KR101409308B1 - 광학 상호접속기 - Google Patents

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KR101409308B1 KR1020107019266A KR20107019266A KR101409308B1 KR 101409308 B1 KR101409308 B1 KR 101409308B1 KR 1020107019266 A KR1020107019266 A KR 1020107019266A KR 20107019266 A KR20107019266 A KR 20107019266A KR 101409308 B1 KR101409308 B1 KR 101409308B1
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마이클 레네 티 탄
시흐-유안 왕
폴 케슬러 로센버그
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections

Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 광학 상호접속에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 광학 상호접속은 광학 신호를 출력하도록 구성되는 레이저 및 레이저에 전자적으로 결합되는 레이저-다이오드 드라이버를 포함한다. 레이저 다이오드 드라이버는 레이저로 하여금 레이저 다이오드 드라이버에 의해 수신되는 전기 신호에 응답하여 광학 신호를 출력하도록 유도한다. 광학 상호접속은 회절 광학 소자 및 복수의 광 검출기를 포함한다. 광학 상호접속은 광학 신호를 수신하도록 배치되고, 광학 신호를 복수의 광학 신호로 분할하도록 구성되며, 각각의 광 검출기는 복수의 광학 신호 중 하나를 개별 신호 라인 상에 출력되는 전기 신호로 변환한다.

Description

광학 상호접속기{OPTICAL INTERCONNECTS}
본 발명의 실시예들은 전자 장치들을 상호접속하는 데 사용될 수 있는 광학 상호접속에 관한 것이다.
컴퓨터 시스템 제조자들이 공유하는 본질적인 문제는 상응하는 에너지 소비 또는 비용의 증가 없이 향상된 컴퓨터 시스템 성능에 대한 필요이다. 전기 통신 아키텍처들의 개발자들은 더 낮은 전력 소비, 더 작은 폼 팩터 및 더 낮은 전자기 방사를 해결하면서, 전자 시스템들에 필요한 성능을 향상시키는 이분법을 균형화하기 위해 노력한다. 컴퓨터 시스템들에서 전력 소비를 줄이면서 확장성을 해결하는 보다 양호한 해결책들이 바람직하다. 그러나, 이러한 문제들에 대한 통상의 전자적 해결책들은 증가된 핀 수 및/또는 다이 면적으로 인해 그리고 그 주 원인이 긴 신호 라인들을 통한 통신의 필요인 증가된 전력 소비로 인해 많은 컴퓨터 시스템들의 비용을 증가시킬 수 있다.
하나 이상의 듀얼 인라인 메모리 모듈("DIMM")의 시스템 성능 향상은 DIMM 성능을 향상시키려고 시도하는 동안에 어떻게 에너지 소비 및 비용이 증가하는지에 대한 많은 컴퓨터 시스템 예들 중 하나일 뿐이다. DIMM은 시스템 보드 상에 하나 이상의 채널을 형성하는 전자 상호접속들을 이용하여 메모리 제어기에 접속되는 다수의 개별 동적 랜덤 액세스 메모리("DRAM") 칩을 포함하는 작은 회로 보드이다. 용량 증가, 채널 수의 증가, DRAM 뱅크들 또는 랭크들의 수의 증가, 대역폭 향상, 레이턴시 감소 또는 이러한 방식들의 소정 조합과 같은 다양한 DIMM 성능 향상 방법이 존재한다. 그러나, 이러한 문제들에 대한 통상의 전자적 해결책들은 종종 증가된 핀 수 및/또는 다이 면적, 또는 증가된 전력 소비로 인해 메모리 모듈들의 비용을 증가시킨다. 전술한 바와 같이, 증가된 전력 소비의 주 원인은 긴 신호 라인들을 통해 통신하는 것이 필요하다는 것이다. 정면 버스 속도의 증가도 인터페이스 전력 소비의 선형 증가의 원인이다. 증가된 정면 버스 속도에서 DIMM 랭크들의 수를 증가시키는 것과 연관된 추가적인 상호접속 문제는 신호 타이밍 및 잡음 양자가 다수의 DIMM을 접속하는 멀티-드롭 신호 라인들에서의 문제들이라는 점이다. 이러한 소위 "스터브 일렉트로닉스(stub electronics)" 문제는 메모리 버스들이 DRAM들에 인터페이스하기 위한 추가 외부 버퍼들을 필요로 하는 점대점 메모리 채널들로 대체되게 하였다. 그러나, 대부분의 DRAM 노력들은 전기적 DIMM 대 프로세서 칩 상호접속을 갖는 더 높은 밀도의 메모리 장치들의 생산에 집중되어 왔다.
엔지니어들은, 추가 핀들 및 긴 신호 라인들과 연관된 전력 및 비용을 고려할 필요가 없고, 신호 보존 또한 유지하는 높은 속도, 높은 대역폭의 상호접속들에 대한 필요를 인식해 왔다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 동작하는 2개의 광학 상호접속의 등각 투상도 및 제1 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 팬-아웃 광학 상호접속 및 팬-인 광학 상호접속의 제1 구현의 등각 투영도.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제1 팬-아웃 광학 상호접속 카드의 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-아웃 광학 상호접속 카드의 개략도.
