고속 데이터 센터 시대의 고온을 극복하는 광 트랜시버 모듈

인공지능(AI)과 대규모 언어 모델의 급속한 발전으로 데이터 센터 및 AI 클러스터 내 고속 광 트랜시버 모듈에 대한 수요가 전례 없이 급증했습니다. 이러한 모듈의 작동 속도는 엔트리 레벨 데이터 센터 애플리케이션에 적합한 100Gbps에서 현재 AI 클러스터에 일반적으로 사용되는 400Gbps로 크게 향상되었습니다. 수요가 높은 애플리케이션에 대한 선호 솔루션으로 800Gbps까지 속도가 더욱 향상되고 있으며, 1.6Tbps를 초과하는 속도가 차세대 AI 워크로드를 지원할 것으로 예상됩니다. 따라서 효율적인 열 관리는 성능, 안정성 및 에너지 효율성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

전송 거리가 증가함에 따라 정밀한 온도 안정성의 필요성은 더욱 중요해지고 있습니다. 특히 장거리 애플리케이션용으로 설계된 광 트랜시버 모듈은 레이저 소스의 안정성과 성능을 유지하기 위해 엄격한 온도 제어가 필요합니다. 이러한 모듈은 데이터 전송을 위해 온도 변화에 민감한 레이저 다이오드를 사용합니다. 미세한 온도 변화도 신호 저하 및 신뢰성 저하로 이어질 수 있습니다. 현재 AI 및 데이터 센터 운영의 역동적인 요구에 따라 제조업체는 다음과 같은 여러 가지 열 문제에 직면하고 있습니다.

지속적으로 증가하는 모듈 전력 요구 사항

엄격한 크기 제약

모듈의 열 한계에 대한 근접성

속도가 400Gbps에서 3.2Tbps로 확장됨에 따라 신호 대 잡음비(SNR) 예산이 점진적으로 엄격해집니다.

견고한 냉각과 안정적인 온도 유지가 필수적입니다.

모든 구성 요소가 전력 효율적으로 작동해야 합니다.

레이저 다이오드와 전체 광 송수신 시스템 모두에서 최적의 성능을 유지하려면 정밀한 열 제어가 필요합니다. 레이저 다이오드의 성능은 온도, 전류, 광 출력 등 여러 요인에 의해 결정됩니다. 온도 변화는 레이저 다이오드의 전기적 및 광학적 특성에 영향을 미쳐 성능과 작동 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 작동 조건이 최대 허용 범위를 초과하면 열 저항이 증가하고 전류 이득이 감소하여 성능이 저하됩니다. 또한, 온도 상승은 레이저 다이오드의 파장 변화를 유발하여 성능과 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 변화는 심각한 누화를 유발할 수 있으며, 극단적인 경우 다이오드 고장으로 이어질 수 있습니다.

예를 들어, 분산 피드백(DFB) 레이저 다이오드는 일반적으로 약 1260~1650nm의 파장 범위에서 빛을 방출합니다. 온도가 상승하면 피크 파장이 섭씨 0.1도(℃)당 약 XNUMXnm씩 변할 수 있습니다. 열전 냉각기(TEC)는 열을 효율적으로 발산하고 안정적인 열 환경을 유지하여 신뢰할 수 있는 온도 안정성을 보장하는 중요한 역할을 합니다. 이러한 안정화는 신호 무결성을 향상시킬 뿐만 아니라 광 트랜시버 모듈의 작동 수명을 연장합니다.

온도 변화와 관련된 또 다른 중요한 문제는 누화(crosstalk)인데, 이는 장거리에 걸쳐 높은 대역폭을 요구하는 통신 링크에서 특히 중요합니다. 예를 들어, 초대규모 데이터 센터는 종종 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 사용하여 여러 데이터 스트림을 병렬로 결합하여 광섬유의 데이터 처리량을 증가시킵니다.

더욱이, 레이저 다이오드 기술의 발전은 열 관리 솔루션의 병행 발전을 요구합니다. 데이터 처리량이 증가하고 상호 연결 지점 간 거리가 확장됨에 따라 레이저 다이오드는 더 높은 열 부하를 받게 됩니다. 이러한 증가로 인해 민감한 전자 부품에서 열 에너지를 추출하기 위해 향상된 열 펌핑 기능을 갖춘 다이오드 패키징이 필수적입니다. 이러한 열을 효율적으로 방출하기 위해서는 높은 충진율과 더 얇은 폼팩터를 가진 마이크로 열전 소자(TEC)가 필수적입니다. 이는 효율적인 작동을 보장하는 동시에 엄격한 파장 제어 및 온도 안정성을 유지하는 데 필수적입니다.

마이크로 TEC는 여러 가지 장점을 제공합니다. 크기가 작아 온도 변화에 더 빠르게 대응할 수 있고, 레이저 다이오드의 성능과 신뢰성을 향상시키며, 더 낮은 전력 소비로 경제적인 대량 생산이 가능합니다. 새로운 열전 소재와 고정밀 제조 기술의 등장으로 더욱 소형화된 마이크로 TEC가 개발되었습니다. 이러한 발전으로 열 안정성을 손상시키지 않고 레이저 다이오드 패키징을 소형화할 수 있게 되어, 다이오드가 온도 변화에 신속하게 대응할 수 있게 되었으며, 이는 광통신 시스템에서 매우 중요한 요소입니다. 향상된 효율은 높은 처리량과 낮은 제조 비용의 이점과 결합하여 성능 향상 및 전체 시스템 비용 절감에 직접적으로 기여합니다.

Laird의 새로운 OptoTEC MBX 시리즈와 같은 Micro TEC 솔루션은 레이저 다이오드의 정밀한 온도 안정화를 위해 특별히 설계되었습니다(그림 2 참조). 초소형 MBX 시리즈는 더 작은 폼팩터, 낮은 전력 소비, 향상된 신뢰성, 그리고 경제적인 대량 생산을 특징으로 하여 최신 레이저 다이오드 애플리케이션의 요구를 충족합니다. 이러한 특성들은 레이저 다이오드의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 신뢰성과 작동 수명을 연장하여 차세대 통신 애플리케이션의 혁신을 촉진합니다.

광 트랜시버 모듈이 계속 발전함에 따라, TEC 공급업체는 성능을 저하시키지 않으면서도 컴팩트한 형태를 수용하는 더 작고, 얇고, 기하학적으로 더 적응성이 뛰어난 솔루션을 설계하고 있습니다.

마이크로 TEC의 주요 설계 고려 사항은 다음과 같습니다.

충분한 냉각 용량: 장치는 1~3와트 전력 범위 내에서 작동하는 광 모듈을 효율적으로 관리할 수 있어야 합니다.

컴팩트한 크기: TEC는 효과적인 냉각 성능을 제공하는 동시에 트랜시버 모듈에 맞는 간결한 폼 팩터를 가져야 합니다.

대량 생산 가능성: 설계는 확장 가능한 제조 및 조립 공정을 지원하여 생산 비용을 절감하고 수율을 높여야 합니다. 이를 통해 TEC를 대규모 배치를 위해 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있습니다.

인공지능이 더욱 빠르고 효율적인 데이터 전송에 대한 수요를 지속적으로 증가시킴에 따라, 광 트랜시버 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.