面向液冷降温技术的光模块技术研究

［欧月华 任艳 陈璁］

1 引言

PUE对数据中心和算力网络的运营影响巨大，高PUE可能导致高能源成本、环境污染、竞争不利等问题，因此数据中心和算力网络的运营者通常会积极寻求方法来降低PUE，以提高其能源效率并降低运营成本[1]。此外，国家相关部委发布的东数西算、智能算力网络、数字中国等国家战略政策都对绿色节能提出了重要目标任务[2]。

目前，传统的散热方式如风冷和空调制冷，已经无法满足当前高密数据中心和算力网络在降低PUE和业务扩展方面的需求[3]。此外，很多高功率设备具有高能耗和高密度特征，使用风冷散热不仅能耗大，还会产生高噪音。因此，液冷技术成为一种备受关注的新兴制冷技术，有效解决了高密度设备散热的难题，目前已在数据中心中得到广泛应用[4]。通信运营商也在边缘计算和BBU集中部署等场景积极研究和试点液冷散热技术，并取得了显著的节能效果。

光模块是数据中心和通信机房网络通信设备的核心配件之一，随着各种设备为了满足流量增长的需求不断迭代升级，需要使用传输速率更高的光模块，比如较早的40 Gbit/s、100 Gbit/s和现在的400 Gbit/s，800 Gbit/s，甚至是将来的1.6 Tbit/s光模块[5]，光模块的使用数量和功耗也随之增加，光模块自身也需要液冷技术进行功耗控制和散热。

2 光模块在液冷系统中的应用

为了满足当前高密数据中心和算力网络对降低PUE的需求，需要考虑通过替代或者升级目前风冷应用的光模块，以适应液冷系统的应用场景。根据冷却液与信息通信设备发热器件之间的换热方式，液冷系统通常分为冷板式、浸没式和喷淋式液冷系统[6]。由于冷板式液冷系统中的冷却液不与发热电子部分直接接触，所以目前液冷应用的光模块在冷板式液冷系统中应用时，一般无需考虑兼容性方面问题。浸没式和喷淋式液冷系统都是使用冷却液和散热器件直接接触，从而进行热交换。喷淋式液冷系统只需在喷淋模块调整喷淋头，实现喷淋设备与散热器件的对应即可[7]；浸没式液冷系统直接将散热器件浸泡在冷却液里，冷却液吸收散热器件产生的热量后，将热量传递给热交换中的水，然后通过水循环将热量传递到室外的散热装置中[8]。由于光模块以往的设计都是基于风冷的应用场景，因此对于浸没式和喷淋式液冷系统的应用场景，光模块需要对满足该场景的环境进行相应的设计，并且在应用中规范技术要求，以实现在液冷场景下的正常工作和数据传输。

3 光模块散热及在液冷系统影响分析

3.1 液冷环境下光模块散热效果

中国电信和华为组成联合创新实验局，在OTN设备中应用了冷板式液冷解决方案，其中OTN设备采用两套相同的CFP封装光模块的样品，分别在高效散热、复杂业务场景下的温度稳定性和风冷方案对比试验结果如下。

①液冷方案中，在40 ℃进液前提下，光模块全部依靠液冷散热，壳温保持在70 ℃以下，温度稳定无超温，满足OTN散热要求。

②液冷方案相对于风冷方案在光模块散热上大部分收益5℃以上，功率保持不变。

具体试验数据如表1所示。

表1 风冷光模块散热与冷板式液冷光模块散热对比数据

液冷光模块通过在液冷降温环境下工作，从而降低光模块的工作温度和热应力，预估可以提高其稳定性和可靠性，并且提高其使用寿命。

液冷方案比较传统风冷方案，对整机环境散热更优，光模块运行管壳温度更低，规模应用下功耗较风冷环境预计会有一定比例的降低。

其他液冷方案比如喷淋式、浸泡式液冷和冷板式液冷虽然实现原理不一样，但是喷淋式、浸泡式液冷系统由于冷却剂直接与发热器件接触，将热量直接带走，预估控温效果更佳。

3.2 光模块在液冷场景中可能影响

3.2.1 可能的失效模式

液冷光模块的失效模式涉及多个方面，这些方面可能会影响其性能、可靠性和持续正常运行。以下是一些可能的液冷光模块失效模式。

①泄漏或渗漏：光模块光电器件与光接口、光接口与尾纤之中存在着光路，由于光模块与液体介质接触，可能会出现泄漏或渗漏的情况，导致冷却液进入光路中，对光信号的传输造成一定的影响。因此，液冷光模块重要的挑战之一便是光模块的关键封装器件的密封性程度，如驱动器、TIA、激光器光电探测器、还有多通道模块用的波分复用器、V型槽阵列、SOA放大器，相干模块中的光波导元件以及光接口部分的密封性程度等。