도 5A-5B는 본 발명의 실시예들에 따라 각각 구성된 2개의 상이한 포커싱 소자의 단면도 및 개략도.
도 5C는 프레넬 렌즈 표면의 정면도.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출기 어레이의 광 검출기들 각각 상에 배치된 평철 렌즈들을 포함하는 광학 상호접속 카드를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제3 팬-아웃 광학 상호접속 카드(700)의 개략도.
도 8A-8C는 본 발명의 실시예들에 따라 각각 구성된 3개의 상이한 포커싱 소자의 단면도 및 개략도.
도 9A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제1 팬-인 광학 상호접속 카드(900)의 개략도.
도 9B는 본 발명의 실시예들에 따른 포커싱 소자 및 평철 링들을 이용하는 팬-인 광학 상호접속을 나타내는 도면.
도 10A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-인 광학 상호접속 카드의 개략도.
도 10B-10D는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 어레이로부터 출력되는 광학 신호들을 광 검출기로 지향시키는 데 사용될 수 있는 상이한 포커싱 소자들을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제3 팬-인 광학 상호접속 카드의 개략도.
도 12A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-아웃 광학 상호접속 및 팬-인 광학 상호접속의 등각 투영도 및 개략도.
도 12B는 본 발명의 실시예들에 따른 도 12A에 도시된 팬-인 및 팬-아웃 광학 상호접속들의 평면도.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 2차원 팬-아웃 광학 상호접속의 분해 등각 투영도.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 2차원 팬-인 광학 상호접속의 분해 등각 투영도.
본 발명의 다양한 실시예들은 전자 장치들 사이에 고속, 고대역폭의 상호접속들을 제공할 수 있으면서도, 추가 핀들 및 신호 라인들의 구현보다 전력 소비 및 제조 비용이 낮은 광학 상호접속들에 관한 것이다. 아래의 설명에서, "광학" 및 "광학적으로"라는 용어들은 전자기 스펙트럼의 가시 부분만으로 한정되지 않는 파장들 또는 주파수들을 갖는 고전적 및/또는 양자화된 전자기 방사("광학 신호")를 이용하여 동작하는 장치들을 참조한다.
소정의 광학 상호접속 실시예들은 단일 전자 장치로부터 출력되는 정보를 복수의 전자 장치로 브로드캐스트 또는 "팬-아웃"하는 데 사용될 수 있는 반면, 다른 광학 상호접속 실시예들은 복수의 전자 장치로부터 출력되는 정보를 단일 전자 장치로 "팬-인"하는 데 사용될 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 동작하는 2개의 광학 상호접속의 등각 투영도 및 개략도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전자 장치(102)는 데이터를 방향 화살표(106)로 표현된 변조된 (즉, 데이터 인코딩된) 전기 신호들의 형태로 팬-아웃 광학 상호접속(104)으로 전송한다. 팬-아웃 광학 상호접속(104)은 데이터를 8개의 방향 화살표(108)로 표현된 변조된 전기 신호들의 형태로 스택(110) 내에 배열된 모든 8개의 전자 장치로 전송 또는 브로드캐스트한다. 도 1은 또한, 8개의 방향 화살표(114)로 지시되는 바와 같이 스택(110) 내의 전자 장치들 각각으로부터 출력되는 변조된 전기 신호들을 수신하고, 방향 화살표(116)로 지시되는 바와 같이 각각의 변조된 전기 신호를 전자 장치(102)로 전송하는 팬-인 광학 상호접속(112)을 도시한다. 모든 전기 신호들(114)이 팬-인 광학 상호접속(112)으로 동시에 전송되지는 않는다. 스택(110) 내의 전자 장치들 중 어느 것이 전기 신호를 팬-인 광학 상호접속(112)으로 전송할지를 제어하기 위해 (도시되지 않은) 중재기가 사용될 수 있다.
팬-아웃 광학 상호접속(104)은 전자 장치(102)로부터 수신된 전기 신호들을 8개의 전기 신호로 변환되는 8개의 거의 동일한 광학 신호들로 변환한다. 8개의 전기 신호의 모두는 스택(110) 내의 전자 장치들로 개별적으로 전송된다. 팬-인 상호접속(112)은 스택(110) 내의 전자 장치들로부터 출력되는 8개의 전기 신호를 개별적으로 수신한다. 이러한 전기 신호들은 팬-인 상호접속(112) 내에서 광학 신호로 각각 변환되고, 전자 장치(102)로 출력되는 전기 신호로 다시 변환된다. 본 발명의 광학 상호접속 실시예들은 8개의 전자 장치로 그리고 그들로부터 전기 신호들을 전송하는 것으로 한정되지 않는다는 점에 유의한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 팬-인 및 팬-아웃 광학 상호접속들은 전기 신호들을 임의 수의 전자 장치로 전송하도록 구성될 수 있다.
