CN101345358B - 光学通用串行总线(usb) - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及一种光学USB(OUSB)，通过在其当前规范上添加超高数据速率(例如，10Gbps)光学通信来实现向后兼容，从而提高USB数据速率。使用嵌入式透镜将从连接器射出的光束在进入其配对连接器之前进行扩展，以及，在配对连接器中使用相同的透镜将回到光纤的光束准直，从而实现机械公差。

Description

光学通用串行总线(USB) 
技术领域
本发明的实施例涉及通用串行总线，具体涉及有光学能力的USB。 
背景技术
在当今许多处理系统(例如，个人电脑(PC)系统)中，都存在用于连接各种USB设备的通用串行总线(USB)端口。PC用户频繁地使用其中的有些USB设备。例如，这些USB设备可以是打印机、光盘只读存储器(CD-ROM)驱动器、CD-ROM刻录机(CDRW)驱动器、数字通用光盘(DVD)驱动器、照相机、指向设备(例如，计算机鼠标)、键盘、操纵杆、硬盘驱动器、扬声器等。其中有些设备比其他设备占用更多的可用USB带宽。例如，USB CDRW是高带宽设备，而人机接口设备(HID)，例如计算机鼠标、键盘和操纵杆，则是低带宽设备。 
在USB电缆中通常有四根屏蔽线。其中两根线可以供电(+5伏(红色)和接地(棕色))，一对双绞线(蓝色和黄色)可以提供数据。 
在USB电缆的两头都有标准尺寸的连接器。这些连接器分别有不同的型面，故被叫作“A”连接器和“B”连接器。最近，这些连接器的迷你版已经出现，以适配更小的设备。“A”连接器沿“上流”奔向计算机。另一方面，“B”连接器则沿“下流”并连接到个人设备。这样，基本上就可以直截了当地防止错误连接。 
USB标准允许低功率设备(例如，鼠标、记忆棒和键盘等)通过它们的USB连接线获取它们的电力。设备越大，需要的电力就越多，例如扫描仪或打印机，通常都有它们的专用电源。 
图1示出了典型的USB“A”插入式连接器10。电缆12包含如上所述的四根线并连接到塑料外壳14。在外壳14中，四根线中的每一根均与装配在绝缘基板18顶部的四个接触端子或管脚16之一保持电连接。绝缘基板18包在金属罩19中。可以在金属罩上布设通孔20，以使该连接器插入相应的插孔式连接器时将该连接器锁定在适当位置上。 
图2示出了绝缘基板18的详图。如图所示，在一端布设了导电扣件21、22、 23和24，以分别连接到电缆12中的四根线。外侧的两个扣件21和22用于供电，内侧的两个连接器23和24用于提供数据。在绝缘基板18的顶部有四个管脚31、32、33和34，分别对应于触点21、22、23和24。当插入时，插入式连接器10中的管脚31-34与插孔式连接器内的配对管脚电接合。 
USB技术的不同标准有不同的带宽。例如，1998年9月23日的通用串行总线规范修订版1.1(USB 1.1)设备能以12兆比特/秒(Mbps)运行。2000年4月27日的通用串行总线规范修订版2.0(USB 2.0；也称为高速USB)设备能以480Mbps运行。但是，随着技术的进步，工程师们仍在不断努力地提高USB的运行速度。 
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种具有电和光学功能的通用串行总线连接器，包括：一个具有顶面和前沿的绝缘基板；位于所述绝缘基板顶面上的多个管脚，用于提供电连接；位于所述绝缘基板前沿上的至少一个嵌入式透镜，用于提供光学功能，其中，用于提供电连接的所述多个管脚向后兼容于仅具有电功能的其它通用串行总线连接器。 
根据本发明的另一个方面，提供了一种为通用串行总线连接器提供光学功能的方法，包括：提供一个具有顶面和前沿的绝缘基板；在所述绝缘基板顶面上布置多个管脚，以提供电连接；在所述绝缘基板前沿上嵌入至少一个透镜，以提供光学通信，其中，用以提供电连接的所述多个管脚向后兼容于仅具有电功能的其它通用串行总线连接器。 
根据本发明的再一个方面，提供了一种光学通用串行总线，包括：一个通用串行总线连接器，其包括安装在绝缘基板顶面上的四个电连接端；多个嵌入式透镜，位于绝缘基板前沿上；多根光纤，各自与所述多个嵌入式透镜中对应的一个透镜光耦合；其中，每个透镜扩展从一根光纤沿着第一方向射出的光束，并且，使沿着第二方向要射入所述光纤的光束准直，以满足通用串行总线机械公差，其中，所述光学通用串行总线向后兼容于通用串行总线。 
