DE112008003653T5

DE112008003653T5 - Optische Freiraumverbindung

Info

Publication number: DE112008003653T5
Application number: DE112008003653T
Authority: DE
Inventors: Huei Pei Palo Alto Kuo; Robert Palo Alto Walmsley
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2011-01-13
Also published as: CN101983347A; US20100296820A1; JP5205473B2; CN101983347B; KR20100110381A; KR101395169B1; WO2009096927A1; JP2011512729A

Abstract

Ein System, das folgende Merkmale aufweist:
ein erstes Array, das mit einem ersten Teilsystem gekoppelt ist, wobei das erste Array Sender aufweist, die jeweils optische Signale erzeugen, die durch freien Raum zu einem zweiten Teilsystem übertragen werden;
eine erste Linse, durch die die Mehrzahl der optischen Signale verläuft;
ein erstes Befestigungssystem, das die erste Linse an das erste Teilsystem anbringt;
ein zweites Array, das mit einem zweiten Teilsystem gekoppelt ist, wobei das zweite Array Empfänger enthält, die jeweils den optischen Signalen entsprechen;
eine zweite Linse, durch die die Mehrzahl der optischen Signale verläuft, wobei die erste Linse und die zweite Linse zusammen eine telezentrische Linse bilden, die ein Bild des ersten Arrays auf dem zweiten Array erzeugt;
ein zweites Befestigungssystem, das die zweite Linse an dem zweiten Teilsystem anbringt, wobei zumindest entweder das erste Befestigungssystem oder das zweite Befestigungssystem dynamisch die angebrachte Linse bewegt,...

Description

Hintergrund
Eine Signalübertragung mit hoher Datenrate ist bei vielen Systemen ein Problem. Aktuelle Serversysteme verwenden z. B. häufig einen Satz aus vom Benutzer ausgewählten Komponenten, die miteinander bei hohen Datenraten kommunizieren müssen. Bei einem Serversystem, das Blades bzw. Blätter verwendet, sind die Blätter, z. B. Serverblätter und Speicherblätter, in einem gemeinsamen Gehäuse befestigt und verwenden Systemkomponenten gemeinsam, wie z. B. Lüfter, Stromversorgungen und Gehäuseverwaltung. Damit die Blätter zusammenarbeiten und die gewünschte Datenspeicherung, -verarbeitung und -kommunikation liefern, muss das Serversystem Kommunikationskanäle mit hoher Datenrate für eine Kommunikation zwischen den Blättern bereitstellen.
Datenkanäle, die eine elektrische Signalgabe verwenden, benötigen allgemein elektrische Hochfrequenzsignale, um hohe Datenübertragungsraten zu liefern, und die Hochfrequenzoszillationen können Impedanz- und Rauschprobleme für elektrische Signale darstellen, die über Leiter übertragen werden, wie z. B. Kupferdrähte. Datenkanäle, die eine optische Signalgebung verwenden, können viele dieser Probleme vermeiden, aber eine geleitete, optische Signalgebung kann komplexe Wellenleiter erfordern und/oder den Umgang mit losen optischen Kabeln oder Bändern. Die optischen Kabel oder Bänder können Raum- und Zuverlässigkeitsprobleme bei Systemen einführen, wie z. B. Servern. Eine optische Freiraumsignalgebung vermeidet Impedanz- und Rauschprobleme, die elektrischen Signalen zugeordnet sind, und vermeidet den Bedarf nach Wellenleitern oder optischen Kabeln. Die Verwendung von optischen Freiraumdatenkanälen jedoch in einem System, wie einem Server, erfordert allgemein die Fähigkeit, einen optischen Sender und einen optischen Empfänger präzise auszurichten, und die Fähigkeit, die Ausrichtung in einer Umgebung beizubehalten, die mechanische Schwingungen und thermische Abweichungen erfahren kann. Die Herausforderungen der Einrichtung und Beibehaltung der Ausrichtung von optischen Freiraumdatenkanälen können sich vervielfachen, wenn mehrere optische Datenkanäle benötigt werden. Dementsprechend werden Systeme und Verfahren zum ökonomischen und effizienten Einrichten und Beibehalten von mehreren optischen Freiraumkanälen benötigt.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein optisches System mehrere optische Freiraumsignale für Datenkommunikationen ausrichten und bereitstellen. Ein Ausführungsbeispiel des Systems umfasst ein erstes Array in einem ersten Teilsystem und ein zweites Array in einem zweiten Teilsystem. Das erste Array enthält Sender, die jeweils optische Signale erzeugen, die durch eine erste Linse, Freiraum und eine zweite Linse übertragen werden, um das zweite Array in dem zweiten Teilsystem zu erreichen. Das zweite Array enthält Empfänger, die jeweils den optischen Signalen entsprechen, und die erste Linse und die zweite Linse bilden zusammen eine telezentrische Linse, die ein Bild des ersten Arrays auf dem zweiten Array erzeugt. Das erste und zweite Befestigungssystem bringen jeweils die erste und die zweite Linse an dem ersten und zweiten Teilsystem an, und zumindest eines der Befestigungssysteme bewegt die angebrachten Linsen oder ein anderes optisches Element dynamisch, um das Bild des ersten Arrays in einer ausgerichteten Position auf dem zweiten Array beizubehalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Serversystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ausrichtungstolerante Freiraumdatenkanäle für eine Kommunikation zwischen Systemebenen oder -blättern einsetzt.
