專利名稱：光傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳輸技術(shù)，尤其是一種光傳輸裝置。
技術(shù)背景在通信系統(tǒng)中，通常采用差分信號傳輸高速串行信號，如圖1所示，為 現(xiàn)有技術(shù)傳輸?shù)牟罘中盘柺疽鈭D，兩根差分信號傳輸線中傳輸?shù)牟罘中盘柕?幅度相同、相位相反，將定義的正線標(biāo)記為"+"，將定義的負(fù)線標(biāo)記為"-"，其中，橫坐標(biāo)表示時間(t)，縱坐標(biāo)表示電壓(V)。目前常用的光傳輸裝置包括印制電路板(print circuit board,以下簡稱 PCB)與光^^莫塊。印制電路板一般包括介質(zhì)層、信號/平面層。其中，信號/ 平面層具有導(dǎo)電性質(zhì)，通常由銅構(gòu)成。介質(zhì)層由絕緣物質(zhì)構(gòu)成，因此，也叫 絕緣層。在印制電路板的表層(也叫頂層)上可以放置傳輸線和一些器件， 例如光模塊、接收芯片等。傳輸線為連接印制電路板上設(shè)置的器件之間的 互連線，在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中， 一般要求差分信號傳輸線的阻抗為100歐姆， 否則信號會發(fā)生反射。差分信號傳輸線的阻抗主要由W、 S、 H與戒指材料 決定，其中，W為差分信號傳輸線的線寬，S為兩根差分信號傳輸線的邊沿 距離，H為差分信號傳輸線到地線(Ground,以下簡稱GND)層之間的距 離。W變大時，阻抗變?。籋變大時，阻抗變大；S變大時，阻抗變大，S 增大同時會降低差分信號的抗干擾性能。隨著信號的傳輸速率越來越高，信號在印制電路板上的衰減也越來越厲 害。如圖2所示，為采用現(xiàn)有技術(shù)光傳輸裝置時信號頻率與衰減關(guān)系的示意 圖，其中，橫坐標(biāo)表示信號頻率，縱坐標(biāo)表示信號衰減。該光傳輸裝置使用 萬兆光模塊接口的情況下，傳輸波特率達(dá)到了 10吉比特/秒(Gbit/S)，信號頻率達(dá)到了 5GHz，在表層差分信號傳輸線的阻抗為100歐姆，線寬為5個千 分之一英寸(mil)，即5X10-3英寸，間距為6mil，線長為6000mil時，印 制電路板上的衰減已經(jīng)達(dá)到5.5分貝(dB),隨著頻率的升高，衰減也逐漸 增大，嚴(yán)重影響了信號的傳輸質(zhì)量，從而影響了接收端對接收到的信號正確 接收與識別。在信號頻率為15GHz時，信號的衰減大于12dB。其中，高頻 信號的衰減有兩部分 一部分是傳輸線上的損耗，該損耗主要由于趨膚效應(yīng) 所致，在趨膚效應(yīng)的作用下，電流只分布在靠近參考平面的傳輸線的表面區(qū) 域，其中的參考平面一般為地線的平面，也即GND平面，如圖3所示，為 現(xiàn)有技術(shù)趨膚效應(yīng)作用下的電流分布示意圖，該圖3示出了印制電路板截面 上的電流分布。如圖4所示，為現(xiàn)有技術(shù)趨膚效應(yīng)作用下的電流流向示意圖， 該圖4示出了印制電^4l剖面上的電流分布。由圖4可知，電流/人發(fā)送端發(fā) 出，經(jīng)過傳輸線到達(dá)傳輸線另一端的接收器，然后再經(jīng)過地線層回到發(fā)送端， 形成一個完整的回路。由圖3與圖4可知，由于高頻信號的特性是沿著電感 最低的路徑前行，電流主要分布在傳輸線中靠近地線層的表面，這樣的話電 流環(huán)路的面積較小，相應(yīng)的電感也較小。另一部分是印制電路板中的介質(zhì)損 耗，該介質(zhì)損耗是由于信號在傳輸線上傳播時，部分能量進(jìn)入絕緣層，使絕 緣層發(fā)熱從而被消耗掉所致。