CN102163769B - 集成光/电转换模块和高速电结点的通用串行总线连接器 - Google Patents

集成光/电转换模块和高速电结点的通用串行总线连接器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成光/电转换模块和高速电结点的通用串行总线连接器。OE模块包括光学模块、至少一个激光二极管、至少一个光电二极管、光学收发IC和PCB。光学模块、激光二极管、光电二极管和IC安装在PCB的表面上。OE模块固定在USB连接器内。PCB包括导电迹线和电接触垫。导电迹线将IC与接触垫电连接。接触垫经由形成在PCB中的通孔电连接到高速电结点，其又电连接到计算机的主板的导电迹线。

Description

集成光/电转换模块和高速电结点的通用串行总线连接器
技术领域
本发明涉及通用串行总线(USB)连接器，更具体地，涉及其中集成有光学至电学/电学至光学转换模块(OE模块)以及相关的高速电结点的USB连接器。
背景技术
USB是能使电子装置彼此连接和通信所需要的对电连接和数据传输操作进行规定的外部总线标准。USB是通常替代RS232串行接口和平行接口以用于将外围装置(例如鼠标、键盘、打印机等)连接到计算机(例如台式机和笔记本电脑)的串行接口。当今市场上的大部分台式机和笔记本电脑配置有多个USB连接器，每个设计为与相应的USB芯棒匹配。典型的USB连接器配置有设计为连接到USB连接器外部的电接触的电接触，用于执行数据传输和供电功能。USB连接器的一些电接触用于将USB芯棒的电接触连接到USB连接器的电路，而USB连接器的一些电接触用于将USB连接器的电路连接到形成在计算机主板上的导电迹线。主板上的导电迹线引导USB连接器的电路和安装在主板上的电路(例如连接到计算机的主处理器的USB控制器)之间的电信号。
近年来，由于计算机及其外设间不断增大的数据交流量，USB连接器被配置为支持不断增加的速度，例如从USB1标准提供的10兆每秒(Mbps)的速度分别提高到USB2和USB3标准提供的480Mbps和5千兆每秒(Gbps)的速度。仍有对以甚至更高速度操作的计算机至外设通信的要求。例如，大多数高分辨率、实时视频将需要10Gbps以上的数据速率。以10Gbps以上的速度，用于USB装置的传统的铜线连接器将变得难以实现并具有受限的可达性。因此，使用与早期的USB连接器具有向后兼容性的光学连接器变得非常必要。
在计算机中采用的任何USB中，数据流通由安装在计算机主板上的USB控制器IC管理。控制器IC经由主板上的迹线一侧与计算机的主处理器电连接，另一侧与使信号达到适当传输的条件的物理层装置电连接。物理层装置然后经由主板上的迹线连接到USB控制器。在传统的USB连接器中，基于铜线的线缆被插USB连接器以使电信号能在计算机及其外设间引导。为了将光学连接器引入USB连接器，执行光学至电学转换和电学至光学转换功能的电学至光学/光学至电学转换模块(OE模块)取代上述物理层的位置。大体上，两种布置被用于实现光学连接。在两种布置中的一种中，OE模块通过焊接在主板上的电插座或通过将OE模块电接触直接焊接到主板上的接触垫而安装在主板上。光纤跨接线缆用于在OE模块和光连接器之间提供光连接，该光连接器被插入安装在计算机主板上的USB连接器插座外壳中。外部USB线缆被修改为包含终止在光连接器中的两个光纤，该光连接器被插入使USB线缆终止的USB芯棒内。
光学跨接线缆在其第一端具有第一连接器，与USB连接器配合，并且在第二端具有第二连接器，与作为OE模块的一体部件的光连接器配合。跨接线缆典型地对于每个USB连接器包括一个发射光纤和一个接收光纤。类似地，OE模块典型地对于每个USB连接器包括一个激光二极管以发射光信号以及一个光电二极管以接收光信号。然而，如果需要用于多个USB连接的支持，OE模块可以包含多个激光二极管和相等数目的多个光电二极管并且连接到具有相应的跨接线缆数的跨接线缆。OE模块的电接触经由主板上的导电迹线电连接到控制器装置(例如，USB控制器IC)。控制器装置经由主板上的迹线电连接到计算机的主处理器。