2 stellt ein System dar, das mehrere, parallele optische Kommunikationskanäle mit gemeinschaftlich verwendeten Kollimations- und Ausrichtungssystemen verwendet.
3A und 3B stellen dar, wie das Kippen einer optischen Platte Strahlen verschiebt.
4A, 4B, 4C und 4D stellen die Bewegungen eines Bildes dar, die aus der Bewegung oder Fehlausrichtung von Linsen resultieren, die eine telezentrische Linse bilden.
5 ist eine Draufsicht eines Empfängerarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Serversystems, das optische Mehrkanalkommunikationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet.
Die Verwendung derselben Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.
Detaillierte Beschreibung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein telezentrisches, optisches System mit einem ersten Satz aus Elementen benachbart zu einem Senderarray und einem zweiten Satz aus Elementen benachbart zu einem Empfängerarray mehrere optische Freiraumkommunikationskanäle in Ausrichtung für Kommunikationen mit hoher Datenrate sogar bei einem Mehrplatinensystem beibehalten, das Schwingungen und thermischen Änderungen unterliegt. Alle optischen Signale verlaufen parallel durch optische Fokussierungselemente, so dass das optische System ein Bild des Senderarrays auf dem Empfängerarray erzeugt. Eine Telezentrizität des optischen Systems vermeidet eine Bildverzerrung und liefert Toleranz, die die Bilder der Sender auf photoempfindlichen Bereichen von Detektoren für einen Bereich aus Abständen zwischen dem Senderarray und dem Empmngerarray hält. Ein dynamisches Ausrichtungssteuerungssystem kann die optischen Elemente bewegen, um das Bild des Senderarrays senkrecht zu der optischen Achse zu verschieben, wie es erforderlich ist, um die Kommunikationskanäle ausgerichtet zu halten, trotz Schwingungen und thermischen Änderungen in der Umgebung, in der die Kommunikationskanäle beibehalten werden.
1 stellt ein Serversystem 100 dar, das Kommunikationskanäle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzt. Das System 100 umfasst einen Satz aus Blättern 110, die auf einer gemeinschaftlich verwendeten Rückwandplatine 120 befestigt sind. Zusätzliche Komponenten 130, wie z. B. Leistungsversorgungstransformatoren und Lüfter, können ebenfalls mit der Rückwandplatine 120 verbunden sein, und die gesamte Anordnung wäre üblicherweise in einem gemeinschaftlich verwendeten Gehäuse enthalten (nicht gezeigt). Eine Benutzerschnittstelle und Buchsen für externe Verbindungen mit dem Serversystem 100 können durch das gemeinschaftlich verwendeten Gehäuse geliefert werden.
Einige oder alle Blätter 110 in dem System 100 können im Wesentlichen identisch oder von unterschiedlichem Entwurf sein, um unterschiedliche Funktionen auszuführen. Zum Beispiel können einige Blätter 110 Serverblätter oder Speicherungsblätter sein. Jedes Blatt 110 umfasst ein oder mehrere Teilsysteme 112, die die bestimmten Funktionen des Blattes 110 implementieren. Teilsysteme 112 können auf einer oder auf beiden Seiten jedes Blattes 110 auf die Weise befestigt sein, wie Komponenten auf einer gedruckten Schaltungsplatine, oder Blätter 110 können Gehäuse mit Teilsystemen 112 im Inneren des Blattes 110 umfassen. Typische Beispiele solcher Teilsysteme 112 umfassen Festplatten oder andere Datenspeicherungs- und Prozessorteilsysteme, die herkömmliche Computerkomponenten enthalten, wie z. B. Mikroprozessoren, Speicherbuchsen und Integrierte-Schaltung-Speicher. Teilsysteme 112 und die allgemeinen Merkmale von Blättern 120 können herkömmliche Typen sein, die für Serversysteme bekannt sind, die Blattarchitekturen verwenden, wie z. B. die C-Klasse-Architektur von Serversystemen, die handelsüblich von der Hewlett-Packard Company erhältlich sind.
Jedes Blatt 110 umfasst zusätzlich ein oder mehrere Arrays aus optischen Sendern 114 und ein oder mehrere Arrays aus optischen Empfängern 116. Jedes Senderarray 114 ist auf einem Blatt 110 positioniert, um nominell mit einem entsprechenden Empfängerarray 116 auf einem benachbarten Blatt 110 ausgerichtet zu sein, wenn die Blätter 110 ordnungsgemäß auf der Rückwandplatine 120 befestigt sind. Bei einer typischen Konfiguration für das Serversystem 100 können ungefähr 5 cm Freiraum zwischen dem entsprechenden Senderarray 114 und dem Empfängerarray 116 sein, und jedes Empfängerarray 116 kann einer translatorischen Fehlausrichtung im Bereich von ungefähr 500 bis 1.000 μm und einer Winkelfehlausrichtung von bis zu 1,5° relativ zu dem zugeordneten Senderarray 114 unterliegen, aufgrund von Abweichungen bei der mechanischen Befestigung der Blätter 110. Zusätzlich dazu kann die Ausrichtung der Sende-/Empfangsgeräte 114 und 116 Abweichungen im Bereich von 40 bis 50 μm und bis zu 2° aufgrund von Herstellungstoleranzen, Temperaturabweichungen und/oder mechanischen Schwingungen unterliegen, z. B. aus der Operation von Lüftern oder Festplatten.