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，若要減少印制電路板中的介質(zhì)損耗，需要采用特殊的介 質(zhì)，例如高頻板材，即能減少高頻損耗的板材，而使用這種特殊介質(zhì)又 必然會增加印制電路板的成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題是減小光傳輸裝置中高頻信號的衰 減，提高信號的傳輸質(zhì)量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供的一種光傳輸裝置，包括印制 電路板，所述印制電路板包括依次疊設(shè)的頂層、第一絕緣層、地線層、第二絕緣層和信號層，所述頂層的表面上設(shè)置有通過差分信號傳輸線電連接的光 模塊與接收芯片，其特征在于，所述地線層包括第一地線塊和第二地線塊， 第一地線塊和第二地線塊之間設(shè)置有絕緣塊，第一絕緣層上設(shè)置有使頂層分 別與第 一地線塊以及第二地線塊電連接的第 一過孔，所述信號層包括第 一信 號塊和第二信號塊，第一信號塊和第二信號塊之間設(shè)置有導(dǎo)電塊，所述第二絕緣層上設(shè)置有使所述導(dǎo)電塊與第一地線塊電連接、以及使導(dǎo)電塊與第二地 線塊電連接的第二過孔。本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置中，地線層中部設(shè)置了絕緣塊，這樣， 高頻信號可以沿接收芯片、差分信號傳輸線、第一過孔、第一地線塊、第二 過孔、導(dǎo)電塊、第二過孔、第二地線塊、第一過孔與光模塊形成的電流回路 傳輸，與現(xiàn)有的光傳輸裝置相比，增加了差分信號傳輸線與參考平面之間的 距離，在其它條件不變時可以增大傳輸線寬，從而增加差分信號傳輸線中的 電流傳輸面積，減少差分信號傳輸線由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗，提高高頻信 號的傳輸質(zhì)量。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)傳輸?shù)牟罘中盘柺疽鈭D；圖2為采用現(xiàn)有技術(shù)光傳輸裝置時信號頻率與衰減關(guān)系的示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)趨膚效應(yīng)作用下的電流分布示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)趨膚效應(yīng)作用下的電流流向示意圖；圖5為現(xiàn)有技術(shù)印制電路板的一個層疊結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明光傳輸裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明光傳輸裝置A-A向的剖面圖；圖8為本發(fā)明光傳輸裝置B-B向的剖面圖；圖9為本發(fā)明光傳輸裝置中地線層的一個俯視圖；圖IO為本發(fā)明光傳輸裝置中地線層的另一個俯視圖； 圖11為采用本發(fā)明實施例光傳輸裝置時高頻信號頻率與衰減關(guān)系的示 意圖。附圖標(biāo)記il明10—頂層 12 —地線層 12 3 —絕緣塊 14一信號層 143 —導(dǎo)電塊 22—接收芯片ll一第一絕緣層 121 —第一地線塊 13 —第二絕緣層 141 —第一信號塊 20—差分信號傳輸線lll一第一過孔 122 —第二地線塊 131 —第二過孔 142 —第二信號塊 21 —光模塊具體實施方式
通常情況下，使用萬兆光模塊的光傳輸裝置中的印制電路板至少有4層 以上，如圖5所示，為現(xiàn)有技術(shù)印制電路板的一個層疊結(jié)構(gòu)示意圖，其中的 前3層分別是頂(TOP)層、地線層與信號(L3)層，頂層與地線層之間設(shè) 置有第一絕緣層，地線層與信號層之間設(shè)置有第二絕緣層。其中，頂層是印 制電路板的表層，用于布置傳輸線和放置用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光模塊、用于 進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的接收芯片等器件，該頂層為導(dǎo)電制品，通常為銅制品。具體 可以是一整塊銅皮，也可以僅僅是用于將位于頂層上的傳輸線、光模塊、接 收芯片等器件焊接在印制電路板上的焊盤。地線層是印制電路板的第二層， 主要用于分布GND信號導(dǎo)體材料，目前使用的GND信號導(dǎo)體材料主要為平 面銅皮；信號層是印制電路板的第3層，主要用于布置傳輸線，也可以分布 部分的電源或者GND信號。