成比例。这样，将导致对于给定应用来说不可接受的信号损失的移位程度将取决于所涉及的光子元件的尺寸。在所示的情况下，为了将由于旋转而引起的信号损失保持在小于 IdB, Φ应小于约1°。
信号传输在匹配的光子元件相对于彼此倾斜时也受到影响。在图3所示的示例中，两个光子组件Ha b被定位为彼此相对，其中每个光子组件的光子元件16a b从水平方向倾斜角度θ。检测器组件14b包括具有有效区域直径的光子元件。这些元件还装配有透镜18，以使得每个组件还具有焦距f。这种情况下的容差与有效区域直径和f线性地成比例。I Δ X1 - Δ χ2和I Ay1- Ay2以及f* | θ - θ2|的矢量和小于约0. OT，或者对于具有D = 50 μ m的检测器而言约为20 μ m。图4中的图表示出当ΔΧι - A^iPAy1- Δ y2每个均接近于零时的检测器的4 X 4 阵列(有效直径D = 50ym)中的I Q1 - θ2|之间的关系。从该图表可以看出，与旋转失准相比此类连接甚至更加不能容忍倾斜失准。例如，对于检测器的此特定阵列而言，I O1 -θ 2|应为约0. 15°或更小，以便将信号损失保持在约IdB以下。应注意的是，本文所讨论的具体容差纯粹是示例性的，并且至少部分地是由正在讨论的阵列的特定几何结构引起的。用于任何给定阵列的容差可以同样地取决于许多其它因素，包括但不限于阵列设计、发射机与接收机之间的间距、所使用的发射/检测元件的类型、所使用的信号的类型和由所述设备所应用于的任务引起的其它要求。横向移位失准是两个光子元件之间的信号传输中的另一因素。然而，已经发现远心系统中的光功率损失对这种类型的失准的敏感度要比对倾斜和旋转的敏感度低。图5的图表表示表现出沿着两个轴(X，y)的相对移位失准(Δχ，Ay)的两个光子组件14a、b。在图6的图表中示出检测器(D = 50 ym)的4X4阵列的横向移位的影响。为了将此类阵列中的信号损失保持为<1 dB, Δχ和Ay的矢量和可以是<2mm。假定针对失准、特别是针对倾斜和旋转是低容差，则匹配光子元件的相对定位是光学连接中的重要问题。对于非常小直径的检测器而言尤其如此，因为它们将易于对失准更加敏感。这样，依赖于可以在对位置没有附加约束的情况下通过对计算机机架或底板内的刀片或光子子组件的仔细放置而导致的对准通常将是不足够的。因此，在两个刀片之间提供使光子元件对准且还可以调节光传输以便减少信号损失的诸如插入器的机构可能是有价值的。光子组件之间的此类插入器机构可以产生其中平移、倾斜和旋转在容差范围内的元件的相对位置。另外，插入器能够充当发射机和/或接收机周围的保护这些光学部件以及它们附着到的刀片组件的外壳。图7A提供依照本发明的实施例的光学插入器机构的示例。在本实施例中，光学连接20包括第一光子元件16a、第二光子元件16b和位于它们之间的插入器22。这些光子元件可以包括一个或多个激光器或其它光子发射器作为发射元件，且包括一个或多个相应的光检测二极管作为接收元件。在特定方面中，每个光子元件可以包括相间错杂的发射和接收元件的阵列以提供双向数据流。在另一方面中，发射元件可以包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在特定实施例中，每个元件位于通过线缆沈连接到计算单元的接线块M中。 “接线块”指的是诸如连接器或连接器外壳的结构，其容纳光子元件并涉及将光子元件布置作为光学连接的一部分。插入器22能够充当公共结构，其中光子元件连接器可以结合到该公共结构，并且插入器22还充当将光子信号从发射元件引导到接收元件的通道。因此，插入器包括光学通道，信号能够通过该光学通道。另外，插入器可以用于为光子信号屏蔽诸如来自其它源的光的干扰。在特定方面中，插入器的针对其长度的相当一部分是空心的，从而使得通道至少部分地由真空组成。