Jedes Senderarray 114 umfasst ein Array aus Lichtquellen oder Emittern, wie z. B. Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern (VCSELs) oder lichtemittierenden Dioden (LEDs), die in oder auf einem Chip einer integrierten Schaltung integriert sein können. Jede Lichtquelle in dem Array 114 emittiert einen Strahl 118, der unabhängig moduliert werden kann, um Daten zur Übertragung bei einer hohen Datenrate zu codieren, z. B. ungefähr 10 GB/s.
Jedes Empfängerarray 116 umfasst allgemein ein Array aus Detektoren, z. B. Photodioden, wobei jede Photodiode einen lichtempfindlichen Bereich einer Größe aufweist, die gemäß der Datenrate des Signals ausgewählt ist, das an der Photodiode empfangen wird. Für eine Datenrate von 10 GB/s oder größer muss die Breite des lichtempfindlichen Bereichs im Allgemeinen geringer sein als ungefähr 40 μm.
Ein optisches System 115 befindet sich benachbart zu jedem Senderarray 114. Wie nachfolgend weiter beschrieben wird, bilden zumindest einige der optischen Elemente in dem System 115 einen Teil einer telezentrischen Linse, die gemeinschaftlich durch alle optischen Signale verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das optische System 115 dynamisch und umfasst ein oder mehrere optische Elemente in Befestigungen, die in der Lage sind, die optischen Elemente so zu bewegen, dass ein Steuersystem die Richtung oder Position der Strahlen von dem Senderarray 114 einstellen kann. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das optische System 115 während des Betriebs fest, und ein optisches System 117, das dem zugehörigen Empfängerarray 116 zugeordnet ist, stellt sich dynamisch während der Übertragungen auf den optischen Datenkanälen ein, um die Sender-Empfänger-Ausrichtung beizubehalten. Im Allgemeinen können beide optischen Systeme 115 und 117 dynamisch sein.
Ein optisches System 117 befindet sich benachbart zu jedem Empfängerarray 116. Jedes optische System 117 enthält optische Elemente, die, wenn sie mit optischen Elementen in dem zugehörigen optischen System 115 kombiniert werden, eine telezentrische Linse bilden, vorzugsweise sowohl bildseiten- als auch Objektseiten-telezentrisch, und die telezentrische Linse erzeugt ein Bild des Senderarrays 114 auf dem Empfängerarray 116. Folglich empfangen Detektoren in dem Empfängerarray 116 jeweilige optische Signale 118 von den Emittern in dem Senderarray 114. Die Telezentrizität, die durch ein Paar aus Systemen 115 und 117 bereitgestellt wird, macht die optischen Kommunikationskanäle zwischen einem Senderarray 114 und einem Empfängerarray 116 tolerant im Hinblick auf Abweichungen bei der Trennung bzw. dem Abstand zwischen dem Senderarray 114 und dem Empfängerarray 116, d. h. tolerant für eine Bewegung entlang der optischen Achse der telezentrischen Linse.
Das optische System 117 kann dynamisch einstellbar sein und ein oder mehrere optische Elemente in Befestigungen enthalten, die in der Lage sind, die optischen Elemente während einer Datenübertragung durch die optischen Datenkanäle zu bewegen. Im Allgemeinen muss das optische System 117 dynamisch einstellbar sein, bei Ausführungsbeispielen, wo das entsprechende optische Sendersystem 115 fest ist, aber dynamisch einstellbar zu sein ist optional für das optische System 117 bei dem Ausführungsbeispiel, bei das entsprechende optische Sendersystem 115 dynamisch einstellbar ist. Steuersysteme bei dem optischen System 115 und/oder optischen Systemen 117 können betrieben werden, um die Positionen von einem oder mehreren optischen Elementen in den optischen Systemen 115 und/oder 117 einzustellen. Jegliche eingerichteten Kommunikationen, die zwischen Blättern 110 eingerichtet sind, können verwendet werden, um eine dynamische Operation von optischen Systemen 115 und 117 zu koordinieren, z. B. um Ausrichtungsdaten von dem Empfängerarray 114 zu einem Servosteuerungssystem für das optische System 117 zu übertragen. Die Ausrichtungsdaten können z. B. auf einem elektrischen Kanal mit niedrigerer Datenrate getragen werden oder als Teil der Daten auf jeglichem optischen Kanal zwischen den Blättern 110. Das Übertragen von Ausrichtungsdaten kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung unnötig sein, wo das optische System 115 fest ist und nur das optische System 117 eine dynamische Ausrichtung ausführt. Eine Strahlsteuerung von dem optischen Senderseitensystem 115 kann jedoch einen geometrischen Vorteil liefern, der die Verwendung von kleineren (und daher kostengünstigeren) optischen Elementen in dem optischen System 117 erlauben kann, als sie erforderlich wären, wenn das optische System 117 allein die Fehlausrichtung korrigieren würde.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems 200, das mehrere optische Kommunikationskanäle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert. Das System 200 umfasst ein Senderarray 114 mit einem zugeordneten, optischen System 115 und ein Empfängerarray 116 mit einem zugeordneten, optischen System 117, wie z. B. Bezug nehmend auf 1 beschrieben wurde. Das optische System 115 bei dem Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, umfasst eine Platte 210 und eine Linse 220, die in einer aktiven/dynamischen Befestigung 230 gehalten sind. Die dynamische Befestigung 230 unterliegt der Steuerung eines Sendersteuerungssystems 240, das bestimmt, wie die optischen Elemente 210 und 220 während der Operation der optischen Datenkanäle bewegt werden. Das optische Empfängersystem 117 enthält auf ähnliche Weise eine Platte 260 und eine Linse 270, die in einer aktiven/dynamischen Befestigung 280 gehalten sind, und ein Empfängersteuerungssystem 290 steuert die Befestigung 280, um die optischen Elemente 260 und 270 zu bewegen. Vorausgesetzt, die Arrays 114 und 116 sind drehmäßig ausgerichtet, können die Steuersystem 240 und 290 die optischen Elemente 210, 220, 260 und 270 bewegen, um eine Ausrichtung für eine optische Kommunikation mit hoher Datenrate beizubehalten.
