CN1618189A - 在数据设备之间实现通信的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在数据系统之间通过光接口进行数据通信的方法和系统。多元件光子组件(或光学组件)(11，74，90)和至少一根光纤(77)相耦合以形成光数据接口，从而使设备如CPU(75)和显示单元(72)之间能够通过该光接口进行数据通信。这样，光子组件(11，74)提供了适用于数据通信的高度集成的、灵活的高带宽通信组件。多单元引线框架(15)上至少设置了一个光子或光电数据元件(16)。光子元件(16)和多单元引线框架架(15)随后用封装体(10)重叠模制以形成集成的多光器件组件。光源(16)可以配置为多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或检测器。光源(16)可与多根光纤耦合以形成光纤接口。多个光学元件(16)可以配置形成检测器阵列。

Description

在数据设备之间实现通信的方法、系统和装置
技术领域
本发明总体上涉及用于在数据通信设备之间进行光数据通信的方法和系统。本发明还涉及用于在数据通信设备，如服务器和客户机之间、处理器和显示单元之间和/或数据提供者与多个用户之间进行光数据通信的方法和系统。本发明还涉及需要大量带宽以供甚高分辨率显示器利用的数据通信。本发明还涉及高带宽通信系统及其方法，所述系统和方法将光源、如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或检测器用于数据传输。总的来说，本发明还涉及在一个组件内封装多个元件的方法和系统。
发明背景
正在开发这样的通信系统，其中光波导、如光纤用作传输信息的调制光波的导体。这些光纤可用于远距离通信网、光纤到家用网络、广域网或局域网。
这种通信网通常包括在光波导和检测器或光发射器之间的一个或多个连接器。检测器将光波信号转换成电信号，这些电信号随后可由常规电子设备、如计算机使用。另一方面，光发射器执行相反的功能。它将电信号转换成光信号。光发射器或检测器的通用术语是“光电转换器”。
光传输系统具有三个通用元件：光源、传输媒体和检测器。光传输系统的光源通常为发光二极管(LED)或激光(半导体激光明显比LED具有优势，包括较高的数据率和较长距离的传输能力)。通常，光源的光脉冲表示一个比特，而无光则表示零比特。传输媒体通常是超细光纤。检测器在光落于其上时生成电脉冲。
为了满足高速数字数据通信的需求，低成本、高性能、高集成的光纤接口电路正日益变成必需。例如，随着千兆比特以太网系统的出现，光纤技术已日益成为优选技术。光纤传输线最好将VCSEL二极管用作光源，以传输光数据。与边缘发射激光器相反，VCSEL具有与外延增长方向垂直的垂直光学腔表面。边缘发射激光器发射的光束是高度发散的，使其不适用于高速数字数据通信应用。VCSEL通常发射圆形对称的高斯光束，这种光束有助于高效耦合到光纤中。
垂直腔表面发射激光器具有优于常规边缘发射激光器的许多性能和可生产性优点。这些包括许多涉及其几何特性的许多优点，例如易制成一维或二维阵列、具有晶片级条件(wafer-level qulaification)以及理想的光束特性(通常为对称圆形低发散光束)。
VCSEL通常具有带整块或一个或多个量子阱层的激活区。在激活区的对边是镜面栈，镜面栈通常由交织的半导体层形成，所述半导体层的特点是，每一层通常为感兴趣波长(在媒体中的)的四分之一波长厚，由此形成激光腔的镜面。激活区的对边是反导电型区域，一般通过改变流经激活区的电流来开启或关闭激光。
高增益、高性能的VCSEL已得到证明并投入了商用。例如，顶面发射的基于铝砷化镓(AIGaAs)的VCSEL可以类似于半导体集成电路的方式生产，并容易进行低成本高容量制造以及与现有电子技术平台集成。而且，利用可购得的未经修改的标准金属有机气相外延(MOVPE)室和具有很高器件增益的分子束外延(MBE)，已证明了VCSEL一致性和可复制性。
