自由空间光学互连

摘要

诸如服务器(100)的系统动态地对准多个自由空间光学通信信号。一个系统实施例包括第一子系统(110)中的第一阵列(114)和第二子系统(110)中的第二阵列(116)。第一阵列(114)包含产生通过第一透镜(220)、自由空间、以及第二透镜(270)传输到第二阵列(116)的光学信号的发射器。第二阵列(116)包含接收器，并且第一和第二透镜(220、270)构成在第二阵列(116)上形成第一阵列(114)的图像的远心透镜。安装系统(230、280)分别把第一和第二透镜(220、270)附连到第一和第二子系统(110)，并且安装系统(230、280)中的至少一个动态地移动所附连的透镜(220、270)或另一个光学元件(210、260)以维持图像对准。

说明书

背景技术

高数据率信号传输是许多系统所关心的。当前服务器系统例如通常使用一组用户选择的部件，其需要以高数据率彼此通信。例如在使用刀片的服务器系统中，刀片(例如服务器刀片和储存器刀片)被安装在共同外壳中并且共享诸如冷却风扇、电源和外壳管理之类的系统部件。为了使刀片一起工作并提供期望的数据储存、处理和通信，服务器系统需要为刀片之间的通信提供高数据率通信信道。

使用电信号传输的数据信道一般要求高频电信号以提供高数据传输率，并且针对通过诸如铜线之类的导体传输的电信号，高频振荡可能呈现出阻抗和噪声问题。使用光学信号传输的数据信道可以避免许多这些问题，但是引导的光学信号传输可能要求复杂的波导和/或应对松动的光缆或条带。光缆或条带可能在诸如服务器之类的系统中引入空间和可靠性问题。自由空间光学信号传输避免了与电信号相关联的阻抗和噪声问题并且避免了对波导或光缆的需要。然而，在诸如服务器之类的系统中使用自由空间光学数据信道通常要求精确对准光学发射器和光学接收器的能力以及在可能经历机械振动和热变化的环境中维持对准的能力。当需要多个数据光学信道时，建立和维持自由空间光学数据信道的对准的挑战可能成倍增加。因而，期望经济且高效地建立和维持多个自由空间光学信道的系统和方法。

发明内容

依据本发明的方面，一种光学系统可以对准并提供多个自由空间光学信号以进行数据通信。系统的一个实施例包括第一子系统中的第一阵列和第二子系统中的第二阵列。第一阵列包含分别产生传输通过第一透镜、自由空间、以及第二透镜到达第二子系统中的第二阵列的光学信号的发射器。第二阵列包含分别对应于光学信号的接收器，并且第一透镜和第二透镜一起构成在第二阵列上形成第一阵列的图像的远心(telecentric)透镜。第一和第二安装系统分别把第一和第二透镜附连到第一和第二子系统，并且安装系统中的至少一个动态地移动所附连的透镜或另一个光学元件以把第一阵列的图像维持在第二阵列上的对准位置中。

附图说明

图1示出依据本发明实施例的将对准容忍的(alignment-tolerant)自由空间数据信道用于系统平面或刀片间的通信的服务器系统。

图2示出采用多个平行光学通信信道与共享准直和对准系统的系统。

图3A和3B示出倾斜光学板如何移位光束。

图4A、4B、4C和4D示出由形成远心透镜的透镜的移动或未对准产生的图像的移动。

图5是依据本发明实施例的接收器阵列的平面图。

图6是依据本发明实施例的使用多信道光学通信的服务器系统的截面图。

在不同图中使用相同的附图标记指示类似或等同的部件。

具体实施方式

依据本发明的方面，具有邻近发射器阵列的第一组元件和邻近接收器阵列的第二组元件的远心光学系统可以将多个自由空间光学通信信道维持对准以用于高数据率通信，即使在经受振动和热变化的多板系统中也是如此。所有光学信号平行通过聚焦光学元件，以便光学系统在接收器阵列上形成发射器阵列的图像。光学系统的远心度避免图像失真并且提供容差，该容差对于发射器阵列和接收器阵列之间的一定范围的间隔将发射器的图像保持在检测器的光敏区域上。尽管在其中维持通信信道的环境中有振动和热变化，动态对准控制系统可以根据需要垂直于光轴移动光学元件以移位发射器阵列的图像从而保持通信信道对准。

