CN102597838A - 经由光缆和光导耦合器耦合光信号与封装电路的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于通过光导和光纤缆线耦合电路和通信电路的方法和设备，被包括在封装半导体中，封装半导体包括光电接收器、光电发射器和光生伏打电池。封装半导体组合包括一个、两个或多个光电元件，用于经由直接光链路以及经由光学棱镜、过滤器、单向透视玻璃和透镜的单个或多个单向光信号、接收或发射、以及单个或多个双向光信号通信。封装半导体包括至少一个光接入口，通向单个或多个光导或具有单芯的光纤并用于多芯光导。内置或可附接保持器用于将不同的光导缆线附接到一个或多个光接入口，所附接的缆线端部通过切割、修剪和成形来终止。封装电路用于通过光导和光纤缆线的网络在有线的短距离内通信。

Description

经由光缆和光导耦合器耦合光信号与封装电路的方法和设备

技术领域

本发明涉及经由光导和塑料光纤将光信号传播和/或供给到光生伏打和光电耦合器装置，该装置包括开关、MOSFET、晶体管、半导体闸流管、三端双向可控硅元件和光控继电器，用于与家庭、办公室和工厂自动化和通信介质的电和通信装置和器件一起使用。

背景技术

有线或无线控制装置用于远程操作AC或DC供电的电子装置和器件以切换该器件的通断，一般而言，所述电装置和器件例如为家庭、公寓、办公室、工厂和建筑中的加热器、空调、马达和带有马达的装置、照明和其它电子器件。

可用于例如经由三端双向可控硅元件或FET开关或经由半导体闸流管来切换器件的通断和/或设置或命令操作等级的开关和中继装置被手动地操作或者经由网络（称为低压网络）被线连接到远程控制器。低压网络无法被连接到同一暗线箱中的电开关装置。在世界的大多数国家中，低压网络与电力线连接一起是被电规范和建筑规范所禁止的。

然而，所述规范延迟了用于电装置和灯的自动化开关和控制的低成本简单方案的推行。现在，由于普遍要求降低电功耗并且越来越需要对建筑和工厂中的许多开关以及其它电和电子装置进行编程，需要不同于低压线的简单方案，用于将控制和通信信号传播和供给到电箱中的电力线开关和其它控制装置，电力线被连接在该电箱中。

类似地，不同的地电势或不同的信号等级或电力线电势阻止了经由电和通信装置之间或内部的硬线（铜）的互连。光电耦合器的使用克服了关于其互连点处的不同电势的限制。公知的光电耦合装置在不同封装中均具有宽广的范围，并且该宽广的范围被提供到遍及电、电子和通信产业。在所有已知的光电耦合器中，需要将电流信号供给到LED或激光器，LED或激光器内嵌到IC封装和其它封装中或者被单独地安装以便将光信号传播到pin二极管或光电晶体管或相对侧上的其它光的或光生伏打的接收结构，由此切断发射器的输入端子和接收装置或结构的输出端子之间的任何电流。

即使光电耦合器的输入和输出是电绝缘的，但这种光电耦合器没有克服电规范和建筑规范的限制，因为光电耦合器装置的输入和输出端子需要被硬连线，并且这种电线或连接不能与世界上发达国家中的建筑和工厂的AC电布线系统同时或一起使用。

2008年9月24日提交的美国专利申请12/236,656中公开了这种限制的解决方案，其中，电暗线箱内的继电器和调光器被光导或光纤缆线连接，该专利申请通过引用并入本文中。

然而，上述美国专利申请12/236,656中公开的光导方案教导了使用光电晶体管和/或pin二极管与其它电路一起用于提供控制器和开关（继电器或调光器装置，涉及组装到小封装装置中的多个零件和部件，其增加了制造成本）之间的单向或双向通信。

上述美国申请12/236,656以及2007年10月18日的美国申请11/874,309和2007年11月14日的美国申请11/939,785中公开的现有技术均教导了探测通过开关、调光器和电源插座的电流，以便向控制器供给电流耗用信息，例如电源开或关的状态或待机和/或关于给定器件的电流耗用的特定数据。通过电流传感器来探测这种数据，并经由诸如LED的发射装置通过光导或光纤缆线将该数据传播到控制器。

美国申请12/236,656中的现有技术公开了用于将单向控制命令从控制器传播到开关装置的单光导。其还公开了用于双向传播的双光导，一个方向用于将命令传播到开关装置，并且在相反方向上传播来自开关装置的返回数据。其进一步公开了使用包括单向透视玻璃结构的光棱柱，以经由单光导或光纤将命令传播到开关并从开关传输诸如电流耗用或负载状态的返回数据。

如上所述，将美国申请12/236,656中公开的装置（包括IR或可见光发射器和接收器以及它们的相关电路、零件和部件）制造到开关装置的有限空间中的成本高于常用的机械开关和装置，因此需要一种简单的结构，其使得能够以低成本经由光导或光纤进行光信号的互连。

类似地，公知的光电耦合器中使用的光传导材料（例如硅，其填充在光电发射器和光电接收器之间的空间中）及其厚度用它们的内部结构代表了两个相反的条件。规定绝缘的规范和规则指定了使用非常高的电压的测试步骤，该电压被施加在光电耦合器的输入和输出端子之间，这要求LED和光电晶体管或其它接收结构之间的硅或光传导材料的厚度的增加。材料厚度的增加意味着IR或可见光传输的距离增加，这指数地（1/距离²）降低了到达光接收器的光或IR，从而降低了灵敏度、响应时间并增大了噪声敏感性。需要一种更简单且改进的方法和设备用于光电耦合方案。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种方法和设备，用于将一端上的封装半导体装置的光电和光生伏打接收器之间的光导或光纤与另一端上的封装半导体装置的LED或激光发射器进行直接连接，以便传输光信号（包括可见光、UV或IR信号）并且将分开的发射器－接收器电路互连。例如，光电发射器和光电接收器安装在同一个印刷电路板上，但是需要通过传输光信号而被电绝缘。另一个例子是需要绝缘指定的电箱中的控制信号，以便从低压控制信号操作AC和/或DC功率开关、调光器和其它AC和/或DC功率装置。此外，这种功率装置可包括AC或DC电流传感器或半导体发射器封装的感测电路（例如霍尔传感器），用于输出电流耗用和状态的光信号，例如上述美国专利申请11/874,309、11/939,785和12/236,656中公开的通断、待机或其它电流感测等级和数据。

本发明的光导耦合器封装包括至少一个光电或光元件，其选自pin光电二极管、光电二极管、光电二极管阵列、光生伏打电池、光电两端交流开关元件、光电半导体闸流管、光电三端双向可控硅元件、光电晶体管、光耦合的MOSFET（OCMOSFET）、LED、激光器及其组合。

本发明的另一个目的是通过视频对讲机和/或“购物终端”和/或经由通信网络来操作和监视电器件的状态，包括使用如美国申请11/509,315中所述的驱动器电路或其它驱动器电路由视频对讲机和购物终端或者由其它专用控制器对不同器件产生控制代码和信号。美国专利7,290,702中公开了“购物终端”。美国专利5,923,363、6,603,842、6,940,957中公开了视频对讲机系统。

本发明的又一个目的是通过将光电发射器和光电接收器包括在它们的通信IC中并且用光导保持器来改变集成的封装而提供例如用在集线器、网络开关和路由器以及PC中的互连通信电路，以便适应光导和光纤的类似简单的使用，用于将这种通信装置与电系统或住所或家庭自动化互连，其无法经由铜线连接。

在下面的说明书中，涉及元件、零件、结构和技术的术语光电的（photo）或光的（opto）或光学的（optical）是相同的。

在下面的说明书中，术语光电耦合器指的是公知的不同方式集成的半导体封装，其包括在光发射器（例如LED或激光器）和光接收器（例如光电二极管、光电晶体管或光生伏打电池）之间的至少一个内部光链路。

在下面的说明书中，术语光导耦合器指的是一种集成的半导体电路封装，其包括在其结构元件中的光元件，该光元件被称为光发射器或发射器和/或光接收器或接收器和/或光生伏打电池，其也称为接收器。该封装包括与光接收器或光发射器或二者对准的光接入口（optical access）。该封装可构造有（内建）用于将光导或光纤引到光接入口的光导保持器结构，或者这种光导保持器可以是分离的结构，用于附接到该封装。

在下面的说明书中，术语通电AC（live AC）指的是AC电源或干线的“热线”，相对于AC电源或干线的中性线而言。术语负载指的是器件，例如经由机械通断开关、继电器、MOSFET、三端双向可控硅元件或调光器而被连接在中性线和通电AC线之间的灯具。

在下面的说明书中，术语接触件（或触点）指的是插脚、软焊插脚、表面安装触点、表面安装端子、插头、插座、柱、刀、接线盒、螺纹端子、压褶端子、快上端子、软焊端子、软焊触点及其组合，用于连接本发明的光导耦合器的电路。