在高速(如千兆比特/秒)中距离(如长达约1000米)单或多信道数据链路应用和许多光学和/或成像应用中，VCSEL具有性能和成本优势。这是因为其固有的几何结构，这种几何结构可能提供具有灵活和理想的特性的低成本高性能发射机。实际尺寸的多数VCSEL本质上是多模(横模)的。最低阶的单模VCSEL有助于耦合到单模光纤中，对自由空间和/或波长敏感系统有利，甚至可有利地用于扩展标准带宽长度多模光纤产品。
由计算机中央处理单元(CPU)(即处理器)到计算机监视器(即显示单元)的数据通信通常需要大量带宽，一般约为1千兆字节，对于甚高分辨率显示器，则需要更大带宽。完成此项任务所用的电缆通常非常笨重庞大，实施起来非常昂贵。配置系统以包括这种笨重难用的电缆的成本常常高于通过实施电缆通信系统所获得的利益。具体地说，在确定是否实施这种系统、尤其是其中采用了敏感电子元件的系统方面，电磁辐射问题起着重要作用。基于以上论述，本发明人断定这些问题可以通过设计和实现一种基于新型VCSEL组件方案的独特通信系统来予以解决。本说明书公开这种组件方案，包括其方法和系统。
发明概述
提供如下对本发明的概述，以有助于理解本发明所独有的一些创新特征，但此概述并非完整说明。可通过整体理解说明书、权利要求书和摘要而全面理解本发明的各个方面。
因此，本发明的一个方面是提供用于光数据通信的改进的方法和系统。
本发明的另一方面是提供用于服务器和客户机、处理器和显示单元和/或数据提供者和多个数据用户之间的光数据通信的改进的方法和系统。
本发明的又一方面是提供适应高带宽光通信的多光学元件组件方案。
本发明的又一方面是将用于耦合的多元件光学组件与至少一根光纤集成，以形成允许在数据系统之间传送数据的通信接口。
本发明的另一方面是提供一种光接口，这种光接口是通过将至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或至少一个检测器芯片集成以形成光通信阵列而实现的。本发明的又一方面是通过将VCSEL和检测器集成到一个光学组件中形成的接口来实现双向通信。
上述及其它方面以如下所述方式实现。本文公开了通过光纤接口在例如显示单元和处理器之间进行数据通信的方法和系统。可以将光源和至少一根光纤耦合形成光纤接口，从而允许在处理器和任何显示单元之间通过该光纤接口进行数据通信。这样创建的光纤接口可以提供高度集成的、灵活的高带宽通信组件，适合于显示数据通信。光源通常安装在多单元引线框架上。光源和多单元引线框架随后可以用塑料封装以形成光纤接口。光源可以配置为一个以上的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或检测器。光源可与多根光纤耦合以形成光纤接口。可以将多根光纤配置形成检测器阵列。此外，所用的光纤可以是带状塑料光纤。显示单元本身可以是至少一个监视器或显示屏，如数字电视屏，而处理器可以是CPU。
这样，本发明公开了可用于实施一种组件方案的方法和系统，该组件方案利用灵活轻巧且具有很高带宽的塑料光纤来提供高带宽通信系统。组件是通过将光源、如一个以上的VCSEL及一个适合于高带宽数据传输的检测器阵列集成而实现的。VCEL或检测器芯片可以安装在多单元引线框架上，并可用塑料封装以形成光纤接口。因为纤心直径可选为约500微米到1毫米，故对准容限通常为最小。
附图简述
附图包含到本说明书中构成其一部分，以进一步说明本发明，并结合本发明的详细说明用于说明本发明原理，附图中系统的标号指示各独立视图中完全相同或功能相似的单元。
图1显示了可与例如多根光纤接口的光源和/或检测器组件，该组件可以根据本发明的优选实施例来实现；
图2显示了用于数据通信的系统的框图，该系统可以根据本发明的优选实施例来实现；
图3显示了根据本发明的优选实施例的媒体系统配置的框图；
图4显示了根据本发明优选实施例的具有光纤接口的光学元件组件，该光纤接口具有边缘、槽口和/或孔，以便与其它元件或光纤对准；
图5显示了根据本发明的优选实施例的TX/RX配置的框图；以及
图6显示了概括说明通道配置示例的框图，该通道配置可根据本发明的优选实施例来实现。
本发明的详细说明
这些非限制性示例中讨论的特定值和配置可加以变化，引用这些值和配置仅用于说明本发明的实施例，而不是用于限制本发明。
