CN1212058A - 光学互连器 - Google Patents

Abstract

一种光学互连器由一系列同轴对准的透镜组成。这些透镜沿着一个平面基底(1)是互相分开的,并形成该互连器输入处的一个光学阵列(9)的一些重复的像。各输出端口位在沿着该互连器的不同地点处。包含一个重复的像的每一对透镜都被形成为一个单一物理集成元件(3)。这个元件(3)可以采取一个带有两个球形端面的透明棒的形式。于是每个球形端面提供透镜对中的一个透镜。

Description

光学互连器

本发明涉及一种光学互连系统，特别地涉及一种底板互连器。这种光学底板例如可以在多处理器计算机系统中用作宽带互连器或者在宽带光学通信系统中用于转接开关。

典型地，要求一个底板互连系统能提供许多沿其宽度方向运行的平行数据通道，其中沿其长度方向的不同位置上带有访问点。一些带有接口和信号处理电路的电路卡能在这些不同的访问点处插入到该底板上。当这种互连器应用于例如通信系统中的转接开关这样的复杂系统，则要求它必须能容纳大量的电路卡。在这些情况中，如果采用普通的电底板，那么互连器的有限带宽和通道不同互连器之间的串扰将成为限制系统性能的重要因素。因此已经认识到希望提供一种光学底板来克服这些限制。

过去已经有人建议利用由一些微透镜准直的激光器阵列来构筑光学底板。这提供了访问点所需的灵活性，但由于衍射，沿电路卡宽度方向的通道封装密度受到了限制。这使得可用面积的利用效率降低，而且使互连系统的给定横截面内的通道数随着互连长度的增加而减少。使用单个宏观透镜来代替微透镜阵列使激光器阵列准直可以克服衍射问题，但这时各光束不再平行于光轴，而且需要一个大的接收透镜束收集所有的光。使用一个典型的激光器阵列(例如8×8的器件，125μm的间距，8°的全光束宽度)和一些具有最优焦距的宏观透镜，连接密度仍然小于使用微透镜可达到的密度。

另一个方法是利用像中继系统来克服连接密度随距离加大而减小的问题。某些光学系统可以串接起来产生一个阵列的重复的像。同时把光束限定在一个恒定的包络之内。这种系统的例子已公开于美国专利No.5202567和No.5362961。普通的像中继系统的性能对大量透镜是否能精确对准十分敏感。在上引两个专利所公开的系统中，这个问题是通过把整个透镜系统集成在一个下置的玻璃基底上来解决的。然而这使得制造过程比较复杂，况且这还限制了底板能延展的尺寸。授予Unisys Corporation的美国专利No.5,245,630公开了一种光学互连器，它使用了其间散布有一些发射接收机增强器的一系列同轴对准的GRIN(梯度折射率)透镜。GRIN透镜的光学性质是仅对轴上像才能实现令人满意的中继。对于轴外像，随着像的逐渐向后中继，其分散性将增大。其结果是，对于每一个光源都需要自己的系列的透镜，以使每个光源都可以位在轴上。已经发现，这将使能达到的连接密度被限制到不可接受的程度。

根据本发明的第一个方面，提供了一种光学互连器，它包括：

a)一个光源阵列；

b)以及一个像中继系统，它包括：

ⅰ)多个同轴对准并沿轴向分开的透明棒；

ⅱ)形成在各上述各透明棒上的端面对，每个上述端面都被构成形成一个会聚透镜，并且上述端面对包含了光源阵列的多个重复像中的一个相应的重复像；

ⅲ)位在沿着该光学互连器的一些不同地点处的多个光学访问端口。

本发明提供了一种利用一个像中继系统的光学底板，其中包含像的每个透镜对被结合成单个元件。这单个元件是一个棒状透镜，它的两个球形端面被构形成会聚透镜。这在减少了总元件数目和光学表面数目的同时还固定了其相对对准最为关键的两个透镜的相对位置。同时，与每个光源都需要自己的一个透镜的以往技术不同，这里一个单一透镜系统就可以使整个光源阵列成像。光源阵列可以是只含有一个行光源的线阵，但更一般地它可以含有一个二维阵列。在优选实施例中，光源阵列由半导体激光器的一个集成阵列提供。或者，光源也可以是一个带有光学信号的一个光纤阵列，这些信号产生于光学通信系统中的其他地方。这样，本发明使构筑一个坚实高容量光学底板成为实际可行，该系统具有运载例如5Tbit/s(太比特/秒)数据率的潜在能力，并且不存在与普通电互连器相关连的带宽限制和串扰问题。

上述单一元件最好是一个带有被构形成会聚透镜的两个端面的透明棒。该透明棒最好用折射率大于1.5的玻璃做成，更好是用折射率大于1.7的玻璃做成。

己发现采用高折射率玻璃棒可以减小像中继系统的球差，因此该系统可以增长到最大的长度。

各光学访问端口最好位在上述各单一元件之间的这样一些区域中，在该区域中由系统中继的光束是被一般地准直的。

某些以往对像中继系统的提议建议访问端口位在各透镜的焦点处。然而这要求以十分小的容差精确地对准端口和透镜。本发明采用了位在离开焦点且中继光束被准直的位置处的访问端口，从而保证了在整个系统中容差是比较宽松的。还有一个重要的实际优点，即与该互连器相接口的电路卡的装配精度不需要比普通电底板系统所要求的更高。再一个优点是，访问端口可以设计得电路卡能在不中断互连器上的信号流的情况下插上或取下。