在下面的说明书中，术语发射器指的是LED、激光器或其它发光装置，其将电信号转换为UV、IR或可见光信号。

术语传输指的是来自发射器的UV、IR或可见光发射在空气中（例如从手持遥控器）或进入光导或光纤中。

术语接收器指的是光电二极管、pin二极管、光电晶体管或其它光生伏打或光电接收器，其将UV、IR或可见光转换为电信号或电荷（electrical charge）。

术语接收指的是例如从手持IR遥控器在空气中在视线中接收UV、IR或可见光，或者经由光导或光纤接收到接收器的裸表面上或者经由透明材料（包括棱镜、单向透视玻璃、透镜、过滤器和其它光学结构）接收。

术语收发器指的是组合的发射器和接收器，包括这样的收发器，该收发器包括内嵌到半导体封装中的光电二极管或光电晶体管和LED或者附接到光学棱镜的光电二极管或光电晶体管和LED，用于经由单光缆（例如光导或光纤）通过偏转或引导所接收的光信号到接收器并允许所发射的光信号进入光缆来传播双向光信号。术语收发器包括经由两个光缆传播双向光信号的收发器。

术语光学棱镜指的是一种用于偏转和/或分开双向光信号（所接收的和所发射的光信号）的结构，该双向光信号经由棱镜且经由单光导或光纤传播。所述棱镜包括选自下述组成的组的光学装置：偏振光学过滤器、给定可见波长滤过器、可见带通过滤器、给定波长UV滤过器、给定波长IR滤过器、给定波长UV截至过滤器、给定波长IR截至过滤器、具有给定反射率值的单向透视玻璃及其组合，其中，所述过滤器和/或所述单向透视玻璃形成了所述棱镜或者被附接到所述棱镜和/或被涂覆到所述棱镜和/或以色度、颗粒或过程的形式被引入所述棱镜材料中。美国专利申请12/236,656中公开的棱镜结构的进一步细节通过引用并入本文中。

在下面的说明书中，即使UV、IR或可见光被单独地接收，UV、IR或可见光术语可指代所有。术语光、UV、IR或可见光被替代地用于光信号并且不应当限于一个或其它，除非这样描述。

术语控制器或控制装置指的是一种系统控制器，其经由控制线（称为低压线或总线）控制开关或其它装置，用于传播单向或双向命令和通信。控制线可向装置供给低功率，例如12 VDC。控制器还传播光信号（光、UV、IR或可见光信号），用于与AC或DC开关装置通信，其包括单向或双向光通信电路和用于光导或光纤的保持器。术语“低压线”指的是控制器的控制线。

术语电流传感器指的是用于探测通过DC电力线的DC电流耗用的DC电流传感器和/或用于探测通过AC电力线或通过开关装置的AC电流耗用的AC电流传感器，包括通过霍尔传感器进行的磁场探测或者通过感生进行的探测，公开在上述美国专利申请11/874,309、11/939,785和12/236,656中，和/或用于经由单向或双向光信号产生电流耗用状态。

术语待审美国申请指的是分别在2007年10月18日和2007年11月14日申请的美国专利申请11/874,309和11/939,785以及美国专利申请12/236,656。

用于连接光生伏打和光电耦合器和继电器以便远程操作AC或DC供电器件的方法和设备以及本发明的其它目的是通过在本发明的光导耦合器之间引入光导或光纤来实现的。光导耦合器中的一个被包括在低压控制器中，其接收和发射电命令和通信信号并且使用本发明的光导耦合器以便将信号转换为光信号，用于传输单向或双向UV、IR或光信号，包括经由光导或光纤缆线将通断命令传输到被包括在开关或电器件中的互反光导耦合器，用于操作该器件。

本发明的光导耦合器可被包括在任何类型的电器件中，例如照明器件和LED照明器、厨房器件、音频和视频器件、加热和冷却器件、通风、清洗和干燥器件、园艺器件以及家庭、住所、办公室、商店和工厂中使用的任何其它器件，用于经由光导或光纤缆线来控制该器件。替代地，光导耦合器可被引入功率开关和/或器件的专用控制器中，例如与器件分开的空调控制器，用于操作该器件和/或用AC或DC功率开关装置的光导耦合器或其它光学装置经由光导切换其通断。以及接收光信号，确认来自所连接的电器件的功率电流耗用，其产生返回光信号，例如来自器件或功率开关的通断状态或待机状态。

响应于所接收的操作命令（例如通断）或响应于询问命令（对数据的请求）基于电流传感器输出来发送电流耗用或通断状态数据，由此提供家庭电器的无误差远程控制。

本发明的另一个目的是通过在两个光导耦合器之间直接连接低成本信号或双光导或光纤提供家庭或办公室等中的高速光通信，包括在通信半导体封装的装置之间的光通信，该装置包括本发明的光电元件和光链路，构造成包括通向与电系统混合的光导和光纤的光接入口。

将封装的光导耦合器－AC开关装置和/或电流传感器装置与现有标准电开关和插座组合的方法（类似于待审美国专利申请中的公开内容）提供了几个主要优点，一个优点是降低了组合的远程控制开关和插座的总体成本，这是因为可使用标准的低成本、大规模生产的开关和插座。通过将光导耦合器半导体封装的开关与手动开关结合起来而实现第二个优点。所组合的共同的“光导控制的且手动操作的开关”可被直接地构造到封装的光导耦合器半导体开关上或者它们可通过插入或经由螺纹附接或其它方式被结合以提供双操作，一方面经由共同使用的开关和插座的手动操作，另一方面经由光导耦合器封装的开关的并行手动操作。这些优点是本发明的其它目的，完全和谐地实现，并且在手动和远程开关操作之间没有冲突，如待审美国申请中所描述的。

待审美国申请教导了使用两种类型的开关用于AC器件和灯具，即单刀双掷开关（SPDT）开关，用于给定器件的通断切换，例如从两个分离的位置切换灯具。在需要三个或更多个开关来切换同一个灯具的通断的情况中，另一种类型的双刀双掷（DPDT）开关被连接在给定四通（straight-cross）构造中，在两个上述的SPDT开关之间。DPDT开关也称为“十字开关”或“换向开关”或四向开关。

因此，本发明的目的之一是将光导用到附接到或构造在手动SPDT开关上的光导耦合器－SPDT MOSFET或三端双向可控硅元件或半导体闸流管以及类似开关元件，该手动SPDT开关用于操作灯具或其它电器件，由此，经由“常用的”手动开关来维持操作并经由以给定构造连接到该开关的SPDT光导耦合器半导体开关来提供远程切换。

本发明的另一个目的是将用于传播命令的光导用到SPDT光导耦合器，以便远程地切换系统中的灯具或其它电器件的通断，其连接到手动SPDT开关并且连接到更加复杂的包括两个SPDT开关以及一个或多个DPDT开关的开关装置。

AC或DC的SPST（单刀单掷）或SPDT光导耦合器开关可使用MOSFET开关，也称为光学CMOSFET或OCMOSFET开关或半导体继电器（SSR）。不同于典型的基于LED所发射的光等级来产生光子流的光电晶体管，OCMOSFET使用光生伏打电池，光生伏打电池对栅电容进行充电以增大栅源电压，由此打开OCMOSFET。对于“常开的”OCMOSFET是这样的，其也称为“接通型接触”MOSFET。另一种“常闭的”“断开型接触”OCMOSFET或导通MOSFET反向地连接光生伏打电池以在LED被点亮时用反向栅源对栅电容充电和偏置，从而经由OCMOSFET切断电流。

如将要说明的，使用两个OCMOSFET（一个常开的，一个常闭的）或者将组合的双OCMOSFET构造到单个半导体结构（该结构适于包括光接入口和保持器，用于通过照亮光生伏打电池而将光导用到切换OCMOSFET的通断）中是一种理想的方案，用于提供AC/DC高压SPDT开关，以便将这种开关集成到许多功率组合和电路中。

类似的结构可应用到其它AC开关，例如半导体闸流管、三端双向可控硅元件和两端交流开关元件，所有这些均被封装到半导体结构中，适于接入、保持和锁定本发明的光导或光纤。

由于没有从手动开关自身向控制器供给数据，将SPDT光导耦合器用作为手动SPDT开关的“附加装置”可能会使控制系统混淆，因为将不可能远程地识别器件的通断状态。当若干个SPDT和DPDT开关被连接在给定电路中时，识别通断状态将会复杂得多，因为必须将涉及给定电路的所有开关的数据传输到控制器。即使这种数据是可获得的，但其在安装期间对控制器进行编程时要求记录所有手动开关的详情，而这是复杂、麻烦且易于犯错的。即使这是可能的，这也将会添加复杂的数据处理，需要在每当系统中的手动开关或光导耦合器被激活时传输所有开关的数据，而这作为回应引入了显著更多的数据通信和处理。由于上述原因，需要电流耗用数据。

因为上面所述的，本发明的另一个重要目的从而是引入光导耦合器－电流传感器用于识别器件何时被切换到通或断或者何时处于待机模式。这里，通电AC电力线到电路（电流传感器）的连接要求符合电安全法律、法规和规章以及电规范和建筑规范，并且其不能被连接到同一电箱内的低压通信线，但是本发明的优选实施例的光导耦合器－AC电流传感器可被连接到AC线以便经由光导或光纤产生光信号。而且，电流探测器或传感器可以是通过感生的AC电流探测器（如待审美国申请所公开的），或者通过磁场传感器，例如霍尔传感器。

