JP4929400B2 - 自由空間光学素子を有する電子システム - Google Patents
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Description
これらの形式の光相互接続システムは、自由空間によるポイントツーポイント通信を利用し、従って異なる場所間でのケーブルまたはファイバのルーティングを必要としない。
典型的な自由空間光相互接続システムでは、変調光ビームが自由空間によって第1の光装置チップの送信器から第2の光装置チップの受信器に向けられる。
データまたは情報は変調によって光ビームに符号化される。
受信器は変調光ビームを復調し対応するデータおよび情報を抽出する。
加えて、光変調信号は、電磁妨害による影響を受けず、互いに干渉することなく互いに空間的に相互浸透することができる。
これは、振動および温度変動がしばしば光相互接続システムを大部分のシステムにおいてアラインメント不整にさせる原因になるからである。
光相互接続システム間での相対的な動きを実質的に防止する付加的な構造支持の使用は一般に、光電子チップを適切に冷却する光相互接続システムへの気流を付加的な機械的要素が実質的に制限する傾向があるので、実行可能な解決策ではない。
適切な冷却がなければ、それらの性能は一般に劣化する。
しかし、光相互接続システム上での増大した気流もまた、振動および光相互接続システム間の空気密度の変動を生じ、それもまたそれらの性能を劣化させる。
以下の説明において、本発明の完全な理解をもたらすために多数の特定の詳細が述べられる。
しかし、本発明がこれらの特定の詳細への限定を伴うことなく実施され得ることは当業者には明白であろう。
他の場合に、周知の方法および構造は本発明を不要に曖昧にしないために詳述していない。
自由空間モジュールは、自由空間光学素子を有するシステムモジュールおよび、それぞれの動作を妨害することなく自由空間光学素子を冷却するための冷却モジュールを含む。
また、自由空間モジュールを製作する方法も開示される。
加えて、光学素子は、互いに相対的にごく接近して保持され、それによって変調光信号を送信および受信するために要求される電力の量を実質的に最小限にすることができる。
より詳しくは、冷却モジュールは、光学素子が設けられた回路基板の構成部品を冷却しつつ光学素子間の自由空間通信を可能にする複数の開口を有するコールドプレートを含む。
冷却モジュールはこのように、光学素子を互いに関してアラインメント不整にさせ得る付加的な動きを誘起することなく、変わらずに適切な冷却を提供しつつ回路基板を相対的にコンパクトな配列で配置することを可能にする。
そうしたものとして、自由空間モジュールは、従来の自由空間光相互接続システムに関係する欠点の全部を実質的に回避しつつ光学素子間で自由空間光通信が行われることを可能にする。
電子システム100の以下の説明は当該電子システム100が構成され得る多様な種々の様態のうちの1つの様態にすぎないことを理解しなければならない。
加えて、電子システム100が付加的な構成部品を含み得ること、そしてここに記載された構成部品の一部は電子システム100の範囲を逸脱しなければ除去および/または修正してもよいことを理解しなければならない。
例えば、電子システム100は、あらゆる合理的に適格な構成で配列されたあらゆる合理的に適格な数の自由空間モジュール102を含むことができる。
システムモジュール110は、回路基板114aおよび114bが収容される空間を画成するハウジング112を含む。
ハウジング112は、相対的に大きい量の力に耐えるように構成された、例えば金属、合金、プラスチックなどといった実質的に剛性の材料で形成され得る。
従って、ハウジング112は、その中に収容された構成部品を保護するだけでなく、ハウジング112の異なる部分間の相対的な動きを実質的に防止するように構成され得る。
ハウジングは図1に図示された4つの側面から成るとしてよく、また2つの付加的な側面を含み、それによって実質的に密閉された筐体を形成することができ、それはより大きな保護を提供しシステムモジュール110の構造的剛性を増強する。
コネクタ116は一般に、それらがハウジング112に関して横に動かないようにそれぞれの回路基板114aおよび114bを相対的に剛直に支持するように構成されている。
これに関して、ハウジング112は実質的に剛性の構造として設計されており、回路基板114aおよび114bもまた互いに関して横に動くことを実質的に防止される。
これに関して、コネクタ116は、回路基板114aおよび114bに力を行使することができる、例えば偏倚ばねといったばね状装置を備えてもよい。
