專利名稱：接近自由空間光學(xué)互連的制作方法
接近自由空間光學(xué)互連
背景技術(shù)：
高數(shù)據(jù)速率信號(hào)傳輸是許多計(jì)算系統(tǒng)中關(guān)心的問(wèn)題。當(dāng)前的服務(wù)器系統(tǒng)例如常 常使用需要以高數(shù)據(jù)速率相互通信的一組用戶選定部件。例如，在用結(jié)合了各個(gè)印刷電路 板(PCB) ‘刀片’的模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)中，例如服務(wù)器刀片和存儲(chǔ)器刀片 的刀片被安裝在公共機(jī)箱中并共享系統(tǒng)部件，諸如冷卻風(fēng)扇、電源和機(jī)箱管理。對(duì)于將一起 工作并提供期望的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和通信的刀片而言，服務(wù)器系統(tǒng)需要提供用于刀片和外 部設(shè)備之間的通信的高數(shù)據(jù)速率通信信道。目前，刀片式計(jì)算機(jī)服務(wù)器中的刀片和I/O設(shè) 備通常經(jīng)由被附著到背板或中板PCB的高速電連接器互連。此架構(gòu)產(chǎn)生信號(hào)完整性挑戰(zhàn)， 因?yàn)楦哳l電信號(hào)在信號(hào)到達(dá)其目的地之前可能需要穿過(guò)幾十英寸的有損耗的銅跡線、多個(gè) PCB通孔和兩個(gè)或三個(gè)電連接器。另外，背板或中板可能阻止冷卻空氣流動(dòng)通過(guò)服務(wù)器機(jī) 箱，這增加了冷卻敏感電子電路所需的功率。當(dāng)前的電互連系統(tǒng)還限制服務(wù)器設(shè)計(jì)靈活性， 因?yàn)橥ǔ１仨氀刂ǔ那暗胶蟮姆较蚺c連接器引腳的軸平行地插入刀片。使用光學(xué)信令的通信信道能夠避免與高頻電信號(hào)相關(guān)聯(lián)的許多問(wèn)題，但是被引導(dǎo) 的光學(xué)信令可能要求復(fù)雜且麻煩的系統(tǒng)以便可靠地對(duì)準(zhǔn)和連接光纜或帶狀線纜。例如，典 型的光纖耦合器必須使正被耦合的光纖的軸對(duì)準(zhǔn)并使光纖的端部相互接觸。此外，包括使 用光學(xué)信令的電路板的系統(tǒng)通常在板的邊緣處產(chǎn)生或接收光信號(hào)，在該邊緣處可以連接光 纜或光纖。使光學(xué)部件在板的邊緣處具有這樣的缺點(diǎn)即，電信號(hào)可能仍需要行進(jìn)板的長(zhǎng)度 并可能經(jīng)受信號(hào)丟失和噪聲問(wèn)題。此外，服務(wù)器刀片或電路板邊緣處的可用空間是有限的， 并且從板的邊緣延伸的光纖和光纖連接器必須常常與電插口和電纜為了空間而競(jìng)爭(zhēng)。因 此，期望用于經(jīng)濟(jì)地且高效地在諸如服務(wù)器的系統(tǒng)中建立并保持光學(xué)通信信道的更好的系 統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明的一方面，一種系統(tǒng)包括光學(xué)介質(zhì)、第一連接器、第二連接器、以及在 連接器相互接近時(shí)推動(dòng)第一連接器與第二連接器接觸的機(jī)構(gòu)。第一光學(xué)介質(zhì)是柔性的并能 夠引導(dǎo)光信號(hào)，并且第一連接器被附著于第一光學(xué)介質(zhì)的端部。第一連接器還具有第一對(duì) 準(zhǔn)特征并提供用于光信號(hào)的第一路徑。第二連接器具有第二對(duì)準(zhǔn)特征，并且也提供用于光 信號(hào)的第二路徑。第一對(duì)準(zhǔn)特征被成形為用以與第二對(duì)準(zhǔn)特征配對(duì)并在所述機(jī)構(gòu)朝著第二 連接器推動(dòng)第一連接器時(shí)使第一連接器相對(duì)于第二連接器移位。第一對(duì)準(zhǔn)特征和第二對(duì)準(zhǔn) 特征還具有安置位置，在該安置位置處第一路徑與第二路徑被對(duì)準(zhǔn)并被自由空間間隙分隔 開(kāi)。


圖1示出依照本發(fā)明的實(shí)施例的采用自由空間接近光學(xué)互連的依照本發(fā)明的實(shí) 施例的服務(wù)器系統(tǒng)。圖2A示出依照本發(fā)明的實(shí)施例的接近耦合光學(xué)互連的透視圖。
圖2B示出在連接器之間采用透鏡陣列的本發(fā)明的實(shí)施例中的配對(duì)連接器的橫截 面圖。圖2C示出用于自由空間接近光學(xué)互連的連接器中的光信號(hào)的路徑。圖3示出在載送來(lái)自和去往連接器的光信號(hào)的光學(xué)介質(zhì)附近采用透鏡陣列的連 接器的橫截面圖。圖4示出采用與連接器的主體垂直的光學(xué)介質(zhì)的橫截面圖。圖5A和5B舉例說(shuō)明依照本發(fā)明的實(shí)施例的用于連接器的閂鎖機(jī)構(gòu)的操作。圖6A和6B舉例說(shuō)明其中印刷電路板的插入能夠跨越與印刷電路板平行的間隔自 動(dòng)地產(chǎn)生光學(xué)互連的系統(tǒng)。圖7示出依照本發(fā)明的實(shí)施例的連接器的放大視圖。圖8A和8B舉例說(shuō)明其中印刷電路板的插入能夠跨越印刷電路板的邊緣之間的間 隔自動(dòng)地產(chǎn)生光學(xué)互連的系統(tǒng)。不同圖中的相同附圖標(biāo)記的使用指示類似或相同的項(xiàng)目。
具體實(shí)施例方式依照本發(fā)明的一方面，可以跨越與系統(tǒng)垂直的間隙直接建立諸如被插入母板或其 它底座或機(jī)架中的插槽中的電路板或服務(wù)器刀片的基本上平行的系統(tǒng)之間的光學(xué)通信信 道。因此，可以將較短的信號(hào)線用于系統(tǒng)中的高頻電信號(hào)，并且可以保持光學(xué)連接遠(yuǎn)離被用 于外部設(shè)備的連接的邊緣插口。在示例性實(shí)施例中，光學(xué)帶狀線纜或其它柔性多通道光學(xué) 介質(zhì)將相鄰的系統(tǒng)分別連接到一對(duì)連接器。這兩個(gè)連接器采用配對(duì)特征，所述配對(duì)特征被 成形為隨著連接器被推到一起而使連接器橫向地移位以自動(dòng)地使自由空間光學(xué)信道對(duì)準(zhǔn)。 磁體能夠提供用于對(duì)準(zhǔn)和用于將連接器保持在一起、同時(shí)仍允許容易地?cái)嚅_(kāi)連接器的連接 所需的力。連接器因此被被動(dòng)地自對(duì)準(zhǔn)，并且多個(gè)光信號(hào)可以被傳送通過(guò)連接器雙方之間 的自由空間間隙。由于光學(xué)互連中的連接器在柔性光學(xué)介質(zhì)的端部，所以即使當(dāng)所連接的 系統(tǒng)經(jīng)受失準(zhǔn)、振動(dòng)和差別熱膨脹時(shí)，自由空間接近光學(xué)互連也能夠保持光信號(hào)對(duì)準(zhǔn)。自由空間接近光學(xué)互連能夠在包含平行PCB的計(jì)算機(jī)服務(wù)器或其它系統(tǒng)內(nèi)需要 通信信道的任何地方提供相鄰印刷電路板(PCB)之間的高帶寬連接。圖1示出使用自由空 間接近光學(xué)互連用于被相互平行地安裝在服務(wù)器機(jī)架120上的刀片110之間的通信的、依 照本發(fā)明的實(shí)施例的服務(wù)器系統(tǒng)100。諸如電源變壓器和冷卻風(fēng)扇的附加部件130也被連 接到服務(wù)器機(jī)架120，并且整個(gè)組件通常將被包含在共享機(jī)箱(未示出)中?？梢酝ㄟ^(guò)該共 享機(jī)箱來(lái)提供用于到服務(wù)器系統(tǒng)100的外部連接的用戶接口和插口。系統(tǒng)100中的某些或所有刀片110可以具有基本上相同或不同的設(shè)計(jì)以執(zhí)行不同 的功能。例如，某些刀片110可以是服務(wù)器刀片或存儲(chǔ)器刀片。每個(gè)刀片110包括實(shí)現(xiàn)刀 片110的特定功能的一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)112。子系統(tǒng)112可以以PCB上的部件的方式被安 裝在每個(gè)刀片110的任一側(cè)或兩側(cè)，或者刀片110可以使機(jī)箱包括刀片110的內(nèi)部中的子 系統(tǒng)112。此類子系統(tǒng)112的典型示例包括硬盤驅(qū)動(dòng)器或其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理器子系統(tǒng)，其 包含諸如微處理器、存儲(chǔ)器插口以及集成電路存儲(chǔ)器的常規(guī)計(jì)算機(jī)部件。刀片120的一般 特征和子系統(tǒng)112可以是對(duì)于使用刀片架構(gòu)的服務(wù)器系統(tǒng)而言已知的常規(guī)類型，諸如從惠 普公司可市售的服務(wù)器系統(tǒng)的c類架構(gòu)。
每個(gè)刀片110另外包括一個(gè)或多個(gè)光電子(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的高帶寬連接的任何地方被附著于刀片110。每個(gè)OE 引擎114或118可以包括光學(xué)發(fā)送機(jī)(例如VCSEL陣列)和光學(xué)接收機(jī)(例如光電二極管陣 列)兩者，或者可以包括僅光學(xué)發(fā)送機(jī)或僅光學(xué)接收機(jī)。每個(gè)刀片110上的OE引擎114和 118中的發(fā)送機(jī)將從刀片110中的電信號(hào)導(dǎo)出的信息編碼在所發(fā)送的光信號(hào)中，并且每個(gè) 刀片110上的OE引擎114和118中的接收機(jī)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以供在刀片 110中使用。通常，刀片110上的每個(gè)OE引擎114被匹配以經(jīng)由自由空間接近光學(xué)互連向 OE引擎118發(fā)送光信號(hào)以及從OE引擎118接收光信號(hào)。在一個(gè)特定的實(shí)施方式中，OE引 擎114和118可以是QXFP收發(fā)機(jī)，其可Uhrlink Semiconductor公司獲得，并且此類模 塊執(zhí)行以每個(gè)信道5 Gb/s的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行工作的四信道OE引擎的功能。一個(gè)刀片110上的OE引擎114與相鄰刀片110上的OE引擎116之間的自由空間 接近光學(xué)互連包括被光學(xué)地耦合到OE引擎114的柔性光學(xué)介質(zhì)142、在光學(xué)介質(zhì)142的相 對(duì)端處的連接器144、具有與連接器144配對(duì)的特征的連接器146、以及將連接器146光學(xué) 地連接到OE弓丨擎116的柔性光學(xué)介質(zhì)148。光學(xué)介質(zhì)142和148優(yōu)選地是諸如平行光纖 帶或平行聚合物波導(dǎo)的高帶寬柔性光學(xué)介質(zhì)，其分別載送OE引擎114和118的發(fā)送的和接 收的光信號(hào)。光纖帶中的各個(gè)光纖可以是單模或多模塑料、玻璃或納米結(jié)構(gòu)的纖維(例如 Corning ClearCurve 光纖)，其能夠以很少的彎曲損耗適應(yīng)急彎半徑。光信號(hào)可以通過(guò)將 信息編碼在沿著單個(gè)光纖或波導(dǎo)傳送的光的多個(gè)頻率分量中而采用波分復(fù)用(WDM)來(lái)增加 帶寬。在密集布置中，光學(xué)介質(zhì)142和148包含多個(gè)平行的光纖或波導(dǎo)，并且每個(gè)光纖或波 導(dǎo)載送WDM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)每單位面積的高帶寬。連接器144和146中的每一個(gè)包含光學(xué)系統(tǒng)和對(duì)準(zhǔn)特征。每個(gè)連接器144或146 中的光學(xué)系統(tǒng)是用于光學(xué)介質(zhì)142或148中的導(dǎo)向傳播與由連接器144和146限定的間隙 中的自由空間傳播之間的光信號(hào)的傳輸。對(duì)準(zhǔn)特征是隨著連接器144和146被推到一起而 相配對(duì)并自動(dòng)地使連接器144中的光學(xué)系統(tǒng)與連接器146中的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的精密結(jié)構(gòu)。 在示例性實(shí)施例中，進(jìn)行OE引擎114和116之間的光學(xué)連接所需要的全部就是將相鄰的刀 片110插入服務(wù)器機(jī)架120中。磁體或彈簧系統(tǒng)(未示出)隨后將連接器144和146推到 一起，以便對(duì)準(zhǔn)特征的盲配對(duì)功能使連接器144和146對(duì)準(zhǔn)以進(jìn)行自由空間光學(xué)傳輸。在 用于服務(wù)器系統(tǒng)100的典型配置中，在相鄰的刀片110之間可以存在約2至5 cm的自由空 間，并且可以提供平衡(standoff)系統(tǒng)145以將連接器144和146定位為足夠緊密地接近 以得到用于將連接器144和146推到一起并實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的磁吸引力或彈簧作用。連接器144 和146未被完全約束在平衡系統(tǒng)145中，而是具有沿x、y、z運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的足夠自由和傾斜自 由度以移動(dòng)至相互對(duì)準(zhǔn)，盡管刀片110之間存在相對(duì)的失準(zhǔn)。在典型的服務(wù)器應(yīng)用中，連接 器144和146在被分離時(shí)可能由于刀片110的機(jī)械支架的變化而經(jīng)受約500至2000 μ m 量級(jí)的平移失準(zhǔn)和高達(dá)約1.5°的角度失準(zhǔn)。例如來(lái)自服務(wù)器系統(tǒng)100中的冷卻風(fēng)扇或硬 盤驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行的溫度變化和/或機(jī)械振動(dòng)能夠使刀片110具有進(jìn)一步的可變橫向失準(zhǔn)、 可變間隔、繞兩個(gè)傾斜軸的可變角度失準(zhǔn)、以及可變旋轉(zhuǎn)失準(zhǔn)。然而，所施加的力和對(duì)準(zhǔn)特 征將連接器144和146鎖定在為了自由空間光信號(hào)的傳輸而被對(duì)準(zhǔn)的固定相對(duì)位置，盡管 在服務(wù)器系統(tǒng)100的其它地方存在對(duì)準(zhǔn)變化。圖2A舉例說(shuō)明在自由空間接近互連200中自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)光學(xué)信道的連接器220和240的一個(gè)配置。連接器220位于光學(xué)介質(zhì)210的端部處。在互連200中，光學(xué)介質(zhì)210是 與連接器220的頂表面平行地附著的扁平光學(xué)帶狀線纜，并且光學(xué)介質(zhì)210的端部表面215 被以與光學(xué)介質(zhì)210中的光傳播方向成45°角的方式切割或拋光。結(jié)果，在光學(xué)介質(zhì)210 中來(lái)自波導(dǎo)或光纖的發(fā)射光例如通過(guò)全內(nèi)反射被反射到穿過(guò)連接器220的光管道220中。 同樣地，表面215將來(lái)自光管道222的光束反射到光學(xué)介質(zhì)210的各光纖或波導(dǎo)中?？商?換地，光學(xué)介質(zhì)210的端部可以垂直于介質(zhì)210中的光的傳播方向，并且光學(xué)介質(zhì)210的端 部可以被對(duì)準(zhǔn)以直接將光發(fā)送到光管道222中以及從光管道222接收光。連接器240包括從光學(xué)介質(zhì)250接收光信號(hào)以及將光信號(hào)引導(dǎo)到光學(xué)介質(zhì)250的 光管道M2。光學(xué)介質(zhì)250可以基本上與光學(xué)介質(zhì)210相同，并且特別地包括被以45°角 切割或拋光的端部(未示出)以便反射在光管道242與光學(xué)介質(zhì)250中的各光纖或其它波導(dǎo) 之間傳遞的光信號(hào)。連接器240上的對(duì)準(zhǔn)特征244是被精加工的孔，使得當(dāng)連接器220上 的對(duì)準(zhǔn)特征2 被適當(dāng)?shù)嘏鋵?duì)在孔244中時(shí)，連接器MO中的光管道242與連接器220中 的光管道222對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)特征2 和244可以具有能夠使連接器220和240相對(duì)于彼此而 移位并在對(duì)準(zhǔn)特征2M和244處于安置位置時(shí)提供連接器220和240之間的預(yù)定間隔的任 何形狀。在所示的實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征2M是球，但是用于對(duì)準(zhǔn)特征2M的適當(dāng)形狀的另一 示例將是削尖的錐體或磨圓的錐體。為了安置對(duì)準(zhǔn)特征2M和244并實(shí)現(xiàn)期望的對(duì)準(zhǔn)，連 接器220上的磁體2 和連接器240上的磁體246產(chǎn)生引起對(duì)準(zhǔn)特征2M和244的盲配對(duì) 的吸引力，其使連接器220和240移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)位置。磁體2 和246可以是永久性磁體，或 者可以是在需要使連接器220和240聚在一起或保持在一起時(shí)被激活的電磁體。在一個(gè)特定實(shí)施例中，每個(gè)連接器220或240包含四個(gè)高通量磁體以將連接器220 和240吸引在一起，并且還提供在使用期間將連接器220和240保持在適當(dāng)位置的力。當(dāng) 對(duì)準(zhǔn)特征2M是球形的時(shí)，通常將磁體2 和236以匹配圖案布置，并且這兩個(gè)磁體圖案將 被對(duì)準(zhǔn)以提供最大的吸引力。然而，對(duì)于對(duì)準(zhǔn)特征2M和244的某些形狀而言，每個(gè)連接器 220或240上的磁體圖案可以有意地相互偏離以提供將配對(duì)特征2 和244驅(qū)動(dòng)至期望位 置的力矢量。例如，如果對(duì)準(zhǔn)特征2M和244實(shí)現(xiàn)‘框在框架中(box in frame)’的對(duì)準(zhǔn) 方案，則磁體226的圖案可以與磁體246的圖案相同，但是磁體2 可以偏移磁體直徑的約 15%，以便磁力將‘框，連接器吸引到框架的拐角中。對(duì)準(zhǔn)特征2 和244及磁體2 和246 的特定實(shí)施方式可以在仍保持在當(dāng)前發(fā)明的精神范圍內(nèi)的同時(shí)廣泛地改變。例如，可以用 鐵或含鐵材料來(lái)取代某磁體2 或M6，所述鐵或含鐵材料仍將向另一連接器220或240中 的磁體提供吸引力。另外，磁體2 可以被包含到連接器220或240的其它部件中，而不是 作為分離的元件。例如，連接器220上的對(duì)準(zhǔn)特征2M可以是被吸引到位于連接器240上 的孔244中的磁體或含鐵材料的磁球。提供磁吸引力的許多其它配置是可能的。通過(guò)使用被成形為適合于精加工孔244中僅至確定的深度的至少三個(gè)對(duì)準(zhǔn)特征 224來(lái)實(shí)現(xiàn)χ、y、ζ、傾斜角和旋轉(zhuǎn)角θ方面的對(duì)準(zhǔn)精確度。磁體2 和246使連接器220 和240在一起，并且還提供吸引力以將連接器220和240保持在適當(dāng)位置。當(dāng)連接器220 和MO由于相鄰的刀片或PCB的插入或者由于如下所述的閂鎖機(jī)構(gòu)的操作而非常接近時(shí)， 磁體2 和246將連接器220和240拉在一起，并且對(duì)準(zhǔn)特征2M滑動(dòng)到規(guī)定的孔M4中 至規(guī)定的深度。可以為給定的球形形狀、錐形形狀或其它類似形狀的對(duì)準(zhǔn)特征2M使連接 器220和240隨著對(duì)準(zhǔn)特征2 被推入孔244中而橫向地移位。對(duì)準(zhǔn)特征2 和244還保持連接器220和224的主體之間的受控間距。因此，一旦就位，對(duì)準(zhǔn)特征保持光管道222和 242的對(duì)準(zhǔn)以便進(jìn)行自由空間光信號(hào)的傳輸?？蛇x地，可以將連接器220和240容納在具有 機(jī)械閂鎖的殼體(未示出)中，該機(jī)械閂鎖使連接器220和240在一起以得到磁力，從而接管 (take over)或激活將連接器220和240推在一起的彈力。優(yōu)選地，使用光具座組件(例如， 硅光具座或陶瓷襯底)來(lái)構(gòu)造連接器220和M0，以使得可以以平版印刷的方式來(lái)限定精密 對(duì)準(zhǔn)?？商鎿Q地，可以使用精密模具來(lái)形成連接器220和240并在組裝期間使其與其它部 件對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)操作包括布置用于精密球或其它對(duì)準(zhǔn)特征的孔、布置微透鏡、布置光管道、以 及布置光纖帶或其它光學(xué)介質(zhì)。圖2B示出在被配對(duì)在一起作為自由空間接近光學(xué)互連的一部分時(shí)的連接器220 和240的實(shí)施例的橫截面圖。如所示，當(dāng)連接器220的對(duì)準(zhǔn)特征2M安置在連接器MO的 對(duì)準(zhǔn)特征244中時(shí)，連接器220和240的主體之間保持有間隙230。特征2M和244的相對(duì) 尺寸控制連接器220和240的主體之間的間隔，并且在典型的互連中，間隙230可以是約為 1至3 mm寬。連接器的主體的厚度可以約為2至3 mm的量級(jí)，使得在典型的應(yīng)用中光在 光學(xué)介質(zhì)210與光學(xué)介質(zhì)250之間傳播的總距離可以在5至10 mm的量級(jí)。因此，取決于 光管道222和M2的性質(zhì)，光信號(hào)可以具有高達(dá)約Icm的非導(dǎo)向傳播。連接器220上的透 鏡陣列2 和連接器240上的透鏡陣列248可以位于相應(yīng)的光管道222和242的端部處的 間隙230中以對(duì)跨越間隙230傳送的自由空間光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直或收集?？梢允褂猛哥R2 和248來(lái)擴(kuò)展并收集穿過(guò)間隙230的自由空間射束，并從而放寬用于連接器220和MO的 失準(zhǔn)的公差。圖2C舉例說(shuō)明由于透鏡228的聚焦而產(chǎn)生的對(duì)來(lái)自光學(xué)介質(zhì)210的透射射束的 發(fā)散或?qū)υ诠鈱W(xué)介質(zhì)210處接收到的信號(hào)的會(huì)聚。在圖2C的所示實(shí)施例中，光學(xué)介質(zhì)210 被附著于連接器220的主體的表面，并且透鏡2 在連接器220的主體的相對(duì)表面上。光 管道222和242可以是具有反射壁或波導(dǎo)的孔，所述反射壁或波導(dǎo)穿過(guò)各連接器220和240 的主體以限制通過(guò)連接器220或M4的主體的光信號(hào)的發(fā)散，并因此允許使用較小的透鏡 228?？商鎿Q地，連接器220的主體可以是透明的，并且可以根據(jù)信號(hào)射束的預(yù)期發(fā)散來(lái)選 擇透鏡228的尺寸。圖3舉例說(shuō)明連接器320中的光學(xué)系統(tǒng)的可替換配置。在圖3的配置中，一個(gè)或多 個(gè)透鏡2 鄰近于光學(xué)介質(zhì)210中的各光纖或波導(dǎo)。結(jié)果，從光學(xué)介質(zhì)210的傾斜端部表 面215反射的光信號(hào)在被透鏡2 準(zhǔn)直并傳送通過(guò)連接器320的主體之前將較少地發(fā)散。圖4舉例說(shuō)明其中光學(xué)介質(zhì)410垂直于連接器420的主體的本發(fā)明的實(shí)施例。那 么，可以將透鏡2 定位在如所示的光學(xué)介質(zhì)410的端部處或在連接器220的主體的相對(duì) 側(cè)。例如對(duì)準(zhǔn)特征2M和光管道222的圖4中的其它元件可以基本上如上所述。依照本發(fā)明的另一方面，用于自由空間接近光學(xué)互連的連接器可以被包含在閂鎖 機(jī)構(gòu)中，該閂鎖機(jī)構(gòu)使用彈簧來(lái)提供使連接器對(duì)準(zhǔn)的力并提供在部件去除期間幫助連接器 分離的力。圖5A示出未閂鎖的配置中的閂鎖系統(tǒng)500。閂鎖系統(tǒng)500包括包含連接器520 的第一外殼510和包含連接器MO的第二外殼530。連接器520和540被連接到柔性光學(xué) 介質(zhì)(未示出)，其可以與上文參考圖2C、3和4所述的連接器類似或相同。外殼510包括彈 簧單元512和凹坑514，其中連接器520安裝在彈簧單元512上，凹坑514被成形為用以嚙 合外殼530上的凸塊534。外殼530包括彈簧單元532、凸塊534和釋放彈簧536，其中連接器540安裝在彈簧單元532上，凸塊534被成形為用以嚙合凹坑514。如圖5B所示，通過(guò)將外殼530推入外殼510中直至凸塊534配合到相應(yīng)的凹坑 514中來(lái)嚙合閂鎖機(jī)構(gòu)500。在閂鎖過(guò)程期間，連接器520和520相互接觸且彈簧機(jī)構(gòu)512 和532壓縮。彈簧機(jī)構(gòu)512和532允許連接器520和540在x、y、ζ、旋轉(zhuǎn)和傾斜方面的運(yùn) 動(dòng)自由，使得在通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)512和532施加于連接器520和MO的力促使連接器520和 540上的對(duì)準(zhǔn)特征配對(duì)時(shí)，連接器520和540可以移動(dòng)至對(duì)準(zhǔn)以便自由空間光信號(hào)的傳輸。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程完全依賴于彈力來(lái)將連接器520和540推在一起，使得 在連接器520或540上不需要磁體?？商鎿Q地，可以另外或作為彈簧系統(tǒng)512和534的替 代而采用磁體。在其中未使用彈簧系統(tǒng)512和514的實(shí)施例中，連接器520和540的支架 允許連接器在相應(yīng)的連接器510和530中浮動(dòng)，使得當(dāng)連接器520和540變得緊密接近時(shí)， 連接器520和540中的磁體能夠?qū)⑦B接器520和540拉在一起并自動(dòng)地使自由空間光學(xué)信 道對(duì)準(zhǔn)。閂鎖操作還壓縮釋放彈簧536并促使外殼510或530的一部分隨著凸塊534進(jìn)入 外殼510而彎曲并隨后在凸塊534安置在凹坑514中時(shí)彈回。凸塊534在安置在凹坑514 中時(shí)相對(duì)于釋放彈簧536的彈力將外殼510和530保持在適當(dāng)位置。使外殼510或530的 一部分彎曲可以使凸塊534移位并允許釋放彈簧536推動(dòng)外殼510和530分開(kāi)并克服將連 接器520和540保持在一起的任何磁吸引力。圖6Α和6Β舉例說(shuō)明采用自由空間接近光學(xué)互連的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例 的系統(tǒng)600。系統(tǒng)600包括被設(shè)計(jì)為插入被構(gòu)建到機(jī)架630中的插槽中的PCB 610和620。 圖6Α示出PCB 610被插入機(jī)架630中但在插入PCB 620之前的系統(tǒng)600。圖6Β示出PCB 610和PCB 620兩者都被插入機(jī)架630中的情況下的系統(tǒng)600。PCB 610包括電子設(shè)備(未 示出)、光學(xué)收發(fā)機(jī)612以及將光學(xué)收發(fā)機(jī)612光學(xué)地耦合到安裝在平衡結(jié)構(gòu)618上的連接 器616的光纖帶614。PCB 620包括電子設(shè)備(未示出)、光學(xué)收發(fā)機(jī)622以及將光學(xué)收發(fā)機(jī) 622耦合到安裝在平衡結(jié)構(gòu)6 上的連接器626的光纖帶624。光纖帶614和6M提供用于此接近光學(xué)互連的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，諸如靈活性、輕重量和 具有最小串?dāng)_的高帶寬。光纖帶614和6M可以由玻璃或塑料纖維制成。在塑料的情況 下，帶614或624的曲率半徑可以如4 mm那樣小并仍提供光信號(hào)的低損耗。在一個(gè)特定實(shí) 施例中，光纖帶614和6M是12通道、50 μ m的多模光纖帶且被附著到相應(yīng)連接器616和 626中的套圈。圖7示出其中套圈710被附著到光纖帶624的連接器626的更詳細(xì)視圖。 套圈710具有插腳712，插腳712為具有倒圓的(radiused)或倒角的(chamfered)端部的 圓柱形插腳，并位于光纖陣列的任一側(cè)。然后，將市售模制塑料透鏡組件720 (例如，Omron PL12A-C2)附著于光纖陣列的面。透鏡陣列720可以被制造為具有接納作為套圈710的一 部分的引導(dǎo)插腳712的對(duì)準(zhǔn)孔。簡(jiǎn)單地通過(guò)使透鏡陣列720滑動(dòng)到引導(dǎo)插腳712上，透鏡陣 列720中的各個(gè)小透鏡與套圈710中的相應(yīng)光纖對(duì)準(zhǔn)。透鏡陣列720和套圈710的精密塑 料注塑成型導(dǎo)致通常小于約5 μm的標(biāo)稱徑向?qū)?zhǔn)誤差。軸向?qū)?zhǔn)誤差具有類似的幅值。在透鏡陣列720在引導(dǎo)插腳712上滑動(dòng)之后，組合后的組件滑動(dòng)通過(guò)平衡結(jié)構(gòu)6 的一部分并被加載到耦合板730中。再一次地，可以通過(guò)將引導(dǎo)插腳712放置到形成在耦 合板730中的精密孔中來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖/透鏡組件和耦合板730之間的精密對(duì)準(zhǔn)。耦合板630 包含對(duì)準(zhǔn)特征，該對(duì)準(zhǔn)特征是連接器626的與連接器616進(jìn)行物理接觸的僅有部分。通過(guò)使所有部件以兩個(gè)非常高精度的引導(dǎo)插腳712為基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合板730和透鏡陣列720、套 圈710中的光纖陣列的精密對(duì)準(zhǔn)。本特定實(shí)施例中的耦合板730包含被以不對(duì)稱圖案布置的稀土磁體732，其有助 于提供用于連接器616和6 的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的力。連接器616和6 中的諸如KJ磁性元件型 號(hào)D21B(直徑=4. 75mm、厚度=1. 6mm)的總共八個(gè)釹稀土磁體可以產(chǎn)生耦合板730之間的 吸引力。在圖6A和6B的連接器616和6 的耦合板中，磁體732被布置成配合對(duì)(mating pair)，配合對(duì)具有產(chǎn)生每個(gè)磁體對(duì)約1. M Ibs (磅)的保持力的間隔。然而，在其平衡位置 處，吸引磁體相互略微偏移。重疊區(qū)域約為81%，因此最后的力為每對(duì)約1.0 Ib (磅)，或者 對(duì)于連接器616和擬6而言總共為4.0 Ib (磅)。吸引力以可預(yù)測(cè)的方式隨著連接器616 和618之間的距離而減小。圖6B所示的接近自由空間光學(xué)互連的特定型式利用在動(dòng)力學(xué)上定義的‘塊在拐 角中’的配對(duì)系統(tǒng)，其可以適應(yīng)面內(nèi)+/-3 mm、和面外+/-2. 5 mm的板到板失準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)還 適應(yīng)連接器616和擬6之間的多達(dá)5°的傾斜和旋轉(zhuǎn)失準(zhǔn)?？梢蚤_(kāi)發(fā)多種替換耦合板設(shè)計(jì) 以容納配對(duì)PCB之間的特定范圍的失準(zhǔn)幅值。通常，連接器尺寸將隨著板到板位置公差的 幅值的增加、也就是說(shuō)隨著要求耦合板移動(dòng)通過(guò)更大的距離而增加，以適應(yīng)PCB之間的潛 在失準(zhǔn)。還可以使得系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)能夠容忍由各種零件公差引起的失準(zhǔn)以及配對(duì)連接器 616和6 之間的位置誤差。特別地，將市售光學(xué)裝置用于透鏡陣列720可以在透鏡頂點(diǎn) 之間的間距為2. 5 mm的情況下工作。光信號(hào)在穿過(guò)接近光學(xué)互連期間經(jīng)過(guò)四個(gè)分別的空 氣一透鏡界面，但是即使當(dāng)將透鏡陣列720制造為沒(méi)有AR涂層時(shí)，由于這些界面處的菲涅 耳反射而引起的總光學(xué)損耗也僅為約15%。與光纖帶614和6M及套圈710相關(guān)聯(lián)的制造和組裝公差是極其小的。套圈710 可以由包含按體積裝載計(jì)70%以上的硅石顆粒的熱固性或熱塑性聚合物材料制成。此類材 料產(chǎn)生具有低熱膨脹系數(shù)(CTE)的尺寸穩(wěn)定的部分?？梢酝ㄟ^(guò)使用具有低腔體數(shù)的小模具 來(lái)進(jìn)一步提高尺寸精度。在某些情況下，可以采用單腔體模具。在特定實(shí)施例中，塑料透鏡陣列720可以由對(duì)于波長(zhǎng)為850 nm的光而言具有 1. 505的折射率的光學(xué)聚合物模制而成。在室溫下的透鏡陣列720的尺寸精度與套圈710 相當(dāng)。然而，由于透鏡陣列720必須是光學(xué)透明的且沒(méi)有內(nèi)部界面，所以降低CTE的填充物 材料的使用可能是不實(shí)際的。因此，在0至85°C的典型溫度范圍上，透鏡陣列720可以經(jīng)歷 約10倍于套圈710的熱膨脹和收縮。幸運(yùn)的是，由于引導(dǎo)插腳712被固定在熱穩(wěn)定套圈材 料中，所以引導(dǎo)插腳712的移動(dòng)受到限制，并且引導(dǎo)插腳712對(duì)透鏡陣列720的熱致移動(dòng)提 供一定的阻力。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，透鏡元件和光纖之間的此相對(duì)移動(dòng)應(yīng)貢獻(xiàn)不 超過(guò)5 μ m的附加失準(zhǔn)。圖8A和8B舉例說(shuō)明使用接近自由空間互連來(lái)提供存在于幾乎同一平面中的印刷 電路板810和820的邊緣之間的通信。在圖8A中，印刷電路板810處于其工作位置上，并 且可以例如被插入機(jī)架(未示出)中。連接器816被安裝在附著在印刷電路板810的邊緣處 的平衡體818上。平衡體818保持連接器816，但是為連接器816提供X、Y、Z、旋轉(zhuǎn)角和兩 個(gè)傾斜角方面的充分的運(yùn)動(dòng)范圍和自由以進(jìn)行自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)操作。柔性光學(xué)介質(zhì)(未示出)穿過(guò) 平衡體818并在連接器816與板810上的光學(xué)收發(fā)機(jī)(未示出)之間提供光纖或其它波導(dǎo)。
