专利名称：接近自由空间光学互连的制作方法接近自由空间光学互连高数据速率信号传输是许多计算系统中关心的问题。当前的服务器系统例如常 常使用需要以高数据速率相互通信的一组用户选定部件。例如，在用结合了各个印刷电路 板(PCB) ‘刀片’的模块化架构设计的计算机服务器系统中，例如服务器刀片和存储器刀片 的刀片被安装在公共机箱中并共享系统部件，诸如冷却风扇、电源和机箱管理。对于将一起 工作并提供期望的数据存储、处理和通信的刀片而言，服务器系统需要提供用于刀片和外 部设备之间的通信的高数据速率通信信道。目前，刀片式计算机服务器中的刀片和I/O设 备通常经由被附着到背板或中板PCB的高速电连接器互连。此架构产生信号完整性挑战， 因为高频电信号在信号到达其目的地之前可能需要穿过几十英寸的有损耗的铜迹线、多个 PCB通孔和两个或三个电连接器。另外，背板或中板可能阻止冷却空气流动通过服务器机 箱，这增加了冷却敏感电子电路所需的功率。当前的电互连系统还限制服务器设计灵活性， 因为通常必须沿着通常从前到后的方向与连接器引脚的轴平行地插入刀片。使用光学信令的通信信道能够避免与高频电信号相关联的许多问题，但是被引导 的光学信令可能要求复杂且麻烦的系统以便可靠地对准和连接光缆或带状线缆。例如，典 型的光纤耦合器必须使正被耦合的光纤的轴对准并使光纤的端部相互接触。此外，包括使 用光学信令的电路板的系统通常在板的边缘处产生或接收光信号，在该边缘处可以连接光 缆或光纤。使光学部件在板的边缘处具有这样的缺点即，电信号可能仍需要行进板的长度 并可能经受信号丢失和噪声问题。此外，服务器刀片或电路板边缘处的可用空间是有限的， 并且从板的边缘延伸的光纤和光纤连接器必须常常与电插口和电缆为了空间而竞争。因 此，期望用于经济地且高效地在诸如服务器的系统中建立并保持光学通信信道的更好的系 统和方法。
依照本发明的一方面，一种系统包括光学介质、第一连接器、第二连接器、以及在 连接器相互接近时推动第一连接器与第二连接器接触的机构。第一光学介质是柔性的并能 够引导光信号，并且第一连接器被附着于第一光学介质的端部。第一连接器还具有第一对 准特征并提供用于光信号的第一路径。第二连接器具有第二对准特征，并且也提供用于光 信号的第二路径。第一对准特征被成形为用以与第二对准特征配对并在所述机构朝着第二 连接器推动第一连接器时使第一连接器相对于第二连接器移位。第一对准特征和第二对准 特征还具有安置位置，在该安置位置处第一路径与第二路径被对准并被自由空间间隙分隔 开。图1示出依照本发明的实施例的采用自由空间接近光学互连的依照本发明的实 施例的服务器系统。图2A示出依照本发明的实施例的接近耦合光学互连的透视图。图2B示出在连接器之间采用透镜阵列的本发明的实施例中的配对连接器的横截 面图。图2C示出用于自由空间接近光学互连的连接器中的光信号的路径。图3示出在载送来自和去往连接器的光信号的光学介质附近采用透镜阵列的连 接器的横截面图。图4示出采用与连接器的主体垂直的光学介质的横截面图。图5A和5B举例说明依照本发明的实施例的用于连接器的闩锁机构的操作。图6A和6B举例说明其中印刷电路板的插入能够跨越与印刷电路板平行的间隔自 动地产生光学互连的系统。图7示出依照本发明的实施例的连接器的放大视图。图8A和8B举例说明其中印刷电路板的插入能够跨越印刷电路板的边缘之间的间 隔自动地产生光学互连的系统。不同图中的相同附图标记的使用指示类似或相同的项目。
每个刀片110另外包括一个或多个光电子(OE)引擎114和118。OE引擎114或 118可以在可能需要到另一刀片110的高带宽连接的任何地方被附着于刀片110。每个OE 引擎114或118可以包括光学发送机(例如VCSEL阵列)和光学接收机(例如光电二极管阵 列)两者，或者可以包括仅光学发送机或仅光学接收机。每个刀片110上的OE引擎114和 118中的发送机将从刀片110中的电信号导出的信息编码在所发送的光信号中，并且每个 刀片110上的OE引擎114和118中的接收机将接收到的光信号转换成电信号以供在刀片 110中使用。