TW201611535A - 在一旋轉對稱位置處包含光學感測器之收發機模組 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種光電模組，其包含可操作以光學地發射資料之一收發機。該收發機包含一光發射器以從該模組發射光，及一光偵測器以偵測進入該模組之光。該光偵測器被安置於相對於該模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處。此等模組可有助於促進兩個裝置之間光學地交換資料。

Description

在一旋轉對稱位置處包含光學感測器之收發機模組

本發明係關於用於光學通信之光電收發機模組。

光為以極高資料速率發射資料提供很大可能性。在一些情況中，光學資料發射使用光纖作為發射介質，此係因為光可以極低損耗在光纖中導引極長距離，同時避免對準問題及大氣影響。然而，亦存在自由空間光學(FSO)通信應用，其使用在自由空間中傳播之光來無線地發射資料。可例如使用紅外(IR)或近紅外光(例如，750nm至1600nm)實施自由空間點對點光學鏈路。此等系統通常使用雷射發射機且提供具有高資料速率之一具成本效益之協定通透鏈路(例如，每波長10千兆位元/秒)。

光學資料發射在多種領域中(例如，電話、網際網路訊務、閉路電視)主要針對至少幾公里之較大發射距離被越來越多地使用。然而，考慮使用用於越來越小之發射距離之光學系統的趨勢在不斷增長。舉例而言，在行動裝置(諸如智慧型電話)之間之通信有可能使用光學資料發射，該等行動裝置將變得很受歡迎且顧客會在其日常生活中之很多態樣中漸漸地依賴於該等行動裝置。

本發明描述光電收發機模組，其在一旋轉對稱位置處包含一光 學感測器。

舉例而言，在一態樣中，一光電模組包含可操作以光學地發射資料之一收發機。該收發機包含一光發射器以從該模組發射光，及一光偵測器以偵測進入該模組之光。該光偵測器被安置於相對於該模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處。

在一些實施方案中，該模組包含一透鏡元件，該透鏡元件用於將來自該光發射器之光投射出該模組至一遠場中；及另一透鏡元件，其用於將來自該光發射器之光投射出該模組至一近場中。用於將光投射至該遠場中之該透鏡元件較佳地具有比將光投射至該近場中之該透鏡元件更窄之一視域。該模組亦可包含另一透鏡元件以促進藉由該光偵測器從該遠場及該近場兩者收集入射光。

在一些實施方案中，此處描述之模組可有助於促進兩個裝置之間光學地交換資料。舉例而言，當各者包含一各自收發機模組之兩個裝置彼此相距一給定距離且其各自中心軸彼此對準時，來自該等模組之一給定模組之光發射器之一光學信號之射束發散可投射一橫向距離，不管該等模組相對於彼此之相對旋轉位置為何，該橫向距離皆可涵蓋第二收發機模組之光偵測器。因此，不管該等收發機模組相對於每一模組之一中心軸之一相對旋轉角為何，每一收發機模組之光偵測器可在另一收發機模組之光發射器之一發射角內。

根據另一態樣，本發明描述一種方法，其用於在包含一第一收發機模組之一第一通信裝置與包含一第二收發機模組之一第二通信裝置之間光學地傳達資料。該方法包含使第一及第二收發機模組彼此接近使得第一及第二收發機模組之中心軸實質上彼此對準。該方法進一步包含致使一光學信號從第一收發機模組之光發射器發射以藉由第二收發機之光偵測器接收，同時第一收發機模組相對於第二收發機模組成一第一旋轉角；及致使一光學信號從第一收發機模組之光發射器發 射以藉由第二收發機之光偵測器接收，同時第一收發機模組相對於第二收發機模組成一不同第二旋轉角。

在一進一步態樣中，一第一裝置可操作以與另一此種裝置通信。該第一裝置包含一收發機模組，該收發機模組可操作以每秒十億位元組之一速率光學地發射及接收資料。該收發機模組包含一光發射器以從該裝置發射光，及一光偵測器以偵測進入該收發機模組之光。該光偵測器被安置於相對於該收發機模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處。在一些實施方案中，該第一裝置可以一半雙工模式操作。

