光总线的制作方法

专利名称：光总线的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信和光链路领域。尤其是，本发明的实施方式涉及一种
光总线和用于光总线中的光次组件(optical sub assembly)。
背景技术：
当人们想到计算机时，进入脑海中的通常是传统的桌面系统和膝上型计算 机。计算机一般用于学校或解决相关的问题。然而基于更长远的考虑，人们每 天直接或间接使用许多种不同类型的计算机。通常，这些计算机作为监测或控 制外围部件的系统的一部分。
例如，如今正在运行的许多系统是计算机控制的。通常，这些计算机系统 与用于如数据采集或数据输出的不同目的的外部部件相连。例如，计算机可与 多个传感器相连。由这些传感器提供的数据可由计算机采集并评估。被采集的 数据的评估结果可引起系统中的特定行为。例如，汽车通常包括计算机以监测 汽车操作的不同方面。监测汽车操作是利用传感器来实现的，该传感器将数据 提供给计算机，或将信号返回给计算机指示某一特定条件是真或假。
汽车的制动系统、安全气囊部署系统、牵引控制系统等是由计算机监测和 /或控制的汽车操作的实例。通过监测汽车操作的这些方面，汽车能够为乘员 提供某些好处。计算机能够确保，例如，制动器没有锁上，在事故中展开安全 气囊，车轮没有打滑等或其任意组合。
计算机与系统的遥感器或其它外围设备相互作用或与其它计算机相互作 用的能力经常需要总线或其它通信路径。总线包括确保计算机能够与外围设备 通信所需的导线。 一般来说，总线是用于传输控制信息以及数据的一组电线。 然而，随着外围设备数量的增加，总线中导线的使用开始出现问题。
例如，控制模块可与多个传感器或其它外围设备相连。通常，每个设备需 要至少三根导线。导线中的两根提供电源和接地。第三根导线通常承载控制和 /或数据信号进出设备。在一些情况中，使用两根导线传送信号进出设备。随着外围设备数量的增加，总线所需的导线的数量也相应地增加。因此，控制模 块或计算机和其外围设备之间的特定总线可能需要几百根导线。导线的巨大数 量使得系统庞大笨拙、难以检修故障等。由于系统的尺寸和复杂性，对这种系 统的扩展或改进的能力更是困难的。
电线总线的一个可替代物是利用光链路。在传统的系统中，光链路具有目 前基于导线的链路所不具有的某些优点。光链路的优点包括，例如，较宽的带 宽、低损耗、电磁抗扰性等。这些优点通常使得光学系统优于电子系统。
然而，光学系统也具有某些局限性。光链路是点对点链路，其意味着每个 链路需要两个收发器。这进一步表明如果要求双向通信，则每个链路也需要两
根光纤。基于光点对点链路的系统需要2N个收发器，其中N是系统中链路的
数量。实际上，实现传统的光总线可能需要控制模块或计算机对于每个外围设 备具有单独的收发器。
因此，光学系统很快面临在以上讨论的电子总线中出现的相同问题。需要 一种光总线和/或光次组件，其能够减少光学系统所需要的收发器的数量，以 及减少系统中包括的光纤的数量。

发明内容
本发明的实施方式克服了这些和其它的局限，所述实施方式涉及光总线和 将节点(例如，外围设备、传感器)连接到光总线的光次组件。光次组件能够 连接多段光纤，以实际上形成单个光纤。然后连接到该光纤一端的主收发器可 与通过光次组件连接到光总线的每个节点通信。
在一个实施方式中，公开了用于连接多个节点的光总线，该光总线包括主 收发器，其与用作总线的光纤相连。如前面所述，用作总线的光纤可包括适当 连接的一系列离散的光纤。例如，光组件(这里也指连接器或光次组件)连接 几段光纤，并也将节点连接到光总线。光次组件能够连接离散的多段光纤，从 而使得在每个光纤对光纤的接口处存在足够的光耦合。
经由光组件连接到光总线的每个节点通常具有收发器。可选地，收发器可 被包括作为光组件的一部分。每个连接器通常包括中心光纤，该中心光纤包括
镜面(mirror)或镜面部分。该镜面用于将光纤中的信号反射至节点收发器， 并将来自节点发射器的信号反射进光纤。在一个实施方式中，总线中使用的光纤具有较大的芯。在一个实施方式中，该芯可以是具有圆角的方形，以有利于 快速模混合。
