JP6894352B2 - プリント回路基板及び当該プリント回路基板を備える光送受信器 - Google Patents

Description

本発明はプリント回路基板及び当該プリント回路基板を備える光送受信器に関する。

光ファイバ伝送用の光送受信器(光トランシーバモジュール)は近年のブロードバンドネットワークの普及とともに，高速化、小型・低コスト化が図られている。高速化に関しては現在ではビットレートが１００Ｇｂｉｔ／ｓ級のものが実用化されている。小型・低コスト化に関してはケースサイズの縮小化・部品数の削減が進み，現在ＱＳＦＰ２８という呼称のＭＳＡ（Multi Source Agreement）により規定されたフォームファクタと電気的インターフェイスをもつ光送受信器が広く使われている。

光送受信器は４×２５Ｇｂｉｔ／ｓ級のシリアルデータの電気インターフェイスを備え、内部のプリント回路基板には受信用に４チャネルの差動伝送線路、送信用に４チャネルの差動伝送線路が配置される。受信側は例えば４チャネルのＲＯＳＡ（Receiver Optical SubAssembly）により光受信信号を電気信号に変換し、ＲＯＳＡに接続されたフレキシブル基板等を介して、プリント回路基板上の4チャネルの差動伝送線路に接続される。差動伝送線路は４チャネルのＣＤＲ（Clock Data Recovery）ＩＣに接続されており、差動伝送線路を介して電気信号が入力される。プリント回路基板は光送受信器の小型化に伴い、搭載部品を高密度に配置することが必要となっている。部品配置場所の制約によって、例えば、ＲＯＳＡのフレキシブル基板とプリント回路基板の接続面（第一面）とＣＤＲ ＩＣの搭載面（第二面）とが反対側となる事例が生じている。その場合には４チャネルの差動伝送線路をプリント回路基板の第一面から第二面に伝達させるための差動信号ビアを４対配置することが必要になる。

これに関し、特許文献１は、ビアの対間でのクロストークを抑制するように配置された複数の差動信号ビアの対を備えるプリント基板を開示している。特許文献１のプリント基板では、隣接する他の差動信号ビアと相異なる差動信号を伝送する特定の差動信号が有するペアの各ビアは、前記他の差動信号ビアが有する対の各ビアからの距離が等しい点の軌跡上に並べて配置されている。

また、特許文献２は、複数の差動信号ビアの対をブロードサイド結合とエッジ結合の両方を実装するように配置されたプリント基板を開示している。特許文献２のプリント基板は、エッジ結合した差動信号ビアの対は正極性のフォワード（遠端）クロストークを生じさせる一方でブロードサイド結合した差動信号ビアの対は負極性のフォワードクロストークを生じさせることを利用して、両クロストークを相殺させる。

特開２０１４−１３８０１５号公報 特開２０１６−００６８７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された構成では、隣り合う差動信号ビアを９０°回転して配置する必要がある。そのため例えば、第一面に４チャネルの差動伝送線路を直線上に近接して配置すると、差動信号ビアとの接続部分で差動信号配線を迂回させる必要が生じる。そのため、迂回された差動信号配線のプリント回路基板上での占有面積が増加し、迂回された差動信号配線対中の各線の長さの非対称性に起因する差動−コモンモード変換量の増加が生じる。その結果として、引用文献１のプリント回路基板では、高密度配置および伝達特性を十分に得ることが困難となる。

また、上記特許文献２に開示された構成では、差動信号ビア間の結合にブロードサイド結合を利用している。“ブロードサイド結合型”の差動信号ビア間では誘導性結合が生じているため、高密度配置にするために隣り合うブロードサイド結合型の差動信号ビアの対を近づけると、誘導性結合が増してクロストーク量が増大する恐れがある。その理由は、高密度配置に伴い差動信号ビア間のクロストークが支配的となり、クロストークを抑圧することが困難であるからである。そのためこの構成での高密度化には限界がある。

また“ブロードサイド結合型”の差動信号ビアを用いた場合、例えば、第一面に４チャネルの差動伝送線路を直線上に近接して配置すると、差動信号ビアとの接続部分で差動信号配線を迂回させる必要が生じる。そのため、迂回された差動信号配線のプリント回路基板上での占有面積が増加し、迂回された差動信号配線対中の各線の長さの非対称性に起因する差動-コモンモード変換量の増加が生じる。その結果として、引用文献２のプリント回路基板では、高密度配置および伝達特性を十分に得ることが困難となる。

本発明の目的は、送受信波形品位の確保と小型化を両立するプリント回路基板及び当該プリント回路基板を備える光送受信器を提供することである。

（１）本発明の第一態様に係るプリント回路基板は、誘電体と、前記誘電体を貫通するように設けられるＮ個（Ｎは２以上の整数）の差動信号ビアの対と、前記誘電体の第一面上に設けられるＮ個の第一ストリップ導体対と、前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第一ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第一差動伝送線路を構成する第一接地導体層と、前記誘電体の第二面上に設けられるＮ個の第二ストリップ導体対と、前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第二ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第二差動伝送線路を構成する第二接地導体層と、を有する。当該プリント回路基板では、前記Ｎ個の第一ストリップ導体対と第二ストリップ導体対は前記Ｎ個の差動信号ビアの対を介して各々が接続され、前記第一接地導体層と前記第二接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の開口を備え、前記Ｎ個の差動信号ビアの対は、前記単一の開口を貫通するとともに、前記開口内で一の方向に沿って配置される。

（２）（１）に記載のプリント回路基板において、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のそれぞれを取り囲むように配置される複数の接地導体ビアをさらに有してよい。当該プリント回路基板では、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうちの隣接する２つの差動信号ビアの対との間に、前記複数の接地導体ビアのうちの２個の接地導体ビアが、前記開口を挟んで対向するよう配置されることで合計（２Ｎ+２）個の接地導体ビアが配置され、前記各接地導体ビアは前記開口の外側において前記第一及び第二接地導体層に接続してよい。