Die optischen Systeme 115 und 117 arbeiten zusammen, um als eine telezentrische Linse zu wirken, die ein Bild eines Senderarrays 114 in der Ebene des Empfängerarrays 116 erzeugt. Bei einer ordnungsgemäßen Ausrichtung wird das Senderarray 114 auf das Empfängerarray 116 so abgebildet, dass Lichtquellen in dem Senderarray 114 mit Detektoren in dem Empfängerarray 116 zusammenfallen. 2 stellt ein Beispiel dar, wo die Struktur bzw. das Muster der Detektoren in dem Empfängerarray 116 relativ zu der Struktur der Lichtquellen in dem Senderarray 114 umgekehrt ist, da die kombinierten optischen Systeme 115 und 117 das Bild des Senderarrays 114 umkehren. Ferner weisen bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel die lichtempfindlichen Bereiche in dem Empfängerarray 116 denselben Abstand auf wie die Lichtquellen in dem Senderarray 114, und die telezentrische Linse weist eine einfache (d. h. 1x-)Vergrößerung auf. Alternativ kann die Vergrößerung der telezentrischen Linse ausgewählt sein, um die Größe des Bildes des Senderarrays 114 zu vergrößern oder zu reduzieren, um mit der Größe des Empfängerarrays 116 übereinzustimmen.
Die Größe und die Vergrößerung des Bildes des Senderarrays 114 ändert sich nicht wesentlich mit dem Abstand zwischen den Arrays 114 und 116, da das kombinierte, optische System telezentrisch ist. Dementsprechend, wenn Schwingungen oder thermische Änderungen verursachen, dass sich das Senderarray 114 oder Empfängerarray 116 in der Z-Richtung in 2 bewegt, ändert sich die Größe des Bildes des Senderarrays 114 auf dem Empfängerarray 116 nicht. Telezentrische Linsen sind ferner frei von vielen Arten der Verzerrung, wie z. B. Feldverzerrung. Als Folge bleibt die Größe und Beabstandung von beleuchteten Bereichen konstant, und mehrere Kanäle bleiben ausgerichtet, solange die Mitte des Bildes auf der Mitte des Empfängerarrays 116 zentriert bleibt und das Bild drehmäßig mit dem Empfängerarray 116 ausgerichtet ist. Das Fehlen von oder Reduzieren von Koma oder einer anderen Verzerrung reduziert das Nebensprechen, das durch Licht aus einem optischen Signal verursacht wird, das in den Detektor für ein anderes optisches Signal leckt. Optional, um Rauschen oder Nebensprechen weiter zu verringern, kann eine Apertur 250 zwischen optischen Systemen 115 und 117 eingefügt sein, idealerweise wo die Fokussierungswirkungen des optischen Systems 115 verursachen, dass sich die optischen Signale kreuzen. Separate Aperturen (nicht gezeigt) könnten ebenfalls oder alternativ jeweils um die Detektoren in dem Empfängerarray 116 vorgesehen sein.
Befestigungen 230 und 280 bewegen ein oder mehrere der optischen Elemente 210, 220, 260 und 270, um die Mitte des Bildes des Senderarrays 114 mit der Mitte des Empfängerarrays 116 auszurichten. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel enthält die Befestigung 230 oder 280 eine mechanische Struktur, die in der Lage ist, die Platte 210 oder 260 zu kippen und die Linse 220 oder 270 in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Systems zu verschieben, z. B. in einer X-Y-Ebene in 2.
Das Kippen entweder von Platte 210 oder 260 verschiebt den Ort des Bildes in der X-Y-Ebene um einen Betrag, der von der Dicke der Platte 210 oder 260, dem Brechungsindex der Platte 210 oder 260 und dem Betrag des Kippens abhängt. 3A und 3B stellen die Wirkung des Kippens einer Platte relativ zu der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls dar. Genauer gesagt verläuft ein Strahl 310, der senkrecht zu den Oberflächen einer Platte 320 ist, direkt durch die Platte 320, ohne Ablenkung, wie in 3A gezeigt ist. Wenn die Platte relativ zu der Richtung eines Strahls 315 gekippt wird, wie in 3B gezeigt ist, wird der Strahl um eine Distanz Δ abgelenkt, die ungefähr gleich T(1 – 1/n)sinθ ist, wenn die Platte 320 um einen kleinen Winkel θ gekippt wird, T die Dicke der Platte ist und n der Brechungsindex der Platte ist. Wenn die Befestigungen 230 und 280 das Kippen der Platte 210 oder 260 um zwei senkrechte Achsen ermöglichen, kann das Bild des Senderarrays 114 in jeglicher Richtung in der X-Y-Ebene verschoben werden.
