Recherche sur la structure intégrée à haute densité des modules optiques multicanaux parallèles

Ces dernières années, les progrès continus des technologies de communication ont entraîné le développement vigoureux des applications de mégadonnées. La demande de modules optiques à haut débit dans les stations de base de communication et les centres de données devient de plus en plus urgente.

En raison du niveau technique de la puce, pour les modules optiques avec 40G (cliquez ici ) ou une vitesse supérieure, la vitesse d'une seule puce laser ne peut pas répondre aux exigences du débit de communication global. Afin de résoudre cette contradiction, l'industrie a développé un module optique multicanal parallèle, c'est-à-dire que plusieurs puces laser sont intégrées dans un module optique, et les exigences globales de débit de transmission sont satisfaites par une transmission parallèle multicanal.

Avec le nombre croissant de canaux intégrés parallèles dans le module optique, un nouveau problème se pose - parce que plus de puces optiques sont intégrées dans le module optique multicanal, la pression de dissipation thermique dans le module est beaucoup plus élevée que celle dans le module à basse vitesse . Si une bonne dissipation thermique ne peut être garantie, la chaleur s'accumulera en grande quantité à l'intérieur du module. La température élevée entraînera une série de détériorations des performances, telles que l'augmentation du courant de seuil de la puce laser, la baisse d'efficacité et la dérive de la réactivité de la puce du détecteur. Dans les cas graves, la puce tombera en panne et les performances et la fiabilité du module seront confrontées à de grands défis.

La nouvelle architecture intégrée de modules optiques multicanaux parallèles

Pour résoudre ces problèmes, une nouvelle structure intégrée de modules optiques multicanaux à haute dissipation thermique et haute intégration est étudiée dans cet article. Cette structure a une capacité d'exportation de chaleur interne efficace et n'occupe pas l'espace de câblage entre l'intérieur et la surface du PCB. Plus de broches de signal électrique sont utilisées pour s'adapter à l'intégration de modules optiques avec plus de canaux. Le dispositif de puissance 300 est placé sur le bloc isolant à haute conductivité thermique 800. Le bloc isolant à haute conductivité thermique 800 utilise des matériaux céramiques à haute conductivité thermique - céramiques AIN, céramiques SiC ou céramiques BeO. La zone d'installation du dispositif d'alimentation 300 à l'arrière du bloc isolant à haute conductivité thermique 800 est traitée avec un tampon métallisé. Le dispositif de puissance 300 et le bloc isolant à haute conductivité thermique 800 sont fixés ensemble par soudage eutectique AuSn ou collage Ag à haute conductivité thermique.

Le boîtier de module optique 500 est transformé en une forme d'échelle, et la PCB 200a est installée sur la surface de cavité plus profonde du boîtier de module optique 500. Une partie du bloc isolant à haute conductivité thermique 800 est placée sur la PCB 200, et l'autre est placée sur la surface de la cavité peu profonde du boîtier de module optique 500. La zone où la face avant du bloc isolant à haute conductivité thermique 800 chevauche le boîtier de module optique 500 est traitée avec un tampon métallisé. La surface du boîtier de module optique 500 est soumise à un traitement de galvanoplastie soudable (tel qu'un placage au nickel). Le bloc isolant à conductivité thermique élevée 800 et le boîtier de module optique 500 sont brasés en ajoutant de la soudure SnPb. Le bloc isolant à haute conductivité thermique 800 et le PCB 200a sont collés et fixés avec de la colle isolante à haute résistance.

Au dos de la PCB 200b, un réseau de pastilles matricielles 2001 est traité comme la broche de signal électrique externe du module optique. Le boîtier de module optique 100 doit ouvrir une fenêtre à la position correspondante du réseau de pastilles matricielles 2001 de sorte que le réseau de pastilles matricielles 2001 puisse être exposé. La connexion de circuit entre le dispositif d'alimentation 300 et le PCB 200a est réalisée par une liaison par fil d'or 300a. L'interconnexion flexible entre la PCB 200a et la PCB 200b est réalisée par l'intermédiaire de la PCB flexible 200c.

Les éléments optiques utilisés pour réaliser l'interconnexion de chemin optique entre la puce optique (incluse dans le dispositif d'alimentation) à l'intérieur du module optique et la fibre optique peuvent adapter le groupe de lentilles optiques 600 avec un chemin optique multicanal intégré ou l'optique multicanal réseau de fibres 900. Si le groupe de lentilles optiques 600 est utilisé, sa surface de montage peut être conçue en forme d'échelle en fonction de l'épaisseur du bloc isolant à haute conductivité thermique 800. Lors de l'installation, colle haute résistance est utilisé pour la liaison, et une partie de celui-ci est installée sur le bloc d'isolation à conduction thermique élevée 800, et l'autre partie est installée sur la PCB 200a. Si le réseau de fibres optiques multicanaux 900 est utilisé, le réseau de fibres optiques multicanaux 900 peut être directement installé sur le bloc isolant à haute conductivité thermique 800, qui peut être collé ou soudé avec de la colle à haute résistance.

Exemples d'application et résultats de tests

Dans cet article, un produit émetteur-récepteur optique à 24 canaux parallèles est conçu avec la nouvelle structure intégrée ci-dessus d'un module optique multicanal avec une capacité de dissipation thermique élevée et une intégration élevée. Le module adopte la conception de structure interne illustrée à la figure 2, la partie de couplage de chemin optique adopte le groupe de lentilles multicanaux intégré et la structure de sortie de signal électrique adopte le connecteur reed métallique à 200 broches. La taille du module est inférieure à 25 mm × 21 mm × 8 mm, le débit numérique d'un seul canal est de 10.315 Gbit/s et la consommation électrique totale du module est de 2.4 W.

Étant donné que le bloc isolant à haute conductivité thermique est utilisé comme principal moyen de dissipation thermique, la chaleur générée par le dispositif d'alimentation peut être directement transmise à la coque du module optique à travers le bloc isolant à haute conductivité thermique. Le bloc isolant à haute conductivité thermique présente les caractéristiques d'une conductivité thermique élevée, avec la conductivité thermique la plus élevée de plus de 270 W/m • K (170-200 W/m • K pour les céramiques AlN, 270 W/m • K pour les céramiques BeO , et 83 W/m • K pour les céramiques SiC), ce qui est bien supérieur à la capacité de dissipation de la chaleur des vias en cuivre dense dans le PCB dans le schéma COB traditionnel, et peut efficacement dériver la chaleur générée par les dispositifs de puissance à l'intérieur du circuit optique. module. Comme la capacité de dissipation thermique du module optique est grandement améliorée, il est particulièrement adapté pour intégrer des modules optiques à grande vitesse avec plus de canaux. Une meilleure capacité de dissipation thermique peut réduire la température de fonctionnement des puces à l'intérieur du module optique (en particulier la puce laser), prolongeant ainsi la durée de vie du module optique, et peut étendre la plage de température d'utilisation du module optique.

Le module est testé pour la pression de dissipation thermique dans un environnement à haute température. Lorsque la température de l'enveloppe du module est de 70 ℃, les résultats du test de bouclage sont illustrés à la figure 6. On peut voir à partir des résultats du test que pour le type de code PRBS 31, la vitesse du module à haute température est de 10.312 5 Gbps, et la sensibilité est meilleure que – 11 dBm lorsque le taux d'erreur du test de bouclage est meilleur que 10-12. Cela indique que la capacité de dissipation thermique du module est bonne et que l'indice de performance ne s'est pas détérioré dans des conditions de fonctionnement à haute température de 70 ℃ de température de coque.

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