Ricerca sulla struttura integrata ad alta densità di moduli ottici multicanale paralleli

Negli ultimi anni, il continuo progresso delle tecnologie di comunicazione ha portato allo sviluppo vigoroso di applicazioni per big data. La richiesta di moduli ottici ad alta velocità nelle stazioni base di comunicazione e nei data center sta diventando sempre più urgente.

A causa del livello tecnico del chip, per moduli ottici con 40G (cliccare qui) o una velocità superiore, la velocità di un singolo chip laser non può soddisfare i requisiti della velocità di comunicazione complessiva. Per risolvere questa contraddizione, l'industria ha sviluppato un modulo ottico multicanale parallelo, ovvero più chip laser sono integrati in un modulo ottico e i requisiti complessivi di velocità di trasmissione sono soddisfatti dalla trasmissione parallela multicanale.

Con il numero crescente di canali integrati paralleli nel modulo ottico, sorge un nuovo problema: poiché nel modulo ottico multicanale sono integrati più chip ottici, la pressione di dissipazione del calore nel modulo è molto maggiore di quella nel modulo a bassa velocità . Se non è possibile garantire una buona dissipazione del calore, il calore si accumulerà in grande quantità all'interno del modulo. L'elevata temperatura comporterà una serie di deterioramento delle prestazioni, come l'aumento della corrente di soglia del chip laser, il calo dell'efficienza e la deriva della reattività del chip del rivelatore. Nei casi più gravi, il chip si guasta e le prestazioni e l'affidabilità del modulo dovranno affrontare grandi sfide.

La nuova architettura integrata di moduli ottici multicanale paralleli

Per risolvere questi problemi, in questo lavoro viene studiata una nuova struttura integrata di moduli ottici multicanale con elevata dissipazione del calore e alta integrazione. Questa struttura ha un'efficiente capacità di esportazione del calore interno e non occupa lo spazio di cablaggio tra l'interno e la superficie del PCB. Vengono utilizzati più pin di segnale elettrico per adattarsi all'integrazione di moduli ottici con più canali. Il dispositivo di alimentazione 300 è posizionato sul blocco isolante ad alta conducibilità termica 800. Il blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 utilizza materiali ceramici ad alta conduttività termica: ceramica AlN, ceramica SiC o ceramica BeO. L'area di installazione del dispositivo di potenza 300 sul retro del blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 è elaborata con un tampone metallizzato. Il dispositivo di potenza 300 e il blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 sono fissati insieme mediante saldatura eutettica AuSn o legame adesivo Ag ad alta conduttività termica.

L'alloggiamento del modulo ottico 500 viene elaborato a forma di scala e il PCB 200a è installato sulla superficie della cavità più profonda dell'alloggiamento del modulo ottico 500. Una parte del blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 è posizionata sul PCB 200 e l'altra la parte è posizionata sulla superficie della cavità poco profonda dell'alloggiamento del modulo ottico 500. L'area in cui la faccia anteriore del blocco isolante ad alta conduttività termica 800 si sovrappone all'alloggiamento del modulo ottico 500 viene elaborata con un tampone metallizzato. La superficie dell'alloggiamento del modulo ottico 500 è soggetta a trattamento di elettroplaccatura saldabile (come nichelatura). Il blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 e l'alloggiamento del modulo ottico 500 vengono brasati aggiungendo una saldatura SnPb. Il blocco isolante ad alta conducibilità termica 800 e il PCB 200a sono incollati e fissati con colla isolante ad alta resistenza.

Sul retro del PCB 200b, una matrice di pad a matrice di punti 2001 viene elaborata come pin del segnale elettrico esterno del modulo ottico. L'alloggiamento del modulo ottico 100 deve aprire una finestra nella posizione corrispondente della matrice di pad a matrice di punti 2001 in modo che la matrice di pad a matrice di punti 2001 possa essere esposta. La connessione del circuito tra il dispositivo di potenza 300 e il PCB 200a è realizzata mediante collegamento di filo d'oro 300a. L'interconnessione flessibile tra PCB 200a e PCB 200b è realizzata tramite PCB 200c flessibile.