전자 장치(102) 및 스택(108) 내의 전자 장치들은 상이한 종류의 계산 및 데이터 저장 장치들을 나타낼 수 있다. 예컨대, 소정 실시예들에서, 스택(110) 내의 전자 장치들은 8개의 DIMM을 나타낼 수 있으며, 전자 장치(102)는 DIMM들로 그리고 그들로부터 전송되는 데이터의 흐름을 관리하는 메모리 제어기를 나타낼 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 전자 장치(102)는 외부 저장 장치를 나타낼 수 있고, 스택(110) 내의 전자 장치들은 인클로저 또는 섀시(도시되지 않음) 또는 8개의 섀시 내에 설치된 8개의 블레이드 서버를 나타낼 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 스택(110) 내의 전자 장치들은 I/O 카드들 또는 네트워크 인터페이스 카드들을 나타낼 수 있다.
팬-아웃 및 팬-인 광학 상호접속들(104, 112)은 다수의 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 팬-아웃 광학 상호접속 및 팬-인 광학 상호접속의 제1 구현의 등각 투영도를 나타낸다. 도 2에서, 팬-아웃 광학 상호접속(104)은 3개의 카드(202-204)를 이용하여 구현되며, 팬-인 광학 상호접속(112)도 3개의 카드(206-208)를 이용하여 구현된다. 각각의 카드는 전자 장치(102)에 접속되는 단일 신호 라인 및 스택(110) 내의 대응 전자 장치에 각각 접속되는 8개의 개별 신호 라인을 포함한다. 예를 들어, 카드(202)는 전자 장치(102)로부터 출력되는 전기 신호들을 수신하기 위한 단일 신호 라인(210) 및 스택(110) 내의 전자 장치들 각각으로 전기 신호들을 개별적으로 전송하기 위한 8개의 신호 라인(212)을 포함한다. 본 발명의 실시예들은 팬-인 및 팬-아웃 광학 상호접속들에 대해 3개의 카드를 사용하는 것으로 한정되지 않는다는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서, 임의의 적절한 수의 카드들이 팬-인 및 팬-아웃 광학 상호접속들(104, 112)을 구현하는 데 사용될 수 있다. 또한, 카드들은 8개의 신호 라인으로 한정되지 않는다. 다른 실시예들에서, 신호들의 수는 전자 장치들의 수에 의존할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제1 팬-아웃 광학 상호접속 카드(300)의 개략도를 나타낸다. 팬-아웃 광학 상호접속(300)은 레이저(302), 레이저 드라이버(304), 회절 광학 소자(306), 광 검출기 어레이(308) 및 트랜스임피던스 증폭기(310)를 포함하며, 이들 모두는 단일 기판(312) 상에 실장될 수 있다. 레이저(302)는 수직 공동 표면 방출 레이저("VCSEL"), 분산 피드백 레이저("DFL"), 양자 우물 레이저, 다중 양자 우물 레이저, 이중 이종 구조 레이저, 발광 다이오드("LED"), 또는 단일 광학 신호(314)를 방출하는 데 적합한 임의의 다른 장치일 수 있다. 레이저(302)는 신호 라인(316)을 통해 전자 장치(102)로부터 전기 신호들을 수신하는 레이저 드라이버(304)에 전자적으로 결합된다. 레이저 드라이버(304)는 레이저(302)에 광학 신호(314)를 생성할 것을 지시하도록 구성되는 집적 회로일 수 있다. 회절 광학 소자(306)는 회절 빔 분할기 또는 회절 격자일 수 있으며, 광학 신호(314)를 8개의 개별적이고, 거의 동일한 광학 전력의 빔들이고, 거의 등거리인 광학 신호들(318)로 분할하도록 구성될 수 있다. 회절 광학 소자(306)의 설계는 이 분야에 공지되어 있다. 광 검출기 어레이(308)는 광 검출기(320)와 같은 8개의 개별 광 검출기를 포함한다. 각각의 광 검출기는 회절 광학 소자(306)로부터 방출되는 8개의 광학 신호(318) 중 하나를 검출하도록 배치될 수 있다. 광 검출기들은 p-n 또는 p-i-n 접합 광 다이오드 또는 n-p-n 또는 p-n-p 광 트랜지스터일 수 있다. 광 검출기 어레이(308)의 광 검출기들은 트랜스임피던스 증폭기(310)에 각각 전자적으로 결합되며, 이 증폭기는 광 검출기들 각각으로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하고, 스택(110)의 전자 장치들(341-348)에 전자적으로 결합된 대응 신호 라인들(324-331) 상에 전기 신호들을 동시에 배치한다. 트랜스임피던스 증폭기(310)는 광 검출기들 각각으로부터 출력된 전기 신호를 증폭하는 것에 더하여, 신호 대 잡음비를 줄이고, 각각의 광 검출기 뒤에 저항기를 사용하는 것보다 빠른 응답 시간을 제공한다.
