Transceptores ópticos superam o calor

O rápido desenvolvimento da IA ​​e de modelos de linguagem de grande porte levou a um aumento na demanda por transceptores ópticos de alta velocidade em data centers e computadores de cluster de IA. À medida que as velocidades dos transceptores ópticos aumentam de 100 Gbps (para aplicações de data center de nível básico) para 400 Gbps (amplamente utilizado em clusters de IA atuais), 800 Gbps (preferido para aplicações de alta demanda), até mais de 1.6 Tbps (com suporte a cargas de trabalho de IA de última geração), o gerenciamento térmico eficiente é essencial para garantir desempenho, confiabilidade e eficiência energética.

À medida que a distância de transmissão aumenta, a necessidade de estabilidade térmica do transceptor torna-se mais crítica. Transceptores ópticos, especialmente os de longa distância, exigem controle preciso da temperatura para manter a estabilidade e o desempenho do laser.

Transceptores ópticos dependem de diodos laser para transmissão de dados. Esses lasers são sensíveis a mudanças de temperatura, o que pode causar degradação do sinal e redução da confiabilidade. Os fabricantes de transceptores ópticos enfrentam diversos desafios térmicos devido às atuais atividades de IA e data centers:

• Os requisitos de energia do transceptor continuam a aumentar

• transceiver o tamanho é limitado

• transceiver abordagens de limite térmico

• O orçamento da relação sinal-ruído continua a diminuir à medida que a velocidade aumenta de 400G para 3.2T

• Resfriamento e estabilidade de temperatura são necessários

• Todos os componentes precisam economizar energia

O controle térmico preciso é essencial para manter o desempenho ideal do diodo laser e de todo o transceptor óptico.

O desempenho de um diodo laser é afetado por vários fatores, incluindo temperatura, corrente e potência óptica. Variações de temperatura podem afetar as características elétricas e ópticas de um diodo laser, afetando seu desempenho e vida útil. Fora da faixa máxima de operação, o desempenho se degrada devido ao aumento da resistência térmica e à redução do ganho de corrente. Ao mesmo tempo, altas temperaturas podem causar alterações no comprimento de onda dos diodos laser, afetando o desempenho e a confiabilidade.

Variações no comprimento de onda podem causar diafonia grave ou até mesmo falha do diodo laser.

Por exemplo, os diodos laser DFB normalmente emitem luz em um comprimento de onda de aproximadamente 1260 a 1650 nm. Um aumento na temperatura causa um deslocamento no comprimento de onda de pico de aproximadamente 0.1 nm/°C. Os TECs proporcionam estabilidade térmica confiável, dissipando calor de forma eficaz e mantendo um ambiente térmico estável. Isso melhora a integridade do sinal e prolonga a vida útil do transceptor óptico.

Outro problema com as flutuações de temperatura é a diafonia. Isso é observado em links de comunicação de longa distância e naqueles que exigem alta largura de banda. Data centers de hiperescala são um exemplo em que transceptores ópticos utilizam multiplexação por divisão de comprimento de onda para aumentar a taxa de transferência de dados dentro das fibras ópticas, combinando múltiplos fluxos de dados em paralelo.

Os avanços na tecnologia de diodos laser também exigem avanços em soluções de gerenciamento térmico. À medida que a velocidade de transferência de dados aumenta e a distância entre os pontos de conexão aumenta, os diodos laser geram mais calor, de modo que os pacotes de diodos laser exigem maior capacidade de bombeamento de calor para dissipar o calor dos componentes eletrônicos sensíveis e para fora do pacote.

Para bombear o calor para fora, micro-TECs com fatores de preenchimento mais altos e perfis mais finos são necessários para melhorar a eficiência e manter o controle preciso do comprimento de onda e a estabilidade da temperatura. A razão para usar micro-TECs se deve às suas diversas vantagens, como as seguintes:

• Tamanho menor

• Responda às mudanças de temperatura de forma mais eficaz

• Melhore o desempenho e a confiabilidade dos diodos laser

• Fabricação econômica

• Adequado para produção em massa

• Reduza o consumo de energia

Novos materiais termoelétricos e processos de fabricação de alta precisão permitiram o desenvolvimento de micro-TECs com formatos menores. Isso permite que o diodo laser seja fabricado em um formato menor sem comprometer a estabilidade térmica. Eles também podem responder com mais eficiência a mudanças de temperatura, o que é importante para sistemas de comunicação óptica. Maior eficiência pode melhorar o desempenho e a confiabilidade dos diodos laser, permitindo, assim, maiores taxas de transmissão de dados. Além disso, a fabricação de micro-TECs com alto rendimento e baixo custo ajuda a reduzir o custo geral dos sistemas de diodo laser.

Micro-TECs, como a nova série OptoTEC MBX da Laird, são projetados especificamente para estabilização de temperatura de diodos laser (ver Figura 2). A série MBX ultracompacta atende aos requisitos das aplicações modernas de diodos laser, com tamanho menor, menor consumo de energia, maior confiabilidade e menor custo de produção em massa. Esses fatores podem melhorar o desempenho e estender a confiabilidade dos diodos laser, permitindo assim a inovação em aplicações de telecomunicações de última geração.

Série OptoTEC MBX

À medida que os transceptores ópticos evoluem, os fornecedores de TEC estão projetando módulos menores, mais finos e mais adaptáveis ​​para se adaptarem a essas geometrias compactas sem sacrificar o desempenho (veja abaixo).

Exemplo de aplicação: TECs transceptores de 800g

As principais considerações de projeto para micro-TECs incluem:

• Capacidade de resfriamento suficiente

• Pode lidar com transceptores ópticos variando de 1 a 3 W

• Tamanho compacto

• Adapta-se aos módulos transceptores, proporcionando resfriamento eficiente

A fabricação em alto volume simplifica os processos de fabricação e montagem escaláveis, ajudando a reduzir os custos de produção e aumentar os rendimentos, garantindo que os TECs possam ser produzidos de forma confiável e econômica para implantação em larga escala.

À medida que a inteligência artificial continua a impulsionar a demanda por transmissão de dados mais rápida e eficiente, espera-se que o mercado de transceptores ópticos continue a crescer e inovar. Soluções personalizadas de resfriamento termoelétrico desempenharão um papel crucial nos ambientes de IA e tecnologia de data center em rápida evolução, garantindo o desempenho e a confiabilidade desses componentes essenciais.