將容易從下面的詳細描述、附隨圖式及申請專利範圍中明白其他態樣、特徵及優勢。

20A‧‧‧第一主機裝置

20B‧‧‧第二主機裝置

21‧‧‧光學資料信號

22‧‧‧收發機/光電模組

22A‧‧‧收發機

22B‧‧‧收發機

23‧‧‧光

24‧‧‧光發射器/窄射束發射器

26‧‧‧光學偵測器

28‧‧‧中心軸

30A‧‧‧第一透鏡元件

30B‧‧‧第二透鏡元件

30C‧‧‧第三透鏡元件

32‧‧‧架構

34‧‧‧架構

36‧‧‧基板之部分

38‧‧‧電連接

40‧‧‧焊接墊

42‧‧‧基板

46‧‧‧隔片

48‧‧‧光學件構件

50‧‧‧非通透材料

52‧‧‧可透射蓋

122‧‧‧模組

122A‧‧‧收發機模組

122B‧‧‧收發機模組

圖1圖解說明在兩個裝置之間光學地傳送資料之一實例。

圖2A及圖2B圖解說明在不同相對旋轉位置處之圖1之裝置之間之資料傳送。

圖3圖解說明在兩個裝置之間光學地傳送資料之一實例，每一裝置在一旋轉對稱位置處具有一光學感測器。

圖4A至圖4C圖解說明在不同相對旋轉位置處之圖3之裝置之間之資料傳送。

圖5A係在一旋轉對稱位置處具有一光學感測器之一光學收發機之一俯視圖。

圖5B係圖5A之光學收發機之一側視圖。

圖5C係圖5A之光學收發機之一仰視圖。

圖6A及圖6B圖解說明一光學件總成之細節，該光學件總成用於在近場及遠場中為光發射器提供不同視域。

圖7A圖解說明一光學件總成之一實例，該光學件總成使用一環形透鏡以在近場及遠場內為一光發射器提供不同視域。

圖7B圖解說明圖7A中描繪之光學件總成之細節。

圖7C圖解說明另一光學件總成之細節，該光學件總成使用一環形透鏡以在近場及遠場中為一光發射器提供不同視域。

圖7D圖解說明又一光學件總成之細節，該光學件總成使用一環形透鏡及一微透鏡陣列以在近場及遠場中為一光發射器提供不同視域。

如圖1所圖解說明，一第一主機裝置20A(例如，一手持行動裝置，諸如一智慧型手機)可操作以與另一此種裝置20B來回發射資料21。舉例而言，該資料以每秒十億位元組數量級之一速率(例如，5Gbps至10Gbps)光學地發射。每一裝置20A、20B包含一光電模組(收發機)22，該光電模組具有一光發射器24及一光偵測器26。該發射器24及該偵測器26兩者較佳地以一Gbps速率操作。因此，舉例而言，該收發機22可包含一垂直腔面發射雷射(VCSEL)或雷射二極體作為光發射器24。該光偵測器(例如，一光二極體)26應以與發射器24相同之速率操作。因此，舉例而言，該光二極體可由砷化鎵為基礎之半導體材料或其他III至V族化合物半導體材料或具有高電荷載體遷移率之其他半導體組成。在一些情況中，一帶通濾波器允許藉由該發射器發射之光之波長通過，其可定位於該光偵測器26之發射路徑中。

舉例而言，收發機22可以一半雙工模式操作使得當一發射器24正在發射光信號(對應於資料)時，位於相同收發機22上之相鄰偵測器26不偵測光(或不使用偵測到的光)。同樣，當正在使用一偵測器26以偵測入射光(對應於資料)時，位於相同收發機22上之相鄰光發射器24不發射光。

若收發機22使用窄射束發散光源24(即，具有一窄發射角或一窄視域之VCSELS或雷射二極體)，則主機裝置20A、20B需經對準使得 位於第一主機裝置20A上之發射器24及偵測器26分別與位於第二主機裝置20B上之偵測器26及發射器24對準。在一些實例中，此要求對使用者可能係有挑戰性的。舉例而言，即使使兩個裝置20A、20B彼此緊密接觸使得其等各自中心軸28對準，裝置20A、20B仍可係旋轉錯位的。此一案例藉由參考圖2A及圖2B予以圖解說明。