光学素子118aおよび118bは一般に、自由空間による変調光の送信器または受信器として機能する。
そうしたものとして、光学素子118aおよび118bは、矢線119によって指示されたように光の変調によってデータを送信および受信するように構成されている。
少なくともハウジング112の相対的に剛性の組立ならびに回路基板114aおよび114bとハウジング112との間の相対的に剛性の接続のために、光学素子118aおよび118bは、システムモジュール110が種々の振動または他の環境条件にさらされた時に互いに関してそれぞれのアラインメントを維持することができる。
加えて、回路基板114aおよび114bは、ハウジング112の壁のそれぞれの穴122aおよび122bを通り延出するそれぞれのケーブル120aおよび120bによって電力および信号を受けるように構成されている。
1例によれば、電力および信号ケーブル120aおよび120bは、回路基板114aおよび114bへのケーブル120aおよび120bの外部運動の移転が実質的に防止されるように柔軟である。
加えて、または代替として、コネクタ116はまた、電力および信号の一方または両方を回路基板114aおよび114bに供給するためのケーブルも含み得る。
コールドプレート140は一般に、相対的に高いレベルの熱伝導率を有するように構成された相対的に剛性の構造から成る。
これに関して、コールドプレート140は、銅、アルミニウム、金属合金、シリコンカーバイド、アルミニウム‐シリコンカーバイドなどで形成することができる。
加えて、少なくとも光学素子118aおよび118bが互いに整列される場所でコールドプレート140に複数の開口142が形成されている。
そうしたものとして、開口142は、一般に光学素子118aおよび118bが自由空間により変調光信号を送信および受信するのを可能にするために配置されている。
流路144は、1例に従ったコールドプレート140の断面平面図を示す図2においてさらに詳細に図示されている。
図2に示す通り、流路144は一般に、その温度に依存して液体または蒸気の形態の冷却流体162がコールドプレート140の相対的に大きい領域にわたって実質的に拡散するのを可能にする。
本開示全体にわたり述べられる限り、用語「接触して」は、コールドプレート140と第1および第2の回路基板114aおよび114bとの物理的接触と同様に、コールドプレート140と第1の回路基板114aおよび第2の回路基板114bに含まれた種々の構成部品との物理的接触を含むように意図されている。
従って、1例において、コールドプレート140は、第1および第2の回路基板114aおよび114bで熱を発生する構成部品と直接接触してもよい。
これに関して、開口142は、光学素子118aおよび118b、または光学素子118aおよび118bが取り付けられるチップの受入れを可能にするために十分に広いものであり得る。
加えて、開口142は気流密度が光学素子118aおよび118bの間で変化するのを実質的に防止するために付加的な遮蔽を設けてもよい。
しかし、それに加えて、または代替として、これらの構成部品間のアラインメントを維持することは、接着剤、機械的固定具などの使用によって増強され得る。
これらの構成部品間の熱の伝導もまた、これらの構成部品間での伝熱性接着剤、フィルムなどといった熱伝導増強材料の布置によって増強され得る。
そうしたものとして、熱増強および/またはアラインメント増強材料または構造がコールドプレート140を第1および第2の回路基板114aおよび114bに接続するために使用することができる。
従って、例えば、コールドプレート140は、第1の回路基板114aで相対的に高位のチップに対応する場所にくぼみを、そして相対的に低位のチップに対応する場所に段を備えてもよい。
これに関して、コールドプレート140は、第1および第2の回路基板114aおよび114bでより大きい表面積に接触し、それによって第1および第2の回路基板114aおよび114bからの熱吸収を実質的に最大限にすることができる。
図示されていないが、流路144の表面は伝熱を増進するために粗くしてもよい。
それに加えて、または代替として、流路144は、溝、メッシュ、焼結微粒子または、一般に流路144における伝熱および毛管圧力を増進する他の形式のウィッキング(wicking)特徴のうちの1つ以上を含み得る。
この例の場合、冷却流体162は、公称温度で液体状態にあり相対的に高い温度で蒸発するように設計されている。
そうしたものとして、例えば、相変化材料の飽和温度または沸点は、種々の不活性フロリナート流体といったいくつかの流体を混合することによって調整することができる。
相対的に高い温度は、回路基板114aおよび114bまたはそこに含まれる構成部品が定常または高温作業レベルの間に達すると予測される温度から成るとしてよい。