通常，刀片110上的每个OE引擎114被匹配以经由自由空间接近光学互连向 OE引擎118发送光信号以及从OE引擎118接收光信号。在一个特定的实施方式中，OE引 擎114和118可以是QXFP收发机，其可Uhrlink Semiconductor公司获得，并且此类模 块执行以每个信道5 Gb/s的数据速率进行工作的四信道OE引擎的功能。一个刀片110上的OE引擎114与相邻刀片110上的OE引擎116之间的自由空间 接近光学互连包括被光学地耦合到OE引擎114的柔性光学介质142、在光学介质142的相 对端处的连接器144、具有与连接器144配对的特征的连接器146、以及将连接器146光学 地连接到OE弓丨擎116的柔性光学介质148。光学介质142和148优选地是诸如平行光纤 带或平行聚合物波导的高带宽柔性光学介质，其分别载送OE引擎114和118的发送的和接 收的光信号。光纤带中的各个光纤可以是单模或多模塑料、玻璃或纳米结构的纤维(例如 Corning ClearCurve 光纤)，其能够以很少的弯曲损耗适应急弯半径。光信号可以通过将 信息编码在沿着单个光纤或波导传送的光的多个频率分量中而采用波分复用(WDM)来增加 带宽。在密集布置中，光学介质142和148包含多个平行的光纤或波导，并且每个光纤或波 导载送WDM信号以实现每单位面积的高带宽。连接器144和146中的每一个包含光学系统和对准特征。每个连接器144或146 中的光学系统是用于光学介质142或148中的导向传播与由连接器144和146限定的间隙 中的自由空间传播之间的光信号的传输。对准特征是随着连接器144和146被推到一起而 相配对并自动地使连接器144中的光学系统与连接器146中的光学系统对准的精密结构。 在示例性实施例中，进行OE引擎114和116之间的光学连接所需要的全部就是将相邻的刀 片110插入服务器机架120中。磁体或弹簧系统(未示出)随后将连接器144和146推到 一起，以便对准特征的盲配对功能使连接器144和146对准以进行自由空间光学传输。在 用于服务器系统100的典型配置中，在相邻的刀片110之间可以存在约2至5 cm的自由空 间，并且可以提供平衡(standoff)系统145以将连接器144和146定位为足够紧密地接近 以得到用于将连接器144和146推到一起并实现对准的磁吸引力或弹簧作用。连接器144 和146未被完全约束在平衡系统145中，而是具有沿x、y、z运动、旋转的足够自由和倾斜自 由度以移动至相互对准，尽管刀片110之间存在相对的失准。在典型的服务器应用中，连接 器144和146在被分离时可能由于刀片110的机械支架的变化而经受约500至2000 μ m 量级的平移失准和高达约1.5°的角度失准。例如来自服务器系统100中的冷却风扇或硬 盘驱动器的运行的温度变化和/或机械振动能够使刀片110具有进一步的可变横向失准、 可变间隔、绕两个倾斜轴的可变角度失准、以及可变旋转失准。然而，所施加的力和对准特 征将连接器144和146锁定在为了自由空间光信号的传输而被对准的固定相对位置，尽管 在服务器系统100的其它地方存在对准变化。图2A举例说明在自由空间接近互连200中自动地对准光学信道的连接器220和240的一个配置。连接器220位于光学介质210的端部处。在互连200中，光学介质210是 与连接器220的顶表面平行地附着的扁平光学带状线缆，并且光学介质210的端部表面215 被以与光学介质210中的光传播方向成45°角的方式切割或抛光。结果，在光学介质210 中来自波导或光纤的发射光例如通过全内反射被反射到穿过连接器220的光管道220中。 同样地，表面215将来自光管道222的光束反射到光学介质210的各光纤或波导中。可替 换地，光学介质210的端部可以垂直于介质210中的光的传播方向，并且光学介质210的端 部可以被对准以直接将光发送到光管道222中以及从光管道222接收光。连接器240包括从光学介质250接收光信号以及将光信号引导到光学介质250的 光管道M2。