De voortdurende vooruitgang van de communicatietechnologie heeft de afgelopen jaren geleid tot een krachtige ontwikkeling van big data-toepassingen. De vraag naar high-speed optische modules in communicatiebasisstations en datacenters wordt steeds urgenter.
Vanwege het technische niveau van de chip, voor optische modules met 40G (klik hier) of hogere snelheid, kan de snelheid van een enkele laserchip niet voldoen aan de vereisten van de algehele communicatiesnelheid. Om deze tegenstelling op te lossen, heeft de industrie een parallelle meerkanaals optische module ontwikkeld, dat wil zeggen dat meerdere laserchips in één optische module zijn geïntegreerd en dat aan de algemene transmissiesnelheidsvereisten wordt voldaan door meerkanaals parallelle transmissie.
Met het toenemende aantal parallel geïntegreerde kanalen in de optische module ontstaat een nieuw probleem - omdat er meer optische chips zijn geïntegreerd in de meerkanaals optische module, is de warmteafvoerdruk in de module veel groter dan die in de low-speed module . Als een goede warmteafvoer niet kan worden gegarandeerd, zal de warmte zich in grote hoeveelheden in de module ophopen. De hoge temperatuur zal leiden tot een reeks prestatieverslechtering, zoals de stijging van de drempelstroom van de laserchip, de afname van de efficiëntie en de drift van de responsiviteit van de detectorchip. In ernstige gevallen zal de chip falen en zullen de prestaties en betrouwbaarheid van de module voor grote uitdagingen komen te staan.
De nieuwe geïntegreerde architectuur van parallelle meerkanaals optische modules
Om deze problemen op te lossen, wordt in dit artikel een nieuwe geïntegreerde structuur van meerkanaals optische modules met hoge warmteafvoer en hoge integratie bestudeerd. Deze structuur heeft een efficiënte interne warmte-exportcapaciteit en neemt geen bedradingsruimte in beslag tussen de binnenkant en het oppervlak van de printplaat. Er worden meer elektrische signaalpinnen gebruikt om zich aan te passen aan de integratie van optische modules met meer kanalen. Het voedingsapparaat 300 wordt op het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid geplaatst. Het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid 800 maakt gebruik van keramische materialen met een hoge thermische geleidbaarheid - AlN-keramiek, SiC-keramiek of BeO-keramiek. Het installatiegebied van het stroomapparaat 300 op de achterkant van het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid is verwerkt met een gemetalliseerd kussen. Het voedingsapparaat 300 en het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid worden aan elkaar bevestigd door AuSn-eutectisch lassen of Ag-lijmbinding met hoge thermische geleidbaarheid.
De optische modulebehuizing 500 wordt verwerkt tot een laddervorm en de PCB 200a wordt geïnstalleerd op het diepere holteoppervlak van de optische modulebehuizing 500. Een deel van het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid 800 wordt op de PCB 200 geplaatst en de andere een deel wordt op het ondiepe holteoppervlak van de optische modulebehuizing 500 geplaatst. Het gebied waar het voorvlak van het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid 800 de optische modulebehuizing 500 overlapt, wordt bewerkt met een gemetalliseerd kussen. Het oppervlak van de behuizing van de optische module 500 is onderworpen aan een lasbare galvanische behandeling (zoals vernikkelen). Het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid en de behuizing van de optische module 500 worden gesoldeerd door SnPb-soldeer toe te voegen. Het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid en PCB 200a zijn verlijmd en bevestigd met zeer sterke isolatielijm.
Op de achterkant van PCB 200b is een dot matrix pad-array 2001 verwerkt als de externe elektrische signaalpen van de optische module. De behuizing 100 van de optische module moet een venster openen op de corresponderende positie van de dot matrix pad-array 2001 zodat de dot-matrix pad-array 2001 kan worden blootgesteld. De circuitverbinding tussen het voedingsapparaat 300 en de PCB 200a wordt gerealiseerd door gouddraad 300a-binding. De flexibele verbinding tussen PCB 200a en PCB 200b wordt gerealiseerd door middel van flexibele PCB 200c.
