МНОГОКАНАЛЬНОЕ ОПТОВОЛОКОННОЕ СОЕДИНЕНИЕ
MULTICHANNEL FIBRE-OPTIC CONNECTION

Изобретение относится к соединению устройств ввода-вывода или устройств центрального процессора или передаче информации или других сигналов между этими устройствами.
Развитию оптических многоканальных соединений уделяют большое внимание все ведущие производители оптических средств передачи информации. Разработки ведутся в двух основных направлениях - создание активных оптических кабелей (АОК) и высокоплотных параллельных оптических соединений (Highly Parallel Optical Interconnect, HPOI). Однако для перспективных оптических USB-соединений современные типы многоканальных оптических кабелей малопригодны, так как они не способны выдерживать большое число циклов соединений-разъединений, требуют высокой точности юстировки (для HPOI) либо не обладают необходимыми габаритными характеристиками (для АОК).
Принципиально конструкция АОК предполагает механическое соединение с помощью металлических контактов к источнику сигналов, преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, и передачу оптического сигнала в оптоволоконо через неразъемное соединение каждого волокна с индивидуальным лазером. На приемном конце расположено неразъемное соединение волокна с pin-фотодиодом, реализующее процедуру обратного преобразования скоростного оптического сигнала в электрический и механическое соединение с помощью металлических контактов к потребителю (Mark Anderson, Optical Lasers in a $100 Cable. Really, http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/optical-lasers-in-a-100-cable-really, 2010). Недостатком устройства является неудовлетворительные массогабаритные характеристики ответных частей кабелей.
Высокоплотные параллельные оптические соединения описаны в статье Michiel De Wilde, Modeling and Integration of Highly Parallel Optical Interconnect in Electronic Systems, Ghent University, Belgium, 2007, escher.elis.ugent.be/publ/Edocs/DOC/D107_158.pdf.
В этом соединении в каждом разъеме установлен массив вертикально излучающих лазеров (VCSEL-массив) и массив pin-фотодиодов (FD-массив), в котором расстояние между элементами сопоставимы с диаметрами оптических волокон, т.е. порядка десятков микрон. Сигнал от VCSEL-массива первого устройства направляется по волокнам оптошины к массиву pin-фотодиодов второго соединяемого устройства. Соблюдается принцип: от каждого элемента VCSEL-массива одного устройства оптический сигнал подается в отдельное волокно и по нему поступает на элемент массива pin-фотодиодов другого устройства. Обратный сигнал идет по другим таким же волокнам оптошины от массива лазеров второго устройства к массиву pin-фотодиодов первого устройства. Недостатком устройства является осуществление двухсторонней передачи сигналов по двум группам волокон, каждая из которых передает сигнал только в одну сторону. Другим недостатком является сложность и низкая надежность устройства.
Известна многоканальная цифровая оптическая приемопередающая система (RU, патент на полезную модель № 113101, опубл. 27.01.2012 г.), которая содержит соединенные между собой оптоволокном многоканальный цифровой оптический передатчик и многоканальный цифровой оптический приемник, при этом фотоприемный модуль передатчика соединен с лазерным модулем приемника, а фотоприемный модуль приемника соединен с лазерным модулем передатчика. Основным недостатком данной системы является то, что двусторонняя передача сигналов осуществляется по двум оптическим кабелям.
Известно устройство для соединения многоконтактных приборов по патенту РФ № 2270493. Для осуществления многоконтактного соединения объединяют в специальные матрицы передатчики (лазеры, светодиоды) прибора-источника информации, приемники (фотодиоды) прибора-потребителя информации и концы пучка оптических проводников сигнала - оптошины. Матрицы передатчиков и приемников соединяют с соответствующими матрицами пучка оптических волокон оптошины. Основным недостатком устройства является то, что двусторонняя передача сигналов осуществляется по двум оптическим шинам.
Известен способ соединения микросхем (RU, патент № 2350054, опубл. 20.03.2009 г.), в котором над матрицами оптических передатчиков и оптических приемников сигналов расположены многоконтактные оптоволоконные разъемы, в которых закреплены концы оптоволоконных шин так, чтобы один конец оптоволоконной шины был вставлен в многоконтактный оптоволоконный разъем, расположенный над матрицей оптических передатчиков своей или другой микросхемы, а другой конец вставлен в многоконтактный оптоволоконный разъем, расположенный над матрицей оптических приемников своей или другой микросхемы. В качестве оптошины в устройстве используется оптоволоконный жгут.