팬-아웃 광학 상호접속(300)은 다음과 같이 동작할 수 있다. 전자 장치(102)는 신호 라인(316) 상에 변조된(즉, 데이터 인코딩된) 전기 신호를 출력한다. 레이저 드라이버(304)는 변조된 전기 신호를 수신하고, 회절 광학 소자(306)로 지향되는 대응하는 변조된 광학 신호(314)를 방출하도록 레이저(302)에 지시한다. 회절 광학 소자(306)는 변조된 광학 신호(314)를 8개의 분리된, 거의 동일한 변조된 광학 신호(318)로 분할하며, 이들 각각은 광 검출기 어레이(308) 내의 대응 광 검출기로 지향된다. 각각의 광 검출기는 대응하는 변조된 광학 신호를 변조된 전기 신호로 변환하며, 변조된 전기 신호는 트랜스임피던스 증폭기(310)에 의해 증폭되고, 8개의 전자 장치(341-348)로 전송되며, 이들 모든 전자 장치는 실질적으로 동일한 변조된 전기 신호를 수신한다. 즉, 팬-아웃 광학 상호접속(300)은 거의 동일한 전기 신호들을 스택(110) 내의 전자 장치들(341-348) 각각으로 브로드캐스트한다.
본 발명의 다른 실시예들에서는, 회절 광학 소자(306)로부터 출력되는 광학 신호들(318)을 광 검출기 어레이(308)의 광 검출기들 각각으로 지향시키기 위해 팬-아웃 광학 상호접속 내에 광학 소자가 포함될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-아웃 광학 상호접속 카드(400)의 개략도를 나타낸다. 광학 상호접속(400)은 광학 상호접속(400)이 회절 광학 소자(306)에 인접하게 기판(404)의 표면에 배치된 포커싱 소자(402)를 포함한다는 점 외에는 광학 상호접속(300)과 거의 동일하다. 회절 광학 소자(306)로부터 출력되는 광학 신호들은 포커싱 소자(402)에 의해 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기들로 재지향된다. 포커싱 소자(402)는 검출기 어레이(308)의 대응 검출기들 상에 집속되는 빔들을 출력하기 위해 상이한 형상들 및 각도들을 갖도록 구성되는 실질적으로 규칙적으로 이격된 프리즘들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 포커싱 소자(402)는 다수의 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 도 5A-5B는 본 발명의 실시예들에 따라 각각 구성된 2개의 상이한 포커싱 소자의 단면도들 및 개략도들을 나타낸다. 도 5A에서, 제1 포커싱 소자(502)는 회절 광학 소자(306)에 인접하는 표면에 대향하는 표면으로부터 돌출하는 실질적으로 규칙적으로 이격된 프리즘들(503-510)을 포함한다. 각각의 프리즘은 회절 광학 소자(306)로부터 출력되는 광학 신호를 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기를 향해 재지향시키기 위해 특정 입사각을 갖도록 배치되고 구성된다. 예컨대, 프리즘(503)은 광학 신호(512)를 광 검출기(320)를 향해 재지향시킨다. 도 5B에서, 제2 포커싱 소자(514)는 회절 광학 소자(306)에 인접하는 표면에 대향하여 배치되는 구면 컨투어(spherically contoured) 프레넬 렌즈 표면(516)을 포함한다. 도 5C는 프레넬 렌즈 표면(516)의 정면도를 나타낸다. 프레넬 렌즈 표면(516)은 중앙 볼록 영역(518) 및 "프레넬 링"이라고 하는 동심 테이퍼 프리즘 형상 링들(520-522)을 포함한다. 프레넬 링들(520-522)은 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기들을 향해 광학 신호들을 지향시키기 위해 테이퍼 형상을 갖는다. 예를 들어, 프레넬 링(522)은 광학 신호들(512, 524)을 각각 광 검출기들(320, 526)로 재지향시키기 위해 테이퍼 형상을 갖는다.
다른 실시예들에서는, 광 검출기 어레이(308)의 광 검출기들 각각 상에 평철 렌즈들이 배치될 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출기 어레이(308)의 광 검출기들 상에 배치된 평철 렌즈들(601-608)을 갖는 광학 상호접속 카드(600)를 나타낸다. 각각의 평철 렌즈는 광학 소자(402)로부터 출력되는 광학 신호를 수집하고, 광학 신호를 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기로 지향시키는 것을 돕는 데 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제3 팬-아웃 광학 상호접속 카드(700)의 개략도를 나타낸다. 광학 상호접속(700)은 광학 상호접속(700)이 회절 광학 소자(306)와 광 검출기 어레이(310) 사이의 기판(704)의 표면 상에 배치된 포커싱 소자(702)를 포함한다는 점 외에는 광학 상호접속(300)과 거의 동일하다. 회절 광학 소자(306)로부터 출력된 광학 신호들은 포커싱 소자(702)에 의해 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기들로 재지향된다.