De optische elementen die worden gebruikt om de optische padinterconnectie tussen de optische chip (inbegrepen in het stroomapparaat) in de optische module en de optische vezel te realiseren, kunnen de optische lensgroep 600 aanpassen met een geïntegreerd meerkanaals optisch pad of het meerkanaals optische fiber array 900. Als de optische lensgroep 600 wordt gebruikt, kan het montageoppervlak ervan worden ontworpen in een laddervorm in overeenstemming met de dikte van het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid. Tijdens de installatie, lijm met hoge weerstand wordt gebruikt voor verlijming en een deel ervan is geïnstalleerd op het isolerende hoge warmtegeleidingsblok 800 en het andere deel is geïnstalleerd op de PCB 200a. Als meerkanaals optische vezelarray 900 wordt gebruikt, kan de meerkanaals optische vezelarray 900 direct worden geïnstalleerd op het isolerende blok 800 met hoge thermische geleidbaarheid, dat kan worden gehecht of gelast met lijm van hoge sterkte.
Toepassingsvoorbeelden en testresultaten
In dit artikel wordt een parallel 24-kanaals optische transceiverproduct ontworpen met de bovengenoemde nieuwe geïntegreerde structuur van een meerkanaals optische module met een hoog warmteafvoervermogen en hoge integratie. De module neemt het interne structuurontwerp aan dat wordt getoond in figuur 2, het optische padkoppelingsdeel neemt de geïntegreerde meerkanaals lensgroep aan en de elektrische signaaluitgangsstructuur neemt de 200-pins metalen reed-connector aan. De modulegrootte is minder dan 25 mm × 21 mm × 8 mm, de nummersnelheid van een enkel kanaal is 10.315 Gbps en het totale stroomverbruik van de module is 2.4 W.
Omdat het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid wordt gebruikt als het belangrijkste warmtedissipatiemedium, kan de warmte die door het stroomapparaat wordt gegenereerd, rechtstreeks worden overgedragen naar de schaal van de optische module via het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid. Het isolerende blok met hoge thermische geleidbaarheid heeft de kenmerken van een hoge thermische geleidbaarheid, met de hoogste thermische geleidbaarheid van meer dan 270 W/m • K (170-200 W/m • K voor AlN-keramiek, 270 W/m • K voor BeO-keramiek , en 83 W/m • K voor SiC-keramiek), wat veel beter is dan de warmteafvoercapaciteit van de dichte koperen via's in de PCB in het traditionele COB-schema, en efficiënt de warmte kan afleiden die wordt gegenereerd door de stroomapparaten in de optische module. Omdat de warmteafvoercapaciteit van de optische module sterk is verbeterd, is deze met name geschikt voor het integreren van high-speed optische modules met meer kanalen. Een betere warmteafvoer kan de werktemperatuur van de chips in de optische module (vooral de laserchip) verlagen, waardoor de levensduur van de optische module wordt verlengd en het gebruikstemperatuurbereik van de optische module kan worden vergroot.
De module is getest op warmteafvoerdruk in een omgeving met hoge temperaturen. Wanneer de temperatuur van de moduleschaal 70 ℃ is, worden de loop-back-testresultaten weergegeven in afbeelding 6. Uit de testresultaten blijkt dat voor het PRBS 31-codetype de snelheid van de module bij hoge temperatuur 10.312 5 Gbps is, en de gevoeligheid is beter dan – 11 dBm wanneer het foutenpercentage van de loopback-test beter is dan 10-12. Het geeft aan dat de warmteafvoercapaciteit van de module goed is en dat de prestatie-index niet is verslechterd onder de werkomstandigheden bij hoge temperaturen van 70 ℃ schaaltemperatuur.