（３）（１）又は（２）に記載のプリント回路基板において、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうち、隣接する二つの差動信号ビアの対の中心間距離Ｄ_１、前記隣接する二つの差動信号ビアの対に接続される隣接する二つの第一差動伝送線路の中心間距離Ｐとする場合、（Ｄ_１，Ｐ）は、（０．６ｍｍ，１．２ｍｍ）、（０．９ｍｍ，１．６ｍｍ）、（１．２ｍｍ，２．２ｍｍ）、（０．６ｍｍ，２．２ｍｍ）を頂点とする四角形の辺上又は該四角形の範囲の側に位置してよい。

（４）本発明の第二態様に係るプリント回路基板は、誘電体と、前記誘電体を貫通するように設けられるＮ個（Ｎは２以上の整数）の差動信号ビアの対と、前記誘電体の第一面上に設けられるＮ個の第一ストリップ導体対と、前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第一ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第一差動伝送線路を構成する第一接地導体層と、前記誘電体の第二面上に設けられるＮ個の第二ストリップ導体対と、前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第二ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第二差動伝送線路を構成する第二接地導体層と、を有する。当該プリント回路基板では、前記Ｎ個の第一ストリップ導体対と第二ストリップ導体対は前記Ｎ個の差動信号ビアの対を介して各々が接続され、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうち、隣接する二つの差動信号ビアの対の中心間距離Ｄ_１、前記隣接する二つの差動信号ビアの対に接続される隣接する二つの第一差動伝送線路の中心間距離Ｐとする場合、（Ｄ_１，Ｐ）は、（０．６ｍｍ，１．２ｍｍ）、（０．９ｍｍ，１．６ｍｍ）、（１．２ｍｍ，２．２ｍｍ）、（０．６ｍｍ，２．２ｍｍ）を頂点とする四角形の辺上又は該四角形の範囲の側に位置する。

（５）（４）に記載のプリント回路基板において、前記第一接地導体層と前記第二接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の開口を備え、前記Ｎ個の差動信号ビアの対は、前記単一の開口を貫通するとともに、前記開口内で一の方向に沿って配置されてよい。

（６）（４）又は（５）に記載のプリント回路基板において、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のそれぞれを取り囲むように配置される複数の接地導体ビアをさらに有してよい。当該プリント回路基板では、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうちの隣接する２つの差動信号ビアの対との間に、前記複数の接地導体ビアのうちの２個の接地導体ビアが、前記開口を挟んで対向するよう配置されることで合計（２Ｎ+２）個の接地導体ビアが配置され、前記各接地導体ビアは前記開口の外側において前記第一及び第二接地導体層に接続してよい。

（７）本発明に係る光送受信器は（１）乃至（６）ののいずれかに記載のプリント回路基板を備える。

（８）（７）に記載の光送受信器において、光信号を出力する光送信サブアセンブリと、入力される光信号を電気信号に変換する光受信サブアセンブリと、前記光受信サブアセンブリと前記プリント回路基板とを接続し、Ｎ個の第三差動伝送線路形成されたフレキシブル基板と、ＩＣと、前記プリント回路基板、前記光受信サブアセンブリ、前記フレキシブル基板、そして前記ＩＣを格納するケースと、をさらに備えてよい。当該光送受信器では、前記光受信サブアセンブリにより変換された前記電気信号は、前記フレキシブル基板の前記第三差動伝送線路を介して前記プリント回路基板の前記第一差動伝送線路に接続されてよい。

本発明に係るプリント回路基板は、差動信号ビアの対を、第一及び第二の接地導体層中に設けられた開口を貫通して前記開口内で一の方向に沿って配置するので、差動信号配線を引き回す必要がなくなる。その結果本発明に係るプリント回路基板の小型化を実現することが可能になる。

さらに本発明に係るプリント回路基板は、前記差動信号ビアの対を前記開口内で一の方向に沿って配置するので、対をなす配線の長さを等しく、ないしは近似させることができる。その結果、本願のプリント回路基板は、差動-コモンモード変換量を抑制でき、必要とされる周波数範囲において伝達特性を良好に保つことができる。

またさらに本発明に係るプリント回路基板は、第二及び第二の接地導体層中に開口を設け、その開口内で前記差動信号ビアの対を一の方向に沿って配置するので、差動信号ビア間での容量結合に起因するフォワードクロストークと誘導結合に起因するフォワードクロストークとを少なくとも部分的に相殺することができる。この結果、チャネルのフォワードクロストーク量を低減することができる。

このように本発明に係るプリント回路基板は、良好な伝達特性とチャネルのフォワードクロストーク量の低減によって、送受信波形品位の確保を可能にしている。

ネットワーク装置に実装された本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板を備える光送受信器の概略的断面斜視図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板の平面図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板の底面図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列の斜視図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列の平面図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板のＡＡ’線での概略的断面図を表している。 本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板のＢＢ’線での概略的断面図を表している。 本発明の第１の実施形態による差動信号ビア列における４チャネル間のフォワードクロストーク特性のグラフを表している。 （ａ）本発明の第２の実施形態によるプリント回路基板上に配置した２チャネルの差動信号ビア列の拡大平面図、及び、（ｂ）比較例１のプリント回路基板上に配置した２チャネルの差動信号ビア列の拡大平面図を表している。 本発明の第２の実施形態及び比較例１による差動信号ビア列における２チャネル間のフォワードクロストーク量(最大値)のチャネルピッチ（Ｐ）依存性を比較したグラフである。 本発明の第２の実施形態による差動信号ビア列におけるフォワードクロストーク量(最大値)の差動信号ビアピッチ（Ｄ₁）とチャネルピッチ（Ｐ）に対する等値線を示すグラフである。 比較例２のプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動伝送線路と差動信号ビアの斜視図を表している。 比較例２のプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列の平面図を表している。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［第一実施形態］
図１はネットワーク装置（不図示）に実装された本発明の第１の実施形態によるプリント回路基板を備える光送受信器の概略的断面斜視図を表している。図２は当該実施形態によるプリント回路基板の第一面を表している。図３は当該実施形態によるプリント回路基板の第二面を表している。なお図２，３中、本発明の要旨が曖昧になることを回避するため、受信側ＣＤＲ ＩＣ（Ｒｘ-ＣＤＲ ＩＣ）２０７と送信側ＣＤＲ ＩＣ（Ｔｘ-ＣＤＲ ＩＣ）２０９以外のＩＣは省略されている。