该插入器还可以防止灰尘或碎屑进入光学通道。为了建立光学连接，光子元件被连接到插入器的每端，以使得光子元件沿着插入器的长度被定位为彼此相对。可以通过被配置为将各部分固定在一起的机械引导组件^a b来便利光子元件与插入器的连接。在一个实施例中，此类引导组件包括位于待接合的部件上的互连特征 ^a(例如位于容纳光子元件的连接器上和插入器的末端上)。在特定方面中，机械引导组件可以包括在一个部件的面上的诸如球状结构、杆、销、锥形物或基点的隆起以及在另一部件的面上的诸如插槽、凹坑或孔的对应的插口 ^b。在另一示例中，此类元件被配置为使得它们在部件处于特定定向且相对于彼此对准时进行互连。结果是部件之间的稳定接合，其中这些部件被迫处于相对于彼此的特定定向中。可以通过包括接合力机构以提供使部件在一起的力来增加接合稳定性。在一个实施例中，一个或两个部件中的磁铁30提供此类力。其它可能的接合力机构包括弹簧、夹子和插销，以及一般用于配对连接器中的特征， 诸如倾斜的斜面和制动器。在特定实施例中，部件中的至少一个被安装在诸如弹簧的柔性机构上。可能的弹簧类型包括但不限于螺旋弹簧、板簧和空气弹簧。柔性装配机构还可以通过向部件赋予移动自由度来促进对准。柔性机构可以在所有运动轴中是柔性的，并且可以允许部件沿着X、Y和Z轴移动以及绕着那些轴旋转。在图7A的装置例示的实施例中，可以将光子元件接合到插入器的每端，其中机械引导组件强制实现部件之间的特定的相互定向。更特别地，部件被接合从而使得可以减小光子元件的相对倾斜和旋转。这实现了两个刀片的更可靠且可重复的高完整性光学连接， 其中，所述连接是可通过插入刀片以使得它们各自的连接器与插入器互锁来实现的。本文所述的装置能够提供较大计算系统中的计算单元之间、例如安装在服务器的底板中的两个相邻刀片之间的可靠的光学连接。本发明可被适配为适应与刀片相关联的诸如金属刀片外壳的结构特征，以及还适应诸如隔离物的底板的特征。在特定方面中，可以将插入器安装在位于相邻刀片之间的隔离物31上。在这种布置中，插入器穿透隔离物并提供供光子信号从一个刀片移动至另一刀片的通道。在替换布置中，可以将插入器永久性地附着于一个刀片的光学连接器。在这种情况下，每个连接的刀片对由具有附着的插入器的一个刀片和没有插入器的刀片组成。图7B示出被接合而形成完整连接的部件。插入器还可以包括将光子信号从发射元件、沿着由插入器提供的通道引导到接收元件上的一个或多个光子组件32。在一个实施例中，该光学装置包括远心光学装置。如上文所讨论的，远心光学装置可以提供对横向移位失准的降低的灵敏度。因此，包括此类光学装置组件提供有效地提供附加对准机构的进一步的功能。这可以与机械引导组件的效果相组合以调节光学传输，从而减少信号功率的损失。根据另一实施例，每个接线块包括在连接器被接合时形成插入器的结构。图8A和 8B中分别以分离状态的和接合状态的图示示出依照本实施例的光学连接34。该连接将两个刀片相接合，其中每个刀片被容纳在单独的外壳35中。在本实施例中，每个接线块M包括光学通道元件36，光学通道元件36包括空心扩展部分，该空心扩展部分在与另一接线块上的匹配扩展部分接合在一起时形成两个接线块之间的光学通道。本实施例还可以包括诸如上文所述的机械引导组件28a b。在一个特定实施例中，机械引导组件包括在每个连接器上的、与另一连接器上的特征匹配和互连的特征。在一方面中，这些特征在每个连接器的光学通道元件的远端面上。还可以包括诸如磁铁30的用于提供接合力的机构。当使得接线块在一起或彼此充分接近时，机械引导特征互连，从而使得光子元件进入固定的特定相互定向。此互连还在光子元件之间建立起光学通道。本实施例还可以包括一个或多个光学装置组件32以引导光子信号通过该通道。在这种情况下，所述光学装置组件位于一个或两个连接器的光学通道元件中。在不止一个光学装置组件的情况下，该组件可以在连接器被接合时充当一个单元。