OE模块包括电驱动电路，从路由器接收主板的迹线上所带的电信号并将其转换为用于驱动OE模块的激光二极管的电驱动信号。由激光二极管产生的相应的光信号然后通过OE模块的光学系统光学地结合到固定到跨接线缆的第二连接器的发射线缆的末端中。当在跨接线缆的接收线缆上在OE模块中接收光信号时，OE模块的光学系统将接收的光信号光学地结合到OE模块的光电二极管上。光电二极管产生相应的电信号，在主板的迹线上被从OE模块引导到控制器装置。控制器装置然后在主板的迹线上将电信号引导到主处理器或计算机的另一个处理器。
在两种布置的另一种中，配置有集成的被动光学连接器的OE模块包含在USB连接器中。该被动光学连接器将光信号来回直接地结合到位于USB芯棒内的被动光学连接器，USB芯棒连接到上述外部光学USB线缆的端部。因此，该布置中没有使用跨接线缆。挠性电路一端连接到OE模块并且另一端连接到安装在计算机主板上的电连接器。该电连接器通过主板连接到挠性电路。电信号在主板的迹线上从主处理器来到控制器装置并从控制器装置到达挠性电路和主板的接口。电信号然后在挠性电路的迹线上来到包含在USB连接器中的OE模块。
在OE模块中，电信号用于驱动激光二极管以产生光信号。由OE模块的激光二极管产生的光信号经由OE模块的光学系统和集成的被动光学连接器在包含于改变的光学USB线缆内的发射线缆端处光学地结合到包含在USB芯棒内的被动光学连接器中。在发射线缆的另一端，光信号被接收在包含于USB芯棒内的被动光学连接器中，其又将光学信号结合到包含在USB插座外壳内的OE模块的被动光学连接器；OE模块内的光电二极管在另一端经由光学系统接收光信号，并且OE模块的接收器电路产生相应的电信号。电信号然后在挠性电路的迹线上通过挠性电路和主板之间的电接口来到主板的迹线上。电信号然后在主板的迹线上来到控制器装置并随后从控制器装置来到主处理器。
以上描述的光学连接器的两种布置的主要缺点来自需要许多接口来在安装在主板上的控制器装置和USB连接器之间传递信号。在使用光纤跨接线缆的布置中，反射损失，一般也称为菲涅尔损失(Fresnel losses)，以及由光学元件的偏心带来的其它的光学损失可能出现在每个光学接口处。为了使整体USB连接器成本下降，发射和接收线缆的端部一般分裂而未被抛光，带来在光信号来回结合到线缆的端部的位置处发生不可预计的损失。并且，在一些情况下，折射率匹配的环氧树脂用于将线缆端部连接到光学元件，例如光学系统的透镜。环氧树脂中光纤的末端会产生气泡，可能导致在每个接口处光信号遇到气泡的一部分而发生损失(即，当信号遇到气泡的外表面以及再次当信号遇到气泡的内表面)。因此，使用光纤跨接线缆带来发生光学损失的许多机会，使信号质量劣化。尽管光学连接器的另一种布置基本上消除了外部光学跨接线缆，但是需要用于挠性电路与主板接口的额外的电连接。该额外的电连接带来信号损失和发生连接问题的可能，使电信号质量劣化。此外，电连接器相关的成本增加了USB连接器的整体相关成本。并且，涉及挠性电路的制造过程一般经受低产出的困扰，可能比使用硬印刷电路板(PCB)产生更大的不定性。
因此，需要USB连接器具有用于处理光信号的光学能力并且不需要使用光学跨接线缆或挠性电路，从而消除上述与那些光学USB布置相关的问题。
发明内容