当耗电的器件是电视并且电视所插的AC电插座未设置有待审美国申请所公开的电流传感器时，电视机的通断状态对于家庭自动控制器而言仍然是未知的。为此，光导耦合器－AC电流传感器可被引入AC插头适配器中，以便使用光导缆线来传播代表电流耗用的光信号并且将电流耗用光信号供给到本发明的光导耦合器－电流数据接收器。

例如，电视接收器可经由标准AC插座通电，其AC缆线插入所述AC插头适配器中。虽然可经由手持IR遥控器或经由待审美国申请中所公开的IR重发器和/或通过视频对讲机和/或购物终端来传输电视的通电命令，然而来自插头适配器的AC电流传感器的光信号被供给到本发明的光导耦合器－电流数据接收器，并且从电流数据接收器通过低压通信线到专用家庭自动控制器、视频对讲机或购物终端。

作为回应，电流数据被供给到例如电视接收器的被传输的通电命令，由此确认电视的电源打开。通过这种返回确认，总是用电视和其他器件的“通状态”或“断状态”来更新家庭自动控制器、视频对讲机或购物终端，如果命令是关闭该器件的话。

下文对家庭自动控制器的引用指的是具有控制键或触摸屏以及电路的面板，类似于美国专利和待审美国申请所公开的视频对讲机和/或购物终端。

附图说明

从本发明优选实施例的以下描述并参照附图，本发明的前述和其他目的和特征将变得明显，附图中：

图1A和1B分别是典型光电耦合器的透视图和剖面图；

图2A和2B是本发明的图1A和1B所示的典型光电耦合器被修改为容纳光导或光纤的透视图和剖面图；

图3A-3C是本发明优选实施例的典型机械AC开关的光导耦合器－OCMOSFET附件及其组合的组件的透视图；

图4A-4C是AC或DC开关OCMOSFET的电路图，用于操作待审美国申请中所公开的功率开关的SPDT结构中的常闭、常开和组合的OCMOSFET的连接；

图5A-5C是本发明优选实施例的图4A-4C所示AC或DC开关OCMOSFET被修改为容纳光导或光纤的电路图；

图6A和6B是组合的SPDT手动开关的电路图，具有经由两个光导操作的以及经由棱镜或透镜的单个光导操作的两个OCMOSFET常开和常闭开关；

图7A和7B是图6B所示电路的电路图的变体，添加了电流传感器和LED，用于仅由另外的光导或通过相同的单个光导和透镜来传播电流耗用数据；

图8A-8D是具有带锁定插头的光导保持器的光导耦合器的透视图以及带有组合的保持器的光导耦合器的光导附件的剖面图；

图9A-9D是用于两个双向光传播的组装的光导耦合器、光导耦合器阵列、以及光导耦合器的多芯光导缆线附件的透视图；

图10A是优选实施例的光导耦合器－电流数据接收器的电路框图；

图10B和10C是美国和欧洲电器件通过本发明的光导耦合器－电流感测适配器互连的透视图；

图10D是光发射器的透视图，用于将数据安装到本发明的光导耦合器中；

图11A是本发明的光导耦合器－分布器的电路框图；并且

图11B是本发明的光导耦合器－分布器与LED或灯具互连的透视图；

图12A-12C是通过组合的光导耦合器半导体封装的端子的结构而进行的手动切换的剖面图；

图12D和12E是本发明优选实施例的组合的手动和光导光电耦合器半导体开关的透视图；

图12F是图12B所示的组合开关的分解图，包括其公知的前盖和键杆。

具体实施方式

图1A示出了典型的光电耦合器1，其包括诸如图1B的LED3的光发射器以及诸如光电晶体管4的光接收器，发射器和接收器二者面对彼此表面并且是光学对中的。发射器3（LED）被连接到端子2和2A并被端子2和2A支撑，并且接收器4被连接到两个端子5和5A并被端子5和5A支撑。光电耦合器1的输入端子2和2A用于接收电输入信号，并且输出端子5和5A用于输出光绝缘的电信号。光电耦合器1被封装在图1B所示的塑料外壳7中。LED被示出定位在上侧而光电晶体管被示出位于底侧，但是这种设置可以颠倒，或者二者可均垂直于光电耦合器封装7的左和右侧安装。

图1B示出了光电耦合器结构的剖面，填充LED 3和光电晶体管4之间的空间的材料6必须是对光、IR或UV传输具有理想透明度的良好绝缘材料。由于涉及材料厚度的冲突，材料6的厚度或LED 3和光电晶体管4之间的距离是非常重要的。较厚的材料提供了对于较高电压的较高绝缘，然而较厚的材料意味着较少的光到达光电晶体管。照度随着距离的平方而降低，因此较厚的绝缘降低了到达光电晶体管的光、IR或UV的量。因此，较厚的绝缘降低了光电耦合器灵敏度、响应时间并且增大了噪声敏感性，所有这些导致光电耦合器的性能下降。

图2A示出了本发明的光导耦合器11的透视图，其中，接收器4的光电晶体管表面通过接入装置9而暴露给光导10。光导10是理想绝缘体并且其可置于薄膜距离6处，如图2B的剖面所示。对于光导10而言可能没有绝缘问题，因为没有引入金属保持器或端子或其他导电材料。没有到低压线端子对上例如连接到光电晶体管4的通电AC线的连接。作为理想绝缘体的光导可确实地接触光电晶体管表面（所述距离可以是数微米那么薄），而不需要考虑危险和不同电势的问题。

请注意重要的是，图2A和2B所示的端子被示出是非连接的，例如仅用于机械支撑，它们没有被包括在电或光通信中，也没有电力或电势。端子8可以是输出端子的延伸部分，根据上述示例，具有通电AC电势，这将给予所有端子相同的AC电势。

图3A、3B和3C示出了光导耦合器－SPDT OCMOSFET开关80与常用的手动SPDT开关30的结合。图3A示出了连接光导耦合器－SPDT OCMOSFET的插脚和插座，其中，插脚23代表游历器（traveler）2线，插脚24代表游历器1线并且插脚25代表通电AC线。三个插脚和匹配的插座34、35和36也在图4C或5C中示出。图5C完全解释了光导耦合器80、开关30之间的电路和连接，通电端子32和负载端子33也在图3A中示出。

图3B（后视图）中的组合机械开关示出了用于光导或光纤10的接入口21，带有内置保持器装置，其包括舌22和收紧螺钉22S以保持光导就位。图3C（前视图）示出了用于光导或光纤10的接入口21、舌22和螺钉22S、机械开关保持器37和开关键杆38。图3B和3C清楚地示范了这种组合的开关组件90对于将其连接和安装到标准电箱而言所提供的简单性和容易性。

在下文中，术语内置保持器指的是一种结构的区部或部分或区域，其用于将光导或光纤保持和紧固到光接入口，用于光学地链接光导与光电元件。这与术语可附接保持器形成对比，可附接保持器可以是快扣插头（snap-on plug）和/或至少一个分离的结构，其将要被附接到或用于将光导附接到光导耦合器主体，以便通过光接入口安装光导缆线和光电元件之间的光链路。

图4A示出了公知的OCMOSFET 60（光耦合的MOSFET）常闭（非导电）开关电路，用于切换AC或DC器件的通断，包括诸如灯具的器件。图4A的OCMOSFET 60是标准的公知通断开关，包括光生伏打电池62，用于用栅源电压对栅电容（未示出）充电，并且在LED 61被点亮时打开MOSFET以导通。OCMOSFET 60可称为单刀单掷（SPST）开关，替代诸如杠杆致动的弹簧接触件之类的常用机械电开关，其用于形成或断开承载了通向器件的AC或DC电流的电路。

图4B的OCMOSFET 60类似于图4A的电路，除了MOSFET是常开（导电）的并且光生伏打电池62R被可逆地连接以便当LED 61被点亮并照亮光生伏打电池62R时用被偏置的反向栅源电压对OCMOSFET的栅电容充电，关闭OCMOSFET并切断通过FET的电流。

如待审美国申请所公开的用于家庭自动化的远程操作开关实际上是使用三端双向可控硅元件的SPDT（单刀双掷）电开关。需要SPDT电开关与SPDT机械开关的组合以通过直接的机械切换和远程控制切换二者来确保形成或断开供应到AC器件的AC电流。图4C的组合的常开和常闭OCMOSFET开关提供了这种SPDT布置。

图4C的开关电路经由两个游历器触点24和23将两个组合的OCMOSFET开关连接到所示的机械SPDT开关30。当通过通电（或断电）命令点亮两个LED 61时，OCMOSFET 60打开以导通（如上面说明的）并且OCMOSFET 60R被反向光生伏打电池62R的负电荷关闭。通过该电路布置，两个组合的OCMOSFET 60和60R形成了理想的SPDT电开关。然而，OCMOSFET 60和60R由光电耦合器装置的发射器61操作，具有用于通断切换信号的两个输入端子。这种用于连接到低压控制线的端子不能被实施在电暗线箱中，或者与AC电力线和连接一起实施。因此，OCMOSFET 60和60R不能用于与手动AC功率开关30的这种组合。