在特定实施例中，该光学装置组件包括远心光学装置。如上文所讨论的，刀片之间的隔离物可以实际上容纳插入器。还可以以其它方式将隔离物合并到本发明的光学连接中。在某些实施例中，可以通过与隔离物的对接来实现接线块的附着和适当定向。此布置在图9A中被示出并在图9B中被示出为组装后的连接。 在本实施例中，隔离物31包括对应于光学通道元件36上的特征的机械引导特征^a、b。可以使每个刀片的接线块与刀片的外壳35对接，从而允许接线块接触配对连接器或插入器。在一个实施例中，可以将接线块安装到外壳的外部。在另一实施例中，可以将接线块嵌入外壳的壁中的具有适当尺寸和形状的开口中。在任一布置的特定方面中，可以以使得接线块沿着三个轴中的每一个能够自由地移动至某种程度的方式来安装接线块。这样，在刀片的安装和连接期间，接线块可以根据需要移位以使其相对于另一部件对准，从而使得它们的机械引导特征将啮合和互连。这可以通过将接线块安装在诸如板簧的柔性支撑件上或通过将接线块悬挂在诸如垫圈的柔性外壳中来实现。此类柔性安装件还可以起到供应如上所述的接合力的作用。在两个相邻计算机刀片之间需要的情况下，可以精确地建立局部高带宽数据管道。可以在不通过背板路由该连接的情况下实现该连接。两个相邻计算单元的此类连接在图10中示出，其中，第一刀片38和第二刀片40每个均被容纳在单独的外壳35中。每个刀片包括光-电发射器42或接收器44，位于接线块M中的光子元件16通过光缆沈连接到光-电发射器42或接收器44。在所示的实施例中，插入器22被压入配合到或者甚至永久性地附着于第一刀片的接线块中。插入器在允许插入器与第二刀片的接线块对接的位置上突出穿过外壳的侧面。机械引导特征28a通过与插入器上的相应的特征(由于角度而不可见)互连来提供具有适当对准的连接。此配置克服了在两个刀片之间建立光学链路的困难， 其中，可能不那么期望使用沿着与光纤共轴的方向插入的标准光学连接器。图10中所示的实施例举例说明处于侧面对侧面定向中的刀片之间的连接。然而，依照本发明的连接也可以用来以上对下或前对后的布置来连接刀片。在某种程度上概括和重申，已经提供了允许两个光子元件对准以便提供两个计算单元之间的较高完整性光学互连的连接。该连接可以包括产生光子元件之间的特定对准的机械特征和插入器。该连接还可以包括诸如远心透镜布置的光学元件以使得光学连接对某些类型的失准较不敏感。此连接器在连接服务器中的相邻PCB方面可能特别有用。虽然前述示例在一个或多个特定应用中例示了本发明的原理，但对于本领域的普通技术人员来说将显而易见的是，在没有行使创造能力且在没有违背本发明的原理和概念的情况下，可以进行实施方式的形式、使用和细节方面的许多修改。因此，除了受到下文阐述的权利要求的限制之外，本发明并不意图受到限制。
权利要求
1.一种用于光学地耦合光子元件(16a b )的装置，包括 插入器(22)，其具有两端并包括设置在插入器内的光学通道；第一光子元件(16a)，其被布置为与光学通道的一端邻近并与光学通道轴向地对准； 第二光子元件(16b)，其被布置为与光学通道的另一端邻近并与光学通道轴向地对准；光学装置组件(32)，其被配置为沿着光学通道弓I导光子信号；以及至少一个机械引导组件(28)，其位于光学通道的每一端处并被配置为用以减少第一光子元件相对于第二光子元件的倾斜和旋转。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光学装置组件包括远心光学装置。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个机械引导组件包括多个隆起(^a)和相应的插口(28b)。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个机械引导组件包括接合力机构。