光送受信器３はネットワーク装置のフロントパネル２０４に設けられた開口部に挿入される。光送受信器３はネットワーク装置のプリント回路基板２０３上に搭載されている。ネットワーク装置のプリント回路基板２０３上にはコネクタ２０８が設けられている。カードエッジ２１０はコネクタ２０８に係合される。カードエッジ２１０は上部ケース２００と下部ケース２０１の後方のスロット開口部から外部に露出している。

光送受信器３は、プリント回路基板（ＰＣＢ:Printed Circuit Board）１、上部ケース２００、下部ケース２０１、光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）２０５、光送信サブアセンブリ（ＴＯＳＡ:Transmitter Optical SubAssembly）（不図示）、ＲＯＳＡ側フレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣ）２０６、ＴＯＳＡ側フレキシブル基板２１１、ＣＤＲ ＩＣ２０７、及びカードエッジ２１０を有する。上部ケース２００と下部ケース２０１は、カードエッジ２１０を通す部分の開口部以外の部分において隙間がないように密着することで光送受信器３のケースを構成する。光送受信器３のケースの内部には、ＲＯＳＡ２０５、ＴＯＳＡ、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）２０６，２１１、プリント回路基板１などが格納されている。ＲＯＳＡ２０５とＴＯＳＡはＦＰＣを介してプリント回路基板１に接続されている。カードエッジ２１０はプリント回路基板１の一端側に設けられた配線パターンであり、カードエッジ２１０にはコネクタ２０８接続用の接点端子列が設けられている。ＦＰＣ２０６上には４対の差動伝送線路が配置されている。プリント回路基板１上には複数のＩＣが搭載されており、その一つに受信側のＣＤＲ ＩＣ２０７がある。

光送受信器３のケースは、電子回路部品を搭載したプリント回路基板１を覆うことで電磁シールドとして機能する。上部ケース２００及び下部ケース２０１の材料には亜鉛、アルミニウムなどの金属が用いられてよい。カードエッジ２１０は活線挿抜の機能を有する。コネクタ２０８はＱＳＦＰ２８ ＭＳＡ規格に準拠している。ＲＯＳＡ２０５は４チャネルの光入力信号を電気信号に変換して増幅し、４チャネルの差動デジタル変調信号をビットレート２５．７８Ｇｂｉｔ／ｓで外部端子に出力する。

当該実施形態におけるプリント回路基板１は、誘電体層の表面および内部に配線パターンが形成されたものと、複数の誘電体層の積層構造の両者を含む。本明細書では、誘電体の内部とは一つの誘電体の内部を示す場合と二つの誘電体層の間に挟まれた領域の両方を示すものとする。また誘電体と表記した場合は、単層の場合と複数層の場合の両者を含む。図２に図示されているように、プリント回路基板１の第一面にはＦＰＣ２０６，２１１、差動信号ビア列２、第一差動伝送線路１００、差動信号ビア１４４，１４５、及びＴｘ-ＣＤＲ ＩＣ２０９が設けられている。また図３に図示されているように、プリント回路基板１の第二面には差動信号ビア列２、第二差動伝送線路１１０、差動信号ビア１４４，１４５、及びＲｘ-ＣＤＲ ＩＣ２０７が設けられている。第一面の第一差動伝送線路１００と第二面の第二差動伝送線路１１０は、差動信号ビア列２を介して接続する。ここでは第一および第二差動伝送線路はそれぞれ４チャンネルを形成している。

ＲＯＳＡ２０５の外部端子は第三差動伝送線路が形成されたＦＰＣ２０６を介してプリント回路基板１の第一面上の第一差動伝送線路１００に接続される。第一差動伝送線路１００は差動信号ビア列２を介して第二面の第二差動伝送線路１１０と接続する。第二面の第二差動伝送線路１１０は第二面に配置されているＲｘ−ＣＤＲ ＩＣ２０７に接続される。図では４チャネル分の差動伝送線路が図示されているが４チャネル以外の複数のチャネル数であってもよい。

Ｒｘ-ＣＤＲ ＩＣ２０７は４チャネル分の差動伝送線路と接続し、その内２チャネル分に相当する差動伝送線路が差動信号ビア１４４、１４５を介して表面である第一面の２チャネル分に相当する差動伝送線路を介してカードエッジ２１０に接続される。

ＴＯＳＡもＲＯＳＡ同様にＦＰＣ２１１を介してプリント回路基板１の第一面に接続されている。ＴＯＳＡは、プリント回路基板１においては第一面に設けられた差動伝送線路を介してＴｘ−ＣＤＲ２０９と接続されている。Ｔｘ−ＣＤＲ２０９とカードエッジとは、第一面では２チャンネルを介して接続され、第二面では他の２チャンネルを介して接続されている。

図４は当該実施形態によるプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列２の斜視図を表している。図５は当該実施形態によるプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列２の平面図を表している。図６は当該実施形態によるプリント回路基板のＡＡ’線での概略的断面図を表している。図７は当該実施形態によるプリント回路基板のＢＢ’線での概略的断面図を表している。