图5A、5B和5C所示的光导耦合器－OCMOSFET开关70、70R和80可被附接到图3C的功率开关30并与其组合，以形成手动－远程AC或DC功率开关90。

替代图4A、4B和4C所示的照亮光生伏打电池62和62R的LED 61，图5A、5B和5C的光导或光纤10照亮光生伏打电池，由此如上所述地对栅电容充电以便打开或关闭OCMOSFET 70或70R。OCMOSFET 80是具有双OCMOSFET的固态封装的组合SPDT电路，被示出具有双光生伏打电池62和62R，二者均光学地对中朝向所附接的光导10。通过该布置可以清楚地看出，图5C所示的包括机械SPDT开关30的组合开关电路90可通过仅两个电力线AC干线32和负载33加上光导或光纤10而被简单地连接，如图3A、3B和3C所示。

光导耦合器80的三个端子23、24和25匹配三个连接器，连接器34用于热线或源，连接器35用于游历器1并且连接器36用于游历器2，完成了整个互连和电连接，如图3A、3B和3C所示的那样简单。

即使图5C所示的连接器32被连接到通电AC并且开关极端子33被连接到负载，通电AC或热线以及负载可以颠倒。因此在下文中对于术语通电AC、热线、AC干线和/或负载的引用以及在权利要求中对于开关极33和对于端子（25、34以及到开关端子32的链路）的引用是可互换的，其中，术语通电AC、AC干线或热线可被当作负载，反之亦然。

图5A和5B的OCMOSFET 70和70R可在类似的简单结构中被连接到AC热线32、负载33和光导10并且被远程控制。即使这种方案没有提供图5C的开关方案90所提供的并行手动切换能力，但图5A和5B所示的OCMOSFET 70和70R是本发明的经由光导操作的理想远程控制功率开关。

图6A示出了机械SPDT开关30与两个分离的OCMOSFET（经由双光导10控制的常闭型70和常开型70R）的组件92。在该布置中，两个光导10必须被供应同时点亮的光信号，例如并行连接且被一起点亮的两个LED（未示出）。同样可以将两个常开OCMOSFET开关70或两个常闭OCMOSFET开关70R组装起来并且经由两个LED（未示出）和两个光导10通过交替点亮来操作该组合的SPDT OCMOSFET开关，其中，当一个LED点亮时另一个关闭，反之亦然。

图6B示出了两个OCMOSFET开关70和70R与机械SPDT开关30的另一个组合。在该方案中，每个OCMOSFET的光生伏打电池62和62R被定位成使得单个光导10可经由光接入口9中的光学透镜64或棱镜（未示出）将控制信号引导到两个单独的封装70或70R。

从上面应当明白，单独的OCMOSFET开关（图5A和图5B所示的常开的或常闭的）可经由光导10来远程操作，并且图5C所示的组合的半导体封装80可经由单个光导缆线10在SPDT方案中操作。还应当明白，两个单独的OCMOSFET开关70和70R封装可与手动开关30组合并且如图6A所示经由两个光导10来操作以及如图6B所示经由单个光导10来操作。

如上面说明的，远程控制SPDT OCMOSFET开关与SPDT机械开关的组合在没有电流感测信息的情况下可能造成混淆。手动开关不产生游历器端子（1或2）被切换到的信息或数据，从而不可能识别所连接的器件的实际通断状态。在没有这种电流耗用或状态信息的情况下，远程控制器未被更新并且其无法明确地打开或关闭该器件。

为此，有必要引入电流传感器到通电AC线，用于经由光导10向控制器供给返回数据。图7A所示的电流传感器27和图7B所示的电流传感器67可以是AC电流传感器，其通过使用霍尔传感器来探测流过电力线的电流所产生的磁场，或者通过所引用的专利申请中说明的感生，或者可以是其他电流传感器，用于输出电流耗用数据或信号到图7A的LED 26以及图7B的LED 66，以便向控制器传输光学状态信号。

图7A的LED 26经由专用单向（返回数据）光导10向控制器（未示出）传输电流状态，而图7B的LED 66经由透镜64将其电流状态信号传输到光导10，该光导10传播双向信号。

用于传输电流状态的电流传感器和LED可以是每个OCMOSFET开关中的结构化半导体电路，例如图7B的LED 66可被构造到光接入口中的物理位置并且与光导处于光线路中。当电流传感器是组合OCMOSFET 70＋70R中的每一个的半导体结构的一体化部分时，类似于LED 66的两个LED可定位在接入口中并且与接入口和光导对准。同样的情况适用于图5C的SPDT OCMOSFET 80。在这种布置的情况下，显然，包括了电流传感器和电流状态LED发射器的整个SPDT OCMOSFET可被封装到集成电路80中，其可被结合、插入或附接到图3A、3B和3C所示的手动开关30或者被构造到图12A-12F所示的手动开关中并且被并行、无差错地手动和远程操作。

替代透镜64，可使用诸如单向透视玻璃结构的棱镜或者具有给定光波段的一个或多个偏振过滤器或者特定波长的光学过滤器。类似地，可使用不同波长的发射器以从接收的光信号区分光发射信号。

已存在许多公知的各种方法来引导、色散或过滤给定波段和/或给定的特定波长中的给定光发射，并且这些方法和技术中的任一个可被应用并构造到封装的OCMOSFET开关中，用于经由单个波导传播双向信号。所示的透镜64可以是内嵌到半导体封装中的模制塑料或硅结构，使得简单的插入SPDT OCMOSFET封装可被构造成附接到手动SPDT开关，或者被单独地连接到电力和负载线的SPST OCMOSFET，而经由单个波导将其电流状态传输到控制器并接收通断命令。

其他开关装置可以与本发明的光导耦合器一起封装和使用，包括公知的多种构造的晶体管、半导体闸流管、两端交流开关元件和三端双向可控硅元件。美国专利申请12/236,656全面地说明了三端双向可控硅元件开关电路，该申请通过引用并入本文中。虽然所述电路被示出为框图，用于将不同部件组装成电开关或调光器，三端双向可控硅元件电路是公知电路，其通过从两端交流开关元件供给的过零触发器操作。这种两端交流开关元件和三端双向可控硅元件被公知地包括在光电耦合器封装中并且可被类似地包括在本发明的光导耦合器中。

类似的AC或DC开关电路可使用公知的半导体闸流管，半导体闸流管通过其栅极触发，栅极可从被包括在本发明的光导耦合器的半导体结构中的光生伏打电池供给。相同的情况也适用于在Darlington及其他功率电路中操作的光学晶体管，用于切换DC电力线的通断和/或用于控制电流和负载。

没有示出用于三端双向可控硅元件、两端交流开关元件、半导体闸流管和晶体管的电路，不过所有这些电路均是非常公知的。MOSFET开关（例如本发明的优选实施例）的公开内容清楚地示范了该发明可适用于其他功率开关装置的程度。

上面引用的以及下文中的术语光导和光纤是类似或相同的。光导和光纤基于适用于两个术语的光传播原理及其传播计算通过全内反射传播光。然而在实践中，所述术语用于不同的缆线结构、材料以及光纤芯及其包层的粗细度或直径。因此，即使两个术语在上文及下文中均被这样重复，但在上文及下文以及在权利要求中，术语“光纤”指的是“光导”以及称为“塑料光纤”（POF）的缆线和/或指的是具有250 μm（0.25 mm/0.01英寸）或更大芯径的光纤缆线。

用于长距离并环绕全球的高速通信的光纤由三种类型组成，即阶越折射率光纤、渐变折射率光纤以及单模光纤。阶越折射率光纤的芯径为200 μm，其可用于数百米短距离的低速通信，并且目前已经很少使用。流行的光纤是多模缆线或渐变折射率光纤，其具有50 μm或64 μm的芯径，不过也可获得一些具有100 μm的更粗芯径的光纤。多模光纤用于高达1 km或2 km的距离，不过在实践中它们用于低于1 km的较短距离。

用于高速通信的光纤是单模光纤，其具有8 μm（小于10 μm）的芯径，使得光信号能够在数十和数百千米的长距离上传播。

虽然多模光纤使用LED来产生光信号，但单模光纤仅仅使用更高成本的激光器来产生其光信号。而且，多模和单模光纤二者的非常细的芯要求高精度的光纤终端和连接器，所有这些都是成本高的并且在安装、布线和组装期间配合起来费时。

多模和单模光纤的另一个重要信息是，由于光纤芯的数微米（μm）尺寸，它们所传播的光的量非常小。由于该相同的原因，多模和单模光纤需要高灵敏且高成本的接收元件，例如已知的带有跨阻抗放大器的高速pin二极管，其可被一起封装到光学跨阻抗放大器封装中。类似地，LED和激光器被耦合（粘接或机械地附接）到光纤（引出线），用于改善光通过精度。这种光纤耦合激光器封装可包括冷却器和/或其他装置和电路。

