CN102593675A - 具有光和高数据速率电能力并兼容usb标准的连接器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有光和高数据速率电能力并兼容USB标准的连接器组件，其具有光通信能力以及高数据速率电通信能力，并且能够向下兼容一种或多种USB标准。连接器组件的插槽具有高数据速率电连接和USB电连接，使得其能够支持用于高数据速率装置的高数据速率信号协议以及USB信号协议。连接器组件的插头具有高数据速率电连接、USB电连接和光电/电光转换模块。插槽可以与本发明的插头配合以及与已有的USB插头兼容的USB插头配合。因此，插头和插槽都向下兼容一种或多种已有的USB标准。

Description

具有光和高数据速率电能力并兼容USB标准的连接器组件

技术领域

本发明涉及具有光学能力和高数据速率电能力并向下兼容之前的通用串行总线(USB)标准的连接器组件。

背景技术

USB是一种外部总线标准，其规定了使得电子装置能够彼此相接和通信所需的电连接和数据传输操作。USB是一种通常用来对RS232串行接口和并行接口进行替代的串行接口，以将外部装置(例如，鼠标、键盘、打印机等)连接到计算机(例如，桌面和膝上型计算机)。当今市场上的大部分桌面和膝上型计算机计算机具有多个USB连接器，其每一者都被设计为与各个USB插头配合。典型的USB连接器被构造为具有电触点，其被设计为与USB连接器外部的电触点耦合，以执行数据传输和供电功能。USB连接器的电触点的一些被用来将USB插头的电触点耦合到USB连接器的电路，而USB连接器的电触点的一些被用来将USB连接器的电路耦合到形成在计算机的主板上的导电迹线。与USB插头配合的USB连接器的组合被已知为USB连接器组件。

近年来，由于计算机与它们的外围装置之间的数据流量的日益增加，USB连接器组件已经被装备为支持日益增加的速度：例如，从由USB1标准提供的10兆比特每秒(Mbps)的速度到由USB2和USB3标准分别提供的480Mbps和5吉比特每秒(Gbps)的速度。持续存在对于在更高速度下工作的计算机-外围通信的需求。例如，大部分高分辨率、实时视频将会需要10Gbps以上的数据速率。在约5Gbps以上的速度情况下，用于USB装置的传统的铜线连接将会变得难以实施并且将会具有受限的范围。

最近一代薄、轻重量、低电力消耗的计算装置的重要目标是减少计算装置上的输入/输出(I/O)端口的数目。使用USB连接器组件来代替先前的连接器组件已经有助于实现减少计算装置上所需的端口的数目的目的。然而，信号针脚的有限数目(用于单工通信的USB2标准的两个针脚以及用于双工通信的USB3的四个针脚)不足以兼容多针脚、高速接口，诸如，高分辨率显示装置所需的高分辨率多媒体接口(HDMI)以及DisplayPort接口。

因此，存在对于能够兼容高数据速率装置(诸如高分辨率显示装置)所需的多针脚、高速接口并且向下兼容USB标准的连接器组件的需要。

发明内容

本发明涉及插槽、包括插槽和与该插槽配合的插头的连接器组件，以及用于在连接器组件中传送信号的方法。插槽包括插槽壳体和紧固到插槽壳体的电支持结构。插槽壳体在其中具有用于接收插头的插头开口。电支持结构具有布置在其上的、用于进行高数据速率信号通信的高数据速率电连接，以及布置在其上的用于传送通用串行总线(USB)信号的USB电连接。

连接器组件包括插槽和插头。插头包括与插槽的插头开口配合的插头壳体。插头壳体包括USB电连接和高数据速率电连接中的至少一者。如果插头壳体具有USB电连接，那么插头壳体的USB电连接与插槽壳体的USB电连接相接。如果插头壳体具有高数据速率电连接，那么插头壳体的高数据速率电连接与插槽壳体的高数据速率电连接相接

根据实施例，连接器组件的插头还包括：布置在插头壳体内的光学系统；以及布置在插头壳体内的光电/电光(OE/EO)转换模块。OE/EO转换模块将从插槽壳体传送到插头壳体的高数据速率信号转换为第一光信号，由光学系统将第一光信号耦合到第一光纤的端部。OE/EO转换模块将由光学系统耦合到OE/EO转换模块上的光信号转换为高数据速率显示信号。