光学介质250可以基本上与光学介质210相同，并且特别地包括被以45°角 切割或抛光的端部(未示出)以便反射在光管道242与光学介质250中的各光纤或其它波导 之间传递的光信号。连接器240上的对准特征244是被精加工的孔，使得当连接器220上 的对准特征2 被适当地配对在孔244中时，连接器MO中的光管道242与连接器220中 的光管道222对准。对准特征2 和244可以具有能够使连接器220和240相对于彼此而 移位并在对准特征2M和244处于安置位置时提供连接器220和240之间的预定间隔的任 何形状。在所示的实施例中，对准特征2M是球，但是用于对准特征2M的适当形状的另一 示例将是削尖的锥体或磨圆的锥体。为了安置对准特征2M和244并实现期望的对准，连 接器220上的磁体2 和连接器240上的磁体246产生引起对准特征2M和244的盲配对 的吸引力，其使连接器220和240移动到对准位置。磁体2 和246可以是永久性磁体，或 者可以是在需要使连接器220和240聚在一起或保持在一起时被激活的电磁体。在一个特定实施例中，每个连接器220或240包含四个高通量磁体以将连接器220 和240吸引在一起，并且还提供在使用期间将连接器220和240保持在适当位置的力。当 对准特征2M是球形的时，通常将磁体2 和236以匹配图案布置，并且这两个磁体图案将 被对准以提供最大的吸引力。然而，对于对准特征2M和244的某些形状而言，每个连接器 220或240上的磁体图案可以有意地相互偏离以提供将配对特征2 和244驱动至期望位 置的力矢量。例如，如果对准特征2M和244实现‘框在框架中(box in frame)’的对准 方案，则磁体226的图案可以与磁体246的图案相同，但是磁体2 可以偏移磁体直径的约 15%，以便磁力将‘框，连接器吸引到框架的拐角中。对准特征2 和244及磁体2 和246 的特定实施方式可以在仍保持在当前发明的精神范围内的同时广泛地改变。例如，可以用 铁或含铁材料来取代某磁体2 或M6，所述铁或含铁材料仍将向另一连接器220或240中 的磁体提供吸引力。另外，磁体2 可以被包含到连接器220或240的其它部件中，而不是 作为分离的元件。例如，连接器220上的对准特征2M可以是被吸引到位于连接器240上 的孔244中的磁体或含铁材料的磁球。提供磁吸引力的许多其它配置是可能的。通过使用被成形为适合于精加工孔244中仅至确定的深度的至少三个对准特征 224来实现χ、y、ζ、倾斜角和旋转角θ方面的对准精确度。磁体2 和246使连接器220 和240在一起，并且还提供吸引力以将连接器220和240保持在适当位置。当连接器220 和MO由于相邻的刀片或PCB的插入或者由于如下所述的闩锁机构的操作而非常接近时， 磁体2 和246将连接器220和240拉在一起，并且对准特征2M滑动到规定的孔M4中 至规定的深度。可以为给定的球形形状、锥形形状或其它类似形状的对准特征2M使连接 器220和240随着对准特征2 被推入孔244中而横向地移位。对准特征2 和244还保持连接器220和224的主体之间的受控间距。因此，一旦就位，对准特征保持光管道222和 242的对准以便进行自由空间光信号的传输。可选地，可以将连接器220和240容纳在具有 机械闩锁的壳体(未示出)中，该机械闩锁使连接器220和240在一起以得到磁力，从而接管 (take over)或激活将连接器220和240推在一起的弹力。优选地，使用光具座组件(例如， 硅光具座或陶瓷衬底)来构造连接器220和M0，以使得可以以平版印刷的方式来限定精密 对准。可替换地，可以使用精密模具来形成连接器220和240并在组装期间使其与其它部 件对准。对准操作包括布置用于精密球或其它对准特征的孔、布置微透镜、布置光管道、以 及布置光纤带或其它光学介质。图2B示出在被配对在一起作为自由空间接近光学互连的一部分时的连接器220 和240的实施例的横截面图。如所示，当连接器220的对准特征2M安置在连接器MO的 对准特征244中时，连接器220和240的主体之间保持有间隙230。