【光电通信】光收发模块在高速数据中心时代战胜高温

今日光电 2025-02-22 18:01 201浏览 0评论 0点赞

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有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光引未来...欢迎来到今日光电！

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AI 和大型语言模型的快速发展导致数据中心和AI 集群计算机对高速光收发模块的需求激增。随着光收发器速度从100 Gbps（适用于入门级数据中心应用）扩展到 400 Gbps（广泛应用于当前的AI 集群），800 Gbps（高需求应用的首选）再到1.6 Tbps以上（支持下一代AI 工作负载），高效的热管理对于确保性能、可靠性和能源效率至关重要。

随着传输距离的增加，模块对温度稳定性的需求变得更加关键，光收发模块，尤其是长距离光收发模块，需要精确的温度控制以保持激光稳定性和性能。

光收发模块依靠激光二极管进行数据传输。这些激光器对温度变化很敏感，温度变化会导致信号衰减和可靠性降低。由于当前的人工智能和数据中心活动，光收发器制造商面临着如下几个热挑战：

模块功率要求不断提高

模块尺寸受限

模块热极限逼近

速度从 400G 增加到 3.2T 时信噪比预算不断收紧

需要冷却和温度稳定性

需要所有组件节省电力

精确的热控制对于保持激光二极管和整个光收发器的最佳性能至关重要。

激光二极管的性能受各种因素影响，包括温度、电流和光功率。温度变化会影响激光二极管的电气和光学特性，并影响其性能和寿命。超出最大工作范围时，由于热阻增加和电流增益降低，性能会下降，同时高温会使激光二极管的波长发生变化，影响性能和可靠性，

波长变化会导致严重的串扰甚至激光二极管故障。

例如，DFB激光二极管通常发射波长约为 1260 至 1650 nm 的光。温度升高会导致峰值波长发生约0.1 nm/°C 的变化。TEC 可以通过有效散热和维持稳定的热环境来提供可靠的温度稳定性。这可以提高信号完整性并延长光收发器的使用寿命。

温度波动的另一个问题是串扰。这在需要高带宽和长距离的通信链路中可以看到。超大规模数据中心就是一个例子，其光收发器使用波分复用技术，通过并行组合多个数据流来增加光纤内的数据吞吐量。

激光二极管技术的进步也需要热管理解决方案的进步。随着数据吞吐速度的提高和连接点之间距离的增加，激光二极管会产生更多热量，因此激光二极管封装需要更高的热泵能力，以将热量从敏感电子设备中移出封装。

为了将热量泵出，需要具有更高填充率和更薄外形的微型TEC 来提高效率并保持精确的波长控制和温度稳定性。使用微型TEC的原因是由于其如下的几个优势：

外形更小，更有效地响应温度变化，提高激光二极管的性能和可靠性，经济高效的制造，适合大批量生产，降低功耗

新型热电材料和高精度制造工艺使外形更小的微型TEC 得以开发。这使得激光二极管可以制成更小的外形，而不会影响热稳定性。它们还可以更有效地响应温度变化，这对于光通信系统非常重要。更高的效率可以提高激光二极管的性能和可靠性，从而实现更高的数据传输速率。此外微型TEC 的高吞吐量低成本制造有助于降低激光二极管系统的总成本。

微型 TEC（如 Laird 新型 OptoTEC MBX 系列）专为激光二极管温度稳定而设计（见图2）。超小型MBX 系列满足现代激光二极管应用的要求，更小的尺寸、更低的功耗、更高的可靠性和更低成本的大规模生产，这些因素可以提高性能并延长激光二极管的可靠性，从而实现下一代电信应用的创新。