CN101688954B - 光学互连 - Google Patents

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Abstract

一种光学互连(100、300、400、500、600)具有：多个光学数据源(125、130、135、525、530、535)；多个光学数据接收器(155、160、165、555、560、565)；衍射光学元件(186、320、440、670)，其被配置为将来自至少一个对准光学源(170、360、460、625)的光学束(176、335、435、650)衍射到至少一个传感器(370、375、470、475、640、645)；以及对准元件，其被配置为根据来自所述传感器(370、375、470、475、640、645)的读数将来自所述光学数据源(125、130、135、525、530、535)的光学束(120、345、445、570、650)对准到所述光学数据接收器(155、160、165、555、560、565)。

Description

光学互连
背景技术
光束或者光学信号被频繁用于在电子设备之间(相距长距离以及在邻近的电路板之间)传输数字数据。可以按需要调制光束以承载数据。光学信号还可以被用于其它目的，包括位置或者运动感测、测量等。
由此，光学技术在现代电子器件中起到重要作用，并且许多电子设备采用光学部件。这种光学部件的示例包括诸如发光二极管和激光器的光学源或光源、波导、光纤、透镜和其它光学元件、光检测器和其它光学传感器、光敏半导体、以及其它光学部件。
使用光学部件的系统通常依赖于对光能(诸如光束)的精确操纵来完成期望的任务。在利用光在电路板之间进行高速、低能量通信的系统中尤其如此。对光学信号的操纵可以包括对光学信号的光束中的信息进行选择性编码以及将光学信号的光束引导到对编码的光束进行检测的传感器。
附图说明
附图图解说明本文所述原理的各种实施例并且是说明书的一部分。所图解说明的实施例仅仅是示例，并且不对权利要求书的范围进行限制。
图1是根据本文所述原理的示例性光学互连(opticalinterconnect)的图解说明。
图2是根据本文所述原理的用于光学互连的示例性光学源阵列和衍射光学元件的图解说明。
图3是根据本文所述原理的示例性板间通信系统的图解说明。
图4是根据本文所述原理的示例性板间通信系统的图解说明。
图5是根据本文所述原理的示例性光学互连的图解说明。
图6是根据本文所述原理的示例性板间通信系统的图解说明
图7是图解说明根据本文所述原理的示例性光学通信方法的流程图。
在附图中，等同的参考数字表示类似但不一定等同的元件。
具体实施方式
如上所指出的那样，光束或光学束可以被用于各种目的，包括传输数据。在一些这样的系统中，用数据信号编码的光学束被引导到或者重新引导(redirect)到光路中，在该光路中，所述光学束可以被指定部件检测到或接收到并且所述数据被解码。然而，当光学束被用于在物理上分离的电子部件之间(诸如在分离的电路板上)传送数据时，部件之间的正确对准可能是关键的。另外，可能期望在不占用电路板上的大空间的情况下通过多个信道光学通信以增加带宽和/或可靠性。此外，还可能期望使这样的系统中的光学阻抗、干扰和/或失真最小化。
在电路板部件之间提供数据传输的现有光学解决方案包括使用塑料波导将数据编码的光束引导到电路板的边缘，将所述光束耦合到电路板架的底板中的光学波导中，并且然后将载有数据的经过编码的光束传输到另一电路板上的另一波导中，在另一电路板所述光束被检测到并且被解码。除了波导的制造成本和与在波导结处的光学损耗有关的问题之外，一般而言该解决方案比在部件之间的直接、自由空间光学数据传输具有更长的物理数据路径。
虽然自由空间光学数据传输解决方案提供了优于波导和电导体解决方案的显著优点，但是自由空间传输通常伴有上述的部件对准约束。而且，当实施多个光学信道时，光学部件可能占用大量的电路板面积。因此，可能期望提供一种用于在电路板之间进行部件间数据传输的自由空间光学互连系统，其可以抵抗未对准的问题并且能够在占用最小量的板空间的情况下实现多信道通信。
