Módulos ópticos e PCBs: impulsionando a transmissão de dados em alta velocidade na era da IA

No mundo acelerado da comunicação de dados, a demanda por soluções eficientes e de alta largura de banda nunca foi tão grande. À medida que aplicativos baseados em IA e o processamento massivo de dados expandem os limites do desempenho da rede, módulos ópticos e sua integral PCBs de módulos ópticos evoluíram rapidamente para enfrentar esses desafios. Essa evolução não apenas melhora a eficiência da transmissão, mas também garante a confiabilidade em ambientes exigentes, como data centers e configurações de computação em nuvem.

Na FiberMall, somos especializados em fornecer soluções econômicas produtos e soluções de comunicação óptica, capacitando data centers globais, ambientes de nuvem, redes corporativas, redes de acesso e sistemas sem fio. Nossa liderança em redes de comunicação habilitadas por IA nos torna o parceiro perfeito para soluções de alta qualidade e valor agregado. módulos ópticos e PCBs. Neste blog, exploraremos o contexto, os avanços tecnológicos e a composição dos módulos ópticos, seguidos de um mergulho profundo em PCB de módulo óptico Essenciais.

Contexto: O aumento da demanda por redes de alta largura de banda

Como é sabido, a procura impulsiona o desenvolvimento. O rápido avanço da módulos ópticos decorre diretamente da crescente necessidade da humanidade de transmissão eficiente de dados cada vez mais complexos e volumosos. Isso, por sua vez, levou a requisitos técnicos cada vez mais complexos e em constante evolução para PCBs de módulos ópticos.

A ascensão do treinamento e da inferência de modelos de IA em larga escala ampliou a demanda por computação massiva de dados paralelos, colocando uma pressão sem precedentes na largura de banda da rede global. Isso acelerou a iteração de módulos ópticos, ao mesmo tempo que impulsiona tecnologias emergentes como CPO, LPO e Fotônica de Silício para a frente.

• CPO (Óptica Co-empacotada):Esta tecnologia óptica co-empacotada concentra-se na integração de componentes fotônicos e eletrônicos em um único pacote, ideal para cenários de transmissão de interconexão de alta velocidade e alta densidade.
• LPO (Óptica Linear Plugável): Enfatizando a conectividade e a relação custo-benefício, o LPO é adequado para aplicações de transmissão de curta distância.
• Tecnologia de fotônica de silício: Um método de fabricação de dispositivos optoeletrônicos usando materiais de silício, que combina as vantagens da fotônica e da eletrônica para um desempenho superior.

Estas inovações estão a remodelar soluções de comunicação óptica, garantindo escalabilidade perfeita para infraestruturas modernas.

Caminho da evolução das tecnologias de módulos ópticos

Na era do poder da computação, módulos ópticos devem oferecer baixo consumo de energia e alta largura de banda para suportar cargas de trabalho de IA e big data. As tendências atuais do setor apontam para os seguintes caminhos de evolução, passando de módulos plugáveis ​​tradicionais para soluções mais integradas que reduzem o consumo de energia em até 40% e a latência em cerca de 50%. Essa mudança marca uma transição fundamental de designs predominantemente plugáveis ​​para interconexões ópticas integradas e evolutivas, com o LPO servindo como um passo evolutivo para módulos plugáveis ​​e o CPO representando a forma final e revolucionária, alavancando a fotônica de silício para custos e energia minimizados.

A tabela abaixo descreve as principais tecnologias emergentes na evolução dos módulos ópticos, com base em insights da “Tecnologia e evolução dos módulos ópticos para data centers” da ZTE. Ela destaca nomes de tecnologias, conteúdo detalhado e resumos para cada uma, fornecendo uma visão abrangente de como esses avanços atendem às necessidades de alta densidade e baixo consumo de energia em data centers orientados por IA:

