Оптические приемопередающие модули преодолевают высокие температуры в эпоху высокоскоростных центров обработки данных

Быстрое развитие искусственного интеллекта (ИИ) и больших языковых моделей привело к беспрецедентному росту спроса на высокоскоростные оптические приемопередающие модули в центрах обработки данных и кластерах ИИ. Операционные скорости этих модулей значительно возросли — со 100 Гбит/с, подходящих для приложений начального уровня центров обработки данных, до 400 Гбит/с, обычно используемых в текущих кластерах ИИ; дальнейшее увеличение до 800 Гбит/с становится предпочтительным решением для приложений с высоким спросом, а скорости, превышающие 1.6 Тбит/с, как ожидается, будут поддерживать рабочие нагрузки ИИ следующего поколения. Следовательно, эффективное управление температурой имеет решающее значение для обеспечения производительности, надежности и энергоэффективности.

По мере увеличения расстояний передачи потребность в точной температурной стабильности становится еще более критичной. Оптические приемопередающие модули, особенно предназначенные для дальних приложений, требуют точного контроля температуры для поддержания стабильности и производительности своих лазерных источников. Эти модули используют лазерные диоды для передачи данных, которые по своей природе чувствительны к колебаниям температуры. Незначительные колебания температуры могут привести к ухудшению сигнала и снижению надежности. В настоящее время, под влиянием динамических требований ИИ и работы центров обработки данных, производители сталкиваются с несколькими тепловыми проблемами, включая:

постоянно растущие требования к мощности модуля;

строгие ограничения по размеру;

близость к тепловым пределам модулей;

постепенное ужесточение бюджета соотношения сигнал/шум (SNR) по мере увеличения скорости с 400 Гбит/с до 3.2 Тбит/с;

необходимость надежного охлаждения и поддержания стабильной температуры;

и необходимость того, чтобы все компоненты работали энергоэффективно.

Поддержание оптимальной производительности как лазерных диодов, так и всей оптической приемопередающей системы требует точного теплового контроля. Производительность лазерных диодов регулируется множеством факторов — температурой, электрическим током и оптической мощностью. Изменения температуры могут влиять как на электрические, так и на оптические характеристики лазерного диода, тем самым влияя на его производительность и срок службы. Когда условия эксплуатации превышают максимально допустимый диапазон, повышенное тепловое сопротивление и сниженный коэффициент усиления по току приводят к ухудшению производительности. Более того, повышенные температуры могут вызывать сдвиги длины волны в лазерном диоде, что отрицательно сказывается как на производительности, так и на надежности; такие сдвиги могут спровоцировать серьезные перекрестные помехи и, в крайних случаях, привести к отказу диода.

Например, лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB) обычно излучают свет в диапазоне длин волн приблизительно от 1260 до 1650 нм. Повышение температуры может привести к смещению пиковой длины волны примерно на 0.1 нм на градус Цельсия. Термоэлектрические охладители (TEC) играют важную роль, эффективно рассеивая тепло и поддерживая стабильную тепловую среду, тем самым обеспечивая надежную температурную стабильность. Такая стабилизация не только повышает целостность сигнала, но и продлевает срок службы оптических приемопередающих модулей.

Еще одной насущной проблемой, связанной с колебаниями температуры, являются перекрестные помехи, которые особенно важны в каналах связи, требующих высокой пропускной способности на больших расстояниях. Например, сверхкрупные центры обработки данных часто используют мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для увеличения пропускной способности оптических волокон путем параллельного объединения нескольких потоков данных.

Более того, достижения в технологии лазерных диодов требуют параллельного прогресса в решениях по управлению температурой. По мере увеличения пропускной способности данных и увеличения расстояний между точками соединения лазерные диоды подвергаются более высоким тепловым нагрузкам. Это увеличение требует, чтобы упаковка этих диодов включала улучшенные возможности теплового насоса для извлечения тепловой энергии из чувствительных электронных компонентов. Для эффективного отвода этого тепла необходимы микро-TEC с более высоким коэффициентом заполнения и более тонким форм-фактором; они имеют решающее значение для обеспечения эффективной работы при сохранении строгого контроля длины волны и температурной стабильности.

Микро-TEC предлагают несколько преимуществ: их уменьшенный размер обеспечивает более быструю реакцию на изменения температуры, они повышают производительность и надежность лазерных диодов и позволяют производить экономичное массовое производство с меньшим потреблением энергии. Появление новых термоэлектрических материалов и высокоточных методов производства позволило разработать все более компактные микро-TEC. Эти достижения позволяют миниатюризировать корпус лазерных диодов без ущерба для термостабильности, тем самым гарантируя, что диоды быстро реагируют на изменения температуры — фактор первостепенной важности в системах оптической связи. Повышенная эффективность в сочетании с преимуществами высокой пропускной способности и более низких производственных затрат напрямую способствует повышению производительности и снижению общих затрат на систему.

Решения Micro TEC, такие как новая серия OptoTEC MBX от Laird, специально разработаны для точной температурной стабилизации лазерных диодов (см. Рисунок 2). Сверхкомпактная серия MBX удовлетворяет требованиям современных приложений лазерных диодов, обладая меньшим форм-фактором, сниженным энергопотреблением, повышенной надежностью и экономически выгодным массовым производством. В совокупности эти характеристики не только повышают производительность, но и продлевают надежность и срок службы лазерных диодов, тем самым стимулируя инновации в телекоммуникационных приложениях следующего поколения.

Поскольку модули оптических приемопередатчиков продолжают совершенствоваться, поставщики TEC разрабатывают более компактные, тонкие и геометрически более адаптируемые решения, которые позволяют создавать компактные формы без ущерба для производительности.

Ключевые соображения по проектированию микро-ТЕС включают в себя:

Достаточная охлаждающая способность: устройство должно иметь возможность эффективно управлять оптическими модулями, работающими в диапазоне мощности 1–3 Вт.

Компактные размеры: TEC должен иметь оптимизированный форм-фактор, который помещается в модули приемопередатчиков, обеспечивая при этом эффективное охлаждение.

Высокообъемное производство: конструкция должна способствовать масштабируемым процессам производства и сборки, тем самым снижая производственные затраты и увеличивая выход продукции. Это гарантирует, что TEC могут производиться надежно и экономично для крупномасштабного развертывания.

Поскольку искусственный интеллект продолжает стимулировать спрос на более быструю и эффективную передачу данных, ожидается, что рынок оптических трансиверов будет испытывать постоянный рост и инновации. Индивидуальные термоэлектрические решения для охлаждения будут играть решающую роль в поддержании производительности и надежности этих важных компонентов в быстро меняющемся ландшафте технологий ИИ и центров обработки данных.