圖2A圖解說明一情形，其中收發機22A、22B對準使得第一收發機22A中之發射器24與第二收發機22B中之偵測器26實質上對準。特定言之，藉由第一收發機22A中之窄射束發射器24發射之光23(即，光學資料信號21)經引導朝向第二收發機22B中之偵測器26，且可被該偵測器26感測。同樣，藉由第二收發機22B中之窄射束發射器24發射之光23(即，光學資料信號21)經引導朝向第一收發機22A中之偵測器26，且可被該偵測器26感測。在藉由圖2A描繪之情形中，光學資料可在兩個主機裝置之間傳送。另一方面，舉例而言，若主機裝置被旋轉180°，則如圖2B展示，收發機22A、22B錯位。特定言之，在一收發機中之光發射器24與在另一收發機中之光發射器對準，但不與另一收發機中之偵測器26對準。因此，藉由一收發機22A中之窄射束發射器24發射之光23可不被另一收發機中之偵測器26偵測到。在此種情形中，可損及收發機之間之光學資料傳送之發射。

為解決前述問題，如圖3所圖解說明，收發機模組122A、122B被配置為一各自光學偵測器26安置於各模組中的旋轉對稱位置處。特定言之，偵測器26被安置於與模組中心軸28交叉之一位置處，中心軸28實質上平行於光學發射/偵測的方向。每一特定模組中之發射器24應被安置於足夠接近相同模組中之偵測器26之一位置處，使得當兩個類似裝置20A、20B彼此非常接近時，來自第一模組122A中之發射器24之光學資料21可藉由第二模組122B中之偵測器26接收，且反之亦然，甚至對於窄射束光發射來說亦係如此。藉由將每一偵測器24定址 於對應模組中之一旋轉對稱位置處，一模組之偵測器26將能夠從相對模組之發射器24接收光學資料，只要模組122A、122B之各自中心軸28實質上彼此對準。即使模組122A、122B中之一者(或兩者)繞著模組共同軸28旋轉，在模組122A、122B之間之光學資料發射及接收可在不降低效能的情況下被成功完成。因此，不管旋轉角為何，每一模組之偵測器26將皆處於另一模組之發射器24之發射角內。在一些實施方案中，每一模組122A、122B具有大約2mm×2mm之一覆蓋區。

在圖4A至圖4C中圖解說明一實例，其中模組122A中之一者繞模組之共同軸28旋轉。圖4A展示模組122A在一第一位置中，且圖4B至圖4C展示相同模組繞軸28旋轉大約120°。如在此實例中所圖解說明，旋轉軸28正交於位於平行平面中之兩收發機模組122A、122B。對於一給定收發機至收發機之近接度，第一模組122A中之發射器24之射束發散(即，發射角)投射一恆定橫向距離(r)，不管繞旋轉軸之旋轉角為何，該距離皆涵蓋第二模組122B中之偵測器26。因此，不管旋轉角為何，不損及資料發射。從一模組至另一模組之一光學信號(例如，資料)之發射可(例如)藉由一使用者按壓在裝置20A(或20B)上之一指定按鈕(或一序列按鈕)或做諸如一手指劃過裝置的顯示器之一手勢觸發。

圖5A、圖5B及圖5C圖解說明一模組122之一特定實施方案之進一步細節，在該模組122中，光偵測器26被安置於一旋轉對稱位置處。光發射器24及光偵測器26可被安裝於(例如)一印刷電路板(PCB)或一其他基板42上。在一些情況中，該基板42之至少一部分36係由矽組成(見圖5C)。一矽基板可允許更好的電效能及/或更好的熱管理，其可實現發射器及/或偵測器之更快速的回應時間。該基板42之背面可包含一空腔，在該空腔中提供發射器及偵測器之支撐架構32、34。

一隔片46將該基板42與一光學件構件48分離，其可包含位於發 射器24及偵測器26(見圖5A及圖5B)上之一可透射蓋52。隔片46可由(例如)一可流動聚合物材料(例如，環氧樹脂、丙烯酸酯、聚胺基甲酸酯、或聚矽氧)組成，該材料包含一非通透填充物(例如，碳黑、一色素、一無機填充物、及/或一染料)。該透射蓋52可橫向嵌入於與隔片46相同之非通透材料50中，或由該材料50環繞。一或多個射束整形元件(例如，透鏡30A、30B、30C)可被提供於位於該偵測器26及/或該發射器24上方之可透射蓋52之一表面上。