いずれにせよ、流路144およびコールドプレート140は、蒸発した冷却流体162がコールドプレート140から流出し流体コンジット160に流入するように設計されている。
加えて、流体コンジット160は、蒸発した冷却流体162を冷却モジュール130の凝縮器150に流入させるように設計され配置されている。
凝縮器150はコールドプレート140に関して高められ、それによって蒸発した冷却流体162が凝縮器150に流入するようにさせることができる。
それに加えて、または代替として、蒸発した冷却流体162を凝縮器150に追い込むためにポンプまたはコンプレッサを使用してもよい。
管152には複数のフィン154が取り付けられている。
稼働中、熱は蒸発した冷却流体162からフィン154に移され、そこから熱は放散する。
フィン154からの熱の放散は、矢線170によって示された通り、フィン154上への気流の供給によって実質的に高められる。
気流170は、フィン154に直接気流170を発生させるように構成され配置されるか、または一般にフィン154によって気流170を生じさせるように構成され配置されるかのどちらかのエアムーバ装置(図示せず)によって供給することができる。
加えて、液体冷却流体162は、コールドプレート140に対する貯槽156の構成および位置に基づき流体コンジット160を通りコールドプレート140の流路144に流れるように構成されている。
すなわち、液体流体162冷却は、貯槽156がコールドプレート140に対して高い位置にあることから、重力によって流路144に流れ戻ることができる。
冷却流体162はまた腐食防止剤を含んでもよい。
この例の場合、ポンプ(図示せず)を流体コンジット160に沿って配置して冷却流体162に圧力を加え、それによってそれをコールドプレート140と凝縮器150との間に流れさせるようにしてもよい。
加えて、上記の例のような蒸発および凝縮の代わりに、この例の場合、冷却流体162は主にコールドプレート140および凝縮器150両方の内部で液体のままである。
さらにこの例の場合、その構成は凝縮器貯槽156がコールドプレート140に対して同じかまたは低い高さにあることを可能にする。
そうしたものとして、流体コンジット160はコールドプレート140と凝縮器150との間でループにされ得る。
加えて、流体コンジット160はハウジング112の1つ以上の穴124を通り延出することができる。
そうしたものとして、エアムーバは、エアムーバからの振動が光学素子118aおよび118bを互いに対してアラインメント不整にすることを実質的に生じなければ、凝縮器150に直接取り付けてもよい。
そうしたものとして、ハウジング112内に含まれた空気は相対的に乱されず、従って光学素子118aおよび118b間の光信号の送信および受信もまた相対的に乱されないままとすることができる。
加えて、または代替として、ハウジング112に含まれた空間は、自由空間による光学素子118aおよび118b間での光通信をさらに助成するために真空から成ってもよい。
例えば、凝縮器150のフィン154は垂直に延びていてもよく、ポンプは液体冷却流体162をコールドプレート140の流路144に戻すために流体コンジット160に沿って配置してもよい、等々。
自由空間モジュール102のシステムモジュール110に対する変更の追加の例が図3A〜3Cに図示されている。
図3A〜3Cに図示のシステムモジュール110の各々は、図1に図示のシステムモジュール110に関して上述したものと類似の特徴を含む。
そうしたものとして、図1のシステムモジュール110とは図3A〜3Cのシステムモジュールにおいて異なるそれらの特徴だけをここに以下で検討する。
図示の通り、第1のコールドプレート140が第1の回路基板114aと第3の回路基板114cとの間に配置されている。
加えて、第2のコールドプレート141が第2の回路基板114bと第3の回路基板114cとの間に配置されている。
第3の回路基板114cは、第1および第2の回路基板114aおよび114bならびにコールドプレート140に関して上述した様態のいずれかにおいて第1および第2のコールドプレート140および141に取り付けら得る。
これに関して、光学素子118cは第1の回路基板114aの光学素子118aからの変調光信号を送信または受信するように構成され、そして光学素子118dは第2の回路基板114bの光学素子118bからの変調光信号を送信または受信するように構成されている。
やはり図3Aに図示の通り、第3の回路基板114cは、第1の回路基板114aの光学素子118aが自由空間によって第2の回路基板114bの光学素子118bと直接通信し得るように開口143を含み得る。