为了实现这些和其它目标，本说明书公开了与光学互连有关的装置、系统和方法，所述光学互连具有多个光学数据源、多个对应的光学数据接收器、被配置为将来自对准光学源的光学束衍射到至少一个传感器的衍射光学元件、以及被配置为根据传感器的读数将来自光学数据源的光学束对准到光学数据接收器的对准元件。
如在本说明书中和在所附的权利要求书中所使用的那样，术语“光能”指代具有通常在10纳米与500微米之间的波长的辐射能。如此限定的光能包括但不限于紫外光、可见光和红外光。在本文中，光能的束也可以被称为“光束”或“光学束”。
如在本说明书和在所附的权利要求书中所使用的那样，术语“光学源”指代光能所源自的设备。如此限定的光学源的示例包括但不限于发光二极管、激光器、灯泡(light bulb)和灯(lamp)。另外，“光学数据源”表示发射用数据编码的光能的光学源。
如在本说明书和在所附的权利要求书中所使用的那样，术语“光学互连”宽泛地指代将光束沿其传播的光学路径的各部分链接起来的部件。光学互连可以导引或者重新引导光束，以使得所述光束入射到或者到达被配置为接收光束的光学部件。由此，利用适当的光学互连，光学路径可以被配置为具有适合特定应用的任何长度或形状。
如在本说明书和在所附的权利要求书中所使用的那样，术语“致动器”指代驱使物体进行机械动作或者运动的装置。由此限定的致动器的示例包括但不限于电动机、压电设备、液压臂、以及弹簧。
如在本说明书和在所附的权利要求书中所使用的那样，术语“衍射光学元件”指代被配置为沿一组预定方向重新引导所选波长的光能的无源光学元件。沿其重新引导光能的该组预定方向可以根据光能撞击衍射光学元件表面的入射角或者根据光能撞击衍射光学元件的表面上的相对位置而改变。
在以下说明中，出于解释说明的目的，陈述了大量具体细节以便提供对本系统和方法的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本系统和方法。在说明书中提到的“实施例”、“示例”或者类似语言意味着结合该实施例或示例所描述的特定特征、结构或者特性包括在至少该一个实施例中、但不一定包括在其它实施例中。说明书中各处的短语“在一个实施例中”或者类似短语的各种实例不一定都指代相同的实施例。
现在将关于示例性光学互连、示例性板间通信系统和示例性光学通信方法来讨论本文所公开的原理。
示例性光学互连
现在参照图1，示出了示例性光学互连(100)。示例性光学互连(100)包括光学源阵列(105)和光学接收器阵列(115)。光学源阵列(105)包括多个被配置为发射光能束(120)的光学数据源(125、130、135)。光学数据源(125、130、135)可以包括但不限于垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)、二极管激光器、其它半导体激光器、发光二极管(LED)及其组合等等。
用数据对从数据源(125、130、135)发射的光能束(120)进行编码。本领域技术人员将认识到，可以使用许多光学调制方案(包括公知和常规的或者专用的光学调制方案)中的任何一种来将数据调制到光能束上。在一些实施例中，在来自电路板的光学源阵列(105)中容纳多个不同数据信道，并且来自每个数据信道的数据由对应的光学数据源传输。
通过使用多个光学数据源(125、130、135)来传输多个数据信道，可以使来自光学源阵列(105)的可能数据传输的整体带宽最大化。在其它实施例中，可以通过由两个或者更多个光学数据源(例如125、130、135)并行传输来自单个数据信道的相同数据来提供冗余。因此，光学数据源(例如125、130、135)可以冗余地传输来自较少数量的数据信道的每一个的数据，这又可以增加光学源阵列(105)的数据传输的精确性。
光学数据源(125、130、135)中的每一个都被配置为在光学接收器阵列(115)的大致方向上发射光能束。在该示例中，光学数据源(125、130、135)中的每一个都包括被配置为将束(120)朝向光学接收器阵列(115)中的对应光学数据接收器(155、160、165)聚焦的单独透镜(分别为140、145、150)。可平移(translatable)透镜(110)被布置在光学源阵列(105)与光学接收器阵列(115)之间。可平移透镜(110)被配置为使来自光学数据源(125、130、135)的光学束(120)与光学接收器阵列(115)中的对应的光学接收器(155、160、165)对准。
