专利名称：光数据链路的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及使用通用串行总线(USB)进行通信的计算机系统和设备，尤 其涉及一种在其中光传输数据和功率的光纤USB链路。
背景技术：
用来执行多种任务的计算机控制设备的近来快速发展至少部分归因于诸如各 种类型的串行总线接口这样的强大而便利的通信接口标准的发展。其中 一些已经很方便 地将远程电子动力估计并入了接口的通信功能中，从而无需额外能量来操作的外围设备 能通过通信接口而不需要在设备区域中内嵌的或者独立电源来远程供电。现在，通用串 行总线(USB)就是这样一种普遍存在的标准接口。 USB是广泛用来便于将大范围同时可接入的外围设备与主机计算机系统连接 的外围中心集线器串行总线。当主机操作时，总线允许大约127个外围设备来连接、配 置、使用和分离。例如，USB打印机、扫描仪、数码照相机、存储设备、读卡器等等通 过USB可与主计算机系统通信。USB基于的系统要求USB主机控制器存在在主机系统 中，并且主机系统的操作系统(OS )支持USB和USB大存储等级设备。与将设备与计 算机连接的其他方式相比，例如这些安装在计算机内部的平行端口、串行端口和用户卡， USB设备相对简单。如果USB设备是新设备，则OS自动探测USB设备，并且可以初 始化与用户的会话，来查找用于USB设备的驱动器。如果已经安装了 USB设备，则计 算机激活USB设备。
USB设备可与USB主机低速(LS)、全速(FS)或者快速(FS )地通信。 USB规范版本1.1支持两种不同的传输数据速率主要用于低速人机类型设备的每秒 1.5M比特的低速(LS )率，例如键盘和鼠标，和用于大多数其设备的12Mb/s全速(FS ) 率。USB规范2.0增加了用于与高速设备通信的480Mbps的高速(HS )率。在 http:〃www.usb.org/developers/docs有详细描述USB2.0协议的2000年4月27日USB规
范版本2.0,并且在此将其全部合并入本发明中。 USB设备和USN主机之间的连接是典型地通过由4针USB连接器和USB线 缆形成的四个有线接口来建立的，USB线缆包括四根电线两根电线分别用于提供5Vdc 电源信号和接地；和携带^据的双绞线，标有D+和D-,并且用于半双工差分信令来 抵制较长线路上的电磁噪声效应，以使用反转不归零码(NRZI)编码机制的数字格式 发送的数据。有利地，诸如鼠标、摄像机和/或其他设备这样的低功率设备能直接从USB连 接获取他们的功率。诸如打印机和/或其他设备这样的高功率设备具有电源，并且典型地 从USB连接获取最小功率。USB设备是热插拔的，是指可以随时插上和拔除。在任意 给定的时间高达127种设备可与任意一个USB总线连接。在系统上电时，主计算机启 动，查询连接到总线的所有USB设备，并且给每一个USB设备分配地址。这个过程称 为枚举；当USB设备在操作时连接总线时，还枚举USB设备。主计算机确定USB设 备采用的数据传送类型，例如中断模式、批传送模式或者同步模式。由于其有很多的优点和操作简单，USB协议现已经是计算机和不同种类外围 设备之间的通信流行的协议了 。现在已有能以数字格式提供功率和设备和计算机之间的 全部数据传输的带有USB接口的各种传感器、变换器和近来的GPS设备和摄像机。这 种普遍性导致接收USB协议作为外围通信的标准协议，以及繁荣了用于各种应用的数 字数据传输。但是，涉及基于4线USB线缆的通信的传统的USB链路不能长于5米，因此 对桌上型环境限制了可能的应用。这是部分由于当前USB规范对线缆延时的强加的严 格的限制，单根线缆不能超过26ns。但是，还有另一个对传统USB线缆的最大长度的 重要限制，即信号衰减，在传统的4线USB线缆中，随着信号频率快速的增加，典型 地从在lOMHz大约0.7dB/m到400MHz的5.8dB/m。这种信号衰减使得在超过5-10米 的线缆上以全速和尤其是高数据传输速率传输变得很困难甚至不可能。传统的基于铜线的链路的USB其他限制是对高磁、电压和RF域的潜在磁化， 该潜在磁化将引起USB数据传输的错误。而且，传统的基于铜线的USB线缆本身是电 磁接口 ( EMI)的来源，并且因此他们的使用能导致EMI敏感环境中的意想不到的问题。授予Lee并转让给Opticis公司的美国专利6,950,610公开了 一种光通信接口 模块，在此通过参考将其合并入发明中，该模块用于通过采用分离光纤来传输光信号的 光纤连接USB接口。但是，Lee的光纤通信接口模块仅仅部分解决了上述问题，由于使
用该通信接口操作USB设备将仍然需要两个分离的铜线VCC和GND，为远程设备供 电，或者在设备位置需要额外的电源，这在一些应用中不方便或者接近不可能。因此， Lee的光纤通信接口模块不会提供全功能全光纤替换物给USB线缆，这将在诸如EMI 敏感环境这样的不能使用传统铜线USB线缆的应用中有好处。
发明内容
因此，希望提供一种USB链路和USB接口模块，它们可在EMI敏感环境 中使用的或者出现在高磁、电和RF场，以进行远程操作并且给传统的USB设备供电。本发明的目的是通过提供光驱动光纤数据链路和光接口模块，以使用所需的 通信协议为外围设备远程供电并且对其进行操作，并且提供一种光驱动数据链路和光接 口模块，它们能工作在EMI敏感环境中或者出现在强电、磁或遮RF场中，从而克服 现有技术的缺点。根据本发明，提供一种用于为外围设备远程提供功率和对其进行操作的设备 接口模块，该设备接口模块包括光接口，连接到所述外部设备的电接口，被光耦合到 所述光接口的变换器，和信号处理器；
所述光接口用于接收来自光纤线路的上行光信号，并且通过所述光纤线路传输下行 光信号；
所述电接口包括数据端口和输出功率端口 ；所述数据端口用于根据预定数据通信协 议从所述外部设备接收输入电数据信号并且将输出电数据信号提供给所述设备；所述输 出功率端口用于将电功率提供给所述远程设备；
所述变换器用于将所述上行光信号转换成接收电数据信号和电功率，并且产生所述 下行光数据信号；
所述信号处理器包括接收电路、发射电路和功率分配电路；所述接收电路被操作连 接在所述变换器和所述电数据端口之间，用于根据所述预定数据通信协议由所述接收电 数据信号产生所述输出电数据信号；所述发射电路被操作连接在所述电数据端口和所述 变换器之间，用于由所述输入电数据信号产生电驱动信号，以驱动所述变换器来产生所 述下行光数据信号；所述功率分配电路用于将从所述上行光信号获得的电功率进行分 配，来为所述外部设备、所述信号处理器和所述变换器提供电源。所述变换器优选地包括多段光电功率转换器MSPPC,所述多段光电功率转换器MSPPC被光耦合到所述光接口，用于接收所述上行光信号；并且所述变换器还可包
括信号分离电路，以将所述探测到的电信号的功率分量和数据分量进行分离。在一个实
施例中，所述变换器还包括偏压电路，所述偏压电路用于正向偏压MSPPC的至少一段， 以产生所述下行光信号；并且所述变换器还可包括切换电路，所述切换电路用于将所述 MSPPC的至少一段在光探测操作模式和光发射操作模式之间切换。该实施例中的设备 接口模块还包括用于控制所述切换电路的控制器，其中，所述控制器可操作连接，用于 监视所述接收电数据信号和所述输出电数据信号中的至少一个，从而在探测到所述上行 传输的结束时将所述MSPPC的至少一段从所述光探测操作模式切换至所述光发射操作 模式；并且用于监视所述电驱动信号和所述输入电数据信号中的至少一个，从而在探测 到所述下行传输结束时，将所述MSPPC的至少一段从所述光发射操作模式切换到所述 光探测操作模式。本发明的这个实施例使用MSPPC来由上行光信号产生电功率而为外 部设备和设备接口模块的内部电路提供功率，从而接收上行光数据信号并且传输下行光 数据信号。