しかしこの図において、付加的なコールドプレート141は、第1の回路基板114aを図1に図示のハウジング112に接続するコネクタ116に取って代わっている。
付加的なコールドプレート141は上述のように種々の様態において第1の回路基板114aおよびハウジング112に取り付けられ得る。
付加的なコールドプレート141は、やはり第1の回路基板114aをハウジング112に剛直に接続しながら第1の回路基板114aに付加的な冷却を提供することができる。
付加的なコールドプレート141は、図2に図示のように流路144を含み得るが、開口142を備えずに作られ得る。
さらに別の例として、付加的なコールドプレート141は1つ以上のコネクタ116によってハウジング112に取り付けられ得る。
しかし、第1の回路基板114a、コールドプレート140および第2の回路基板114bは、互いに別個であるように図示されている。
この例の場合、コールドプレート140はその側面のうちの1つ以上に沿ってハウジング112に直接取り付けられ得る。
加えて、ハウジング112それ自体の構造的剛性は、第1の回路基板114a、第2の回路基板114bおよびコールドプレート140の間で必要なアラインメントを維持することに依拠する。
例えば、図3Aに図示のコネクタ116は図3Bに図示のように付加的なコールドプレート140と取って代えてもよい。
4個の自由空間モジュール102が図4において図示されているが、付加的な自由空間モジュール102を追加してもよく、または既存の自由空間モジュール102はそこに図示された電子システム100の範囲を逸脱しなければ取り除いてもよい。
付加的な自由空間モジュール102が追加される場合、付加的な自由空間モジュール102は図4に図示の自由空間モジュール102のいずれかに隣接して配置され得る。
加えて、自由空間モジュール102は、それぞれの冷却モジュール130の凝縮器150が気流の方向に関して整列するように配列され得る。
これに関して、システムモジュール110は凝縮器150内の空気170の流れを実質的に妨げない。
加えて、または代替として、電力および信号線120aおよび120bは、従来の電子キャビネットにおいて利用されている既知のものに類似の電力およびネットワークバックプレーンに接続され得る。
加えて、気流170はコンピュータ室レベルのエアブロワまたは空気調和装置から発することができる。
後者の場合、気流170は冷却してもよく、そのようにして自由空間モジュール102からの熱の除去を増強することができる。
方法200の以下の説明は当該方法200が具体化され得る多様な種々の様態のうちの1つにすぎないことを理解しなければならない。
加えて、方法200は付加的なステップを含み得ること、そしてここに説明されたステップの一部は方法200の範囲を逸脱しなければ除去および/または修正され得ることを理解しなければならない。
しかし、方法200が図1および3A〜3Cに図示の自由空間モジュール102とは異なる自由空間モジュール102を製作するために実行され得ることを理解しなければならない。
第1の回路基板114aおよび第2の回路基板114bは自由空間によって互いに通信するように構成された光学素子118aおよび118bを含む。
ステップ204で、光学素子118aおよび118bの場所が識別される。
光学素子118aおよび118bの場所は、第1の回路基板114aおよび第2の回路基板114bが稼働位置に置かれた時にそれぞれの光学素子118aおよび118bが互いに整列するように互いに実質的に合致される。
開口142は、ステップ204で識別された光学素子118aおよび118bの場所に対応するコールドプレート140における種々の場所に作成される。
第1の回路基板114aは上述の様態のいずれかにおいてハウジング112の内壁に取り付けられ得る。
加えて、ステップ210で、コールドプレート140は開口142が光学素子118aと整列するように第1の回路基板114aに配置される。
コールドプレート140は上述の様態のいずれかにおいて第1の回路基板114に取り付けられ得る。
加えて、ハウジング112は、ステップ216で示されるように、例えばカバー、蓋または付加的な壁をハウジング112のいずれかの開放領域の上に取り付けることによって閉鎖され得る。
加えて、光学素子118aおよび118bが含まれる回路基板114a、114bは、光学素子118aおよび118bが互いに相対的にごく接近して、かつ互いに関して相対的に固定した位置に配置されることを可能にする冷却モジュール130の使用によって冷却される。
ここで使用された用語、説明および図は例証としてのみ述べられており、限定として意味していない。
