وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية تتغلب على درجات الحرارة المرتفعة في عصر مراكز البيانات عالية السرعة

أدى التقدم السريع في الذكاء الاصطناعي ونماذج اللغات الكبيرة إلى زيادة غير مسبوقة في الطلب على وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية عالية السرعة في مراكز البيانات ومجموعات الذكاء الاصطناعي. وقد توسّعت سرعات تشغيل هذه الوحدات بشكل ملحوظ - من 100 جيجابت في الثانية، المناسبة لتطبيقات مراكز البيانات الأساسية، إلى 400 جيجابت في الثانية، وهي السرعة الشائعة الاستخدام في مجموعات الذكاء الاصطناعي الحالية؛ وتُعدّ زيادات أخرى إلى 800 جيجابت في الثانية الحل الأمثل للتطبيقات عالية الطلب، ومن المتوقع أن تدعم السرعات التي تتجاوز 1.6 تيرابايت في الثانية أحمال عمل الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي. وبالتالي، تُعد الإدارة الحرارية الفعّالة أمرًا محوريًا لضمان الأداء والموثوقية وكفاءة الطاقة.

مع ازدياد مسافات الإرسال، تزداد الحاجة إلى استقرار دقيق لدرجة الحرارة. تتطلب وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية، وخاصةً تلك المصممة للتطبيقات بعيدة المدى، تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة للحفاظ على استقرار وأداء مصادر الليزر الخاصة بها. تعتمد هذه الوحدات على ثنائيات الليزر لنقل البيانات، وهي حساسة بطبيعتها لتغيرات درجة الحرارة. قد تؤدي التقلبات الطفيفة في درجة الحرارة إلى تدهور الإشارة وانخفاض الموثوقية. يواجه المصنعون حاليًا، مدفوعين بالمتطلبات الديناميكية للذكاء الاصطناعي وعمليات مراكز البيانات، العديد من التحديات الحرارية، بما في ذلك:

متطلبات الطاقة المتزايدة باستمرار؛

قيود صارمة على الحجم؛

القرب من الحدود الحرارية للوحدات؛

تقليص ميزانية نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل تدريجي مع زيادة السرعات من 400 جيجابت في الثانية إلى 3.2 تيرابايت في الثانية؛

ضرورة التبريد القوي والحفاظ على درجة حرارة مستقرة؛

وضرورة أن تعمل كافة المكونات بطريقة موفرة للطاقة.

يتطلب الحفاظ على الأداء الأمثل لكلٍّ من ثنائيات الليزر ونظام الإرسال والاستقبال الضوئي الشامل تحكمًا حراريًا دقيقًا. ويتأثر أداء ثنائيات الليزر بعوامل متعددة، منها درجة الحرارة، والتيار الكهربائي، والطاقة الضوئية. ويمكن أن تؤثر تغيرات درجة الحرارة على كلٍّ من الخصائص الكهربائية والبصرية للثنائي، مما يؤثر سلبًا على أدائه وعمره الافتراضي. وعندما تتجاوز ظروف التشغيل الحد الأقصى المسموح به، تؤدي زيادة المقاومة الحرارية وانخفاض كسب التيار إلى تدهور الأداء. علاوة على ذلك، قد تُسبب درجات الحرارة المرتفعة تحولات في الطول الموجي للثنائي، مما يؤثر سلبًا على الأداء والموثوقية؛ ويمكن أن تُسبب هذه التحولات تداخلًا شديدًا، وفي الحالات القصوى، قد تؤدي إلى تعطل الثنائي.

على سبيل المثال، عادةً ما تُصدر ثنائيات الليزر ذات التغذية الراجعة الموزعة (DFB) ضوءًا ضمن نطاق طول موجي يتراوح بين 1260 و1650 نانومتر تقريبًا. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انزياح طول الموجة الأقصى بمقدار 0.1 نانومتر تقريبًا لكل درجة مئوية. تلعب المبردات الحرارية الكهربائية (TECs) دورًا حاسمًا في تبديد الحرارة بكفاءة والحفاظ على بيئة حرارية مستقرة، مما يضمن استقرارًا موثوقًا به في درجة الحرارة. لا يُعزز هذا الاستقرار سلامة الإشارة فحسب، بل يُطيل أيضًا العمر التشغيلي لوحدات الإرسال والاستقبال الضوئية.