根据本发明的另一个目的，提供一种包括所述设备接口模块的光纤数据链路，所述 光纤数据链路还包括主机接口模块和所述光纤线路，其中，所述光纤线路将所述主机 接口模块与所述设备接口模块光连接。所述主机接口模块包括电接口和光变换器，所 述电接口被电耦合到主机控制器，和所述光变换器被光耦合到所述光纤线路，而所述光 变换器被配置用于将所述主机控制器提供的上行电数据信号转换成所述上行光信号； 和将从所述设备接口模块接收的所述下行光数据信号转换成用于提供给所述主机控制 器的上行电数据信号。
参见用来表示优选实施例的附图，本发明将会更详细的描述，并且其中相似的 参考标记用来指示相同的部件，其中图1是本发明光纤数据链路的示图；图2是本发明第 一实施例主机接口模块的示图；图3是示出了本发明电和光USB波形的示图；图4是用于将电USB数据信号转换成光数据信号的发射电路的示图；图5是本发明第一实施例设备接口模块的示图；图6是用于将光数据信号转换成电USB信号的接收电路的示图；图7是本发明第二实施例设备接口模块的示图；图8是信号分离电路的示图；图9是本发明第二实施例主机接口模块的示图；图IO是带有使用用来接收和发射光信号的单一PPC设备变换器电路的本发明 第三实施例设备接口模块；图11是图10示出的设备接口模块的变换电路的一个实施例的示图；图12是本发明第三实施例主机接口模块的示图；图13是图11中示出的变换器的电路示同
图14是与图13的变换器一起使用的发射器电路的可选实施例的电路示图；图15是功率分配器的电路示图；图16是多段PPC的顶视图；图17是使用图16的多段PPC的图11中示出的变换器电路的实施例的示图；图18是使用图16多段PPC的变换器电路的另一个实施例的框图；图19是图18的变换器电路的电路示图；图20是用于与图10所示的USB设备接口模块一起使用的USB主机接口模块的可选实施例的示图。
具体实施例方式图1示出了本发明主机控制器10和外部或者外围设备50之间的光纤数据链路 (ODL)5。主机控制器10,例如可将其具体化为计算机中的卡的，以及设备10优选 支持多个标准通信协议中的一个，并且其优选具有标准通信接口 。 ODL 5可通过在设备 50和主控制器IO之间提供通信信道和通过为该设备远程提供其操作所需的电功率，来 操作外围设备50 (在下文中将其简称为设备50)。通过举例说明，设备50示出为摄像 机并且具有USB端口 。在另一个实施例中，设备50可以为具有所需功能的任何设备， 可以为外部驱动的，并且具有支持一个或多个标准数据通信协议的标准通信接口 ，包括 但并不限于诸如USB、火线、I2C和RS 232支持串行总线接口标准的接口 ，和诸如DMV 和HDMI的视频接口 。在本说明书中，所使用的数据通信协议是用来表示具有数字电信 号的数据的一组标准规则，也可包含表示待传输的实际数据的规则和用于支持主机和设 备之间的通信的信令规则，诸如包或者帧的传输会话的开始和结束的信令。所示的实施例中，主机控制器10是USB主机控制器，并且该设备50具有包 括4针USB线缆61的标准USB 1.1或者USB 2.0接口 ，该4针USB线缆61具有用来 提供5V电源给该设备的VCC线路、接地线路GND和一组双绞线信令线D+和D-,所 述双绞线信令线D+和D-根据USB协议使用不同信令来支持该设备与主机控制器10 之间的双向数据通信。 ODL 5包含主机接口模块(HIM) 20和设备接口模块(DIM) 40，该ODL 5 通过光纤线路30 (具体为光纤线缆)耦合。根据具体的实施例，光缆30可以具有一根、 两根或者三根光纤，如下所描述。从主机10到设备50的数据传输在下文中被称为上行 传输，而从设备50到主机10的数据传输在下文中被称为下行传输。设备接口模块40包括光接口 41和电接口 51，将光纤线缆30的远端耦合到该 光接口 41,将设备50通过线缆61可操作地连接到电接口 51。电接口 45，优选与设备 50的通信接口相匹配，该电接口 45包括输出电功率端口和双向数据端口。在此描述的 示例性实施例中，电接口 51可以是标准USN连接器，其具有接地针GND、用于输出 5丫功率信号的电源针￥(:<3和用于根据1138协议支持数据通信的信令针0+和D-。光 接口 41和电接口 51通过收发电路42、 43和44被可操作地耦合，该收发电路将从光缆 30接收到的光信号转换成提供给设备50的功率和数据信号，并且将来自设备50的电数 据信号转换成用于在数据线路30上发送的光数据信号。变换器42被光学耦合至光接口 41,并且与信号处理电路44电连接，然后与电接口 51通过双向电连接45连接。电源 分配电路43具有输入端口和一个或多个输出输入端口，所述输入端口被电耦合至变换 器42的功率输出端口，所述一个或多个输出输入端口被电耦合至电接口 51的功率输出 端口 46,并且所述一个或多个输出输入端口还被电耦合至用于提供电功率的信号处理器 44。主机接口模块20具有光接口 27和电接口 21,该光接口 27被光耦合至与光纤 线路30的远端，该电接口 21可包括USB连接器，该USB连接器被连接到与主机控制 器10的匹配电通信接口 28 (例如USB接口 )。 HIM 20的光接口 27和电接口 21通过光 收发器23实现可操性耦合。在操作中，主机接口设备的电接口 21接收主机控制器10产生的上行电数据信 号&p,并且将其提供给光收发器23，该收发器将该信号转换成上行光信号Pup 24并且 将所述上行光信号通过光接口 27和光线路30传输给DIM 40，所述上行光信号24 包含表示上行电信号Sup的光脉冲序列。 DIM 40的光接口 41接收上行光信号A,p,并且将其提供给变换器42，该变换 器42将上行光信号转换成所接收的电数据信号47和电功率信号Sp 48。在优选实施 例中，变换器42包括光电功率转换器PPC (未示出)，该光电功率转换器用来将上行光 信号pup转换成至少电功率信号，并且优选地还用来从中提取所接收的数据信号47。 然后将所接收到的电数据信号47提供给信号处理器44，该信号处理器44包括接收 电路(未示出)，该接收电路用于产生符合设备50支持的标准通信协议的输出电数据信 号在本例中，为USB协议。然后将输出电数据信号S加提供给电接口 51并且从而提供 给设备50。由设备50产生的符合所选择的标准通信协议的通信信号被DIM 40的电 (USB)接口 51作为输入电数据信号接收，并且通过双向连接将该信号提供给信号处 理器44的发射器电路(未示出)，该信号处理器44可操作地连接在电接口 51的电数据 端口 45和变换器42之间。接收电路根据输入电数据产生电驱动信号Sd以驱动变换器 42产生下行光数据信号然后通过DIM 40的光接口 41和光纤线路30将该下行光 数据信号Pdwn传输给HIM 20。 HIM20的光接口 27接收上行光数据信号Pup,并且将其耦合入收发器23的接 收端口中，该收发器探测并处理该上行光数据信号以再生(re-produce)上行电数据信 号Sup.然后通过USB接口 21将该上行电数据信号反馈给主机控制器。有利地，本发明ODL5无需链路远端的任何额外的电功率源来操作设备50; 用于操作DIM 40和设备50所需的功率由HIM 20通过光纤线路30以光源的形式远程 提供，然后由变换器42将光功率转换成电功率，并且该功率被用来为DIM 40的内部电 路和设备50提供能源，从而两者均无需供给电功率。上行光信号尸up可包含光数据和功率信号在收发器23中在相同或者不 同的波长上使用指定的光源分开产生的Pp,然后在光纤线路30中使用两个分离的光纤 中的任意一个发送给DIM 40，或者他们能够被耦合入单根光纤。可选地，也可以由诸 如高功率激光器二极管的单一光发射器产生该信号，该单一光发射器被调制以携带上行 数据信号。变换器42可包括用于探测光数据信号的独立的光电探测器、和用来将光源 信号转换成电信号的PPC、并且还包括用于产生下行光数据信号的光源(例如LED或 者VCSEL)。但是，本发明的优选实施例使用单个PPC来将光功率转换成电功率、并且 探测上行光信号的数据信号分量。并且，一些实施例使用相同的PPC通过光纤线路30将 下行光数据信号尸dw,，传输给HIM 20，在该例子中有利地包括下行和上行光信号的单根