本发明涉及其中集成有OE模块和高速电连接的USB连接器。USB连接器包括：外壳，位于所述外壳内的USB电路，固定在所述外壳内的OE模块，在所述外壳内并连接OE模块的高速电接触以及高速电连接，所述高速电连接的第一端连接到所述高速电接触，并且所述高速电连接的第二端布置为与计算机的主板的导电迹线连接。OE模块包括：PCB，安装在所述PCB的表面上的至少第一集成电路(IC)，安装在所述PCB的表面上的至少第一激光二极管，安装在所述PCB的表面上的至少第一光电二极管，以及安装在所述PCB的表面上的光学模块。所述PCB中形成有多个导电的迹线并且其表面上至少设置有第一组电接触垫。所述第一组电接触垫连接到所述PCB中形成的所述导电的迹线。所述光学模块中形成有分别用于接收第一和第二光纤的端部的第一和第二插座。所述光学模块包括配置为在所述第一插座和所述第一激光二极管之间以及在所述第二插座和所述第一光电二极管之间耦合光线的光学元件。高速电接触，其设置在所述外壳内，所述高速电接触电连接到所述第一组电接触垫的相应的电接触垫。高速电连接，其至少部分包含在所述外壳内，其中，所述高速电连接的第一端电连接到所述高速电接触。所述高速电连接的第二端布置在所述外壳外以允许所述第二端与计算机的主板的一个或多个导电迹线电连接。
方法包括：在USB连接器中提供OE模块，在所述USB连接器中提供高速电连接，所述高速电连接的第一端电连接到所述OE模块的电接触，并且将所述高速电连接的第二端与计算机的主板的导电的迹线电连接。
根据以下的描述、附图和权利要求，本发明的上述和其它特征和优势将变得更加明显。
附图说明
图1A示出了USB连接器的主视立体图，将盖从外壳移开的以示出USB连接器的OE模块的光学模块的上表面。
图1B示出了图1A所示的USB连接器的后视立体图，与将盖从外壳移开的以示出USB连接器的OE模块的光学模块的上表面。
图1C示出了图1A所示的USB连接器的仰视立体图，示出了连接到OE模块的PCB的高速电结点。
图1D示出了图1A所示的USB连接器的侧视平面图，示出了连接到外壳的盖以封闭包含OE模块和高速电结点的外壳的部分。
图1E示出了图1A所示的USB连接器的主视平面图，示出了形成在图1A所示的USB连接器的外壳中的插座和与外壳连接的盖。
图1F示出了图1A所示的盖的侧视平面图。
图1G示出了图1A所示的盖的主视平面图。
图2A和图2B分别示出了OE模块的光学模块连接到OE模块的PCB之前OE模块的后视和前视立体图。
图3示出了OE模块的光学模块安装到OE模块的PCB上之后图2A和图2B所示的OE模块的俯视立体图。
图4A至图4C分别示出了图3所示的光学模块20的俯视平面图、俯视立体图和仰视平面图。
图5示出了将盖和OE模块从外壳移去的图1A所示的USB连接器的主视立体图，以示出将OE模块的PCB连接到计算机(未示出)的主板(未示出)的高速电结点的电接触。
图6示出了完全装配的USB连接器的仰视立体图，示出了将OE模块的PCB连接到计算机(未示出)的主板(未示出)的高速电结点。
具体实施方式
本发明关于其中集成有OE模块及高速电结点的USB连接器。OE模块包括光学模块、至少一个激光二极管、至少一个光电二极管、光学收发IC和PCB。光学模块、激光二极管、光电二极管和IC安装在PCB的表面上。OE模块固定在USB连接器内。PCB包括导电迹线和电接触垫。导电迹线将IC与接触垫电连接。接触垫经由形成在PCB中的通孔电连接到高速电结点，其又电连接到计算机的主板的导电迹线。以该方式将OE模块和高速电结点集成到USB中不需要使用用于将USB连接器接口到计算机的主板的上述的光学跨接线缆或上述的挠性电路。因此，USB连接器具有更少的需要进行信号传输的接口，减小了发生信号损失的可能性。此外，USB连接器的构造减小了用于提供装配有具有光学能力的USB连接器的计算机的总成本。
图1A至图1D示出了根据图示或示例实施例的USB连接器1的不同立体图和平面图。图1F和图1G示出了盖2a的侧视和主视平面图，盖2a连接到安置USB连接器1的外壳2。图2A和图2B分别示出了OE模块10的光学模块20连接到OE模块10的PCB30的上表面30a之前OE模块10的后视和前视立体图。图3示出了OE模块10的光学模块20连接到OE模块10的PCB30的上表面30a之后OE模块10的俯视立体图。图4A至图4C分别示出了图3所示的光学模块20的俯视平面图、俯视立体图和仰视平面图。图5示出了移去盖2a和OE模块10的USB连接器1的主视立体图，以示出将OE模块10连接到计算机(未示出)的主板(未示出)的高速电结点40的电接触40a。图6示出了完全装配的USB连接器1的仰视立体图，示出了将OE模块10连接到计算机(未示出)的主板(未示出)的高速电结点40。以下将参照图1A至图6描述根据所示实施例的USB连接器1。