也称为塑料光纤（POF）的较粗芯的光导广泛地用于医疗设备中的照明，例如用于获取器官图像的侵入性或非侵入性纤维镜。较粗光纤属于阶越折射率光纤类型，具有高达0.5 dB/m的较高衰减，这限制了将光导用于实际长度100 m的低速通信、50至60 m的中速（300 kb/s）通信以及10-20 m的高速通信。

然而，较大的芯径传播更多的光，从而可与低成本的光敏电阻、光电二极管、光电两端交流开关元件、光电晶体管和光生伏打电池一起使用。由于大的芯径（高达2.0 mm或更大/0.1英寸），将光导对准到接收器光敏表面的精度不要求微米精度，而微米精度对于单模或多模光纤连接器而言是关键的。相同的情况也适用于将光信号供给到光导中的LED（发射器）。LED与光导的匹配也不要求苛刻的精度，为了接入LED所发射的光，微米精度对于光导位置而言不是关键的。

较粗芯的光导和塑料光纤传播更多的光到具有较大光电传感器表面的接收器上，从而不要求与多模和单模光纤一起使用的超高灵敏度且高成本的接收器和发射器。相同的情况也适用于连接器，光导不要求高精度连接器，光导可在没有连接器的情况下或者用简单的机械快扣连接器或缆线保持器附接到本发明的半导体封装，所述简单的机械快扣连接器或缆线保持器用于将缆线端部锁定到封装半导体的光接入口。此外，多芯光导可存在于扁平和圆形缆线中，其可通过简单的机械附件而被引入光导耦合器的多个输入、输出和双向接入口中，不需要“多插脚”连接器等。

另一个优点是芯光导的塑料材料，即PMMA或全氟聚合物，一种较软的材料，其可被锐利的刀或切断机型切割器切割，不需要进一步的研磨或抛光。软芯提供了光导的尖锐弯曲，半径小至5 mm（0.2英寸），这在公寓和建筑物中非常有用，公寓和建筑物具有许多隔间和墙壁，迫使安装者自始至终重复地弯曲缆线。这与基于二氧化硅或其他玻璃材料的光纤形成鲜明对比，基于二氧化硅或其他玻璃材料的光纤更硬，需要对缆线端部、昂贵的精密连接器的配件进行研磨和抛光并且需要较缓和地弯曲到不小于50 mm（2英寸）的半径，这对于长距离的通信网络而言不成问题，不过将多模或单模光纤缆线连接到拥挤的标准电暗线箱中内的开关却确实是不可能的。

此外，与传播IR信号的光纤形成对比，光导和塑料光纤被设计成传播可见光，所述IR信号具有850 nm、1350 nm和超过1550 nm波段的波长，这些中没有一个是可见的。即使光导传播宽的光信号光谱（从UV到IR），光导的峰值传播或最小衰减波长是650 nm或红光区域。这使得能够使用低成本高亮度红光LED元件作为发射器，用于从和向控制器、从和向控制信号转化器、以及在光导耦合器封装半导体之间传输光控制和通信信号。

从以上描述应当明白，在家庭、住所、办公室和小型车间及工厂中使用光导和塑料光纤或者芯径大于250 μm的光纤并且缆线在墙壁中或沿着墙壁延伸小于100 m（330英尺）长以便进行低速通信的情况完全不同于使用在长距离上延伸的多模和单模光纤以便进行高速通信，其自始至终涉及精度和高成本，并且不能与本发明的光导耦合器一起工作。

如上面说明的，连接两个或更多个本发明的光导耦合器的光网络在长度上受限，通信速度是主要限制因素。光导通过它们的每一米长度的衰减（dB/m）且基于芯径（mm）来规定。较大的芯径通过更多的光并且提供更小的衰减，但是较粗的芯（增强的阶越折射率）限制了频率或通信速度，从而限制了衰减、通信速度和光导的延伸长度之间的平衡。

此外，即使能够以低成本而通过光学方式连接短的距离，但使用结构化光学元件（例如，包括单向透视玻璃的棱镜、过滤器和透镜）以经由单个光导传播双向光信号降低了缆线成本，然而也降低了传播光高达50％或更多，由此，棱镜及其相关的光学元件进一步降低了光导网络延伸长度。

为此，使用棱镜和单个光导以控制要求低速通信的电开关和器件可能是优选的。限制短（高至16米，50英尺）网络的高速双向通信或者使用多芯光导耦合器和缆线，如下面讨论的。

图8A示出了优选实施例的光导耦合器100以及保持器105和110的分解图和内部结构。耦合器100是两个双向耦合器，包括两个光发射器（例如LED 3A和3B）和两个光接收器（例如光电二极管或光电晶体管4A和4B）。左侧的对（即发射器3A和接收器4A）被示出连接到左插脚5A，而右侧的对3B和4B连接到右插脚5B。图8A-8C中仅仅示出了每侧上的三个插脚5A和5B，但是可以采用任何数量的插脚，例如每侧8个或10个插脚（称为DIP（双列直插）或单列直插）可被用在后部或前部，或者用在后部和前部。替代地，插脚可用在封装的后部，如图2A所示。插脚的数量应当适应耦合器100内侧示出的结构化半导体电路101所需的触点或连接。

即使发射器3A和3B以及接收器4A和4B被示出连接到插脚5A和5B，当发射器被来自内部驱动器的信号驱动时和/或当接收器所产生的信号被供给到给定的内部封装的电路时，发射器或接收器或二者可在内部连接到半导体封装电路101并且不必连接到插脚。然而，光发射器和或接收器可被连接到内部电路和插脚二者和/或发射器和接收器可以是内部半导体结构化电路自身的一部分并且完全不需要单独的电连接。

结构化半导体电路101是非常公知的集成半导体结构，并且其可以是任何已知的电封装的电路，包括例如基本电路（例如单装置电路，即二极管、两端交流开关元件、半导体闸流管、晶体管、FET、MOSFET和开关）和/或复杂电路（例如中央处理单元（CPU）、数字信号处理器（DSP）、电流传感器、电流数据处理器、放大器、驱动器、缓冲器、分布器、补偿器、限制器、比较器、过滤器、调制器、解调器、编码器、解码器、计时器、振荡器、时钟、混合器、RF发射器、RF接收器、RF收发器、集线器、路由器及其组合）和/或其他已知电路和/或将来可能开发用于将其通过本发明的至少一个光导或光纤耦合的任何其他电路。

图8A进一步示出了用于提供光链路到光发射器3A和3B以及光接收器4A和4B的四个接入口9，用于利用螺钉102将保持器105附接到光导耦合器100的机械条103。保持器105是可附接的保持器，与图3B和3C所示的保持器22形成对比，保持器22是内置保持器，与接入口21一起被构造在光导耦合器封装自身内。

可附接保持器105是分离的结构，将要被附接到光导耦合器100。图8A的保持器105被示出具有四个后部圆形凹面106R，其配合接入口9的突出环或凸面，用于将四个接入口与四个进口106对准并且用于将光导10与光发射器和接收器3A、3B、4A和4B附接。即使凹面106R被示为保持器105中的凹陷并且突出环被示为从光导耦合器101突出，但环和凹面可以颠倒或者可以根本不是必需的。被插入任一部件中的定位孔内的一个或两个小的结构化插脚可以是准确的。类似地，可以替代地使用框架或边界导引件来靠着封装的光导耦合器准确地定位保持器。有许多种方式来将保持器105结合或附接到光导耦合器101，包括多个螺钉或诸如粘接剂的材料。

四个进口106的四个前表面106F是凹形圆锥，以便使用环绕的夹钳（circled vise）111将光导10锁定就位。图8B中示出了两个保持器110的后侧，保持器110也称为锁定插头110，每个保持器具有两个突出的夹钳111，其被成形为抵靠凹面圆锥106F钳住且锁定光导或光纤10。图8A所示的保持器或锁定插头110的前视图以及图8B所示的保持器或锁定插头110的后视图表示了通过锁定插头或保持器110使用螺钉112将光导10附接到接入口9的简便性，螺钉112将锁定插头110紧固到保持器105的柱107。

图8C示出了光导耦合器100的剖面图，光导耦合器100通过螺钉112附接到保持器105，进口106R的后凹面容纳接入口的突出环9，如上所述。保持器或锁定插头110、螺钉112和光导10被示出准备好插入。在附接插头110之前，夹钳111松开并且光导10可自由地插入。图8D示出了光导和通过螺钉112附接和紧固的保持器110，光导被夹钳111紧固，夹钳111被压靠凹面圆锥106F。光导10被推送完全穿过，确实地接触（通过薄的保护）光发射器3表面和光接收器4表面，形成理想的光链路。

所示的光导耦合器100构造成每个光学对（例如3A和4A）均是竖直定位的，使得来自发射器3A的光输出接入口是顶部接入口并且通向接收器4A的输入光接入口是底部接入口。这种方案或定位可以颠倒，类似地，输入和输出对可水平地构造和定位到光导耦合器100的左侧和右侧。这种竖直或水平定位使得能够将多个光导耦合器组合成输入－输出光接入口阵列，如图9B所示，提供水平或竖直的光集线器、路由器、控制器和分布器的简单方便的构造。

