CN114488433A - 一种单光纤高速全双工数据传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述高速全双工数据传输装置包括光电混合缆以及设置于所述光电混合缆两端的收发模块，所述收发模块包括有基板以及设置于所述基板上的驱动芯片和光收发芯片，所述驱动芯片与所述光收发芯片相连，所述驱动芯片用于依据接收到的高速信号控制所述光收发芯片将所述高速信号转换为调制光信号，其中，位于所述光电混合缆两端的所述收发模块间互传的所述调制光信号的光路共用。本发明所制备的单光纤高速全双工数据传输装置通过位于光电混合缆两端的收发模块间互传的调制光信号的光路共用，从而实现了光信号在单光纤里面的全双工模式，进而实现了整个数据传输装置的全双工通信。

Description

一种单光纤高速全双工数据传输装置
技术领域
本发明涉及数据传输领域，具体涉及一种单光纤高速全双工数据传输装置。
背景技术
数据传输是指数据按照一定的协议，通过指定链路，将数据从发送端传输至接收端，从而实现设备之间的信息交换。而随着信息技术的发展，设备之间对于数据传输的要求越来越高，比如，USB(Universal Serial Bus)4接口技术规范，USB其中文为通用串行总线，是一个外部总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛应用于个人计算机和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视、游戏机等其它相关领域，USB属于全双工通信，每个通道有两个差分对，一个用于发射数据，一个用于接收数据，USB4协议规范要求单通道传输速率高达20Gbps，在双通道模式下，总的传输速率即为20Gbps*2。USB4可支持超高速率的数据传输，可连接一个刷新率为60Hz、色深30bit的5K高清显示器，也可连接两个刷新率为60Hz、色深30bit的4K高清显示器，基于以上数据传输或设备互联的要求，需要在实现全双工通信的基础上，将单向传输速率提升至20Gbps或更高。
现有单光纤都是单向传输作用，如果希望复用，则需使用波分复用技术。对于单光纤单向传输，若需要多路信号就需要多根光纤，成本高；如果使用波分复用技术，则需要增加波分复用模块，成本更高。
因此，现有技术还有待于进步和发展。
发明内容
本发明针对上述技术存在的问题，提供一种单光纤高速全双工数据传输装置，旨在解决现在的全双工通信需要更高的单向传输速率的技术问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种单光纤高速全双工数据传输装置，其中，包括光电混合缆以及设置于所述光电混合缆两端的收发模块，所述收发模块包括有基板以及设置于所述基板上的驱动芯片和光收发芯片，所述驱动芯片与所述光收发芯片相连，所述驱动芯片用于依据接收到的高速信号控制所述光收发芯片将所述高速信号转换为调制光信号，其中，位于所述光电混合缆两端的所述收发模块间互传的所述调制光信号的光路共用。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述收发模块还包括有透镜模组，所述透镜模组固定于所述基板上，所述透镜模组用于对所述调制光信号进行耦合。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述光电混合缆包括有保护层以及位于所述保护层内的光纤、控制信号线及电源线，所述光纤用于传输所述调制光信号，所述控制信号线用于传输控制信号，所述电源线用于传输电能量。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述收发模块还包括有引脚阵列，所述引脚阵列位于所述基板，所述光电混合电缆内的所述控制信号线及电源线与引脚阵列相连。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述基板上设置有光纤载体，所述光纤载体固定于所述基板靠近所述引脚阵列的一侧，所述光纤载体用于固定所述光纤。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述收发模块还包括有用于接收高速信号的连接器，所述连接器与所述基板相连。