当業者は、全部の用語が別段に指示されていない限り最も広い合理的な意味で述べられている以下のクレーム(およびそれらの等価物)によって定義されるように意図された本発明の範囲内で多くの変更が可能であることを認識されるであろう。
102・・・自由空間モジュール,
110・・・システムモジュール,
112・・・ハウジング,
114a、114b、114c・・・回路基板,
116・・・コネクタ,
118a、118b、118c、118d・・・光学素子,
120a、120b・・・ケーブル,
122a、122b、124・・・穴,
130・・・冷却モジュール,
140、141・・・コールドプレート,
142、143・・・開口,
144・・・流路,
150・・・凝縮器,
152・・・管,
154・・・フィン,
156・・・貯槽,
160・・・流体コンジット,
162・・・冷却流体,
170・・・気流
Claims (7)
- 電子システム(100)であって、
第1の光学素子(118a)を有する第1の回路基板(114a)と、
自由空間によって、前記第1の光学素子(118a)と光学的に通信するために配置された第2の光学素子(118b)を有する第2の回路基板(114b)と、
前記第1の回路基板(114a)と前記第2の回路基板(114b)との間に配置されたコールドプレート(140)であって、前記コールドプレート(140)は、自由空間によって光通信を可能にするために配置された開口(142)を含む、コールドプレート(140)と、
凝縮器(150)と、
前記コールドプレート(140)および前記凝縮器(150)を接続する冷却流体(162)を含む流体コンジット(160)であって、前記冷却流体(162)は、主に前記コールドプレート(140)によって前記第1の回路基板(114a)および前記第2の回路基板(114b)から熱を吸収し、その熱を前記凝縮器(150)へ運ぶように構成され、前記凝縮器(150)は、主に吸収した熱を放散するように構成されている、流体コンジット(160)と、
複数の側面を有する相対的に剛性の材料で形成されたハウジング(112)であって、前記第1の回路基板(114a)、前記第2の回路基板(114b)および前記コールドプレート(140)は、前記ハウジング(112)内に収容されており、前記凝縮器(150)はハウジング(112)の外部に配置されており、前記流体コンジット(160)は、前記ハウジング(112)および前記凝縮器(150)に柔軟に接続されている、ハウジング(112)と、
前記第1の回路基板(114a)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第1の回路基板(114a)および前記ハウジング(112)の壁を接続する第1のコネクタ(116)と、
前記第2の回路基板(114b)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第2の回路基板(114b)および前記ハウジング(112)の別の壁を接続する第2のコネクタ(116)と
を備える電子システム(100)。 - 前記第1のコネクタ(116)および前記第2のコネクタ(116)の少なくとも一方は、付加的な流体コンジット(160)によって前記凝縮器(150)に接続された付加的なコールドプレート(140)とされる
請求項1に記載の電子システム(100)。 - 前記ハウジング(112)は、システムモジュール(110)を備え、
前記凝縮器(150)は、冷却モジュール(130)を備え、
前記システムモジュール(110)および前記冷却モジュール(130)は、一緒に自由空間モジュール(102)を形成し、
前記電子システム(100)は、
複数の自由空間モジュール(102)をさらに備え、前記複数の自由空間モジュール(102)の各々は、前記冷却モジュール(130)の前記凝縮器(150)がシステムモジュール(130)の前記ハウジング(112)によって妨害されないように、前記複数の自由空間モジュール(102)の少なくとも別のものに隣接して配置されている
請求項1または2に記載の電子システム(100)。 - 第3の光学素子(118d)を有する第3の回路基板(114c)であって、前記第3の回路基板(114c)は、前記第2の回路基板(114b)と前記コールドプレート(140)との間に配置されている、第3の回路基板(114c)と、
前記第3の回路基板(114c)と前記第2の回路基板(114b)との間に配置された付加的なコールドプレート(141)であって、前記コールドプレート(140)および前記付加的なコールドプレート(141)は、前記第1の光学素子(118a)、前記第2の光学素子(118b)および前記第3の光学素子(118d)の2つ以上の間で光通信を可能にするために配置された開口(143)を備える、付加的なコールドプレート(141)と