特征2M和244的相对 尺寸控制连接器220和240的主体之间的间隔，并且在典型的互连中，间隙230可以是约为 1至3 mm宽。连接器的主体的厚度可以约为2至3 mm的量级，使得在典型的应用中光在 光学介质210与光学介质250之间传播的总距离可以在5至10 mm的量级。因此，取决于 光管道222和M2的性质，光信号可以具有高达约Icm的非导向传播。连接器220上的透 镜阵列2 和连接器240上的透镜阵列248可以位于相应的光管道222和242的端部处的 间隙230中以对跨越间隙230传送的自由空间光信号进行准直或收集。可以使用透镜2 和248来扩展并收集穿过间隙230的自由空间射束，并从而放宽用于连接器220和MO的 失准的公差。图2C举例说明由于透镜228的聚焦而产生的对来自光学介质210的透射射束的 发散或对在光学介质210处接收到的信号的会聚。在图2C的所示实施例中，光学介质210 被附着于连接器220的主体的表面，并且透镜2 在连接器220的主体的相对表面上。光 管道222和242可以是具有反射壁或波导的孔，所述反射壁或波导穿过各连接器220和240 的主体以限制通过连接器220或M4的主体的光信号的发散，并因此允许使用较小的透镜 228。可替换地，连接器220的主体可以是透明的，并且可以根据信号射束的预期发散来选 择透镜228的尺寸。图3举例说明连接器320中的光学系统的可替换配置。在图3的配置中，一个或多 个透镜2 邻近于光学介质210中的各光纤或波导。结果，从光学介质210的倾斜端部表 面215反射的光信号在被透镜2 准直并传送通过连接器320的主体之前将较少地发散。图4举例说明其中光学介质410垂直于连接器420的主体的本发明的实施例。那 么，可以将透镜2 定位在如所示的光学介质410的端部处或在连接器220的主体的相对 侧。例如对准特征2M和光管道222的图4中的其它元件可以基本上如上所述。依照本发明的另一方面，用于自由空间接近光学互连的连接器可以被包含在闩锁 机构中，该闩锁机构使用弹簧来提供使连接器对准的力并提供在部件去除期间帮助连接器 分离的力。图5A示出未闩锁的配置中的闩锁系统500。闩锁系统500包括包含连接器520 的第一外壳510和包含连接器MO的第二外壳530。连接器520和540被连接到柔性光学 介质(未示出)，其可以与上文参考图2C、3和4所述的连接器类似或相同。外壳510包括弹 簧单元512和凹坑514，其中连接器520安装在弹簧单元512上，凹坑514被成形为用以啮 合外壳530上的凸块534。外壳530包括弹簧单元532、凸块534和释放弹簧536，其中连接器540安装在弹簧单元532上，凸块534被成形为用以啮合凹坑514。如图5B所示，通过将外壳530推入外壳510中直至凸块534配合到相应的凹坑 514中来啮合闩锁机构500。在闩锁过程期间，连接器520和520相互接触且弹簧机构512 和532压缩。弹簧机构512和532允许连接器520和540在x、y、ζ、旋转和倾斜方面的运 动自由，使得在通过弹簧机构512和532施加于连接器520和MO的力促使连接器520和 540上的对准特征配对时，连接器520和540可以移动至对准以便自由空间光信号的传输。 在本发明的一个实施例中，对准过程完全依赖于弹力来将连接器520和540推在一起，使得 在连接器520或540上不需要磁体。可替换地，可以另外或作为弹簧系统512和534的替 代而采用磁体。在其中未使用弹簧系统512和514的实施例中，连接器520和540的支架 允许连接器在相应的连接器510和530中浮动，使得当连接器520和540变得紧密接近时， 连接器520和540中的磁体能够将连接器520和540拉在一起并自动地使自由空间光学信 道对准。闩锁操作还压缩释放弹簧536并促使外壳510或530的一部分随着凸块534进入 外壳510而弯曲并随后在凸块534安置在凹坑514中时弹回。凸块534在安置在凹坑514 中时相对于释放弹簧536的弹力将外壳510和530保持在适当位置。