CN101277593A

CN101277593A - 光传输装置

Info

Publication number: CN101277593A
Application number: CNA2008101041817A
Authority: CN
Inventors: 何冲
Original assignee: Beijing Star Net Ruijie Networks Co Ltd
Current assignee: Beijing Zhigu Tech Co Ltd
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: CN100591198C

Abstract

本发明实施例公开了一种光传输装置，包括印制电路板，印制电路板包括依次叠设的顶层、第一绝缘层、地线层、第二绝缘层和信号层，顶层的表面上设置有通过差分信号传输线电连接的光模块与接收芯片，其特征在于，地线层包括第一地线块和第二地线块，第一地线块和第二地线块之间设置有绝缘块，第一绝缘层上设置有使顶层分别与第一地线块以及第二地线块电连接的第一过孔，信号层包括第一信号块和第二信号块，第一信号块和第二信号块之间设置有导电块，第二绝缘层上设置有使导电块与第一地线块电连接、以及使导电块与第二地线块电连接的第二过孔。本发明实施例提供的光传输装置可以减小光传输装置中高频信号的衰减，提高信号的传输质量。

Description

光传输装置

技术领域

本发明涉及光传输技术，尤其是一种光传输装置。

背景技术

在通信系统中，通常采用差分信号传输高速串行信号，如图1所示，为现有技术传输的差分信号示意图，两根差分信号传输线中传输的差分信号的幅度相同、相位相反，将定义的正线标记为“+”，将定义的负线标记为“-”，其中，横坐标表示时间(t)，纵坐标表示电压(V)。

目前常用的光传输装置包括印制电路板(print circuit board，以下简称：PCB)与光模块。印制电路板一般包括介质层、信号/平面层。其中，信号/平面层具有导电性质，通常由铜构成。介质层由绝缘物质构成，因此，也叫绝缘层。在印制电路板的表层(也叫顶层)上可以放置传输线和一些器件，例如：光模块、接收芯片等。传输线为连接印制电路板上设置的器件之间的互连线，在现有的通信系统中，一般要求差分信号传输线的阻抗为100欧姆，否则信号会发生反射。差分信号传输线的阻抗主要由W、S、H与戒指材料决定，其中，W为差分信号传输线的线宽，S为两根差分信号传输线的边沿距离，H为差分信号传输线到地线(Ground，以下简称：GND)层之间的距离。W变大时，阻抗变小；H变大时，阻抗变大；S变大时，阻抗变大，S增大同时会降低差分信号的抗干扰性能。

随着信号的传输速率越来越高，信号在印制电路板上的衰减也越来越厉害。如图2所示，为采用现有技术光传输装置时信号频率与衰减关系的示意图，其中，横坐标表示信号频率，纵坐标表示信号衰减。该光传输装置使用万兆光模块接口的情况下，传输波特率达到了10吉比特/秒(Gbit/S)，信号频率达到了5GHz，在表层差分信号传输线的阻抗为100欧姆，线宽为5个千分之一英寸(mil)，即：5×10^-3英寸，间距为6mil，线长为6000mil时，印制电路板上的衰减已经达到5.5分贝(dB)，随着频率的升高，衰减也逐渐增大，严重影响了信号的传输质量，从而影响了接收端对接收到的信号正确接收与识别。在信号频率为15GHz时，信号的衰减大于12dB。其中，高频信号的衰减有两部分：一部分是传输线上的损耗，该损耗主要由于趋肤效应所致，在趋肤效应的作用下，电流只分布在靠近参考平面的传输线的表面区域，其中的参考平面一般为地线的平面，也即：GND平面，如图3所示，为现有技术趋肤效应作用下的电流分布示意图，该图3示出了印制电路板截面上的电流分布。如图4所示，为现有技术趋肤效应作用下的电流流向示意图，该图4示出了印制电路板剖面上的电流分布。由图4可知，电流从发送端发出，经过传输线到达传输线另一端的接收器，然后再经过地线层回到发送端，形成一个完整的回路。由图3与图4可知，由于高频信号的特性是沿着电感最低的路径前行，电流主要分布在传输线中靠近地线层的表面，这样的话电流环路的面积较小，相应的电感也较小。另一部分是印制电路板中的介质损耗，该介质损耗是由于信号在传输线上传播时，部分能量进入绝缘层，使绝缘层发热从而被消耗掉所致。

