JP2013138131A

JP2013138131A - 配線回路基板

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Publication number: JP2013138131A
Application number: JP2011288765A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tsuchida; 純一土田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5906736B2

Abstract

【課題】受信ＬＳＩの入力ピンを別途設けることなく、光信号未入力に起因する誤認識を防止する配線回路基板を提供する。
【解決手段】グラウンドに接続されるグラウンド層１６と、電源に接続される電源層１７とを内部に有する基板２０と、基板２０の表面に実装され、光モジュールに接続される第１の信号配線１１と、基板の表面であって、第１の信号配線１１と同一の層に実装され、信号処理装置に接続される第２の信号配線１２と、第１の信号配線及１１び第２の信号配線１２がそれぞれ実装される基板２０の表面と反対側の基板の表面に配置されるコンデンサ１５と、基板２０に設けられるスルーホールであって、第１の信号配線１１とコンデンサ１５の片方を接続する第１のスルーホール１３と、基板２０に設けられるスルーホールであって、第２の信号配線１２とコンデンサ１５の他方を接続する第２のスルーホール１４と、を備える配線回路基板とした。
【選択図】図１

Description

本発明は配線回路基板に関し、特に光信号を受けて電気信号を出力する光モジュールと前記電気信号を処理する信号処理装置とを接続する配線回路基板に関する。

送信用発光素子を組み込んだ発光モジュールと受信用受光素子を組み込んだ受光モジュールとの間で通信を行うデバイスは様々な分野で応用されている。近年は、このような光モジュールを配線基板に適用する技術開発が進められている。

このような光通信技術においては、送信用発光素子からの発光以外の光を受信用受光素子が受光することで生じるノイズ問題がある。特許文献１には、照度測定用の受光素子を別途備え、受信用受光素子の出力から当該照度測定用受光素子の出力を差し引くことで可視光成分を取り除く赤外線通信デバイスが開示されている。このように外乱光に起因するノイズをキャンセルする制御を行うことで、安定した赤外線通信を実現することが可能となる。

また、特許文献２には、ワイヤやスルーホールといった接続部分のインピーダンス不整合により、高周波数帯域において信号伝送時に電力が反射されることを抑えた高周波回路が開示されている。

特開２００７−６７３５４号公報特開平４−３４５３０１号公報

２つのＬＳＩ間を接続するために汎用光モジュールを使用した高速インタフェースにおいては、受信光モジュールへの光信号が未入力となった場合に、光モジュール内部のノイズが増幅回路で増幅されて受信光モジュールの電気信号出力が不定となることがある。

このような受信光モジュールへの光信号が未入力となる要因としては、例えば光ファイバの抜けや断線、送信側装置の電源オフ等がある。このように、受信光モジュールへの光信号が未入力となり、光モジュール内部のノイズが増幅回路で増幅されると、受信光モジュールの電気信号出力が不定となってランダムなパルスを出力することがある。

この不定信号は周波数も保証されず、通常信号よりも周波数が高い場合や低い場合もあり、様々である。このランダム信号を受信ＬＳＩが有効データと誤認識し、エラーとなる問題が発生していた。

ここで、この問題の回避策として光モジュールが光信号未入力を検出し、光未入力フラグを出力する事が考えられるが、この場合には受信ＬＳＩにフラグ入力ピンを別途設ける必要がある。しかしながら、信号チャネル数が増えるに従い、受信ＬＳＩのフラグピン数も増えるという新たな課題が発生するため、別の解決方法が求められていた。

本発明は、上記課題を鑑み、光モジュールを使用した高速インタフェースにおいて、受信ＬＳＩの入力ピンを別途設けることなく、光信号未入力に起因する誤認識を防止する配線回路基板を提供することを目的とする。

本発明の配線回路配線基板は、光信号を受けて電気信号を出力する光モジュールと前記電気信号を処理する信号処理装置とを接続する配線回路基板であって、グラウンドに接続されるグラウンド層と、電源に接続される電源層とを内部に有する基板と、前記基板の表面に実装され、前記光モジュールに接続される第１の信号配線と、前記基板の表面であって、前記第１の信号配線と同一の層に実装され、前記信号処理装置に接続される第２の信号配線と、前記第１の信号配線及び前記第２の信号配線がそれぞれ実装される前記基板の表面と反対側の前記基板の表面に配置されるコンデンサと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第１の信号配線と前記コンデンサの片方を接続する第１のスルーホールと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第２の信号配線と前記コンデンサの他方を接続する第２のスルーホールと、を備える。