من الشواغل الملحة الأخرى المرتبطة بتقلبات درجات الحرارة التداخل، وهو أمر بالغ الأهمية في روابط الاتصالات التي تتطلب نطاقًا تردديًا عاليًا عبر مسافات طويلة. على سبيل المثال، غالبًا ما تستخدم مراكز البيانات فائقة الحجم تقنية الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDM) لزيادة إنتاجية البيانات عبر الألياف الضوئية من خلال دمج تدفقات بيانات متعددة بالتوازي.

علاوة على ذلك، يتطلب التقدم في تكنولوجيا ثنائيات الليزر تقدمًا موازيًا في حلول الإدارة الحرارية. فمع زيادة معدل نقل البيانات واتساع المسافات بين نقاط التوصيل، تتعرض ثنائيات الليزر لأحمال حرارية أعلى. ويتطلب هذا التصعيد أن تتضمن تغليف هذه الثنائيات قدرات ضخ حراري مُحسّنة لاستخراج الطاقة الحرارية من المكونات الإلكترونية الحساسة. ولتفريغ هذه الحرارة بكفاءة، تُعد خلايا TEC الدقيقة ذات عامل التعبئة الأعلى وعامل الشكل الأرق ضرورية؛ فهي بالغة الأهمية لضمان كفاءة التشغيل مع الحفاظ على التحكم الدقيق في الطول الموجي واستقرار درجة الحرارة.

توفر خلايا TEC الدقيقة العديد من المزايا: حجمها الصغير يُسهّل استجابة أسرع لتغيرات درجة الحرارة، وتُحسّن أداء وموثوقية ثنائيات الليزر، وتُتيح إنتاجًا ضخمًا اقتصاديًا مع استهلاك أقل للطاقة. وقد أتاح ظهور مواد كهروحرارية جديدة وتقنيات تصنيع عالية الدقة تطوير خلايا TEC دقيقة أكثر إحكامًا. تُتيح هذه التطورات تصغير حجم عبوات ثنائيات الليزر دون المساس بالاستقرار الحراري، مما يضمن استجابة الثنائيات بسرعة لتغيرات درجة الحرارة - وهو عامل بالغ الأهمية في أنظمة الاتصالات البصرية. تُسهم الكفاءة المُحسّنة، إلى جانب مزايا الإنتاجية العالية وانخفاض تكاليف التصنيع، بشكل مباشر في تحسين الأداء وخفض التكاليف الإجمالية للنظام.

حلول Micro TEC، مثل سلسلة OptoTEC MBX الجديدة من Laird، مصممة خصيصًا لتحقيق استقرار دقيق لدرجة حرارة ثنائيات الليزر (انظر الشكل 2). تلبي سلسلة MBX فائقة الصغر متطلبات تطبيقات ثنائيات الليزر المعاصرة بفضل تصميمها الأصغر، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وموثوقيتها العالية، وإنتاجها الضخم المربح اقتصاديًا. ولا تقتصر هذه المزايا مجتمعةً على تحسين الأداء فحسب، بل تمتد أيضًا إلى إطالة موثوقية ثنائيات الليزر وعمرها التشغيلي، مما يُحفّز الابتكارات في تطبيقات الاتصالات من الجيل التالي.

مع استمرار تطور وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية، يعمل موردو TEC على هندسة حلول أصغر وأرق وأكثر قابلية للتكيف هندسيًا لتناسب الأشكال المدمجة دون التضحية بالأداء.

تشمل الاعتبارات الرئيسية لتصميم الخلايا الكهروضوئية الدقيقة ما يلي:

قدرة تبريد كافية: يجب أن يكون الجهاز قادرًا على إدارة الوحدات البصرية العاملة بكفاءة ضمن نطاق طاقة يتراوح بين 1 إلى 3 وات.

الأبعاد المدمجة: يجب أن يتمتع TEC بعامل شكل مبسط يتناسب مع وحدات الإرسال والاستقبال مع الاستمرار في تقديم أداء تبريد فعال.

إمكانية التصنيع بكميات كبيرة: ينبغي أن يُسهّل التصميم عمليات التصنيع والتجميع القابلة للتوسع، مما يُخفّض تكاليف الإنتاج ويزيد العائد. وهذا يضمن إنتاج خلايا الطاقة الكهروضوئية (TECs) بشكل موثوق واقتصادي للاستخدام على نطاق واسع.

مع استمرار الذكاء الاصطناعي في تعزيز الطلب على نقل بيانات أسرع وأكثر كفاءة، من المتوقع أن يشهد سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية نموًا وابتكارًا مستمرين. وستلعب حلول التبريد الكهروحرارية المخصصة دورًا حاسمًا في الحفاظ على أداء وموثوقية هذه المكونات الأساسية في ظل التطور السريع لتقنيات الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات.