CN105557073B - 用于具有在靠近电路连接区域处的阻抗补偿的e/o引擎的互连结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种互连结构，用于将用于输出和/或接收电信号的至少一个电子单元和用于转换所述电信号为光信号和/或反之的至少一个光学单元联接到另外的电子部件。互连结构包括电绝缘衬底(102)和多个信号引线对(104，120)，所述信号引线对联接在所述电子单元(108，116)和前端接触区(106)之间，所述前端接触区(106)用于由所述另外电子部件而电接触所述互连结构。接地平面层(118)从所述信号引线对(104，120)电绝缘，其中每个信号引线对(104，120)具有用于与所述至少一个电子单元(108，116)的相应端子电接触的电路连接区域(122)，并且其中在邻近所述至少一个电子单元(108，116)的所述端子的区域中，所述接地平面层(118)具有各分配到一个信号引线对(104，120)并且与相应的相邻间隙分离开的多个间隙(126)。

Description

用于具有在靠近电路连接区域处的阻抗补偿的E/O引擎的互 连结构
技术领域
本发明涉及一种互连结构，该互连结构用于将用于输出和/或接收电信号的至少一个电子单元和用于将所述电信号转换为光信号和/或反之的至少一个光学单元联接到另外的电子部件。本发明还涉及包括这样的互连结构的光电模块和包括至少一个该光电模块的有源(active)光缆组件。
背景技术
为了支持例如25、40或者100Gbps的高速数据传输应用的通信要求，当经由电线的链路(link)具有过低带宽时，使用光链路。当使用该光链路用于从第一电子部件传输信号至第二电子部件时，要传输的电信号首先转换为光信号，然后光信号经由光发送器联接到光纤并且经由光纤传输到第二电子部件。在第二电子部件处，光信号借助于光接收器而被接收并且转换回电信号。该转换后的电信号在第二电子部件中进一步处理。
执行光信号和电信号之间的转换的光电部件通常称为收发器、E/O引擎或者EOE引擎。
如图1所示，用于转换电信号成为光信号以及反之的该收发器100包括电绝缘衬底102，例如印刷电路板(PCB)或者柔性印刷电路(FPC)。收发器100进一步包括多个信号输入线104，该多个信号输入线104布置为差分信号对、并且终止在用于例如经由另一印刷电路板电接触另外电子部件的前端接触区中。
信号输入线的与前端接触区106相反的另一外端连接到电路连接区域110中的电子传输单元108。电子传输单元108包括用于驱动光发射器的驱动器电路，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)112的阵列。由激光二极管阵列112发出的光信号在内部联接到光导体，例如光纤。
此外，收发器单元100包括光电探测器阵列114，其包括例如光电二极管，诸如所谓PIN二极管(正-本征-负光电二极管)。这些PIN二极管联接到光纤用于接收光信号并且将光信号转换成为电信号。PIN二极管114的输出联接到放大器单元116，该放大器单元116可以包括与光电二极管114阵列的相应输出相连的互阻抗放大器(transimpedance amplifierTIA)阵列。
设有多个电信号输出线120，用以将前端接触区连接到放大器电路116的输出端子。类似于信号输入线104，信号输出线120形成为差分线。
接地平面层118设置在衬底102内，朝向输入信号线104和输出信号线120分别具有明确限定的距离。
激光二极管112和驱动电路108以及PIN二极管114和所属放大器单元116均置于衬底102上，使得它们由接地平面层118包围。如在国际申请PCT/EP2013/063694中提出的，接地平面层118在前端接触区106的区域中设有开口124，以提高从E/O引擎100到例如其它印刷电路板(图中未示出)的过渡点处的信号品质。