Nome da tecnologia	Conteúdo	Resumo
Módulos ópticos refrigerados a líquido	Em sistemas de resfriamento líquido por placa fria, o refrigerante não entra em contato direto com os componentes eletrônicos geradores de calor, portanto, módulos ópticos convencionais geralmente não precisam considerar problemas de compatibilidade quando aplicados nesses sistemas. No entanto, os refrigerantes em sistemas de resfriamento líquido por imersão e spray entram em contato direto com os dispositivos de dissipação de calor — especialmente em sistemas de imersão, onde os dispositivos estão totalmente submersos no refrigerante. Os módulos ópticos convencionais são projetados para cenários de resfriamento a ar e podem falhar em ambientes de imersão ou spray. Portanto, projetos direcionados para resfriamento líquido e requisitos técnicos padronizados são essenciais para garantir a transmissão confiável de dados nessas configurações.	O resfriamento líquido oferece altíssima eficiência energética e densidade de calor, servindo como uma solução essencial para as pressões de dissipação de calor em data centers e os desafios de economia de energia. Módulos ópticos refrigerados a líquido representam uma tendência inevitável.
Solução LPO	O LPO substitui o DSP tradicional pela tecnologia de acionamento direto linear, integrando funções ao chip de comutação e mantendo apenas o chip driver (Driver) e o chip amplificador de transimpedância (TIA). Os chips Driver e TIA em módulos ópticos LPO apresentam desempenho aprimorado para maior linearidade.	O LPO se destaca em aplicações de curta distância, baixo consumo de energia e baixa latência, ideais para centros de computação de IA. Aproveitando as cadeias de suprimentos de módulos ópticos existentes e maduras, o LPO pode alcançar uma implantação rápida com forte suporte de fornecedores de TIA/Driver de alta linearidade.
Solução CPO	A CPO co-empacota motores ópticos e chips de comutação sem usar formatos de módulos ópticos plugáveis. Isso permite uma transmissão mais rápida do sinal elétrico entre o motor e o chip, encurtando distâncias para reduzir o tamanho, diminuir o consumo de energia e aumentar a eficiência.	A CPO reduz custos e energia por meio do coempacotamento optoeletrônico de comutação, oferecendo a solução abrangente ideal para futuras aplicações de módulos de alta integração, baixo consumo de energia, baixo custo e taxa ultra-alta.
Tecnologia de fotônica de silício	Esta tecnologia de comunicação óptica de baixo custo e alta velocidade baseia-se na fotônica de silício, utilizando processos de microeletrônica de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) à base de silício para a fabricação integrada de dispositivos fotônicos. Ela combina a lógica de ultragrande escala e a fabricação de alta precisão do CMOS com as taxas ultra-altas e o baixo consumo de energia da fotônica (em arquiteturas CPO/LPO).	Embora os investimentos em P&D e as vendas fiquem atrás dos materiais III-V, com desafios em desempenho, processo e custo, as vantagens de custo e energia da fotônica de silício a posicionam como a futura tecnologia de dispositivos ópticos convencionais.
Tecnologia de niobato de lítio de película fina	Em comparação com o niobato de lítio tradicional em massa, os guias de onda de niobato de lítio em película fina permitem guias de onda ópticos em escala submicrométrica, aprimorando a integração, o confinamento do campo de luz e as interações de materiais para uma largura de banda eletro-óptica ultra-alta, tensão de acionamento ultrabaixa e perda óptica ultrabaixa. Isso pode revolucionar os moduladores eletro-ópticos.	Como um dispositivo central para data centers de ultra-alta velocidade e transmissão óptica coerente, ele oferece alto desempenho, baixo custo, tamanho pequeno, produtividade em massa e compatibilidade com CMOS, tornando-o uma solução altamente competitiva para futuras interconexões ópticas de alta velocidade.
Afundamento coerente (Coherent Lite)	Em data centers, a detecção direta por modulação de intensidade (IM-DD) continua dominante. Para atender às limitações da IM-DD em relação à evolução das demandas, o setor está desenvolvendo soluções "coerentes leves", adaptadas para links de data centers de curta distância.	À medida que as conexões intra-data center ultrapassam 1.6T em direção a 3.2T, os orçamentos de dispersão e link desafiam o IM-DD. O Coherent Lite surge como um forte concorrente para interconexões de 3.2T em larga escala.
Tecnologia Light In Light Out (OIO)	OIO é uma interconexão óptica baseada em chip, integrada a chips de computação (CPUs, GPUs, TPUs) no mesmo encapsulamento para comunicação perfeita em sistemas distribuídos (entre placas, racks e fileiras). Ela corresponde às interconexões elétricas integradas em encapsulamento em densidade de largura de banda, custo de energia e latência. Os formatos incluem óptica on-board (OBO), NPO, CPO e futuros circuitos integrados optoeletrônicos (OEIC). OIO promete densidade de canal e largura de banda por canal 100x+, essenciais para a evolução do chip de switch para 100T, 200T ou superior.	A OIO está preparada para permitir escalabilidade sem precedentes em redes de alta capacidade, impulsionando a próxima era de interconexões ópticas eficientes e de baixa latência.