使外壳510或530的 一部分弯曲可以使凸块534移位并允许释放弹簧536推动外壳510和530分开并克服将连 接器520和540保持在一起的任何磁吸引力。图6Α和6Β举例说明采用自由空间接近光学互连的根据本发明的一个特定实施例 的系统600。系统600包括被设计为插入被构建到机架630中的插槽中的PCB 610和620。 图6Α示出PCB 610被插入机架630中但在插入PCB 620之前的系统600。图6Β示出PCB 610和PCB 620两者都被插入机架630中的情况下的系统600。PCB 610包括电子设备(未 示出)、光学收发机612以及将光学收发机612光学地耦合到安装在平衡结构618上的连接 器616的光纤带614。PCB 620包括电子设备(未示出)、光学收发机622以及将光学收发机 622耦合到安装在平衡结构6 上的连接器626的光纤带624。光纤带614和6M提供用于此接近光学互连的多个优点，诸如灵活性、轻重量和 具有最小串扰的高带宽。光纤带614和6M可以由玻璃或塑料纤维制成。在塑料的情况 下，带614或624的曲率半径可以如4 mm那样小并仍提供光信号的低损耗。在一个特定实 施例中，光纤带614和6M是12通道、50 μ m的多模光纤带且被附着到相应连接器616和 626中的套圈。图7示出其中套圈710被附着到光纤带624的连接器626的更详细视图。 套圈710具有插脚712，插脚712为具有倒圆的(radiused)或倒角的(chamfered)端部的 圆柱形插脚，并位于光纤阵列的任一侧。然后，将市售模制塑料透镜组件720 (例如，Omron PL12A-C2)附着于光纤阵列的面。透镜阵列720可以被制造为具有接纳作为套圈710的一 部分的引导插脚712的对准孔。简单地通过使透镜阵列720滑动到引导插脚712上，透镜阵 列720中的各个小透镜与套圈710中的相应光纤对准。透镜阵列720和套圈710的精密塑 料注塑成型导致通常小于约5 μm的标称径向对准误差。轴向对准误差具有类似的幅值。在透镜阵列720在引导插脚712上滑动之后，组合后的组件滑动通过平衡结构6 的一部分并被加载到耦合板730中。再一次地，可以通过将引导插脚712放置到形成在耦 合板730中的精密孔中来实现光纤/透镜组件和耦合板730之间的精密对准。耦合板630 包含对准特征，该对准特征是连接器626的与连接器616进行物理接触的仅有部分。通过使所有部件以两个非常高精度的引导插脚712为基准来实现耦合板730和透镜阵列720、套 圈710中的光纤阵列的精密对准。本特定实施例中的耦合板730包含被以不对称图案布置的稀土磁体732，其有助 于提供用于连接器616和6 的自动对准的力。连接器616和6 中的诸如KJ磁性元件型 号D21B(直径=4. 75mm、厚度=1. 6mm)的总共八个钕稀土磁体可以产生耦合板730之间的 吸引力。在图6A和6B的连接器616和6 的耦合板中，磁体732被布置成配合对(mating pair)，配合对具有产生每个磁体对约1. M Ibs (磅)的保持力的间隔。然而，在其平衡位置 处，吸引磁体相互略微偏移。重叠区域约为81%，因此最后的力为每对约1.0 Ib (磅)，或者 对于连接器616和拟6而言总共为4.0 Ib (磅)。吸引力以可预测的方式随着连接器616 和618之间的距离而减小。图6B所示的接近自由空间光学互连的特定型式利用在动力学上定义的‘块在拐 角中’的配对系统，其可以适应面内+/-3 mm、和面外+/-2. 5 mm的板到板失准。该结构还 适应连接器616和拟6之间的多达5°的倾斜和旋转失准。可以开发多种替换耦合板设计 以容纳配对PCB之间的特定范围的失准幅值。通常，连接器尺寸将随着板到板位置公差的 幅值的增加、也就是说随着要求耦合板移动通过更大的距离而增加，以适应PCB之间的潜 在失准。还可以使得系统光学设计能够容忍由各种零件公差引起的失准以及配对连接器 616和6 之间的位置误差。特别地，将市售光学装置用于透镜阵列720可以在透镜顶点 之间的间距为2. 5 mm的情况下工作。