光学数据接收器(155、160、165)被配置为接收从光学数据源(125、130、135)发射的经过调制的光学束(120)并且对编码在光学束(120)上的信息进行解调。
光学数据接收器(155、160、165)可以被配置为输出代表光学束(120)的一个或多个方面的电信号。例如，光学数据接收器(155、160、165)可以产生载有已经被编码或调制到所接收的光束中的数据的数据信号。以这种方式，从与光学源阵列(105)进行通信的部件传输的数据可以被与光学接收器阵列(115)进行通信的部件接收并利用。
在一些实施例中，光学接收器(155、160、165)包括一个或多个光电二极管。在其它实施例中，光学接收器(155、160、165)可以包括但不限于一个或多个波导、光纤材料、光缆、光学传感器、透镜、半导体及其组合。
该示例的光学接收器阵列(115)进一步包括被配置为朝向光学源阵列(105)上的衍射光学元件(186)发射光学束(176)的对准光学源(170)。在该示例中，来自对准光学源(170)的光学束(176)被衍射光学元件(186)衍射成四个分离的光学束(178、180、182、184)，这四个分离的光学束(178、180、182、184)被反射回对应的光学对准接收器(172、174、188、190)。
根据光学源阵列(105)和光学接收器阵列(115)的对准，衍射的光学束(178、180、182、184)被以不同的角度反射回光学接收器阵列(115)。通过在光学对准接收器(172、174、188、190)处测量光能强度，可以确定光学源阵列(105)和光学接收器阵列(115)之间的对准的近似程度。
然后，来自光学对准接收器(172、174、188、190)的光学测量可以被用在反馈回路中，其中的致动器(102)被配置为移动光学接收器阵列(115)，从而使来自光学数据源(125、130、135)的光学束(120)最佳地与其对应的数据接收器(155、160、165)对准。在其它实施例中，致动器(102)可以被用于类似地平移光学源阵列(105)。在这些实施例中，只要可平移透镜(110)关于光学接收器阵列(115)保持相对固定，则不预期由于对准过程所引起的额外误差。在另一些实施例中，致动器(103)可以与可平移透镜(110)一起使用，从而使可平移透镜(110)变成定位在相对于光学接收器阵列(115)的使得来自光学数据源(125、130，135)的光学束(120)与其对应的光学数据接收器(155、160、165)最佳对准的位置中。
解释对准接收器(172、174、188、190)的输出并且重新定位各种部件(即光学源阵列(105)、光学接收器阵列(115)或者可平移透镜(110))中的任何一个的部件可以被统称为对准元件。因此，对准元件提供了光学源阵列(105)与光学接收器阵列(115)之间的适当对准以在这两个阵列之间传输载有数据的光学束。
在该示例中，对准光学源(170)和光学对准接收器(172、174、188、190)被集成到光学接收器阵列(115)中，而衍射光学元件被集成到光学源阵列(105)中。然而，在其它实施例中，对准光学源(170)、衍射光学元件(186)和光学对准接收器(172、174、188、190)中的一个或多个可以位于安置(house)光学源阵列(105)或光学接收器阵列(115)的电路板上的其它地方。
现在参照图2，示出了光学互连(图1的100)的示例性光学源阵列(105)。如上所述，光学源阵列(105)包括多个光学数据源(210)。在图2的示例中，为了使邻近光学数据信道之间的串扰问题最小化，光学数据源(210)可以以各种不同的波长操作。例如，如图2所示，邻近光学数据源在示例性波长λ1和λ2之间交替。因此，一组光学数据源(210-1)以第一波长λ1操作，而第二组光学数据源(210-2)以第二波长λ2操作。