Das Verschieben oder Kippen von einer oder beiden Linsen 220 und 270 kann auch das Bild des Senderarrays 114 verschieben. 4A, 4B, 4C und 4D stellen dar, wie das Verschieben einer Komponentenlinse den Ort eines Bildes verschiebt. Genauer gesagt zeigt 4A eine Konfiguration, wo zwei Linsen 410 und 420 eine gemeinsame optische Achse aufweisen, die durch die Mitte eines Objekts 430 verläuft. Ein Bild 440, das durch die Kombination der Linsen 410 und 420 erzeugt wird, ist ebenfalls auf der gemeinsamen optischen Achse der Achsen der Linsen 410 und 420 zentriert. Wenn eine oder mehrere Linsen senkrecht zu ihrer optischen Achse translatorisch bewegt werden, wird das Bild senkrecht zu dem Abstand zwischen den Linsen translatorisch bewegt. Zum Beispiel sind in 4B beide Linsen 410 und 420 um einen gleichen Betrag abwärtsverschoben, so dass ihre optischen Achsen ausgerichtet bleiben, aber entlang einer Unterkante des Objekts 430 verlaufen. Ein resultierendes Bild 442 ist relativ zu dem Bild 440 aus 4A abwärtsverschoben. Genauer gesagt, wenn das Objekt 430 um einen Betrag Δo von der optischen Achse der Linsen 410 und 420 versetzt ist, ist das Bild 440 um eine entsprechende Distanz Δi = MΔo verschoben, wobei M die Vergrößerung des optischen Systems ist, das die Linsen 410 und 420 umfasst. Für viele Linsensysteme würde die Verschiebung eine Bildverzerrung und Koma verursachen, aber es besteht keine Bildverzerrung oder Koma für das System von 4B, da bei einem telezentrischen System die Hauptstrahlen von dem Objekt 430 normal zu der Bildebene landen.
4C stellt die Auswirkung dar, wenn eine Komponentenlinse 420 z. B. außeraxial zu der anderen Linse 410 ist. Der relative Versatz der Komponentenlinsen 410 oder 420 verschiebt ein Bild 444 in der X-Y-Ebene relativ zu dem Objekt 430, wie gezeigt ist. Diese Wirkung kann verwendet werden, um die Ausrichtung des Bildes zu dem Ort des Empfängerarrays zu korrigieren. Wenn z. B. eine Wirkung, wie z. B. die Winkelfehlausrichtung des Sender und Empfängers verursacht, dass das Bild 440 (4A) von dem Empfängerarray versetzt ist, kann die Linse 420 (oder Linse 410) relativ zu dem Empfängerarray verschoben werden, um das Bild 442 in die ausgerichtete Position zu verschieben. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass der relative Versatz das Bild 442 auf der optischen Achse der Linse 420 zentriert lässt. Wenn dementsprechend ein Senderarray auf der Linse 410 zentriert ist und ein Empfängerarray auf der Linse 420 zentriert ist, bleibt das Bild des Senderarrays auf dem Empfängerarray, auch wenn die optischen Achsen der Linsen nicht ausgerichtet sind. Das optische System ist somit sehr tolerant für Translationsversätze zwischen der Sender- und Empfängerplatine. Zusätzlich dazu bleibt das Linsensystem insgesamt ungefähr telezentrisch, so dass Koma und Bildverzerrung zu einem hohen Grad vermieden werden.
4D stellt die Wirkung einer Linse 420 dar, die relativ zu der anderen Linse 410 gekippt ist. Das Kippen kann bei dem Serversystem 100 aus 1 z. B. resultieren, wenn die Blätter 110 nicht parallel zueinander sind, z. B. aufgrund von festen Differenzen bei der Befestigung der Blätter 110 oder zeitlich variierenden Schwingungen der Blätter 110. Wie in 4D dargestellt ist, verschiebt das Kippen den Ort des Bildes 446 relativ zu der optischen Achse der gekippten Linse 420. Zum Beispiel wird für ein Kippen, das in 4D dargestellt ist, das Bild 446 aufwärts relativ zu der optischen Achse der Linse 420 um eine Distanz von ungefähr f·sinθ verschoben, wobei f die Brennweite ist und θ der Kippwinkel der Linse 420 ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verschieben einer Linse relativ zu dem Sender- oder Empfängerarray den Versatz kompensieren, der durch ein relatives Kippen verursacht wird, und das Bild in die ausgerichtete Position auf dem Empfängerarray bewegen, z. B. um das Bild auf der optischen Achse zu zentrieren. Eine optische Platte könnte alternativ zu diesem Zweck eingesetzt werden.