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述基板上设置有信号线，所述信号线用于将所述连接器接收到的高速信号传输至所述驱动芯片。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述光收发芯片包括有激光器和探测器，所述激光器包括激光器出光面和激光器引脚，所述探测器包括有探测器接收面和探测器引脚，其中，所述激光器出光面和所述探测器接收面为同心封装。需要说明的是，激光器和探测器为两种不同的器件，在本发明里面，是将激光器和探测器在同一个器件里面集成。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述激光器出光面和所述探测器接收面同时与所述透镜模组对准。具体地，在本发明中，同一透镜，在与激光器出光面对准的同时，也与探测器接收面对准。
由于，激光器和探测器在同一个器件里面集成，同一器件里面的激光器发射出来的光，通过透镜模组耦合进光纤，并通过光纤传输至光纤另一端的收发模块内；同时，光纤接收到的从另外一端传输过来的光，也通过前述透镜模组耦合进入前述同一器件的探测器里。
所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其中，所述驱动芯片和所述光收发芯片的信号传输速率大于或等于20Gbps。
有益效果：本发明所制备的单光纤高速全双工数据传输装置，通过位于光电混合缆两端的收发模块间互传的调制光信号的光路共用，从而实现了光信号的全双工模式，进而实现了整个数据传输装置的全双工通信。
附图说明
图1为本发明中一种单光纤全双工数据传输装置的结构示意图；
图2为本发明中收发模块的结构示意图；
图3为本发明中光电混合缆的结构示意图；
图4为本发明中收发模块的另一结构示意图；
图5为本发明中的驱动芯片和光收发芯片的结构示意图；
图6为本发明中收发模块的另一结构示意图；
图7为本发明中数据传输的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
以下将通过本发明的实施例来阐释本发明。然而，该实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何环境、应用程式或方式方能实施。因此，以下实施例的说明仅在于阐释本发明，而非用以限制本发明。在以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示，且绘示于附图中的各元件之间的尺寸关系仅为便于理解，而非用以限制为实际的实施比例。
全双工(Full Duplex)是通讯传输的一个术语，指的通信允许数据在两个方向上同时传输，在能力上相当于两个单工通信方式的结合。
波分复用(Wavelength Division Multiplexing),简称WDM，是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术，在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号，这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
本发明中，通过采用非波分复用的方式，通过一根光纤实现高速全双工数据的传输，具体地，请参考图1，图1为本发明一种单光纤高速全双工数据传输装置的结构示意图，本发明所制备的单光纤高速全双工数据传输装置包括有光电混合缆1以及设置于光电混合缆1两端的收发模块，即图1中的左收发模块2和右收发模块3，本发明中，在信号从左收发模块2向右收发模块3进行传输时，可实现信号从右收发模块3向左收发模块2的同步传输。
请继续参考图2，图2为本发明的收发模块的结构示意图，由于左收发模块2与右收发模块3为具有相同内部结构的模块，此处以左收发模块2为例进行说明，如图2所示，左收发模块2包括有基板21以及设置于基板21上的驱动芯片210和光收发芯片211，驱动芯片210与光收发芯片211相连，驱动芯片210用于依据接收到的高速信号控制光收发芯片211将高速信号转换为调制光信号。其中，高速信号为多条时序和频率要求较高的信号，高速信号可理解为是传输速率较高的数字信号。
在本发明中，左收发模块2可根据接收到的外部设备的高速信号通过光收发芯片211将高速信号转换为调制光信号，进一步地，通过光电混合缆1将转换得到的调制光信号传输至右收发模块3，实现高速信号从左收发模块2到右收发模块3的传递，同时，右收发模块3可接收外部设备的高速信号并将其转换为对应的调制光信号，随后，将转换得到的调制光信号传递到左收发模块2，从而同步实现高速信号从左收发模块2到右收发模块3的传递，以及高速信号从右收发模块3到左收发模块2的传递。
进一步地，在本发明中，位于光电混合缆1两端的左收发模块2和右收发模块3间互传的调制光信号的光路共用。本发明通过将左收发模块2和右收发模块3间互传的调制光信号的光路进行共用，采用非波分复用的方式实现了光信号的全双工模式。
进一步地，在本发明中，如图3所示，光电混合缆1包括有保护层11以及位于保护层11内的光纤12、控制信号线13及电源线14，其中，保护层11位于最外层，用于对内部的光纤12、控制信号线13以及电源线14进行保护，位于保护层11内的光纤12用于传输调制光信号，控制信号线13用于传输控制信号，电源线14则用于传输电能量。本发明中采用光纤传输高速信号，能够有效地缩减光电混合缆的直径和重量，有利于单光纤高速全双工数据传输装置的制备。
请继续参考图4，图4为本发明的收发模块的另一结构示意图，仍以左收发模块2为例，在本发明中左收发模块2还包括有透镜模组22，透镜模组22固定于基板21上，透镜模组22用于对光收发芯片211转换后的调制光信号进行耦合，经过耦合后的调制光信号通过光电混合缆1传输至右收发模块3，而右收发模块3内部的透镜模组可对接收到的调制光信号做进一步耦合，经过再次耦合的调制光信号被右收发模块3内的光收发芯片接收，即实现了一次高速信号从左收发模块2到右收发模块3的传递的过程。需要说明的是，光耦合是光电子学领域中利用光波将两个器件连接起来传输光信号的一种方法，在实际应用中，光耦合可以是使用耦合器件在两根光缆之间进行简单的连接，也可以是通过光学器件将两个独立光波连接起来的复杂系统，他们相互依赖或互相反应，从更广的意义上说，光耦合可以指在两个或多个设备之间使用光波实现任何连接。
进一步地，图5为本发明中位于收发模块内的驱动芯片和光收发芯片的结构示意图，需要注意的是，在图5中驱动芯片210是与两个光收发芯片211相连，在实际的应用中，驱动芯片210上可连接若干个光收发芯片211，可视具体情况对光收发芯片211的数量进行调整，本发明中并不对驱动芯片210上的光收发芯片211的数量进行限定，图5中示出的光收发芯片211为两个并不对光收发芯片的数量进行限定说明。
仍以左收发模块2为例，位于左收发模块2内的驱动芯片210和光收发芯片211相连，根据协议，驱动芯片210可以同时控制光收发芯片211的光发射和光接收，光收发芯片211是一种特殊封装的芯片，其上集成有激光器2110和探测器2111，激光器2110是将电信号转换为光信号，探测器2111是将光信号转换为电信号，激光器2110由激光器出光面21101和激光器引脚21102构成，探测器2111由探测器接收面21111和探测器引脚21112构成，其中，激光器出光面21101和探测器接收面21111为同心封装，且两者同时与透镜模组22进行对准，实现光路的共用。需说明的是，在本发明中，驱动芯片210是通过激光器引脚21102和探测器引脚21112连接光收发芯片211，来实现高速信号的控制。
在本发明中，优选地，将激光器2110和探测器2111在同一个器件里面集成，其中，激光器出光面21101和探测器接收面21111同时与透镜模组22对准。具体地，在本发明中，同一透镜，在与激光器出光面对准的同时，也与探测器接收面对准。同时，激光器和探测器在同一个器件里面集成，同一器件里面的激光器发射出来的光，通过透镜模组耦合进光纤，并通过光纤传输至光纤另一端的收发模块内；而光纤另外一端传输过来的光，也通过前述透镜模组耦合进入前述同一器件的探测器里。此外，在本发明中，驱动芯片210和光接收芯片211均支持高速信号传输，其速率大于或等于20Gbps。若光收发芯片的数量为单个，则单向传输速率为20Gbps或者更高，若光收发芯片的数量为两个，则单向传输速率为20Gbps*2或者更高，很明显，只要整个数据传输装置内的元件和芯片能够支持速率设计，可以设计N个传输链路，若单个传输链路的传输速率为M，则整个传输装置的单向传输速率即为M*N，因此，可根据实际情况进行扩展设计，此处不再进行详述。