図４に示されているように、差動信号ビア列２は４対の差動信号ビアと、１０個の接地導体ビアと、接地導体ビアに接続した２つの接地導体層１０３，１１３と、接地導体層１０３，１１３に設けた開口１２０，１２１で構成される。４対の差動信号ビアは開口１２０，１２１内に設けられる。差動信号ビア列はプリント回路基板１の第一面上の４対の第一差動伝送線路１００と第二面上の４対の第二差動伝送線路１１０とをそれぞれ接続する。ここでは４つのチャネルが構成される。例えば上記４つのチャネルは、ＲＯＳＡから受信側ＣＤＲ ＩＣまでの間に配置され、４×２５．７８Ｇｂｉｔ／ｓのシリアルデータを電気信号として伝達してよい。

ここでチャネル構造をよりよく理解するため、図示されている４つのチャネル（便宜上、左から第一乃至第四チャネルと指称する。）の内、差動信号ビア１０４，１０５で構成されるチャネル(第二チャネル)を例にとってチャネル構造を説明する。なお当該実施形態においては４つのチャネルの構成は、差動信号ビア付近においては寸法を含めて同一である。差動信号ビア１０４，１０５は一対の差動信号ビアを構成する。差動信号ビア１０４，１０５は、第一面の表面配線（第一ストリップ導体対）と第二面の表面配線（第二ストリップ導体対）とを接続する。Ｄ_１は差動信号ビア１０４，１０５の中心間距離(差動信号ビアピッチ)を表す。当該実施形態においてＤ_１は０．７ｍｍだが他の値であってよい。当該実施形態において差動信号ビア１０４，１０５はドリル加工によるによるＩＶＨ(非貫通スルーホール)とレーザ加工によるＬＶＨ(レーザービアホール)との組合せで形成されてよいが、多層のプリント回路基板１の製造工程に応じて様々な方法で形成されてよい。当該実施形態においては、ビア(バイアホール)は、ＩＶＨでのドリル穴径を０．２ｍｍとし、その穴の側面に銅メッキを施し、かつ、ＬＶＨでの穴径を０．１ｍｍとし、その穴の側面に銅メッキを施すことで形成されてよい。

第一面の第一差動伝送線路１００は、プリント回路基板１の表面に形成したストリップ導体１０１，１０２（第一ストリップ導体対）と、誘電体１３０の内部に形成された接地導体層１０３とで構成される。ストリップ導体１０１，１０２及び接地導体層１０３は銅箔をパターニングすることによって形成されてよい。第一差動伝送線路１００はマイクロストリップライン型の伝送線路である。ストリップ導体１０１，１０２の導体幅及び導体間距離は、第一差動伝送線路１００の差動特性インピーダンスが１００Ωとなるように決定される。例えば誘電体の比誘電率が３．５、ストリップ導体１０１，１０２と接地導体層１０３との層間距離が０．１６６ｍｍである場合、ストリップ導体１０１，１０２の導体幅及び導体間距離はそれぞれ０．１９ｍｍ及び０．２０ｍｍとするのが好適である。ここでは４対の第一ストリップ導体対が配置されている（４チャンネルの第一差動伝送線路が形成されている）。

プリント回路基板１の基材である誘電体１３０としては、ガラス布基材とエポキシ樹脂からなる材料(ガラスエポキシ樹脂)が用いられてよい。当該実施形態ではプリント回路基板１の厚さは１．０ｍｍであるが、他の値であってもよい。

プリント回路基板１の第一面とは反対の面である第二面の第二差動伝送線路１１０は第二面上に形成されたストリップ導体１１１，１１２（第二ストリップ導体対）と誘電体内部に形成した接地導体層１１３とで構成される。例えばストリップ導体１１１，１１２の寸法は、第一差動伝送線路１００同様に、第二差動伝送線路１１０の差動特性インピーダンスが１００Ωとなるように決定されてよい。

４個の接地導体ビア１０６，１０７，１０８，１０９が、上方から見て長方形の頂点となるように配置され、差動信号ビア１０４，１０５からなる一対の差動信号ビアを取り囲む。接地導体ビア１０６，１０７の中心間距離Ｄ_２は隣接するチャネル間の差動信号ビアの中心間距離(チャネルピッチ)Ｐと等しくてよい。当該実施形態ではＤ_２は１．４ｍｍである。当該実施形態では接地導体ビア１０７，１０８の中心間距離は１．４ｍｍであるが、他の値であってもよい。

接地導体層１０３，１１３内に設けられた開口（アンチパッド）１２０，１２１は、接地導体層１０３，１１３と差動信号ビアとを絶縁するために設けられる。隣接する第一乃至第四チャネルの全ての差動信号ビアは、開口１２０，１２１の各々を貫通するように配置される。第一乃至第四チャネルの差動信号ビアの対を構成する全ての差動信号ビアは、上方から見て一の方向に沿って配置される。好適には全ての差動信号ビアは一の直線上に配置される。

第一乃至第四チャネルの差動信号ビアは、１０個の接地導体ビアが４対の差動信号ビアを取り囲むように配置される。前記１０個の接地導体ビアのうち２つの接地導体ビアは、隣接する差動信号ビア間で開口を挟んで対向するように配置される。つまり前記２つの接地導体ビアは前記隣接する差動信号ビアによって共有される。例えば第二チャネルの差動信号ビアと第三チャネルの差動信号ビアは、これらの間には接地導体ビア１０７，１０８が配置され、かつ、接地導体ビア１０７，１０８は第二チャネルの差動信号ビアと第三チャネルの差動信号ビアによって共有される。当該実施形態では、４対の差動信号ビアに対し１０個の接地導体ビアが配置される。これら１０個の接地導体ビアは開口１２０，１２１の外側において接地導体層１０３，１１３に接続される。接地導体ビアはそれぞれが取り囲む差動信号ビアの電磁界が広がらないようにする作用があり、接地導体ビアで取り囲むことで隣接するチャネル間のクロストークを減少させることができる。