Das System 200 aus 2 liefert viele Mechanismen zum Verschieben des Bildes des Senderarrays 114 für eine Ausrichtung mit dem Empfängerarray 116. Genauer gesagt kann entweder Platte 210 oder 260 gekippt werden, entweder Linse 220 oder 270 kann verschoben werden, oder jegliche Kombination dieser Bewegungen kann verwendet werden, um das Bild zu verschieben, um eine Ausrichtung zu erreichen oder beizubehalten. Dies erlaubt eine Flexibilität bei dem Entwurf von Servosystemen bei den Befestigungen 230 und 280. Zum Beispiel können große Linsen 220 und 270 für eine bessere optische Qualität und eine leichtere Herstellung und Montage verwendet werden. Die Bewegung der großen und schweren Linsen 220 und 270 kann dann verwendet werden, um eine größere und niedrigere Frequenzfehlausrichtung zu kompensieren, während die Platten 210 und 260 leicht sein können und verwendet werden, um kleinere und höhere Frequenzfehlausrichtungen zu kompensieren. Bei einer anderen Konfiguration könnten die Senderseitenplatte 210 und die Linse 220 verwendet werden, um eine Fehlausrichtung entlang einer Achse zu kompensieren, und die Empfängerseitenplatte 260 und Linse 270 können verwendet werden, um eine Fehlausrichtung entlang einer senkrechten Achse zu kompensieren. Bei einer wiederum anderen Konfiguration können alle Ausrichtungskorrekturen auf einer Seite ausgeführt werden, z. B. der Senderseite. Bei einer wiederum anderen Konfiguration können die Platten 210 und 270 vollständig beseitigt sein, während die Bewegung der Linsen 220 und 260 die Ausrichtung steuert. Diese Entwurfsflexibilität hilft beim Reduzieren der Komplexität der mechanischen Servosysteme bei den Befestigungen 230 und 280.
Egal, welche Servosysteme bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden, können Befestigungen 230 und 280, Steuersysteme 240 und 290 eine Geschlossene-Schleife-Servosteuerung zum elektronischen Messen und Korrigieren der Fehlausrichtung einsetzen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die optische Leistung, die in den Kommunikationskanälen oder in separaten Ausrichtungskanälen empfangen wird, überwacht werden, um zu bestimmen, ob das System falsch ausgerichtet ist, und die erforderliche Korrektur zu bestimmen.
5 ist eine Draufsicht eines Empfängerarrays 500 mit Vorsehungen für analoge Kanäle zur Servosteuerung. Das Empfängerarray 500 kann auf einem integrierten Schaltungschip integriert sein, der Photodioden mit photoempfindlichen Bereichen 510 zum Empfangen von optischen Signalen von digitalen Kanälen mit hoher Datenrate umfasst. Zusätzlich dazu umfasst das Empfängerarray 500 zwei Richtungsdetektoren 520 und 530 für eine Systemausrichtung. Der Richtungsdetektor 520 umfasst vier Photodioden mit photoempfindlichen Bereichen oder Quadranten 521, 522, 523 und 524 und der Richtungsdetektor 530 umfasst auf ähnliche Weise vier Photodioden mit photoempfindlichen Bereichen oder Quadranten 531, 532, 533 und 534. Für den Ausrichtungsprozess emittiert ein Senderarray gepaart mit dem Empfängerarray 500 zwei Strahlen mit relativ breitem Querschnitt, die jeweils auf den Detektor 520 und 530 zentriert sein sollen. Eine Fehlausrichtung des Empfängerarrays 500 und des Senderarrays kann dann aus den Verhältnissen der optischen Leistung oder Intensität bestimmt werden, die in den Quadranten 521, 522, 523 und 524 des Detektors 520 und den Quadranten 531, 532, 533 und 534 des Detektors 530 empfangen werden. Zum Beispiel kann eine ideale Ausrichtung einer Konfiguration entsprechen, wo jeder der vier Quadranten 521, 522, 523 und 524 des Detektors 520 denselben Leistungsbetrag empfängt und jeder der vier Quadranten 531, 532, 533 und 534 des Detektors 530 denselben Leistungsbetrag empfängt. Ein Servosteuerungssystem kann erfassen, wann das Empfängerarray 500 in einer drehmäßigen Ausrichtung ist, wenn die Verhältnisse der Leistung, die in den Quadranten 521, 522, 523 und 524 des Detektors 520 empfangen wird, zu der jeweiligen Leistung, die jeweils in den Quadranten 531, 532, 533 und 534 des Detektors 530 empfangen wird, gleich ist und kann erfassen, dass das Bild des Senderarrays verschoben werden muss, wenn die Leistung, die in den vier Quadranten eines Detektors 520 oder 530 empfangen wird, nicht gleich ist.
6 stellt ein Serversystem gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. In 6 umfasst ein erstes Blatt 600 ein Gehäuse 610, das eine Hauptplatine 620 enthält. Das Gehäuse 610 kann Metall sein und wäre bei aktuellen Serversystemen üblicherweise ungefähr 50 mm breit. Die Hauptplatine 620 weist eine integrierte Elektronik auf, die die Funktion des Blattes 600 implementiert. Eine Tochterplatine 630, die auf der Mutter- bzw. Hauptplatine 620 befestigt ist, implementiert die optischen Freiraumkommunikationskanäle mit einem benachbarten Blatt 600' und anderen Blättern (nicht gezeigt). Ein typischer Abstand zwischen den Blättern 600 und 600' kann ungefähr 50 mm oder mehr sein, z. B. zweimal so viel oder 100 mm, wenn der direkt benachbarte Schlitz für ein Blatt unbenutzt ist.
