JP2010530715A - ミスアライメント耐性自由空間光学トランシーバ - Google Patents

Abstract

本発明の一態様によれば、システムは送信器と受信器とを有しており、該送信器はビーム源210と光学素子220とを含む。該ビーム源210は、情報を表すビーム212を生成し、ビーム222が断面領域にわたって一様な強度を有するように該光学素子220が該ビーム212を変更する。前記受信器は、該ビーム222が伝搬する自由空間だけ前記送信器から隔てられており、前記受信器は、該受信器が受信信号に変換する該ビーム222の一部を受け取るように位置付けられたアクティブ領域を含む。起こり得るミスアライメントを吸収するために、ビーム222の前記断面領域が、前記受信器の前記送信器とのミスアライメントの範囲を吸収する量だけ前記アクティブ領域よりも広い。

Description

高データレートの信号伝送は、多くのシステムにおける関心事である。例えば、現在のサーバシステムは、多くの場合、協働するラック実装型の構成要素か又はユーザ選択のブレードのセットを使用して、データ記憶、データ処理、及びデータ通信を提供し、個々の構成要素は、多くの場合、所望のシステム性能を提供するために、高データレートで互いに伝達し合う必要がある。ブレードを使用するサーバシステムでは、例えばサーバブレード及びストレージブレードといったブレードが、共通のエンクロージャ内に実装され、冷却ファン、電源、及びエンクロージャ管理等の構成要素を共有する。一般には、ブレード間において伝送されるデータ信号は、一括して高データレート伝送を提供しなければならず、現在の技術では、各データ信号は、約１０Ｇビット／秒以上の帯域幅を有することが可能である。

電気信号は一般に、高データ伝送レートを提供するために高周波数で振動し、該高周波数の振動は、銅線上において伝送される電気信号に対してインピーダンス及びノイズの問題を引き起こす可能性がある。光信号伝達方式は、多くのこれらの問題を回避することができるが、光信号伝達方式は、依然として、複雑な導波路システムを必要とする場合があるか又はルーズな光ケーブルか又は光リボンを扱うことを必要とする場合がある。光信号伝達方式はまた、光学信号と電気信号との間の変換用の回路を必要とし、このような回路を必要とすることが、問題を引き起こす場合がある。例えば、高データレートの光学信号を電子構成要素用の電気信号に変換する受信器は、一般に、該電気信号が高周波数であるために小領域のフォトダイオードを必要とし、該光学信号をフォトダイオードの小領域上に導くには、一般に、高精度で信頼性のあるアライメントシステムを使用する必要がある。配線及び光ファイバか又は導波路に関連したこれらの問題を回避する高データレート信号を伝送するための他の方法及びシステムが求められている。

本発明の一態様によれば、システムは、送信器と受信器とを有し、ここで、該送信器は、ビーム源と光学素子とを含む。前記ビーム源は、情報を表す光ビームを生成する。前記光学素子は、前記ビームがある断面領域にわたってある一様な強度を有するように該ビームを変更する。前記受信器は、前記ビームが伝搬する自由空間ぶんだけ前記送信器から隔てられており、該受信器は、該受信器が受信信号に変換する前記ビームの一部を受け取るよう位置付けられたアクティブ領域を含む。起こり得るミスアライメント（不整合、位置合わせの不一致）に対処するために、前記光ビームの前記断面領域は、前記受信器の前記送信器とのミスアライメントの範囲を吸収（調整）する量だけ前記受信器の前記アクティブ領域よりも広い。

システムプレーン又はシステムブレードの間の通信のためにアライメント耐性自由空間データチャンネルを用いる、本発明の一実施形態によるサーバシステムを示す図である。 光学素子を用いて、アライメント耐性伝送に必要とされる幅にわたって空間的に一様な強度を有したビームを生成する、本発明の一実施形態による自由空間データチャンネルを示す図である。 フォトダイオード及び格子システムを用いて、収集された光学信号の強度を強化する、本発明の一実施形態による自由空間データチャンネルを示す図である。 アライメント耐性光学信号のファンアウト用の反射器を用いる、本発明の一実施形態によるシステムの断面図である。