进一步地，如图6所示，图6为本发明中收发模块的另一结构示意图，仍以左收发模块2为例，在本发明中，左收发模块2还包括有引脚阵列23，引脚阵列23位于基板21上，光电混合电缆1内的控制信号线13和电源线14分别与引脚阵列23相连。需说明的是，在本发明中，还可采用其他方式将光电混合电缆内的控制信号线13和电源线14与收发模块相连，并不仅限制于采用引脚阵列一种。
进一步地，如图6所示，在本发明中，左收发模块2还包括用于接收高速信号的连接器24，连接器24与基板21相连，在本发明中，通过在基板21上靠近引脚阵列23的一侧设置光纤载体25，光纤载体25可将光电混合电缆1内的光纤12固定于基板21上。而光收发芯片211和光纤12的连接光路，则是通过透镜模组22来实现，光收发芯片211发出的调制光信号经过激光器出光面21101射出，经透镜模组22耦合后进入光纤12，来自光纤12的调制光信号，经透镜模组22耦合后，进入探测器接收面21111。
需要说明的是，本发明中，光纤12为可支持高速调制光信号的传输，由于光纤载体25与透镜模组22为对准固定，同时，激光器出光面21101和探测器接收面21111分别与透镜模组22对准，能够实现左收发模块2和右收发模块3间互传的调制光信号的光路共用。
更进一步地，在本发明中，在基板21上还设置有信号线，信号线即为在电气控制电路中用于传递传感信息与控制信息的线路，信号线往往以多条电缆线构成一束或多束传输线，也可以是排列在印制板电路中的印制线，随着科技与应用的不断发展，信号线已由金属载体发展为其他载体，如光缆等，在本发明中信号线用于将连接器24接收到的高速信号传输至驱动芯片210，本发明中并不对信号线的类型做进一步的详细说明，凡能实现将连接器24接收到的高速信号传输至驱动芯片210即可。
图7为本发明中数据传输的示意图，由于左收发模块与右收发模块相对于光电混合缆为对称分布，因此，在图7中，位于光电混合缆左侧的左收发模块内的相关结构以上述的数字进行对应标识，而位于光电混合缆右侧的右收发模块内的相关结构则不另外进行数字标识，仅以左收发模块内的相关结构的对应标识为基础，在其后用-1与左收发模块内的相关结构进行区分。
本发明中采用的全双工通信方式，两个方向上的数据传输原理一致，以数据从左端传输至右端为例，当左连接器和右连接器分别连接到两个外部设备上，进入左连接器的高速信号，此时为高速电信号，通过左基板上的信号线可传输至左基板上的左驱动芯片，左驱动芯片控制左光收发芯片，将高速电信号转换为调制光信号，在此转换过程中，调制光信号与高速电信号保持一致，而调制光信号经左透镜模组进入光电混合缆内，通过光电混合缆内的光纤传输至右透镜模组，其后，经右透镜模组耦合进入右光收发芯片内，右光收发芯片则将调制光信号转换为高速电信号，由右驱动芯片经右基板传输至右连接器，从而实现数据的高速传输。需要说明的是高速电信号的传输需满足连接器接口的协议规范，通过控制光电混合缆内的控制信号线进行控制实现，另外，连接器连接的两外部设备之间可能需要能量传输，可通过光电混合缆内的电源线提供能量来实现。
同理，在本发明中，以数据从右端传输至左端为例，当左连接器和右连接器分别连接到两个外部设备上时，进入右连接器的高速信号，此时为高速电信号，通过右基板上的信号线可传输至右基板上的右驱动芯片，右驱动芯片控制右光收发芯片，将高速电信号转换为调制光信号，在此转换过程中，调制光信号与高速电信号保持一致，而调制光信号经右透镜模组进入光电混合缆内，通过光电混合缆内的光纤传输至左透镜模组，其后，经左透镜模组耦合进入左光收发芯片内，左光收发芯片则将调制光信号转换为高速电信号，由左驱动芯片经左基板传输至右连接器，从而实现数据的高速传输。
根据上述分析，在本发明中，驱动芯片210和光接收芯片211均支持高速信号传输，其速率大于或等于20Gbps，当光收发芯片的数量为单个时，单向传输速率为20Gbps或者更高，很明显，只要整个数据传输装置内的元件和芯片能够支持速率设计，可以设计N个传输链路，若单个传输链路的传输速率为M，则整个传输装置的单向传输速率即为M*N，当光收发芯片的数量为N个时，则单向传输速率为20Gbps*N或者更高。因此，本发明所制备的高速全双工数据传输装置可连接一个刷新率为60Hz、色深30bit的5K高清显示器，也可连接两个刷新率为60Hz、色深30bit的4K高清显示器，基于以上数据传输或设备互联的要求，在实现全双工通信的基础上，可将单向传输速率提升至20Gbps或更高。