②腐蚀：如果使用的冷却液与模块内部的材料不兼容，可能会引起腐蚀，导致元件失效或损坏。

③杂质：溶解后的颗粒（尤其是金属颗粒），随着液体的循环流动，附着在光模块的电路部件，导致元件或电路失效、劣化。

3.2.2 光模块在液冷机柜接线

液冷机柜是液冷生态系统的基本构建模块，喷淋式和浸没式液冷机柜将整个服务器喷淋或者浸入液体中进行散热，因此需要一定的密封性。光模块作为通信设备数据传输器件，需要考虑光模块与液冷机柜之间的走线、出入纤兼容性，以及日常的维护管理。

4 液冷光模块技术分析和建议

4.1 液冷光模块整体封装结构

4.1.1 封装外观

目前，有源光缆光模块（简称AOC光模块）因其具有功耗低、体积小、重量轻和抗电磁干扰等优势[9]，可为数据中心内部服务器到交换机间的短距离连接提供高密度、低成本和小功耗的解决方案。

基于AOC光模块的封装为基础，目前有两种光模块封装外观满足液冷环境应用的要求，本文中称为线缆双端液冷光模块和线缆单端尾纤型液冷光模块，其中线缆双端液冷光模块参考传统AOC光模块的封装外观，即光缆两端都连接有光模块的封装外观；线缆单端尾纤型液冷光模块为光缆一端连接光模块，另一端为光纤活动连接器的封装外观。

线缆双端液冷光模块和线缆单端尾纤型液冷光模块由于在液冷环境中应用（线缆单端尾纤型液冷光模块的光纤活动连接器一端不浸泡在液体中），需要保证设计光路（模块自身、光缆和模块之间）足够密闭，以满足浸没在冷却液中工作的情况。

4.1.2 液冷光模块线缆

线缆双端液冷光模块和线缆单端尾纤型液冷光模块都包括有线缆，类型包括B6类单模光纤和多模光纤，多模光纤类型包括OM2、OM3、OM4、OM5等。AOC线缆标准目前有行标YD/T 3537-2019《通信有源光缆（AOC）用线缆》，根据AOC光模块在通信机房和数据中心的使用，多模光缆长度可以任意长度交货，一般在150 m以内。线缆的护套材料包括低烟无卤（LSZH）、聚氯乙烯（PVC）、热塑性聚氨酯橡胶（TPU）、中密度聚乙烯（MDPE）等。

4.1.3 光接口类型（线缆单端尾纤型液冷光模块）

线缆单端尾纤型液冷光模块的光缆的一端是光接口，其光接口的类型按照实际使用场景分别包括有FC、SC、LC和MPO等。

比如液冷光模块100G SR4 接口类型有多模 MPO-12、液冷光模块100G PSM4 接口有单模 MPO-12，如图1所示。线缆单端尾纤型液冷光模块光接口的MPO 是公头，线序和接收端类型的 MPO的线序不同。

图1 MPO接口示意图

4.2 极限条件和工作条件

液冷光模块的极限工作条件指标包括贮存温度、相对湿度、供电电压等要求，建议与封装、速率一样的AOC光模块保持一致。

液冷光模块工作条件的指标包括：供电电压、管壳温度、并且由于在密封的机柜中工作，同时可考虑液冷光模块的光纤弯曲半径、液体浸泡深度等，如表2所示。

表2 推荐工作条件

对于光模块的插、拔力和插拔次数要求，目前CCSA行标给出了100 Gbit/s、200 Gbit/s、800 Gbit/s 等速率的AOC光模块相应要求，但是CCSA行标AOC光模块是针对风冷的应用场景，而液冷光模块来说，由于浸没在液体中受到液体某方向的压力，可能需要更多的力来插入或拔出，液冷光模块的设计和生产方面，可能需重新评估冷却液浸没下模块的插、拔力和插拔次数。