光纤。图2示出了 HIM 20的第一实施例100,在下文中将其称为HIM 100。在该实 施例中，HIM光收发器23包括用于接收和发送光的三个独立的设备调制光源(MOS ) 130，用于产生上行光数据信号Ad;光功率源(OPS) 145,用于产生光源信号尸p;光
电探测器(PD) 135,用于接收下行光数据信号Pdwn并且将其转换成电信号。另外，在
该实施例中的HIM收发器23还包括功率激光驱动器140和信号处理器144,还包括发 射(Tx )电路120和接收(Rx )电路125。 MOS 130使用LED、边发射激光二极管(LD )或者VCSEL,并且可以包括 用于驱动电流调制的驱动电路，正如现有技术中已知的。OPS 145能具体化为大功率激 光二极管，例如980nm泵浦激光二极管，优选地具有光纤纤头(fiber-optic pigtail )。额 外的功率源110可以用来提供足够的电功率，例如大约1W或者更大以驱动OPS 145。 MOS 130和OPS 145可发射相等的或者不同的波长的光，波长范围优选但并不限于 0.8nm-l.55nm之间的范围，因为易于直流电流调制的相对便宜紧凑型大功率光源和光发 射器在市场上能买到，并且光纤线路30的光纤具有合适的低光纤损耗。PD135可被具 体化为用来探测下行光纤数据信号的PIN或者PN 二极管，并且可包括偏压电路。OPS 145、 MOS 130和PD 135中的每一个分别被耦合(例如采用光纤纤头)至光纤连接器 141、 142和143,它们一起形成HIM光接口 27,并且依次连接到三个光纤301-303以 形成本发明实施例中的光纤线路30;这些光纤中的两个光纤301和302用来独立传输光 功率信号和光数据信号，而光纤303用于下行光传输。光纤301-303可以是单一模式或 者多模式； 一些实施例可包括单一模式光纤，例如用于传输光纤数据信号的光纤303和 302，和用于传输光功率信号的多模式光纤301。用来连接主机控制器10的HIM 100的电接口可具体为USB连接器108，所 述USB连接器108具有GND接地端口 114、提供5V功率信号的VCC功率端口 111和 用于接收和发射电数据信号D+和D-的D+和D-数据端口 112和113。根据USB协 议主机控制器10使用微分NRZI调制来传输数据包。在NRZI编码中，"l"表示电平没 有发生变化，并且"0"表示电平发生变化，从而零串引起NRZI信号每比特时间触发。参 见图3，使用不同的电压信号DK:(D+，D-)传输数据，其中，对于包中的每一个传输数 据，单端电压信号D+412和D-411呈反相变化，从而当D+信号处于逻辑"高"状态时， D-信号处于逻辑"低"状态，反之亦然。每一组采用"分组结尾，，(EOP)标记428作为结 尾，典型地为两个比特长度，当D+和D-信号411和412处于逻辑"低"状态；该USB EOP信号在下文中被称为双零信号。现参见图2和图3, Tx电路120以差分电压信号对"D+"412和"D-"411的 形式通过差分线对(differential line pair)112和113接收来自电USB接口 108的数据包， 并且将其转换成用于驱动MOS 130的单端脉冲电流或者电压信号421。这种转换可以这 样的方式实现每一个差分脉冲421 (此处，例如D+大于D-)被转换成第一振幅I,单 端的驱动电流脉冲423,该电流脉冲适用于引起MOS 130发射光脉冲433;而每一个EOP 符号427被转换为具有第二振幅12的实质上较大的电流或者电压脉冲428，该第二振幅 12实质上大于第一幅度I,。因此，MOS 130响应差分USB信号411和412而产生一序 列的光脉冲431,从而当差分信号DV具有第一极性时，例如当D+大于D-时，产生 第一强度的光脉冲，并且当差分信号DV具有与第一极性相反的第二极性时，例如当 D十小于D-时，实质上不产生光，并且当D十和D-信号都处于逻辑"低"状态时，产生 实质上大于第一强度例如大于5 0 %或更多的第二强度的光脉沖。通过例子，当D+为T时，集电极电阻465和439使得第一晶体管470将 25mA贡献给总LED电流。如果D+信号为"0",则第一晶体管479没有产生驱动电流。 当D+ = D-时，第二晶体管420贡献给的总LED电流的电流是50mA;并且当D+NOT =0-时，为零。因此，差分信号(D+,D-)的四个可能状态导致流过LED 130的总LED 电流的四个^直如下状态1: D+ = D- = '0'; LED电流=50 mA (EOP信号)状态2: D+='0', D-='1'; LED电流0mA状态3: D+ ='1', D- = '0'; LED电流=25 mA图4的Tx电路的一个优点是除了对应于规则差分高-低USB数据信号的光脉 冲之外，能提供两个特定的光信号， 一个为EOP和另一个为预留的第二信号，它们可 通过同一光纤信道进行光发送。再次参见图2, LED 130产生的光脉冲然后由MOS 130通过光纤302作为上
行光数据信号Pud发送。将光脉冲序列形式的下行光数据信号Pdw。从光纤303耦合至PD135，该PD 135将数据信号Pdwn转换成单端电脉冲信号，然后将这些信号提供给将其转换成差分 USB电压信号的Rx电路125。 Rx电路执行的操作实质上与Tx电路120执行的操作相 反，如在下面参见图5中示出的DIM200的Rx电路所描述。 OPS 145产生的光功率信号Pp优选地提供至少0.5W的电功率，即一个单元在 5V加载100mA,在来自HIM100的DIM上行。采用多段PPC可实现高达50%的功率 转换效率，例如在本发明的申请人递交的同时申请的名称为"Photovoltaic power converter"和"Multi-segment photovoltaic power converter with a center portion"美国专利 申请中描述的那样。因此，OPS 145将发射至少1W的光功率，并且优选地大约或者大 于1.5W的光功率，来解决上行DIM的电光功率转换电路的需要。这种大功率激光二极 管以多模式光纤在900-980nm波长范围内发射4W的光功率，该波长范围在市场上是可 买到的，例如从JDSU公司。由于这种大功率激光器会表现出重大的安全问题，例如在光纤制动器的例子 中，如图2所示，激光器安全控制电路111可被引入HIM 100中；当USB "握手"协议 还没有建立的时候，即在主机控制器10初始化与外部设备之间的通信之后的预定时间 间隔内(如几分之一秒)握手包还没有被HIM 100接收到，这种电路切断激光器功率供 给110。另外，这种安全特征可监视是否出现所接收到的数据信号，并且最终没有出现 这些数据信号还指示立即关闭激光器驱动器140和/或激光器功率110,从而来关闭OPS 145。可由激光器安全控制电路111通过RS 232接口发送给激光器驱动器140和/或激光 器功率110的ASCII命令来激活关闭操作。图5示出了 DIM 40的实施例200,在下文中将其称为DIM 200并且适用于 与本发明第 一实施例HIM 100 —起操作。在操作中，DIM 200接收来自光纤线路30的 光纤301和302的光功率信号Pp和上行光数据信号Pud。与HIM 100相似，DIM 200的 光接口包括光纤连接器250、 255和260,分别将光纤301、 302和303耦合到所述光纤 连接器250、255和260。在实施例中DIM变换器42包括被耦合至连接器255的PD 230,