图9A示出了光导耦合器100，其具有保持器105和110并具有被螺钉112紧固就位的四个光导10。即使光导或光纤缆线10的实际粗细度或直径是小的，例如2-3 mm（0.1英寸）并且光导100与保持器105的总体实际尺寸可以是差不多20 mm宽和22 mm高（小于1英寸）是小的，也应当考虑部件尺寸的小型化趋势。

光导和光纤被制造在不同的多芯缆线组合中，或者可被组合到修剪的和/或成形的或捆扎的多芯设置中。提供了诸如切断器、缆线修剪器和成形器（未示出）的各种手持工具，用于改善切割、截断、修剪、成形和捆扎较软的光导和较硬的光纤缆线。多芯结构光导（例如两芯、三芯、四芯、六芯和更多）被生产且是可获得的，使得能够设计和制造较小尺寸的多芯光导保持器和较大尺度的光导耦合器，用于多个单向光信号分布和控制和/或用于多个双向应用及其组合。

图9C示出了这种双芯光导缆线12，保持器205附接到光导耦合器200，其尺寸较小并且提供双输入－输出光学对通信。插脚205是表面安装软焊触点，保持器和两个锁定插头210较短，使得能够通过降低光导终端和附接过程一半而限制组件的高度并且简化连接。

图9D示出了具有四芯的多芯光导缆线14，通过到光导耦合器400和保持器405的附接而用于双输入－输出、四输出或四输入光信号传播，光导耦合器400和保持器405的宽度和高度尺寸较小。这里，电触点205是用于表面安装IC或其它封装的表面软焊端子或触点。保持器205和405的进口206和406被构造成较小节距（pitch），与双芯和四芯节距相称。节距和进口可被构造成对应于或相称于多芯光导缆线的其它形状、尺寸和节距，例如扁平或圆形缆线以及其它给定形状。相同情况也适用于光导耦合器200和400的结构，它们可被制造成与给定多芯光导缆线的节距、尺寸和形状相称，或者提供标准尺寸以便于光导制造商遵循。

图9C和9D的具有夹钳211和411的保持器210和410类似于图8A-8D所示的夹钳111，但是其尺寸设置成锁定双芯12和四芯14光导缆线，并且前凹面圆锥206F和406F也是这样，所述凹面圆锥不是整圆。螺钉112被示出将保持器或锁定插头210和410紧固到柱207和407上，然而也可使用许多类型的锁定钩、杆和其它锁定结构来替代螺钉。图10A和10B示出了这种简单的自锁定或快扣插头18。美国专利申请12/236,656公开了用于光导的其它紧固和锁定装置，所有这些通过引用并入本文中。

图10A示出了光导耦合器－数据接收器120的组合的电路和光路图，光导耦合器－数据接收器120用于将信号转换为电信号以便经由住所自动控制器的双绞线网络128传播经转换的信号，所述住所自动控制器包括视频对讲机监视器、购物终端或专用控制器。通过AC或DC插座来操作和控制电器件要求识别给定电插座和所连接的电器件。在设计建筑物时以及在将电系统放置就位时均无法产生这种数据库，因为居住者四处移动器件并且随机地改变器件的电连接。另一方面，在每个电插座中安装电流传感器是成本非常高的，而且用住所或办公室或工厂的每个房间或区域中的不同器件的随机连接来更新自动化数据库也将会是非常复杂的。

由于上述原因，较便宜的做法是，安装具有多个光输入的光导耦合器－电流数据接收器，其与家庭自动系统的低压网络128联系以便将电流耗用和/或器件的状态传播到自动控制器，低压网络向电流数据接收器120供应电力以供其操作。图10A所示的电流数据接收器120包括光导耦合器121，其具有单个光接收器4和单个接入口141，用于提供光链路到单个光导10。然而，图10B和10C的电流数据接收器120U和120E的光导耦合器被示出具有四个输入接收器，其构造成类似于图8A的耦合器100。

电流数据接收器120的耦合器121包括电流数据处理器或CPU或DSP以及存储器122，用于处理所接收的数据并通过低压网络或通信线128传输器件的状态和/或电流耗用数据。CPU 122的存储器用于存储数据，所述数据识别了住所、办公室或车间的房间或区域以及器件或耗用电流的负载的详情或细节。识别数据可从光发射器500通过图10D所示的接入口141直接被装载到CPU，或者从家庭自动控制器经由低压通信线128被装载。替代地，这种数据可经由待审美国专利申请中所公开的数字旋转开关而被设置。

所示的低压网络128也携带电力到其连接的网络装置并且经由DC提取器125被连接到光导耦合器121，DC提取器125用于提取电力并将所提取的电力经由线路128P供给到光导耦合器121。美国专利待审申请中公开了提取电路125的细节。

图10B示出了美国标准电插座142、电暗线盒146和用于给电视机148供电的AC插头149。AC电流感测适配器140包括光导耦合器和电流状态发射器3，其构造成类似于图8A所示的耦合器，但是具有单个发射器。电流传感器可以是待审美国专利申请所公开的磁霍尔传感器或感生变压器或线圈，或者诸如图8A的101的耦合器电路的半导体结构。耦合器的发射器或LED 3经由图10B所示的接入口141被光学地链接。电路传感器适配器连续地延伸功率插座142至147，并且当电视机被打开时，电流感测适配器将会探测电流耗用并且将会点亮LED或者将会产生具有特定电流耗用信息的数据。

光导缆线10经由接入口141使用保持器18被附接到电流感测适配器，保持器18是快扣插头以将光导10锁定和紧固到接入口141。光导10的另一端经由上述保持器或紧固插头110通过收紧螺钉112而被附接到电流数据接收器120U的四个接入口之一。这完成了电流感测适配器140和电流数据接收器120U之间的光链路。

完全相同的情况也适用于图10C所示的欧洲标准电系统。所示的负载或器件是取暖器158，这种器件需要进一步数据的处理。例如，当取暖器158被打开并且已经到达预设温度时，恒温器将会切断电力并且系统将不会被供应电流，这可能是误导性的信息，因为当取暖器被打开时取暖器可能被识别为处于关闭状态。为此，每当通或断命令被传播到取暖器时，必须用通断命令来更新电流数据接收器。通过这种数据，系统将会识别无电流为恒温器活动的结果。

图10C中的另一处不同是电流状态接收器120E的四个接入口141，对于每个光导缆线10，所有四个接入口141均可通过作为保持器的快扣插头18附接。其它的不同均涉及标准欧洲壁插座152、电流传感器适配器150、AC插头159和电暗线盒156，所有这些均被示出为欧洲标准类型，而图10B的那些是美国标准类型。

从上面应当明白，本发明的光导耦合器可与电流感测和电流数据传播相结合地使用，并且为家庭、住所、办公室和工厂提供最经济的解决方案。光导耦合器可用于局域通信网络以便进行家庭自动控制，并且提供监视和控制不同电器件所需的低成本装置。

图10D所示的光发射器500类似于用于家庭自动系统的IR遥控器，并且被示出附接到光导适配器510以便供给光学数据，例如房间或区域地址或编码、识别详情（例如器件的类型，包括其电流耗用的详情）的数据。当电流感测适配器被安装且在其光导被附接到电流状态接收器120U或120E之前供给这种数据，提供给用户或安装者最简单的数据记录，其否则是基于专门技术的过程。

图11A的框图示出了光导耦合器－分布器130，即图10A所示的光导耦合器－电流数据接收器120的扩展电路。光导耦合器－分布器130包括四个光接入口，接入口141-1是用于经由光电二极管4接收数据的光输入，例如图10A所示的接入口141。接入口141-2是输出，用于经由所链接的光导10从光学对准的LED 3或发射器传播控制和命令。所示的接入口141-3和141-4是用于传输光信号的双向光接入口，每个经由接收器4和发射器3，具有通过各自接入口的直接双向链路。带有存储器的CPU 132类似于图10A的CPU和存储器电路122，并带有用于图11A所示的扩展光电元件（即三个接收器4及三个发射器3）的扩展I/O端口。

数据处理器或CPU或DSP 132通过DC提取器125连接到电通信网络128，用于与控制器（未示出）通信。DC提取器从通信网络提取DC并且经由电力线128P对CPU 132供电，与上面针对光导耦合器－电流数据接收器120所说明的相同。

从上面可以明白，经由接入口141-1的数据接收器输入可用于从图10B和10C所示的电流传感器适配器140或150接收电流数据。类似地，可以明白，器件的详情及其位置可经由图10D的发射器500被安装或装载到CPU 132的存储器中，或者直接被安装或装载到CPU 132的存储器中，或者经由网络128被安装或装载到CPU 132的存储器中。

