DE112008000780T5 - Optischer Universal Serial Bus (USB) - Google Patents
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Abstract
Universal Serial Bus (USB)-Steckverbinder, der folgendes umfasst:
eine isolierende Basis mit einer oberen Oberfläche und einer Vorderkante;
eine Vielzahl von Pins auf der oberen Oberfläche der isolierenden Basis, um elektrische Verbindungen herzustellen; und
mindestens eine eingebettete Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis, um eine optische Funktion bereitzustellen.
eine isolierende Basis mit einer oberen Oberfläche und einer Vorderkante;
eine Vielzahl von Pins auf der oberen Oberfläche der isolierenden Basis, um elektrische Verbindungen herzustellen; und
mindestens eine eingebettete Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis, um eine optische Funktion bereitzustellen.
Description
- BEREICH DER ERFINDUNG
- Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf den Universal Serial Bus und insbesondere auf einen USB, der optische Fähigkeiten aufweist.
- HINTERGRUNDINFORMATIONEN
- In zahlreichen heutigen Verarbeitungssystemen, wie z. B. Personal Computer (PC)-Systemen, existieren Universal Serial Bus (USB)-Ports zum Verbinden verschiedener USB-Vorrichtungen. Einige dieser USB-Vorrichtungen werden häufig von PC-Benutzern verwendet. Solche USB-Vorrichtungen können z. B. Drucker, Compact Disk Read-Only-Memory (CD-ROM)-Laufwerke, CD-ROM Writer (CDRW)-Laufwerke, Digital Versatile Disk (DVD)-Laufwerke, Kameras, Zeigevorrichtungen (z. B. eine Computermaus), Tastaturen, Joysticks, Festplatten, Lautsprecher usw. sein. Einige dieser Vorrichtungen verwenden mehr der verfügbaren USB-Bandbreite als andere. Ein USB-CDRW ist z. B. eine Vorrichtung mit hoher Bandbreite, während Human Interface Devices (HID), wie z. B. Computermäuse, Tastaturen und Joysticks, Vorrichtungen mit niedriger Bandbreite sind.
- Innerhalb eines USB-Kabels sind typischerweise vier abgeschirmte Drähte. Zwei der Drähte können Strom (+5 Volt (rot) und Masse (braun)) und ein verdrilltes Paar (blau und gelb) kann Daten liefern.
- An jedem Ende eines USB-Kabels ist ein Steckverbinder in einer Standardgröße. Diese Steckverbinder haben jeweils ein unterschiedliches Profil, das als „A”-Steckverbinder und „B”-Steckverbinder ausgezeichnet ist. Seit kurzem erscheinen Mini-Versionen dieser Steckverbinder, um kleinere Vorrichtungen aufzunehmen. „A”-Steckverbinder sind „stromauf wärts” zum Computer gerichtet. Auf der anderen Seite sind „B”-Steckverbinder „stromabwärts” gerichtet und mit individuellen Vorrichtungen verbunden. Auf diese Art und Weise ist eine falsche Verbindung fast narrensicher ausgeschlossen.
- Der USB-Standard ermöglicht, dass Vorrichtungen mit niedriger Leistung (z. B. Mäuse, Speicher-Sticks, Tastaturen usw.) ihren Strom aus ihrer USB-Verbindung beziehen. Größere Vorrichtungen, die mehr Strom erfordern, wie z. B. Scanner oder Drucker, haben typischerweise ihre eigene dedizierte Stromversorgung.