所述连接器255用来接收上行光信号Pud;和包括被耦合至连接器250的PPC 245，所述 连接器250用来接收光功率信号Pp并且将该光功率信号转换成电功率信号。变换器42 还包括MOS 235 (例如LED或者VCSEL )，其用来产生下行光纤数据信号Pdwn，与HIM 100的MOS 130用来产生上行光信号Pud的方式相同。PD 230和MOS 235的电端口与 DIM信号处理器44的单端端口连接，该DIM信号处理器44与HIM信号处理器144执 行相同的功能并且具有大致相同的结构，同时DIM 200的Rx电路220和Tx电路225与 HIM 100的Rx电路125和Tx电路120相对应,并且具体化为如图4所示的Tx电路120。 [64] PPC 245优选为多段设备(诸如在美国专利5,342,451中所描述的那样)，或者最 优选为多段PPC (诸如受让给当前申请的受让人的名称为"Photovoltaic power converter" 和"Multi陽segment photovoltaic power converter with a center portion"的4寺4受4又的US专利 申请中所披露的那样)，该PPC能将光功率信号Pp转换成电功率信号Sp,该电功率信号 Sp具有5V电压分量或者功率转换效率大大超过50。/。，从而根据被耦合入PPC 245的1W 的光功率可获得100mA，5V功率信号。此电功率信号Sp然后被提供给功率分配电路43, 该功率分配电路43通过电接口 208(具体为传统的4端口 USB连接器)的功率端口 211 为外围设备50提供电源，并且为信号处理器44和变换器42的偏压电路提供电源。通 过例子，功率分配器43在USB接口 208的功率端口 VCC 211处通过5V反馈线路228 来提供5V功率信号，并且通过其驱动100mA的电流，从而提供大约500mW的功率来 操作外部设备50,并且通过3.3V电反馈229将200mW的电功率提供给DIM 200电路 44和42, PPC 245通过转换携带大约1.4W光功率的光功率信号Pp来提供700mW的总 电功率。 PD 230将上行光数据信号Pud转换成接收电数据信号Srd,该信号可以是脉冲 光电流的形式或者脉冲电压的形式。该接收电数据信号Srd被提供给Rx电路220，该电 路220将该信号转换成用来再生上行数据信号Sup的差分USB兼容的输出数据信号S。ut, 该上行数据信号Sup由主机控制器110产生并由HIM 100转换成上行光数据信号Pud。 Rx电路220的一个实施例如图6所示。该Rx电路220的实施例假定PD 230 包括电流电压转换器，例如阻抗放大器(TIA)，从而Srf信号是由对应于图3的光脉冲 431的一序列电压脉冲构成的电压信号，每一个数据脉冲是由具有超过第一参考电压V! 但是低于第二参考电压(V2〉 的峰值电压的光纤数据脉冲433产生，并且每一个 EOP电压脉冲即接收Srd信号中的电压脉冲对应于光EOP脉冲438,其具有超过V2的峰 值电压。图6的Rx电路包括输入单端端口 550,该端口将来自PD 135以电压脉冲序 列形式的接收单端数据信号Srd提供到两个双重电压比较器555和540中的每一个的正 输入端，其负输入端分别与参考电压V2的源端505和参考电压V,的源端545相连接。 举例说明，Vi二2V且V2二3V,从而源端505提供3V参考电压，而源端545为各个 比较器545和555的负输入端提供2V参考电压。2V和3V参考电压是来源于功率分配 器43的3.3V电压输入，其驱动与每一个比较器负输入端相连接的一对分流电阻(未示 出)。 一对分流电阻形成分压器，将电压3.3V分成2V和3V的参考值。图6的Rx电路通过由单端"OUT-"端口 535和单端"OUT+"端口 525构 成的差分输出端口 ( 535,525 )输出差分数据信号S。ut。使用终端电阻530和520的比较器540用作数据输出驱动器在输入信号Srd 小于2V时，则在'OUT-，端口 535提供逻辑'l',在'OUT+，端口 525提供逻辑'O，，从 而产生差分USB信号'0';在输入信号Srd为2V和3V之间的值时，'OUT-'端口 535提 供逻辑'O，，在'OUT+，端口 525提供逻辑T ,从而产生差分USB信号'1，。当输入 Srd大于3V时，第二比较器555通过电阻器510驱动晶体管515的基极，并且使晶体管 达到饱和，从而使'OUT+'端口 525的信号变为"0",使比较器540的正输出端过载 (over-riding)。结果输出的差分电数据信号S。ut是以USB协议兼容的形式，并且它们被提供 给USB接口 208的D+端口 211和D-端口 213，以与外部设备50的USB接口进行通信。外部设备50产生的下行数据包经由电接口 208的双向D+端口 1U和D-端口 113由DIM 200接收为差分电压脉冲形式的输入电数据信号Sin = (D+, D-)。将该差分数 据信号提供给Tx电路225，该Tx电路225具体化为如图4所示的那样，并且能像参见 HIM 100的Tx电路120所描述的那样进行操作，产生用于驱动MOS 235的脉冲电流形
式的单端驱动信号Sdr，从而产生下行光数据信号Pup。上述描述的本发明的第一实施例使用PD 230和PPC 245这两个差分光接收 器，来接收光功率和数据信号。图7示出了本发明第二实施例DIM300,其中这些功能 由PPC 245执行。注意图7和图5使用了同一参考标记来指示同一特征。在该第二实施 例中，变换器42是由两个而不是三个光电设备组成单光线接收设备(即PPC 245)和 MOS 235，并且上行光数据和Pud和光功率信号Pp使用单根光纤301当作单一上行光信 号P叩Pud + Pp来发送，因此与DIM200相比可省去光导电缆30中的一根光纤和一个 光探测器。在操作中，PPC245将上行光信号Pup转换成接收光信号Sr，该信号然后被传 送给信号分离电路(SSC) 223，该电路223将该信号分为电功率信号Sp和接收电数据
信号Srd,该接收电数据信号Srd可以以单端脉冲电压信号形式。这些信号然后分别被传 输给功率分配电路43和信号处理器44的Rx电路220,然后对这些信号进行处理,如参 见图5所描述的那样。参见图8,SSC223的一个实施例包括功率提取电路630和信号提取电路635, 它们各自的输入端与PPC 245的正极终端相连接。PPC 245的正极终端处产生接收电信 号Sr ,该信号具有至少5V或更大的电压分量，并且被耦合入功率提取电路630,该功 率提取电路通过肖特基(Schottky ) 二极管整流器605和分路电容620获得电功率信号 Sp,并且通过功率输出端口 615将该功率信号Sp提供给功率分配电路43。功率提取电路 630的输出端的可选的法拉电容(super-c叩acitor) 624充当电功率蓄电池，以在PPC 245 不提供电功率的时间间隔期间为DIM电路和外部设备50提供电功率。在优选的实施例 中，PPC 245根据上行光信号P叩在其正极终端产生至少5.5V的电压。信号提取电路635包括充当开关的晶体管655,通过数据输出端口 670将晶 体管655的集电极电压提供给Rx电路220作为接收数据信号Srd。通过R-C并联电路 650将来自PPC 245的正极的接收电信号Sr耦合入晶体管655的基极。当PPC 245接收 光脉冲时，电流流进晶体管655的基极电路，使所述晶体管饱和，并且使得集电极电压 基本上变为零，与输出数据端口 670产生的逻辑'0'相对应。在光脉冲之间当PPC 245 基本上没有接收到光线时，晶体管655的基极电路中的电流切断，迫使晶体管655切断 和阻止电流穿过集电极。这就允许集电极电阻器R2将集电极电压上拉(pull up)到接 近3.3V,从而在输出数据端口 670产生逻辑'1'。参见图9,示出的HIM 400能与图7的DIM 300 —起来操作而形成本发明第 二实施例的0LD5。 HIM 400与HIM 100不同，在HIM 100中采用光学多路复用器将 MOS 135产生的上行光数据信号Pud和大功率激光器145产生的光功率信号Pp合并为单 一光束，该光束被耦合入光纤301中。光多路复用器在实施例中可以被具体化为波长复 用器，其中光功率信号Pp和上行光信号Pud在波长处是分开的，例如，如果MOS 135 是工作于1.3 pm处的直接调制的VCSEL，而OPS 145是980nrn泵浦激光二极管。可选 地，例如在实施例中其中OPS 145和MOS 135基本工作在相同的波长，复用器550可 以为偏振复用器。在另一个实施例中，可省去MOS 135和光复用器550，并且可用来自Tx电