图1显示了根据本发明优选实施例实现的光学元件组件和/或接口11。光接口11包括封装体10，它重叠模制(overmold)在一个或多个电光元件(如激光源或光检测器)12、14、16、18和21上方，这些元件可以配置为VCSEL或光电检测器的组合。封装体10中还包括多根信号线22、26、30、34和38，可以将这些信号线每根均配置成包括专用地。例如，一个VCSEL通常需要至阳极的一条连接以及至阴极的另一条连接。因此，如图1所示，信号线22、26、30、34和38分别与地51、54、58、62和66相关联。所属领域的技术人员应理解，在公共地的相关信号干扰在公用封装、如封装体10内不构成问题的应用中，单一公共地可以取代地51-66。连接器(bond)可以将各光源连接到特定信号线上。因此，光源12可以通过连接器42连接到信号线22。光源14通常通过连接器44连接到信号线26。光源16通常通过连接器46连接到信号线30，而光源18可以通过连接器48连接到信号线34。最后，光源21可以通过连接器50连接到信号线38。
虽然图1显示了见于封装体10内的5个电光元件12、14、16、18和21，所属领域的技术人员可以理解，根据本发明的替代实施例，可以实现少于或多于5个的所述元件。图1所示的5个元件仅用于说明。这种元件(如VCSEL、光电检测器等)的数量不是本发明的限制性特征。类似的布置适用于可根据本发明实现的信号线的数量。图1中显示了10条信号线22，26，30，34，38，51，54，58，62和66。但是，根据本发明可以实现少于或多于10条的这种信号线。10条信号线仅用于说明目的。
这样，图1显示了一种组件方案，这种组件方案中各光学元件、如VCSEL或检测器芯片可以安装在多单元引线框架15上，并用例如塑料封装成封装体10，以形成光纤接口11。封装体10可以由例如塑料组成，起封装作用。因为纤心直径约在500微米到标号13所示的1毫米的范围内，故对准容限通常为最小。注意，虽然图1中通过标号13指示1毫米，但显示此值仅用于说明。而且，应理解，各元件的组合可以装入一个组件中，例如封装成含一个VCSEL和一个检测器的两元件组件，以便在一个组件/接口内提供发送和接收的能力。
也可将光学硬件(例如透镜、光散射表面和光集中器)结合到组件封装体10内。如图1所示，透镜23形式的光学硬件设置在光子器件21上方。该透镜可以在向光纤发送或从光纤接收信号时对信号进行调节。光学硬件是可选的，可根据期望的信号调节规格结合到定制的组件中。
图2显示了用于传送显示数据的系统71的框图，系统71可以根据本发明的优选实施例来实现。虽然所述的是显示数据，但应理解，可将本发明用于几种数据通信模式(如内部网或因特网连接、外设连接等模式)中，因此，如下有关显示数据的说明用于举例。更一般地说，通常可将图2和图1所示的电光(光子)组件系统71用于任何数据输出端口。
光组件系统71通过光纤接口、如图1所示光纤接口11实现CPU75和监视器72之间的数据通信。这种接口可以提供高度集成的、灵活的适于显示数据通信的高带宽通信组件。如图2所示，光缆可以连接到CPU 75。光子组件74因此可以连接在与CPU 75相关的视频信号电路73和光缆接口76之间，光缆接口76允许在光子组件74的有源光子组件前对准/放置光纤接收端。光缆77可以带状缆的形式提供。光缆77从光子组件74接收信号并向接收光子组件78发送，接收光子组件78随后将表示显示数据的光信号交由监视器上的视频驱动电路79进行转换，以便在监视器72上显示。注意，本文中的术语“处理器”可以指显示单元，如监视器72。注意，虽然本文中将术语“显示数据”用于指示可以在显示单元、如监视器72上显示的数据，但术语“显示数据”也可以指其它类型的数据，如音频数据、流视频和音频、大文本文件等。CPU通常是计算机的计算和控制单元，用作解释和执行指令的装置。这种CPU可以是微处理器或集成系统，该集成系统结合了处理器和计算机存储器或甚至用于根据特定指令执行特定功能的计算机控制台。
基于图2所示的配置，就可以理解，与采用可能既笨重昂贵的电缆相比，系统71提供了用于传送数据的有效得多的配置，所述数据例如CPU 75和监视器72之间的显示数据。光子组件74因此减少了对难用昂贵的电缆设施的需要。