本发明的发明人发现，对于图1所示的构造，由于芯片上的ESD保护装置和粘结焊盘的寄生效应，传输单元108前端以及互阻抗放大器单元116的阻抗显出电容性特性。因此，在电子传输单元108和放大器单元116的电路连接区域110中观察到明显阻抗下降。这削弱了光电单元的性能，使其难满足回程损耗的要求。
另一方面，理想地，互连系统必须无失真地载运信号。一种类型的失真被称作串扰。当一个信号在另一信号线上产生不想要的信号时发生串扰。一般地，串扰因信号线之间的电磁耦合引起，因此对于高速、高密度的互连系统特别成问题。当信号线更靠近一起、或者当它们载运的信号具有更高频率时，电磁耦合增大。在高速、高密度的互连系统中这两种情况均存在。
图2示出了在电路连接区域110以20ps(20到80％)脉冲获得的时域反射测量法(TDR)测量数据的结果，无任何阻抗匹配测量。从图2能够看出，明显的脉冲被反射回，指示出在该区域中的不希望的干扰。
因此，需要提供如下互连结构和相应的光电模块：其具有改进的信号完整性和减小的串扰，同时保持小的形状因子和成本有效结构。
发明内容
这一目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的互连结构和光学模块的有利发展是从属权利要求的主题。
本发明基于这一发现：通过将间隙(clearance)引入到E/O引擎衬底的接地平面层中，在电路连接端子区域中阻抗能够被增大到可接受的水平。有利地，这能够在电子传输单元的端子以下以及在放大器单元的端子以下完成。通过提供该接地间隙构造，串扰(XT)、模式变换以及共模回程损耗(CMRL)未明显受损，而阻抗可匹配以满足关于回程损耗的要求。
特别地，该间隙每个分配给一对差分信号引线，且通过具有准确限定尺寸的接地面网而与一个或两个相邻间隙分离开。为避免串扰，每一间隙与下一间隙以具有至少30μm宽度的网分离开。
为确保针对每个信号引线对建立一致的阻抗匹配，间隙具有与分别属于信号引线的轮廓相匹配的轮廓。
当分析用于信号引线的特定尺寸和布局的不同可选方案时，令人惊讶地发现，一对引线中的每个引线朝向间隙的邻近外边界的距离与两根引线之间的距离的比率应近似为1/2，以实现足够高的阻抗。例如，各引线能够与间隙的相应邻近外边界隔离50μm，且与一对引线中另一引线相距100μm。
另外，可以表明至少700μm的间隙长度对于实现足够高的阻抗是有利的。
本发明能够最有效地用于这样一种光电模块，该光电模块包括用于输出和/或接收电信号的至少一个电子单元和用于将电信号转换成为光信号和/或反之的至少一个光学单元。
在本发明的背景下，光电模块通常指包括连接到驱动器和/或接收器电子设备、用于传输或者接收光信号的光电部件的系统。在该背景下的光电部件是布置成将电能转换成为光能或者将光能转换成为电能的装置，即光源和光电探测器，诸如激光二极管和光电二极管，如上所述。通常，激光二极管是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且作为光电二极管，可以使用PIN光电二极管。
典型地，该模块还将包括允许模块连接到一根或多根光纤的接口以及用以调节光电部件的工作参数的控制电子设备。例如，激光二极管的操作典型地要求可调节的偏置电流、调制电流以及可选地预加强。通常，这些模块将支持多于一个的通道，诸如两个、四个、八个、十二个或者十六个通道，但取决于应用可设想任意数目的通道。对于该用途，光源和光电探测器通常可以阵列提供，诸如1xN阵列或者2xN阵列，其中N是正整数。严格地，2xN阵列称为矩阵，但为简化标识，下文中仅使用术语“阵列”。此外，本申请中所示的实施方式总是使用与如四通道小型可插拔(QSFP)E/O引擎的应用相一致的4通道布置，但是本发明当然不局限于这样的布置。
为将电气数据信号转换为适于驱动光源以发出包括该数据信号的光信号的信号，需要驱动电路。类似地，需要接收器电路以将接收的光信号转换成为适于在系统中进一步传输的电信号。这些驱动器和接收器电路在本领域中是熟知的，并且它们典型地提供为集成电路，或作为发射器芯片(包括驱动器电路)、接收器芯片(包括接收器电路)或者收发器芯片(包括驱动器和接收器电路)。