光信号在穿过接近光学互连期间经过四个分别的空 气一透镜界面，但是即使当将透镜阵列720制造为没有AR涂层时，由于这些界面处的菲涅 耳反射而引起的总光学损耗也仅为约15%。与光纤带614和6M及套圈710相关联的制造和组装公差是极其小的。套圈710 可以由包含按体积装载计70%以上的硅石颗粒的热固性或热塑性聚合物材料制成。此类材 料产生具有低热膨胀系数(CTE)的尺寸稳定的部分。可以通过使用具有低腔体数的小模具 来进一步提高尺寸精度。在某些情况下，可以采用单腔体模具。在特定实施例中，塑料透镜阵列720可以由对于波长为850 nm的光而言具有 1. 505的折射率的光学聚合物模制而成。在室温下的透镜阵列720的尺寸精度与套圈710 相当。然而，由于透镜阵列720必须是光学透明的且没有内部界面，所以降低CTE的填充物 材料的使用可能是不实际的。因此，在0至85°C的典型温度范围上，透镜阵列720可以经历 约10倍于套圈710的热膨胀和收缩。幸运的是，由于引导插脚712被固定在热稳定套圈材 料中，所以引导插脚712的移动受到限制，并且引导插脚712对透镜阵列720的热致移动提 供一定的阻力。在本发明的示例性实施例中，透镜元件和光纤之间的此相对移动应贡献不 超过5 μ m的附加失准。图8A和8B举例说明使用接近自由空间互连来提供存在于几乎同一平面中的印刷 电路板810和820的边缘之间的通信。在图8A中，印刷电路板810处于其工作位置上，并 且可以例如被插入机架(未示出)中。连接器816被安装在附着在印刷电路板810的边缘处 的平衡体818上。平衡体818保持连接器816，但是为连接器816提供X、Y、Z、旋转角和两 个倾斜角方面的充分的运动范围和自由以进行自动对准操作。柔性光学介质(未示出)穿过 平衡体818并在连接器816与板810上的光学收发机(未示出)之间提供光纤或其它波导。
图8A中的印刷电路板820准备好例如通过将印刷电路板820插入印刷电路板810 被连接到的机架中来插入其工作位置。连接器拟6被安装在附着在印刷电路板820的边缘 处的平衡体拟8上。平衡体拟8保持连接器826，但是为连接器拟6提供X、Y、Z、旋转角和 两个倾斜角方面的充分的运动范围和自由以进行与连接器816的自动对准操作。柔性光学 介质(未示出)穿过平衡体828并在连接器826与板820上的光学收发机(未示出)之间提 供光纤或其它波导。如图8B所示的印刷电路板820到其工作位置的插入使印刷电路板820的连接器 826与印刷电路板810的连接器816接近。当接近时，吸引力将连接器816和拟6吸引在一 起，这引起连接器816和拟6上的对准特征的配对并自动地对准连接器816和826以进行 光信号的传输。如上所述，可以由连接器816和拟6中的一者或两者上的磁体来产生使连 接器816和拟6对准的吸引力。虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但该描述仅仅是本发明的应用的示例且 不应将其视为限制。特别地，已经描述了其中印刷电路板或其它电气系统具有特定取向的 本发明的特定实施例。然而，可以同样地在能够将适当的连接器布置为接近以进行光学信 道的自动对准的其它系统中建立光学互连。所公开的实施例的特征的各种其它改变和组合 落在由所附权利要求定义的本发明的范围内。


一种系统采用柔性光学介质(210)、两个连接器(220、240)、以及在连接器相互接近时使连接器(220、240)在一起的诸如磁体(226)的机构。光学介质(210)能够引导光信号，并且一个连接器(220)被附着于光学介质(210)的端部。每个连接器(210、240)还具有对准特征(224、244)并提供用于光信号的路径(222、242)。每个连接器的对准特征(224)被成形为与另一连接器的对准特征(244)相配对并随着机构(226)将连接器(220、240)推到一起而使连接器(220、240)彼此相对地移位。对准特征(224、244)还具有安置位置，在该安置位置处一个连接器中的路径(222)与另一连接器中的路径(242)被对准并被自由空间间隙(230)分隔开。