상이한 실시예들에서, 포커싱 소자(702)는 다수의 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 도 8A-8C는 본 발명의 실시예들에 따라 각각 구성된 3개의 상이한 포커싱 소자의 단면도들 및 개략도들을 나타낸다. 도 8A에서, 포커싱 소자는 광학 신호들(318)의 각각을 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기로 지향시키도록 구성되는 단일 양쪽 볼록 렌즈(802)이다. 도 8B에서, 광학 소자(804)는 프레넬 렌즈 표면(806) 및 다수의 평철 렌즈(807-814)를 갖는 반대측 표면을 포함한다. 프레넬 렌즈 표면(806)은 도 5B-5C와 관련하여 전술한 바와 같이 구성된다. 프레넬 링들은 광학 신호들(318)을 포커싱 소자(804)를 통해 실질적으로 평행인 경로들을 따라 재지향시키도록 테이퍼 형상을 갖는다. 평철 렌즈들(807-814)은 광학 신호들을 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기들 상에 집속하도록 구성된다. 도 8C에서, 포커싱 소자는 회절 광학 소자(306)와 광 검출기 어레이(308) 사이에 배치된 8개의 양쪽 볼록 렌즈(821-828)를 포함한다. 각각의 렌즈는 회절 광학 소자(306)로부터 출력되는 광학 신호들(318) 중 하나를 광 검출기 어레이(308)의 대응 광 검출기를 향해 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(821)는 광학 신호(512)를 광 검출기(320)로 지향시키도록 배치되고 구성된다. 다른 실시예들에서, 포커싱 소자(702)는 굴절 평철 렌즈일 수 있다.
도 9A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제1 팬-인 광학 상호접속 카드(900)의 개략도를 나타낸다. 팬-인 광학 상호접속(900)은 레이저 어레이(902), 레이저 드라이버(904), 광 검출기(908)에 인접하는 포커싱 소자(906), 및 트랜스임피던스 증폭기(910)를 포함하며, 이들 모두는 단일 기판(912) 상에 실장될 수 있다. 레이저 어레이(902)는 레이저(914)와 같은 8개의 레이저를 포함한다. 레이저들은 VCSEL, DFL, 양자 우물 레이저, 다중 양자 우물 레이저, 이중 이종 구조 레이저, LED, 또는 단일 광학 신호를 방출하기에 적합한 임의의 다른 장치들일 수 있다. 레이저 어레이(902) 내의 각각의 레이저는 레이저 드라이버(904)에 전자적으로 결합되고, 도 6에 도시된 바와 같이 광학 신호를 포커싱 소자(906)로 방출하도록 배치된다. 레이저 드라이버(904)는 스택(110) 내의 대응 전자 장치들(341-348)로부터 신호 라인들(916-923) 상에서 변조된(즉, 데이터 인코딩된) 전기 신호들을 수신한다. 레이저 드라이버(904)는 레이저 어레이(902) 내의 각각의 레이저에 개별적인 변조된 전류를 공급하는 집적 회로일 수 있다. 레이저 드라이버(904)는 스택(110) 내의 8개의 전자 장치(341-348) 모두로부터 전기 신호들을 동시에 수신하지는 않는다는 점에 유의한다. 전자 장치들(341-348) 중 하나만이 전기 신호를 전송하는 동안, 나머지 7개의 전자 장치는 대기하도록 하기 위해 중재기가 사용될 수 있다. 광 검출기(908)는 포커싱 소자(906)에 의해 재지향되는 광학 신호를 검출하도록 배치된다. 광 검출기(908)는 p-n 또는 p-i-n 접합 광 다이오드 또는 n-p-n 또는 p-n-p 광 트랜지스터일 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기(910)는 광 검출기(908)에 전자적으로 결합되며, 변조된 전기 신호들을 신호 라인(928) 상에서 전자 장치(102)로 출력한다.
소정 실시예들에서, 도 5A-5C와 관련하여 전술한 광학 소자들(502, 514)은 레이저 어레이(902)의 레이저들로부터 출력되는 광학 신호들을 광 검출기(908)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 레이저 어레이(902)의 레이저들에 의해 방출되는 광학 신호들을 포커싱 소자(502)의 프리즘들 또는 포커싱 소자(514)의 프레넬 링들 상에 집속하기 위해 도 6과 관련하여 전술한 평철 렌즈들(601-608)도 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 9B는 본 발명의 실시예들에 따른 포커싱 소자(514) 및 평철 링들(601-608)을 사용하는 팬-인 광학 상호접속을 나타낸다.
팬-인 광학 상호접속(900)은 다음과 같이 동작할 수 있다. 중재기는 스택(110) 내의 전자 장치에 변조된 전기 신호를 신호 라인(916) 상으로 출력하도록 지시한다. 레이저 드라이버(904)는 변조된 전기 신호를 수신하고, 포커싱 소자(906)에 의해 광 검출기(908)로 재지향되는 대응하는 변조된 광학 신호(926)를 방출하도록 레이저(914)에 지시한다. 광 검출기(908)는 변조된 광학 신호(926)를 변조된 전기 신호로 변환하며, 변조된 전기 신호는 임피던스 증폭기(910)에 의해 증폭되고, 신호 라인(928) 상에서 전자 장치(102)로 전송된다. 이어서, 이러한 동작은 스택(110) 내의 다른 전자 장치에 대해 반복될 수 있다.