頂層與信號層的傳輸線都要參考地線層。W為 差分信號傳輸線的線寬，S為兩根差分信號傳輸線的邊沿距離，Hl為頂層傳 輸線內(nèi)傳輸?shù)牟罘中盘柵c地線層之間的距離，H2為地線層與信號層之間的距 離。W變大時，阻抗變小；Hl變大時，阻抗變大；S變大時，阻抗變大。在圖5所示的印制電路板結(jié)構(gòu)中，若需要將單根差分信號傳輸線阻抗控制在50歐姆，并且將差分信號傳輸線的阻抗控制IOO歐姆以內(nèi)，則表層傳輸 線的線寬值應(yīng)在4-6mil之間，在該線寬范圍內(nèi)，可達(dá)到印制電路板的可制造 性與節(jié)省面積的較佳平衡點，但在該線寬范圍內(nèi)，由于趨膚效應(yīng)使得差分信 號傳輸線上的損耗較大。趨膚效應(yīng)之所以會引起信號損耗，是因為差分信號 傳輸線橫截面中電流傳輸?shù)拿娣e減小了，其中只有一小部分有電流通過，請 參見圖3。不論如何增加差分信號傳輸線的厚度，由于趨膚效應(yīng)，電流只分 布在差分信號傳輸線中靠近參考平面的表面區(qū)域，增加差分信號傳輸線的厚 度不會減小由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的傳輸線上的損耗。本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置中，通過增大差分信號傳輸線與參考平 面之間的距離來減小使用萬兆光模塊的光傳輸裝置中高頻信號的衰減，減少 高頻信號在傳輸線上的損耗，優(yōu)化高頻信號傳輸質(zhì)量，有效保障接收端對高 頻信號的正確接收與識別。如圖6所示，為本發(fā)明光傳輸裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為該光傳 輸裝置A-A向的剖面圖，圖8為該光傳輸裝置B-B向的剖面圖。請同時參見 圖6-圖8。本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置實施例的截面圖，包括印制電路 板，其包括依次疊設(shè)的頂層10、第一絕緣層ll、地線層12、第二絕緣層13 和信號層14,第一絕緣層11的表面上設(shè)置有通過差分信號傳輸線20電連接 的光模塊21與接收芯片22，地線層12包括第一地線塊121和第二地線塊122, 第一地線塊121和第二地線塊122之間設(shè)置有絕緣塊123,第一絕緣層11上 設(shè)置有使頂層IO分別與第一地線塊121以及第二地線塊122電連接的第一過 孔111,信號層14包括第一信號塊141和第二信號塊142，第一信號塊141 和第二信號塊142之間設(shè)置有導(dǎo)電塊143，第二絕緣層13上設(shè)置有使導(dǎo)電塊 143與第一地線塊121電連接、以及使導(dǎo)電塊143與第二地線塊142電連接 的第二過孔131。本發(fā)明上述實施例提供的光傳輸裝置與現(xiàn)有的光傳輸裝置相比，在地線層中部設(shè)置了絕緣塊，在信號層中設(shè)置了導(dǎo)電塊，這樣，高頻信號可以沿接 收芯片、差分信號傳輸線、第一過孔、第一地線塊、第二過孔、導(dǎo)電塊、第 二過孔、第二地線塊、第一過孔與光模塊形成的電流回路傳輸，與現(xiàn)有的光 傳輸裝置相比，增加了差分信號傳輸線與參考平面之間的距離，在其它條件 不變時可以增大傳輸線寬，從而增加差分信號傳輸線中的電流傳輸面積，減 少差分信號傳輸線由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗，提高高頻信號的傳輸質(zhì)量。在本發(fā)明提供的光傳輸裝置中，絕緣塊123可以是一個通孔，即第一 地線塊121和第二地線塊122不連接，如圖9所示，為這種情況下，光傳輸 裝置中地線層的一個俯^L圖。另外，第一地線塊121也可以和第二地線塊122連接，如圖IO所示，為 這種情況下，光傳輸裝置中地線層的一個俯視圖。