路125的输出信号来调制OPS 140的驱动电流，如虛线640所示。当OSP 140被具体化 为发射1W功率的980nrn泵浦激光二极管，这种直接电流调制能在调制率高达至少 1.5Mbps或者更高时起作用。参见图10,根据本发明第三实施例示出了 DIM 500。在该实施例中，DIM 550 的变换器445使用PPC245作为单一光电转换器，来接收携带光功率和数据的上行光信 号Pup,并产生下行光数据信号Pup。在本实施例中，连接DIM 500与下行HIM的光线 30由单一光纤301组成，光纤301支持上行和下行光信号的传输；因此，DIM 500的光 接口包括单个光纤端口/连接器250，光纤301被耦合至所述单个光纤端口/连接器250。 在此充当图1中的变换器42的变换器445包括PPC 245,并且可以包括诸如PPC偏压 控制电路和信号分离电路的额外电路，如下所描述。参见图11 ，变换器445的实施例445a包括偏压和信号转换电路(BSS ) 720, 该电路(BSS )720将PPC 245从光电探测操作模式切换为光发射操作模式；和SSC 223， 当PPC 245工作在光电探测模式时所述SSC 223将接收电信号Sr的功率和数据分量分 离开。PPC245优选地是包括多个顺序连接的P/N或PIN结的单片电路多层半导体设 备，例如美国专利5,324,451中描述的多段半导体功率接收器，或者更优选为如在名称 为"Photovoltaic power converter"和"Multi-segment photovoltaic power converter with a center portion"待审专利申请中所描述的。在光电探测操作模式(在下文中将其称为PD模式)中，PPC245是零偏压或 者反偏压的，从而P/N结中的电场将光产生的电子和空穴分开，从而在PPC245的阳极 端和阴极端之间产生电势差，或者如果阴极端接地，那么在阳极端会产生正的光感应电 压，如实施例中所示的那样。在光发射操作模式(在下文中将其称为LED模式)中， PPC245是正向偏压的，从而电子和空穴被注入P/N结中，并且在其中重新结合生成光 子，并且PPC如同LED —样工作。现参见图12，示出了能与DIM 500 —起操作来形成本发明第三实施例中的 ODL5的HIM 600。 HIM 600不同于HIM 400，主要有两个方面第一，OPS 145用来 产生光功率信号Pp和上行光数据信号Pup:为了这个目的，信号处理器144的Tx电路 125的输出^皮耦合入OPS 145的驱动电路640,以调制OPS 145的驱动电流，从而OPS 145 产生光脉冲，该光脉冲携带主机控制器产生的上行数据信号。然后将携带光数据和光功 率的上行光信号Pup提供给光环行器650,该光环行器650将该信号耦合入光纤301,以 传输给DIM 500。同 一环行器650通过光纤301将从DIM 500接收到的下行光信号耦合
入PD 130,以将该信号转换成电数据信号，如下文参见HIM 100所描述的那样。通过HIM600的USB接口 108,主机控制器10可通过产生PING包的方式来 启动与连接到DIM 500的USB接口 208上的外部设备50之间的通信。接收到该包后， HIM 600产生携带光脉冲方式的PING包的上行光信号Pup，该信号P叩在光纤301上传 输给DIM 500,如上参考HIM100所描述的那样。再回到图11, PPC 245在DIM 500处接收上行光信号，该PPC 245在默认 情况下以PD模式操作，其中它是零偏压或者反偏压。在这种操作模式下，PPC 245首 先将上行光信号Pup转换成接收电信号，该电信号被耦合至SSC 223。 SSC 223获得电功 率信号Sp,其优选具有至少5V的电压分量，然后将该电功率信号Sp传送给功率分配器 43 (如图10所示)。功率分配器43将3.3V电压提供给SSC 223的信号提取电路635, 该电路充当电源并且从接收到的电信号Sr中提取接收电数据信号Srd,如参见图7和图 8上面描述的那样。将接收电数据信号Srd提供给Rx电路220,该电路220根据USB信 令格式将其转换回差分信号S。ut,从而再生由主机控制器初始产生的USB "PING"数据 包。 —旦产生携带PING包的输出差分信号S。ut,可以通过切换BSS 720来实现 PPC 250的正向偏压(forward biasing),并且用驱动信号Sdr调制PPC 245。 —接收到携带PING包的输出差分USB信号S。ut后，外部设备50就产生差分 USB信号Sin = (D+, D-)形式的USB握手包，并且通过USB接口 208的D+和D-信令 端口 212, 213将其发送回UIM 500,其中信号处理器44的Rx电路220接收该信号， 并且将其转换成单端电驱动信号sdr,然后可将该电驱动信号Sdr以电脉沖序列的形式提 供给变换器445的PPC 245。正向偏压PPC 245响应电驱动信号S&而产生下行光信号 Pup，所述下行光信号Pup由光接口连接器250耦合入光纤301,该光纤301将所述下行 光信号Pup传输给HIM 600,其中信号处理器144的Rx电路102接收该信号。图13进一步详细地示出了图11的变换器电路445a的一个可能的实施方式。 PPC 245的阳极端被连接到上述描述的SSC 223,并且与BSS 720连接，该BSS包括单 个转换器773 、774和775，转换器774与并联组合的转换器773和775串联连接在PPC 阴极和功率分配器43提供的-5V供电之间。所述切换器773和775在下文中分别被称 为EOP开关和数据开关，而由于切换器774接近LED操作模式被称之为偏压开关。切 换器773和774由控制器771控制，该控制器优选被具体化为低功率微控制器，例如 Atmel公司的ATtinyl3微处理器，但还可以使用其它类型的逻辑设备，如现有技术中所