当該実施形態の配置は、差動信号ビア列２の配置領域の面積を縮小することができる。当該実施形態では、第一乃至第四チャネルの差動信号ビアの各対内の差動信号ビアの中心間距離(差動信号ビアピッチ)Ｄ₁は全て０．７ｍｍである。また当該実施形態では、隣接するチャネル間の差動信号ビアの中心間距離(チャネルピッチ)Ｐは全て１．４ｍｍである。また当該実施形態では、差動信号ビア列２の寸法はおよそ２．０ｍｍ×６．２ｍｍである。

図８は、当該実施形態による差動信号ビア列における４チャネル間のフォワードクロストーク（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）特性のグラフを表している。当該実施形態による４チャネルの差動信号ビア列では、第一チャネルは差動ポート１と差動ポート２で構成され、第二チャネルは差動ポート３と差動ポート４で構成され、第三チャネルは差動ポート５と差動ポート６で構成され、かつ、第四チャネルは差動ポート７と差動ポート８で構成される。

図中、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ４，Ｄｉｆｆ１）は差動ポート１に入射して差動ポート４で検出されるフォワードクロストークを表し、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ２，Ｄｉｆｆ３）は差動ポート３に入射して差動ポート２で検出されるフォワードクロストークを表し、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ６，Ｄｉｆｆ１）は差動ポート１に入射して差動ポート６で検出されるフォワードクロストークを表し、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ８，Ｄｉｆｆ１）は差動ポート１に入射して差動ポート８で検出されるフォワードクロストークを表し、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ６，Ｄｉｆｆ３）は、差動ポート３に入射して差動ポート６で検出されるフォワードクロストークを表し、かつ、Ｓｔ（Ｄｉｆｆ８，Ｄｉｆｆ３）は差動ポート３に入射して差動ポート８で検出されるフォワードクロストークを表す。

４チャネル（８ポート）の差動信号ビアの対称性を利用することで、６種類の組み合わせのみの検討で４チャネルの差動信号チャネル間のフォワードクロストーク特性を評価することができる。

図のフォワードクロストーク特性の周波数依存性は、三次元電磁界解析により求められた。その結果、フォワードクロストーク特性は、周波数範囲０〜２５ＧＨｚという広い範囲において、最大でも−３６ｄＢ以下の値に保たれており、極めて低いクロストーク量を持つ差動信号ビア列が実現されることが示された。

［第二実施形態］
図９（ａ）は本発明の第２の実施形態によるプリント回路基板上に配置した２チャネルの差動信号ビア列の拡大平面図を表し、かつ、図９（ｂ）は比較例１のプリント回路基板上に配置した２チャネルの差動信号ビア列の拡大平面図を表している。当該実施形態は、差動伝送線路のチャネル数が異なる点以外は、第１の実施形態と同じである。

当該実施形態は図９（ａ）に示すように、差動信号ビア列は２対の差動信号ビアと、６個の接地導体ビアと、接地導体ビアに接続した２つの接地導体層と、接地導体層に設けたアンチパッドと呼ばれる開口１２０で構成される。隣接する第一及び第二のチャネルの全ての差動信号ビアは、一の開口１２０内で基板を貫通するように配置される。第一及び第二のチャネルの差動信号ビアの対を構成する全ての差動信号ビアは、上方から見て一の方向に沿って配置される。好適には全ての差動信号ビアは一の直線上に配置される。図９（ａ）では、６個の接地導体ビアが、第一及び第二のチャネルの差動信号ビアを取り囲むように配置される。前記６個の接地導体ビアのうち２個の接地導体ビアは、第一及び第二のチャネルの差動信号ビアの各対の間で開口１２０を挟んで対向するように配置される。具体的には、接地導体ビア１０７，１０８は、互いに隣接する第一チャネルの差動信号ビアと第二チャネルの差動信号ビアとの間で開口１２０を挟んで対向するように配置される。換言すれば、４個の接地導体ビアが差動信号ビアの各対を取り囲み、かつ、接地導体ビア１０７，１０８は、第一チャネルの差動信号ビアと第二チャネルの差動信号ビアによって共有される。これら６個の接地導体ビアは開口１２０の外側において接地導体層１０３に接続される。

２つのチャネルの内，図中の左側のチャネル(第一チャネル)を例にとってチャネル構造を説明する。４個の接地導体ビア１０６，１０７，１０８，１０９は、上方から見て長方形の頂点となるように配置されて差動信号ビア１０４，１０５からなる一対の差動信号ビアを取り囲む。接地導体ビア１０６，１０７の中心間距離は、隣接するチャネル間の差動信号ビアの中心間距離(チャネルピッチ)Ｐに等しくなるように設定される。当該実施形態では、接地導体ビア１０７，１０８の中心間距離は１．４ｍｍに設定されるが他の値に設定されてもよい。なお第二チャネルの構成は、寸法を含めて第一チャネルと同一である。

第一及び第二のチャネルの差動信号ビアの各対内の差動信号ビアの中心間距離(差動信号ビアピッチ)Ｄ₁は等しくなるように、後述の範囲の値から選ばれる。例えばＤ₁は０．７ｍｍが好適である。第一チャネルの差動信号ビアの中心位置と、第二チャネルの差動信号ビアの中心位置との間距離(チャネルピッチ)Ｐの値は後述の範囲から選ばれる。例えば好適にはＰは１．４ｍｍであるが他の値に設定されてもよい。これらの配置とすることにより、差動信号ビア列の配置領域の面積は非常に小さくなり得る。

