CN102272642B - 光子波导 - Google Patents

Abstract

系统（200）提供在基板（220）上形成的光子波导（210）和在光子波导内的多个转向反射镜（230）。转向反射镜能够被配置为在两个或者更多计算组件（260）之间引导光束（240）。多个转向反射镜支撑件（250）位于具有预设位置的波导内。转向反射镜支撑件被配置为使得转向反射镜能够选择性地在光子波导内在预设的转向反射镜支撑件处重定位以形成变化的配置。采用变化的配置的转向反射镜引导一个或者多个光束以在光子波导内的计算组件之间形成多个连接通道。

Description

光子波导

背景技术

随着在电路板上的计算机芯片速度增加，在芯片间通信中的通信瓶颈正变成较大的问题。一种可能的解决方案是使用光导纤维将高速计算机芯片互连。然而，大多数电路板包括很多材料层并且在它们的制造中采用的公差与光接口的需要不一致。用于将接口互连的纤维的对准公差通常在微米的范围中。在电路板制造工艺中，物理地置放光导纤维并且将纤维连接到芯片可能是不准确的且耗时的。围绕电路板并且在电路板之间传送光信号能够增加相当大的、另外的复杂度。尽管存在对宽带数据传送的需要，但是在计算组件之间的、适于销售的光学互连也已证明是难以获得的（elusive）。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的可重构光子波导的截面侧视图；

图2是根据本发明的一个实施例的光子波导的截面侧视图；

图3是根据本发明的一个实施例的光子波导的截面侧视图；

图4是根据本发明的一个实施例的光子波导的截面侧视图；

图5是根据本发明的一个实施例的光子波导的拓扑图根据本发明的一个实施例的光子波导的截面侧视图；并且

图6是根据本发明的一个实施例的光子波导的截面侧视图。

具体实施方式

根据结合附图进行的随后详细描述，本发明的另外的特征和优点将是明显的，所述附图一起通过实例方式示意本发明的特征。现在将对所示意的示例性实施例进行参考，并且将在这里使用特定的语言来描述所述实施例。不过将理解，并非由此意在对本发明的范围进行任何限制。

用于在电路板上的计算机芯片之间形成光学互连的一种配置是使用光学波导，所述光学波导未在制造期间在电路板上形成，而是在它被制造之后被添加到电路板。因为使用光刻、注射成型或者类似的准确工艺来形成波导的能力，为了在这种组件中互连电子设备，光学波导能够优于光导纤维通信。波导的一个实施例通常利用基本上光透的材料诸如聚合物和/或玻璃电介质形成。

对使用聚合物或者玻璃电介质材料形成的传统光学波导的一种替代是使用如在图1中所示的被配置为引导相干光140的粗芯中空波导110。注意到在粗芯中空波导中的空气也是电介质。粗芯中空波导能够具有大约为波导被配置为引导的相干光的波长的50到150倍或者更大倍数的直径（或者宽度和/或高度）。粗芯中空波导能够具有是正方形、矩形、圆状、椭圆形或者被配置为引导光信号的某种其它形状的截面形状。进而，因为波导是中空的，所以光基本上以光在空气或者真空中的速度行进。

激光器可以将光束或者信号140发射到波导部110中。光束或者信号可以在波导的壁之间弹射。在每一次反射时，相当大的光束损耗可能发生。为了降低在波导内的损耗，可以添加反射涂层以覆盖波导的内部。如能够理解的，该反射涂层能够使用电镀、溅射或者类似的工艺来形成。如果中空波导包括具有低熔点的聚合物或者其它材料，则可以使用低温工艺诸如溅射、电镀或者热蒸发来施加反射涂层。

反射涂层能够由金属、电介质或者在相干光的波长下基本反射性的其它材料中的一层或者多层构成。能够基于它们的反射性选择金属。覆盖通道的高度反射层是期望的。例如，反射层可以使用银、金、铝或者能够形成高度反射层的某种其它金属或者合金来形成。可替代地，反射层可以是能够从在选定波长下基本反射性的电介质材料的一层或者多层形成的电介质堆叠。在反射层得以沉积之前，未涂覆的中空通道可以经受热回流以消除任何表面粗糙度。可以使用多种制造技术，包括但不限于热回流或者电解抛光来消除可以在沉积工艺期间发生的、在反射层中的表面粗糙度。