图1A示出了将盖2a从外壳2移开的USB连接器1的主视立体图，以示出OE模块10的光学模块20的上表面20a。图1C示出了USB连接器1的仰视立体图，示出了连接到PCB30的高速电结点40。图1D示出了USB连接器1的侧视平面图，示出了连接到外壳2的盖2a以封闭包含光学模块20的外壳2的部分。图1E示出了USB连接器1的主视平面图，示出了形成在外壳2中的插座3和与之连接的盖2a。图1F示出了盖2a的侧视平面图。图1G示出了盖2a的主视平面图。
插座3配置为接收USB芯棒(未示出)。多个电接触4布置在插座3中用于将USB连接器1和USB芯棒的电接触相连。USB连接器1上的多个电接触5用于将USB芯棒(未示出)的电路(未示出)和形成在计算机(未示出)的主板(未示出)上的导电迹线(未示出)相连。PCB30具有布置于其上表面30a上的电接触30c(图2A至图3)，用于将PCB30和USB连接器1的高速电结点40的电接触40a(图4)相连。高速电结点40的电接触40a将PCB30电连接到计算机(未示出)的主板(未示出)。
参照图2A、2B、图3和图4，OE模块10的光学模块20安装在PCB30的上表面30a上。OE模块10还包括安装在PCB30的上表面30a上的控制器IC50、光电二极管60和激光二极管70。当光学模块20安装在PCB30上时，光学模块20的被动对齐装置20a和20b被包含于形成在USB连接器1的外壳2中具有与被动对齐装置20a和20b互补的形状的开口(未示出)内。光学模块20中形成开口20c和20d用于将相应的发射和接收光纤(未示出)的相应的端部连接到光学模块20。当光学模块20在图3所示的位置处位于PCB30的上表面30a上时，光学模块20的光学元件20e在激光二极管70和发射线缆的端部之间连接光线并且在光电二极管60和接收光纤的端部之间连接光线。如图4A至图4C所示，光学元件20e包括45度镜20f。根据所示的实施例，激光二极管70是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，沿垂直于PCB30的上表面30a的方向发射光线。由激光二极管70发射的光线被45度镜20f接收并相对于光线在镜20f上的入射角以45度角导向形成在光学模块20中的开口，其连接到发射光纤(未示出)。与形成在光学模块20上的武器相连的接收光纤(未示出)接收的光线以与PCB30的上表面30a成大致0度的角度入射在镜20f上。该接收光线由镜20f以45度角至光线在镜20f上的入射角被导向光电二极管60。
参照图2A、2B、图3、图5和图6，为了将PCB30安装在外壳2内，PCB30被倒装使得上表面30a在外壳2中朝向下方，即，沿离开盖2a的方向。在该位置，设置在PCB30上的相应的电接触垫30c与高速电结点40的相应的电接触40a接触，从而使IC50与高速电结点40电接触。当USB连接器1完全安装并且安装在计算机(未示出)的主板(未示出)上时，高速电结点40与形成在计算机的主板上的相应的导电迹线电接触，以使OE模块10与安装在计算机的主板上的一个或多个装置(例如，USB控制器装置)直接通信。
应注意参照一些示例实施例描述了USB连接器以示出本发明的主旨和概念。然而本领域技术人员应理解，本发明不限于这些实施例，只要不背离本发明的范围，可以对这些实施例进行诸多改变。例如，尽管根据具体的物理结构描述了OE模块，然而OE模块可以具有多种不同的物理结构(例如，多激光二极管和多光电二极管)。类似地，USB连接器外壳可以具有多种不同的物理结构。

Claims (17)

1.一种通用串行总线（USB）连接器，包括：