接收器芯片通常也称为TIA芯片(互阻抗放大器芯片)或者LIA芯片(限制阻抗放大器芯片)。这些芯片包括：数据引脚/焊盘，用于从主系统接收电气数据信号/将电气数据信号发送到主系统；和连接焊盘，用于连接到光学装置，即用于连接到芯片的光学侧(即光源或光电探测器)的连接引脚/焊盘。
当本发明互连结构用在输入并输出电信号但借助于光导体传导电信号的有源光缆(AOC)组件中时，本发明实现的有利特性能够在特别高程度得以利用。有源光缆组件可以是直接点对点连接机构，或者也可以构造为扇出缆线，即一个输入和多个输出。有源光缆技术在不牺牲与标准电气接口兼容性的情况下改进了线缆的速度和距离性能。
附图说明
附图整合到说明书中并形成说明书的一部分，以例示多个本发明实施方式。这些附图连同说明书用来解释本发明原理。附图仅仅为例示如何形成和使用本发明的优选及替代示例的目的，并不阐释为限制本发明为所示和描述的实施方式。此外，实施方式的多个方面可形成-分别地或者以不同组合-根据本发明的方案。根据以下关于如在附图中例示的本发明各种实施方式的更具体说明，其它特征和优点将变得明显，在附图中，同样附图标记指示同样的元件，并且其中：
图1示出了4-通道QSFP E/O引擎的布线图；
图2示出了以20ps(20-80％)脉冲在TX输入区无间隙地获得的时域反射测量法结果；
图3示出了所提出的根据本发明实施方式的接地面的布线；
图4示出了图3的细节；
图5示出了有和没有本发明接地间隙的时域反射测量法结果的比较；
图6示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的差分回程损耗；
图7示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的近端串扰；
图8示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的远端串扰；
图9示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的共模回程损耗；
图10示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的模式变换SCD 11；和
图11示出了安装在印刷电路板上的E/O引擎的模式变换SCD 21。
具体实施方式
现在参考图3，示出了根据本发明的电连接接口的有利实施方式。
在图3中，示出了金属部分，即信号引线和接地平面层，以使得本发明的中心思想更清楚。但是，当然还存在绝缘层，以及此外，所示的金属层不必是唯一的导电层。另外，图3仅仅示出了电路连接区域的一部分，并且当然清楚的是，本发明的间隙将有利地被用于图1中所示的全部信号引线对104、120。
图3示例性地示出了信号输出线对120中的两个，其从与接收器单元116相连的集成电路(IC)终端122朝向前端接触区106引出。必需提及，附图不必然是按比例的。
如在国际申请PCT/EP2013/063694中已经提出的，第一间隙124围绕与例如印刷电路板相连接的前端触头而设置。根据本发明，接地平面层具有在集成电路终端粘结焊盘122附近的另外间隙126。这些间隙122分配到信号引线120的每个差分对，并且以它们自己的轮廓跟随引线的布线轮廓。能够示出，间隙126的特别有利尺寸对于本实施方式是至少700μm的长度和230μm的宽度。此外，在接地间隙126和第一间隙124之间保持至少400μm的距离，该第一间隙124在区域106中布置在到模块印刷电路板传输线的高频(HF)连接的区域中。
图4示出了图3的间隙126的细节。特别地，信号线120中每个信号线的金属喷镀具有15μm的宽度，并且一个差分对中两根线之间的距离在其中设有间隙126和其中接地平面层未中断的区域之间不同。在间隙126的区域中，每个差分对中的引线彼此间距100μm，而其余区域中的线之间的分隔仅为35μm。可以表明，通过确保距接地传输线(图中未示出)的至少50μm(间距的一半)的空隙，能够实现在集成电路前端处的足够的阻抗补偿。此外，每对信号引线必须通过具有至少30μm宽度的接地平面层网128从相邻的对分离开。