当該実施形態との比較のため、比較例１の構造が図９（ｂ）に示されている。当該実施形態と比較例１との違いは２つある。第一の差異は、８個の接地導体ビアが２対の差動信号ビアを取り囲んでいる。つまり隣接する差動信号ビアの対の間に存在する接地導体ビアの個数は４個であり、８個の接地導体ビアのいずれも差動信号ビアの対によって共有されていないことである。図示されているように、差動信号ビアを取り囲む４個の接地導体ビア３０６，３０７，３０８，３０９は対をなす差動信号ビア３０４，３０５を取り囲むように配置されている。隣接する差動信号ビアの対と接地導体ビアも同様である。第二の差異は、差動信号ビアの各対がそれぞれ異なるアンチパッド（開口）を貫通するように配置されている点である。図示されているように、開口３２０を貫通するのは一つの差動伝送線路（一対のストリップ導体）とつながる差動信号ビアの対のみである。隣接する差動信号ビアの対と接地導体ビアも同様である。当該実施形態では、接地導体ビア３０６，３０７の中心間距離は１．４ｍｍに設定され、接地導体ビア３０７，３０８の中心間距離は１．４ｍｍに設定される。比較例１においては、例えば差動信号ビア３０４，３０５の中心間距離(差動信号ビアピッチ)Ｄ₁は１．２ｍｍに設定され、第一チャネルの差動信号ビアの中心位置と、第二チャネルの差動信号ビアの中心位置との間の距離(チャネルピッチ)Ｐは２．８ｍｍに設定される。

図１０は、当該実施形態及び比較例１の差動信号ビア列におけるフォワードクロストーク量(最大値)のチャネルピッチ（Ｐ）依存性を比較したグラフを表している。縦軸は周波数範囲０〜２５ＧＨｚにおけるフォワードクロストーク量の最大値であり、横軸はチャネルピッチＰである。このグラフのフォワードクロストーク量の最大値とは、図５に示された差動信号ビア近傍でのフォワードクロストークの最大値である。具体的には、この最大値は、差動信号線と差動信号ビア全体のＳパラメータ行列から、マイクロストリップラインの寄与を取り除いたＳパラメータを行列演算により算出して求めたフォワードクロストーク量の最大値である。

図１０は、差動信号ビアピッチＤ₁が１．２ｍｍ、１．０ｍｍ、０．７ｍｍに設定された場合において、チャネルピッチＰの変化に対するフォワードクロストーク量の変化を表す６本の曲線を示している。Ｐが２．３ｍｍ以上の配置は比較例１に相当し、Ｐが２．１ｍｍ以下の配置は当該実施形態に相当する。

本願発明者の検討によれば、比較例１の構造ではチャネルピッチＰを小さくするに従って、フォワードクロストーク量は単調に増大し、比較例１の構造で実際に実現可能なチャネルピッチＰの最小寸法である２．３ｍｍにおいて最も大きな値を示した。またこれらの差動信号ビア間のフォワードクロストークは、位相の変化の振る舞いより、容量性結合が支配的要因であることがわかっている。

差動信号ビアピッチＤ₁については１．２ｍｍとすることにより、差動信号ビア部での特性インピーダンスを１００Ωに一致させることが容易にでき、伝達特性を良好に保つ上では理想的であった。比較例１では上記のように、差動信号ビアピッチＤ₁を１．２ｍｍ、チャネルピッチＰを２．８ｍｍとすることで、フォワードクロストーク量の最大値を−３８ｄＢと良好にし、かつ伝達特性を良好に保つことができる。しかしチャネルピッチＰを大幅に縮小することは困難であり、これ以上の高密度実装は困難であることがわかった。

当該実施形態の構造では実際に製造できるチャネルピッチＰの最小寸法は、差動信号ビアピッチＤ₁にも依存するが、２．１ｍｍよりさらに小さくすることができる。また差動信号ビアピッチＤ₁が１．２ｍｍの場合には、チャネルピッチＰが小さくなるに従って、フォワードクロストーク量が急激に増大した。一方本願発明者は検討の結果、差動信号ビアピッチＤ₁が０．７ｍｍの場合には、チャネルピッチＰを２．１ｍｍから小さくしてゆくと、フォワードクロストーク量が一度極小値を示した後、増大することを見出した。この急増を示す領域−例えばチャネルピッチＰが１．２ｍｍの場合−では、差動信号ビア間の結合は誘導性を示した。極小値をとるチャネルピッチＰ（１．５ｍｍ）の前後の領域では、差動信号ビア間の結合は容量性から誘導性への変化の途中の特性を示している。つまりＰが１．５ｍｍ前後の領域では、差動信号ビア間の結合が容量性から誘導性へ遷移している。よって、この遷移領域において容量性結合と誘導性結合の相殺効果が生じているものと考えられる。差動信号ビアピッチＤ₁については０．７ｍｍの場合でも、差動信号ビアでの寄生容量を低減することにより、差動反射特性を−２０ｄＢ程度に低減し、かつ、伝達特性を良好にすることが可能であった。当該実施形態は、上記のように、差動信号ビアピッチＤ₁を０．７ｍｍ、チャネルピッチＰを１．４ｍｍと大幅に縮小しても、フォワードクロストーク量の最大値を−３９ｄＢと良好にし、かつ伝達特性を良好に保つことを可能にする。

次に当該実施形態において、上記のメカニズムに基づく相殺効果が得られ、フォワードクロストークを充分に抑圧できるための差動信号ビアピッチＤ₁とチャネルピッチＰの範囲について説明する。図１１は当該実施形態の差動信号ビア列における２チャネル間のフォワードクロストーク量(最大値)の差動信号ビアピッチ（Ｄ₁）とチャネルピッチ（Ｐ）に対する等値線を示すグラフを表している。図１１において、差動信号ビアピッチＤ₁を０．６ｍｍから１．２ｍｍの範囲で変化させ、かつ、チャネルピッチＰを１．０ｍｍから２．２ｍｍの範囲で変化させたときのフォワードクロストーク量(最大値)を三次元電磁解析により求め、差動信号ビアピッチＤ₁をｘ座標、チャネルピッチＰをｙ座標として、その結果を等値線図にしたものである。