方法包括将连接器组件的插头与连接器组件的插槽配合。根据实施例，插头和插槽每一者都具有用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接以及用于传送USB信号的USB电连接。插头的高数据速率电连接被电耦合到插槽的高数据速率电连接。插头的USB电连接被电耦合到插槽的USB电连接。插头包括布置在插头的插头壳体内的光学系统和OE/EO转换模块。在插头的OE/EO转换模块中，将从插槽壳体传送到插头壳体的高数据速率信号转换为第一光信号。利用光学系统，第一光信号被耦合到第一光纤的端部，并且从第二光纤的端部出射的第二光信号被耦合到OE/EO转换模块上。在OE/EO转换模块中，第二光信号被转换为高苏剧速率信号，该高数据速率信号从插头经由插头和插槽的电耦合的高数据速率电连接传送到插槽。

根据本发明的另一个实施例，插槽具有用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接以及用于传送USB信号的USB电连接中的至少一者。如果插头具有USB电连接，那么插头的USB电连接被电耦合到插槽的USB电连接。如果插头具有高数据速率电连接，那么插头的高数据速率电连接被电耦合到插槽的高数据速率电连接。

本发明的这些和其他特征和优点将会通过以下说明、附图以及权利要求而变得清楚。

附图说明

图1A和图1B示出了根据示意性实施例的连接器组件的插槽的俯视和仰视立体图。

图2示出了根据示意性实施例的连接器组件的插头的前视立体图。

图3A-图3C示出了分别处于全部组装、部分组装以及拆卸形式的图2中示出的插头的托盘的俯视立体图。

图4A和图4B分别示出了在紧固到图3C中示出的托盘之前，OE/EO转换模块的前视立体图和后视立体图。

图5A和图5B分别示出了在OE/EO转换模块的盖被移除的情况下，在图4A和图4B中示出的OE/EO转换模块的前视立体图和后视立体图。

图5C和图5D分别示出了图5A和图5B中示出的OE/EO转换模块的光学系统的俯视立体图和仰视立体图。

图6A和图6B分别示出了连接器组件的俯视立体图和仰视立体图，该连接器组件包括与图2中示出的插头配合的、图1A和图1B中示出的插槽。

具体实施方式

本发明涉及具有光通信能力和高数据速率电通信能力并向下兼容之前的一种以上的通用串行总线标准的连接器组件。连接器组件的插槽具有高数据速率电连接和USB电连接，使得其能够支持用于高数据速率装置(诸如高分辨率显示装置)的高速信号协议以及USB通信协议。高数据速率电连接可以例如包括但不局限于HDMI和DisplayPort接口。连接器组件的插头具有高数据速率电连接，USB电连接以及光电(OE)/电光(EO)转换模块。插头可以被用来作为以下线缆的端点：具有USB电线的USB电缆，具有发射光纤和接收光纤的光缆，或者具有发射光纤、接收光纤和USB电线的电缆。插槽可以与本发明的插头以及与兼容已有的USB标准的USB插头配合。因此，插槽和插头都具有向下兼容一种或多种已有的USB标准兼容能力。

根据连接器组件的示意性的或示例性的实施例，连接器组件的插槽被构造为与USB2和USB3插头配合以及与本发明的插头配合。术语“USB2插头”和“USB3插头”意图表示分别兼容USB2和USB3标准的插头。如果USB2或USB3插头与连接器组件的插槽配合，那么连接器组件将会根据USB2标准工作。如果连接器组件的插槽与连接器组件的插头配合，取决于以插头为端点的线缆是通过光纤承载光信号还是通过USB2电线承载电信号，连接器组件可以在电USB2模式下工作以及在光模式下工作。如果线缆包括其上承载光信号的发射光纤和接收光纤，插头的OE/EO转换模块会将在接收光纤上承载的光信号转换为高数据速率光信号，并且将高数据速率电信号转换为输出到发射光纤的光信号。如果线缆正在承载USB2电信号，插头的USB2布线会将信号传导到插槽的USB2布线。现在将会参照图1A至图6B描述本发明的示意性实施例。