도 10A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-인 광학 상호접속 카드(1000)의 개략도를 나타낸다. 광학 상호접속(1000)은 광학 소자(1002)가 광 검출기(908)와 레이저 어레이(902) 사이의 기판(912)의 표면에 배치된다는 점 외에는 광학 상호접속(900)과 거의 동일하다. 소정 실시예들에서, 도 8A-8C와 관련하여 전술한 포커싱 소자들(802, 804, 821-828)은 레이저 어레이(902)의 레이저들로부터 출력되는 광학 신호들을 광 검출기(908)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 도 10B-10D는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 어레이(902)의 레이저들로부터 출력되는 광학 신호들을 광 검출기(908)로 지향시키는 데 사용되는 포커싱 소자들(802, 804, 821-828)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제3 팬-인 광학 상호접속 카드(1100)의 개략도를 나타낸다. 광학 상호접속(1100)은 회절 광학 소자(306)가 광 검출기(908)와 포커싱 소자(1002) 사이의 기판(912)의 표면에 배치된다는 점 외에는 광학 상호접속(1000)과 거의 동일하다. 회절 광학 소자(306)는 이 실시예에서 광학 신호들을 광 검출기(908)로 지향시키는 데 사용될 수 있다.
도 12A는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제2 팬-아웃 광학 상호접속 및 팬-인 광학 상호접속의 등각 투명도 및 개략도를 나타낸다. 팬-아웃 광학 상호접속(104)은, 대응하는 신호 라인들(1201-1203) 상에서 3개의 상이한 전기 신호를 수신하고, 전기 신호들을 열(1204)과 같은 8개의 신호 라인의 3개의 대응 열 상에서 스택(110) 내의 전자 장치들 각각으로 브로드캐스트할 수 있는 단일 장치를 이용하여 구현된다. 팬-인 광학 상호접속(112) 또한, 열(1208)과 같은 8개 신호 라인의 3개 열 상에서 스택(110) 내의 전자 장치들 각각으로부터 전기 신호들을 수신하고, 3개의 대응하는 신호 라인(1205-1207) 상에서 전기 신호들을 전자 장치(102)로 전송할 수 있는 단일 장치를 이용하여 구현된다.
도 12B는 본 발명의 실시예들에 따른 도 12A에 도시된 팬-인 및 팬-아웃 광학 상호접속들의 평면도를 나타낸다. 도 12B는 팬-아웃 및 팬-인 광학 상호접속들과 스택(110) 내의 전자 장치들을 상호접속하는 신호 라인들의 열들이 팬-아웃 및 팬-인 광학 상호접속들과 전자 장치(102)를 상호접속하는 신호 라인들과 실질적으로 정렬됨을 보여준다. 팬-아웃 광학 상호접속(104)은 신호 라인들(1201-1203) 상에서 전기 신호들을 수신하고, 그에 따라 전기 신호들을 신호 라인들의 열들(1204, 1210, 1212) 상에서 브로드캐스트한다. 예를 들어, 팬-아웃 광학 상호접속(104)은 신호 라인(1201) 상에서 전기 신호들을 수신하고, 신호 라인들의 열(1204) 상의 신호 라인들 상에서 전기 신호를 브로드캐스트한다. 팬-인 광학 상호접속(112)은 신호 라인들의 열들(1214, 1216, 1208)의 신호 라인들 각각 상에서 전기 신호들을 수신하고, 이에 따라 전기 신호들을 신호 라인들(1205-1207)을 통해 전자 장치(102)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 팬-인 광학 상호접속(112)은 신호 라인들의 열(1208)의 신호 라인들 중 하나 상에서 전기 신호를 수신하고, 전기 신호를 신호 라인(1207)을 통해 전자 장치(102)로 전송할 수 있다.