圖8A中的印刷電路板820準(zhǔn)備好例如通過(guò)將印刷電路板820插入印刷電路板810 被連接到的機(jī)架中來(lái)插入其工作位置。連接器擬6被安裝在附著在印刷電路板820的邊緣 處的平衡體擬8上。平衡體擬8保持連接器826，但是為連接器擬6提供X、Y、Z、旋轉(zhuǎn)角和 兩個(gè)傾斜角方面的充分的運(yùn)動(dòng)范圍和自由以進(jìn)行與連接器816的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)操作。柔性光學(xué) 介質(zhì)(未示出)穿過(guò)平衡體828并在連接器826與板820上的光學(xué)收發(fā)機(jī)(未示出)之間提 供光纖或其它波導(dǎo)。如圖8B所示的印刷電路板820到其工作位置的插入使印刷電路板820的連接器 826與印刷電路板810的連接器816接近。當(dāng)接近時(shí)，吸引力將連接器816和擬6吸引在一 起，這引起連接器816和擬6上的對(duì)準(zhǔn)特征的配對(duì)并自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)連接器816和826以進(jìn)行 光信號(hào)的傳輸。如上所述，可以由連接器816和擬6中的一者或兩者上的磁體來(lái)產(chǎn)生使連 接器816和擬6對(duì)準(zhǔn)的吸引力。雖然已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但該描述僅僅是本發(fā)明的應(yīng)用的示例且 不應(yīng)將其視為限制。特別地，已經(jīng)描述了其中印刷電路板或其它電氣系統(tǒng)具有特定取向的 本發(fā)明的特定實(shí)施例。然而，可以同樣地在能夠?qū)⑦m當(dāng)?shù)倪B接器布置為接近以進(jìn)行光學(xué)信 道的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的其它系統(tǒng)中建立光學(xué)互連。所公開(kāi)的實(shí)施例的特征的各種其它改變和組合 落在由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括第一光學(xué)介質(zhì)(210)，其是柔性的且能夠引導(dǎo)多個(gè)光信號(hào)；第一連接器(220)，其被光學(xué)地耦合到第一光學(xué)介質(zhì)(210)，所述第一連接器(220)具 有第一對(duì)準(zhǔn)特征(224)并提供用于所述光信號(hào)的多個(gè)第一路徑(222)；第二連接器(240)，其具有第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)并提供用于所述光信號(hào)的多個(gè)第二路 徑(242)；以及當(dāng)?shù)谝贿B接器(220)在第二連接器(240)附近時(shí)使第一連接器(220)和第二連接器 (MO)在一起的機(jī)構(gòu)(2 )；其中第一對(duì)準(zhǔn)特征(224)被成形為與第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)相配對(duì)并隨著第一連接器(220) 和第二連接器(240)朝著彼此移動(dòng)而使第一連接器(220)和第二連接器(240)中的至少一 個(gè)連接器相對(duì)于另一個(gè)連接器移位；以及第一對(duì)準(zhǔn)特征(224)和第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)具有安置位置，在該安置位置處第一路徑 (222)與第二路徑(242)被對(duì)準(zhǔn)。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括第一電子系統(tǒng)(110)，其具有上面安裝有光學(xué)發(fā)送機(jī)(114)的表面，所述第一光學(xué)介質(zhì) (210)被耦合以從光學(xué)發(fā)送機(jī)(114)接收光信號(hào)；第二電子系統(tǒng)(110)，其具有上面安裝有光學(xué)接收機(jī)(116)的表面，第二電子系統(tǒng) (110)的所述表面基本上與第一電子系統(tǒng)(110)的所述表面平行；以及第二光學(xué)介質(zhì)(148)，其被連接為在第二連接器(240)與光學(xué)接收機(jī)(116)之間載送光 信號(hào)。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述第一電子系統(tǒng)(110)和所述第二電子系統(tǒng)(110)被安 裝在機(jī)架(120)上。
4.權(quán)利要求2或3的系統(tǒng)，其中，所述第一電子系統(tǒng)(110)和所述第二電子系統(tǒng)(110) 中的每一個(gè)包括印刷電路板。
5.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)構(gòu)包括被安裝在所述第一連接器(220)和 所述第二連接器(240 )中的至少一個(gè)上的電磁體或永久性磁體(2 )。