をさらに備える請求項1〜3のいずれかに記載の電子システム(100)。 - 自由空間モジュール(102)であって、
ハウジング(112)を備えるシステムモジュール(110)と、前記ハウジング(110)は、
第1の光学素子(118a)を有する第1の回路基板(114a)と、
自由空間によって前記第1の光学素子(118a)と光学的に通信するために配置された第2の光学素子(118b)を有する第2の回路基板(114b)と、
前記第1の回路基板(114a)と前記第2の回路基板(114b)との間に配置されたコールドプレート(140)であって、前記コールドプレート(140)は、自由空間によって光通信を可能にするために配置された開口(142)をさらに含む、コールドプレート(140)と、
凝縮器(150)を含む冷却モジュール(130)と、
前記コールドプレート(140)を前記凝縮器(150)に接続する柔軟な流体コンジット(160)であって、前記流体コンジット(160)は、前記システムモジュール(110)を動かす原因となる前記冷却モジュール(130)の動きを防止する、流体コンジット(160)と
を備え、
前記システムモジュール(110)は、
前記第1の回路基板(114a)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第1の回路基板(114a)および前記ハウジング(112)の壁を接続する第1のコネクタ(116)と、
前記第2の回路基板(114b)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第2の回路基板(114b)および前記ハウジング(112)の別の壁を接続する第2のコネクタ(116)と
を備える
自由空間モジュール(102)。 - 前記システムモジュール(110)は、
第3の光学素子(118d)を有する第3の回路基板(114c)であって、前記第3の回路基板(114c)は、前記第2の回路基板(114b)と前記コールドプレート(140)との間に配置される、第3の回路基板(114c)と、
前記第3の回路基板(114c)と前記第2の回路基板(114b)との間に配置された付加的なコールドプレート(141)と
をさらに備え、
前記コールドプレート(140)および前記付加的なコールドプレート(141)は、前記第1の光学素子(118a)、前記第2の光学素子(118b)および前記第3の光学素子(118d)の2つ以上の間で光通信を可能にするために配置された開口(143)を備える
請求項5に記載の自由空間モジュール(102)。 - 自由空間モジュール(102)を製作する方法(200)であって、前記方法(200)は、
第1の光学素子(118a)を有する第1の回路基板(114a)を得ること(202)と、
第2の光学素子(118b)を有する第2の回路基板(114b)を得ること(202)と、前記第1の光学素子(118a)および前記第2の光学素子(118b)は、自由空間によって互いに電子的に通信するように構成されており、
前記第1の光学素子(118a)および前記第2の光学素子(118b)の場所を識別すること(204)と、
前記第1の光学素子(118a)および前記第2の光学素子(118b)の場所と場所に関して対応する複数の開口(142)を有するコールドプレート(140)を作成すること(206)と、
前記第1の回路基板(114a)をハウジング(112)の壁に取り付けること(208)と、
開口(142)が前記第1の光学素子(118a)と整列するように、前記コールドプレート(140)を前記第1の回路基板(114a)に配置すること(210)と、
前記第2の光学素子(118b)が、前記コールドプレート(140)の前記開口(142)および前記第1の光学素子(118a)と整列するように、前記第2の回路基板(114b)を前記ハウジング(112)の別の壁に取り付けること(212)と、
前記第1の回路基板(114a)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第1の回路基板(114a)および前記ハウジング(112)の壁を接続する第1のコネクタ(116)を配置することと、
前記第2の回路基板(114b)が前記ハウジング(112)に対して横に動かないように、前記第2の回路基板(114b)および前記ハウジング(112)の別の壁を接続する第2のコネクタ(116)を配置することと
を含む自由空間モジュール(102)を製作する方法(200)。
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