本発明によれば、光モジュールを使用した高速インタフェースにおいて、入力ピンを別途設けることなく、光信号未入力に起因する誤認識を防止する光モジュール配線基板を提供することができる。

実施の形態１に係る配線回路基板の断面図である。実施の形態１に係る配線回路基板の平面図である。実施の形態１に係る配線回路基板の等価回路図である。実施の形態１に係る光モジュールから出力される電気信号の信号波形を示す図である。実施の形態１に係る受信ＬＳＩの内部構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る光インタフェース接続システムの構成を示す図である。

本発明の実施の形態について以下に図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。なお、各図面において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示しており、必要に応じて重複説明は省略されている。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施の形態１に係る配線回路基板１００の断面図を示している。また、図２は、当該配線回路基板１００の平面図を示している。

ここで、配線回路基板１００は、受光素子を含む光モジュールと、当該光モジュールからの信号を受信して信号処理を行う受信ＬＳＩとを接続するプリント基板である。光モジュールは、光信号を受けて電気信号を出力する。また、受信ＬＳＩは、光モジュールから配線回路基板１００を介して入力した電気信号に対して信号処理を行う信号処理装置である。

図１、図２に示すように、光モジュール配線基板１００では、光モジュールに接続される第１の信号配線１１と、受信ＬＳＩに接続される第２の信号配線１２がプリント基板２０の同一の表面に設けられる。当該信号配線１１及び信号配線１２が配置される信号配線層をここでは表面層（ＴＯＰ層）と称する。

プリント基板２０には、スルーホール１３及びスルーホール１４がそれぞれ設けられる。プリント基板２０は、例えば樹脂等の誘電体で構成される。

プリント基板２０において、ＴＯＰ層と反対の表面にＡＣ結合用のコンデンサ１５が実装される。当該ＡＣ結合用コンデンサ１５が配置される背面の層をＢｏｔｔｏｍ層と称する。

信号配線１１及び信号配線１２とＡＣ結合用コンデンサ１５のパッドは、それぞれスルーホール１３、１４で接続される。

プリント基板２０は、多層構造をとり、グラウンドに接続されるＧＮＤ層１６と電源に接続される電源層１７の２つのプレーン層が内層として設けられる。

ここでスルーホール１３、１４は内層（ＧＮＤ層１６、電源層１７）との間に一定の間隙であるクリアランスが設けられる。スルーホールと内層とのクリアランスを広げると共にスルーホール径を小さくすることでスルーホールのインダクタンス成分が大きくすることが可能となる。一方ＡＣ結合用コンデンサ１５は、信号成分が通過するのに必要十分な範囲で小さく設けられる。

この結果、光モジュール３１と受信ＬＳＩ３２間は、図３に示すような等価回路で接続されることとなる。ここでインダクタンス３３、３４は、それぞれスルーホール１３、１４の等価回路を示す。また、キャパシタンス３５は、ＡＣ結合用コンデンサ１５の等価回路を示す。

この回路は簡易的なバンドパスフィルタとなり、特定の周波数より高い周波数はインダクタンス３３、３４で減衰し、特定の周波数より低い周波数はキャパシタンス３５で減衰する。

光モジュール３１から受信ＬＳＩへ送られる通常信号は、８Ｂ１０Ｂ等の符号化が行われる。光モジュール３１が信号を符号化して送ることで信号の周波数成分は特定範囲内に収まるため、当該周波数成分を通過させるバンドパスフィルタとなるようにスルーホール１３、１４のスルーホール径やクリアランス間隔が選択され、また、ＡＣ結合用コンデンサ１５の大きさ等が決定される。

このように、信号配線にスルーホールを用い、一方グラウンド層はプリント基板の内層とすることで、スルーホールのインダクタンス成分を利用し、フィルタを形成する。最上層信号配線から最下層信号配線への接続にスルーホールを設けることでスルーホール長を長くとることができ、インダクタンスを大きくすることが可能となるため、特定の周波数より高い周波数を効率良く減衰させることができる。

一例として、通常信号の周波数が１０Ｇｂｐｓとすると、スルーホール１３、１４のインダクタンスを数ｎＨ程度、ＡＣ結合用コンデンサ１５の容量を数１０ｐＦ程度となるように調整することで、信号周波数成分以外が減衰するバンドパスフィルタを形成できる。