附图说明
图1是示出了典型USB“A”插入式连接器的结构图； 
图2是示出了USB“A”插入式连接器的绝缘基板的更为详细的结构图； 
图3是依照本发明实施例的USB“A”插入式连接器的绝缘基板的俯视图； 
图4是依照本发明实施例的USB“A”插入式连接器的绝缘基板的仰视图； 
图5是依照本发明实施例的插孔式USB“A”连接器的结构图； 
图6是依照本发明实施例的配对USB“A”连接器的横截图。 
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种光学USB(后面称之为OUSB)，通过在其当前规范上添加超高数据速率(例如，10Gbps)光学通信来实现向后兼容，从而提高USB数据速率。 
OUSB面临的挑战在于，其需要与传统的USB的形状因数保持向后兼容，这需要相对较大的机械公差。即，USB连接器规定的机械公差为0.3毫米。光学连接器通常使用对接接触方法。然而，光学对接接触可能需要10微米或更高的精确度。这使得通常的光学连接器无法成为USB形状因数的可行解决方案。 
为了解决这个问题，多个实施例公开了光束扩展方法。例如，通过将光束尺寸扩展到1毫米，便可以达到USB连接器所需要的0.3毫米机械公差。 
现在参照图3和4，它们分别示出了依照本发明一个实施例的OUSB连接器的绝缘基板18的俯视图和仰视图。与图2图示和描述的相似，在基板一端布设了导电扣件21、22、23和24，以分别连接到电缆12中的四根线。外侧的两个扣件21和22用于供电，内侧的两个连接器23和24用于提供数据。在绝缘基板18的顶部有四个管脚31、32、33和34，它们分别对应于触点21、22、23和24。当插入时，插入式连接器10中的管脚31-34与插孔式连接器内的配对管脚电接合。 
另外，OUSB连接器包括位于绝缘基板18前沿上的嵌入式透镜40、41、42和43。这些透镜光耦合到相应的光纤50、51、52和53，以提供高速光学数据吞吐量。虽然图中只显示出了四个透镜，但这只是举例说明性的，也可以设置更多或更少的透镜。透镜40-43可置于如图所示的锥形孔中，以便在安装时做到光纤自动找准。锥形孔可以具有用以增加刚性的金属嵌件。虽然未显示在图3和图4中，但是，绝缘基板18将包含在塑料外壳14中，还包括如图1所示的金属罩19。 
图5显示出了与图3和图4所示的连接器配对的“A”连接器插孔式OUSB的内部。与标准USB一样，绝缘载体50可以包括四个可使用弹簧装载的触点51、52、 53和54，它们分别与插入式连接器中的管脚31、32、33和34电连接。四个触点51、52、52和54可以通过接触柱61、62、63和64电连接到USB设备。四根光纤70、71、72和73可伸入插孔式连接器，并且光耦合到四个嵌入式透镜80、81、82和83，当连接好时，四根光纤也光耦合到插入式连接器内对应的透镜40-43。 
图6所示为插入式OUSB连接器88和插孔式OUSB连接器90配好对时的侧剖面图。为了简明起见，在该图中未显示电连接，但可如图3-5所示那样进行电连接。插入式OUSB连接器88包括塑料基板或芯91。插孔式OUSB连接器也包括塑料芯92，塑料芯92被其自己的金属罩93所包围。塑料芯91和92可包括V型槽95，以便使光纤94和95对准。 
当插头(插入式)90和插座(插孔式)88配好对后，使用透镜43和80来扩展光束，以便于进行光学通信。如图所示，透镜43可以把从插入式连接器一侧的光纤94射出的光束扩展到，例如大约1毫米。然后，在与光纤95耦合的插孔式连接器一侧的嵌入式透镜80可将经过扩展的光束准直。由于两侧的嵌入式透镜型面43和80相同，所以，光学信号可以在两个方向传递。可以看出，光束的扩展使得光耦合光纤94和95成为可能，因为在USB连接器的机械公差界限内传统的对接耦合性能不佳。 
虽然上述实施例被图示为USB“A”连接器，但本领域普通技术人员可以很容易地意识到，本申请描述的发明同样适用于USB“B”连接器或其他USB形状因数。 
OUSB有很多优点。具体而言，多个实施例保留现有USB形状因数内的所有传统USB电连接。因此，它完全向后兼容于USB 2.0规范。相比高速USB 2.0(480Mbps)而言，它能实现超高速数据速率(即10Gbps)。此外，可以在高EMI环境(例如，传统电连接会出现问题的工厂)中维持光学信号的完整性。 