根据现有技术，若要减少印制电路板中的介质损耗，需要采用特殊的介质，例如：高频板材，即：能减少高频损耗的板材，而使用这种特殊介质又必然会增加印制电路板的成本。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是：减小光传输装置中高频信号的衰减，提高信号的传输质量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供的一种光传输装置，包括印制电路板，所述印制电路板包括依次叠设的层、第一绝缘层、地线层、第二绝缘层和信号层，所述层的表面上设置有通过差分信号传输线电连接的光模块与接收芯片，其特征在于，所述地线层包括第一地线块和第二地线块，第一地线块和第二地线块之间设置有绝缘块，第一绝缘层上设置有使顶层分别与第一地线块以及第二地线块电连接的第一过孔，所述信号层包括第一信号块和第二信号块，第一信号块和第二信号块之间设置有导电块，所述第二绝缘层上设置有使所述导电块与第一地线块电连接、以及使导电块与第二地线块电连接的第二过孔。

本发明实施例提供的光传输装置中，地线层中部设置了绝缘块，这样，高频信号可以沿接收芯片、差分信号传输线、第一过孔、第一地线块、第二过孔、导电块、第二过孔、第二地线块、第一过孔与光模块形成的电流回路传输，与现有的光传输装置相比，增加了差分信号传输线与参考平面之间的距离，在其它条件不变时可以增大传输线宽，从而增加差分信号传输线中的电流传输面积，减少差分信号传输线由于趋肤效应导致的损耗，提高高频信号的传输质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术传输的差分信号示意图；

图2为采用现有技术光传输装置时信号频率与衰减关系的示意图；

图3为现有技术趋肤效应作用下的电流分布示意图；

图4为现有技术趋肤效应作用下的电流流向示意图；

图5为现有技术印制电路板的一个层叠结构示意图；

图6为本发明光传输装置实施例的结构示意图；

图7为本发明光传输装置A-A向的剖面图；

图8为本发明光传输装置B-B向的剖面图；

图9为本发明光传输装置中地线层的一个俯视图；

图10为本发明光传输装置中地线层的另一个俯视图；

图11为采用本发明实施例光传输装置时高频信号频率与衰减关系的示意图。

附图标记说明：

10-顶层 11-第一绝缘层 111-第一过孔

12-地线层 121-第一地线块 122-第二地线块

123-绝缘块 13-第二绝缘层 131-第二过孔

14-信号层 141-第一信号块 142-第二信号块

143-导电块 20-差分信号传输线 21-光模块

22-接收芯片

具体实施方式

通常情况下，使用万兆光模块的光传输装置中的印制电路板至少有4层以上，如图5所示，为现有技术印制电路板的一个层叠结构示意图，其中的前3层分别是顶(TOP)层、地线层与信号(L3)层，顶层与地线层之间设置有第一绝缘层，地线层与信号层之间设置有第二绝缘层。其中，顶层是印制电路板的表层，用于布置传输线和放置用于进行光电转换的光模块、用于进行数据收发的接收芯片等器件，该顶层为导电制品，通常为铜制品。具体可以是一整块铜皮，也可以仅仅是用于将位于顶层上的传输线、光模块、接收芯片等器件焊接在印制电路板上的焊盘。地线层是印制电路板的第二层，主要用于分布GND信号导体材料，目前使用的GND信号导体材料主要为平面铜皮；信号层是印制电路板的第3层，主要用于布置传输线，也可以分布部分的电源或者GND信号。顶层与信号层的传输线都要参考地线层。W为差分信号传输线的线宽，S为两根差分信号传输线的边沿距离，H1为顶层传输线内传输的差分信号与地线层之间的距离，H2为地线层与信号层之间的距离。W变大时，阻抗变小；H1变大时，阻抗变大；S变大时，阻抗变大。

在图5所示的印制电路板结构中，若需要将单根差分信号传输线阻抗控制在50欧姆，并且将差分信号传输线的阻抗控制100欧姆以内，则表层传输线的线宽值应在4-6mil之间，在该线宽范围内，可达到印制电路板的可制造性与节省面积的较佳平衡点，但在该线宽范围内，由于趋肤效应使得差分信号传输线上的损耗较大。趋肤效应之所以会引起信号损耗，是因为差分信号传输线横截面中电流传输的面积减小了，其中只有一小部分有电流通过，请参见图3。不论如何增加差分信号传输线的厚度，由于趋肤效应，电流只分布在差分信号传输线中靠近参考平面的表面区域，增加差分信号传输线的厚度不会减小由于趋肤效应导致的传输线上的损耗。