图1示出依据本发明实施例的采用通信信道的服务器系统100。系统100包括安装在共享底板120上的一组刀片110。诸如电源变压器和冷却风扇之类的附加部件130也可以连接到底板120，并且整个组件将典型地被包含在共享外壳(未示出)中。可以通过共享外壳提供用于到服务器系统100的外部连接的用户接口和插槽。

系统100中的一些或所有刀片110可以基本相同或者具有不同的设计以执行不同的功能。例如，一些刀片110可以是服务器刀片或储存器刀片。每个刀片110包括一个或多个实施刀片110的特定功能的子系统112。子系统112可以以印刷电路板上的部件的方式安装在每个刀片110的任一侧或两侧，或者刀片110可以包括外壳，其中子系统112在刀片110的内部。这种子系统112的典型示例包括硬盘驱动器或者其他包含诸如微处理器、存储器插槽和集成电路存储器之类的常规计算机部件的数据储存器与处理器子系统。刀片120的子系统112和一般特征可以具有对使用刀片架构(诸如可从惠普公司商业获得的服务器系统的c类架构)的服务器系统已知的常规类型。

每个刀片110另外包括光学发射器114的一个或多个阵列以及光学接收器116的一个或多个阵列。当这些刀片110正确地安装在底板120上时，每个发射器阵列114定位于刀片110上以与邻近刀片110上的对应接收器阵列116标称对准。在服务器系统100的典型配置中，在对应的发射器阵列114和接收器阵列116之间可能存在大约5cm的自由空间，并且由于刀片110的机械安装件中的变化，每个接收器阵列116可能经受相对于相关的发射器阵列114的量级为大约500到1000μm的平移未对准以及高达大约1.5°的角度未对准。另外，收发器114和116的对准由于制造容差、温度变化和/或机械振动(例如来自冷却风扇或硬盘驱动器的操作)而可能经受量级为40到50μm和高达2°的变化。

每个发射器阵列114包括诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或发光二极管(LED)之类的光源或发射体的阵列，其可以集成到集成电路管芯中或集成在集成电路管芯上。阵列114中的每个光源发射光束118，该光束118可以被独立地调制以编码数据从而以例如大约10Gb/s的高数据率进行传输。

每个接收器阵列116通常包括例如光电二极管的检测器的阵列，其中每个光电二极管具有根据在光电二极管处接收的信号的数据率所选择的大小的光敏感区域。对于10Gb/s或更大的数据率，光敏感区域的宽度通常需要小于大约40μm宽。

光学系统115邻近每个发射器阵列114。如下面进一步描述的，系统115中的至少一些光学元件形成被所有光学信号共享的远心透镜的一部分。在一个实施例中，光学系统115是动态的并且包括安装件(mounting)中的一个或多个光学元件，该安装件能够移动光学元件以便控制系统可以调节来自发射器阵列114的光束的方向或位置。在可选的实施例中，光学系统115在操作期间被固定，并且与匹配接收器阵列116相关联的光学系统117在光学数据信道上的传输期间动态调节以维持发射器-接收器对准。一般而言，光学系统115和117两者可以是动态的。

光学系统117邻近每个接收器阵列116。每个光学系统117包含光学元件，所述光学元件在与匹配的光学系统115中的光学元件组合时形成远心透镜，优选地既是像侧也是物侧远心，并且远心透镜在接收器阵列116上形成发射器阵列114的图像。结果，接收器阵列116中的检测器从发射器阵列114中的发射器接收相应的光学信号118。由一对系统115和117提供的远心度使得发射器阵列114和接收器阵列116之间的光学通信信道容忍发射器阵列114和接收器阵列116之间的间隔的变化，即容忍沿远心透镜的光轴的移动。

光学系统117可以是动态可调节的并且包含安装件中的一个或多个光学元件，该安装件能够在通过光学数据信道的数据传输期间移动光学元件。一般而言，在其中对应的发射器光学系统115被固定的实施例中光学系统117需要是动态可调节的，但是在其中对应的发射器光学系统115是动态可调节的实施例中光学系统117的动态可调节是任选的。可以操作光学系统115和/或光学系统117中的控制系统以调节光学系统115和/或117中的一个或多个光学元件的位置。刀片110之间建立的任何建立的通信可以用来协调光学系统115和117的动态操作，例如以把对准数据从接收器阵列114传输到光学系统117的伺服控制系统。对准数据例如可以在较低数据率电信道上被载送或者作为刀片110之间的任何光学信道上的数据的一部分被载送。在其中光学系统115被固定并且只有光学系统117执行动态对准的本发明实施例中，对准数据的传输可能是不必要的。然而，从发射器侧光学系统115的光束控制可以提供几何优点，其可以允许在光学系统117中使用比在光学系统117单独校正未对准的情况下将要求的更小(以及因此更廉价)的光学元件。

图2示出依据本发明实施例的提供多个光学通信信道的系统200的示意图。系统200包括诸如参考图1所描述的具有相关光学系统115的发射器阵列114以及具有相关光学系统117的接收器阵列116。在图2所示的实施例中的光学系统115包括保持在活动/动态安装件230中的板210和透镜220。动态安装件230受发射器控制系统240的控制，发射器控制系统240确定在光学数据信道的操作期间如何移动光学元件210和220。接收器光学系统117类似地包含保持在活动/动态安装件280中的板260和透镜270，并且接收器控制系统290控制安装件280以移动光学元件260和270。假如阵列114和116被旋转对准，控制系统240和290可以移动光学元件210、220、260和270以维持对准从而进行高数据率光学通信。

光学系统115和117协作以充当在接收器阵列116的平面上形成发射器阵列114的图像的远心透镜。通过正确的对准，发射器阵列114被成像在接收器阵列116上以便发射器阵列114中的光源与接收器阵列116中的检测器吻合。图2示出这样的示例：其中接收器阵列116中的检测器的图案相对于发射器阵列114中的光源的图案被反转，因为组合的光学系统115和117使发射器阵列114的图像反转。而且，在示例性实施例中，接收器阵列116中的光敏感区域具有与发射器阵列114中的光源相同的间距，并且远心透镜具有单位(即1x)放大率。可选地，可以选择远心透镜的放大率以放大或缩小发射器阵列114的图像的大小从而匹配接收器阵列116的大小。

发射器阵列114的图像的大小和放大率不会随阵列114和116之间的间隔而显著改变，因为组合的光学系统是远心的。因而，如果振动或热变化使发射器阵列114或接收器阵列116在图2中的Z方向上移动，则接收器阵列116上的发射器阵列114的图像的大小不会改变。远心透镜也没有诸如场失真之类的许多类型的失真。结果，被照射区域的大小和间距保持恒定，并且多个信道将保持对准，只要图像的中心保持居中于接收器阵列116的中心上并且图像与接收器阵列116旋转对准。彗差或其他失真的缺失或减小减少了由来自一个光学信号的光泄露到另一个光学信号的检测器中造成的串扰。任选地为进一步降低噪声或串扰，可以在光学系统115和117之间，理想地在光学系统115的聚焦效应使光学信号交叉的地方，插入孔径250。单独的孔径(未示出)也可以或可选地被分别提供在接收器阵列116中的检测器周围。

安装件230和280移动光学元件210、220、260和270中的一个或多个以使发射器阵列114的图像的中心与接收器阵列116的中心对准。在示例性实施例中，安装件230或280包含能够倾斜板210或260并且在垂直于系统的光轴的平面内(例如在图2中的X-Y平面内)移位透镜220或270的机械结构。

倾斜板210或260使图像在X-Y平面内的位置移位一定量，该量取决于板210或260的厚度、板210或260的折射率以及倾斜的幅度。图3A和3B示出相对于光束的传播方向倾斜板的效应。具体而言，垂直于板320表面的光束310在没有偏转的情况下直接通过板320，如图3A所示。当板相对于光束315的方向被倾斜时，如图3B所示，当板320被倾斜小角度θ，T是板的厚度并且n是板的折射率时，光束被偏转了大约等于T(1-1/n)sinθ的距离Δ。如果安装件230和280允许绕两个垂直轴倾斜板210或260，则发射器阵列114的图像可以在X-Y平面内的任何方向上被移位。

移位或倾斜透镜220和270中的一个或两个也可以移位发射器阵列114的图像。图4A、4B、4C和4D示出移位部件透镜如何移位图像的位置。具体而言，图4A示出其中两个透镜410和420具有通过对象430的中心的共享光轴的配置。由透镜410和420的组合形成的图像440也居中于透镜410和420的轴的共享光轴上。当一个或多个透镜垂直于其光轴被平移时，图像垂直于透镜之间的间隔被平移。例如，在图4B中，透镜410和420两者向下被移位相等量以便其光轴保持对准但是通过对象430的底边缘。所得到的图像442相对于图4A的图像440被向下移位。更具体地，如果对象430与透镜410和420的光轴偏移了量Δo，则图像440被移位对应的距离Δi＝MΔo，其中M是包括透镜410和420的光学系统的放大率。对于许多透镜系统，该移位将造成图像失真和彗差，但是对于图4B的系统而言不存在图像失真或彗差，因为在远心系统中来自对象430的主光线垂直于像平面落下。

图4C示出一个部件透镜420例如与另一个透镜410离轴的效应。部件透镜410或420的相对偏移使图像444在X-Y平面内相对于对象430移位，如图所示。这种效应可以用来校正图像与接收器阵列位置的对准。例如，如果诸如发射器和接收器的角度未对准之类的某种效应造成图像440(图4A)偏离接收器阵列，则透镜420(或透镜410)可以相对于接收器阵列被移位从而把图像442移位到对准的位置中。然而应当注意，相对偏移使得图像442居中于透镜420的光轴上。因而，如果发射器阵列居中于透镜410上并且接收器阵列居中于透镜420上，则即使当透镜的光轴未被对准时，发射器阵列的图像将仍然在接收器阵列上。光学系统因而很能容忍发射器和接收器板之间的平移偏移。另外，透镜系统整体上保持近似远心，以便高度地避免彗差和图像失真。

图4D示出一个透镜420相对于另一个透镜410被倾斜的效应。例如，当例如由于刀片110的安装件的固定差异或者刀片110的时变振动，刀片110彼此不平行时，可能在图1的服务器系统100中产生倾斜。如图4D所示，倾斜使图像446的位置相对于所倾斜透镜420的光轴发生移位。例如，对于图4D所示的倾斜，图像446相对于透镜420的光轴被向上移位大约f·sinθ的距离，其中f是焦距并且θ是透镜420的倾斜角度。依据本发明的方面，相对于发射器或接收器阵列移位透镜可以补偿由相对倾斜造成的偏移并且把图像移动到接收器阵列上的对准位置，例如以使图像居中于光轴上。为此目的，可以可选地采用光学板。

图2的系统200提供许多机构来移位发射器阵列114的图像以与接收器阵列116对准。具体而言，板210或260可以被倾斜，透镜220或270可以被移位，或者这些移动的任何组合可以用来移位图像以获得或维持对准。这允许安装件230和280中伺服系统的设计的灵活性。例如，大透镜220和270可以用于更好的光学质量以及更容易的制造和组装。又大又重的透镜220和270的移动然后可以用来补偿较大且较低频率的未对准，而板210和260可以是轻质的并且用来补偿较小且较高频率的未对准。在另一个配置中，发射器侧板210和透镜220可以用来补偿沿一个轴的未对准，而接收器侧板260和透镜270可以用来补偿沿垂直轴的未对准。在又一个配置中，所有对准校正可以在一侧(例如发射器侧)被执行。在又一个配置中，板210和270可以被完全消除，同时透镜220和260的移动控制对准。这种设计灵活性有助于减小安装件230和280中机械伺服系统的复杂度。