重要的是确保在相邻的差分传输线对之间以及在间隙126、124之间存在足够的引擎接地位置，以实现串扰、模式变换和共模回程损耗的可接受的水平。
图5示出了对安装到印刷电路板的根据本发明的E/O引擎以时域反射测量法(20ps(20至80％)脉冲)测量的回程损耗曲线的比较，如在国际申请PCT/EP2013/063694中所示的。回程损耗是类似于时域阻抗图(profile)的频域参数。回程损耗(RL)定义为由于传输路径中的阻抗不匹配导致的朝向来源反射回的信号能量的量。曲线501(以实线绘出)表示带有集成电路前端接地间隙的解决方案，而曲线502(以虚线给出)表示无本发明间隙的结果。如根据两个曲线501、502的比较能够看到的，特别地，能够消除明显波峰503。
图6示出了对于E/O引擎连接到印刷电路板示例的相应差分回程损耗。图5中明显改进的阻抗图反映在改进的回程损耗上，如图6所示。另外，曲线601表示带有根据本发明的间隙的结果，而曲线602表示无根据本发明的间隙的结果。
图7至11通过有和没有本发明间隙的比较分析了串扰共模回程损耗和模式变换。虚线示出了带有未中断接地平面层的情形，而实线描绘了带有本发明间隙126的示例。
如以上已经指出，当选择用于高速应用的互连时，串扰通常是要考虑的重要参数。串扰可被定义为因附近信号线的不希望耦合产生的噪声。其在两个信号因承载信号的导体之间的电感和电容性耦合而部分地彼此叠加时发生。串扰可能导致所需信号的失真和降级。在高速系统中涉及两种类型的串扰，近端(NEXT)串扰和远端串扰(FEXT)。NEXT是在信号路径发送端处的串扰水平的测量，而FEXT是在信号路径的接收端的串扰测量。
如从图7、8和9中可得出的，NEXT、FEXT和CMRL由于接地平面层间隙的引入而一定程度地减少。然而，能观察到的水平对于大多数期望应用仍是可接受的。另一方面，如从图10和11可得出的，通过提供根据本发明的阻抗匹配间隙126，模式变换未明显降级。
特别地，图7示出了对于安装在模块PCB上的E/O引擎测量的NEXT。曲线701对应于带有实现的集成电路前端接地间隙的解决方案，而曲线702对应于没有实现的集成电路前端接地间隙的解决方案。图8示出了相应的FEXT曲线801和802。
图9描绘了对于带有E/O引擎的模块印刷电路板的示例的共模回程损耗。
图10示出了对于带有根据本发明的E/O引擎的模块印刷电路板的SCD11模式变换。特别地，曲线1001表示其中实现了间隙126的示例，而曲线1002示出了没有间隙的情形。
图11最后示出了对于模块印刷电路板和E/O引擎的示例的模式变换SCD21。实线1101涉及带有接地间隙的解决方案，而曲线1102表示没有接地间隙的示例。
借助于本发明，能够补偿驱动器和TIA前端容抗，从而改进性能。因此，能够改进差分回程损耗以便满足顾客技术要求。由此，改进了传输信号品质，允许长的传输链路和更可靠的性能。另一方面可以表明，串扰特性没有以不可接受方式劣化。
附图标记：
附图标记 描述
100 E/O引擎(收发器、光电模块)
102 衬底
104 信号输入线
106 前端接触区
108 电子传输(TX)单元
110 电路连接区域
112 VCSEL阵列
114 光电探测器阵列
116 放大器单元(TIA)
118 接地平面层
120 信号输出线
122 集成电路终端
124 前端间隙
126 电路连接区域中的间隙
128 间隙之间的接地平面层网
501，502 带有/没有间隙的TDR曲线
503 曲线502中的波峰
601，602 带有/没有间隙的差分回程损耗曲线
701，702 带有/没有间隙的NEXT曲线
801，802 带有/没有间隙的FEXT曲线
901，902 带有/没有间隙的CMRL曲线
1001，1002 带有/没有间隙的模式变换、SCD 11