本发明实施例提供的光传输装置中，通过增大差分信号传输线与参考平面之间的距离来减小使用万兆光模块的光传输装置中高频信号的衰减，减少高频信号在传输线上的损耗，优化高频信号传输质量，有效保障接收端对高频信号的正确接收与识别。

如图6所示，为本发明光传输装置实施例的结构示意图，图7为该光传输装置A-A向的剖面图，图8为该光传输装置B-B向的剖面图。请同时参见图6-图8。本发明实施例提供的光传输装置实施例的截面图，包括印制电路板，其包括依次叠设的顶层10、第一绝缘层11、地线层12、第二绝缘层13和信号层14，第一绝缘层11的表面上设置有通过差分信号传输线20电连接的光模块21与接收芯片22，地线层12包括第一地线块121和第二地线块122，第一地线块121和第二地线块122之间设置有绝缘块123，第一绝缘层11上设置有使顶层10分别与第一地线块121以及第二地线块122电连接的第一过孔111，信号层14包括第一信号块141和第二信号块142，第一信号块141和第二信号块142之间设置有导电块143，第二绝缘层13上设置有使导电块143与第一地线块121电连接、以及使导电块143与第二地线块142电连接的第二过孔131。

本发明上述实施例提供的光传输装置与现有的光传输装置相比，在地线层中部设置了绝缘块，在信号层中设置了导电块，这样，高频信号可以沿接收芯片、差分信号传输线、第一过孔、第一地线块、第二过孔、导电块、第二过孔、第二地线块、第一过孔与光模块形成的电流回路传输，与现有的光传输装置相比，增加了差分信号传输线与参考平面之间的距离，在其它条件不变时可以增大传输线宽，从而增加差分信号传输线中的电流传输面积，减少差分信号传输线由于趋肤效应导致的损耗，提高高频信号的传输质量。

在本发明提供的光传输装置中，绝缘块123可以是一个通孔，即：第一地线块121和第二地线块122不连接，如图9所示，为这种情况下，光传输装置中地线层的一个俯视图。

另外，第一地线块121也可以和第二地线块122连接，如图10所示，为这种情况下，光传输装置中地线层的一个俯视图。图6所示的光传输装置即为第一地线块121与第二地线块122连接的一个具体实施例的结构示意图。这种情况下，假设：差分信号传输线的长度为L，导电块143与差分信号传输线21之间的距离为D，由于第一绝缘层11的上表面可以设置顶层，所以该距离也即信号层14与顶层之间的距离，地线层12中的第一地线块121或第二地线块122与差分信号传输线21之间的最短距离为N，则高频信号参考信号层14的总回路的面积S1＝LxD，高频信号参考地线层12的总回路面积是S2＝LxN，该实施例中，地线层12中绝缘块123在差分信号传输线21线宽方向的距离K足够大，使得D＜N，这种情况下，高频信号参考信号层14的面积就比较小，电流回路的电感也比较小。由于高频信号总是沿着总电感最低的路径传输，高频信号就将参考信号层14的导电块143。

差分信号传输线的阻抗的可以表示为

其中，C为差分信号传输线上单位长度的电容量，

C = P \frac{EN}{D},

其中，P为常数，E为差分信号传输线介质的介电常数，由介质材料决定，D为差分信号传输线与参考平面之间的距离，M为单位长度差分信号传输线与参考平面之间的正对面积。本发明上述实施例提供的光传输装置，增大了差分信号传输线与参考平面之间的距离D，使得单位长度上的电容减小了，则增大了差分信号传输线上的阻抗。要使得差分传输线保持100欧姆的阻抗，就需要增大差分信号传输线与参考平面之间的正对面积，即：增加差分信号传输线的宽度，这就会增加差分信号传输线中的电流传输面积，从而减少差分信号传输线由于趋肤效应导致的损耗。具体地，在差分传输线的阻抗为100欧姆时，可以将差分信号传输线的线宽由原来的4～6mil增加到4mil～25mil，例如：20mil，这将大大减少高频信号在差分信号传输线上的损耗。