用于光学输入的光学访问端口最好位在互连器的部分路径上，并含有一个双向耦合器。该双向耦合器可以包括一个带有背反射器的分束器。

该互连器最好含有一个刚性基底和在该基底中形成的至少一个长形腔，以容纳和定位多个同轴对准的透镜。该互连器最好含有多个平行的传送路径，每个路径都包括有多个同轴对准的透镜，这时基底最好含有一个相应的平行腔阵列，每个腔对应一行透镜。

该系统除了棒状透镜外还可以含有一些微透镜，这些微透镜用来减小入射到棒状透镜上的光的有效数值孔径，使棒状透镜的直径可以减小。

本发明还包括与根据其第一方面的互连器协同工作的一种像中继系统和一种光学转换开关。

现在将仅以举例的方式通过与以往技术比较并参考附图来详细说明实施本发明的一些系统，在附图中：

图1是示出关于实施本发明的一个系统和以往技术系统的互连密度作为互连长度的函数的图；

图2是一个4f像中继系统的原理图；

图3是对实施本发明的一个系统的光线追踪图；

图4是图3系统的最后像面上的一些光束截面图；

图5是实施本发明的一个光学底板的原理图；

图6是图5底板一部分的透视图；

图7是一个混合光学中继系统的原理图；

图8是与光学底板协同工作的一个网络开关的原理图；

图9是示出一个棒状透镜的轮廓的图；

图10是一个表面发射激光器阵列的平面图。

一个光学互连系统包括一个基底1(图5)和一个安装在基底1中的光学像中继系统2。该中继系统包括一些玻璃棒3。每个玻璃棒3都带有球形端面4、5。虽然为了清楚在图5中仅示出了4个棒，但本例中使用的是10个棒3，这种棒起着一个4f系统的作用，这一术语的来源是，该光学系统的重复单元的长度为透镜焦距的4倍，如图2所示。图2中所示的各个分立的透镜元件在本实施例中被棒3的球形端面取代。

图9示出了一个玻璃棒3的轮廓。在本例子中，该玻璃棒是用Schott公司生产的SF11玻璃做成的，该玻璃在760nm处有均匀的折射率1.767。棒的长度为30.83±0.08mm，直径为5.00±0.08mm，对中误差≤0.08mm。端面4、5的球形表面半径为6.72±0.08mm。在另一个第二例中，各个棒是用Schottw公司生产的LaSF9玻璃做成的，760nm处的折射率n=1.8348。每个棒的长度为31.17±0.1mm。端面半径都是7.114±0.05mm，棒直径为3.00±0.05mm，对中误差为±0.02mm。

通过互连器传送的光学信号于输入端口6被耦合给光学系统。这包括安装在电路卡上的一个透镜7和安装在底板上的一个带有背反射器81的分束器8。输入端口和其他访问端口中的透镜7用SchottBK7玻璃做成，760nm处的折射率n=1.5116。透镜的中心厚度为1.496mm，表面半径为13.976mm，直径为3.00mm。分束器的光轴与棒3对准。系统的光学输入由一个8×8的半导体激光二极管(SLD)阵列提供。在本例中，SLD是AlGaAs垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。适用于本发明实施例系统的阵列可从美国科罗拉多州Broomfield的Vixel公司购得。使用时，激光器阵列安装在电路卡上的一个刚性终端组件内，该组件还含有透镜7和反射镜M。该终端组件可调整地安装在电路卡上，以提供一定范围的角度。调整阵列9沿着互连器的两个方向播送数据。在光束被准直的棒状透镜之间的各个区域中，其他的分束器分接出这些光学数据，供其他电路卡接收。

如图6所示，各个棒状透镜和分束器位在一个例如用钢做成的刚性基底的一些通道61中。终端组件(为了清楚在图6未示出)外壳的端部可以布置得与各通道之间的连接部分62相紧贴，以帮助访问端口相对于底板的精确角对准。各个电路卡与普通底板系统中的一样，由周边外壳内表面上的一些凹槽支持定位。

所示的系统除了能容纳带有输入激光器阵列的那个电路卡之外，还能容纳10个电路卡。类似地，其他电路卡上的发射器也能在该平行系统上播送数据。如果所有的分接分束器都有相同的反射率0.1，则在最坏的情况下分束器损耗也是可接受的18dB。通过根据分束器的位置来设计分接反射率，并且在不需要完全连接时删去一些分束器，可以减少损耗。虽然本例中的系统具有“一对多”的布局，但也可以来用各种其他布局，包括例如“多对一”布局，这时除了一个电路卡之外所有其余电路卡都带有一个通过各自的访问端口与互连器相耦合的激光器阵列，而那一个电路则带有一个探测器阵列。图10示出激光器阵列的表面布局。在该图中，接触电极用代号101、102表示，发射表面用代号103表示。

