高速自由空间光通信的制造方法与工艺

高速自由空间光通信对相关申请的交叉引用本申请要求2011年8月26日提交的美国临时专利申请号61/528,119以及2012年7月12日提交的临时申请号61/671,036的优先权，每个专利通过引用整体并入本文中。

背景技术：
发送数据的带宽，以及该数据可以在户外输送的范围已经依赖于涉及较慢的单个或排列的高功率半导体激光发送器或此类发送器与光调制器和/或光放大器的组合的技术，或通过使用多个波长与前述部件的组合来实现用于在超过几米远的距离上的自由空间光通信的高带宽速率。迄今为止，实现这些技术中涉及的复杂性已变得极其的成本过高，特别是对于用于本地化系统的以米为单位的短距离来说。来自发射器的可用链路预算或可用功率是另一种成本考虑，由于是校准和检测问题，其变得更加复杂和昂贵。具有大量链路预算的成本有效的无线光发送器将是期望的。虽然垂直腔面发射（“VCSEL”）阵列可以产生对于上述距离所必需的光功率，并且是更加成本有效的，现有的VCSEL阵列尚不能够产生所必需的极高的带宽（通常与单VCSEL器件相关联）。在短距离光通信中，电路板上邻近的收发器和收发器之间，使用光纤配置将光纤的对准限制到激光孔。这种对准通常是通过使用机械组装的部件来实现的，其增加了尺寸和制造成本，并且该问题与多个光纤相混杂。链路预算中基于低功率量的自由空间光学设计意味着可实现的容限要求极高的机械板对板对准，这对更精细的机械连接器设计增加了成本。同样，单VCSEL器件最适合于带宽和成本结构，但缺乏接近无法实现的容限所必需的功率和限度对准。