異なる図内における同じ参照符号の使用は、類似するか又は同一のアイテムを示す。

詳細な説明
本発明の一態様によれば、高データレート信号用の光送信器は、ディフューザのような光学素子を使用して、送信器と、対象となる受信器との間における予期されるミスアライメントを補償するのに十分な領域にわたって一様に自由空間ビームの強度を拡散させることができる。この光学ビームの領域は、典型的には、受信器内のフォトダイオードのサイズと比較して広いものになることとなる。その結果、機械的な振動のためか、或いは熱膨張か又は熱収縮によって引き起こされる変形のために、たとえ送信器と受信器とが、互いにミスアライメントである（位置が一致していない、不整合である）か又は互いに相対して移動するとしても、該フォトダイオードは一様な電力を受け取ることとなる。特定の一実施形態では、互いに大ざっぱに並列に実装されている、サーバ内における回路基板か又はブレード等の別個の構成要素が、自由空間の光学信号を用いて高データレートで通信することができる。

図１は、本発明の一実施形態によるサーバシステム１００を示す。システム１００は、共有バックプレーン１２０上に実装されるブレード１１０のセットを備える。電源トランス及び冷却ファンのような追加的な構成要素１３０もまたバックブレーン１２０に接続されることが可能であり、このアセンブリ全体が、典型的には、共有エンクロージャ（図示せず）内に含まれることとなる。ユーザインターフェースと、サーバシステム１００に対する外部接続用のソケットとを、共有エンクロージャを通じて提供することができる。

システム１００内のブレード１１０のうちの幾つかか又は全ては、ほぼ同一のものとすることができるか、或いは異なる機能を実施する異なる設計のものとすることができる。例えば、幾つかのブレード１１０は、サーバブレードとすることができるか、又はストレージブレードとすることができる。各ブレード１１０は、該ブレード１１０の特定の機能を実現する１つか又は複数のサブシステム１１２を含む。サブシステム１１２を、プリント回路基板上の構成要素の手法で各ブレード１１０の片側か又は両側のいずれかに実装することができるか、或いは、ブレード１１０に、サブシステム１１２を有したエンクロージャを、該ブレード１１０の内部において含めることができる。そのようなサブシステム１１２の典型的な例は、ハードドライブか又は他のデータ記憶装置と、マイクロプロセッサ、メモリソケット、及び集積回路メモリのような従来のコンピュータ構成要素を含むプロセッササブシステムとを含む。サブシステム１１２、及び、ブレード１２０の一般機能は、ヒューレット・パッカード・カンパニー社から市販されているサーバシステムのｃクラスアーキテクチャのようなブレードアーキテクチャを用いるサーバシステムについて既知の従来のタイプのものとすることができる。

各ブレード１１０は、更に、１つか又は複数の光学トランシーバ１１４又は１１６を含む。ブレード１１０がバックプレーン１２０上に適切に実装された時には、隣り合ったブレード１１０上の対応するトランシーバ１１６に名目上位置合わせされることとなるように、各トランシーバ１１４が、ブレード１１０上に位置付けられている。トランシーバ１１４及び１１６は、別様には、互いにほぼ同一のものとすることができる。サーバシステム１００についての典型的な構成では、対応するトランシーバ１１４と１１６との間において約５ｃｍの自由空間が存在する可能性があり、位置合わせされた対のトランシーバ１１４及び１１６の各々が、ブレード１１０の機械的な実装における変動に起因して、約５００μｍ〜１０００μｍのオーダーのミスアライメント（位置合わせの不一致）を被る可能性がある。更には、トランシーバ１１４及び１１６のアライメントは、例えば冷却ファンの動作による、温度変動、及び／又は、機械的振動に起因して、４０μｍ〜５０μｍのオーダーの変動を受ける可能性がある。