如果中空金属化波导未被以密闭方式密封，则反射涂层可以随着时间氧化。反射涂层的氧化会大大降低它的反射率。为了减轻或者消除金属涂层的反射率的劣化，能够在反射涂层之上形成保护层。保护层能够包括在相干光的波长下基本透明的材料。例如，保护层能够由二氧化硅或者能够在反射涂层之上形成基本气密结合的某种其它材料形成。这个保护层还将通过进一步从有损耗的反射层分离传播的光而减少传播损耗。

具有反射表面的中空波导与固体波导不同地操作。中空波导使用用于通过从反射层（一个或者多个）的反射而不是如通常在固体波导诸如光学纤维中发生的那样通过在较高折射率芯区域和较低折射率包覆区域之间的全内反射来引导光的、衰减全内反射的原理进行工作。如能够理解的，在中空波导内的光可以被以小于对于全内反射而言所需的入射角反射。

某些以前的波导结构已使用了主动转向体系。这些体系的某些缺陷在于这种结构的高成本和尺寸。此外，以前的波导结构已要求改变基础中板或者底板从而使用带有中板或者底板的结构。底板通常是将几个计算组件或者刀片相互连接以形成总线或者多个点对点连接从而每一个计算组件均被链接到所有的其它计算组件的电路板。底板可以被用作骨干以将几个印刷电路板连接到一起从而构成完整的计算机系统。中板是类似于底板的电路板，但是然而卡和器件仅仅连接到底板的一侧，中板具有被连接到两侧的卡和器件。在主要地由被附着到中板的模块构成的较大系统中，将卡插入到中板的任一侧中的这个能力经常是有用的。中板在计算机中主要地在刀片服务器中使用，其中刀片服务器位于一侧上并且外设（电力、联网和其它I/O）和服务模块位于另一侧上。中板在联网和电信设备中也是普及的，其中机箱的一侧接受系统处理卡并且机箱的另一侧接受网络接口卡。

在以前的解决方案中，改变在组件之间的连接指的是改变底板或者中板。底板或者中板可能难以替换或者交换。工业已长期以来寻求一种可行的、经济的和可制造的光学底板。工业已试图解决的某些问题包括缺少一种用于嵌入式纤维的有效且可制造的90度转向解决方案、在聚合物或者石膏纤维波导中的过度损耗、和限制最终解决方案的可配置性的每底板的单设定（single-set）连接。无论电还是光互连，刀片间或者板间计算通信均已在速度、密度、功率、距离和信号质量方面受到限制。通常，还要求另外的固件或者软件来对于在刀片之间的连接编程。

这个系统能够提供一种光子波导模块，该光子波导模块包括中空芯金属波导，其是低成本的、利用无源固定转向反射镜并且具有多个潜在的系统互连配置。波导模块的安设不要求对中板或者底板进行任何改变。这种解决方案以点对点模块化配置利用中空金属波导结构以在计算组件之间提供确定性的连接或者通道。这些计算组件可以位于被插入底板或者中板中的刀片或者板上。该模块能够利用各种连接选项进行配置，因此使得单一底板和机械外壳能够适合很多潜在的模块配置。该模块能够不要求任何另外的固件或者软件来对连接进行编程并且能够克服现有电气器件的很多其它限制，诸如在速度、距离、密度、功率或者信号质量方面的限制。在某些实施例中，使用光刻或者类似的工艺在基板上形成在该申请中公开的光学波导。

图1示意根据本发明的一个实施例的光子波导模块100。提供了一种可以在基板120上并且如上所述地形成的中空芯金属光子波导110。在光子波导内是多个转向反射镜130来转向光束或者光信号140。可以在光源模块170处或者在计算组件160上的光发射器处产生光信号，其可以被装入刀片外壳180诸如由片状金属制成的刀片外壳中。（如在这里所使用地，光源模块是能够发射或者接收或者既发射又接收光信号或者光束的模块）。光信号被朝向波导中的转向反射镜之一引导，在此处它被从反射镜反射出去以纵向地沿着波导行进一定的距离。至少一个另外转向反射镜位于波导内，该转向反射镜被配置为从波导到不同的计算组件上的光接收器模块或者光接收器接收和反射光信号。以此方式，光信号能够通过波导从一个计算组件行进到另一个以在计算组件之间提供快速且高效的光学通信。

在一个实施例中，该多个转向反射镜130可以包括一个或者多个部分反射转向反射镜150。部分反射转向反射镜能够被配置为允许光信号140的一部分通过部分反射转向反射镜，而同时向计算组件上的光接收器模块170或者光接收单元反射光信号的另一部分。光信号可以通过如在本技术领域中已知的各种方法而被部分反射。某些实例包括使用偏振反射镜、部分透明反射镜、频率相关反射镜或者基于区域的分光器。

部分反射反射镜150可以被配置为向在它被分裂之后光信号140被引导到的每一个计算组件提供所期的功率量。例如，反射镜可以分裂光束从而第一分束包含原始光信号的、大致25%的功率并且第二分束包含原始光信号的、大致75%的功率。

光子波导模块100可以包括在反射镜130和150和计算组件160，或者在组件上的光源模块170之间延伸的光学路径。在光信号140被分裂的情况下，还可以基于被引导到每一条路径的功率的比率来减小光学路径的宽度。减小路径的宽度能够减小在电路中使用的占用面积（real-estate）量。通过基本等价地保持输出功率与宽度的比率并且靠近路径中心引导光束，能够通过激发最低阶模式而限制光束损耗。最低阶模式是带有最低损耗的模式。能够在每一条路径中通过匹配从反射镜弹射的光信号中的射线与对应于波导的最低阶模式的射线而激发最低阶模式。

参考图2，提供了具有在基板220上形成的中空芯光子波导210的光子波导模块200。在光子波导内，可以存在具有预设位置的多个转向反射镜支撑件250。这些转向反射镜支撑件允许转向反射镜230选择性地在转向反射镜支撑件处在光子波导内重定位。可以通过如在本技术领域中已知的各种附着或者附加手段而将转向反射镜在波导内以可移除方式固定到位。某些考虑到的附着装置包括螺钉、粘结剂、磁体、夹子、卡扣结构或者被压入接收单元中的结构。因此，转向反射镜可以被非永久性地固定在转向反射镜支撑件位置处并且在以后被移除。可以从波导模块移除或者向其添加转向反射镜以改变在波导内的转向反射镜的数目并且改变在计算组件之间的连接或者通信通道。可以移除转向反射镜从而用不同的转向反射镜来替换它。还可以移除转向反射镜从而在不同的转向反射镜支撑件处将其重定位。

在波导内重定位转向反射镜能够形成用于在计算组件260的光源模块270之间引导光信号240的、变化的配置或者不同的特性。仅仅在类似的计算组件之间传输光信号是不必要的。还可以在不同类型的计算组件之间传输光信号。如在图2中所示，可以在两个存储器组件（MEM）之间、在两个处理组件（CPU）之间和在存储器组件（MEM）和处理组件（MEM）之间发送光信号。要理解，任何数目和类型的、各种计算组件可以被以各种配置使用以最好地适应在特定环境中的计算需要。不同类型的计算组件可以具有不同类型的通信。这些不同类型的通信可以通过单一波导通道而被一起发送，但是可能存在串话和错误通信的风险。用于减轻串话担忧的某些解决方案包括使用时分复用或者波分复用。然而，认识到，在波导内的任何给定位置处仅仅具有通过那里的、一种类型的通信的波导模块可以是优选的从而简化模块和降低成本。

再次参考图1，示出一种具有可选择性地重定位的转向反射镜130的光子波导模块100。转向反射镜可以起初地处于位置A，但是可以被选择性地重定位到位置B或者位置C以形成在不同于在第一配置中的计算组件群之间提供光学通信的、不同的配置。转向反射镜可以在波导内能够在转向反射镜支撑件处被以人工方式重定位以形成一种低成本的无源光学模块。

图3示出在很多方面类似于在图1中示出的光子波导模块100的光子波导模块300。波导模块包括在基板320上形成的中空、金属、光子波导310。在波导内是在光源模块370和计算组件360之间引导光信号340的多个转向反射镜330。在该实施例中，转向反射镜在波导内位于固定的预设位置中。在一个方面中，该波导结构能够包括用于将光子波导以可移除方式附着到在其上具有计算组件的电路板的附着部。该波导模块可以通过如在本技术领域中已知的各种附着手段而被附着到底板或者中板。某些考虑到的附着手段包括螺钉、粘结剂、磁体、夹子、卡扣结构或者被压入接收单元中的结构。