图1A和图1B示出了根据示意性实施例的连接器组件的插槽1的俯视和仰视立体图。插槽1的插槽壳体2在构造上与典型的USB2插槽壳体非常类似，并且因此将会在下文中称作为修改的USB插槽壳体。参照图1A，插槽壳体2在其中具有用于接收插头(未示出)的开口3。第一电支持结构4固定到插槽壳体2的一个或多个内表面。支持多重微分I/O通道的高数据速率电连接5被布置在电支持结构4上。USB2电连接6布置在第二电支持结构7上。第一电支持结构4具有比典型USB2插槽(未示出)的电支持结构的宽度略小的宽度W。下文中参照图1A和图2描述宽度上的这种差异的原因。

第一电支持结构4的一部分被布置在插槽壳体2的底面上。表面安装的高速电连接8和通孔USB2电连接9布置在电支持结构4的这一部分上。表面安装的高数据速率电连接8被设置为用于连接到外部的表面安装的高数据速率电连接，例如，布置在印刷电路板(PCB)(未示出)的上表面上的高数据速率电连接(未示出)。类似地，通孔USB2电连接8被设置为用于连接到外部的USB2电连接，诸如PCB(未示出)的USB2电线(未示出)。通孔USB2电连接9和表面安装的高速电连接8被分别电耦合到USB2电连接6和高数据速率电连接5。

如上所述，插槽1能够与USB2和USB3插头配合，并且因此向下兼容USB2和USB3标准。根据示意性实施例，如果已有的USB2或USB3插头中的一者与插槽1配合，则插槽1将会作为USB2插槽工作。如果插槽1与连接器组件的插头配合，插槽1将会作为USB2插槽或高数据速率插槽工作，这将在下文中参照图1A和图2描述。

图2示出了根据示意性实施例的连接器组件的插头10的前视立体图。插头10具有与USB2插头壳体(未示出)非常近似的插头壳体11，并且因此在下文中将会被称作为修改的USB插头壳体11。塑料成型的插头外部主体12被紧固到修改的USB插头壳体11。托盘13具有托盘表面13a和侧壁13b和13c。托盘13的侧壁13b与13c之间的距离D约等于(但是略微大于)第一电支持结构4的宽度W(图1A)。这些尺寸允许插头壳体11被接收到插槽壳体2的开口3内，但是托盘13的侧壁13b和13c提供机械抗性，以防止插头壳体11插入到标准USB插槽(例如，USB2或USB3插槽)中。插头壳体11的这种特征确保用户不会意外地将插头10与不兼容的USB插槽配合。

托盘13通过布置在托盘13的相对两侧上的卡扣部分16紧固到插头壳体11，该卡扣部分与布置在插头壳体11的相对两侧上的开口17咬合。托盘13具有在托盘13的前部布置在其上的USB2电连接18以及在USB电连接18后方布置在其上的高数据速率电连接19。当插头10与插槽1配合时，USB2电连接6和18彼此接触，并且高数据速率电连接5和19彼此接触。如现在参照图3A和图3B描述的，插头10的托盘13还包括在图2中示出的图中不能看到的OE/EO转换模块。

图3A-图3C示出了图2中示出的插头10的托盘13在组装的各个阶段的俯视立体图。在图3A中，托盘13被示出为完全组装的形式，以包括USB2电连接18、高数据速率电连接19以及OE/EO转换模块20。在图3B中，托盘13被示出为部分组装形式，其中OE/EO转换模块20的盖21被移除以展现OE/EO转换模块20的组件。在图3C中，托盘13被示出为未组装形式，OE/EO转换模块20被移除以露出托盘13的上表面。图4A和图4B分别示出了图3A和图3B中示出的OE/EO转换模块20的前视立体图和后视立体图。