Основным недостатком устройства является то, что двусторонняя передача сигналов осуществляется по разным оптическим шинам.
Изобретение по патенту РФ № 2350054 принято за прототип заявляемого решения.
Недостатками прототипа является необходимость использования двух оптических шин для организации двунаправленной передачи информации.
Технический результат заключается в возможности осуществления двунаправленной передачи информации по одной оптошине.
Предложенное изобретение характеризуется следующими отличиями.
1. В оптических разъемах, установленных над массивами вертикально излучающих лазеров, дополнительно размещены светоделительное устройство и отводной оптический разъем, в котором закреплен один конец отводной оптошины, другой конец которой закреплен в оптическом разъеме, установленном над массивом фотодиодов этого же устройства.
Использование светоделительных устройств в одноволоконных системах передачи информации известно давно. Однако в многоканальных системах, на основе двумерных массивов вертикально излучающих лазеров и фотодиодов, они не применялись вследствие достаточной сложности практического осуществления. Физически невозможно оснастить делителями множество волокон в вышеописанном варианте HPOI или АОК. Предложенное техническое решение возможно только при использовании оптошин на основе оптоволоконных жгутов, поэтому оно является новым признаком, позволяющим решить сложную техническую задачу.
2. В качестве соединительной оптошины используется оптоволоконный жгут.
Применение оптошин на основе оптоволоконных жгутов для соединения двумерных массивов лазеров и фотодиодов известно из патентов РФ №№ 2270493 и 2350054. Однако в соединениях, содержащих светоделительные устройства, они не применялись. Поэтому этот признак можно считать новым в рамках п.1 формулы.
3. В качестве отводной оптошины используется оптоволоконный жгут.
Применение отводных шин в многоканальных соединениях не известно. Поэтому признак может быть признан новым в рамках п.1 формулы.
4. Массивы вертикально излучающих лазеров и фотодиодов имеют зеркальное расположение элементов, так что при оптическом их соединении оптоволоконным жгутом каждому вертикально излучающему лазеру в массиве вертикально излучающих лазеров соответствует свой фотодиод в массиве фотодиодов.
Зеркальное расположение элементов в массивах вертикально излучающих лазеров и фотодиодов не описано в устройствах, ограниченных рамками п.1 формулы, а поэтому может считаться новым.
5. В качестве светоделительного устройства используется либо призма, либо полупрозрачное зеркало, наклоненное под углом к световому потоку, либо светоделительный куб.
Применение призм, полупрозрачных зеркал и светоделительных кубов в качестве светоделительного устройства известно. Однако этот признак не описан в известных патентах в устройствах, ограниченных рамками п.1 формулы, а поэтому может считаться новым.
6. Перед массивами вертикально излучающих лазеров и фотодиодов, а также перед торцами оптошин в оптических разъемах установлены наборы микролинз.
Применение наборов микролинз для фокусировки изображений, в принципе, известно. Однако этот признак не описан в известных патентах в устройствах, ограниченных рамками п.1 формулы, а поэтому может считаться новым.
На фигурах 1 - 4 цифрами обозначены:
1 - массив вертикально излучающих лазеров;
2 - функциональные блоки;
3 - соединяемые устройства;
4 - соединительная оптошина;
5 - массив фотодиодов;
6 - оптический разъём, установленный над массивом вертикально излучающих лазеров;
7 - оптический разъём, установленный над массивом фотодиодов;
8 - светоделительное устройство;
9 - отводной оптический разъем;
10 - отводная оптошина;
11 - набор микролинз.
На фиг.1 показан вид многоканального оптоволоконного соединения.
На фиг.2 показано одно из соединяемых устройств, содержащее функциональные блоки, а также соединенные отводной оптошиной оптический разъём, установленный над массивом вертикально излучающих лазеров (боковой разрез), и оптический разъём, установленный над массивом фотодиодов (боковой разрез).