Senderarrays 640 und Empfängerarrays 650 sind auf der Tochterplatine 630 befestigt und können mit der Hauptplatine 620 durch eine Platine-zu-Platine-Kopfzeile (Header) hoher Bandbreite kommunizieren. Das Senderarray 640 und das Empfängerarray 650 können z. B. in der Struktur des Empfängerarrays 500 aus 5 ausgelegt sein und 14 digitale Datenkanäle mit hoher Bandbreite liefern (z. B. 10 GB/s) und ferner optische Kanäle, die durch Serversteuerungssysteme verwendet werden. Befestigungsstrukturen 660 und 665, die an der Tochterplatine 630 angebracht sind, halten jeweilige Linsen 670 und 675 benachbart zu dem Senderarray 640 bzw. Empfängerarray 665. Die Linsen 670 und 675 können Kunststofflinsen sein, wie z. B. NT46-373, erhältlich von Edmund Optics, und wenn sie miteinander gepaart sind, trennen die Linsen 670 und 675 für ein telezentrisches optisches System, das gemeinschaftlich durch mehrere optische Kanäle verwendet wird, z. B. durch Servokanäle und 14, Datenkanäle hoher Bandbreite. Jede Befestigungsstruktur 660 oder 665 kann Flexuren umfassen und einen oder mehrere Betätiger, wie z. B. Piezo- oder Thermo-Bimorph-Betätiger, der angebracht ist, um die angebrachte Linse 670 oder 675 entlang einer Achse parallel zu der Tochterplatine 630 zu verschieben. Bei dem Ausführungsbeispiel von 6 können die Befestigungsstrukturen 660 die Linsen 670 bewegen, die den Sendern 640 zugeordnet sind, in einer Richtung entlang der Seite von 6, und die Befestigungsstrukturen 665 können die Linsen 675 bewegen, die Empfängerarrays 650 zugeordnet sind, in einer Richtung senkrecht zu der Seite von 6. Dementsprechend kann die Kombination von Bewegungen auf der Senderseite und der Empfängerseite Bildverschiebungen in jeglicher Richtung senkrecht zu dem Abstand zwischen den Blättern 600 und 600' liefern.
Obwohl die Erfindung Bezug nehmend auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, liefert die Beschreibung nur Beispiele der Anwendung der Erfindung und sollte nicht als Einschränkung verstanden werden. Zum Beispiel können Ausführungsbeispiele, die dargestellt sind, dass sie einzelne Linsenelemente umfassen, Verbundlinsen oder andere Mehrfachelementstrukturen einsetzen, um ähnliche Funktionen auszuführen. Ferner, obwohl die dargestellten Beispiele Anwendungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung an Servern und insbesondere zwischen Serverblättern unterstreichen, könnten Ausführungsbeispiele der Erfindung in anderen Systemen eingesetzt werden und insbesondere jeglichem System, das mehrere Schaltungsplatinen einsetzt, die davon profitieren würden, eine optische Kommunikation zwischen oder unter den Schaltungsplatinen zu haben. Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der Ausführungsbeispiele, die offenbart wurden, liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
Ein System, wie z. B. ein Server (100), richtet mehrere optische Freiraumkommunikationssignale aus. Ein Systemausführungsbeispiel umfasst ein erstes Array (114) in einem ersten Teilsystem (110) und ein zweites Array (116) in einem zweiten Teilsystem (110). Das erste Array (114) enthält Sender, die optische Signale erzeugen, die durch eine erste Linse (220), Freiraum und eine zweite Linse (270) zu dem zweiten Array (116) übertragen werden. Das zweite Array (116) enthält Empfänger, und die erste und die zweite Linse (220, 270) bilden eine telezentrische Linse, die ein Bild des ersten Arrays (114) auf dem zweiten Array (116) erzeugt. Befestigungssysteme (230, 280) bringen die erste und die zweite Linse (220, 270) jeweils an dem ersten und zweiten Teilsystem (110) an, und zumindest eines der Befestigungssysteme (230, 280) bewegt die angebrachten Linsen (220, 270) oder ein anderes optisches Element (210, 260) dynamisch, um die Bildausrichtung beizubehalten.

Claims

Ein System, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes Array, das mit einem ersten Teilsystem gekoppelt ist, wobei das erste Array Sender aufweist, die jeweils optische Signale erzeugen, die durch freien Raum zu einem zweiten Teilsystem übertragen werden; eine erste Linse, durch die die Mehrzahl der optischen Signale verläuft; ein erstes Befestigungssystem, das die erste Linse an das erste Teilsystem anbringt; ein zweites Array, das mit einem zweiten Teilsystem gekoppelt ist, wobei das zweite Array Empfänger enthält, die jeweils den optischen Signalen entsprechen; eine zweite Linse, durch die die Mehrzahl der optischen Signale verläuft, wobei die erste Linse und die zweite Linse zusammen eine telezentrische Linse bilden, die ein Bild des ersten Arrays auf dem zweiten Array erzeugt; ein zweites Befestigungssystem, das die zweite Linse an dem zweiten Teilsystem anbringt, wobei zumindest entweder das erste Befestigungssystem oder das zweite Befestigungssystem dynamisch die angebrachte Linse bewegt, um das Bild des ersten Arrays in einer ausgerichteten Position auf dem zweiten Array beizubehalten.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei das System einen Server aufweist, das erste Teilsystem ein erstes Serverblatt aufweist, das zweite Teilsystem ein zweites Serverblatt aufweist und die optischen Signale durch freien Raum zwischen dem ersten Serverblatt und dem zweiten Serverblatt übertragen werden.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner eine Platte aufweist, die an dem ersten Teilsystem durch das erste Befestigungssystem angebracht ist, wobei das erste Befestigungssystem die Platte dynamisch kippt, um das Bild zu positionieren.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner eine Platte aufweist, die an das zweite Teilsystem durch das zweite Befestigungssystem angebracht ist, wobei das zweite Befestigungssystem die Platte dynamisch kippt, um das Bild zu positionieren.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner ein Steuersystem mit geschlossener Schleife aufweist, das zumindest entweder das erste Befestigungssystem oder das zweite Befestigungssystem betreibt, um die angebrachte Linse dynamisch zu bewegen und das Bild des ersten Arrays in einer ausgerichteten Position auf dem zweiten Array beizubehalten.