各トランシーバ１１４又は１１６の受信器部分は、一般に、伝送された信号のデータレートに従って選択されるサイズの光感知領域を有するフォトダイオードを含む。１０Ｇｂ／ｓ以上のデータレートの場合には、光感知領域の幅は、一般に、直径で約４０μｍ未満である必要がある。一対のトランシーバ１１４と１１６との間の光通信チャンネルは、ミスアライメントにかかわらず一貫した電力をフォトダイオードに対して提供するのに十分な領域にわたって一様な強度を有するビーム１１８を使用することを通じて、ミスアライメントに対する耐性が持たせられる。一例として、送信器における電力が約１ｍＷであり、且つ、受信器の感度が約１０μＷである場合には、送信ビームを１ｍｍ^２に拡大させることができ、受信器は、１０μＷの電力を受け取るために０．１ｍｍ^２の送信ビームを取り込むだけでよい。典型的には、１０Ｇｂｐｓの光検出器は、約４０μｍの受信口径を有するが、受け取り側のレンズのような小型の光学素子は、０．１ｍｍ^２の領域から受け取った電力を集めて、受信器内の光検出器のアクティブ領域内へと合焦させることができる。この例では、光ビームの拡大が、トランシーバ１１４及び１１６における必要とされるアライメント精度を、数μｍ（スローテールを回避するためにビームが光検出器上の小さなスポットに合焦させられる必要があるので）から最大で数百μｍにまで緩和させる。

図２は、本発明の一実施形態による、ミスアライメント耐性光通信チャンネルを実現するシステム２００を示す。システム２００は、ビーム源２１０と光学素子２２０とを備える。該光学素子２２０は、光送信器内とすることができるか、或いは、図１のトランシーバ１１４又は１１６のような光学トランシーバの送信部分内とすることができる。システム２００はまた、フォトダイオード２３０も含む。該フォトダイオード２３０は、光受信器内とすることができるか、或いは、図１のトランシーバ１１６又は１１４のような光学トランシーバの受信器部内とすることができる。

ビーム源２１０は、ビーム２１２を生成する。該ビーム２１２は、送信用のデータをエンコードするために変調させられる。例示的な一実施形態において、ビーム源２１０は、ＶＣＳＥＬのようなレーザダイオードと、必要に応じて該レーザダイオードに対する駆動電力を変動させてビーム２１２の振幅変調を生じさせる駆動回路とを含む。代替的には、音響光学変調器か又は他のデバイスを配置して、レーザダイオードからの一定の電力ビーム内においてデータをエンコードすることもできる。ビーム２１２は、概して、不均一な強度分布を有する。該不均一な強度分布は、ビーム源２１０に特有のものである。例えば、レーザダイオードからの典型的なビーム２１２は、ビーム２１２の中心からの半径距離に対しておおよそガウス依存性のあるエネルギー又は強度分布２１４を有する場合がある。追加的には、ＶＣＳＥＬからのビームの典型的な口径（アパーチャ）数値は約０．３である。

エネルギーを平行にして、ビーム２２２内において該エネルギーを幅Ａ１を有した領域にわたって均等に広げるディフューザとして、光学素子２２０が動作する。ビーム２２２に対する一様な強度分布２２４を生成するのに適切な設計されたディフューザとして動作する回折光学素子は、Thorlabs,Inc及びSuss MicrOptics等のソースを通じて市販されている。しかしながら、光学素子２２０には、代替的には、上部が平坦な強度分布を同様に生成する屈折性光学部品を含めることもできる。例えば、Dickey他著「Beam Shaping: A Review」（Laser Beam Shaping Applications, Dickey, Holswade and Shealy, CRC p. 269〜307）は、微小光学レンズアレイを用いて、入力レーザビームを複数のビームレットに変換すると同時に、球面レンズと組み合わされた第２のレンズアレイが、第１のアレイ内の該ビームレットのそれぞれの画像を、均質化プレーン内へと重ね合わせるシステムを記載している。光学素子２２０によって生成された一様な強度の断面領域は、例えば、円形か、長方形か、又は正方形といった任意の所望の形状とすることができるが、好適には、ビーム源２１０に相対するフォトダイオード２３０のミスアライメント及び／又は移動の予測範囲をカバーするように選ばれる。このような構成によって、たとえフォトダイオードが振動の結果移動した場合であっても、フォトダイオード２３０の光アクティブ領域が、一様なビーム強度の領域内のままとなって、一定のビーム電力を受け取ることとなる。