连接器的结构被设置为对准形成光总线的所述离散光纤。在该光总线中， 通信可以是全双工、半双工、双向的、以及单一波长或多波长。另外，另一个 功率收发器也可以被连接到总线，从而使得光功率能够通过光总线传递到节点。
本发明的附加特征将在以下的说明书中得到阐述，且从说明书可以看出部 分是显而易见的，或可以从本发明的实践中得出。可通过在所附权利要求中特 别指出的方法和其组合实现并获得本发明的特征和优点。本发明的这些和其它 特征将从以下的说明书和所附权利要求中变得更明显，或从下文中本发明的实 践中得出。


为了更进一步的阐明本发明的上述和其它优点和特征，将参考附图中所示 的具体实施方式
提供本发明的更多详细描述。容易理解，这些附图仅描述了本 发明的典型实施方式，因此并不认为限制了其范围。通过利用跗图将进一步描 述并解释本发明的特征和细节，在附图中
图1示出了将多个节点连接到单个光纤的示例性光总线； 图2A示出了光纤的一个实施方式，其包括用于提取和发射光纤中的光信 号的镜面；
图2B示出了方形光纤的端视图，并示出了可用于发射光信号进入光纤的 镜面区域，以及用于从光纤接收光信号的镜面区域；
图3A示出了连接器的一个实施方式，其提供了用于将节点连接到光总线 的结构，使得节点能够通过光总线发送和接收光信号；
图3B示出了连接器的另一个实施方式，其提供了用于将多于一个节点连 接到光总线的结构，使得每个节点都能够通过光总线发送和接收光信号；
图3C示出了连接器的又一个实施方式，其能够使用单一波长进行双向通
信；
图3D示出了形成在连续光纤中以发射或提取来自连续光纤的光的示例性 分接头(tap);图4示出了光总线的一个实施方式，其中除了数据，光功率也可以被传递
到与光总线连接的节点；
图5示出了在传感应用中使用的光总线的一个实施方式；以及
图6示出了不具有总线主控的光总线的另一个实施方式。
具体实施例方式
本发明的实施方式涉及一种光总线，尤其涉及一种光次组件或连接器，其 能被用于光总线、或能被用于连接离散的光纤以形成光总线。本发明的光次组 件被配置为使得总线节点之间的光缆能够插入光次组件。光次组件使得特定的 节点通过光总线既能发送也能接收数据。一些实施方式能够通过光纤进行双向 通信。利用光次组件或连接器，可利用被连接的多个光纤来形成光总线，就像 由连续的光纤形成一样。光总线也是无源的，使得特定节点的故障不会导致整 个光总线的故障。
以示例的方式并不受限制，可以在军用、民用、自动应用、传感应用、 等等或其任意组合中使用本发明的实施方式。光总线的结构可以与电子装置相
结合。基于光总线的系统可以具有，例如，N个节点。有利地，在一个实施方 式中，具有N个节点的光总线仅需要N+1个收发器，而不是在传统的系统中 通常需要的2N个节点。在另一个实施方式中，在具有N个节点的总线中包括 N个收发器。
在一个实施方式中，光次组件包括收发器以及集成(integrated)连接器。 在这种配置中，光缆仅需要被插入到用于将节点连接到总线的次组件的连接器 之间。以这种方式形成的光总线可以被看作为单个光纤即使该光总线由多个离 散的光纤部分形成，以这种方式形成的光总线可通过将光纤从一个光次组件连 接到下一个光次组件来进行组装。如前面所述，光次组件是无源的，且特定节 点的故障不会导致该光总线上其余节点的故障。
图1示出了光总线的一个实施方式，在总体上被指定为总线100。总线 100包括光缆或光纤101，其与主收发器102相连。主收发器102通常与包括 处理器的主机系统相连，该处理器用于处理通过光总线发送和/或接收的数据。 光纤101通过连接位于连接器120、 122和124之间的几段光纤来进行组装。 可选地，光纤101是完整的光纤，且连接器120、 122和124可连接到光纤101。这里公开的收发器也可包括光学器件，从而使得通过光纤接收的光被指向收发 器的接收部分，而由收发器的发送部分发射的光被发射进入总线光纤。
总线100可利用连接器120、 122和124连接到节点104和/或节点106。 在一个示例中，节点104被配置为用于一个方向的通信，同时节点106被配置 为用于另一个方向的通信。在另一个实施方式中，节点可以仅能够与主收发器 102通信，而在其它实施方式中，除了与主收发器102通信之外，特定的节点 能够与连接到总线100的其它任何节点通信。在一些实例中，总线上特定节点 与总线上另一个节点的通信可能需要利用中间收发器。例如，节点108可通过 主收发器102与节点118通信。