Das System gemäß Anspruch 5, bei dem das zweite Array ferner einen Richtungsdetektor aufweist, der in dem Steuersystem mit geschlossener Schleife verwendet wird.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Array einen integrierten Schaltungschip aufweist, wobei die Sender jeweilige VCSELs aufweisen, die in dem integrierten Schaltungschip hergestellt sind.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Array einen integrierten Schaltungschip aufweist, wobei die Empfänger jeweilige Photodioden aufweisen, die in dem integrierten Schaltungschip enthalten sind.
Das System gemäß Anspruch 8, bei dem das zweite Array ferner einen Richtungsdetektor aufweist, der in dem integrierten Schaltungschip enthalten ist.
Ein Verfahren zum Senden von Daten von einem ersten Teilsystem zu einem zweiten Teilsystem, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Modulieren einer Mehrzahl von optischen Signalen unter Verwendung eines ersten Arrays in dem ersten Teilsystem; Senden der optischen Signale durch ein erstes optisches System an dem ersten Teilsystem, durch Freiraum zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem und ein zweites optisches System an dem zweiten Teilsystem, zu einem zweiten Array in dem zweiten Teilsystem, wobei das erste optische System eine erste Linse aufweist, durch die alle optischen Signale verlaufen, das zweite optische System eine zweite Linse aufweist, durch die alle optischen Signale verlaufen, und die erste Linse und die zweite Linse zusammen eine telezentrische Linse bilden, die ein Bild des ersten Arrays auf dem zweiten Array erzeugt; und Bewegen von zumindest einem optischen Element in zumindest entweder dem ersten optischen System oder dem zweiten optischen System, um das Bild mit dem zweiten Array für eine Datenübertragung auszurichten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das erste Teilsystem ein erstes Serverblatt in einem Server aufweist und das zweite Teilsystem ein zweites Serverblatt in dem Server aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Bewegen von zumindest einem optischen Element das Bewegen von zumindest entweder der ersten Linse oder der zweiten Linse in einer Richtung senkrecht zu ihrer optischen Achse aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Bewegen von zumindest einem optischen Element das Kippen einer Platte aufweist, durch die alle optischen Signale verlaufen.
Ein System, das folgende Merkmale aufweist: eine erste Schaltungsplatine; ein erstes Array, das auf der ersten Schaltungsplatine befestigt ist, wobei das erste Array Sender enthält, die jeweils erste optische Signale erzeugen, die von der ersten Schaltungsplatine und durch Freiraum übertragen werden; eine erste Linse, durch die die ersten optischen Signale verlaufen; und ein erstes Befestigungssystem, das die erste Linse an die erste Schaltungsplatine anbringt, wobei das erste Befestigungssystem folgende Merkmale aufweist: erste Flexuren, die die erste Linse halten und der ersten Linse ermöglichen, sich in einer ersten Richtung senkrecht zu einer optischen Achse der ersten Linse zu bewegen; und einen ersten Betätiger, der wirksam ist, um die erste Linse in der ersten Richtung zu bewegen.
Das System gemäß Anspruch 14, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine zweite Schaltungsplatine; ein zweites Array, das auf der zweiten Schaltungsplatine befestigt ist, wobei das zweite Array Empfänger enthält, die jeweils den ersten optischen Signalen entsprechen; eine zweite Linse, durch die die ersten optischen Signale verlaufen, wobei die erste Linse und die zweite Linse zusammen eine telezentrische Linse bilden, die ein Bild des ersten Arrays auf dem zweiten Array erzeugt; und ein zweites Befestigungssystem, das die zweite Linse an der zweiten Schaltungsplatine anbringt, wobei das zweite Befestigungssystem folgende Merkmale aufweist: zweite Flexuren, die die zweite Linse halten und der zweiten Linse ermöglichen, sich in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu einer optischen Achse der zweiten Linse zu bewegen; und einen zweiten Betätiger, der betreibbar ist, um die zweite Linse in der zweiten Richtung zu bewegen.
Das System gemäß Anspruch 14, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein zweites Array, das auf der ersten Schaltungsplatine befestigt ist, wobei das zweite Array Empfänger enthält, die jeweils einer Mehrzahl von zweiten optischen Signalen entsprechen, die an der ersten Schaltungsplatine ankommen; eine zweite Linse, durch die die zweiten optischen Signale verlaufen; und ein zweites Befestigungssystem, das die zweite Linse an der Schaltungsplatine anbringt, wobei das zweite Befestigungssystem folgende Merkmale aufweist: zweite Flexuren, die die zweite Linse halten und der zweiten Linse ermöglichen, sich in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu einer optischen Achse der zweiten Linse zu bewegen; und einen zweiten Betätiger, der betreibbar ist, um die zweite Linse in der zweiten Richtung zu bewegen.
Das System gemäß Anspruch 14, bei dem der erste Betätiger einen Bimorph aufweist.