인공 지능(AI)과 대규모 언어 모델의 급속한 발전으로 인해 데이터 센터 및 AI 클러스터 내의 고속 광 트랜시버 모듈에 대한 수요가 전례 없이 급증했습니다.{0}} 이러한 모듈의 작동 속도는 보급형 데이터 센터 애플리케이션에 적합한 100Gbps에서{2}}현재 AI 클러스터에 일반적으로 사용되는 400Gbps로 크게 확장되었습니다. 800Gbps로의 추가 증가는 수요가 높은 애플리케이션을 위한 선호 솔루션으로 떠오르고 있으며, 1.6Tbps를 초과하는 속도는 차세대 AI 워크로드를 지원할 것으로 예상됩니다.- 결과적으로, 효율적인 열 관리는 성능, 신뢰성 및 에너지 효율성을 보장하는 데 중추적인 역할을 합니다.
전송 거리가 증가함에 따라 정확한 온도 안정성에 대한 필요성이 더욱 중요해졌습니다. 광 트랜시버 모듈, 특히 장거리 응용 분야용으로 설계된 광 트랜시버 모듈은 레이저 소스의 안정성과 성능을 유지하기 위해 엄격한 온도 제어가 필요합니다. 이러한 모듈은 본질적으로 온도 변화에 민감한 레이저 다이오드를 사용하여 데이터를 전송합니다. 온도가 조금만 변동하면 신호가 저하되고 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 현재 AI 및 데이터 센터 운영의 역동적인 요구로 인해 제조업체는 다음을 포함한 여러 가지 열 문제에 직면해 있습니다.
지속적으로 증가하는 모듈 전력 요구 사항;
엄격한 크기 제약;
모듈의 열 한계에 대한 근접성;
속도가 400Gbps에서 3.2Tbps로 확장됨에 따라 신호{0}}대-잡음비(SNR) 예산이 점차 엄격해집니다.
강력한 냉각과 안정적인 온도 유지가 필수적입니다.
모든 구성요소가 전력 효율적으로 작동해야 하는 필요성-
레이저 다이오드와 전체 광 트랜시버 시스템 모두에서 최적의 성능을 유지하려면 정밀한 열 제어가 필요합니다. 레이저 다이오드의 성능은 다양한 요인-온도, 전류 및 광 출력에 의해 결정됩니다. 온도 변화는 레이저 다이오드의 전기적 및 광학적 특성 모두에 영향을 미쳐 성능과 작동 수명에 영향을 줄 수 있습니다. 작동 조건이 최대 허용 범위를 초과하면 열 저항이 증가하고 전류 이득이 감소하여 성능이 저하됩니다. 더욱이, 온도가 상승하면 레이저 다이오드의 파장 이동이 유발되어 성능과 신뢰성 모두에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 변화는 심각한 누화를 촉진할 수 있으며 극단적인 경우에는 다이오드 고장을 초래할 수 있습니다.
예를 들어, 분산 피드백(DFB) 레이저 다이오드는 일반적으로 약 1260~1650nm의 파장 범위 내에서 빛을 방출합니다. 온도가 증가하면 피크 파장이 섭씨 1도당 약 0.1nm씩 이동할 수 있습니다. 열전 냉각기(TEC)는 열을 효율적으로 방출하고 안정적인 열 환경을 유지함으로써 신뢰할 수 있는 온도 안정성을 보장함으로써 중요한 역할을 합니다. 이러한 안정화는 신호 무결성을 향상시킬 뿐만 아니라 광 트랜시버 모듈의 작동 수명을 연장합니다.
온도 변동과 관련된 또 다른 시급한 문제는 누화입니다. 이는 장거리에 걸쳐 높은 대역폭을 요구하는 통신 링크에서 특히 중요합니다. 예를 들어 초대형-규모-규모의 데이터 센터에서는 여러 데이터 스트림을 병렬로 결합하여 광섬유의 데이터 처리량을 늘리기 위해 파장 분할 다중화(WDM)를 배포하는 경우가 많습니다.
더욱이, 레이저 다이오드 기술의 발전은 열 관리 솔루션의 병행 발전을 필요로 합니다. 데이터 처리량이 증가하고 상호 연결 지점 간의 거리가 확장됨에 따라 레이저 다이오드는 더 높은 열 부하를 받게 됩니다. 이러한 확대로 인해 이러한 다이오드의 패키징에는 민감한 전자 부품에서 열 에너지를 추출하기 위한 향상된 열 펌핑 기능이 통합되어 있어야 합니다. 이 열을 효율적으로 배출하려면 충전율이 더 높고 폼 팩터가 더 얇은 마이크로 TEC가 필수적입니다. 이는 엄격한 파장 제어와 온도 안정성을 유지하면서 효율적인 작동을 보장하는 데 중요합니다.
Micro TEC는 여러 가지 장점을 제공합니다. 크기가 작아지면 온도 변화에 더 빠르게 반응하고, 레이저 다이오드의 성능과 신뢰성이 향상되며, 더 낮은 전력 소비로 경제적인 대량 생산이 가능해집니다. 새로운 열전 재료와 고정밀 제조 기술의 출현으로 점점 더 소형화되는 마이크로 TEC의 개발이 가능해졌습니다. 이러한 발전을 통해 열 안정성을 손상시키지 않으면서 레이저 다이오드 패키징을 소형화할 수 있으므로 다이오드가 광통신 시스템에서 가장 중요한 요소인 온도 변화-에 신속하게 반응할 수 있습니다. 높은 처리량 및 낮은 제조 비용의 이점과 결합된 향상된 효율성은 성능 향상 및 전체 시스템 비용 절감에 직접적으로 기여합니다.
Laird의 새로운 OptoTEC MBX 시리즈와 같은 Micro TEC 솔루션은{0}}레이저 다이오드의 정확한 온도 안정화를 위해 설계되었습니다(그림 2 참조). 초-초소형 MBX 시리즈는 더 작은 폼 팩터, 전력 소비 감소, 신뢰성 향상, 경제적으로 유리한 대량 생산을 특징으로 하여 현대 레이저 다이오드 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다. 종합적으로 이러한 특성은 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 레이저 다이오드의 신뢰성과 작동 수명을 연장하여 차세대 통신 애플리케이션의 혁신을 촉진합니다.-
광 트랜시버 모듈이 계속해서 발전함에 따라 TEC 공급업체는 성능 저하 없이 컴팩트한 형태를 수용할 수 있는 더 작고, 얇고, 기하학적으로 적응성이 뛰어난 솔루션을 엔지니어링하고 있습니다.
마이크로 TEC의 주요 설계 고려 사항은 다음과 같습니다.
충분한 냉각 용량: 장치는 1~3와트의 전력 범위 내에서 작동하는 광학 모듈을 효율적으로 관리할 수 있어야 합니다.
컴팩트한 크기: TEC는 효과적인 냉각 성능을 제공하면서도 트랜시버 모듈에 맞는 유선형 폼 팩터를 가져야 합니다.
높은-대량 제조 가능성: 설계는 확장 가능한 제조 및 조립 프로세스를 촉진하여 생산 비용을 줄이고 수율을 높여야 합니다. 이를 통해 대규모 배포를 위해 TEC를 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있습니다.-
인공 지능이 더 빠르고 효율적인 데이터 전송에 대한 요구를 지속적으로 주도함에 따라 광트랜시버 시장은 지속적인 성장과 혁신을 경험할 것으로 예상됩니다. 맞춤형 열전 냉각 솔루션은 빠르게 진화하는 AI 및 데이터 센터 기술 환경에서 이러한 필수 구성 요소의 성능과 신뢰성을 유지하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.