光输出接入口141-2用于向包含了光导耦合器的器件供给命令和控制，该光导耦合器具有仅用于接收的接入口并且没有对所接收的命令的光数据响应。所示的接入口141-2的发射器3可以是在由输入接入口141-1或接入口141-3和141-4的接收器4接收的光命令信号上操作的发射器，或者是通过经由网络128传输的命令来操作的发射器。CPU 132被编程以解码所接收的光命令和控制信号并且经由I/O驱动器端口根据地址将所接收的信号再引导到各自LED 3，用于将命令中继或传输到其目的地。

接入口141-1和141-2可以在同一个器件包括了双向光导耦合器的情况下基于所安装的地址和详情经由两个单芯光导10互相地传输双向光信号，或者经由诸如所引用的美国申请公开的其它光学装置传输。

双向光接入口141-3和141-4被示出具有与接收器4和发射器3的直接光链路，并且可替代地包括透镜、棱镜和/或过滤器。双向接入口可光学地连接到器件或者经由例如USB适配器连接到诸如PC的通信装置，USB适配器包括双向光导耦合器，用于经由图11A的光导耦合器－分布器130与自动控制器（未示出）交换信息。

接入口141-3和141-4可被链接到诸如灯具160的不同的器件，灯具160例如包含了光导耦合器－SPDT CMOSFET或三端双向可控硅元件开关，类似于图7B所示的开关70+70R，其被连接到图11B所示的灯具或灯160的手动SPDT开关161。操作灯160的光导耦合器开关可包括调光器电路并且发光元件可以例如是高亮度LED或LED阵列并且其亮度控制可通过脉冲宽度和/或脉冲速率来增大或减小，脉冲宽度和/或脉冲速率由光导耦合器－分布器130的CPU 132或者由灯160的所包括的光导耦合器－开关来控制。

任何包括光导耦合器（其具有双向光链路，包括结构化或被连接的电流传感器）的器件可与双向接入口141-3或141-4光学地连接，例如图10B和10C的电视机148和取暖器158可通过光导耦合器－分布器130而被控制和操作并且在不使用电流传感器适配器140或150的情况下传播返回光电流耗用数据或状态信号。此外，这种器件的详情及器件的位置可被光发射器500在与上面针对电流数据接收器120所说明的相同或类似的过程中单独地装载或安装到接入口141-3和141-4中的每一个。

图12A-12F示出了机械SPDT开关组件，其联合地构造有SPDT光导耦合器单元210成为“光学－机械”功率开关290的组合。光学－机械开关290使用游历器端子或触点23和24（在图3A-3C中示作为插脚触点23和24）用于附接到机械开关30的插座端子中，从而也包括功率互连触点25和插座34。作为对比，触点23和24被构造到开关自身的游历器触点中，而AC通电和负载端子31和24被构造到光导耦合器封装的开关210中。

开关极31（负载）在包括端子33（负载）的结构中被附接到SPDT光导耦合器开关封装210，将封装210转变为组合开关的基座，所述组合开关包括将机械和远程操作的光导耦合器SPDT开关组件结合起来所需的所有电触点和端子。图12F所示的光学－机械开关290是细长结构的开关，类似于在上面说明的图3A-3C中示出且在图5C、6B和7B中详示的组合开关90。虽然没有示出，通过提供两个光导接入口21以便使用双光导10与SPDT光导耦合器封装210，如上所述，组合开关也包括图6A和7A所示的组合开关92和95。

图12A-12C示出了组合的光导耦合器SPDT开关组件200的三个剖面图，其摇臂组件在图12A中被示出停止于其底部位置，在图12B中处于其过渡状态（在其顶部和底部位置之间）并且在图12C中停止于其顶部位置。摇臂组件包括摇臂主体201、其中心枢转销202、活塞保持器和导引件203、包含螺旋弹簧的空心活塞205以及两个顶部和底部止动杆204，其用于将摇臂停止于其被停止的顶部和底部位置。

所示的摇臂机构和操作是公知结构，被许多制造商用于它们的各种摇臂开关。在所示结构中，活塞205被向内推入其保持器和导引件203中，当摇臂组件被从顶部到底部或从底部到顶部切换时在摇臂朝向跷跷板接触组件206的中心位置运动期间使螺旋弹簧收缩。当摇臂运动且活塞经过跷跷板接触件206的中心位置时，弹簧将会伸展并且释放其张力，将活塞推到跷跷板接触件206的相对侧上以扣住和接合另一个游历器触点。

接触组件206围绕图12D和12E所示的中心杆207枢转，其被紧紧地附接到端子31并且其被构造成通过组件206的U形部分206U的两个竖直臂来停止活塞从顶部到底部或者从底部到顶部的运动。摇臂主体201的中心枢转销202和中心杆207由被包括在组合开关组件290的外壳230内的保持器（未示出）支撑，使得摇臂主体201和跷跷板端子206分别围绕它们的中心销202和杆207摇动和进行跷跷板运动。

当摇臂主体201处于其顶部停止状态时，跷跷板接触组件206被示出与顶部游历器触点24接合。即使摇臂主体201处于图12B所示的其中间运动位置，跷跷板接触件被示出仍与顶部游历器触点24接合，从而保持端子31（负载）和游历器触点24之间的电接触，尽管弹簧和活塞205抵靠跷跷板顶侧接触件的全部力减弱。

在图12C中，当摇臂组件201被停止在其顶部位置时，跷跷板接触件206被示出翻转或转换成接合底侧游历器端子23，通过收缩弹簧和活塞205运动朝向止动臂206U的释放的力而被完全接合，将负载端子31连接到所转换的游历器端子23。

图12D示出了组合的开关组件的左侧290L以及通电AC或DC端子32和触点34，其被直接构造到光导耦合器开关封装组件210中。在光导接入口21中还示出了光导锁定舌22和锁定螺钉22S，其被构造到组合开关290的外壳230中。另一方面，图12E示出了组合开关的右侧290R。右侧包括负载端子31和触点33，用于将负载线连接到开关。图12E还示出了所组装的热沉241，可能需要使用热沉241以便消散来自SPDT光导耦合器开关封装210的热量。

光导耦合器开关封装210包括热沉表面213，用于附接图12A-12C、12E和12F所示的热沉241。需要各种热沉类型和尺寸以消散来自半导体开关的热量。热沉还被用作组合的光学－机械开关290的金属保持器，用于将开关组装到电箱（未示出）以及用于根据电规范连接地线或接地线。图12F中示出了这种接地连接242。

图12F是组合开关290的分解图，包括公知的前盖243和摇臂键杆244。在图12A-12F中，摇臂主体201被示出包括圆形切口45，用于容纳和锁定摇臂键杆244的后端处的销44。通过这一点可以明白，组合开关290（其包括被构造到光导耦合器半导体封装开关上的机械SPDT开关）可替代公知的功率开关并且可在没有危险且符合电规范和建筑规范的情况下被安装到电箱中，并且可经由组合的摇臂开关被手动地操作且经由住所自动或其它专用控制系统通过光导和/或光纤缆线使用光通信而被远程地操作。

图12A-12F所示的组合的摇臂光学－机械开关290仅仅是优选实施例的示例，然而也可替代地使用许多其它类型的开关，包括微开关、拨动开关、旋转开关、滑动开关、推动开关、拉动开关以及用于住所、办公室、商业机构、工厂和其它设施的任何其它功率开关，其所具有的端子可被附接到本发明的光导耦合的半导体开关封装、被插入本发明的光导耦合的半导体开关封装中和/或被构造到本发明的光导耦合的半导体开关封装上。

从上面的所有描述应当明白，存在许多不同的电路、连接、特征和应用，其可基于简单的、低成本的解决方案，用于使用本发明的半导体光导耦合器封装将器件与通信装置光学地连接。

当然应当理解的是，前面的公开内容仅仅涉及本发明的优选实施例并且所意图的是覆盖本文为了公开的目的而选择的本发明示例的所有变化和修改，所述修改不会成为对于本发明精神和范围的偏离。

Claims (32)

1.一种经由至少一个光缆将光信号耦合到封装半导体电路以便控制电器件的方法，所述至少一个光缆选自包括光导、光纤及其组合的组，所述封装半导体包括与至少一个光电元件光学对准的至少一个接入口和至少一个保持器，所述至少一个光电元件选自包括光电二极管、光生伏打电池、光电两端交流开关元件、光电半导体闸流管、光电三端双向可控硅元件、光电晶体管、光电MOSFET、LED、激光器及其组合的组，所述至少一个保持器选自包括内置保持器、可附接保持器及其组合的组，用于将所述光缆紧固到所述接入口：

所述电路选自包括驱动器、缓冲器、分布器、重发器、控制器、开关、电流传感器、电流数据处理器及其组合的组，所述方法包括步骤：

a. 通过选自包括切割、修剪、成形及其组合的组的过程来终止所述光缆端部；

b. 通过所述保持器将所述光缆的被终止的端部引入和紧固到所述接入口；并且

c.通过经由所述光缆传播所述光信号穿过所述接入口和所述元件并通过用所述电路传输所述信号而向所述器件中的至少一个提供所述控制，所述传播选自包括发射、接收及其组合的组。

2.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，至少两个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由所述接入口中的结构链接双向光信号，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，所述至少两个光电元件包括一个接收器和一个发射器。