具体的には板厚１．６ｍｍ〜２．４ｍｍ程度の一般的なＦＲ４材料の基板ではスルーホールの直径は０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度、クリアラン間隔は０．６〜０．７ｍｍ以上とすることで上記数ｎＨ程度のインダクタンスが形成できる。

スルーホールのインダクタンスはスルーホール径とスルーホール長によって決まり、直径が小さいほど或いは長さが長いほどインダクタンスは大きくなる。数ｎＨ程度のインダクタンスを形成するには上記値となる。

またスルーホールの容量が大きいとノイズによる不定信号がスルーホールを通過してしまうため、容量を小さくするためクリアランス間隔を広げることが必要である。また裏面にコンデンサを配置することで信号はスルーホールの上から下に分岐することなく通過し、インダクタンスを大きくし、且つ容量を小さくできる。基板の厚さが薄い場合やノイズ周波数が低い場合はインダクタンスを大きくするためコンデンサの前後でスルーホールを複数回通過させることも可能である。

これにより、図４に示すように光モジュール３１に光信号入力がある場合は光モジュール３１から出力される通常信号は図３に示すバンドパスフィルタの等価回路を減衰なく通過する。一方で、光モジュール３１への光信号入力がなくなった場合に、光モジュール３１から出力される周波数不定のランダム信号はバンドパスフィルタで減衰し、レベル信号となって受信ＬＳＩ３２に伝わらなくなる。

以上のように、本発明の配線回路基板は、光モジュールと受信ＬＳＩ間の配線を接続する信号の配線層を表面層（ＴＯＰ層）とし、更に、ＡＣ結合用のコンデンサを反対面の表面層（Ｂｏｔｔｏｍ層）に搭載する。配線とコンデンサパッドを接続するスルーホールは内層（ＧＮＤ層、電源層）とのクリアランスを広げるとともにスルーホール径を小さくすることでスルーホールのインダクタンスを大きくする。一方ＡＣ結合コンデンサの容量は信号成分が通過するのに必要十分な範囲で小さくする。

当該構成とすることで、スルーホールのインダクタンス成分とＡＣ結合用のコンデンサにより部品点数を増やすことなく簡易的なＬＣのバンドパスフィルタを作ることが可能となる。

通常の汎用インタフェースは伝送周波数とその中に含まれるデータの周波数成分は決まっており、それ以外のランダムな不定信号はこのバンドパスフィルタにより減衰しレベル信号となる。この結果光未入力時に光モジュールから出力されるランダムな不定信号により受信ＬＳＩが誤動作する問題がなくなり、且つ光信号未入力検出フラグを使用せずに済むので受信ＬＳＩの信号ピン数も増加することがない。

このように、光モジュールへ光信号が入力されていない状態での光モジュールから出力されるランダム信号による受信ＬＳＩの誤動作をプリント板のスルーホール構造を工夫することで簡易的に防止することができる。

ここで、受信ＬＳＩ３２にレベル信号を検出する機能を持たせるとなお良好である。図５は、受信ＬＳＩ３２の内部構成を示すブロック図である。受信ＬＳＩ３２は、入力回路６１と、内部ロジック６２と、レベル信号検出回路６３と、を備える。

入力回路６１は、プリント基板２０に実装された信号配線１２に接続されており、光モジュール３１より送られてくる入力信号を、レベル信号検出回路６３からの制御に従って内部ロジック６２へ通過させる。内部ロジック６２は、入力信号を処理するための回路である。

レベル信号検出回路６３は入力信号がレベル信号となったことを検出し、入力回路６１の出力をディスイネーブルする。これにより光モジュール３１から出力される不定信号がバンドパスフィルタを通過する周波数成分でも一度レベル信号を検出してディスイネーブルすることで内部ロジック６２に不定信号が入力することを防止できる。

本発明の配線基板を用いることで、より安定した通信環境を整えつつ、２つのＬＳＩ間（装置間）を接続する光インタフェース接続が可能となる。図６は、本発明の配線回路基板を用いて構成した光インタフェース接続システムの構成を示す図である。

光インタフェース接続システムにおいて送信系は、信号処理装置である第１ＬＳＩ４２と送信用光モジュール４１がプリント基板５０上に実装され、信号配線５１で接続されている。第１ＬＳＩ４２から出力された電気信号は発光素子を備える送信用光モジュール４１にて光信号に変換される。