上述对本发明图示实施例的说明，包括摘要所述内容在内，并不是穷举性的，不应将本发明限制于公开的精确形式。虽然本申请出于示意性目的而描述了本发明的具体实施例和实例，但正如本领域普通技术人员将能意识到的那样，在本发明包含范围内可进行各种等效的修改。 
可依照上述详细说明对本发明做出这些修改。在权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限制在说明书和权利要求书公开的具体实施例。而是，本发明的保护范围完全取决于权利要求，权利要求应依照既定的权利要求解释原则加以解释。 

Claims (19)

1.一种具有电和光学功能的通用串行总线连接器，包括：
一个具有顶面和前沿的绝缘基板；
位于所述绝缘基板顶面上的多个管脚，用于提供电连接；
位于所述绝缘基板前沿上的至少一个嵌入式透镜，用于提供光学功能，
其中，用于提供电连接的所述多个管脚向后兼容于仅具有电功能的其它通用串行总线连接器。
2.如权利要求1所述的通用串行总线连接器，还包括：
至少一根光纤，其与所述至少一个嵌入式透镜光耦合。
3.如权利要求2所述的通用串行总线连接器，其中，所述嵌入式透镜扩展从所述光纤射出的光束。
4.如权利要求3所述的通用串行总线连接器，其中，所述嵌入式透镜将所述光束扩展到大约1毫米。
5.如权利要求2所述的通用串行总线连接器，其中，所述嵌入式透镜使要射入所述光纤的光束准直。
6.如权利要求2所述的通用串行总线连接器，其中，所述至少一个嵌入式透镜包括四个嵌入式透镜，各自与四根光纤分别光耦合。
7.如权利要求1所述的通用串行总线连接器，还包括：
包括至少一个嵌入式透镜的配对连接器，当配好对时，所述配对连接器的至少一个嵌入式透镜与所述绝缘基板前沿上的至少一个嵌入式透镜光耦合。
8.如权利要求7所述的通用串行总线连接器，其中，所述配对连接器的嵌入式透镜与所述绝缘基板前沿上的至少一个嵌入式透镜是相同的。
9.一种为通用串行总线连接器提供光学功能的方法，包括：
提供一个具有顶面和前沿的绝缘基板；
在所述绝缘基板顶面上布置多个管脚，以提供电连接；
在所述绝缘基板前沿上嵌入至少一个透镜，以提供光学通信，
其中，用以提供电连接的所述多个管脚向后兼容于仅具有电功能的其它通用串行总线连接器。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
用所述嵌入式透镜将从光纤射出的光束扩展到大约1毫米。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：
用所述嵌入式透镜使要射入光纤的光束准直。
12.如权利要求9所述的方法，还包括：
在所述绝缘基板前沿上提供多个嵌入式透镜。
13.如权利要求9所述的方法，还包括：
将所述通用串行总线连接器插入一个配对连接器，以使所述嵌入式透镜与所述配对连接器中对应的透镜光耦合。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述嵌入式透镜和所述配对连接器中对应的透镜是相同的。
15.一种光学通用串行总线，包括：
一个通用串行总线连接器，其包括安装在绝缘基板顶面上的四个电连接端；
多个嵌入式透镜，位于绝缘基板前沿上；
多根光纤，各自与所述多个嵌入式透镜中对应的一个透镜光耦合；
其中，每个透镜扩展从一根光纤沿着第一方向射出的光束，并且，使沿着第二方向要射入所述光纤的光束准直，以满足通用串行总线机械公差，
其中，所述光学通用串行总线向后兼容于通用串行总线。
16.如权利要求15所述的光学通用串行总线，其中，所述多个嵌入式透镜包括四个嵌入式透镜，位于所述绝缘基板前沿上。
17.如权利要求15所述的光学通用串行总线，还包括：
所述绝缘基板中的V型槽，用于使所述光纤对准。
18.如权利要求15所述的光学通用串行总线，还包括：
一个具有相同嵌入式透镜的配对连接器，当配好对时，所述配对连接器的嵌入式透镜与所述绝缘基板前沿上的所述多个嵌入式透镜光学对准。
19.如权利要求15所述的光学通用串行总线，其中，所述光束被扩展到大约1毫米。
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