4.3 密封分析

4.3.1 密封技术概述

对于液冷光模块可以采用的密封技术包括有气密性封装和液密性封装或者两者的相结合，以保持光模块的密封性，防止气体或液体从内部泄漏到外部或从外部进入内部的过程。气密封装专门用于阻止气体的渗透，而液密封装则专门用于阻止液体的渗透，两种技术主要区别如下。

①封装所使用的材料和技术可能会有所不同，气密封装可能使用气密性高的材料，而液密封装可能使用防水或耐腐蚀的材料。

②封装设计差异，液密封装可能需要更强的结构以抵抗液体压力，而气密封装可能更注重气密性，处理较大的气体压力差。

③封装外观上，气密性封装通常在封装的盖板和底座之间采用平行封焊或者储能焊的方式进行焊接；而液冷光模块需要整体实现密闭封装（液封），以此实现同外部冷却液的完全隔离。

4.3.2 模块内部密封方式和工艺

目前风冷应用的光模块内部密封包括有气密性封装和非气密性封装。光模块气密封装的目的是为了防止外部的水汽和其他有害气体进入封装内部。气密封装和非气密封装器件在外观上有很明显的区别。目前来说，只有陶瓷、玻璃、金属这三类材料能够做气密封装，其他的材料比如塑料只能做非气密封装。其次，即使用了上述3种材料，还需要看封装的盖板和底座之间的结合方式，只有采用了平行封焊或者储能焊这两种结合方式，才算气密封装。如果使用的是其他结合方式比如点胶，还是属于非气密封装。

电信级光模块多采用气密性的TO-CAN[10]或BOX[11]封装技术，而数据中心光模块多采用非气密性COB[12]封装技术，但是当数据中心中采用浸没或者喷淋式液冷系统时，非气密性封装COB工艺的光模块在液体环境中无法直接使用，因此在液冷数据中心中宜使用BOX和TOCAN两种气密性封装光模块，又或者对于光电部分COB封装的光模块进行整体的全塑封设计（液封），以有效阻止液冷环境中的冷却液对光模块光路部分的污染及对光学通路的干扰。

对于目前光模块的发送器件和接收器件封装方式和工艺介绍如下。

①TO-CAN同轴封装（气密性封装）

壳体通常为圆柱形，一般用于40 Gbit/s内的传输系统。因为其体积小的特点，实现内置制冷比较困难，散热是亟待解决的问题，难以用于大电流下的高功率输出，因此难以用于长距离传输，最主要的用途还在于2.5 Gbit/s及10 Gbit/s短距离传输。TO-CAN的气密封装使用储能焊，通过脉冲电流融化缝隙实现气密性焊封。

②蝶形封装（气密性封装）

蝶形封装主要是为了解决散热问题，可以提供更大的热沉，同时也可以加配带温度控制的TEC温控模块，内部还有陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控等。因此一个蝶形封装器件相当于一个OSA，是比 TO-CAN更高一级的器件。

③BOX（盒式）封装（气密性封装）

BOX封装用于多通道并行封装，可做成气密性和非气密性封装，常用于中长距离高速光学设备传输，价格较昂贵。BOX封装采用平行封焊设备实现气密封装。

④COB(Chip On Board)封装（非气密性封装）

光模块的COB封装简单来说是将激光芯片粘附在PCB基板上，包括TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列等集成封装在一个小空间内，以实现小型化，此为非气密性封装。

4.3.3 整体密封方案

液冷光模块需要同时防止冷却液进入光模块的光路，即光器件与光接口、光接口与尾纤之中存在的光路中，因此液冷光模块需要整体实现密闭封装（液封），以此实现同外部冷却液的完全隔离，如图2所示。

图2 整体密封方案示例图

目前有些液冷光模块产品使用胶水进行密封以实现光模块整体的密闭封装，结合业内液冷系统常用的冷却液特性，液冷光模块的封装胶水与氟化液体和油类的这类常用的冷却液需要良好兼容性能。