相应地，光学接收器阵列(图1的115)上的对应光学数据接收器被调谐到光学源的相应波长λ1或λ2，其中每个光学数据接收器分别与光学源对准。可以使用衰减不在期望波长或者基本不在期望波长附近的光能的光学滤波器来调谐光学数据接收器。
同样地，衍射光学元件(186)可以接收第三波长λ3的来自对准光学源(图1的170)的光能，在该示例性光学互连(图1的100)中该衍射光学元件(186)被合并到光学源阵列(105)中。
现在参照图3，示出了用于板间通信的示例性系统(300)。该示例性系统(300)包括第一电路板(305)和第二电路板(310)。第一电路板(305)被配置为将数据传输到第二电路板(310)。
第一电路板(305)包括与在上面关于图1-2所述原理一致的光学源阵列(315)。光学源阵列(315)具有多个被配置为发射光学束(345)的光学数据源，其中用来自第一电路板(305)上的部件的数据编码光学束(345)。光学源阵列(315)可以如上所述发射不同波长的邻近光学束(345)以防止邻近光学束之间的串扰。
第二电路板(310)包括与在上面关于图1-2所述原理一致的光学接收器阵列(355)。该光学接收器阵列(355)具有多个被配置为接收由光学源阵列(315)所发射的编码光学束(345)的光学数据接收器。另外，在对邻近光学束利用不同波长的光能的实施例中，光学接收器阵列(355)中的光学接收器可以包括光学滤波器或者其它被设计为衰减不具有特定的指定波长的光学信号的装置。
如图3所示，由光学源阵列(315)发射的光学束(345)可能呈现出与光学接收器阵列(355)中其所对应的光学数据接收器的一定程度的未对准。这种未对准误差可能由于电路板(305、310)的错位，对系统(300)的振动、摇晃或震扰，或者各种其它原因而出现。例如，来自冷却风扇的振动可能造成阵列(315、355)之间的某种未对准。
在所图解说明的示例中，可平移透镜(350)被安装在第二电路板(310)上，并且被定位在光学源阵列(315)与光学接收器阵列(355)之间。可平移透镜(350)可以根据可平移透镜(350)相对于光学束(345)的位置沿不同方向重新引导来自光学源阵列(315)的光学束(345)。
致动器(365)可以选择性地改变可平移透镜(350)的位置。因此，在未对准的状态下，可以通过用致动器(365)选择性地定位可平移透镜(350)，将来自光学源阵列(315)的光学束(345)操纵为朝向光学接收器阵列(355)。
对准光学源(360)被布置在第二电路板(310)上并且被配置为朝向第一电路板(305)上的衍射光学元件(320)来发射光学束(335)。衍射光学束(330、340)被从衍射光学元件(320)反射回到第二电路板(310)上的传感器(370、375)。通过检测所得到的衍射光学束(330、340)，对准光学源(360)相对于衍射光学元件(320)的位置以及(通过扩展)光学源阵列(315)相对于光学接收器阵列(355)的位置可以被确定出。如在上面关于图1所述的那样，一个或多个致动器可以调节两个板(305、310)的相对定位，以通过使用反馈回路最大化由传感器(370，375)从衍射光学元件(320)接收的光学信号来对准这两个板。
为了进一步提供光学源阵列(315)与光学接收器阵列(355)之间的最佳通信，可以将可平移透镜(350)定位成将来自光学源阵列(315)的光学束(345)重新引导到光学接收器阵列(355)中的对应元件。例如，使用致动器(365)来选择性地定位可平移透镜(350)，从而通过可平移透镜(350)将来自光学源阵列(315)的光学束(345)引导到光学接收器阵列(355)中的对应的光学接收器。再次，可以使用反馈回路来使光学接收器阵列(355)中对应的元件或多个元件上的来自光学源阵列(315)的一个或多个光学束(345)的强度最大化。