システム２００は、図１に示されたようなサーバシステム内において適用される時には、約１０Ｇビット／秒でデータを送信することができる。このような周波数において、フォトダイオード２３０は、好適には、例えば、約４０μｍ〜５０μｍのオーダーの幅Ａ２を有した小さな光アクティブ領域を有する。機械的振動、温度変動、及び従来のブレードサーバシステム内において予期される一定のアライメント誤差の結果生じる約４０μｍ〜５０μｍの予期される最大のミスアライメントのために、ビーム２２２は、約１００μｍの幅を有するべきである。この構成において、フォトダイオード２３０は、ビーム２２２内の光電力のうちの約２５％を受け取る。従って、１ｍＷの強度のレーザにより、受信器は、５０μｍのミスアライメントを有したとしても光検出器において約２５０μＷの電力を受け取る。より大きなミスアライメント耐性のために、約１ｍｍの幅にビームを拡大させると、５０μｍの検出器において２．５μＷの受信電力がもたらされることとなるが、受信器においてレンズ２４０を追加することによって、実質的なミスアライメント耐性を依然として提供している間に、より多くの電力を取り込むことが可能になる。一般的には、送信データを検出するために必要とされる受信電力の量を、ミスアライメント耐性とトレードオフさせることができる。

図３は、図２のシステム２００内にあるようなビーム源２１０及び光学素子２２０を用いて、ビーム２２２の断面にわたって一様な強度分布を有したビーム２２２を生成するシステム３００を示しているが、システム３００は、格子構造３５０を更に用いて、ビーム２２２からフォトダイオード２３０内への光の収集を強める。このような格子構造は、既知であり、例えば、Yu他著「Design of Midinfrared Photodetectors Enhanced by Surface Plasmon on Grating Structures」（Appl. Phys. Lett. 89. 115116 (2006)）によって更に説明されている。格子構造３５０は、ビーム２２２をフォトダイオード２３０上に集中させて、より強い信号を提供し、ビーム２２２から浪費される電力を低減させる。

図３内に示されたものと類似した自由空間通信チャンネルが、代替的には、格子構造３５０を用いて、不均一な信号ビームからの信号エネルギーを収集することができる。格子構造３５０の領域が十分であり、且つ、フォトダイオード２３０及びビーム源２１０における予期されるミスアライメントの範囲について、格子構造３５０上に入射する信号ビームの一部が送信データを検出するのに十分であれば、この光学チャンネルは、この場合もまた、ミスアライメントに対する耐性を有することとなる。

図４は、自由空間の光学信号を用いて、第１のシステムプレーン４１０内の送信回路ユニット４１２から、同じシステムプレー４１０内の回路ユニット４１４へか又は別のシステムプレーン４２０内の回路ユニット４２４及び４２６へと通信信号を配送する、本発明の一実施形態によるシステム４００を示す。システムプレーン４１０及び４２０は、図１内に示されたようなサーバシステム内の回路基板、ブレードとすることができるか、或いは、高データレート通信を必要する可能性のある電気回路ユニット４１２、４１４、４２４、及び４２６を備えた構成要素を有した類似のシステム内の回路基板、ブレードとすることができる。システムプレーン４１０及び４２０を、システムプレーン４１０及び４２０が互いにほぼ平行になるように且つバックプレーン４３０に対してほぼ垂直になるように共有ベースか又は共有バックプレーン４３０上に実装することができる。