-
1 zeigt einen typischen männlichen USB-„A”-Steckverbinder10 . Das Kabel12 umfasst die oben genannten vier Drähte und ist mit einem Plastikgehäuse14 verbunden. Jeder der vier Drähte ist innerhalb des Gehäuses14 mit einem von vier Kontaktanschlüssen oder Pins16 elektrisch verbunden, die auf der oberen Seite einer isolierenden Basis18 befestigt sind. Die isolierende Basis18 ist von einer Metallabschirmung19 umhüllt. Öffnungen20 in der Metallabschirmung können bereitgestellt werden, um den Steckverbinder zu arretieren, wenn er in einen entsprechenden weiblichen Steckverbinder eingesteckt wird. -
2 zeigt eine detailliertere Ansicht der isolierenden Basis18 . Wie gezeigt, sind leitende Halter21 ,22 ,23 und24 an einem Ende bereitgestellt, um sich mit jedem der vier Drähte im Kabel12 zu verbinden. Die äußeren zwei Halter21 und22 sind für Strom und die inneren zwei Steckverbinder23 und24 sind für Daten. Auf einer oberen Seite der isolierenden Basis18 sind vier Pins31 ,32 ,33 und34 , die den Kontakten21 ,22 ,23 bzw.24 entsprechen. Die Pins31 –34 innerhalb des männlichen Steckverbinders10 greifen in Gegen-Pins innerhalb des weiblichen Steckverbinders ein, wenn sie eingesteckt sind. - Unterschiedliche Standards der USB-Technologie haben eine unterschiedliche Bandbreite. So sind z. B. Vorrichtungen nach der Universal Serial Bus Spezifikation, Revision 1.1, 23. September 1998 (USB 1.1) in der Lage, mit 12 Mbits/Sekunde (Mbps) zu arbeiten. Vorrichtung nach der Universal Serial Bus Spezifikation, Revision 2.0, 27. April 2000 (USB 2.0, ebenfalls bekannt als High-Speed-USB) sind in der Lage, mit 480 Mbps zu arbeiten. Jedoch sind mit dem Fortschritt der Technologie die Ingenieure stets bemüht, die Betriebsgeschwindigkeit zu erhöhen.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein Blockdiagramm, das einen typischen männlichen USB-„A”-Steckverbinder zeigt; -
2 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Ansicht der isolierenden Basis eines männlichen USB-„A”-Steckverbinders zeigt; -
3 ist eine Draufsicht einer isolierenden Basis eines männlichen USB-„A”-Steckverbinders gemäß Ausführungsformen der Erfindung; -
4 ist eine Untersicht einer isolierenden Basis eines männlichen USB-„A”-Steckverbinders gemäß Ausführungsformen der Erfindung; -
5 ist ein Blockdiagramm eines weiblichen USB-„A”-Steckverbinders gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und -
6 ist ein Querschnitt eines gepaarten USB-„A”-Steckverbinders gemäß Ausführungsformen der Erfindung. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
- Ausführungsformen der Erfindung sind auf einen optischen USB (hiernach OUSB genannt) gerichtet, um die Datenrate von USB durch Hinzufügen einer optischen Kommunikation mit einer Super-High-Datenrate (z. B. 10 Gbps) zu seiner aktuellen Spezifikation zu verbessern, so dass eine Rückwärtskompatibilität erreichbar ist.
- Eine Herausforderung von OUSB ist die Notwendigkeit, zu dem Legacy-USB-Formfaktor rückwärtskompatibel zu sein, der relativ große mechanische Toleranzen erfordert. Das heißt, dass die durch den USB-Steckverbinder spezifizierte mechanische Toleranz 0,3 mm beträgt. Optische Steckverbinder verwenden typischerweise einen Kuppenkontaktansatz. Je doch kann ein optischer Kuppenkontakt eine Präzision von 10 μm oder besser erfordern. Dies macht den gewöhnlichen optischen Steckverbinder zu einer unbrauchbaren Lösung für den USB-Formfaktor.
- Um diesen Punkt zu lösen, offenbaren die Ausführungsformen einen optischen strahlerweiternden Ansatz. Durch Erweitern der Strahlgröße auf z. B. 1 mm, kann die von dem USB-Steckverbinder erforderte mechanische Toleranz von 0,3 mm erreicht werden.
- Bezug nehmend auf
3 und4 ist dort eine Draufsicht bzw. Untersicht der isolierenden Basis18 eines OUSB-Steckverbinders gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ähnlich zu dem in2 gezeigten und beschriebenen sind leitende Verbindungselemente21 ,22 ,23 und24 an einem Ende bereitgestellt für einen Anschluss jedes der vier Drähte im Kabel12 . Die äußeren zwei Verbindungselemente21 und22 sind für Strom und die inneren zwei Steckverbinder23 und24 sind für Daten. Auf einer oberen Seite der isolierenden Basis18 sind vier Pins31 ,32 ,33 und34 , die den Kontakten21 ,22 ,23 bzw.24 entsprechen. Die Pins31 –34 innerhalb des männlichen Steckverbinders10 greifen in Gegen-Pins innerhalb des weiblichen Steckverbinders ein, wenn sie eingesteckt sind. - Der OUSB-Steckverbinder umfasst zusätzlich eingebettete Linsen