1101，1102 带有/没有间隙的模式变换、SCD 12

Claims (12)

1.一种互连结构，所述互连结构用于将用于输出和/或接收电信号的至少一个电子单元(108、116)、和用于将所述电信号转换为光信号和/或反之的至少一个光学单元联接到另外的电子部件，
所述互连结构包括电绝缘衬底(102)和多个信号引线对(104、120)，所述信号引线对联接在所述电子单元(108、116)和前端接触区(106)之间，所述前端接触区(106)用于由所述另外的电子部件电接触所述互连结构，
所述互连结构进一步包括从所述信号引线对(104、120)电绝缘的接地平面层(118)，
其中每个信号引线对(104、120)具有用于与所述至少一个电子单元(108、116)的相应端子电接触的电路连接区域(122)，
其中在邻近所述至少一个电子单元(108、116)的所述端子的区域中，所述接地平面层(118)具有多个间隙(126)，每个间隙分配到一个信号引线对(104、120)并且与相应的相邻间隙分离开宽度为至少30μm的一接地平面层网(128)，并且其中每个间隙(126)布置在电路连接区域(122)附近以及引线对(104、120)的一部分附近，并且每个间隙具有与所属的信号引线对(104、120)的轮廓匹配的轮廓，
其中一个信号引线对中的每个信号引线(104、120)朝向所述间隙(126)所邻近的外边界的距离和两个引线之间的距离之比是1/2。
2.根据权利要求1所述的互连结构，其中所述间隙从所述至少一个电子单元(108、116)的所述端子延伸至少700μm的距离。
3.根据权利要求1或2所述的互连结构，其形成为安装光接收器单元(114)和光发送器单元(112)、用于控制所述光发送器单元(112)的第一电子电路(108)和用于处理由所述光接收器单元(114)产生的电信号的第二电子电路(116)，
所述互连结构进一步包括用于将所述光发送器单元和所述第一电子电路连接到彼此的至少一对发送器引线、和用于将所述光接收器单元和所述第二电子电路连接到彼此的至少一对接收器引线。
4.一种光电模块，所述光电模块包括用于输出和/或接收电信号的至少一个电子单元(108、116)、和用于将所述电信号转换成为光信号和/或反之的至少一个光学单元(112、114)，
根据权利要求1至3中任一项所述的互连结构，用于将所述电子单元(108、116)和所述光学单元(112、114)连接到彼此、以及用于提供用于外部部件的电气输入/输出接口。
5.根据权利要求4所述的光电模块，所述电子单元包括驱动器电路(108)，并且所述光学单元包括至少一个光发射器(112)。
6.根据权利要求5所述的光电模块，进一步包括至少一个光接收器单元(116)、和用于放大所述至少一个光接收器(114)的输出信号的放大电路。
7.根据权利要求6所述的光电模块，所述光接收器单元(114)包括PIN(正-本征-负)光电二极管的阵列。
8.根据权利要求7所述的光电模块，所述放大电路包括互阻抗放大器(TIA)阵列。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的光电模块，其中所述光学单元(112)包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。
10.一种有源光缆组件，包括：根据权利要求4-9中任一项所述的至少一个光电模块(100)，用以将电信号转换成为光信号以及反之；电插头连接器，用于将所述光电模块与外部装置接连；和光导体，用于发射所述光电模块产生的光信号和/或将由所述光电模块接收的光信号。
11.根据权利要求10所述的有源光缆组件，其中所述电插头连接器包括四通道小型可插拔(QSFP)或者QSFP+连接器。
12.根据权利要求10或11所述的有源光缆组件，其中在所述光导体的每一端布置有至少一个光电模块，以在所述有源光缆组件的每端提供至少一个电气接口。
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