连接器120、 122和124是用于将收发器108、 110、 112、 114、 116和118 连接到光总线IOO的光次组件的示例，其中收发器108、 110、 112、 114、 116 和118是节点104、 106的示例。收发器可以是例如传感器的外围设备的组成 部分。
如前面所述，当几段光缆被连续地插入连接器中时，可形成光纤101。虽 然光纤101在物理结构上可以是分离的光纤，光纤101像完整的光纤一样工作， 如在以下更详细描述的。连接器120、 122和124使得光能够穿过，从而使得 总线上的其它节点可获得光。同时，连接器120、 122和124还使得节点104、 106能够在光纤101上提取并发射光。
包括主收发器102的每个收发器通常同时具有发送组件和接收组件。收 发器的接收组件用于检测由光总线100承载的光信号，而发送组件用于将光信 号发射到总线100上。因此光纤101承载由收发器102和由不同的节点104、 106产生的所有信号。总线IOO上的通信可以是全双工、半双工、双向的，使 用一个或多个波长、等等或其任意组合。
如图1所示，除了主收发器102，光总线IOO对于每一个链路或节点都具 有收发器。如前面所述，传统的点对点链路对于每一个链路需要2个收发器。 除了主收发器外，本发明的实施方式对于每一个链路或节点需要一个收发器。 另外，在一个实施方式中光纤101可以是封端的。此外，在一个实施方式中， 所有的链路可通过相同的光纤101发送和接收信号。
图2A和图2B示出了在总线中使用的光纤的示例性部分。图2A所示的 部分199可出现在或包括在，例如连接器120、 122和124的每一个中。该部分199使得光能够穿过连接器，并使得光能够被连接到位于部分199的光纤的 节点提取/发射。允许光穿过特定的连接器使得进一步沿着总线的其它节点能 够在光总线上具有光通信。
图2A示出了与光纤212对准的光纤210。倾斜镜面208形成在光纤212 上。镜面208位于光纤212的一端或边缘，从而使得由光纤210和212承载的 光信号能够利用反射从光纤被提取或发射进入光纤。通常镜面208形成在光纤 212的一端并被研磨。在一些示例中镜面208也可被涂覆一定波长的涂层。例 如，特定波长可被镜面208反射，同时其它波长穿过镜面208。
在一个实施方式中，光纤210和212是没有中断的连续光纤，且镜面208 可形成在该连续光纤中。可通过在连续的光纤中创建分接头来形成镜面208， 该分接头使得光能够如所描述的被适当地被反射。图3D，举例来说，示出了 连续光纤390，在其中形成有插入式分接头392。分接头392可用作镜面，以 与镜面208相似的方式来反射光。
在这个示例中，光纤210的芯200由包层202包围，光纤212的芯204 由包层208包围。在光纤210、 212中传输的光能够利用镜面208从光纤210、 212被提取或引入光纤210、 212。在箭头205方向上行进的光被镜面208或图 3D所示的分接头392反射出光纤。在箭头207方向上朝向主收发器行进的光 被镜面208反射进入光纤。
图2B是光纤212的端视图。如上所述的芯204由包层206包围。在一个 实施方式中，光纤212具有方形芯204，尽管芯204的角可能是圆的。基本上 方形的芯有助于快速模混合。在一个实施方式中，这使光纤充满光，并确保可 以利用镜面208从光总线提取光。光纤212，以示例的方式并不受限制，可以 是200/220光纤，从而使得芯204的宽度为200微米。
镜面208用于提取和传输光纤212中的光信号。镜面208的部分214可 由发射器218使用以发射光信号进入光纤；镜面208的部分218可由接收器 220使用以从光纤接收光信号。以示例但不受限制的方式，部分214的面积可 以是400平方微米(20微米x20微米)，而部分216的面积可以是3600平方 微米(180微米x20微米)。