電連接38(例如，佈線)可從發射器24及/或偵測器26提供至基板42，其可包含焊接墊40或其他支撐電子器件(見圖5C)。

如上文說明，在一些應用中提供一種具有一相對較窄視域(FOV)之光發射器24係可取的。儘管此一特徵係可取的(例如，用以促進高速資料傳送)，但在一些實例中，舉例而言，當兩個裝置20A、20B彼此非常接近時(例如，相距少於約2mm之一距離)，發射器之窄FOV可導致並非最佳之資料傳送。

為解決前述情形，光發射器24較佳應在遠場(例如，在範圍係3mm至20mm的距離處)具有一窄FOV及在近場(例如，在少於3mm的距離處)具有一寬FOV。舉例而言，如圖6A及圖6B展示，一第一透鏡元件30A可經組態以促進藉由偵測器26從遠場及近場兩者收集入射光，而第二及第三透鏡元件30B、30C可經組態以將光分別投射出模組122至遠場及近場中。在一些實例中，第二透鏡元件30B經設計以提供來自具有範圍在20°至40°之一FOV(「FOV2」)之模組之光投射，其中發射器24具有強度為1/e²之大約10°至30°之一射束發散。此相對較窄FOV在遠場中可係有用的。另一方面，第三透鏡元件30C可經設計以允許來自發射器24之發射角周邊(即，來自發散射束的周邊)之光投射。第三透鏡元件30C之FOV(「FOV3」)可處於(例如)大約40°至80°(例如，60°)之範圍中。此相對較寬FOV在近場中係有用的。第三 透鏡元件30C可被實施為(例如)一擴散器、一柱面透鏡陣列或一稜柱光學元件。FOV之不同值及對應於近場及遠場之距離對於一些實施方案可能係合適的。

在一些實例中，如圖7A中描繪，透鏡元件30C可被實施為一環形透鏡(即，甜甜圈形狀)，使得透鏡元件30C外接透鏡元件30B。在一些實施方案中，如圖7A及圖7B中所描繪，透鏡元件30B可被定位於透鏡元件30C之中心；然而，在其他實施方案中，透鏡元件30B可被定位為相對於透鏡元件30C之中心偏離中心，其中透鏡元件30C可僅部分外接透鏡元件30B，如圖7C中所描繪。在一些實施方案中，一或兩個透鏡元件30B及30C可係旋轉對稱的、不對稱的或非球面的。又在其他實施方案中，如圖7D之實例中所展示，透鏡元件30C可被實施為一微透鏡陣列。

第一透鏡元件30A可經設計以(例如)最佳化藉由偵測器26收集的光(例如，藉由一鄰近收發機模組投射之光)。偵測器26之FOV(「FOV1」)可係相對較大的(例如，120°)。然而，若視域太大，則周圍光(即，並非來自一鄰近收發機模組上之一發射器之光)可干擾偵測器中之光收集。較佳地，第一透鏡元件30A之FOV(即，FOV1)與第三透鏡元件30C之FOV至少一樣大。舉例而言，第一透鏡元件之FOV在一些情況中係至少60°。

對於前述實施方案可做出多種修改。進一步言之，在一些情況中，來自上文描述之不同實例中之特徵可被組合在一單個實施例中。相應地，其他實施方案係在申請專利範圍的範疇中。

20A‧‧‧主機裝置

20B‧‧‧主機裝置

21‧‧‧資料

24‧‧‧光發射器/窄射束發射器

26‧‧‧光學偵測器

28‧‧‧中心軸

122A‧‧‧收發機模組

122B‧‧‧收發機模組

Claims (22)