目前液冷光模块通常采用的有UV胶以及低压注塑材料作为密封胶[13]，例如：①利用环氧体系胶水作为液冷光模块的封胶；②采用泰格士9109、汉高5375、汉高6208S或OM657等材料制作塑封层，分别以很低的注射压力(1.5～40 bar)将封装材料注入模具并快速固化成型(5～50 s)封装。

4.4 液冷光模块性能评价考虑

在光模块基础性能要求方面，线缆双端液冷光模块性能指标须考虑其发送端和接收端电气特性，线缆单端尾纤型液冷光模块除了考虑发送端的电气特性，还须考虑出尾纤接头后的光学性能。

在光模块可靠性测试中，机械完整性和温度耐久性测试一般依据Telcordia GR-468-CORE，但是Telcordia GR-468-CORE主要面向的是一般风冷环境包括工业级应用的光模块，没有完全考虑到液冷光模块的应用要求对应的测试方法。因此对于在液体喷淋或者浸没下环境工作的光模块，可能需要考虑相应适用的测试方法，以确保其性能和可靠性。

建议液冷光模块在风冷AOC光模块的可靠性试验基础上，除了需要在通过风冷AOC光模块对应的机械试验和非工作环境试验（主要非工作环境存储试验）外，可以考虑单独的液冷工作环境的试验，包括液冷寿命（高温）、液冷温度循环和液冷浸没的测试方法（可考虑通过加压模拟在液体浸泡到达一定深度），以检测液冷光模块的早期失效和推测长期寿命。

4.5 材料兼容性测试

光模块在喷淋液冷或者浸没式液冷环境中，光模块的外壳、尾纤及接口的材料，由于与冷却液接触，存在与冷却液发生反应的可能，包括两个方面：一是光模块的材料吸收冷却液，二是光模块材料的一些成分的析出。因此，光模块中使用的所有材料应考虑和冷却液的兼容性，以确保光模块的正常运行和寿命。此外冷却液的清洁和更换也是确保光模块性能和寿命的重要因素，光模块在使用过程中，建议定期更换冷却液，并在更换前清洗和冲洗光模块中的液体通道，以防止杂质和沉积物的积累。

总的来说，在材料兼容性方面，需要考察冷却液是否与光模块的材料发生反应或产生溶解萃取等影响，如果光模块的使用材料在冷却液厂商兼容性清单之外的物料，应进行兼容性测试，包括浸泡实验和萃取实验，通过测试对冷却液进行粘度、介电常数和击穿电压等物性常数分析，同时对残留物、颗粒度等液体成分进行测试。

浸泡实验测试方法可参考:

①ASTM-D3455-2011《变压器油与材料相容性标准进行测试》；

②GB/T 14832-2008《标准弹性体材料与液压液体的相容性》。

萃取实验测试方法可参考索式萃取测试相关标准:

①GB5512-85《粮食、油料检验粗脂肪测定法》；

②GB5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》。

另外，光缆的护套材料兼容性：护套材料与液冷系统冷却液（比如油类），目前的测试标准有GB/T 2951.21-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第21部分：弹性体混合料专用试验方法——耐臭氧试验——热延伸试验——浸矿物油试验》的浸矿物油试验。

4.6 成本分析

液冷光模块相比常规光模块在成本方面的增加主要包括两个方面：一个是物料成本，来自于密封材料，需要绝缘、导热性能好、稳定性强的密封材料；另外一个是来自加工成本，需要通过较高的工艺水平和制造水平实现密封但是不能影响原来的性能参数、电磁兼容特性等要求。

5 技术展望

液冷光模块在国内外的应用主要集中在数据中心、通信设备和高性能计算领域。这些应用领域需要高性能的光传输解决方案，并且越来越重视能效和散热管理，因此液冷技术在这些领域中具有广泛的市场前景。

为了满足高性能计算和通信应用中提高性能、能效、可靠性和适应未来技术等多方面的需求，液冷光模块技术还需要进一步促进了技术的标准化，包括液冷光模块的技术要求、密封技术要求、可靠性测试方法和运维管理技术方面的标准化工作，以指导液冷光模块的开发、设计、生产和保证液冷光模块量产阶段可靠性，促进技术和产业链的发展成熟，更好的支撑高密数据中心和算力网络采用液冷系统降低PUE和业务扩展方面的需求和绿色低碳发展。