На фиг.3 показан кристалл с массивом вертикально излучающих лазеров, зеркально отображающим расположение фотодиодов в массиве фотодиодов.
На фиг.4 показан кристалл с массивом фотодиодов, зеркально отображающим расположение вертикально излучающих лазеров в массиве вертикально излучающих лазеров.
Многоканальное оптоволоконное соединение состоит из двумерных массивов вертикально излучающих лазеров 1 и фотодиодов 5, электрически соединенных с функциональными блоками 2 каждого из соединяемых устройств 3. Соединяемые устройства 3 оптически соединены соединительной оптошиной 4 с двумерными массивами вертикально излучающих лазеров 1 и фотодиодов 5, расположенными на другом соединяемом устройстве 3, и электрически соединенными с функциональными блоками 2 этого устройства. Над массивами вертикально излучающих лазеров 1 и фотодиодов 5 расположены оптические разъёмы, в которых закреплены концы соединительной оптошины 4. В оптических разъемах 6, установленных над массивами вертикально излучающих лазеров 1, дополнительно размещены светоделительные устройства 8 и отводные оптические разъемы 9, в которых закреплены одним концом отводные оптошины 10, другие концы которых закреплены в оптических разъемах 7, установленных над массивами фотодиодов 5 этих же устройств. В качестве соединительной оптошины 10 используется оптоволоконный жгут. В качестве отводной оптошины 9 также используется оптоволоконный жгут.
Массивы вертикально излучающих лазеров 1 и фотодиодов 5 имеют зеркальное расположение элементов, так что при оптическом их соединении оптоволоконным жгутом каждому вертикально излучающему лазеру в массиве лазеров соответствует свой фотодиод в массиве фотодиодов. В качестве светоделительного устройства 8 используется либо призма, либо полупрозрачное зеркало, наклоненное под углом к световому потоку, либо светоделительный куб, как показано на фиг.2.
Устройство работает следующим образом.
Оптический сигнал от массива вертикально излучающих лазеров 1 первого соединяемого устройства 3 (показан сплошной стрелкой) фокусируется набором микролинз 11, проходит через светоделительное устройство 8 и фокусируется следующим набором микролинз 11 на торце соединительной оптошины 4. По соединительной оптошине 4 оптический сигнал поступает во второе соединяемое устройство 3, фокусируется набором микролинз 11 оптического разъёма 6, установленного над массивом фотодиодов 1 второго соединяемого устройства 3, и попадает на его светоделительное устройство 8, где отражаясь от светоотражающего слоя, выходит на набор микролинз 11, который фокусирует его на торец отводной оптошины 10. По отводной оптошине 10 второго соединяемого устройства 3 оптический сигнал попадает через набор микролинз 11 в массив фотодиодов 5.
Сигнал от массива вертикально излучающих лазеров 1 второго соединяемого устройства 3 (показан точечной стрелкой) проходит через набор микролинз 11, светоделительное устройство 8, следующий набор микролинз 11 и попадает в соединительную оптошину 4. По соединительной оптошине 4 этот сигнал через набор микролинз 11 оптического разъёма 6, установленного над массивом вертикально излучающих лазеров 1 первого соединяемого устройства 3, попадает в его светоделительное устройство 8, где отражаясь от светоотражающего слоя, через набор микролинз 11 попадает в отводную оптошину 10. По отводной оптошине 10 первого соединяемого устройства 3 сигнал от второго устройства 3 попадает через набор микролинз 11 в массив фотодиодов 5 первого соединяемого устройства 3.
Таким образом, конструкция многоканального оптоволоконного соединения обеспечивает одновременную передачу оптического сигнала от первого соединяемого устройства 3 и прием оптического сигнала через соединительную оптошину 4 от второго соединяемого устройства.
Применение предложенного изобретения позволяет обеспечить одновременный прием и передачу оптических сигналов в соединительную оптошину, обеспечивая ее двунаправленную работу.
Устройство может найти применение в быстроразъемных высокоскоростных соединениях, для межблочных, межплатных и внутриплатных соединений вычислительных устройств, в оптических USB-устройствах. Оно достаточно надежно и способно выдерживать большое число соединений.