参照图3A，示出了USB电连接18、高数据速率电连接19和OE/EO转换模块20。高数据速率电连接19是OE/EO转换模块20的一部分。在图3A中，在视线上，OE/EO转换模块20的组件由OE/EO转换模块20的盖21遮挡。在图3B中，盖21已经被移除以展现OE/EO转换模块20的组件。OE/EO转换模块20包括PCB 30，该PCB 30在其中具有导电性迹线(未示出)、安装到PCB 30上的高数据速率电连接19以及安装到PCB30上的光学系统40。如可以在图3C中看到的，连接到USB2电连接18的电导体22沿着托盘13的表面延伸。如果插头10(图2)被用来作为具有USB2布线构造的线缆(未示出)的端点，则电导体22的、与USB2电连接18相反的端部将会连接到线缆的各个电线(未示出)。托盘13的表面在其上具有被动对准销23，该被动对准销23与形成在光学系统40中的互补形状的开口(未示出)配合，以将光学系统40与PCB 30对准。

图4A和图4B分别示出了图2中示出的插头10的OE/EO转换模块20的前视立体图和后视立体图。光学系统40在其上具有被动对准装置42。当图2中示出的插头10处于完全组装形式时，被动对准装置42被容纳在形成于插头壳体11(图2)中的各个互补形状的开口(未示出)中。光学系统40具有形成在其中的光学端口43a和43b，其与各个发射和接收光纤(未示出)的各个端部进行光学耦合。如下文中参照图5C和图5D描述的，光学端口43a和43b通常通过对光进行准直的透镜(未示出)而与光纤的各个端部光学耦合。为了图示的简单和清楚，在图4A和图4B中未示出光纤和准直透镜。

图5A和图5B分别示出了在OE/EO转换模块20的盖21被移除的情况下，在图4A和图4B中示出的OE/EO转换模块20的前视立体图和后视立体图。图5C和图5D分别示出了图5A和图5B中示出的OE/EO转换模块20的光学系统40的俯视立体图和仰视立体图。为了示意性目的，OE/EO转换模块20在图5A和图5B中示出为光学系统40被从PCB 30拆除以允许模块20的其他组件被看到。具体而言，模块20的这些其他组件包括控制器IC 50、光电二极管60和激光二极管70，它们被安装到PCB30的上表面30a上。电源可以被经由USB电连接提供给OE/EO转换模块20。光学系统40的反射表面44使光在光学系统的激光二极管70与第一透镜46(图5D)之间耦合以及在光学系统40的光电二极管60与第二透镜47(图5D)之间耦合。反射表面44(图5C)通常是45°全内反射(TIR)镜。

将会参照图5A-图5D描述OE/EO转换模块20工作的方式。根据示意性实施例，激光二极管70是沿着与PCB 30的上表面30a垂直的方向发光的垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。由激光二极管70发射的光由第一透镜46接收，其对激光进行准直并且将经准直的光引导到45°反射镜44。45°反射镜44之后将光以90°角反射，成为朝向形成于光学系统40中的光学端口43a的入射光束。从光学端口43a出射的准直光由外部聚焦透镜(未示出)会聚到发射光纤(未示出)的端部。从接收光纤(未示出)的端部出射的光由外部透镜(未示出)耦合到光学端口43a。所接收到的光之后以大致为0°的角度(即，平行)入射到PCB 30的上表面30a。反射镜33将光以90°的角度引导，成为朝向第二透镜47的入射光束。第二透镜47将光会聚到光电二极管60上。

应当注意，虽然光学系统40将所接收到的光以及要发射的光转动了90°，但是这种转动可以改为由电方式实现，在这种情况下，OE和EO转换沿着光学端口43a和43b的轴线执行，并且相应的电信号在PCB 30与相应的OE和EO转换元件之间沿着电导体(未示出)通信，该电导体沿着与PCB 30的上表面30a大致正交的方向延伸。也应当注意虽然光学系统将光转动了90°角，但是可以选择将光转动90°角之外的角度的其他光学构造。