본 발명의 팬-아웃 및 팬-인 광학 상호접속들은 도 12에 도시된 신호 라인들의 3개 열 및 3개의 대응 신호 라인으로 한정되지 않는다는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서, 팬-아웃 및 팬-인 광학 상호접속들은 임의 수의 신호 라인들의 열들 및 대응하는 신호 라인들을 갖도록 구현될 수 있다. 더구나, 신호 라인들의 각각의 열은 스택 내의 동일 수의 전자 장치들로 그리고 그들로부터 전기 신호들을 전송하는 데 필요한 임의의 적절한 수의 신호 라인들을 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 2차원 팬-아웃 광학 상호접속(1300)의 분해 등각 투영도를 나타낸다. 광학 상호접속(1300)은 광학 신호 생성 시스템(1302), 2차원 광 검출기 어레이(1304), 및 2차원 트랜스임피던스 증폭기(1306)를 포함한다. 시스템(1302)은 유리 또는 다른 적절한 투명 재료 내에 삽입된 광학 신호 생성 장치(1308)와 같은 4개의 광학 신호 생성 장치를 포함한다. 각각의 광학 신호 생성 장치는 레이저, 레이저 드라이버, 회절 광학 소자 및 포커싱 소자를 포함한다. 예를 들어, 광학 신호 생성 장치(1308)는 신호 라인(1312)을 통해 전기 신호들을 수신하는 레이저 드라이버(1310), 레이저 드라이버(1310)에 전자적으로 결합되는 레이저(1314), 회절 광학 소자(1318) 및 포커싱 소자(1320)를 포함한다. 도 4-8에 도시된 팬-아웃 광학 상호접속 카드들과 관련하여 전술한 바와 같이, 광학 신호 생성 장치들 각각은 8개의 개별적인, 거의 동일한, 거의 등거리의 광학 신호를 생성한다. 다른 실시예들에서, 포커싱 소자들(1320-1323)은 포커싱 소자들(502, 514, 802, 804, 821-828)일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 포커싱 소자들은 제거될 수 있다. 광 검출기 어레이(1304)는 8개의 광 검출기의 4개 열(1321-1324)을 포함한다. 각각의 열 내의 광 검출기들은 광학 신호 생성 장치들로부터 방출되는 광학 신호들 중 하나를 검출하도록 배치된다. 광 검출기들은 p-n 또는 p-i-n 접합 광 다이오드, 또는 n-p-n 또는 p-n-p 광 트랜지스터일 수 있다. 광 검출기 어레이(1304)의 광 검출기들은 트랜스임피던스 증폭기(1006)에 각각 전자적으로 결합되며, 이 증폭기는 광 검출기들 각각으로부터 출력되는 전기 신호들을 증폭하고, 전기 신호들을 신호 라인들의 대응하는 열들(1331-1334) 상에 배치한다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 2차원 팬-인 광학 상호접속(1400)의 분해 등각 투영도를 나타낸다. 광학 상호접속(1400)은 2차원 레이저 어레이(1402), 2차원 레이저 드라이버(1404), 및 유리 또는 다른 적절한 투명 재료(1410) 내에 삽입된 4개의 광 검출기 시스템(1406-1409)을 포함한다. 4개의 광 검출기 시스템(1406-1409) 각각은 포커싱 소자, 광 검출기 및 트랜스임피던스 증폭기를 포함한다. 예를 들어, 광 검출기 시스템(1406)은 포커싱 소자(1412), 광 검출기(1414), 및 신호 라인(1418)에 전자적으로 결합된 트랜스임피던스 증폭기(1416)를 포함한다. 상이한 실시예들에서, 포커싱 소자들(1320-1323)은 포커싱 소자들(502, 514, 802, 804, 821-828)일 수 있으며, 도 9-10과 관련하여 전술한 바와 같이 동작할 수 있다. 광 검출기들은 p-n 또는 p-i-n 접합 광 다이오드, 또는 n-p-n 또는 p-n-p 광 트랜지스터일 수 있다. 레이저 드라이버(1404)는 신호 라인들의 열들(1421-1424)에 전자적으로 결합된다. 신호 라인들의 열 내의 각각의 신호 라인은 스택(110) 내의 전자 장치들 중 하나로부터 출력되는 전기 신호들을 수신한다. 예컨대, 하부 신호 라인들(1425-1428) 모두는 스택(110)의 하부 전자 장치로부터 전기 신호들을 수신한다. 그러나, 열 내의 하나의 신호 라인만이 한 번에 하나의 전기 신호를 수신하는 것을 보장하기 위해 중재기가 사용될 수 있다. 신호 라인들의 각각의 열(1421) 내의 신호 라인들은 레이저 어레이(1402)의 레이저들의 열들(1431-1434) 내의 레이저들에 대응하여 전자적으로 결합된다. 예를 들어, 신호 라인들의 열(1421) 내의 신호 라인들 각각은 레이저들의 열(1431) 내의 레이저들에 대응하여 전자적으로 결합되며, 레이저들의 열(1431) 내의 레이저들을 구동하는 전기 신호들을 제공한다. 레이저들의 열들(1431-1434) 내의 레이저들은 대응하는 포커싱 소자로 지향되는 광학 신호들을 방출하도록 레이저 어레이(1402) 내에 구성되고 배치된다. 각각의 포커싱 소자는 광학 신호를 대응하는 광 검출기로 전송하며, 이어서 광 검출기는 전자적으로 결합된 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭되는 대응하는 전기 신호를 생성하고, 전기 신호를 대응하는 신호 라인 상에 출력한다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 레이저들의 열(1431) 내의 레이저들은 각각의 레이저가 포커싱 소자(1412)에 충돌하는 광학 신호를 방출하도록 구성되고 배치된다. 포커싱 소자(1412)는 광학 신호를 광 검출기(1414)로 지향시키도록 구성되며, 광 검출기는 트랜스임피던스 증폭기(1416)에 의해 증폭되고 신호 라인(1418) 상에 출력되는 대응 전기 신호를 생성한다.