该光子波导模块可以被以可移除方式附着到电路板并且可以用具有在不同于第一转向反射镜的预设固定位置的预设固定位置中的转向反射镜的第二光学模块来替换，并且被配置为引导光束以在计算组件之间形成多个连接通道。互换波导模块能够是一种利用相同的计算组件形成不同的特性（或者连接配置）和功能的简单的、低成本的方法。例如，可以存在具有两个存储器组件、两个中央处理单元（CPU）和两个图形处理单元（GPU）的系统。波导模块可以被配置为提供从存储器到存储器、CPU到CPU和GPU到GPU的连接。系统管理员可能期望不同的功能并且利用被配置为提供从存储器到CPU、存储器到GPU和GPU到CPU的连接的另一波导模块来替换该波导模块。以此方式，只是通过更换波导模块，相同的计算组件可以被不同地互连以产生不同的功能或者连接。

要理解，还考虑了在这里描述的各种实施例的组合。例如，可以在被以可移除方式可附着的波导结构或者被永久地固定到电路板的波导结构中使用可选择性地重定位的转向反射镜。而且，在特定的波导内，某些反射镜可以可选择性地重定位，而其它的反射镜被固定住。在相同计算系统内使用多个波导模块的情况下，波导模块可以被不同地形成以具有不同的尺寸、形状、反射镜位置、可移除附着性、可重定位的反射镜等。

另外地，可以在相同光学模块内形成多个波导以提供用于不同类型的通信的多个通信路径。

现在参考图4，示出在很多方面类似于在前描述的模块的光子波导模块400。模块400可以包括在基板420上形成的光子波导410。在波导410内是在光源模块470或者计算组件460之间引导光信号440的多个转向反射镜430。还在图4中示出光学互连，诸如被配置为发射和接收信号以在计算组件460之间提供另外的连接的光学信号源模块480和490。示出了使用本发明的光学波导结构410的系统还与各种其它的计算连接器件和方法相兼容。

如上所述，光子波导模块可以被以任何数目的方式配置以在系统中所使用的计算组件之间提供所期连接。图5描绘了具有在520、530、540和550处示出的各种计算组件的计算系统500的拓扑。光纤（optical fabric）510在各种计算组件之间提供光学互连。箭头指示在它们所指向的组件之间的通信。如上所述，任何类型的计算组件均可以被连接到一起以提供所期功能。图5描绘了组件诸如CPU、GPU、IOH、I/F、MC和存储器组件。接口组件（I/F）能够提供必要的光电和电光转换。存储器控制器（MC）能够是低仓（low-bin）CPU或者ASIC并且管理去往和来自存储器的数据流。输入/输出（I/O）集线器组件（IOH）能够直接地从光纤到中央处理单元（CPU）或者图形处理单元（GPU）形成桥接。在某些应用中，可能有利的是使得特定的通信类型是独立的，但是它们共享相同的波导结构。例如，可能期望仅仅发送在CPU之间的CPU通信、在存储器芯片之间的存储器信息等。不同类型的通信可以通过波导通道而被一起地发送，但是存在串话和错误通信的风险。用于减轻串话担忧的某些解决方案包括使用时分复用或者波分复用。

图6示意根据本发明的一个实施例的光子波导模块600。波导620被附着到具有通过那里的孔隙650的中板610。如以上讨论的，中板可以具有被附着到多于一侧的计算组件。波导模块可以被配置为通过转向反射镜630的适当定位而在中板的相同侧上或者在中板的不同侧上的计算组件之间引导光束640。光束或者信号640可以在中板的第一侧上的第一计算组件处产生，被从第一转向反射镜反射出去，通过波导，并且被从第二转向反射镜反射出去并且通过中板中的孔隙以到达在中板的第二侧上的第二计算组件。

本发明的优点在于，它能够在不要求对基础中板或者底板进行改变的系统中使用。该模块能够通过如在本技术领域中已知的各种手段而被附着到现有结构，诸如螺钉、粘结剂、磁体、卡扣结构、压入结构等。本发明的优点还在于，它能够被附着到电路板的任何一侧。例如，它可以被配置为附着到四个边缘中的任何一个或者电路板的两个平坦侧面中的任一个。可以在六个侧面中的一个或者多个侧面上在单一电路板上使用多个模块。在带有多个电路板的系统中，单一模块可以将电路板互连。不同的电路板还可以具有被附着于此的、不同的模块。