外壳，其具有顶部、底部、前部和后部；
通用串行总线电路，其包含在所述外壳内；以及
光学至电学/电学至光学转换模块（OE模块），其固定在所述外壳内，所述光学至电学/电学至光学转换模块包括：
印刷电路板（PCB），其中形成有多个导电的迹线并且其表面上至少设置有第一组电接触垫，其中，所述第一组电接触垫的至少一些连接到所述印刷电路板中形成的所述导电的迹线的至少一些；
至少第一集成电路（IC），其安装在所述印刷电路板的表面上，所述第一集成电路具有与所述印刷电路板的所述导电的迹线的一个或多个电连接的电导线；
至少第一激光二极管，其安装在所述印刷电路板的表面上并且与所述第一集成电路电连接；
至少第一光电二极管，其安装在所述印刷电路板的表面上并且与所述第一集成电路电连接；以及
光学模块，其安装在所述印刷电路板的表面上，所述光学模块中形成有分别用于接收第一和第二光纤的端部的第一和第二插座，所述光学模块包括配置为在所述第一插座和所述第一激光二极管之间以及在所述第二插座和所述第一光电二极管之间耦合光线的光学元件；
高速电接触，其设置在所述外壳内，所述高速电接触电连接到所述第一组电接触垫；以及
高速电连接，其至少部分包含在所述外壳内，其中，所述高速电连接的第一端电连接到所述高速电接触，并且所述高速电连接的第二端布置在所述外壳外以允许所述第二端与计算机的主板的一个或多个导电迹线电连接。
2.根据权利要求1所述的通用串行总线连接器，其中，所述第一集成电路、所述第一激光二极管、所述第一光电二极管和所述光学模块在所述印刷电路板的第一边缘附近安装在所述印刷电路板的上表面上。
3.根据权利要求2所述的通用串行总线连接器，其中，所述第一组电接触垫在所述印刷电路板的第二边缘附近设置在所述印刷电路板的所述上表面上，其中，所述印刷电路板的所述第二边缘大体上平行于所述印刷电路板的所述第一边缘。
4.根据权利要求3所述的通用串行总线连接器，其中，所述光学至电学/电学至光学转换模块以所述印刷电路板的所述上表面面向所述外壳的所述底部的方式固定在所述外壳内，并且其中，所述高速电接触在所述印刷电路板的上表面和所述外壳的所述底部之间的位置处布置在所述外壳内，并且其中，所述高速电连接的所述第二端邻近所述外壳的所述底部布置在所述外壳外。
5.根据权利要求4所述的通用串行总线连接器，其中，所述印刷电路板的底面面向所述外壳的顶部，所述通用串行总线连接器还包括：
盖，其邻近所述印刷电路板的底面安装到所述外壳的上部。
6.根据权利要求1所述的通用串行总线连接器，还包括：
至少第一被动对齐特征，其布置在所述光学模块上；以及
至少第一被动对齐特征，其布置在所述外壳中，所述第一被动对齐特征具有彼此互补的形状，使得布置在所述光学模块上的第一被动对齐特征与布置在所述外壳中的第一被动对齐特征配合。
7.根据权利要求6所述的通用串行总线连接器，还包括：
至少第二被动对齐特征，其布置在所述光学模块上；以及
至少第二被动对齐特征，其布置在所述外壳中，所述第二被动对齐特征具有彼此互补的形状，使得布置在所述光学模块上的第二被动对齐特征与布置在所述外壳中的第二被动对齐特征配合。
8.根据权利要求7所述的通用串行总线连接器，其中，所述光学模块具有前表面、后表面、顶面、底面、第一侧面和第二侧面，其中，所述第一和第二插座形成在所述光学模块的所述前表面中，并且其中，设置在所述光学模块上的所述第一和第二被动对齐特征分别靠近所述光学模块的所述第一和第二侧面布置在所述光学模块的所述前表面中，并且其中，所述第一和第二插座位于布置在所述光学模块上的所述第一和第二被动对齐特征之间。
9.一种用于提供具有光学功能的通用串行总线（USB）连接器的方法，所述方法包括：
在通用串行总线连接器的外壳内提供光学至电学/电学至光学转换模块（OE模块），其中，所述光学至电学/电学至光学转换模块包括：
印刷电路板（PCB），其中形成有多个导电的迹线并且其表面上至少设置有第一组电接触垫，其中，所述第一组电接触垫的至少一些连接到所述印刷电路板中形成的所述导电的迹线的至少一些；