Gli elementi ottici utilizzati per realizzare l'interconnessione del percorso ottico tra il chip ottico (incluso nel dispositivo di alimentazione) all'interno del modulo ottico e la fibra ottica possono adattare il gruppo di lenti ottiche 600 con un percorso ottico multicanale integrato o l'ottica multicanale matrice di fibre 900. Se viene utilizzato il gruppo di lenti ottiche 600, la sua superficie di montaggio può essere progettata a forma di scala in base allo spessore del blocco isolante ad alta conducibilità termica 800. Durante l'installazione, colla ad alta resistenza viene utilizzato per l'incollaggio e parte di esso è installato sul blocco di isolamento ad alta conduzione termica 800 e l'altra parte è installata sul PCB 200a. Se viene utilizzata la matrice di fibre ottiche multicanale 900, la matrice di fibre ottiche multicanale 900 può essere installata direttamente sul blocco isolante ad alta conducibilità termica 800, che può essere incollato o saldato con colla ad alta resistenza.

Esempi applicativi e risultati dei test

In questo documento, viene progettato un ricetrasmettitore ottico a 24 canali parallelo con la nuova struttura integrata di cui sopra di un modulo ottico multicanale con un'elevata capacità di dissipazione del calore e un'elevata integrazione. Il modulo adotta il design della struttura interna mostrato nella Figura 2, la parte di accoppiamento del percorso ottico adotta il gruppo di lenti multicanale integrato e la struttura di uscita del segnale elettrico adotta il connettore reed metallico a 200 pin. Le dimensioni del modulo sono inferiori a 25 mm × 21 mm × 8 mm, la velocità numerica di un singolo canale è 10.315 Gbps e il consumo energetico totale del modulo è 2.4 W.

Poiché il blocco isolante ad alta conducibilità termica viene utilizzato come mezzo principale di dissipazione del calore, il calore generato dal dispositivo di potenza può essere trasmesso direttamente al guscio del modulo ottico attraverso il blocco isolante ad alta conducibilità termica. Il blocco isolante ad alta conducibilità termica ha le caratteristiche di elevata conducibilità termica, con la massima conducibilità termica di oltre 270 W/m • K (170-200 W/m • K per ceramica AlN, 270 W/m • K per ceramica BeO , e 83 W/m • K per la ceramica SiC), che è di gran lunga superiore alla capacità di dissipazione del calore delle vie di rame denso nel PCB nello schema COB tradizionale e può derivare in modo efficiente il calore generato dai dispositivi di alimentazione all'interno dell'ottica modulo. Poiché la capacità di dissipazione del calore del modulo ottico è notevolmente migliorata, è particolarmente adatto per integrare moduli ottici ad alta velocità con più canali. Una migliore capacità di dissipazione del calore può ridurre la temperatura di lavoro dei chip all'interno del modulo ottico (in particolare il chip laser), prolungando così la durata del modulo ottico e può espandere l'intervallo di temperatura di utilizzo del modulo ottico.

Il modulo è testato per la pressione di dissipazione del calore in un ambiente ad alta temperatura. Quando la temperatura del guscio del modulo è 70 ℃, i risultati del test di loopback sono mostrati nella Figura 6. Dai risultati del test si può vedere che per il tipo di codice PRBS 31, la velocità del modulo ad alta temperatura è 10.312 5 Gbps, e la sensibilità è migliore di – 11 dBm quando il tasso di errore del test di loopback è migliore di 10-12. Indica che la capacità di dissipazione del calore del modulo è buona e l'indice di prestazione non si è deteriorato in condizioni di lavoro ad alta temperatura di 70 ℃ di temperatura del guscio.