综上所述，在本发明中，位于光电混合缆左侧的左收发模块可根据接收到的外部设备的高速信号通过光收发芯片将高速信号转换为调制光信号，进一步地，通过光电混合缆可将转换得到的调制光信号传输至位于光电混合缆右侧的右收发模块，实现高速信号从左收发模块到右收发模块的传递，同时，右收发模块可接收外部设备的高速信号并将其转换为对应的调制光信号，随后，将转换得到的调制光信号传递到左收发模块，从而同步实现高速信号从左收发模块到右收发模块的传递，以及高速信号从右收发模块到左收发模块的传递。且在本发明中，位于光电混合缆两端的左收发模块和右收发模块间互传的调制光信号的光路共用，本发明通过将左收发模块和右收发模块间互传的调制光信号的光路进行共用，采用非波分复用的方式实现了光信号的全双工模式。
此外，在本发明中，采用光纤传输高速信号，能够有效缩减光电混合缆的直径和重量，在实际的制备过程中，使得最终所制备得到的高速全双工数据传输装置的重量和体积得以优化。
惟上述实施例仅为示例性说明本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，因此，任何熟悉此技艺的人士可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，包括光电混合缆以及设置于所述光电混合缆两端的收发模块，所述收发模块包括有基板以及设置于所述基板上的驱动芯片和光收发芯片，所述驱动芯片与所述光收发芯片相连，所述驱动芯片用于依据接收到的高速信号控制所述光收发芯片将所述高速信号转换为调制光信号，其中，位于所述光电混合缆两端的所述收发模块间互传的所述调制光信号的光路共用。
2.根据权利要求1所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述收发模块还包括有透镜模组，所述透镜模组固定于所述基板上，所述透镜模组用于对所述调制光信号进行耦合。
3.根据权利要求2所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述光电混合缆包括有保护层以及位于所述保护层内的光纤、控制信号线及电源线，所述光纤用于传输所述调制光信号，所述控制信号线用于传输控制信号，所述电源线用于传输电能量。
4.根据权利要求3所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述收发模块还包括有引脚阵列，所述引脚阵列位于所述基板，所述光电混合电缆内的所述控制信号线及电源线与引脚阵列相连。
5.根据权利要求4所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述基板上设置有光纤载体，所述光纤载体固定于所述基板靠近所述引脚阵列的一侧，所述光纤载体用于固定所述光纤。
6.根据权利要求5所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述收发模块还包括有用于接收高速信号的连接器，所述连接器与所述基板相连。
7.根据权利要求6所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述基板上设置有信号线，所述信号线用于将所述连接器接收到的高速信号传输至所述驱动芯片。
8.根据权利要求7所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述光收发芯片包括有激光器和探测器，所述激光器包括激光器出光面和激光器引脚，所述探测器包括有探测器接收面和探测器引脚，其中，所述激光器出光面和所述探测器接收面为同心封装。
9.根据权利要求8所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述激光器出光面和所述探测器接收面同时与所述透镜模组对准。
10.根据权利要求9所述的单光纤高速全双工数据传输装置，其特征在于，所述驱动芯片和所述光收发芯片的信号传输速率大于或等于20Gbps。
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