现在参照图4，示出了用于板间通信的另一示例性系统(400)。与前面的实施例相似，该示例性系统(400)包括第一和第二电路板(分别是405、410)。第一电路板(405)包括与该说明书原理一致的光学源阵列(415)和衍射光学元件(420)。第二电路板(410)包括与该说明书原理一致的光学接收器阵列(455)、对准光学源(460)、传感器(470、475)、可平移透镜(450)以及致动器(465)。
该示例性系统(400)还包括第一和第二电路板(405、410)之间的第三电路板(480)。因为第一电路板(405)的光学源阵列(415)被配置为向第二电路板(410)的光学接收器阵列(455)进行传输，所以第三插入电路板(480)具有被配置为将来自光学源阵列(415)的光学束(445)聚焦到第二电路板的可平移透镜(450)上的透镜(485)。另外，透镜(485)被配置为将来自对准光学源(460)的光学束(435)聚焦到衍射光学元件(420)，并且将衍射光学束(430、440)聚焦到第二电路板(410)上的反馈传感器(470、475)。
因为第三电路板(480)还可能易于与第一和第二电路板(405、410)未对准和振动，所以在该示例中第三电路板(480)的透镜(485)包括被配置为将透镜(485)保持在相对稳定位置的稳定元件(490)。稳定元件(490)可以包括反馈回路中的陀螺仪、加速度计、传感器等等中的一个或多个，其中的致动器用以抵消透镜(485)上的机械力。
现在参照图5，示出了另一个示例性光学互连(500)。在该示例中，光学互连(500)利用一对可平移镜(510、515)将来自光学源阵列(505)中的光学数据源(525、530、535)的光学束(570)与光学接收器阵列(520)中的光学接收器(555、560、565)对准。可平移镜(510、515)可以由致动器(501)控制，以将光学束(570)与光学接收器(555、560、565)对准。还可以将静电透镜(static lens)(540、545、550)与光学数据源(525、530、535)和/或光学接收器(555、560、565)合并，以附加地聚焦或者重新调节光学束(570)。
如上所述，可以使用反馈回路来控制致动器(501)以对镜(510、515)之一或者两者重新定位。当来自源阵列(505)的一个或多个光学束的强度在接收器阵列(520)的对应光学接收器或多个接收器处被最大化时，可以确定重新定位已经完成，并且实现了期望的对准。
现在参照图6，示出了用于板间通信的示例性系统(600)。根据本文所述原理，系统(600)合并有具有可平移镜(630、635)的光学互连。系统(600)包括第一和第二电路板(605、610)。来自第一电路板(605)的数据由光学源阵列(620)调制到光学束(650)中。随后，可平移镜(630、635)朝向第二电路板(610)上的光学接收器阵列(675)折叠(fold)并且重新引导光学束(650)，在光学接收器阵列(675)处，载有数据的光学束(650)被接收和解调，并且数据被路由给第二电路板(610)上的接收部件。
致动器(615)根据两个电路板(605、610)的相对定位来调节可平移镜(630、635)的定位，以将光学束(650)操纵为朝向光学接收器阵列(675)。可平移镜(630、635)还将来自对准光学源(625)的光学束(660)引导到第二电路板(610)上的衍射光学元件(670)。对来自衍射光学元件(670)的衍射光学束(655、665)的光学测量在第一电路板(605)上的传感器(640、645)处进行，并且该光学测量根据电路板(605、610)与可平移镜(630、635)的相对定位而改变。如在其它实施例中那样，来自传感器(640、645)的测量可以与致动器(615)结合使用，以实现对可平移镜(630、635)的定位，其中所述定位提供来自光学源阵列(620)的光学束(650)与光学接收器阵列(675)中的光学接收器的最佳对准。
示例性方法
现在参照图7，示出了图解说明示例性光学通信方法(700)的流程图。该示例性方法(700)包括在第一电路板上提供多个光学源(步骤705)。在一些实施例中，第一电路板上的邻近光学源具有不同波长以防止在对应的接收器处的串扰。