如果发射器218使用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，那么其能够将 光信号发射进入具有高数值孔径(NA)的部分214。因此，部分214提供将近100%的高发射率(launch efficiency)。在这个例子中，耦合从光纤212输 出的光的接收器220利用了镜面208的90%的输出。接收器220使用的光电二 极管的形状可被调整以适应部分216的形状。这能够最大化被接收机220中的 光电二极管检测到的光的量。另外，发射器218中的VCSEL、接收机220中 的光电二极管以及任意的监测光电二极管可形成在相同的基板上。本领域的技 术人员能够理解，对于部分214和216可使用其它的尺寸和形状。
接收机220可通过仅分支出芯204的一部分来读取光纤212中承载的全 部信号。另外，可以仅利用如图2B所示的芯204的一小部分，在光总线的主 收发器和任一节点处发射具有全功率的光。
图3A示出了可用于例如图1所示的总线100的光总线中的连接器300的 实施方式。连接器300是光次组件的一个实施方式。连接器可与收发器形成为 一体，或适于使得收发器能够连接到光次组件。连接器300包括连接器结构 312，其在这个示例中用作连接器300的壳或主体。线缆324具有插头322， 插头可移动地与连接器300相连，例如在连接器结构312处与连接器300相连。 如果需要，线缆324和328可永久连接到连接器300。
线缆324和328的每一个分别容纳光纤302和304。光纤302和304从插 头322、 326延伸，使得当线缆324、 328完全插入连接器300中时，光纤302 和304的端部与光纤306相邻，从而使得光纤302和304与光纤306光耦合。 这种排列使得光总线能够像光纤是单个连续光纤一样工作。
对准结构310安装在连接器结构312的内侧，并当光纤302和304插入 或以其它方式连接到连接器300时引导光纤302和304。为了促进光纤302和 304的适当定位，对准结构也可具有光纤停止器(stop)。
对准结构310确保相对于光纤306准确地定位光纤302和304。光纤302 和304与光纤306的准确对准确保光在光纤302、 304和306之间有效地耦合。
在一个实施方式中，对准结构310可具有倾斜边缘，使得光纤302和304 能够更容易地插入连接器300中。光纤306通常被研磨，并具有形成镜面308 的倾斜表面。镜面308是倾斜的，以耦合进出光纤302和304的光。在另一个 实施方式中，连接器结构312可被配置为与现有的波形因数耦合。
虽然图3A示出了光纤306在物理结构上独立于光纤302和304，光纤306 可选地是例如光纤304的连续部分。在任一情况下，光纤306的一端具有倾斜表面，以形成镜面308或如前面所述的反射表面。
对准结构310可包括结构上的停止器，从而使得倾斜表面308或镜面相 对于收发器314在结构300中适当地定位。在另一个实施方式中，光纤302、 306和308是单个连续的光纤。在这种情况下，例如，如图3D所示，镜面308
形成在光纤中。
连接器300还包括安装位置311。安装位置311可包括位于其中的透镜 330，或透镜可与收发器314—体形成。安装位置311用于耦合连接器300和 收发器314。收发器可以是连接器300的组成部分，或在安装位置311可移动 地连接到连接器300。透镜330将来自光纤306的光耦合到收发器314的接收 器，和/或将来自收发器314的发射器的光耦合到光纤306。
图3B示出了连接器300的另一个实施方式。在这种情况下，连接器301 基本上与图3A中的连接器300相同。然而，连接器301包括第二安装位置321 ， 其使得第二收发器332能被安装或连接到连接器301。透镜336可用于在光纤 306和收发器332之间耦合光。
图3B中的虚线336表示在主收发器、其它节点和收发器314之间的总线 上出现的光的路径。虚线334表示在主收发器、其它节点和收发器332之间的 总线上出现的光的路径。在另一个示例中，光纤306可包括位于镜面308对面 的第二镜面338。
具有多种配置的连接器300的光总线使得总线能够用于多种情况中。一 些实施方式是全双工、双向的、以及利用单一波长或多波长的光。另一些实施 方式是半双工、双向的、以及利用单一波长的光。