图6A和图6B分别示出了连接器组件100的俯视立体图和仰视立体图，该连接器组件包括与图2中示出的插头10配合的、图1A和图1B中示出的插槽1。如上所述，插槽1可以与除了插头10之外的插头配合，诸如USB2和USB3插头。为了示意性目的，图6A和图6B中示出的插槽1与插头10配合。根据以插头10为端点的线缆的类型，连接器组件100将会作为USB2连接器组件或者作为高数据速率连接器组件来工作。具体地，如果线缆具有USB2布线构造，那么连接器组件100将会作为USB2连接器组件来工作；而如果线缆是光缆或混合线缆，那么连接器组件100将会作为高数据速率连接器组件工作。在后一种情况下，在接收光纤上接收到的光信号被插头10的OE/EO转换模块20转换为高数据速率电信号，并且在插头10中从插槽1接收到的高数据速率电信号由插头10的OE/EO转换模块20转换为在发射光纤上发射的光信号。

应当注意，为了描述本发明的原理和概念的目的，已经参照示意性实施例描述了连接器组件。然而，本领域技术人员可以理解本发明不局限于这些实施例，而是可以对于这里描述的实施例进行修改，而不超出本发明的范围。例如，虽然已经参照特定物理构造描述了OE/EO转换模块20，但是OE/EO转换模块可以具有各种不同的物理构造(例如，多重激光二极管和多重光电二极管、各种反射性、衍射性和/或反射性元件)。类似地，插槽壳体2和插头壳体11可以具有各种不同的物理构造。

Claims (21)

1.一种插槽，其包括：

插槽壳体，在所述插槽壳体中具有用于接收插头的插头开口；以及

电支持结构，其紧固到所述插槽壳体，所述电支持结构具有布置在其上的用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接，以及布置在其上的用于传送USB信号的USB电连接。

2.根据权利要求1所述的插槽，其中，所述USB电连接是根据USB2标准构造的。

3.根据权利要求2所述的插槽，其中，所述插头开口被构造为接收USB2插头或USB3插头。

4.根据权利要求3所述的插槽，其中，所述高数据速率电连接是高分辨率显示装置连接，并且其中所述高数据速率信号是高分辨率显示信号。

5.一种连接器组件，包括：

插槽，包括：

插槽壳体，在所述插槽壳体中具有用于接收插头的插头开口；以及

电支持结构，其紧固到所述插槽壳体，所述电支持结构具有布置在其上的用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接，以及布置在其上的用于传送USB信号的USB电连接；

以及

插头，包括：

与所述插槽的所述插头开口配合的插头壳体，所述插头壳体包括USB电连接和高数据速率电连接中的至少一者，其中，如果所述插头壳体具有USB电连接，那么所述插头壳体的所述USB电连接与所述插槽壳体的所述USB电连接相接，并且其中如果所述插头壳体具有高数据速率电连接，那么所述插头壳体的所述高数据速率电连接与所述插槽壳体的所述高数据速率电连接相接。

6.根据权利要求5所述的连接器组件，其中，所述插头壳体具有USB电连接和高数据速率电连接，所述插头还包括：

布置在所述插头壳体内的光学系统；以及

布置在所述插头壳体内的光电/电光(OE/EO)转换模块，所述OE/EO转换模块将从所述插槽壳体传送到所述插头壳体的高数据速率信号转换为第一光信号，由所述光学系统将所述第一光信号耦合到第一光纤的端部，所述OE/EO转换模块将由所述光学系统耦合到所述OE/EO转换模块上的光信号转换为高数据速率显示信号。

7.根据权利要求6所述的连接器组件，其中，所述USB电连接是根据USB2标准构造的USB2电连接。

8.根据权利要求6所述的连接器组件，其中，电源经由所述USB电连接提供给所述OE/EO转换模块。

9.根据权利要求5所述的连接器组件，其中，所述插头是具有根据USB2标准构造的USB电连接的USB2插头。

10.根据权利要求5所述的连接器组件，其中，所述插头是具有根据USB3标准构造的USB电连接的USB3插头，并且其中，所述插槽的所述USB电连接是根据USB2标准构造的，并且其中所述插头和所述插槽根据USB2标准进行工作。

11.一种连接器组件，包括：

插槽，包括：

插槽壳体，在所述插槽壳体中具有用于接收插头的插头开口；以及

电支持结构，其紧固到所述插槽壳体，所述电支持结构具有布置在其上的用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接，以及布置在其上的用于传送USB信号的USB电连接；