위의 설명은 설명의 목적으로 본 발명의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 전문 용어를 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 특정 상세들은 필요하지 않다는 것이 이 분야의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명의 특정 실시예들에 대한 위의 설명들은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 이들은 본 발명을 포괄하거나 본 발명을 개시된 바로 그 형태들로 한정하는 것을 의도하지 않는다. 분명히, 위의 가르침에 비추어 많은 수정 및 변경이 가능하다. 본 발명의 원리들 및 그의 실제 응용들을 가장 잘 설명하여, 이 분야의 다른 기술자들이 고려되는 특정 이용에 적합한 바와 같은 다양한 수정을 갖는 본 발명 및 다양한 실시예를 가장 잘 이용하는 것을 가능하게 하기 위하여 실시예들이 도시되고 설명된다. 본 발명의 범위는 아래의 청구항들 및 그들의 균등물들에 의해 정의되어야 함을 의도한다.

Claims (20)

  1. 광학 신호를 출력하도록 구성되는 레이저;
    상기 레이저에 전자적으로 결합되는 레이저 드라이버 - 상기 레이저 드라이버는 상기 레이저로 하여금 상기 레이저 드라이버에 의해 수신되는 전기 신호에 응답하여 상기 광학 신호를 출력하도록 유도함 - ;
    상기 광학 신호를 수신하도록 배치되고, 상기 광학 신호를 복수의 동일한 광학 신호로 분할하도록 구성되는 회절 광학 소자;
    광 검출기 어레이 - 상기 광 검출기 어레이의 각각의 광 검출기는 상기 복수의 광학 신호 중 하나를 개별 신호 라인 상에 출력되는 전기 신호로 변환함 - ; 및
    상기 회절 광학 소자와 상기 광 검출기 어레이 사이에 배치되는 포커싱 소자
    를 포함하고, 상기 포커싱 소자는 프레넬 렌즈 표면(Fresnel lens surface) 및 복수의 평철(plano convex) 렌즈를 갖는 반대측 표면을 포함하는, 광학 상호접속기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기 어레이에 전자적으로 결합되고, 상기 광 검출기 어레이의 광 검출기로부터 출력되는 전기 신호들을 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회절 광학 소자는 상기 광학 신호를 상기 복수의 광학 신호로 분할하는 회절 빔 분할기를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는,
    수직 공동 표면 방출 레이저;
    분산 피드백 레이저;
    양자 우물 레이저;
    다중 양자 우물 레이저;
    발광 다이오드;
    이중 이종 구조 레이저; 및
    단일 광학 신호를 방출하도록 구성된 장치
    중 하나를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 레이저 드라이버는 상기 레이저 드라이버에 의해 수신되는 전기 신호의 변조된 강도에 응답하여 상기 레이저에 변조된 전류를 공급하도록 구성되는 집적 회로를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기 어레이 내의 상기 광 검출기들은 광 다이오드들을 더 포함하는 광학 상호접속기.
  12. 복수의 레이저 - 각각의 레이저는 대응하는 광학 신호를 방출하도록 구성됨 - ;
    복수의 레이저 드라이버 - 각각의 레이저 드라이버는 상기 복수의 레이저 중 하나에 전자적으로 결합되어, 대응하는 레이저로 하여금 상기 레이저 드라이버에 의해 수신되는 전기 신호에 응답하여 대응하는 광학 신호를 방출하도록 유도함 - ;
    복수의 광학 신호를 수신하고, 단일 광학 신호를 출력하도록 배치되는 포커싱 소자; 및
    상기 단일 광학 신호를 신호 라인 상에 출력되는 단일 전기 신호로 변환하는 광 검출기
    를 포함하고,
    상기 포커싱 소자는 프레넬 렌즈 표면 및 복수의 평철 렌즈를 갖는 반대측 표면을 포함하는, 광학 상호접속기.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서, 상기 광 검출기에 전자적으로 결합되고, 상기 광 검출기로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  18. 제12항에 있어서, 회절 광학 소자는 상기 복수의 광학 신호를 단일 광학 신호로 지향시키는 회절 빔 분할기를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 레이저들은
    수직 공동 표면 방출 레이저들;
    분산 피드백 레이저들;
    양자 우물 레이저들;
    다중 양자 우물 레이저들;
    발광 다이오드;
    이중 이종 구조 레이저들; 및
    광학 신호들을 방출하도록 구성된 장치들
    중 하나를 더 포함하는 광학 상호접속기.
  20. 제12항에 있어서, 상기 레이저 드라이버는 상기 레이저 드라이버에 의해 수신되는 전기 신호의 강도에 응답하여 상기 복수의 레이저 중 하나에 변조된 전류를 공급하도록 구성되는 집적 회로를 더 포함하는 광학 상호접속기.
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