Este caminho destaca a mudança para designs mais eficientes e compactos que minimizam a latência e o uso de energia, essenciais para PCBs de módulos ópticos em configurações de alto desempenho.

Composição dos Módulos Ópticos

Módulos ópticos São montados a partir de chips e dispositivos ópticos e, em seguida, inseridos ou incorporados em equipamentos de comunicação óptica para conectividade externa. Na comunicação por fibra óptica, eles facilitam a conversão mútua entre sinais elétricos e ópticos: conversão eletro-óptica na extremidade do transmissor e conversão optoelétrica na extremidade do receptor.

A estrutura central de um módulo óptico compreende quatro componentes principais:

• PCBA (conjunto da placa de circuito impresso): A placa fundamental que integra os componentes elétricos.
• TOSA (Subconjunto Óptico do Transmissor): Lida com a transmissão de sinais ópticos.
• ROSA (Subconjunto Óptico Receptor): Gerencia a recepção e conversão de sinais ópticos.
• Habitação: Oferece proteção e integridade estrutural.

Esses elementos trabalham em harmonia para garantir a integridade robusta do sinal, tornando PCBs de módulos ópticos os heróis anônimos do fluxo de dados confiável.

PCBs de módulos ópticos: atendendo às demandas da era da computação

Com a ênfase da era da computação no baixo consumo de energia e na alta largura de banda, os requisitos técnicos para PCBs de módulos ópticos são determinados principalmente por:

• A embalagem do módulo óptico.
• A taxa de transmissão do módulo óptico.
• Necessidades especiais de aplicação, como dissipação de calor, durabilidade de troca a quente e desempenho em vários ambientes industriais.

A tabela a seguir fornece uma análise detalhada de como os fabricantes de placas de PCB abordam esses requisitos técnicos de módulos ópticos, incluindo explicações e referências importantes para a seleção ideal de materiais e processos:

Requisitos técnicos do módulo óptico	Abordagem de fábrica de placas PCB	Explicação
Embalagens	O método de embalagem do módulo óptico depende do design do cliente	Adaptado às especificações do cliente para integração perfeita em diversos formatos.
Taxa de transmissão	Com base nos requisitos do cliente, priorize materiais de baixo Df e baixo DK	Referência de conhecimento Df: Características do substrato CCL e PP: Fator de perda Df (mede a perda de sinal em transmissões de alta frequência). Referência de conhecimento DK: Características do substrato CCL e PP: Constante dielétrica DK (impacta a velocidade do sinal e o controle de impedância). A seleção de materiais com baixas perdas garante atenuação mínima em altas velocidades.
Necessidades especiais de aplicação	Com base nos requisitos do cliente, use tecnologias ou processos especiais	Dissipação de calor: Processo de bloco de cobre embutido, tamponamento com pasta de cobre/pasta de prata, preenchimento de furos a laser… Durabilidade para inserção/extração: Dedos de ouro (aumentam a resistência ao desgaste e a conectividade elétrica para tamponamento repetido). Esses processos personalizados atenuam as tensões térmicas e mecânicas em ambientes exigentes.

Projetos comuns de PCB de módulos ópticos

(Observação: o documento original apresenta uma imagem de placas de circuito impresso de módulos ópticos comuns, obtida da web. Visualize um diagrama destacando placas em camadas de alta densidade com vias e dedos dourados.)