以及

插头，包括：

与所述插槽的所述插头开口配合的插头壳体，所述插头壳体包括USB电连接和高数据速率电连接，其中，所述插头壳体的USB电连接与所述插槽壳体的所述USB电连接相接，并且所述插头壳体的所述高数据速率电连接与所述插槽壳体的所述高数据速率电连接相接；

布置在所述插头壳体内的光学系统；以及

布置在所述插头壳体内的光电/电光(OE/EO)转换模块，所述OE/EO转换模块将从所述插槽壳体传送到所述插头壳体的高数据速率信号转换为第一光信号，由所述光学系统将所述第一光信号耦合到第一光纤的端部，所述OE/EO转换模块将由所述光学系统耦合到所述OE/EO转换模块上的光信号转换为高数据速率信号。

12.根据权利要求11所述的连接器组件，其中，电源经由所述USB电连接提供给所述OE/EO转换模块。

13.一种用于在连接器组件内传送信号的方法，包括以下步骤：

将所述连接器组件的插头与所述连接器组件的插槽配合，所述插头和所述插槽每一者都具有用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接以及用于传送通用串行总线(USB)信号的USB电连接，所述插头的高数据速率电连接被电耦合到所述插槽的高数据速率电连接，所述插头的USB电连接被电耦合到所述插槽的USB电连接，所述插头包括布置在所述插头的插头壳体内的光学系统和光电/电光(OE/EO)转换模块；

在所述插头的OE/EO转换模块中，将从所述插槽壳体传送到所述插头壳体的高数据速率信号转换为第一光信号；

利用所述光学系统，将所述第一光信号耦合到第一光纤的端部；

利用所述光学系统，将从第二光纤的端部出射的第二光信号耦合到所述OE/EO转换模块上；以及

在所述OE/EO转换模块中，将所述第二光信号转换为高数据速率信号并且将所述高数据速率信号从所述插头经由所述插头和所述插槽的电耦合的高数据速率电连接传送到所述插槽。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述插头和所述插槽的USB电连接是根据USB2标准构造的USB2电连接。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

将电源经由所述USB电连接提供给所述OE/EO转换模块。

16.一种用于在连接器组件中传送信号的方法，包括以下步骤：

将所述连接器组件的插头与所述连接器组件的插槽配合，所述插槽具有用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接以及用于传送通用串行总线(USB)信号的USB电连接，所述插头具有用于传送高数据速率信号的高数据速率电连接以及用于传送USB信号的USB电连接中的至少一者，其中，如果所述插头具有USB电连接，那么所述插头的所述USB电连接被电耦合到所述插槽的所述USB电连接，并且如果所述插头具有高数据速率电连接，那么所述插头的所述高数据速率电连接被电耦合到所述插槽的所述高数据速率电连接。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述插头至少具有USB电连接，并且其中，所述插头和所述插槽的USB电连接是根据USB2标准构造的。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述插头至少具有USB电连接，并且其中，所述插头的所述USB电连接是根据USB3标准构造的，并且其中，所述插槽的所述USB电连接是根据USB2标准构造的，并且其中所述连接器组件根据USB2标准进行工作。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述插头具有所述USB电连接以及所述高数据速率电连接，并且其中，所述插头和所述插槽的所述USB电连接是根据USB2标准构造的。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述插头还包括光学系统和光电/电光(OE/EO)转换模块，所述方法还包括以下步骤：

在所述插头的OE/EO转换模块中，将从所述插槽传送到所述插头的高数据速率信号转换为第一光信号；

利用所述光学系统，将所述第一光信号耦合到第一光纤的端部；

利用所述光学系统，将从第二光纤的端部出射的第二光信号耦合到所述OE/EO转换模块上；以及

在所述OE/EO转换模块中，将所述第二光信号转换为高数据速率信号并且将所述高数据速率信号从所述插头经由所述插头和所述插槽的电耦合的高数据速率电连接传送到所述插槽。

21.根据权利20所述的方法，还包括：

将电力经由USB电连接提供给OE/EO转换模块。

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