3.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，至少三个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由所述接入口中的结构链接双向光信号，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌三光链路及其组合的组，所述至少三个光电元件选自包括一个接收器与两个发射器以及一个发射器与两个接收器的组合之一。

4.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，至少两个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由具有双芯的所述光缆和具有单芯的两个光缆之一链接双向光信号，所述至少两个光电元件包括一个接收器和一个发射器，并且其中，所述保持器和所述接入口被构造成包括如下的组合之一：所述保持器用于将所述双芯光缆紧固到具有两个光链路的双芯接入口、以及两个保持器用于将两个所述单芯光缆紧固到每个具有单个光链路的两个接入口。

5.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多个光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多个光电元件选自多个接收器和多个发射器之一，用于经由所述接入口链接多个接收光信号和多个发射光信号之一，并且其中，所述保持器将具有多芯的所述光缆紧固到所述接入口，具有多个光链路用于将所述元件的每一个与所述多芯的一个芯链接。

6.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多个光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多个光电元件选自多个接收器和多个发射器之一，用于经由多个接入口链接多个接收光信号和多个发射光信号之一，并且其中，多个保持器将多个所述光缆紧固到所述多个接入口，每个具有单个光链路。

7.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括一个接收器和一个发射器，用于经由所述接入口中的多个结构链接多个双向光信号，所述多个结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，其中，所述保持器将具有多芯的所述光缆紧固到所述接入口，具有光链路用于所述对的至少两对与所述多芯的至少两个芯。

8.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括一个接收器和一个发射器，用于经由多个接入口的每个接入口中的多个结构链接多个双向光信号，所述多个结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，并且其中，至少两个保持器将两个光缆紧固到所述多个接入口中的两个。

9.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括经由所述接入口和多个接入口之一对准的一个接收器和一个发射器，用于链接多个双向光信号，并且其中，选自以下的组合：所述保持器之一将具有多芯的一个所述光缆紧固到所述接入口、以及多个保持器将每个具有单芯的多个光缆紧固到所述多个接入口，用于将所述对中的至少两对与所述多芯的多个芯中的两对或者具有单芯的所述光缆中的四个链接。

10.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述电路是SPDT开关，用于经由两个游历器触点连接到手动和远程操作机械SPDT开关之一。

11.如权利要求10所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述机械SPDT开关和所述封装半导体至少经由所述两个游历器触点结合。

12.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述电路是SPDT开关，并且所述封装半导体被构造成光学－机械开关的一部分，其中，所述SPDT开关的两个游历器触点形成所述光学－机械开关的机械游历器触点，并且所述SPDT开关的公共端子和所述光学－机械开关的机械极的端子提供电力线和负载连接。

13.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述电路是电流传感器，用于感测负载的电流耗用并产生传感器信号，并且其中，所述元件是至少一个发射器，用于输出与所述传感器信号相称的光信号。

14.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述封装半导体包括用于接收光信号的接收器，所述光信号包括负载的电流耗用数据，并且所述电路是数据处理器，用于将所接收的电流耗用数据转换为电信号，以便经由有线网络传播。

15.如权利要求14所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，所述用于接收电流耗用数据的接收器从光发射器接收光信号，用于将所述负载的识别数据安装到所述处理器中包括的存储器中，并且其中，所述处理器将所述识别数据的至少一部分附接到经由所述有线网络传播的所述电流耗用的所述数据。

16.如权利要求1所述的将光信号耦合到封装半导体电路的方法，其中，多个光电元件和多个接入口被包括在所述封装半导体中，所述多个接入口用于经由所述多个接入口的每一个中的结构分布多个光信号，所述多个光信号选自包括接收、发射、双向及其组合的组，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌单个光链路、内嵌双向光链路及其组合的组，并且其中，多个保持器将多个光缆紧固到所述多个接入口。

17.一种封装半导体电路，包括与至少一个光电元件对准的至少一个光接入口和至少一个保持器，所述至少一个光电元件选自包括光电二极管、光生伏打电池、光电两端交流开关元件、光电半导体闸流管、光电三端双向可控硅元件、光电晶体管、光电MOSFET、LED、激光器及其组合的组，所述至少一个保持器选自包括内置保持器、可附接保持器及其组合的组，用于将至少一个光缆的端部紧固到所述接入口，所述至少一个光缆选自包括光导、光纤及其组合的组；

所述电路选自包括驱动器、缓冲器、分布器、重发器、控制器、开关、电流传感器、电流数据处理器及其组合的组，所述电路经由触点被电连接，所述触点选自包括插脚、软焊插脚、表面安装触点、表面安装端子、插头、插座、柱、刀、接线盒、螺纹端子、压褶端子、快上端子、软焊端子、软焊触点及其组合的组；并且

所述封装半导体，所述保持器和所述接入口被构造成紧固所述光缆的端部并通过所述光电元件将其与所述电路光学地链接，所述光缆的端部通过选自包括切割、修剪、成形及其组合的组的过程而被终止。

18.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，至少两个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由所述接入口中的结构链接双向光信号，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，所述至少两个光电元件包括一个接收器和一个发射器。

19.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，至少三个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由所述接入口中的结构链接双向光信号，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌三光链路及其组合的组，所述至少三个光电元件选自包括一个接收器与两个发射器以及一个发射器与两个接收器的组合之一。

20.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，至少两个光电元件被包括在所述封装半导体中，用于经由具有双芯的所述光缆和两个光缆之一链接双向光信号，所述至少两个光电元件包括一个接收器和一个发射器，并且其中，所述保持器和所述接入口被构造成包括如下的组合之一：所述保持器用于将具有双芯的所述光缆紧固到具有两个光链路的双芯接入口、以及两个保持器用于将所述两个光缆紧固到每个具有单个光链路的两个接入口。

21.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多个光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多个光电元件选自多个接收器和多个发射器之一，用于经由所述接入口链接多个单向光信号，并且其中，所述保持器将具有多芯的所述光缆紧固到所述接入口，具有多个链路用于将所述光电元件的每一个与所述多芯的一个芯链接。

22.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多个光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多个光电元件选自多个接收器和多个发射器之一，用于经由多个接入口链接多个单向光信号，并且其中，多个保持器将多个光缆紧固到所述多个接入口，用于将所述光电元件的每一个与一个所述光缆链接。

23.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括一个接收器和一个发射器，用于经由所述接入口中的多个结构链接多个双向光信号，所述多个结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，其中，所述保持器将具有多芯的所述光缆紧固到所述接入口，用于将每个所述对与所述多芯的一个芯光学地链接。

24.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括一个接收器和一个发射器，用于经由多个接入口链接多个双向光信号，每个经由所述多个接入口的每一个中的结构，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌双向光链路及其组合的组，并且其中，多个保持器将多个光缆紧固到所述多个接入口，用于将每个所述对与所述光缆中的一个光学地链接。

25.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多对光电元件被包括在所述封装半导体中，所述多对光电元件的每一对包括经由单个所述接入口和多个接入口之一对准的所述一个接收器和所述一个发射器，用于链接多个双向光信号，并且其中，所述保持器之一将具有多芯的所述光缆之一紧固到所述单个接入口、以及多个保持器将具有单芯的多个光缆紧固到所述多个接入口，用于将所述对中的至少两对与所述多芯的多个芯中的两对或者具有单芯的所述光缆中的四个链接。

26.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，所述电路是SPDT开关，用于经由两个游历器触点连接到手动和远程操作SPDT机械开关之一。

27.如权利要求26所述的封装半导体电路，其中，所述机械SPDT开关和所述封装半导体至少经由所述两个游历器触点结合。

28.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，所述电路是SPDT开关，并且所述封装半导体被构造成光学－机械开关的一部分，其中，所述SPDT开关的两个游历器触点形成所述光学－机械开关的机械游历器触点，并且其中，所述SPDT开关的公共端子和所述光学－机械开关的机械极的端子提供电力线和负载连接。

29.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，所述电路是电流传感器，用于感测负载的电流耗用并产生传感器信号，并且其中，所述光电元件是至少一个发射器，用于输出与所述传感器信号相称的光信号。

30.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，所述封装半导体包括用于接收光信号的接收器，所述光信号包括负载的电流耗用数据，并且所述电路是数据处理器，用于将所接收的电流耗用数据转换为电信号，以便经由有线网络传播。

31.如权利要求30所述的封装半导体电路，其中，所述用于接收电流耗用数据的接收器从光发射器接收光信号，用于将所述负载的识别数据安装到所述处理器中包括的存储器中，并且其中，所述处理器将所述识别数据的至少一部分附接到经由所述有线网络传播的所述电流耗用的所述数据。

32.如权利要求17所述的封装半导体电路，其中，多个光电元件和多个接入口被包括在所述封装半导体中，所述多个接入口用于经由所述多个接入口的每一个中的结构分布多个光信号，所述多个光信号选自包括接收、发射、双向及其组合的组，所述结构选自包括棱镜、透镜、过滤器、单向透视玻璃、内嵌单个光链路、内嵌双向光链路及其组合的组，并且其中，多个保持器将多个光缆紧固到所述多个接入口。

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