図１１より、座標（０．７ｍｍ，１．５ｍｍ）を中心とした比較的小さな領域で最も大きな効果が得られ、この領域ではフォワードクロストーク量の最大値を−４５ｄＢ以下に抑圧できることがわかる。またフォワードクロストーク量の最大値は、光送受信器を搭載するネットワーク装置やシステムの仕様にも依るが、例えば−３５ｄＢ以下であれば充分良好な特性である。当該実施形態においては、各対を構成する２つの前記差動信号ビアの中心間距離Ｄ₁、前記隣接する２つの対の中心間距離Ｐとする場合、（Ｄ₁，Ｐ）が、（０．６ｍｍ，１．２ｍｍ）、（０．９ｍｍ，１．６ｍｍ）、（１．２ｍｍ，２．２ｍｍ）、（０．６ｍｍ，２．２ｍｍ）を頂点とする四角形の辺上又は該四角形の範囲の側に位置することにより、所望の特性が実現できることがわかる。なお、本特性はチャネル数によらず同様の効果を得ることができる。つまり第１の実施形態で示したように４チャンネルの差動信号ビアの対が配置されるものであっても、図１１の関係であり、所望する特性に応じてチャネルピッチＰ、差動信号ビアピッチＤ₁を選択すればよい。

以上のように当該実施形態によれば、プリント回路基板上の第一面に接続したＦＰＣと第二面に搭載したＣＤＲ ＩＣとを備える光送受信器は、ＲＯＳＡから受信側ＣＤＲ ＩＣに至る２チャネルの差動信号のクロストーク量を低減し、かつ配置領域の面積を縮小し、高速化と高密度実装が可能なプリント回路基板構造を実現する。つまり比較例１で示したように隣接する差動伝送線路においては、接地導体層に設けられた開口は一つの差動信号ビアごとに設ける程度の距離を離さないと十分なクロストーク特性を得ることができなかった。しかし本発明者は鋭意検討することで、チャネルピッチＰを近づけても十分なクロストーク特性を得られることを見出した。その結果、隣接する差動信号ビアの対を二つとも接地導体層に設けられた単一の開口に入るように配置することが可能となり、差動信号ビア列の面積を非常に縮小させることができた。さらに、各差動信号ビアを取り囲む接地導体ビアのうち、隣接チャネルの間にある二つ接地導体ビアを共用しても優れた特性を得ることができ、小型化を実現できる。その結果当該実施形態は、受信波形品位の確保と小型化を両立したプリント回路基板およびそのプリント回路基板を備える光送受信器を提供することができる。

第２の実施形態においてはプリント回路基板に配置した差動伝送線路と差動信号ビアを２チャネルとし、また第１の実施形態ではプリント回路基板上に配置した差動伝送線路と差動信号ビアを４チャネルとしたが、隣接する複数のチャネルの数は２，４以外であっても良い。隣接する複数のチャネルの数をＮ（Ｎは２以上の整数）とした場合には、Ｎ対の差動信号ビアに対しその周囲に合計（２Ｎ+２）個の接地導体ビアが配置され、２つの接地導体ビアは隣接する２つのチャネルの間で開口を挟んで対向するように配置され、前記２つの接地導体ビアは前記隣接する２つのチャネルによって共有され、前記２つの接地導体ビアは前記開口の外側において前記接地導体層に接続される。

次に本発明の効果を述べるため、図１２，１３を参照しながら比較例２を説明する。図１２は比較例２のプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動伝送線路と差動信号ビアの斜視図を表し、図１３は比較例２のプリント回路基板上に配置した４チャネルの差動信号ビア列の平面図を表す。

比較例２は、２組の比較例１の配置の高密度化を図った４チャネルの差動信号ビア列である。比較例２では、隣接する２チャネルの差動信号ビア列２組は互い違いになるように前後に配置され、隣接するチャネルの間に位置する導体接地ビア３個は共有される。この構造にすることにより、差動伝送線路１００の延伸方向に対し垂直な方向でのチャネルピッチＰを１．４ｍｍとすることができる。この値は上記第１の実施形態と等しい値である。我々の検討によれば、比較例２における４チャネル間の差動モードのフォワードクロストーク特性は、６通りの組合せのうち、第二チャネルと第三チャネル間、第一チャネルと第四チャネル間のクロストーク特性が最大値を示した。その値は上記比較例１の場合と等しいものであり、良好な特性が得られた。しかし差動信号ビア列３０２のサイズはおよそ３．４ｍｍ×６．２ｍｍであり、上記比較例２での差動信号ビア列２のサイズはおよそ２．０ｍｍ×６．２ｍｍには面積縮小の点で及ばなかった。

以上のように、第１の実施形態は、高密度化を図った比較例２に比べても、配置領域の面積を縮小することができ、差動信号のクロストーク量の低減と、高速化と高密度実装が可能なプリント回路基板構造を実現する。その結果第１の実施形態は、受信波形品位の確保と小型化を両立したプリント回路基板およびそのプリント回路基板を備える光送受信器を提供することができる。

第1、第２の実施形態では、ＲＯＳＡと接続される差動伝送線路に関して説明したがこれに限られず、プリント回路基板の第一面から第二面へと繋がる差動信号ビア列について広く適用することができる。また第二面の差動伝送線路はＣＤＲ ＩＣと接続されていたが、これに限られず他のＩＣ、例えばＤＳＰ(Digital Signal Processor)などであっても本発明の効果は得られる。

１ プリント回路基板、２ 差動信号ビア列、３ 光送受信器、１００ 第一差動伝送線路、１０１，１０２ ストリップ導体、１０３ 接地導体層、１０４，１０５、１４４、１４５ 差動信号ビア、１０６，１０７，１０８，１０９ 接地導体ビア、１１０ 第二差動伝送線路、１１１，１１２ ストリップ導体、１１３ 接地導体層、１２０，１２１ 開口（アンチパッド）、１３０ 誘電体、２００ 上部ケース、２０１ 下部ケース、２０３ （ネットワーク装置の）プリント回路基板（ＰＣＢ）、２０４ （ネットワーク装置の）フロントパネル、２０５ 光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）、２０６ ＲＯＳＡ側フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、２０７，２０９ ＩＣ、２０８ コネクタ、２１０ カードエッジ、２１１ ＴＯＳＡ側フレキシブル基板、３０２ 差動信号ビア列、３０４，３０５ 差動信号ビア、３０６，３０７，３０８，３０９ 接地導体ビア、３２０ 開口。

