Miniaturizace a vysoká integrace se stávají klíčovým návrhem ve vývoji laseru

Aby bylo možné realizovat cíl koherentních zásuvných zařízení nové generace, musí laditelné lasery nové generace dosáhnout zcela nové úrovně optoelektronické integrace.
Stojí za zmínku, že miniaturizace a integrace laserů není jen problémem velikosti, ale co je důležitější, jak zlepšit energetickou účinnost těchto laserů. Zde jsou některé z výhod, které malé lasery nabízejí ve smyslu zlepšené energetické účinnosti:
Za prvé, malé lasery mají nižší požadavky na provozní napětí a proud. Je to proto, že vysoce integrované laserové konstrukce často využívají pokročilé procesy a materiály, které umožňují mnohem nižší prahová napětí a proudy než tradiční velké lasery.
Za druhé, kompaktní design přispívá k lepšímu odvodu tepla. U malých laserů je vzdálenost, kterou světlo urazí v laserovém čipu, mnohem kratší, což pomáhá minimalizovat ztráty světla a problémy s rozptylem tepla.
Kromě toho mohou vysoce integrované lasery snížit vazebné ztráty. Ve fotonice bylo spojení mezi optikou volného prostoru a čipem vždy technickou výzvou. Díky integraci více funkcí na jednom čipu jsou nové lasery schopny vyhnout se této vazbě a souvisejícím ztrátám.
Fotonická integrace je nezbytná pro snížení velikosti a spotřeby energie. Jak je stále více komponent integrováno do jednoho čipu, ztráty se postupně snižují a účinnost optického transceiveru se odpovídajícím způsobem zvyšuje.
Úspěchy a výzvy v technologii laserové integrace
Technologie integrace laditelných laserů za poslední desetiletí výrazně pokročila a do značné míry uspokojila naléhavou potřebu trhu po menší velikosti a vyšší integraci.
V roce 2011 se laditelné lasery řídily pokyny Multi-Source Agreement (MSA) pro integraci laditelných laserových sestav (ITLA), což zpočátku prokázalo jejich integrační potenciál.
V roce 2015 byly laditelné lasery dále miniaturizovány a uvedeny na trh ve formě kompaktních mikro-ITLA, které mají pouze 22 % velikosti původního ITLA balení, čímž se výrazně zmenšila velikost zařízení.
V roce 2019 se velikost dále snižuje s příchodem nano ITLA, modulu, který tvoří pouze 39 % mikro ITLA, což odráží kontinuitu a neustálý pokrok ve vývoji technologií.

Obrázek 1: Vývoj koherentní optiky laditelného tvarového faktoru laseru 2011-2021
Navzdory těmto působivým pokrokům technologie laserové integrace stále čelí dalším integračním výzvám, zejména v koherentním přístupovém prostoru 100G ZR, kde roste poptávka po zásuvných zařízeních QSFP28.
Zásuvné moduly QSFP28 nabízejí nižší spotřebu energie a menší půdorys než moduly QSFP-DD, takže by neměly používat stejné lasery jako moduly QSFP-DD. Co potřebují – specializovaná laserová řešení s menším půdorysem a nižší spotřebou energie.

Obrázek 2: Porovnání tvarových faktorů QSFP-DD a QSFP-28 pro aplikace 100G
K dosažení tohoto cíle se vývoj monolitických laserů stává kritickým.
V ideálním případě by takový laser byl schopen integrovat všechny klíčové laserové funkce, včetně zisku, laserové dutiny a zamykání vlnové délky, na stejném čipu, což vedlo k výraznému zvýšení integrace, zmenšení velikosti a snížení spotřeby energie. Realizace této technologie položí pevný základ pro vývoj optických komunikačních zařízení nové generace.
Podpora dalšího snižování velikosti laditelných laserů
V budoucnu bude pro další snižování velikosti laditelných laserů nutné realizovat vysoký stupeň integrace jejich vnitřních součástí.
Každý laditelný laser se například spoléhá na sestavu blokování vlnové délky, aby byla zajištěna stabilita výstupu laseru za různých podmínek prostředí, jako je teplota.
Integrace sestavy skříňky vlnové délky přímo na laserový čip, spíše než prostřednictvím externích připojení, výrazně snižuje prostorovou stopu a spotřebu energie laserového balíčku.
EFFECT Photonics, nizozemský lídr v technologii optické integrace, přišel s inovativním řešením: vyvinul jednočipové řešení kompatibilní s širokou škálou laditelných laserů, které integruje všechny funkce, včetně zamykání vlnové délky, na jeden čip. . Tato konfigurace je ideální pro snížení spotřeby energie a podporu hromadné výroby.
Integrací všech laditelných laserových funkcí na jediném čipu EFFECT Photonics úspěšně vyvinul nový modul pico-ITLA (pITLA), který bude nejmenší ITLA pro koherentní aplikace na světě.
pITLA je perspektivní produkt pro integraci laditelného laseru, který zahrnuje všechny laserové funkce v balíčku, který je pouze 20 % velikosti modulu nanoITLA. Je to pouze 20 % velikosti modulu nanoITLA. Jak je znázorněno na obrázku 6, pITLA se zdá extrémně malá, dokonce i ve srovnání se standardní zápalkou.

Obrázek 3: Vývoj tvaru a zmenšení velikosti modulu ITLA koherentní optiky, 2011-2023

Vliv miniaturizovaných integrovaných laserů daleko přesahuje výhodu velikosti; je stejně důležité pro zlepšení energetické účinnosti. Kompaktnější laserové konstrukce mohou často pracovat při nižších napětích a proudech, což pomáhá zlepšit tepelný výkon a minimalizovat vazebné ztráty.
A fotonická integrace je klíčovým faktorem pro dosažení těchto výkonových zisků – kombinací více funkcí na jednom čipu lze maximalizovat efektivitu.
Kompaktní a energeticky účinná koherentní zásuvná zařízení velikosti QSFP28- a jejich doprovodné miniaturizované laditelné lasery jsou velmi žádané, protože v přístupových sítích rozšiřujeme používání koherentní technologie 100G. Moduly pITLA od EFFECT Photonics jsou důležitým krokem v tomto procesu integrace a miniaturizace.
Při pouhých 20 % velikosti modulu nanoITLA splňuje pITLA nejen očekávání v oboru menší velikosti, ale také demonstruje pokračující snahu a snahu o realizaci kompaktních, účinných a škálovatelných laditelných laserů na okraji optických sítí.