在本发明的安装件230和280的特定实施例中无论采用哪些伺服机构，控制系统240和290都可以采用闭环伺服控制来电子测量和校正未对准。在一个实施例中，可以监视在通信信道中或在单独的对准信道中接收的光学功率以确定系统是否未对准并且确定所需的校正。

图5是考虑到用于伺服控制的模拟信道的接收器阵列500的平面图。接收器阵列500可以被集成在集成电路管芯上，其包括具有用于接收高数据率数字信道的光学信号的光敏区域510的光电二极管。另外，接收器阵列500包括用于系统对准的两个方向检测器520和530。方向检测器520包括具有光敏区域或象限521、522、523和524的四个光电二极管，且方向检测器530类似地包括具有光敏区域或象限531、532、533和534的四个光电二极管。对于对准过程，与接收器阵列500配对的发射器阵列发射旨在分别居中于检测器520和530上的两个相对宽的截面光束。接收器阵列500和发射器阵列的未对准然后可以根据在检测器520的象限521、522、523和524以及检测器530的象限531、532、533和534中接收的光学功率或强度的比值来确定。例如，理想对准可以对应于其中检测器520的四个象限521、522、523和524中的每个接收相同的功率量并且检测器530的四个象限531、532、533和534中的每个接收相同的功率量的配置。伺服控制系统可以在检测器520的象限521、522、523和524中接收的功率与在检测器530的象限531、532、533和534中分别接收的功率的比值相等时检测到接收器阵列500处于旋转对准并且可以在检测器520或530的四个象限中接收的功率不相等时检测到发射器阵列的图像需要被移位。

图6示出依据本发明具体实施例的服务器系统。在图6中，第一刀片600包括包含母板620的外罩610。外罩610可以是金属并且在当前的服务器系统中将典型地为大约50mm宽。母板620具有实施刀片600的功能的集成电子器件。安装在母板620上的子板630实施与相邻刀片600’和其他刀片(未示出)的自由空间光学通信信道。刀片600和600’之间的典型间隔可以为大约50mm或更大，例如如果未使用刀片的紧邻槽的话为两倍大或100mm。

发射器阵列640和接收器阵列650安装在子板630上并且可以通过高带宽板到板头部(header)与母板620通信。发射器阵列640和接收器阵列650例如可以被布置成图5的接收器阵列500的图案并且提供14个高带宽(例如10Gb/s)数字数据信道以及还提供由伺服控制系统使用的光学信道。附连到子板630的安装结构660和665分别将相应的透镜670和675保持为邻近发射器阵列640和接收器阵列665。透镜670和675可以是塑料透镜，诸如可从Edmund Optcis获得的NT46-373并且当配对在一起时透镜670和675形成被多个光学信道(例如被伺服信道和14个单独的高带宽数据信道)共享的远心光学系统。每个安装结构660或665可以包括弯曲部分和诸如压电或热双压电晶片的一个或多个致动器，附连所述致动器以沿并行于子板630的轴移位所附连的透镜670或675。在图6的实施例中，安装结构660可以在沿图6页面的方向上移动与发射器640相关联的透镜670，且安装结构665可以在垂直于图6页面的方向上移动与接收器阵列650相关联的透镜675。因而，在发射器侧和接收器侧的移动的组合可以提供在垂直于刀片600和600’之间的间隔的任何方向上的图像移位。

尽管参考特定实施例描述了本发明，但是该描述仅提供本发明应用的示例并且不应当视为限制。例如，被示为包括单透镜元件的实施例可以采用复合透镜或其他多元件结构来执行类似的功能。而且，尽管所示的示例强调把本发明的实施例应用到服务器且具体地应用在服务器刀片之间，但是可以在其他系统以及具体地采用多个电路板的、将从具有电路板之间或当中的光学通信受益的任何系统中采用本发明的实施例。对所公开的实施例的特征的各种其他适配和组合在由所附权利要求书限定的发明范围内。