Esses projetos exemplificam a engenharia de precisão necessária para produtos de comunicação óptica.

Áreas de características típicas de PCBs de módulos ópticos

PCBs de módulos ópticos incorporar regiões especializadas para otimizar o desempenho:

• Design Denso:Devido a restrições de tamanho e à necessidade de transmissão de dados em alta velocidade, PCBs de módulos ópticos empregar interconexões multicamadas e cegas para aumentar a densidade de roteamento, acomodando configurações multicanal.
• Projeto de dissipação de calor: À medida que as frequências e larguras de banda aumentam, a geração de calor aumenta, representando riscos à confiabilidade e à integridade do sinal. Temperaturas elevadas podem degradar o desempenho, portanto, o gerenciamento térmico avançado em PCBs de módulos ópticos apresenta desafios significativos de fabricação.

Principais requisitos técnicos para PCBs de módulos ópticos

Para atender a essas demandas, PCBs de módulos ópticos deve atender a especificações rigorosas em diversas áreas críticas:

1. Capacidades de linha
   1. Largura/Espaçamento da Linha (Largura/Espaço): Evoluindo do tradicional 100/100μm com tolerância de ±20μm para 30/30μm com tolerância de ±10μm, ou até mesmo linhas mais finas com controles mais rígidos.
   1. Tolerância de impedância: De convencional ±10% a ±7%, e tão baixo quanto ±5%.
2. Capacidades de alinhamento
   1. Diâmetro da pastilha/via do laser: Progredindo de 100/250μm para 75/130μm, ou até 50/110μm.
   1. Precisão de tinta para máscara de solda: Alinhamento da janela da máscara de solda com o pad de ±25μm a ±15μm ou menor.
   1. Precisão do contorno
      1. Tolerância de contorno: ±0.1 mm.
      1. Tolerância central entre furos: De ±0.075 mm a ±0.038 mm.
      1. Tolerância central entre pastilhas: De ±0.075 mm a ±0.05 mm.
      1. Tolerância da borda do PCB ao dedo dourado: ±0.05 mm.
      1. Tolerância do diâmetro da ranhura: ±0.05 mm.
      1. Tolerância entre ranhura e dedo dourado: ±0.1 mm.
3. Ligação de fio
   1. Tamanho da almofada de ligação de fios: 90/90μm, com tolerância dimensional de ±15μm.
   1. Força de tração do fio: ≥5g, exigindo teste de cisalhamento de esfera.

• Dedos de Ouro
  • Padrões de aparência: Requisitos rigorosos, como ausência de exposição ao níquel, saliências, contaminação ou arranhões — específicos para especificações do cliente.
  • Resistência à Corrosão: Deve passar nos testes designados pelo cliente, como o teste MFG.
  • Durabilidade para inserção/extração: Suportar pelo menos 500 ciclos conforme as necessidades do cliente.

• Capacidade de troca a quente: Dedos de ouro classificados/segmentados sem resíduos de fio, atendendo aos padrões de qualidade.
  • Espessura da placa da área do dedo de ouro: As tolerâncias são rigorosamente controladas de acordo com as necessidades do cliente.
• Blocos de cobre embutidos
  • Planicidade: 0 a -10μm.

Essas demandas técnicas destacam o motivo pelo qual a parceria com especialistas em PCBs de módulos ópticos é essencial para aplicações de ponta.

Considerações finais: Inovando para as redes do amanhã

A interação entre módulos ópticos e seus PCBs é fundamental para sustentar o crescimento de redes habilitadas por IA. À medida que as demandas por velocidade, eficiência e confiabilidade se intensificam, manter-se à frente exige soluções inovadoras que equilibrem desempenho e custo.

A FiberMall é uma fornecedora especializada de produtos e soluções de comunicação óptica, comprometida em fornecer soluções econômicas para data centers globais, ambientes de computação em nuvem, redes corporativas, redes de acesso e sistemas sem fio. Reconhecida por sua liderança em redes de comunicação habilitadas para IA, a FiberMall é a parceira ideal se você busca soluções de alta qualidade e valor agregado. módulos ópticos e PCBs.