6.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)構(gòu)包括上面安裝有第一連接器(220)的彈 簧系統(tǒng)。
7.任何權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)構(gòu)還包括閂鎖系統(tǒng)，所述閂鎖系統(tǒng)包括第一單元(510)，在第一單元(510)中，所述第一連接器(520)通過(guò)彈簧被安裝；以及 第二單元(530)，在第二單元(530)中，所述第二連接器(530)通過(guò)彈簧被安裝，其中 第一單元(510)和第二單元(530)被成形為以其中彈簧支架(512和532)使第一連接 器(520)和第二連接器(540)在一起的配置閂鎖在一起。
8.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括透鏡陣列(2 )，光信號(hào)傳播通過(guò)該透鏡陣列，該 透鏡陣列位于第一光學(xué)介質(zhì)(210)與自由空間間隙(230)之間。
9.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，所述對(duì)準(zhǔn)特征(2M)選自由球、削尖的錐體以及磨 圓的錐體組成的組。
10.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括安裝結(jié)構(gòu)(145)，該安裝結(jié)構(gòu)(145)在允許第一 連接器(220)和第二連接器(240)的在x、y、z、旋轉(zhuǎn)和傾斜方面的相對(duì)移動(dòng)的同時(shí)約束第一連接器(220)和第二連接器(240)、直至所述機(jī)構(gòu)將第一連接器(220)和第二連接器(240) 以配對(duì)的配置定位。
11.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，第一光學(xué)介質(zhì)(210)包括單?；蚨嗄Ｋ芰瞎饫w、 玻璃光纖、納米結(jié)構(gòu)的光纖或聚合物波導(dǎo)。
12.任何前述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)服務(wù)器。
13.一種用于建立光學(xué)互連的方法，包括在被光學(xué)地耦合到第一光學(xué)介質(zhì)(210)的第一連接器(220)上提供第一對(duì)準(zhǔn)特征 (224)；在第二連接器(240)上提供第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)，其中，所述第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)被成 形為與所述第一對(duì)準(zhǔn)特征(2M)相配對(duì)；以及激活推動(dòng)第一連接器(220)與第二連接器(240)接觸的機(jī)構(gòu)，其中，隨著第一連接器 (220)接觸第二連接器(240)第一對(duì)準(zhǔn)特征(224)與第二對(duì)準(zhǔn)特征(244)的配對(duì)使第一連 接器(220)相對(duì)于第二連接器(240)移位并使通過(guò)第一連接器(220)的光學(xué)路徑(222)與 通過(guò)第二連接器(240)的光學(xué)路徑(240)對(duì)準(zhǔn)。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，激活所述機(jī)構(gòu)包括使第一連接器(220)與第二連接器 (MO)足夠緊密地接近，以使得第一連接器(220)上的磁體(2 )將第一連接器(220)吸引 到第二連接器(240)。
15.權(quán)利要求12的方法，其中，激活所述機(jī)構(gòu)還包括將第一連接器(220)被連接到的 第一電子系統(tǒng)(110)插入第二電子系統(tǒng)(110)被附著到的機(jī)架(120)中的插槽中，其中，第 二連接器(240)被連接到第二電子系統(tǒng)(110)，并且將第一電子系統(tǒng)(110)插入所述機(jī)架 (120)中使得第一連接器(220)與第二連接器(240)緊密地接近，從而觸發(fā)所述機(jī)構(gòu)的激活。
全文摘要
一種系統(tǒng)采用柔性光學(xué)介質(zhì)(210)、兩個(gè)連接器(220、240)、以及在連接器相互接近時(shí)使連接器(220、240)在一起的諸如磁體(226)的機(jī)構(gòu)。光學(xué)介質(zhì)(210)能夠引導(dǎo)光信號(hào)，并且一個(gè)連接器(220)被附著于光學(xué)介質(zhì)(210)的端部。每個(gè)連接器(210、240)還具有對(duì)準(zhǔn)特征(224、244)并提供用于光信號(hào)的路徑(222、242)。每個(gè)連接器的對(duì)準(zhǔn)特征(224)被成形為與另一連接器的對(duì)準(zhǔn)特征(244)相配對(duì)并隨著機(jī)構(gòu)(226)將連接器(220、240)推到一起而使連接器(220、240)彼此相對(duì)地移位。對(duì)準(zhǔn)特征(224、244)還具有安置位置，在該安置位置處一個(gè)連接器中的路徑(222)與另一連接器中的路徑(242)被對(duì)準(zhǔn)并被自由空間間隙(230)分隔開(kāi)。
文檔編號(hào)G02B6/42GK102089690SQ200880130268
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者R. T. 譚 M., 麥克拉倫 M., K. 羅森伯格 P., V. 馬泰 S., 王 S-Y. 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司