動作中、システムプレーン４１０内の送信回路ユニット４１２は、ビーム源２１０を制御して、ビーム源２１０が回折素子２２０を通じて送信する光ビーム２１２内の所望のデータをエンコードする。該回折素子２２０は、ビームエネルギーを分散させて、一様な強度のビーム２２２を生成する。該ビーム２２２は、自由空間を通じてシステムプレーン４２０へと送信される。ビーム２２２は、ある領域にわたってある一様な強度を有する。これにより、システムプレーン４２０上のフォトダイオード２３０が、ビーム源２１０及びフォトダイオード２３０における予期されるミスアライメントの範囲で、フォトダイオード２３０の任意の位置について一様な電力を受け取ることとなる。フォトダイオード２３０は、従って、ビーム２２２の一部を受け取って、システムプレーン４２０内の回路ユニット４２４に提供される電気信号へと変換することができ、該電気信号の大きさは、アライメント誤差か又は機械的振動に起因する許容不可能な変動を受けない。機械的振動が、典型的には１ｋＨｚ未満の極めて低い周波数にある一方で、送信データは、数百メガヘルツから数ギガヘルツへか又は数十ギガヘルツへのオーダーであり、従って、送信ビームの一部がフォトダイオード領域の外側にそれない限り、振動に起因するビームの移動は、受け取ったデータを劣化させないこととなる。送信基板からの機械的振動の予測軌道が既知である場合には、格子か又はレンズのいずれかを含む受信口径を、送信ビームの軌道に一致するようパターン形成することができ、従って、アライメント耐性を改善させることができる。

フォトダイオード２３０を取り囲む反射器４３５は、ビーム２２２の一部を、自由空間を通じてシステムプレーン４１０に向けて戻すように反射させるために設計され且つ位置付けられる。フォトダイオード２３０が、ビーム２２２の領域と比較して小さい時には、反射器４３５は、ビーム２２２の大部分をシステムプレーン４１０に戻すように導くことができる。反射器４３５は、平面鏡とすることもできるか、或いは、ビーム２２２を回折素子４４０上へと導く放物面鏡のような合焦素子とすることもできる。回折素子４４０は、フォトダイオード４５０を収容するのに十分な、プレーン４１０上の入射領域にわたって、一様な強度を有する平行ビーム４４２を生成するために位置付けられ且つ設計されているディフューザである。フォトダイオード４５０は次いで、ビーム４４２の一部を、送信回路ユニット４１２からのデータを表す電気信号へと変換することができ、該電気信号をシステムプレーン４１０内の回路ユニット４１４に提供することができる。送信回路４１２から受信ユニット４１４へとデータを中継するための光学ビーム２２２及び４４２を使用することが、例えば数ｃｍ以上のかなり長い距離を、高周波数の電気信号を用いてシステムプレーン４４０内においてデータが仮に送信された場合に生じる可能性のあるインピーダンス及びノイズ問題を回避させる。このように、システム４００は、送信ビームを「再利用」して、データを、システムプレーン４１０の他の部分にか又は別の隣り合ったシステムプレーンにブロードキャストすることができる。「減少（ドロップ）」の量は、ここでもまた、受信器の感度とシステムの損失（ロス）とに依存することとなる。

反射器４５５が、フォトダイオード４５０を取り囲んでおり、その結果、ビーム４４２が反射器４５５に入射する。反射器４５５は、回折光学素子４６０を通じてビーム４４２の一部を反射させるために、必要に応じて平面か又は曲面とすることができる。回折素子４６０は次いで、所望の断面にわたって一様な強度を有するビーム４６２を生成する。その一様な強度の領域は、システムプレーン４２０上の第２のフォトダイオード４７０の相対的なミスアライメントを許容するのに十分なサイズである。フォトダイオード４７０は次いで、ビーム４６２の一部を、送信回路ユニット４１２からのデータを表す電気信号に変換することができ、該電気信号をシステムプレーン４２０内の回路ユニット４２６に提供することができる。