进一步地，为了更进一步减少差分信号传输线由于趋肤效应导致的损耗，还可以进一步增大差分信号传输线的线宽，也可以采用其它方式增加差分信号传输线与参考平面之间的距离D，例如：增加第一绝缘层11和/或第二绝缘层13的厚度。

另外，本发明实施例的光传输装置中，印制电路板1可以为四层以上，顶层10、地线层12与信号层14分别为印制电路板1的第一层、第二层与第三层，第四层可以为任意层，信号层14与第四层之间设置有绝缘层。若印制电路板1为四层，则第四层为印制电路板1的底层。

在本发明的任意一个实施例中，印制电路板中的顶层、第一信号块141和/或第二信号块142可以是铜制品。第一地线块121、第二地线块122、和/或导电块143可以是地线信号导体制品，具体地，可以是铜制品，或者说是铜片。

在图6所示的光传输装置实施例中，仅示出了三组第一过孔111与第二过孔131，另外，第一过孔111与第二过孔131可以为两组以上的其它任意多组。并且，第一过孔111与第二过孔131可以为一体设置，即：二者通过同一个过孔实现。

本发明实施例提供的光传输装置尤其适用于高频信号的传输，作为本发明的另一实施例，上述光模块21的传输波特率可以大于或等于10Gbit/s。

如图11所示，为采用本发明实施例提供的光传输装置时，高频信号频率与衰减关系的示意图，其中，横坐标表示信号频率，纵坐标表示信号衰减。在该光传输装置实施例中，光传输波特率为10Gbit/S，差分信号传输线的阻抗为100欧姆，线宽为20mil，间距为6mil，线长为6000mil，与图2采用的光传输装置相比，图7采用的差分信号传输线的线宽为20mil，其它条件相同。由图7可知，在高频信号的频率为5GHz时，PCB上的衰减仅仅为3点几个dB，比图2在同等条件下的衰减减小了2dB左右，约减小36％。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明作限制性理解。尽管参照上述较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这种修改或者等同替换并不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1、一种光传输装置，包括印制电路板，所述印制电路板包括依次叠设的顶层、第一绝缘层、地线层、第二绝缘层和信号层，所述顶层的表面上设置有通过差分信号传输线电连接的光模块与接收芯片，其特征在于，所述地线层包括第一地线块和第二地线块，第一地线块和第二地线块之间设置有绝缘块，第一绝缘层上设置有使顶层分别与第一地线块以及第二地线块电连接的第一过孔，所述信号层包括第一信号块和第二信号块，第一信号块和第二信号块之间设置有导电块，所述第二绝缘层上设置有使所述导电块与第一地线块电连接、以及使导电块与第二地线块电连接的第二过孔。

2、根据权利要求1所述的光传输装置，其特征在于，所述绝缘块为通孔。

3、根据权利要求1所述的光传输装置，其特征在于，所述第一地线块与所述第二地线块连接，所述导电块与所述差分信号传输线之间的距离小于所述第一地线块或第二地线块与所述差分信号传输线之间的最短距离。

4、根据权利要求1、2或3所述的光传输装置，其特征在于，所述印制电路板为四层以上，所述顶层、所述地线层与所述信号层分别为所述印制电路板的第一层、第二层与第三层，所述信号层与所述印制电路板的第四层之间设置有第三绝缘层。

5、根据权利要求1、2或3所述的光传输装置，其特征在于，所述第一信号块和/或所述第二信号块为铜制品；和/或，所述第一地线块、所述第二地线块、和/或所述导电块为地线信号导体制品。

6、根据权利要求5所述的光传输装置，其特征在于，所述地线信号导体制品为铜制品。

7、根据权利要求1、2或3所述的光传输装置，其特征在于，所述第一过孔与所述第二过孔为两组以上。

8、根据权利要求1、2或3所述的光传输装置，其特征在于，所述光模块的传输波特率大于或等于10吉比特/秒。

9、根据权利要求8所述的光传输装置，其特征在于，所述差分信号传输线的阻抗为100欧姆，所述差分信号传输线的线宽为4×10^-3英寸～25×10^-3英寸。

10、根据权利要求9所述的光传输装置，其特征在于，所述差分信号传输线的阻抗为100欧姆，所述差分信号传输线的线宽为20×10^-3英寸。