对于调制在1Gbit/s(吉比特/秒)上的8×8激光阵列，每个像中继系统的运载容量为64Gbit/s。由于透镜棒的直径只有3mm，一个底板能容易地容纳例如80个系统，给出5Tbit/s的总容量。可以用封装更密的阵列或更窄的光束发散角来得到更高的容量。具有这样容量的底板与新的“芯片到芯片”互连器相结合，不仅使得能构筑更大的转接开关，而且给开关设计者带来了更多的自由度。图8原理性地示出结合了光学底板82的一个网络开关81。备用互连容量的存在将会减少阻塞的概率和允许使用较简单的体系结构。该互连器的高容量还使它适用于作为多处理器计算机系统基础结构的一部分，在该情形下每个电路卡带有一个或几个微处理器。

如图3所示，从激光器阵列出发的光线追踪表明，在0.5m的距离上经过了10个相同的中继单元之后，像差是可以接受的。光束被限制在小于3mm的直径内，给出与距离无关的互连密度700通道/平方厘米。这在图1中由曲线(c)表示，作为对比，曲线(a)给出一个微透镜阵列在750mm处的连接密度，曲线(b)给出一个宏观透镜系统的连接密度。实施本发明的系统的容量在大于10cm的范围内超过了准直光束系统的容量，这个区域是光学互连明显优于电子互连的区域。

以前曾有人建议采用微透镜/宏观透镜混合系统。这一方法可以在实施本发明的系统中使用。如图7原理性地示出的，两个8×8的微透镜阵列分别被放置在像中继系统的输入和输出处，即靠近激光器阵列和探测器阵列处。这减小了光束的数值孔径，从而允许棒状透镜的直径相应地减小。微透镜在带有普通宏观透镜的混合系统中的应用在J.Jahns等人的论义“Parallel optical interconnections usingsurface-emitting microlasers and a hybrid imaging system(利用表面发射微激光器和一个混合成像系统的并行光学互连)”(IEEE夏季智能像素专题会议论文集，1992，pp71-72中有所说明。制作微透镜阵列的方法在F.A.P.Tooley等人的论文“Fabrication,assessment andmodelling of microlens arrays(微透镜阵列的制作、评价和建模)”(IEEE夏季智能像素专题会议论文集，1992，pp69-70)中有所说明。

Claims (12)

1、一种光学互连器，它包括：

a)一个光源阵列；

b)以及一个像中继系统，它包括：

ⅰ)多个同轴对准且沿轴向分开的透明棒；

ⅱ)形成在上述各透明棒上的端面对，每个上述端面都被构成形成一个会聚透镜，并且上述端面对包含了该光源阵列的多个重复像中的一个相应的像；

ⅲ)位在沿着光学互连器的不同地点处的多个光学访问端口。

2、根据权利要求1的光学互连器，其中的透明棒用折射率大于1.5的玻璃做成。

3、根据权利要求2的光学互连器，其中的折射率大于1.7。

4、根据前述各权利要求项中任一项的互连器，其中的光学访问端口(6)位在被系统中继的光束是一般地准直的区域中的上述单一元件之间。

5、根据前述各权利要求项中任一项的互连器，其中用于光学输入的光学访问端口(6)位在沿着互连器的部分路径上并含有一个双向光学耦合器。

6、根据权利要求5的互连器，其中的双向耦合器包括一个含有一个面对着输入光学信号的背反射器的分束器(8)。

7、根据前述各权利要求项中任一项的互连器，它含有一个刚性基底(1)和至少一个形成在该基底中用于容纳和定位多个同轴对准的透镜的长形腔(10)。

8、根据前述各权利要求项中任一项的互连器，它含有多个平行的传送路径，每个路径都包括多个同轴对准的透镜。

9、根据前述各权利要求项中任一项的互连器，它还包括一些位在互连器的光学输入与相邻的一个上述单一元件(3)之间并安排得能减小入射到上述单一元件上的光束的有效数孔径的微透镜。

10、一种含有一个像中继系统的光学互连器，它包括：

a)多个同轴对准的透镜，它们沿着轴向分开并设计得能使互连器的一个光学输入形成一些重复的像，上述多个同轴对准的透镜被成对地形成为一些单一物理集成的元件，每个上述信号物理集成元件都包括一个其两端面被构形成会聚透镜的透明棒；以及

b)位在沿着该光学互连器的不同地点处的多个光学访问端口。

11、一种像中继系统，它用于根据权利要求1至10中任一项的光学互连器，该像中继系统包括：

ⅰ)多个同轴对准并沿轴向分开的透明棒；

ⅱ)形成在上述各透明棒上的端面对，每个上述端面都被构成一个会聚透镜，并且在使用时每个上述端面对包含了一个光源阵列的多个重复像中的一个相应的像；

ⅲ)位在沿着该像中继系统的不同地点处的多个光学访问端口。

12、一种用于宽带网络的开关，它含有一个根据前述各权利要求项中任一项的互连器。

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