特定の実施形態に関して本発明が説明されてきたが、その説明は、本発明の用途の一例にすぎず、限定として受け取られるべきではない。開示した実施形態の特徴の様々な適合形態及び組み合わせが、以下の特許請求の範囲によって画定されるような本発明の範囲内にある。

Claims (10)

1. システムであって、
   送信器であって、
   情報を表すビーム（２１２）を生成するビーム源（２１０）と、
   前記ビーム（２１２）の経路内の光学素子（２２０）であって、前記ビーム（２２２）が断面領域にわたって一様な強度を有するように前記ビーム（２１２）を変更する、光学素子（２２０）
   とを含むことからなる、送信器と、
   前記ビーム（２２２）が伝搬する自由空間だけ前記送信器から隔てられた受信器であって、前記ビーム（２２２）の一部を受け取るよう位置付けられたアクティブ領域を含み、該ビーム（２２２）の該一部を前記情報を表す受信信号に変換することからなる、受信器
   とを備え、
   前記ビーム（２２２）の前記断面領域が、前記受信器の前記送信器とのミスアライメントの範囲を吸収する量だけ前記アクティブ領域よりも広いことからなる、システム。
2. 前記ビームにおける初期には不均一な強度分布を前記一様な強度分布に変換する回折素子か又は屈折性光学部品を前記光学素子が含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記受信器の前記アクティブ領域によって取り込まれる変位経路に一致するように前記断面領域がパターン形成される、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記送信器が、第１のシステムプレーン（４１０）内に実装されており、前記情報を表す第１の電気信号を生成する第１のユニット（４１２）を該第１のシステムプレーン（４１０）が更に含み、及び、
   前記受信器が、第２のシステムプレーン（４２０）内に実装されており、前記受信信号を使用するために結合された第２のユニット（４２４）を該第２のシステムプレーン（４２０）が更に含むことからなる、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記第２のシステムプレーン（４２０）は、第１の反射器（４３５）を含み、該第１の反射器（４３５）が、前記受信器の前記アクティブ領域に隣接しており、及び、前記ビームの一部を自由空間を通じて前記第１のシステムプレーン（４１０）に戻すように導くよう位置付けられていることからなる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１のシステムプレーン（４１０）が、第２の受信器及び第３のユニット（４１４）を更に含み、該第２の受信器が、前記第２のプレーン（４２０）内の前記第１の反射器（４３５）からの反射後の前記ビームを受け取るように位置付けられており、該第３のユニット（４１４）が、前記第２の受信器によって前記ビームから生成された電気信号を使用するために結合されていることからなる、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１のシステムプレーン（４１０）が、第２の反射器（４５５）を更に含み、該第２の反射器（４５５）が、前記第２の受信器のアクティブ領域に隣接しており、及び、前記ビームの一部を自由空間を通じて前記第２のシステムプレーン（４２０）に戻すように導くよう位置付けられていることからなる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１及び第２のシステムプレーンの各々が、サーバシステム内のブレードを含む、請求項４乃至７のいずれかに記載のシステム。
9. 第１のシステムから第２のシステムへと送られることとなる情報を表すためにビーム（２１２）を変調し、
   前記第１のシステム及び前記第２のシステムにおける予期される最大のミスアライメントよりも広い断面領域にわたって一様な強度を前記ビーム（２２２）が有することとなるように前記ビーム（２１２）を変更する光学システム（２２０）を通じて前記ビーム（２１２）を導き、及び、
   前記第１のシステムから前記第２のシステムへ自由空間を通じて前記ビーム（２２２）を送信する
   ことを含む、通信方法。
10. 前記第１のシステム及び前記第２のシステムの各々が、サーバ内のブレードを含むことからなる、請求項９に記載の方法。

Images