知的，其例子包括微处理器、FPGA等等。数据转换器773的控制接口如所示的那样通 过控制线787与Tx电路225连接，并且接收单端USB数据信号D+。切换器775和774 的控制接口分别与控制器输出端口 PB4和PB3连接。图14示出了 Tx电路225的实施例225a，其适于与图13的变换器445a—起 操作。Tx电路225a实质上是图4所示的Tx电路的输入部分，包括XNOR门440,但 是没有相应的晶体管470和420。图14的两Tx电路225a的两个输出端口 416和435 分别与控制器771的输入端口 PB0和PB1连接，以提供D十信号和E二XNOR(D+,D-) 信号。控制器771的第三输入端口 PB2被耦合到SSC223的数据输出端口 670。在PD操作模式中，当PPC 245接收上行光信号Pd时，切换器773-775都打 开，从而没有电流流过BSS 720,并且PPC 245实质上是零偏压。在PD模式中将PPC 245 产生的接收信号Sr提供给SSC 223,以提取功率Sp和数据信号Srd,如上文中所述的 那样。对控制器771进行编程来监视在控制器PB2端口提供的接收数据信号Srd,并且 根据该Srd信号控制偏压切换器774。 一旦上行传输结束，控制器771将关闭切换器774, 例如通过在端口 PB3产生控制信号XMITENABLE。上行传输和PD操作模式的结束可 以通过预定时间间隔内缺少的Srd信号表示或者通过具体的"传输结束"(EOT)信号来 表示，例如Srd信号中的具体脉冲或者脉冲序列。关闭偏压开关774会启动LED操作模式。在该模式中，数据开关773当作快 门来操作，并且直接由来自Tx电路225a的D+信号控制。例如，通过控制线787接收 到的逻辑"1"可引起开关773关闭，而接收到逻辑"0"可使得开关773打开。当开关773 和774都关闭时，PPC 245正向偏压从而例如25 mA电流从PPC 245和R3电阻器784 流出，使得PPC245发射第一强度的光，从而将逻辑"l"光下行传输到相关联的HIM。 当开关773打开时，PPC从-5￥供电电压断开连接，并且PPC不发射光，该PPC通过 光纤301下行传输逻辑"0"。应该注意的是在传输逻辑"1"期间LED模式的PPC 245的阳极的负极性驱 动晶体管655和Schottky 二极管605切断，从而在SSC 223的输出端没有信号产生。 Schottky 二极管605还执行切断PPC 245的存储超级电容功率(stored supercap power )， 从而将存储在超级电容625中的功率提供给功率分配器43,该功率分配器43可为所有 电路提供大约250 ms的功率。在GND和-5V之间仅仅切换PPC的一边，有效地将PPC 与SSC 223和功率分配器43分离，从而减少了所需的晶体管开关的数目。控制器771被进一步编程以监视￡和4iL.T)^J各225a的可选的D+信号，
并且在PB4端口产生打开或者关闭EOP开关775的EOP—1信号。在一个实施例中，控 制器被编程来产生第一 EOP—1信号(例如逻辑'T，)和第二 EOP—1信号(例如逻辑"0"), 当E是逻辑"1"时，所述第一EOP—l信号将EOP开关775关闭，而当E是逻辑"1"时， 所述第3EOP—1信号将EOP开关775打开。因此在EOP信号传输期间，数据开关773 打开，而EOP切换器775关闭，从而从PPC 245和R4电阻器783流出例如50 mA电 流，引起PPC245发射第二强度l2的光，该第二强度12的光实质上大于第一强度，优选 至少大于50%,从而将EOP符号光传输下行至相关联的HIM。图15示出了功率分配器电路43的示例性实施例。如图所示，电路将在输入 端口 801接收到的dc电压形式的电功率信号Sp分别转换成为输出端口 821、 822和823 的DIM 500使用的稳定电压(regulated voltage ) +5V， +3.3V和-5V。电功率信号Sp驱 动两个低压差稳压源(dropout (LDO) regulators ),所述两个低压差稳压源直接被连接到 输入端口 801、 +5VLDO810 (其在输出端口 821产生的+5V电压)和3.3V参考LDO 稳压器820 (其在输出端口 822产生+3.3V电压)。稳压器810和820由"ENABLE，，信号 控制，从而保持稳压器810和820关闭直到Sp电压升到较高的值，例如4.3V,以确保 当功率提取电路630的电容620和可选的超级电容625在从0V充电时的充电阶段的PPC 稳定性。监控/阈值探测器805使用零电压信号给其"ENABLE"针而使电压稳压器810保 持关闭状态直到功率信号Sp的电压分量上升至几个伏特，以在外加负载之前启动PPC 这样可确保启动稳定且成功。当PPC电压上升大约4.5V时，监控/阈值探测器805在延 迟大约140毫秒后切换使能信号至"高"。LDO稳压器810和820然后被启动，并且分别 输出+5V和+3.3V。稳态PPC电压可以大约在5.5V和6.2V之间。电容C2、 C3、 C4、 C6、 C7和C8用来稳定功率分配器43电路并且将其噪 声减少。可选的-5V稳压器815被连接到LDO稳压器810的十5V输出端，从该+5V 输出端接收稳定的5V信号。该稳压器与其相关联的电容C1和C5 —起将十5V信号转 换成-5V信号，以用于参见图13和19所描述的LED操作模式的变换器445的实施例。在图11和13的实施例中，PPC245没有将电功率提供给LED操作模式下的 DIM 500。在一个实施例中，LED模式的DIM所需的操作电功率由超级电容625提供， 举例说明可以具有0.1法拉。变换器445a的Tx模式的持续时间可以被限制为时间间隔 Tl,如250毫秒，在该期间，该电容仅仅部分放电，从而在功率分配器43的输出端的 电压下降不超过0.5V 。 —旦到达LED模式的最大持续时间，控制器771将变换器445a切换回PD
操作模式，例如通过打开偏压开关774,其中从HIM下行接收光功率。当控制器77识 别到从Tx 225a接收的数据信号中存在EOT信号时，也将会将所述变换器445a切换到 PD模式。在一个实施例中，接收自Tx电路225&的数据信号0+和￡首先由控制器771 緩存，然后在LED操作模式中将这些信号应用至数据开关773和EOP开关775。这种 数据緩存使得DIM 400同时接收来自设备50的电下行信号和来自HIM 500的光上行信有利地是，本发明第三实施例DIM 500使用单个PPC设备来执行三个功能一 探测上行光数据信号、生成下行光数据信号和将光功率转换成电功率(为DIM 500和设 备50供电)。在参见图11描述的实施例中，总体上，将PPC 245在Rx模式和Tx模式 之间切换，从而当PPC 245处于Tx模式时，入射光不被转换为电。待审的美国专利申请名称为"Multi-segment photovoltaic power converter with a center portion"描述了具有独立偏压部分或者段的PPC,从而PPC的一个部分可以用作 光发射器，而PPC的剩余部分可用作光探测器和/或光电功率转换器。这种PPC的示例 性实施例700如图16中所示，其示出了接收光的设备的表面。PPC 700包括形状如环形 段的5个段701-705,这些段放置在中心圆形段722的外围；5个环形段701-705在此将 被统称之为圆环部分。段701-705和724是由电缆沟730分开，并且每一个包括p-n结的半导体异 质结构，p和n层平行于图平面。中心部分可包括两个p-n结， 一个在另一个的上部。 在一个实施例中，环形段701-705的5个p-n结通过金属互连桥实现串联电连接，该金 属互连桥将一个环形段的p层耦合到邻近的环形段的n层，从而当设备接收光时，用穿 过环形段的每一个p-n结产生的电压的总和来在接触垫722和723之间提供较高的PPC 电压VPPC。中心段724的P-n结的P和n层是电分离的，它们被耦合到另两个接触垫(未 示出)。有利地是，PPC 700的部分，即中心段724的p-n结，或者如果中心段724 具有两个或者多个pn结时pn结中的 一个，可以独立于pn结串联连接的环形段701 -705 而被偏压；例如，PPC 700的中心部分725可以正向偏压来发射光，而环形段701-705 可以是零偏压或者反偏压来探测光并且将其转换成电信号。应当理解的是，其他段组合 是可能的，其中PPC的段的p-n结被连接以形成两个电分离的能独自偏压的设备部分或 者段。