本发明允许缩小用于计算通信的形状因子以及简化连接。本发明允许更小的刀片和中板。此外，基于可用光子和电子基础设施，光子密度与电的比率通常是26：1。由本发明提供的光学通信能够与当前的现有结构相结合地工作并且增大电通信。例如，刀片间通信已是不可获得的并且不能适合于电气基础设施，但是利用本发明使其成为可能。

虽然前面的实例在一个或者多个具体应用中示意了本发明的原理，但是本领域的普通技术人员将会清楚，无需存在创造能力地，并且在不偏离本发明的原理和概念的情况下，能够在形式、使用和实现细节方面做出多个修改。因而，除了如由在所附阐述的权利要求所限制的之外，并不期望本发明受到限制。

Claims (12)

1.一种计算系统，包括：

被耦合到至少一个电路板的多个计算组件（360）；以及

以可移除方式附着到电路板的光学模块（300），包括：

    光子波导（310），所述光子波导在基板（320）上形成并且具有用于将所述光子波导以可移除方式附着到多个计算组件（360）的附着部；以及

    在所述光子波导内在预设固定位置的多个第一转向反射镜（330），所述转向反射镜被配置为在所述多个计算组件之间引导光束（340）；

其中所述光学模块能够用第二光学模块替换，所述第二光学模块具有在不同于所述多个第一转向反射镜的预设固定位置的预设固定位置的多个第二转向反射镜，并且被配置为引导光束以在所述计算组件之间形成至少一个通信通道。

2.根据权利要求1的计算系统，其中所述多个计算组件被置放在电路板上，并且所述光学模块和所述第二光学模块能够被同时地附着到所述电路板的不同部分。

3.根据权利要求1的计算系统，进一步包括多个第二计算组件，并且其中当所述光学模块被附着到所述多个计算组件时，所述第二光学模块被附着到所述多个第二计算组件。

4.根据权利要求1的计算系统，其中所述多个转向反射镜中的一个或者多个在所述光子波导内具有永久固定的位置。

5.根据权利要求1的计算系统，其中所述多个转向反射镜中的一个或者多个在所述光子波导内能够选择性地重定位以实现不同的配置。

6.一种光学模块（200），包括：

在基板（220）上形成的光子波导（210）；

在所述光子波导内的多个转向反射镜（230），其被配置为在被耦合到计算系统的电路板的两个或者更多计算组件之间引导光束（240）；

多个转向反射镜支撑件（250），其中采用变化的通信配置的所述转向反射镜引导光束以在所述光子波导内的计算组件（260）之间形成至少一个通信通道；

其中所述光子波导能够被以可移除方式附着到计算组件；

其中所述光子波导进一步包括第一光子波导，所述第一光子波导能够用能够被以可移除方式附着的第二光子波导替换，所述第二光子波导具有在所述第二光子波导内被以不同于在所述第一光子波导内的转向反射镜的配置定位的多个转向反射镜；

其中所述光子波导以可移除方式附着到计算系统的电路板。

7.根据权利要求6的光学模块，其中所述转向反射镜能够被以人工方式在所述转向反射镜处重定位。

8.根据权利要求6的光学模块，其中一个或者多个转向反射镜可以被移除或者被添加到所述光子波导以改变光束在所述计算组件之间的通信连接。

9.根据权利要求6的光学模块，其中所述光子波导能够被附着到电路板的任何一侧并且相对于所述电路板的平坦表面被沿着任何方向定向。

10.一种计算系统，包括：

光信号束（340）；

被耦合到至少一个电路板的多个计算组件（360）；

第一光子波导（310），所述第一光子波导具有采用在所述波导内的第一预设配置的多个转向反射镜（330）并且被配置为在所述计算组件中的两个或者更多之间引导所述光信号束；和

第二光子波导，所述第二光子波导具有在所述波导内并且采用不同于所述第一预设配置的第二预设配置的多个转向反射镜，并且被配置为引导第二光信号束以在分别地在所述第一和第二光子波导内的两个或者更多计算组件之间形成多个连接通道；并且

其中所述第一和第二光子波导进一步包括用于以可移除方式附着到所述至少一个电路板的附着部。

11.根据权利要求10的计算系统，其中所述第一和第二光子波导分别地在基本相同的时间提供在不同的计算组件之间的波导功能。

12.根据权利要求10的计算系统，其中所述第一和第二光子波导能够彼此替换以提供不同的计算功能。