圖6所示的光傳輸裝置即 為第一地線塊121與第二地線塊122連接的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 這種情況下，假設(shè)差分信號傳輸線的長度為L，導(dǎo)電塊143與差分信號傳 輸線21之間的距離為D,由于第一絕緣層11的上表面可以設(shè)置頂層，所以 該距離也即信號層14與頂層之間的距離，地線層12中的第一地線塊121或 第二地線塊122與差分信號傳輸線21之間的最短距離為N,則高頻信號參考 信號層14的總回路的面積Sl=LxD,高頻信號參考地線層12的總回路面積 是S2二LxN,該實施例中，地線層12中絕緣塊123在差分信號傳輸線21線 寬方向的距離K足夠大，使得D〈N，這種情況下，高頻信號參考信號層14 的面積就比較小，電流回路的電感也比較小。由于高頻信號總是沿著總電感 最低的路徑傳輸，高頻信號就將參考信號層14的導(dǎo)電塊143。差分信號傳輸線的阻抗的可以表示為竺^，其中，C為差分信號傳輸線c上單位長度的電容量，C = P，，其中，P為常數(shù)，E為差分信號傳輸線介質(zhì)的介電常數(shù)，由介質(zhì)材料決定，D為差分信號傳輸線與參考平面之間的距離， M為單位長度差分信號傳輸線與參考平面之間的正對面積。本發(fā)明上述實施例提供的光傳輸裝置，增大了差分信號傳輸線與參考平面之間的距離D,使 得單位長度上的電容減小了，則增大了差分信號傳輸線上的阻抗。要使得差分傳輸線保持100歐姆的阻抗，就需要增大差分信號傳輸線與參考平面之間 的正對面積，即增加差分信號傳輸線的寬度，這就會增加差分信號傳輸線 中的電流傳輸面積，從而減少差分信號傳輸線由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗。具 體地，在差分傳輸線的阻抗為100歐姆時，可以將差分信號傳輸線的線寬由 原來的4-6mil增加到4mil 25mil，例如20mil，這將大大減少高頻信號在差 分信號傳輸線上的損耗。進(jìn)一步地，為了更進(jìn)一步減少差分信號傳輸線由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗， 還可以進(jìn)一步增大差分信號傳輸線的線寬，也可以采用其它方式增加差分信 號傳輸線與參考平面之間的距離D,例如增加第一絕緣層11和/或第二絕 緣層13的厚度。另外，本發(fā)明實施例的光傳輸裝置中，印制電路板1可以為四層以上， 頂層IO、地線層12與信號層14分別為印制電路板1的第一層、第二層與第 三層，第四層可以為任意層，信號層14與第四層之間設(shè)置有絕緣層。若印制 電路板1為四層，則第四層為印制電路板1的底層。在本發(fā)明的任意一個實施例中，印制電路板中的頂層、第一信號塊141 和/或第二信號塊142可以是銅制品。第一地線塊121、第二地線塊122、和/ 或?qū)щ妷K143可以是地線信號導(dǎo)體制品，具體地，可以是銅制品，或者說是 銅片。在圖6所示的光傳輸裝置實施例中，僅示出了三組第一過孔111與第二 過孔131，另外，第一過孔111與第二過孔131可以為兩組以上的其它任意 多組。并且，第一過孔111與第二過孔131可以為一體設(shè)置，即二者通過 同一個過孔實現(xiàn)。本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置尤其適用于高頻信號的傳輸，作為本發(fā) 明的另一實施例，上述光模塊21的傳輸波特率可以大于或等于10Gbit/s。如圖11所示，為采用本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置時，高頻信號頻率 與衰減關(guān)系的示意圖，其中，橫坐標(biāo)表示信號頻率，縱坐標(biāo)表示信號衰減。在該光傳輸裝置實施例中，光傳輸波特率為10Gbit/S,差分信號傳輸線的阻 抗為100歐姆，線寬為20mil，間距為6mil，線長為6000mil，與圖2采用的 光傳輸裝置相比，圖7采用的差分信號傳輸線的線寬為20mil,其它條件相同。 由圖7可知，在高頻信號的頻率為5GHz時，PCB上的衰減僅僅為3點幾個 dB,比圖2在同等條件下的衰減減小了 2dB左右，約減小36%。最后所應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對 本發(fā)明作限制性理解。盡管參照上述較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明， 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改 或者等同替換，而這種修改或者等同替換并不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和 范圍。