现参见图17，变换器445的实施例445b使用图16的PPC 700作为PPC 245。 PPC 700的电分离设备部分分别用标记有参考标记745和740的二极管符号示意性示出。 举例说明，第一设备部分740，此处也被称为接收部分，对应于串联连接的环形段 701-705;而第二部分745,此处也4皮称为发射部分，对应于PPC 700的中心段724。 PPC 700的发射部分745借助于电流驱动信号Sdr直接独立于其接收部分740,该电流驱动信 号Sdr由Tx电路225 (如图4中所示出的Tx电路)产生。 该实施例中的DIM 500的操作方式基本上与上述参见图7所描述的DIM 300相同，除了上行光信号P叩的功率和数据分量通过单个光纤301接收。当上行光信 号P叩击中(impinge ) PPC 700时，在该实施例中大致零偏压的接收部分740将所述上 行光信号Pup转换成接收电信号Sr。然后将接收电信号Sr传送给SSC 223,该SSC产生 电功率信号Sp和接收数据信号Srd，如上所描述。在下行路径中，设备50响应主机产生的信号(例如握手包)而产生一个或 多个USB包，Tx电路225再次将其转换成驱动信号Sdr,所述驱动信号Sd「驱动第二部 分，即传输部分745。传输部分745是正向偏压的，从而以光脉冲序列的形式发射下行 光信号Pup，其中每一个光脉冲对应于接收自设备50的D+或者D-USB信号中的一个 的任一"高"状态，或者对应于指示包结束"双零(double-zero ) " EOP符号，在该例子中 各自的光脉冲具有较大的幅值，如上所描述。有利地是，如果光功率信号Pp由下行HIM 600的OPS 145连续产生，并且 不要求PPC 700的第 一部分740或者第二部分745在正向偏压和反向偏压之间进行切换， 那么当接收到下行光数据和当产生上行光数据时，变换器445b都能够产生电功率。参见图18,示出了变换器445的另一个实施例445c,也使用多段PPC700， 但是采用一种组合了变换器445a和445b的特征的不同方式。在该实施例中，PPC 700 的第一部分740提供电功率信号Sp,而PPC 700的独立偏压的第二部分745在PD操作 模式(其中为零偏压或者反向偏压，并接收上行光数据信号)和LED操作模式(其中 为正向偏压，并且发送下行光数据信号)之间切换。有利的是，PPC 700的第一部分在 PD操作和LED操作模式中都为零偏压或者反向偏压，因此只要由下行HIM提供光功 率信号就可连续地给DIM 500和设备50提供电功率，使用偏压开关765和信号开关775 将PPC 700的第二部分745从PD操作模式(此时为反向或者零偏压)切换成LED操作 模式(此时为正向偏压)。现参见图19,示出了图18的电路的一种可能的实施方式，其中偏压开关765 和信号开关755具体为控制器820控制的双刀双掷(DPDT)开关801,该控制器820可 以具体化为参见如上所描述的控制器771。图19中所示出的DPDT开关801的第一状 态对应于LED操作模式，其中PPC 700的LED/PD部分745是正向偏压的，并且由来 自Tx电路225的Sdr电流信号驱动，该Tx电路225又能可被具体化为图4的电路120。 控制器820可以监视来自Tx电路225的D+和E信号来探测下行传输的结束，并且一 旦探测到传输结束，会在其PB3针处产生控制信号XMIT ENABLE,以将DPDT开关 801切换到第二状态，所述第二状态对应于PD操作模式。在第二状态中，PPC 700的LED/PD部分是反向偏压的，并且将接收到 的上行光数据信号Pud转换成光电流，该光电流由跨阻放大器电路822转换成电压信号， 该电路包括TIA 810和可选的后置放大器单元815。 TIA电路822在其输出端口 825产 生电压脉冲序列形式的接收电数据信号该信号然后传输给Rx电路220,以将Srd 信号转换成为的差分USB格式，如上所描述。Srd信号还被提供给控制器820的PB2针， 该针监视该信号来探测上行传输的结束，该上行传输的结束可以通过例如预定时间间隔
上的缺少Srd信号或者该信号低于预定阈值来指示。
一旦探测到上行传输结束，控制器
820可DPDT开关801切换至对应于LED操作模式的第一状态，此时DIM 500传输下 行光信号Pup。在LED和PD操作模式中，PPC 700的第一部分740可以将接收到的光转换 成随后被提供给功率分配器43的电功率信号Sp,以为外部设备520和DIM500电路提 供电源。在PPC 700的第一部分740的阳极的光电容803使PPC部分740产生的功率 信号Sp具有稳定性。参见图20,根据本发明的另一个实施例示出了 HIM 800,其可与DIM 500 一起操作。在该实施例中，上行光数据信号Pud由MOS 135产生，并且该上行光数据信 号Pud然后与光功率信号Pp通过复用器550合并为上行光信号Pup，环行器650将该上 行光信号Pup耦合入光纤301,该环行器650也将下行光数据信号Pup耦合入PD 130。 有利地，该实施例能通过使用具有高于大功率OPS 145的较高调制带宽的MOS 135而 可利用较高的上行数据传输率。本实施例上行光数据和功率信号还可使用不同的波长， 该上行光数据和功率信号能够通过在上行DIM处使用多段PPC(如图18的变换器445c 的PPC 700)来提高功率转换效率，其中第二部分具有两个p-n结。举例说明，OPS 145以第一波长、(可为980nm )发射光功率信号Pp.而MOS 135以第二波长人d (可为1.3pm)发射上行光数据信号Pup。现再次参见图16,环形段 701-705的每一个和PPC 700的中心段724包括在第一半导体材料中形成的第一 p-n结， 所述第 一半导体材料具有适于吸收第 一波长、光的能带隙，而中心段724也具有在第二 半导体材料中形成的第二 p-n结，所述第二半导体材料适于吸收第二波长人d光的能带隙。 环形段701-705的第一 p-n结和可选的中心段724串联连接，以形成PPC 700的第一部 分740,该第一部分740是独立电寻址，并且与被电耦合到功率分配器43,如图18所 示。PPC 700的中心段724的第二 p-n结形成PPC 700的第二部分745,如图18所示， 该第二部分也是独立电寻址，并且被电耦合到Rx电路225,并且也可通过信号开关775 被耦合到Tx电路220,如图18和图19所示。有利地，通过使用其所有段来将光功率 信号Pp转换为电功率信号Sp，来实现PPC 700的光功率转换效率的最大化，而在此将 PPC光功率转换效率定义为Sp/Pp比率。参见示例性实施例，尤其参见使用USB协议和USB接口的设备，已经对本 发明进行了描述。但是，本领域技术人员应当理解本发明还可应用于使用了可选的通信 接口和其相关的可选的数据通信协议的光驱动光数据^随路，该通信协议的非限制性列表
包括火线、RS232、 12C、 SPI、 DVI和以太网。将本发明的DIM和HIM应用到这些标 准中可能要求信号处理器电路的可选的实施例，并且也可能要求在各自的设备上使用额 外的光探测器和LED主机接口模块。并且一些实施例可包括包含集线器(诸如USB集 线器)并具有用于每次操作一个以上外部设备的一个以上的电接口的DIM。应当注意的是在上面描述的本发明系统和方法的具体实施例可以使用其它 实施例的一部分，并且仅仅是事例性的，并且对本领域技术人员是很明显的在本发明 的具体应用中可采用很多部件和步骤的可选实施例 当然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以预想很多其它实施例。
权利要求