诸如图2所示的系统例如可加以扩充，以便向位于封闭区如飞机舱内的用户提供娱乐系统装置。参照图3，多媒体系统80可用于向位于飞机舱内的多个显示单元或监视器82-n传送显示数据(如电影、娱乐数据等)。远程监视器可通过可包含本发明的光子组件11的光接线盒81或多个光接线盒连接到多媒体源80。这种配置在电磁辐射(EMI)问题特别重要的配置中尤其有用。由于不采用笨重的电缆，而是利用包括安装在引线框架上的使用带状塑料光纤的VCSEL的组件方案，这样就可以大大减轻庞大笨重和EMI的问题。
图4显示了根据本发明论述的光子组件90，表示要将组件90与光纤对准。如图4所示，可将引脚86、边缘87、孔88和/或槽89用于对准和成功地耦合光子组件与光缆组件(如带状光缆)。注意，光子组件80类似于图1所示的电光组件11。图4显示光子组件90是为了强调，由于组件内光源(如VCSEL、光电检测器等)的特殊间隔，对准容限为最小。因此，光纤接口应该可以正确地与组件90的有源元件对准。引脚86、孔88、槽89和/或边缘87的任意组合或单独使用均可以是有用的，因此，就接口/对准目的而言特别重要。
图5显示了根据本发明优选实施例的TX/RX配置91的框图。图5用于简单地说明完整的系统接口。所示的光学组件92与光纤95在第一端(始端)接口，该光纤随后又在第二端(终端)与另一光学组件94接口。光纤95可以是带状光缆。
图6显示了概括说明通道配置示例的框图97，所示通道配置可根据本发明的优选实施例实现。如图6所示，可以提供5个通道(红、蓝、绿、水平和垂直)，其中，每个通道与特定的光通信源(如VCSEL)相关联。例如，红色通道可与图1所示的光源12相关联，而蓝色通道可与图1所示的通道14相关联，如此类推。每个通道可以进行数据通信。每个通道的数据可与其它通道同时传送，从而扩大了接口带宽。应理解，这仅仅是可通过本文所述的光学组件提供的“专用”信号类型的示例。
这样，图1至6概括地说明了用于在数据通信设备之间进行光数据通信的系统和装置。例如，显示单元和处理器可通过本发明的光接口进行通信。任何显示单元可以个人监视器或较大显示屏，如数字电视屏的形式来提供，而任何处理器可以个人计算机或服务器中常见的CPU的形式来提供。还可以将通常绑定于组件内的多个光子器件和至少一根光纤耦合起来形成光数据接口，从而允许在结合其它光通信设备(如光纤、路由器、交换机、复用器/解复用器等)使用时，通过该光接口在处理器/服务器/数据提供者和对应的客户机/数据用户/显示单元之间进行数据通信。因此，如此创建的光接口/组件可以提供高度集成的灵活的适用于数据通信的高带宽通信组件。光子元件(如VCSEL、光电检测器等)通常安装在多单元引线框架上。
这样，本发明公开了一种可用于实现多元件组件方案的方法和系统，该多元件组件方案提供了可与例如灵活轻巧且具有甚高带宽的塑料光纤一起使用的高带宽通信系统。组件是通过将光子器件、如适合于全双工高带宽数据传输的VCSEL和/或检测器阵列集成而实现的。各VCSEL或检测器芯片可以安装在引线框架多单元引线框架上。这些光子器件和多单元引线框架随后可以用塑料封装，以形成光纤接口。该组件内可以包括附加的光学硬件，如透镜、绕射体和/或集中器(concentrator)。该组件可与多根光纤耦合形成光数据通信接口。多根光纤可配置形成数据传输阵列。此外，所用的光纤可以是带状的塑料或玻璃光纤。因为可以将纤心直径选为大约在500微米至1毫米之间，故对准容限通常为最小。对准可以通过模制的组件几何结构(如组件形状、形成于组件上/中/周围的集成的孔/槽/引脚等)来实现。
本文所阐述的实施例和示例用于充分说明本发明及其实际应用，以便使所属领域的技术人员能够实施和利用本发明。但是，所属领域的技术人员会承认，以上说明和示例仅用于说明和举例。所属领域的技术人员显然清楚本发明的其它变化和修改，因此所附权利要求书旨在涵盖这样的变化和修改。所作的说明不用于穷举或限制本发明范围。根据以上论述，在不背离如下权利要求书的精神和范围的前提下可以进行各种修改和变化。可以设想，使用本发明可涉及具有不同特性的各种元件。旨在由所附权利要求书限定本发明的范围，所附权利要求书记载了各个方面的等同物。

Claims (16)

1.一种进行数据通信的方法，所述方法包括如下步骤：
将至少两个光学元件(16)集成到光子组件(11，74)中，其中，所述光子组件(11，74)可与通信设备相耦合；以及