5.一种用于光学地耦合光子元件的装置，包括第一连接器，所述第一连接器包括第一接线块(24)；第一光学通道元件(36)，其包括从第一接线块延伸的空心套管；第一光子元件(16a)，其被置于第一接线块与第一光学通道元件之间，并且相对于第一光学通道元件轴向地对准；以及第一光学装置组件(32)，其被置于第一光学通道元件内；第二连接器，其被布置为与第一连接器相对，并且第二连接器包括第二接线块(24)， 其具有第二光子元件(16b)；第二光学通道元件(36)，其包括从第二接线块延伸的空心套管；第二光子元件(16a)，其被置于第二接线块与第二光学通道元件之间，并且相对于第二光学通道元件轴向地对准；以及第二光学装置组件(32)，其被置于第二光学通道元件内； 以及机械引导组件(28)，其被配置为将第一光学通道元件相对于第二光学通道元件固定在一个位置上，以减少第一光子元件相对于第二光子元件的倾斜和旋转。
6.如权利要求5所述的装置，其中，至少一个光学装置组件包括远心光学装置。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述机械引导组件包括在第一光学通道元件上的多个隆起(28a)和在第二光学通道元件上的相应插口( 2 )。
8.如权利要求5所述的装置，其中，所述机械引导组件包括接合力机构。
9.如权利要求5所述的装置，其中，所述机械引导组件部分地位于处于第一连接器与第二连接器之间的隔离物(31)上。
10.如权利要求5所述的装置，其中，所述第一连接器和所述第二连接器在未接合时能够相对于彼此移动。
11.一种用于光学地耦合计算单元的连接，包括 第一光子元件(16a)，其被耦合到第一计算单元；第二光子元件(16b)，其被耦合到第二计算单元，并被布置为与第一光子元件相对； 隔离物(31)，其被置于第一计算单元与第二计算单元之间；插入器(22)，其被安装在所述隔离物上，并且包括位于第一光子元件和第二光子元件之间的光学通道，其中，所述光学通道穿透所述隔离物；光学装置组件(32)，其被配置为将信号从第一光子元件通过光学通道引导到第二光子元件；以及机械引导组件(28 )，其被配置为将第一光子元件和第二光子元件连接到插入器并减少第一光子元件相对于第二光子元件的倾斜和旋转。
12.如权利要求11所述的连接，其中，所述机械引导组件包括多个隆起(28a)和相应的插口 mb)。
13.如权利要求11所述的连接，其中，所述机械引导组件包括接合力机构。
14.如权利要求11所述的连接，其中，所述第一计算单元和所述第二计算单元每个均基本上位于外壳(35)内部。
15.如权利要求14所述的连接，其中，被耦合到每个计算单元的光子元件被可移动地安装在计算单元所位于的外壳的壁中的孔中。
全文摘要
一种用于光学地耦合两个光子元件(16a～b)的装置可以包括插入器(22)，其中，每个光子元件与插入器中的光学通道轴向地对准。还包括光学装置组件(32)，其被配置为沿着光学通道引导光子信号；以及机械引导组件(28)，其被配置为减少光子元件的相对倾斜和旋转。另一此类装置可以包括两个连接器，其中，每个连接器包括光学装置组件位于其中的光学通道元件(36)和与光学通道元件对准的光子元件。机械引导组件将光学通道元件固定在一个位置上以便减少光子元件的相对倾斜和旋转。用于光学地耦合两个计算单元的连接可以包括位于计算单元之间且在其上面安装了插入器的隔离物(31)。
文档编号G02B6/38GK102203649SQ200880131783
公开日2011年9月28日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者彼得森 E., P. 扩 H., R. T. 谭 M., K. 罗森伯格 P., G. 沃姆斯利 R. 申请人:惠普开发有限公司