1、一种用于操作外部设备的设备接口模块，包括光接口，连接到所述外部设备的电接口，被光耦合到所述光接口的变换器，和信号处理器；所述光接口用于接收来自光纤线路的上行光信号，并且通过所述光纤线路传输下行光信号；所述电接口包括数据端口和输出功率端口；所述数据端口用于根据预定数据通信协议从所述外部设备接收输入电数据信号并且将输出电数据信号提供给所述设备；所述输出功率端口用于将电功率提供给所述远程设备；所述变换器用于将所述上行光信号转换成接收电数据信号和电功率，并且产生所述下行光数据信号；所述信号处理器包括接收电路、发射电路和功率分配电路；所述接收电路被操作连接在所述变换器和所述电数据端口之间，用于根据所述预定数据通信协议由所述接收电数据信号产生所述输出电数据信号；所述发射电路被操作连接在所述电数据端口和所述变换器之间，用于由所述输入电数据信号产生电驱动信号，以驱动所述变换器来产生所述下行光数据信号；所述功率分配电路用于将从所述上行光信号获得的电功率进行分配，来为所述外部设备、所述信号处理器和所述变换器提供电源。
2、 如权利要求1所述的设备接口模块，其中，所述电接口是通用串行总线USB接 口、火线接口、 RS 232接口、 12C接口、 SPI接口、 DVI接口和以太网接口中的一个。
3、 如权利要求1所述的设备接口模块，其中，所述变换器包括多段光电功率转换 器MSPPC,所述多段光电功率转换器MSPPC被光耦合到所述光接口，用于接收所述上 行光信号。
4、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述变换器还包括信号分离电路， 以将所述探测到的电信号的功率分量和数据分量进行分离。
5、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述变换器还包括偏压电路，所述 偏压电路用于正向偏压MSPPC的至少一段，以产生所述下行光信号。
6、 如权利要求5所述的设备接口模块，还包括切换电路，所述切换电路用于将所 述MSPPC的至少一段在光探测操作模式和光发射操作模式之间切换。
7、 如权利要求6所述的设备接口模块，还包括用于控制所述切换电路的控制器， 其中，所述控制器可操作连接，用于监视所述接收电数据信号和所述输出电数据信号中 的至少一个，从而在探测到所述上行传输的结束时将所述MSPPC的至少一段从所述光 探测操作模式切换至所述光发射操作模式。
8、 如权利要求7所述的设备接口模块，其中，所述控制器被操作连接，用于监视 所述电驱动信号和所述输入电数据信号中的至少一个，从而在探测到所述下行传输结束 时，将所述MSPPC的至少一段从所述光发射操作模式切换到所述光探测操作模式。
9、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述MSPPC包括第一设备部分和 第二设备部分，所述第一设备部分用于将所述光功率信号转换成所述电功率信号，所述 第二设备部分用于将所述上行光信号转换成所述接收电数据信号。
10、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述MSPPC包括第一设备部分和 第二设备部分，所述第一设备部分用于将所述上行光信号转换成所述接收电信号，所述 第二设备部分用于产生所述下行光数据信号。
11、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述光接口包括光纤连接器，以接 收来自同一光纤的所述上行光数据和功率信号。
12、 如权利要求5所述的设备接口模块，其中，所述光接口包括光纤连接器，并且 其中所述MSPPC被光耦合到所述光纤连接器，以接收所述上行光信号并且通过所述光 纤线路的同一光纤传输所述下行光信号。
13、 如权利要求3所述的设备接口模块，其中，所述变换器还包括光发射二极管和 激光二极管中的一个，以由所述电驱动信号产生所述下行光信号。
14、 如权利要求13所述的设备接口模块，其中，所述变换器还包括光探测器，以 将所述上行光信号转换成所述接收电数据信号。
15、 一种包括权利要求1所述的设备接口模块的光纤数据链路，所述光纤数据链路 还包括主机接口模块，和所述光纤线路，其将所述主机接口模块与所述设备接口模块光连接； 其中所述主机接口模块包括电接口，其被电耦合到主机控制器，和光变换器，其被光耦合到所述光纤线路，所述光变换器被配置用于将所述主机控制器提供的上行电数据信号转换成所述上行光信号；和 将从所述设备接口模块接收的所述下行光数据信号转换成用于提供给所 述主机控制器的上行电数据信号。
16、 如权利要求15所述的光纤数据链路，其中，所述光纤变换器包括 光功率源，其用于产生光功率信号；经调制的光源，其用于产生上行光数据信号；光探测器，其用于将所述上行光信号转换成电数据信号，和耦合装置，其用于将所述光功率信号和所述上行光数据信号耦合入所述光纤线路， 以产生所述上行光信号，并且将所述下行光信号耦合入所述光探测器。
17、 如权利要求15所述的光纤数据链路，其中，所述光纤线路包括三根光纤，并 且其中所述耦合装置包括光纤连接器，以将所述光源、所述经调制的光源和所述光探测 器分别耦合到所述三根光纤中的 一根不同光纤。
18、 如权利要求16所述的光纤数据链路，其中，所述耦合装置包括被耦合到光纤 连接器的光耦合器，以将所述光源和所述经调制的光源耦合入单根光纤。
19、 如权利要求18所述的光纤数据链路，其中，所述耦合装置还包括光环行器， 所述光环行器被置于所述光耦合器和所述光纤连接器之间，用于将所述光探测器光耦合 入所述单根光纤。
20、 如权利要求15所述的光纤数据链路，其中，所述光变换器包括光功率源和电 路；所述光功率源用于产生所述上行光信号，所述电路使用由所述上行电数信号产生的 电脉冲信号来调制所述光功率源。
21、 如权利要求1所述的设备接口模块，其中，所述电接口是通用串行USB接口， 并且所述输入和输出电数据信号是根据USB协议产生的USB兼容差分电压脉冲信号。
22、 如权利要求21所述的设备接口模块，其中，所述电路驱动信号和所述接收电 数据信号是单端电信号，并且其中所述接收电路被配置用于将所述接收电数据信号转换 成USB兼容差分电压信号，并且所述发射电路被配置来将所述USB兼容输入电信号转 换成所述单端电驱动信号。
23、如权利要求21所述的设备接口模块，其中，所述变换器包括光电功率转换器PPC,其可被切换耦合到所述接收电路和所述发射电路，所述光电 功率转换器PPC用于将所述上行光信号转换成所述接收电信号，并且用于将所述电驱动 信号转换成所述下行光信号，和两个电开关，所述两个电开关在所述PPC的偏压电路中并联连接，以产生驱动所 述PPC的所述电驱动信号；所述设备接口模块还包括独立控制所述两个电开关的控制器，以根据所述输入电 数 据信号产生驱动所述PPC的两个不同幅值的电脉冲。
全文摘要
本发明提供一种用于操作外部设备的光驱动设备接口模块，和一种包括该设备接口模块的光驱动数据链路。在一个实施例中，设备接口模块包括光接口，其用于接收光功率和数据信号；电USB接口，其用于将USB兼容的电数据信号和5V电功率信号提供给外部USB设备；与被耦合至信号处理器的变换器，其用于将所述光功率和数据信号转换成所述5V电功率信号和所述USB兼容的电数据信号；功率分配电路，其用于将由所述光功率信号获得的电功率提供给设备接口模块电路。变换器可被具体化为使用单一光电功率转换器来接收所述光功率并且接收和发送光数据信号。
文档编号G02B6/42GK101344872SQ20071030193
公开日2009年1月14日 申请日期2007年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者吴塔春, 简·古斯塔夫·威尔森 申请人:Jds尤尼弗思公司