Miniaturizácia a vysoká integrácia sa stávajú kľúčovým návrhom vo vývoji laserov

Aby sa dosiahol cieľ koherentných zásuvných zariadení novej generácie, laditeľné lasery novej generácie musia dosiahnuť úplne novú úroveň optoelektronickej integrácie.
Stojí za zmienku, že miniaturizácia a integrácia laserov nie je len problémom veľkosti, ale čo je dôležitejšie, ako zlepšiť energetickú účinnosť týchto laserov. Tu sú niektoré z výhod, ktoré ponúkajú malé lasery z hľadiska zlepšenej energetickej účinnosti:
Po prvé, malé lasery majú nižšie požiadavky na prevádzkové napätie a prúd. Je to preto, že vysoko integrované laserové konštrukcie často využívajú pokročilé procesy a materiály, ktoré umožňujú oveľa nižšie prahové napätia a prúdy ako tradičné veľké lasery.
Po druhé, kompaktný dizajn prispieva k lepšiemu odvodu tepla. V malých laseroch je vzdialenosť, ktorú svetlo prechádza v rámci laserového čipu, oveľa kratšia, čo pomáha minimalizovať straty svetla a problémy s rozptylom tepla.
Okrem toho môžu vysoko integrované lasery znížiť straty väzby. Vo fotonike bolo spojenie medzi optikou voľného priestoru a čipom vždy technickou výzvou. Vďaka integrácii viacerých funkcií na jeden čip sú nové lasery schopné vyhnúť sa tejto väzbe a s ňou spojeným stratám.
Fotonická integrácia je nevyhnutná na zníženie veľkosti a spotreby energie. Ako je stále viac komponentov integrovaných do jedného čipu, straty sa postupne znižujú a účinnosť optického transceivera sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje.
Úspechy a výzvy v technológii laserovej integrácie
Technológia integrácie laditeľných laserov za posledné desaťročie výrazne pokročila a do značnej miery splnila naliehavú potrebu trhu po menšej veľkosti a vyššej integrácii.
V roku 2011 sa laditeľné lasery riadili usmerneniami Multi-Source Agreement (MSA) o integrácii laditeľných laserových zostáv (ITLA), čo spočiatku demonštrovalo svoj integračný potenciál.
V roku 2015 boli laditeľné lasery ďalej miniaturizované a uvedené na trh vo forme kompaktných mikro-ITLA, ktoré majú iba 22 % veľkosti pôvodného ITLA balenia, čím sa výrazne zmenšila veľkosť zariadenia.
V roku 2019 sa veľkosť ďalej zmenšuje s príchodom nano ITLA, modulu, ktorý predstavuje len 39 % mikro ITLA, čo odráža kontinuitu a neustály pokrok vo vývoji technológií.

Obrázok 1: Vývoj koeficientu tvaru lasera laditeľného koherentnou optikou 2011-2021
Napriek týmto pôsobivým pokrokom technológia laserovej integrácie stále čelí ďalším integračným výzvam, najmä v priestore koherentného prístupu 100G ZR, kde rastie dopyt po zásuvných zariadeniach QSFP28.
Zásuvné moduly QSFP28 ponúkajú nižšiu spotrebu energie a menšie rozmery ako moduly QSFP-DD, takže by nemali používať rovnaké lasery ako moduly QSFP-DD. Čo potrebujú – špecializované laserové riešenia s menším pôdorysom a nižšou spotrebou energie.

Obrázok 2: Porovnanie tvarových faktorov QSFP-DD a QSFP-28 pre aplikácie 100G
Na dosiahnutie tohto cieľa sa vývoj monolitických laserov stáva kritickým.
V ideálnom prípade by takýto laser bol schopný integrovať všetky kľúčové laserové funkcie, vrátane zisku, laserovej dutiny a blokovania vlnovej dĺžky, na rovnaký čip, čo by viedlo k výraznému zvýšeniu integrácie, zmenšeniu veľkosti a zníženiu spotreby energie. Realizácia tejto technológie položí pevný základ pre vývoj optických komunikačných zariadení novej generácie.
Podpora ďalšej redukcie veľkosti laditeľných laserov
Pre ďalšie znižovanie veľkosti laditeľných laserov bude v budúcnosti potrebné realizovať vysoký stupeň integrácie ich vnútorných komponentov.
Napríklad každý laditeľný laser sa spolieha na zostavu blokovania vlnovej dĺžky, aby sa zabezpečila stabilita laserového výstupu pri rôznych podmienkach prostredia, ako je teplota.
Integrácia zostavy skrinky vlnovej dĺžky priamo do laserového čipu, a nie prostredníctvom externých pripojení, výrazne znižuje priestorovú stopu a spotrebu energie laserového balíka.
EFFECT Photonics, holandský líder v technológii optickej integrácie, prišiel s inovatívnym riešením: vyvinul jednočipové riešenie kompatibilné so širokou škálou laditeľných laserov, ktoré integruje všetky funkcie, vrátane blokovania vlnovej dĺžky, na jeden čip. . Táto konfigurácia je ideálna na zníženie spotreby energie a podporu hromadnej výroby.
Integráciou všetkých laditeľných laserových funkcií do jedného čipu spoločnosť EFFECT Photonics úspešne vyvinula nový modul pico-ITLA (pITLA), ktorý bude najmenším ITLA pre koherentné aplikácie na celom svete.
PITLA je progresívny produkt pre integráciu laditeľného lasera, ktorý zahŕňa všetky laserové funkcie v balíku, ktorý má iba 20 % veľkosti modulu nanoITLA. Je to len 20 % veľkosti modulu nanoITLA. Ako je znázornené na obrázku 6, pITLA sa zdá byť extrémne malá aj v porovnaní so štandardnou zápalkou.

Obrázok 3: Vývoj tvaru a zmenšenia veľkosti modulu ITLA koherentnej optiky, 2011-2023

Vplyv miniaturizovaných integrovaných laserov ďaleko presahuje výhodu veľkosti; je rovnako dôležité pre zlepšenie energetickej účinnosti. Kompaktnejšie laserové konštrukcie môžu často pracovať pri nižších napätiach a prúdoch, čo pomáha zlepšiť tepelný výkon a minimalizovať straty vo väzbe.
A fotonická integrácia je kľúčovým faktorom pri dosahovaní týchto výkonnostných ziskov – kombináciou viacerých funkcií na jednom čipe možno maximalizovať efektivitu.
Kompaktné a energeticky úsporné koherentné zásuvné zariadenia veľkosti QSFP28- a ich sprievodné miniaturizované laditeľné lasery sú veľmi žiadané, keďže v prístupových sieťach napredujeme v používaní koherentnej technológie 100G. Moduly pITLA od EFFECT Photonics sú dôležitým krokom v tomto procese integrácie a miniaturizácie.
Len s 20 % veľkosti modulu nanoITLA, pITLA nielenže spĺňa očakávania priemyslu týkajúce sa menšej veľkosti, ale tiež demonštruje pokračujúcu snahu a snahu realizovať kompaktné, efektívne a škálovateľné laditeľné lasery na okraji optických sietí.