送信用光モジュール４１からの光信号は受信用光モジュール３１にて受光されて電気信号に変換され、信号配線１１へ出力される。当該信号は、図３の等価回路で示される配線を通って信号処理装置である受信ＬＳＩ３２に送られ、信号処理が行われる。

このような光インタフェース接続システムとしては、具体的にはファイバチャネルやインフィニバンド、イーサネット（登録商標）等がある。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、以下の形態を取ることが可能である。

（付記１）
光信号を受けて電気信号を出力する光モジュールと前記電気信号を処理する信号処理装置とを接続する配線回路基板であって、グラウンドに接続されるグラウンド層と、電源に接続される電源層とを内部に有する基板と、前記基板の表面に実装され、前記光モジュールに接続される第１の信号配線と、前記基板の表面であって、前記第１の信号配線と同一の層に実装され、前記信号処理装置に接続される第２の信号配線と、前記第１の信号配線及び前記第２の信号配線がそれぞれ実装される前記基板の表面と反対側の前記基板の表面に配置されるコンデンサと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第１の信号配線と前記コンデンサの片方を接続する第１のスルーホールと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第２の信号配線と前記コンデンサの他方を接続する第２のスルーホールと、を備える配線回路基板。
（付記２）
前記第１のスルーホール及び前記第２のスルーホールは、それぞれ前記基板に含まれる前記グラウンド層と電源層との間に所定幅のクリアランスを有する状態で形成される、付記１に記載の配線回路基板。
（付記３）
前記信号処理装置は、レベル信号を検出するレベル信号検出回路と、前記レベル信号検出部でレベル信号が検出された場合に前記光モジュールからの出力をディスイネーブルする切り換え回路と、を備える付記１に記載の配線回路基板。
（付記４）
光信号を受けて電気信号を出力する光モジュールと、
前記電気信号を処理する信号処理装置と、
前記光モジュールと信号処理装置とを接続する配線回路基板とを含む光インタフェース接続システムであって、
前記配線回路基板は、グラウンドに接続されるグラウンド層と、電源に接続される電源層とを内部に有する基板と、前記基板の表面に実装され、前記光モジュールに接続される第１の信号配線と、前記基板の表面であって、前記第１の信号配線と同一の層に実装され、前記信号処理装置に接続される第２の信号配線と、前記第１の信号配線及び前記第２の信号配線がそれぞれ実装される前記基板の表面と反対側の前記基板の表面に配置されるコンデンサと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第１の信号配線と前記コンデンサの片方を接続する第１のスルーホールと、前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第２の信号配線と前記コンデンサの他方を接続する第２のスルーホールと、を備える、
光インタフェース接続システム。

１１信号配線１２信号配線
１３スルーホール１４スルーホール
１５ＡＣ結合用コンデンサ１６グラウンド層
１７電源層２０プリント基板
３１（受光用）光モジュール３２受信ＬＳＩ（情報処理装置）
４１送信用光モジュール４２送信ＬＳＩ（情報処理装置）
５０プリント基板５１信号配線
６１入力回路６２内部ロジック
６３レベル信号検出回路１００配線回路基板

Claims

光信号を受けて電気信号を出力する光モジュールと前記電気信号を処理する信号処理装置とを接続する配線回路基板であって、
グラウンドに接続されるグラウンド層と電源に接続される電源層とを内部に有する基板と、
前記基板の表面に実装され、前記光モジュールに接続される第１の信号配線と、
前記基板の表面であって、前記第１の信号配線と同一の層に実装され、前記信号処理装置に接続される第２の信号配線と、
前記第１の信号配線及び前記第２の信号配線がそれぞれ実装される前記基板の表面と反対側の前記基板の表面に配置されるコンデンサと、
前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第１の信号配線と前記コンデンサの片方を接続する第１のスルーホールと、
前記基板に設けられるスルーホールであって、前記第２の信号配線と前記コンデンサの他方を接続する第２のスルーホールと、
を備える配線回路基板。
前記第１のスルーホール及び前記第２のスルーホールは、それぞれ前記基板に含まれる前記グラウンド層と電源層との間に所定幅のクリアランスを有する状態で形成される、
請求項１に記載の配線回路基板。
前記信号処理装置は、レベル信号を検出するレベル信号検出回路と、
前記レベル信号検出部でレベル信号が検出された場合に前記光モジュールからの出力をディスイネーブルする切り換え回路と、
を備える請求項１に記載の配線回路基板。