Claims (8)

1. 誘電体と、
   前記誘電体を貫通するように設けられるＮ個（Ｎは２以上の整数）の差動信号ビアの対と、
   前記誘電体の第一面上に設けられるＮ個の第一ストリップ導体対と、
   前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第一ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第一差動伝送線路を構成する第一接地導体層と、
   前記誘電体の第二面上に設けられるＮ個の第二ストリップ導体対と、
   前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第二ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第二差動伝送線路を構成する第二接地導体層と、
   前記第一及び第二接地導体層にそれぞれ接続する複数の接地導体ビアと、
   を有し、
   前記Ｎ個の第一ストリップ導体対と第二ストリップ導体対は前記Ｎ個の差動信号ビアの対を介して各々が接続され、
   前記第一接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の第一開口を備え、前記第二接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の第二開口を備え、
   前記Ｎ個の差動信号ビアの対は、前記単一の第一及び第二開口を貫通するとともに、前記第一及び第二開口内で一の方向に沿って配置され、
   前記複数の接地導体ビアは、前記Ｎ個の差動信号ビアの対を取り囲むように、かつ、前記第一及び第二開口の外側に配置される、
   プリント回路基板。
2. 請求項１に記載のプリント回路基板であって、
   前記複数の接地導体ビアは、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のそれぞれを取り囲むように配置される（２Ｎ+２）個の接地導体ビアを含み、
   前記（２Ｎ+２）個の接地導体ビアのうちの２個の接地導体ビアは、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうちの隣接する２つの差動信号ビアの対との間に、前記第一及び第二開口を挟んで対向するよう配置され、
   前記（２Ｎ+２）個の接地導体ビアは前記第一及び第二開口の外側において前記第一及び第二接地導体層に接続する、
   ことを特徴とするプリント回路基板。
3. 請求項１に記載のプリント回路基板であって、
   前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうち、隣接する二つの差動信号ビアの対の中心間距離Ｄ１、前記隣接する二つの差動信号ビアの対に接続される隣接する二つの第一差動伝送線路の中心間距離Ｐとする場合、（Ｄ１，Ｐ）は、（０．６ｍｍ，１．２ｍｍ）、（０．９ｍｍ，１．６ｍｍ）、（１．２ｍｍ，２．２ｍｍ）、（０．６ｍｍ，２．２ｍｍ）を頂点とする四角形の辺上又は該四角形の範囲の内側に位置する、
   ことを特徴とするプリント回路基板。
4. 誘電体と、
   前記誘電体を貫通するように設けられるＮ個（Ｎは２以上の整数）の差動信号ビアの対と、
   前記誘電体の第一面上に設けられるＮ個の第一ストリップ導体対と、
   前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第一ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第一差動伝送線路を構成する第一接地導体層と、
   前記誘電体の第二面上に設けられるＮ個の第二ストリップ導体対と、
   前記誘電体の内部に設けられて前記Ｎ個の第二ストリップ導体対および前記誘電体とそれぞれＮ個の第二差動伝送線路を構成する第二接地導体層と、
   を有し、
   前記Ｎ個の第一ストリップ導体対と第二ストリップ導体対は前記Ｎ個の差動信号ビアの対を介して各々が接続され、
   前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうち、隣接する二つの差動信号ビアの対の中心間距離Ｄ１、前記隣接する二つの差動信号ビアの対に接続される隣接する二つの第一差動伝送線路の中心間距離Ｐとする場合、（Ｄ１，Ｐ）は、（０．６ｍｍ，１．２ｍｍ）、（０．９ｍｍ，１．６ｍｍ）、（１．２ｍｍ，２．２ｍｍ）、（０．６ｍｍ，２．２ｍｍ）を頂点とする四角形の辺上又は該四角形の範囲の内側に位置する、
   ことを特徴とするプリント回路基板。
5. 請求項４に記載のプリント回路基板であって、
   前記第一接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の第一開口を備え、前記第二接地導体層は、前記Ｎ個の差動信号ビアの対と絶縁するための単一の第二開口を備え、
   前記Ｎ個の差動信号ビアの対は、前記単一の第一及び第二開口を貫通するとともに、前記第一及び第二開口内で一の方向に沿って配置される、
   ことを特徴とするプリント回路基板。
6. 請求項５に記載のプリント回路基板であって、
   前記Ｎ個の差動信号ビアの対のそれぞれを取り囲むように配置される（２Ｎ+２）個の接地導体ビアをさらに有し、
   前記（２Ｎ+２）個の接地導体ビアのうちの２個の接地導体ビアは、前記Ｎ個の差動信号ビアの対のうちの隣接する２つの差動信号ビアの対との間に、前記第一及び第二開口を挟んで対向するよう配置され、
   前記（２Ｎ+２）個の接地導体ビアは前記第一及び第二開口の外側において前記第一及び第二接地導体層に接続する、
   ことを特徴とするプリント回路基板。
7. 請求項１または４に記載のプリント回路基板を備える光送受信器。
8. 請求項７に記載の光送受信器であって、
   光信号を出力する光送信サブアセンブリと、
   入力される光信号を電気信号に変換する光受信サブアセンブリと、
   Ｎ個の第三差動伝送線路が形成されたフレキシブル基板と、
   ＩＣと、
   前記プリント回路基板、前記光受信サブアセンブリ、前記フレキシブル基板、そして前記ＩＣを格納するケースと、をさらに備え、
   前記電気信号は、前記フレキシブル基板の前記第三差動伝送線路を介して前記プリント回路基板の前記第一差動伝送線路に接続される、
   ことを特徴とする光送受信器。

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