1. 一種光電模組，其包括：一收發機，其可操作以光學地發射資料，該收發機包含：一光發射器，其用於從該模組發射光；及一光偵測器，其用於偵測進入該模組之光，該光偵測器被安置於相對於該模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處。
2. 如請求項1之光電模組，其中該光發射器及該光偵測器被安裝於一基板上，且其中該模組之中心軸垂直於該基板之一平面。
3. 如請求項2之光電模組，其中該基板至少部分由矽組成。
4. 如請求項2之光電模組，其中該基板在與上面安裝有該光發射器及光偵測器之該基板之一表面相對之一表面中具有一空腔，且其中該光發射器及該光偵測器之支撐架構被安置於該空腔中。
5. 如請求項1至4中任一項之光電模組，其進一步包含：一第一透鏡元件，其將來自該光發射器之光投射出該模組至一遠場中；及一第二透鏡元件，其將來自該光發射器之光投射出該模組至一近場中，其中將光投射至該遠場中之該第一透鏡元件具有比將光投射至該近場中之該第二透鏡元件更窄之一視域。
6. 如請求項5之光電模組，其中該第二透鏡元件係一環形透鏡。
7. 如請求項5之光電模組，其中該第二透鏡元件外接該第一透鏡元件。
8. 如請求項5之光電模組，其進一步包含一第三透鏡元件，該第三透鏡元件促進藉由該光偵測器從該遠場及該近場兩者收集入射光。
9. 如請求項1至4中任一項之光電模組，其中該光發射器係雷射二極體或一垂直腔面發射雷射(VCSEL)。
10. 如請求項1至4中任一項之光電模組，其中該光發射器及該光偵測器兩者可以每秒十億位元組之一速率操作。
11. 如請求項1至4中任一項之光電模組，其中該收發機可以一半雙工模式操作。
12. 一種用來在包含一第一收發機模組之一第一通信裝置與包含一第二收發機模組之一第二通信裝置之間光學地傳達資料之方法，其中該第一及第二收發機模組之各者包含：一光發射器，其用於從該收發機模組發射光；及一光偵測器，其用於偵測進入該收發機模組之光，該光偵測器被安置於相對於該收發機模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處，其中該方法包括：使該第一及第二收發機模組彼此接近使得該第一及第二收發機模組之該等中心軸實質上彼此對準；致使一光學信號從該第一收發機模組之該光發射器發射以藉由該第二收發機之該光偵測器接收，同時該第一收發機模組相對於該第二收發機模組成一第一旋轉角；及致使一光學信號從該第一收發機模組之該光發射器發射以藉由該第二收發機之該光偵測器接收，同時該第一收發機模組相對於該第二收發機模組成一不同第二旋轉角。
13. 如請求項12之方法，其中，當該第一及第二收發機模組彼此相距一給定距離且其各自中心軸彼此對準且該第一收發機模組之該光發射器發射一光學信號時：該光學信號之一射束發散投射一橫向距離，不管該第一收發 機模組之該光發射器繞該第一收發機模組之該中心軸之一旋轉位置為何，該橫向距離皆涵蓋該第二收發機模組之該光偵測器。
14. 如請求項12之方法，其中，不管該第一及第二收發機模組相對於彼此之一相對旋轉角為何，每一收發機模組之該光偵測器係在另一收發機模組之該光發射器之一發射角內。
15. 一種第一裝置，其可操作以與另一此種裝置通信，該第一裝置包括：一收發機模組，其可操作以每秒十億位元組之一速率光學地發射及接收資料，該收發機模組包含：一光發射器，其用於從該裝置發射光；及一光偵測器，其用於偵測進入該收發機模組之光，該光偵測器被安置於相對於該收發機模組之一中心軸之一旋轉對稱位置處。
16. 如請求項15之第一裝置，其中該收發機模組可以一半雙工模式操作。
17. 如請求項15至16中任一項之第一裝置，其中該收發機模組進一步包含：一第一透鏡元件，其用於將來自該光發射器之光投射出該收發機至一遠場中；及一第二透鏡元件，其用於將來自該光發射器之光投射出該收發機至一近場中，其中用於將光投射至該遠場中之該第一透鏡元件具有比該第二透鏡元件更窄之一視域。
18. 如請求項17之第一裝置，其進一步包含一第三透鏡元件，該第三透鏡元件用於促進藉由該光偵測器從該遠場及該近場收集入 射光。
19. 如請求項15至16中任一項之第一裝置，其中該光發射器係雷射二極體或一垂直腔面發射雷射(VCSEL)。
20. 如請求項15至16中任一項之第一裝置，其中該光偵測器係由一或多種III至V族複合半導體材料組成之一光二極體。
21. 如請求項15至16中任一項之第一裝置，其中該第一裝置係一手持行動裝置。
22. 如請求項21之第一裝置，其中該手持行動裝置係一智慧型電話。