至少第一集成电路（IC），其安装在所述印刷电路板的表面上，所述第一集成电路具有与所述印刷电路板的所述导电的迹线的一个或多个电连接的电导线；
至少第一激光二极管，其安装在所述印刷电路板的表面上并且与所述第一集成电路电连接；
至少第一光电二极管，其安装在所述印刷电路板的表面上并且与所述第一集成电路电连接；以及
光学模块，其安装在所述印刷电路板的表面上，所述光学模块中至少形成有分别用于接收第一和第二光纤的端部的第一和第二插座，所述光学模块包括配置为在所述第一插座和所述第一激光二极管之间以及在所述第二插座和所述第一光电二极管之间耦合光线的光学元件；在所述通用串行总线连接器中提供高速电连接，所述高速电连接的第一端电连接到所述光学至电学/电学至光学转换模块的高速电接触；并且
将所述高速电连接的第二端与计算机的主板的导电迹线电连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述高速电接触，电连接到所述第一组电接触垫，并且其中，所述高速电连接的第一端电连接到所述高速电接触，并且其中，所述高速电连接的第二端布置在所述通用串行总线连接器的外壳外以允许所述第二端与计算机的主板的一个或多个导电迹线电连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一集成电路、所述第一激光二极管、所述第一光电二极管和所述光学模块在所述印刷电路板的第一边缘附近安装在所述印刷电路板的上表面上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一组电接触垫在所述印刷电路板的第二边缘附近设置在所述印刷电路板的所述上表面上，其中，所述印刷电路板的所述第二边缘大体上平行于所述印刷电路板的所述第一边缘。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光学至电学/电学至光学转换模块以所述印刷电路板的所述上表面面向所述外壳的底部的方式固定在所述外壳内，并且其中，所述高速电接触在所述印刷电路板的上表面和所述外壳的底部之间的位置处布置在所述外壳内，并且其中，所述高速电连接的所述第二端邻近所述外壳的底部布置在所述外壳外。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述印刷电路板的底面面向所述外壳的顶部，并且其中，所述通用串行总线连接器还包括：盖，其邻近所述印刷电路板的底面安装到所述外壳的上部。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光学模块具有至少第一被动对齐特征，其布置在所述光学模块的前表面上，并且其中，所述通用串行总线连接器的外壳具有至少第一被动对齐特征，其布置在所述外壳中，所述第一被动对齐特征具有彼此互补的形状，使得布置在所述光学模块上的第一被动对齐特征与布置在所述外壳中的第一被动对齐特征配合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光学模块具有至少第二被动对齐特征，其布置在所述光学模块的前表面上，并且其中，所述外壳具有布置在其中的至少第二被动对齐特征，所述第二被动对齐特征具有彼此互补的形状，使得布置在所述光学模块上的第二被动对齐特征与布置在所述外壳中的第二被动对齐特征配合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一和第二插座形成在所述光学模块的前表面中，并且其中，设置在所述光学模块上的所述第一和第二被动对齐特征分别靠近所述光学模块的第一和第二侧面布置在所述光学模块的前表面上，并且其中，所述第一和第二插座位于布置在所述光学模块上的所述第一和第二被动对齐特征之间。
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