图3C示出了连接器的另一个实施方式。在这个示例中，对准结构310与 中心光纤346—起被示出。在这个示例中，光纤346在一侧包括镜面362，在 另一侧包括镜面360。光总线通过收发器350与节点364耦合。在这个示例中， 收发器350包括光组件354和光组件352，其中光组件354包括发射器和接收 器，光组件352包括发射器和接收器。
该实施方式使得节点364能够与主收发器366、在节点364和主收发器 366之间的其它节点、以及远离主收发器的节点368通信。光组件利用镜面362 来与主收发器366接收并发送光信号，并利用镜面360与下游节点368通信光 信号。如此，节点364能够发送/接收在光总线中双向行进的信号。图4示出了能够容纳多个传感器的光总线的一个实施方式。总线400包
括产生第一波长410的收发器402。第一波长410能够在总线400上被传输到 一个或多个传感器406和408。每个传感器406、 408包括能够接收并发送光 信号的收发器。因此，每个传感器406、 408也能够将数据传输回收发器402。 传感器406、 408利用这里描述的光次组件的实施方式被耦合到光总线。
由传感器406和408采集的信息在总线400上被传输回收发器402，然后 传输到分析数据并可基于该数据执行操作的控制模块、处理器或其它计算机 (可以是通用计算机或专用计算机)。举例来说，收发器402用于将控制信号 和/或数据传送至传感器406和408，并从传感器406和408传送回控制信号和 /或数据。
例如，使用器件414,从而使得多于一个收发器能够连接到光总线。可涂 覆器件414，使得波长410穿过器件414，而波长412被器件414反射。利用 器件414，收发器404能够用于向传感器406和408传递光功率。从而，光功 率在波长412 (例如，950nm)上被传递到传感器406和408，同时数据在收 发器402与传感器406和408之间利用波长410 (例如，850nm)来传输。可 选地，收发器404可用于将另一个波长引入光总线。如前面所示，连接器可包 括涂层，或者节点中的收发器可包括涂层，以确保检测到并处理适当的波长。 这使得控制系统与多个节点同时通信。
如果收发器404的发射功率大于3dBm，接收器灵敏度在1 Gb/s时为-22 dBm、或在10Mb/s时为-42dBm，实际的分接头损耗为-0.75dB，降耗为-lldB， 光总线在1 Gb/s时可具有约16个节点、或在10Mb/s时可具有约40个节点。 另外，在一个实施方式中，数据可在总线400上异步和半双工传输。
传感器406和408中的每一个可包括多种半导体结构。由于如图2B所示， 本发明的实施方式使用相对较大的部分220来从光纤提取或接收光信号，传感 器406和408上的收发器的接收器部分可适于多种用途。例如，接收器的一部 分可用作检测器。接收器的另一部分可包括光电池，其在光出现的时候产生电 流或功率。在这个示例中，收发器404可将光功率分配给连接到光总线的节点。 如此，可将来自收发器404的功率传递到节点，并可将光电池调节到由光收发 器404所传输的光的波长。产生的电流可用于给电池组(如果在该节点有一个 的话)再充电，向收发器的发射器部分中的激光器提供功率，从而使得传感器能够通过光纤传输回数据，等等。在一个实施方式中，该结构本质上可以是单
片电路。这种结构的一个示例在美国公开文献No. US 2004/0208600 Al和美国 公开文献No. US 2003/0223756 Al中示出，在此引入其作为参考。
不同节点的功率要求(目的在于接收和/或发射)可取决于它们在光总线 上的位置。由于光总线的长度可能在实质上不同(例如，几米到几千米)，节 点可被配置在它们的功率要求内。例如，邻近主收发器的节点可以以较小的功 率发射信号，或因此比远离主收发器的节点暗。控制能够通过光总线传递，并 能动态调整。主收发器的光功率也能够根据节点的位置变化，该位置是数据的 计划目的地。例如，对于总线上离主收发器最远的节点，主收发器可以以较高 的功率发射，而对于那些较近的节点，可以用较低的发射功率。