40 ,41 ,42 und43 auf der Vorderkante der isolierenden Basis18 . Diese Linsen sind an entsprechende Fasern50 ,51 ,52 und53 zum Bereitstellen eines optischen High-Speed-Datendurchsatzes optisch gekoppelt. Obwohl vier Linsen gezeigt sind, ist dies nur für Beispielzwecke und es können mehr oder weniger bereitgestellt sein. Die Linsen40 –43 können innerhalb von konischen Löchern sein, wie für Faserselbstausrichtung bei Installation gezeigt. Die konischen Löcher können Metalleinlagen für zusätzliche Steifigkeit haben. Obwohl in3 und4 nicht gezeigt, wäre die isolierende Basis18 in einem Plastikgehäuse14 enthalten und würde eine Metallabschirmung19 aufweisen, wie in1 gezeigt. -
5 zeigt das Innere eines weiblichen OUSB-„A”-Steckverbinders, der eingerichtet ist, mit dem in den3 und4 gezeigten Steckverbinder zusammenzupassen. Wie beim Standard-USB kann ein isolierender Träger50 vier Kontakte51 ,52 ,53 und54 umfassen, die federunterstützt sein können, und eingerichtet sind, eine elektrische Verbindung mit den Pins31 ,32 ,33 bzw.34 in dem männlichen Steckverbinder herzustellen. Die vier Kontakte51 ,52 ,53 und54 können wiederum mit einer USB-Vorrichtung mit Kontaktpfosten61 ,62 ,63 und64 elektrisch verbunden sein. Vier Fasern70 ,71 ,72 und73 können in den weiblichen Steckverbinder eintreten und an vier eingebettete Linsen80 ,81 ,82 und83 optisch gekoppelt sein, die, wenn verbunden, an die entsprechenden Linsen40 –43 in dem männlichen Steckverbinder koppeln. -
6 zeigt ein Seitenschnittbild eines männlichen OUSB-Steckverbinders88 und eines weiblichen OUSB-Steckverbinders90 , wenn sie gepaart sind. Der Einfachheit halber sind die elektrischen Verbindungen in dieser Figur nicht gezeigt, können jedoch, wie in3 bis5 gezeigt, vorhanden sein. Der männliche OUSB-Steckverbinder88 umfasst eine Plastikbasis oder Kern91 . Der weibliche OUSB-Steckverbinder umfasst ebenfalls einen Plastikkern92 , wobei jeder von seiner eigenen Metallabschirmung93 umgeben ist. Die Plastikkerne91 und92 können V-Rillen95 aufweisen, um die Ausrichtung von optischen Fasern94 und95 zu vereinfachen. - Nachdem der Stecker (männlich)
90 und die Buchse (weiblich)88 zusammengefügt sind, werden die Linsen43 und80 verwendet, um den optischen Strahl zu erweitern, um die optische Kommunikation zu vereinfachen. Wie dargestellt, kann der optische Strahl aus der Faser94 von der männlichen Seite durch die Linse43 auf z. B. ungefähr 1 mm erweitert werden. Der erweiterte Strahl kann dann von der eingebetteten Linse80 an der weiblichen Seite gekoppelt an die Faser95 kollimiert werden. Da das eingebettete Linsenprofil43 und80 an beiden Seiten identisch ist, können die optischen Signale in beide Richtungen verlaufen. Wie man erkennen kann, ermöglicht die Erweiterung des Strahls die optische Kopplung der Fasern94 und95 , da die traditionelle Kuppenkopplung innerhalb der mechanischen Toleranzabgrenzungen von USB-Steckverbindern nicht gut arbeitet. - Während die obigen Ausführungsformen als USB-„A”-Steckverbinder dargestellt worden sind, wird der Fachmann direkt erkennen, dass die hier beschriebene Erfindung ebenso auf USB-„B”-Steckverbinder oder andere USB-Formfaktoren anwendbar ist.
- OUSB weist zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere unterstützen die Ausführungsformen alle traditionellen elektrischen USB-Verbindungen innerhalb des existierenden USB-Formfaktors. Somit ist es vollständig rückwärtskompatibel zu der USB 2.0-Spezifikation. Es ermöglicht Super-High-Speed-Datenraten (d. h., 10 Gbps) im Vergleich zum High-Speed von USB 2.0 (480 Mbps). Zusätzlich kann optische Signalintegrität in Umgebungen mit hoher EMI aufrechterhalten werden, wie z. B. in Betrieben, in denen traditionelle elektrische Verbindungen Problemen ausgesetzt sein können.
- Die obige Beschreibung von darstellenden Ausführungsformen der Erfindung, die das in der Zusammenfassung beschriebene umfasst, ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die präzisen offenbarten Formen zu beschränken. Obwohl hier für darstellende Zwecke spezifische Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung beschrieben worden sind, sind verschiedene äquivalente Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich, wie der Fachmann erkennen kann.