權(quán)利要求
1、一種光傳輸裝置，包括印制電路板，所述印制電路板包括依次疊設(shè)的頂層、第一絕緣層、地線層、第二絕緣層和信號層，所述頂層的表面上設(shè)置有通過差分信號傳輸線電連接的光模塊與接收芯片，其特征在于，所述地線層包括第一地線塊和第二地線塊，第一地線塊和第二地線塊之間設(shè)置有絕緣塊，第一絕緣層上設(shè)置有使頂層分別與第一地線塊以及第二地線塊電連接的第一過孔，所述信號層包括第一信號塊和第二信號塊，第一信號塊和第二信號塊之間設(shè)置有導(dǎo)電塊，所述第二絕緣層上設(shè)置有使所述導(dǎo)電塊與第一地線塊電連接、以及使導(dǎo)電塊與第二地線塊電連接的第二過孔。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述絕緣塊為通孔。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述第一地線塊與 所述第二地線塊連接，所述導(dǎo)電塊與所述差分信號傳輸線之間的距離小于所 述第一地線塊或第二地線塊與所述差分信號傳輸線之間的最短距離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述印制 電路^1為四層以上，所述頂層、所述地線層與所述信號層分別為所述印制電 路板的第一層、第二層與第三層，所述信號層與所述印制電路板的第四層之 間設(shè)置有第三絕緣層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述第一 信號塊和/或所述第二信號塊為銅制品；和/或，所述第一地線塊、所述第二地 線塊、和/或所述導(dǎo)電塊為地線信號導(dǎo)體制品。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述地線信號導(dǎo)體 制品為銅制品。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述第一 過孔與所述第二過孔為兩組以上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述光模 塊的傳輸波特率大于或等于10吉比特/秒。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述差分信號傳輸線的阻抗為100歐姆，所述差分信號傳輸線的線寬為4X10—3英寸 25X1(T3 英寸。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光傳輸裝置，其特征在于，所述差分信號傳 輸線的阻抗為IOO歐姆，所述差分信號傳輸線的線寬為20X10—s英寸。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種光傳輸裝置，包括印制電路板，印制電路板包括依次疊設(shè)的頂層、第一絕緣層、地線層、第二絕緣層和信號層，頂層的表面上設(shè)置有通過差分信號傳輸線電連接的光模塊與接收芯片，其特征在于，地線層包括第一地線塊和第二地線塊，第一地線塊和第二地線塊之間設(shè)置有絕緣塊，第一絕緣層上設(shè)置有使頂層分別與第一地線塊以及第二地線塊電連接的第一過孔，信號層包括第一信號塊和第二信號塊，第一信號塊和第二信號塊之間設(shè)置有導(dǎo)電塊，第二絕緣層上設(shè)置有使導(dǎo)電塊與第一地線塊電連接、以及使導(dǎo)電塊與第二地線塊電連接的第二過孔。本發(fā)明實施例提供的光傳輸裝置可以減小光傳輸裝置中高頻信號的衰減，提高信號的傳輸質(zhì)量。
文檔編號H05K1/02GK101277593SQ20081010418
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
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