在一个实施方式中，总线400用于有效地减少实现多重光链路所需的部 件。主收发器402和传感器406之间的链路与主收发器402和传感器408之间 的链路可出现在相同的光纤上。尤其是，如图3A和图3B所示，光次组件的 形成使得连接在光总线400上的每个节点能够与主收发器通信。因此，更多节 点附加到总线并不需要附加的光纤或配线，仅需要在现有的总线上加另一个连 接器。
图5示出了利用光总线的部署系统的一个示例。系统500包括发动机控 制模块502。发动机控制模块502包括收发器503。在这个示例中，收发器503 可以是用于发射控制信号和数据的收发器，以及用于传递光功率的收发器。因 此，发动机控制模块502可包括多于一个收发器，其每一个都可以在光总线 508上发送并接收信号，光总线508可仅包括单个光纤。
光总线508连接到传感器模块504和506。每个传感器模块包括如上所述 的总线输入/输出部件，以及控制部件和传感器。发动机控制模块502于是能 够与传感器模块504和506的每一个通信。如上所述，发动机控制模块502 也可以被配置为使得传感器模块504和506可彼此通信。总线上的通信可以是 全双工、半双工、双向的，并如上所述根据光总线508的配置利用一个或多个 波长。如果传感器模块504不能工作，总线508的无源特性确保传感器模块 506持续其功能性。
图6示出了光总线的另一个实施方式，其中光总线上的每一个节点都能 够与其它节点通信。在这个示例中，所有节点606都是相等的，并经由单个连接器连接到光总线600。在这个示例中，然而，节点601包括两个激光二极管 和两个光电二极管，其通过相同的集成电路来驱动。光总线600通常在单个波 长和半双工操作下工作。这种具有光总线600的系统进一步地仅具有N个收 发器，以及分布式控制和通信。这是当利用单个光纤时的点对点链路的一个实 现方式。举例来说，这可被实现作为光背板。在这种情况下，连接器608包括 具有单个镜面的光纤，其中单个镜面使得能够进行双向通信。发射器接收器对 602为收发器601在一个方向上通信，同时发射器接收器对604为收发器601 在另一个方向上通信。如前面所述，发射器接收器对604和601由相同的电路 驱动。
本发明可在不脱离其精神和实质特性的情况下以其它具体的形式得到实 施。所述实施方式在所有的方面被认为仅是示例性而非限制性的。因此，本发 明的范围由所附权利要求示出，而非由前述说明书示出。在权利要求的等价物 的意义和范围之内的所有变化都视为在它们的范围之内。
权利要求
1、一种光学系统，其在主收发器和与光总线相连的节点之间提供双向通信，所述光学系统包括光总线，包括多个连接器结构，每个连接器结构具有中心光纤，所述中心光纤在其边缘形成有倾斜镜面；多个光纤部分，其与一个或多个所述连接器相连，以形成光路；以及多个安装位置，其形成在一个或多个所述连接器的每一个中；以及多个收发器，其连接到所述多个安装位置，每个收发器具有第一光次组件和第二光次组件，其中第一光次组件包括第一发射器和第一接收器，第二光次组件包括第二发射器和第二接收器。
2、 根据权利要求21所述的光学系统，其特征在于，所述第一光次组件利 用所述倾斜镜面的第一侧接收并发送所述光总线上的光信号，而所述第二光次 组件利用所述倾斜镜面的第二侧接收并发送所述光总线上的光信号。
3、 根据权利要求21所述的光学系统，其特征在于，所述第一和第二光次 组件使用相同的波长工作，且没有总线主控连接到所述光总线。
4、 根据权利要求21所述的光学系统，其特征在于，每个收发器能够与连 接所述总线的任何其它的收发器通信。
全文摘要
本发明公开了一种光总线。光次组件用于连接几段光纤，以形成作为总线的单个光纤。主收发器可连接到光纤的一端，且节点可连接到光次组件。每个光次组件包括具有镜面的中心光纤，其中所述镜面使得每个连接器能够将光信号反射出光纤，且使得节点能够将光信号发射到光总线上。所述光总线也可与第二收发器相连，所述第二收发器可用于将光功率传递到所连接的节点。一些节点包括两个光次组件，以使得能够在光总线上进行双向通信。
文档编号H04B10/20GK101444019SQ200680045142
公开日2009年5月27日 申请日期2006年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者弗兰克·莱文森 申请人:菲尼萨公司