在第二电路板上提供多个光学接收器(步骤710)。光学接收器被配置为接收发自光学源的光学束并且对在该光学束上编码的数据进行解码。邻近的光学接收器可以被配置为接收并解码不同波长的光学束。在一些实施例中，第二电路板上的光学接收器具有被配置为衰减不具有目标波长的光学信号的光学滤波器。
方法(700)进一步包括将具有与光学源的波长分开的波长的光学束传输到衍射光学元件(步骤715)。然后，在至少其中一个电路板上的传感器处对来自衍射光学元件的衍射光能进行测量(步骤720)。所测量的衍射光能被用在反馈回路中以使来自第一电路板中的光学源的光学束与第二电路板中的对应的光学接收器对准(步骤725)。
在反馈回路中，可以将所测量的衍射光能与标准进行比较，以确定对准误差的程度。一旦确定出对准误差的程度，则可以激活致动器来引发对准机构(诸如可平移透镜或者可平移镜的系统)中的运动，从而实现来自光学源的光学束到对应的光学接收器的最佳对准。在一些实施例中，所述多个光学源和所述多个光学接收器中的一个或两者可以连同反馈回路一同平移。
前面给出的描述只是为了对所述原理的实施例和示例进行图解说明和描述。该描述不打算是穷尽的或者将这些原理限制到所公开的任何精确形式。鉴于以上教导许多修改和变化是可能的。

Claims (13)

1.一种光学互连，包括：
多个光学数据源；
多个光学数据接收器；
衍射光学元件，其被配置为将来自对准光学源的光学束衍射到至少一个传感器；以及
对准元件，其被配置为根据来自所述传感器的测量将来自所述光学数据源的光学束对准到所述光学数据接收器。
2.根据权利要求1所述的光学互连，其中所述多个光学数据源中的邻近源被配置为发射具有不同波长的光学束。
3.根据权利要求1所述的光学互连，其中所述对准光学源被配置为以与由所述多个光学数据源发射的波长不同的波长来发射光学束。
4.根据权利要求1所述的光学互连，其中所述多个光学数据源被布置在第一电路板上，且所述多个光学数据接收器被布置在第二电路板上；以及
其中所述对准光学源和所述至少一个传感器被布置在所述第一电路板和所述第二电路板中的一个上，且所述衍射光学元件被布置在所述第一电路板和第二电路板中的另一个上。
5.根据权利要求1所述的光学互连，其中所述对准元件包括致动器。
6.一种板间通信系统，包括：
第一电路板，其具有多个光学数据源；
第二电路板，其具有多个光学数据接收器；
第三电路板，其布置在所述第一电路板和所述第二电路板之间，所述第三电路板具有被配置为将来自所述多个光学数据源的光学束聚焦到所述多个光学数据接收器的透镜；
衍射光学元件，其被配置为将来自至少一个对准光学源的光学束衍射到至少一个传感器；以及
对准元件，其被配置为根据来自所述传感器的输出将来自所述光学数据源的光学束对准到所述光学数据接收器。
7.根据权利要求6所述的板间通信系统，其中所述第三电路板包括被配置为相对于所述第一电路板和所述第二电路板保持所述透镜基本静止的设备。
8.根据权利要求7所述的板间通信系统，其中所述设备包括从由如下各项组成的组中选择的反馈机构：加速度计、陀螺仪、传感器及其组合。
9.根据权利要求6所述的板间通信系统，其中在所述多个光学数据源中的邻近源被配置为发射具有不同波长的光学束。
10.一种光学通信的方法，包括：
在第一电路板上提供多个光学源；
在第二电路板上提供多个光学接收器；
将具有与所述多个光学源的波长分开的波长的光学束传输到衍射光学元件；
获取对由所述衍射光学元件衍射的衍射光能的测量；以及
在反馈回路中使用所述测量将来自所述光学源的光学束与所述光学接收器对准。
11.根据权利要求10所述的方法，其中用数据编码来自所述光学源的所述光学束。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述在反馈回路中使用所述测量的步骤包括将所述测量与标准进行比较以确定对准误差的程度。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述在反馈回路中使用所述测量将来自所述光学源的光学束与所述光学接收器对准的步骤包括激活致动器。
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