允许通过所述光子组件(11，74)与所述通信设备进行数据通信。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：
通过所述光子组件(11，74)在中央处理单元(CPU)(75)和至少一个显示单元(72)之间进行数据通信。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将至少两个光学元件(16)集成到光子组件(11，74)中的步骤还包括如下步骤：
将所述至少两个光学元件(16)安装到多单元引线框架(15)上；以及
用封装体(10)将所述至少两个光元件(16)和所述多单元引线框架封装起来。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个光学元件(16)包括至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)(12)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个光学元件(16)包括至少一个光电检测器(12)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：
将所述光学组件(11，74)与多根光纤(77)耦合，以形成与所述通信设备接口的光通信接口。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多根光纤(77)包括光纤带状光缆。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：
维持所述光子组件(11，74，90)的所述至少两个光学元件(16)和所述多根光纤(77)之间的对准容限，所述多根光纤(77)利用对准装置(86-89)使纤心直径在大约500微米到1毫米之间，其中，所述对准装置(86-89)集成到所述光子组件(11，74，90)中。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据通信在多媒体源(80)和至少一个视频数据显示器(82)之间交换。
10.一种用于在服务器(75)和至少一个客户机(72)之间进行数据通信的方法，所述方法包括如下步骤：
通过将至少两个光子器件(16)与光缆(77)耦合，在所述服务器(75)和所述至少一个客户机(72)之间形成光接口，其中，所述至少两个光子器件(16)集成到公用光学组件中并与所述服务器相关联；以及
允许通过所述光接口在所述服务器(75)与所述至少一个客户机(72)之间进行数据通信(77)。
11.一种用于在CPU(75)和显示单元(72)之间进行数据通信的系统，所述系统包括：
包括与所述CPU(75)电连接的第一组至少两个集成光学元件(12，14)的第一光学元件组件(74)；
包括与所述显示单元(72)电连接的第二组至少两个集成光学元件(12，14)的第二光学元件组件(78)；以及
将所述第一光学元件组件(74)与所述第二光学元件组件(78)相耦合的至少一根光纤(77)。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于还包括：
所述至少一根光纤是还包括一根以上光纤的带状光缆。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少两个集成光学元件(12，14)包括至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少两个集成光学元件(12，14)之一包括至少一个光电检测器。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少两个集成光学元件(12，14)包括光学硬件。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述光学硬件包括至少一个透镜(23)。
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