- Diese Modifizierungen können an der Erfindung angesichts der obigen detaillierten Beschreibung durchgeführt werden. Die in den folgenden Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten nicht derart ausgelegt werden, um die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart sind, zu beschränken. Vielmehr sollte der Umfang der Erfindung gänzlich durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden, die in Übereinstimmung mit etablierten Lehrmeinungen zur Anspruchsinterpretation auszulegen sind.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Ausführungsformen der Erfindung sind auf einen optischen USB (OUSB) zum Verbessern der Datenrate von USB durch Hinzufügen einer optischen Kommunikation mit einer Super-High-Datenrate (z. B. 10 Gbps) zu seiner aktuellen Spezifikation gerichtet, so dass eine Rückwärtskompatibilität erreichbar ist. Mechanische Toleranzen können durch Verwenden von eingebetteten Linsen, um einen Strahl, der aus der Steckverbindung hervortritt, vor dem Eintreten in seinen Gegen-Steckverbinder zu erweitern, und durch Verwenden einer identischen Linse in dem Gegen-Steckverbinder, um den Strahl zurück auf eine Faser zu kollimieren, erreicht werden.
Claims (20)
- Universal Serial Bus (USB)-Steckverbinder, der folgendes umfasst: eine isolierende Basis mit einer oberen Oberfläche und einer Vorderkante; eine Vielzahl von Pins auf der oberen Oberfläche der isolierenden Basis, um elektrische Verbindungen herzustellen; und mindestens eine eingebettete Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis, um eine optische Funktion bereitzustellen.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 1, der ferner folgendes umfasst: mindestens eine Faser, die optisch an die mindestens eine eingebettete Linse gekoppelt ist.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 2, wobei die eingebettete Linse einen Strahl erweitert, der aus der Faser hervortritt.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 3, wobei die eingebettete Linse den Strahl auf ungefähr 1 mm erweitert.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 2, wobei die eingebettete Linse einen Strahl in die Faser kollimiert.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 2, der ferner folgendes umfasst: vier eingebettete Linsen, von denen jede entsprechend an vier Fasern optisch gekoppelt ist.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 1, der ferner folgendes umfasst: einen Gegen-Steckverbinder, der mindestens eine eingebettete Linse umfasst, um an die mindestens eine eingebettete Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis optisch zu koppeln, wenn sie gepaart sind.
- USB-Steckverbinder nach Anspruch 7, wobei die eingebettete Linse des Gegen-Steckverbinders zu der mindestens einen eingebetteten Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis identisch ist.
- Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Funktion für einen USB-Steckverbinder, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer isolierenden Basis mit einer oberen Oberfläche und einer Vorderkante; Positionieren einer Vielzahl von Pins auf der oberen Oberfläche der isolierenden Basis, um elektrische Verbindungen herzustellen; und Einbetten mindestens einer Linse auf der Vorderkante der isolierenden Basis für optische Kommunikation.
- Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Erweitern eines Strahls, der aus einer Faser hervortritt, mit der eingebetteten Linse auf ungefähr 1 mm.
- Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Kollimieren eines Strahls auf eine Faser mit der eingebetteten Linse.
- Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl von eingebetteten Linsen auf der Vorderkante der isolierenden Basis.
- Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Einstecken des USB-Steckverbinders in einen Gegen-Steckverbinder, um die eingebettete Linse an eine entsprechende Linse in dem Gegen-Steckverbinder optisch zu koppeln.
- Verfahren nach Anspruch 9, wobei die eingebettete Linse und die entsprechende Linse in dem Gegen-Steckverbinder identisch sind.
- Optischer Universal Serial Bus (OUSB), der folgendes umfasst: einen Universal Serial Bus (USB)-Steckverbinder, der vier elektrische Verbindungen umfasst, die auf einer oberen Oberfläche einer isolierenden Basis befestigt sind; eine Vielzahl von eingebetteten Linsen auf einer Vorderkante der isolierenden Basis; eine Vielzahl von Fasern, von denen jede an eine entsprechende aus der Vielzahl von eingebetteten Linsen optisch gekoppelt ist; wobei jede Linse einen Strahl expandiert, der in eine erste Richtung von einer optischen Faser reist, und einen Strahl kollimiert, der in eine zweite Richtung auf der optischen Faser reist, um die mechanischen USB-Toleranzen zu erfüllen.
- OUSB nach Anspruch 15, wobei der OUSB zum USB rückwärtskompatibel ist.
- OUSB nach Anspruch 15, der ferner vier eingebettete Linsen auf der Vorderkante der isolierenden Basis umfasst.
- OUSB nach Anspruch 15, ferner umfassend: V-Rillen in der isolierenden Basis, um eine Ausrichtung der Fasern zu vereinfachen.
- OUSB nach Anspruch 15, ferner umfassend; einen OUSB-Gegen-Steckverbinder mit identischen eingebetteten Linsen, die an der Vielzahl von eingebetteten Linsen auf einer Vorderkante der isolierenden Basis optisch ausgerichtet sind, wenn sie gepaart sind.
- OUSB nach Anspruch 15, wobei der Strahl auf ungefähr 1 mm erweitert ist.
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