技术实现要素：
相关应用说明了在考虑功率和速度时，如何利用优于现有技术的结果来制造和测试VCSEL阵列。由于在VCSEL阵列可能的设计和包装方面更大的配置灵活性，唯一配置，例如子阵列的阵列、多波长阵列的阵列和图案化形状可以容易地实现，其允许光路在没有机械装置的情况下容易并快速地被扫描，并且根据该阵列配置被成形，或者允许其具有增加能力的多个可能的链路。使用这些技术制造成本有效的高速且高功率的阵列的能力为成本有效的高速无线光通信创造了唯一机会。另外，使用光纤或多光纤收发器或将多通道数据波分复用到单个光纤配置或半导体激光自由空间光收发器配置中，传统上已实现了邻近电路板之间的高速光通信。在任一这些结构中，有必要从发射器输送足够的能量到检测器以在所期望的带宽下实现最小信号噪声比。成功的设计从可用功率或链路预算开始，然后计算系统中引发的所有损耗，并以检测器处足够的功率密度结束。高速检测器较小，并从而需要较大的功率密度来保持足够的信噪比水平。链路预算的计算中的显著损耗之一是发射器到检测器的对准损耗。系统的可靠性在很大程度上取决于从发射器可得以克服对准问题和其他系统损耗的功率量。相邻电路板之间的光通信提供了许多好处，包括比利用铜连接可得到的带宽更高的带宽。由于部件的简单性，自由空间光学布置通常将优选地通过光纤系统。然而，在自由空间系统中，必须进行调适以考虑到发送器和接收器之间的平移和角度未对准两者。此外，激光安全考虑应被顾及。通常情况下，自由空间配置由需要昂贵或精密的机械连接器或昂贵封装配置的低功率器件或链路预算所限制。这里所公开的实施例采用包括共同转让的美国专利号7949024的相关申请中所公开的技术，以能够实现在非常高的带宽下操作的VCSEL器件的高功率阵列。利用从这些激光源可得的增加的功率或链路预算，宽松的对准容限能够实现显著的设计改变，其允许小型、高速、成本有效的自由空间单工或双工的单个或并行通道，其以成本有效的方式将总带宽增加到先前尚无法实现的水平。光通信也可以给数据中心提供好处。对视线通信的许多阻碍，例如在大气中的颗粒物质，在数据中心环境中是极微的。射束对准中更高的精度也是可以实现的。本文中所描述的本发明的实施例能够利用这些因素来以合理的成本实现前所未有的带宽水平。此外，光通信的使用显著降低了数据中心中所需的布线量，降低了复杂性和维护成本。附图说明图1描绘了单个单通道发送器和接收器对。图2描绘了匹配多通道收发器的对。图3描绘了包括发射器和检测器两者的32位发射器芯片。图4描绘了对强度调制来说有用的子集群的布置。图5描绘了数据中心机架中的自由空间光交换机。图6描绘了用于将自由空间光交换机或收发器安装在表面上方的结构。图7描绘了采用频率、角度和空间复用的一个实施例。图8描绘了高速自由空间光交换机的一个实施例。具体实施方式阵列集群公开了一个实施例，其包括单、双、1D或2D阵列的高功率且高速的自由空间激光射束小集群（诸如在相关申请中所描述的那些），其以对称方式到达接收侧上检测器的对应阵列上，以便促进相互的一对向内面对的器件以提供充分的双向通信。集群可以被并行布线，或者可以被分解成个别和并行驱动的二进制加权的子组。在任一情况下，来自每个个别集群的射束可以使用全息光学扩散元件进行混合，该元件将射束传播到准直透镜，以便传递到每个对应的检测器的集光透镜。这也促进了板对板“串级链接（daisychaining）”方案，以能够实现由所有板所共享的总线式数据架构。图1描绘了来自图2中的系统或任意类似设计的单个的单通道发送器/接收器对。该发射器可处于已经根据美国专利号7949024中阐述的概念所处理的外延生长的GaAs晶片的芯片上，其中两个或更多VCSEL元件（100）的集群可被并联电连接并由单个高速驱动器所驱动。在一个实施例中，来自每个元件的射束撞击到光扩散元件（102）（诸如全息光学扩散器）的表面上。这样的扩散器具有提供所产生的射束传播上良好的光功率均匀性和高传输效率的优点。来自每个VCSEL元件的扩散锥体撞击到透镜（104）的背面上，该透镜的焦距等于从扩散面到透镜主平面的距离长度。从透镜形成的射束是来自各个元件的射束的组合，并且它们不是连贯的，这减少了激光斑点效应。集束（bundle）对于接收器表现为光（106）的单个半准直圆盘。如果该圆盘相比其光功率具有足够的直径，那么通过将集束看作“扩展源”，可更易于满足激光安全标准。接收器集光透镜（108）处该集束的尺寸可能未充满、匹配或溢出集光透镜的尺寸，这取决于所期望的平移容限量。在该集束撞击到接收器集光透镜时，它被聚焦到检测器（110）表面后方的小点以便在检测器平面处形成模糊的圆圈（112）。这允许接收器到发送器的光轴的一定量的倾斜或平移容限，同时在检测器平面处仍输送足够的光功率以满足链路预算。由此可在角度容限和光功率之间进行权衡，以在模糊圆圈内提供足够的链路预算能量。图2描绘了一对匹配的多通道收发器，其按照一种配置，由此单个GaAs发射器芯片（200）位于共享衬底（204）上两个或更多检测器/放大器对元件（202）之间。具有第二共享衬底（208）的相同发射器阵列和检测器/放大器阵列（206）位于光轴上面向但远离第一衬底（204）一定的距离。发送器和接收器的对称系统可以因此被构造成在两个对称且面向的衬底之间提供同时的多通道通信。发射器芯片（200）包括两个或更多高速VCSEL集群，每个集群由其自身的高速电流控制电路所驱动。如图1中已图示的，发送器透镜位于扩散器之后，使得每个不同的集群将创建其自己的与来自其他集群的射束集束在角度上移位的半准直射束。以这种方式，每个集束可被引导到对应接收器衬底周边处其匹配的接收器集光透镜。衬底周边处的接收器透镜朝向衬底中心偏移，以适应发送器射束正从对应衬底中心附近到达，并且不平行于衬底之间光轴的事实。该方案可被扩展到两个维度，由此发射器芯片为m×n集群的2D阵列，而检测器/放大器阵列是围绕发射器芯片的元件的环。图3表示具有32位配置的一个匹配对的顶视图。该图图示了收发器可能的密度，其具有32个集群的发射器源，其以具有在中间的方形区域（310）周围形成的集群的看起来像正方形圈的图案排列在芯片（300）上。如本文中所述的，可以使用许多其他的配置。实施例的所图示的设计允许致密但小型的发射器芯片。发射器芯片将位于正方形区域（310）中，同时允许许多检测器和支持芯片（306）位于结构周界的周围。支持芯片，如横向阻抗放大器，可以被排列在一个芯片上，并以熟悉芯片布局和集成混合芯片布局领域的技术人员所已知的多个方式路由到检测器。它们也可以通过衬底中的通路孔连接。无源或有源芯片冷却技术也可以与该配置一起使用。图3图示了匹配对的一个收发器的实施例，其中并行驱动的集群元件的阵列以可使用例如美国专利号7,949,024中所述的激光源技术容易地光学传送到对应检测器阵列（304）上的配置来分组。各个集群的元件本身是单元件的阵列（308），利用自己的源来驱动的每个集群提供了强大的激光源，其通过功率的充足性克服了链路预算和相关容限的设计问题，功率的充足性允许大的“模糊”点（312）跨过检测器位置被成像，从而允许了板到板的宽松对准容限。这可...