Miniaturizacija in visoka integracija postaneta ključni predlog pri razvoju laserjev

Da bi uresničili cilj koherentnih priključnih naprav naslednje generacije, morajo nastavljivi laserji naslednje generacije doseči povsem novo raven optoelektronske integracije.
Treba je omeniti, da miniaturizacija in integracija laserjev ni le izziv glede velikosti, ampak še pomembneje, kako izboljšati energetsko učinkovitost teh laserjev. Tukaj je nekaj prednosti, ki jih ponujajo majhni laserji v smislu izboljšane energetske učinkovitosti:
Prvič, majhni laserji imajo nižje zahteve glede delovne napetosti in toka. To je zato, ker visoko integrirane laserske zasnove pogosto uporabljajo napredne procese in materiale, ki omogočajo veliko nižje mejne napetosti in tokove kot tradicionalni veliki laserji.
Drugič, kompaktna oblika prispeva k boljšemu odvajanju toplote. Pri majhnih laserjih je razdalja, ki jo svetloba prepotuje znotraj laserskega čipa, veliko krajša, kar pomaga zmanjšati izgubo svetlobe in težave z odvajanjem toplote.
Poleg tega lahko visoko integrirani laserji zmanjšajo izgube pri spajanju. V fotoniki je bila povezava med optiko prostega prostora in čipom vedno tehnični izziv. Z integracijo več funkcij na enem čipu se lahko novi laserji izognejo tej povezavi in ​​z njo povezanim izgubam.
Fotonska integracija je bistvena za zmanjšanje velikosti in porabe energije. Ker je vedno več komponent integriranih na en sam čip, se izgube postopoma zmanjšujejo in ustrezno povečuje učinkovitost optičnega oddajnika.
Uspehi in izzivi v tehnologiji laserske integracije
Tehnologija nastavljive laserske integracije je v zadnjem desetletju močno napredovala in v veliki meri zadovoljila pereče potrebe trga po manjši velikosti in večji integraciji.
Leta 2011 so nastavljivi laserji sledili smernicam Multi-Source Agreement (MSA) za integracijo nastavljivih laserskih sklopov (ITLA), s čimer so sprva pokazali svoj integracijski potencial.
Leta 2015 so bili nastavljivi laserji dodatno miniaturizirani in dani na trg v obliki kompaktnih mikro-ITLA, ki so le 22 % velikosti prvotnega paketa ITLA, kar je znatno zmanjšalo velikost naprave.
Leta 2019 se je velikost dodatno zmanjšala s prihodom nano ITLA, modula, ki predstavlja le 39 % mikro ITLA, kar odraža kontinuiteto in stalen napredek v razvoju tehnologije.

Slika 1: Razvoj koherentne optike nastavljivega faktorja oblike laserja 2011-2021
Kljub tem impresivnim napredkom se tehnologija laserske integracije še vedno sooča z nadaljnjimi izzivi integracije, zlasti v koherentnem dostopovnem prostoru 100G ZR, kjer narašča povpraševanje po vtičnih napravah QSFP28.
Vtični moduli QSFP28 nudijo nižjo porabo energije in manjši odtis kot moduli QSFP-DD, zato ne smejo uporabljati istih laserjev kot moduli QSFP-DD. Kaj potrebujejo – namenske laserske rešitve z manjšim odtisom in manjšo porabo energije.

Slika 2: Primerjava faktorjev oblike QSFP-DD in QSFP-28 za aplikacije 100G
Za dosego tega cilja postane razvoj monolitnih laserjev kritičen.
V idealnem primeru bi tak laser lahko integriral vse ključne laserske funkcije, vključno z ojačanjem, lasersko votlino in zaklepom valovne dolžine, na istem čipu, kar bi povzročilo znatno povečanje integracije, zmanjšanje velikosti in zmanjšanje porabe energije. Uresničitev te tehnologije bo postavila trdne temelje za razvoj optičnih komunikacijskih naprav naslednje generacije.
Spodbujanje nadaljnjega zmanjševanja velikosti nastavljivih laserjev
V prihodnosti bo za nadaljnje zmanjšanje velikosti nastavljivih laserjev potrebno doseči visoko stopnjo integracije njihovih notranjih komponent.
Na primer, vsak nastavljiv laser se opira na sklop zaklepa valovne dolžine, da zagotovi stabilnost laserskega izhoda v različnih okoljskih pogojih, kot je temperatura.
Integracija sklopa omarice za valovno dolžino neposredno na laserski čip, namesto prek zunanjih povezav, znatno zmanjša prostorski odtis in porabo energije laserskega paketa.
EFFECT Photonics, nizozemsko vodilno podjetje na področju tehnologije optične integracije, je pripravilo inovativno rešitev: razvili so rešitev z enim čipom, združljivo s široko paleto nastavljivih laserjev, ki združuje vse funkcije, vključno z zaklepom valovnih dolžin, na enem čipu. . Ta konfiguracija je idealna za zmanjšanje porabe energije in spodbujanje množične proizvodnje.
Z integracijo vseh nastavljivih laserskih funkcij na enem samem čipu je EFFECT Photonics uspešno razvil nov modul pico-ITLA (pITLA), ki bo najmanjši ITLA za koherentne aplikacije po vsem svetu.
pITLA je v prihodnost usmerjen izdelek za nastavljivo lasersko integracijo, ki vključuje vse laserske funkcije v paketu, ki je le 20 % velikosti modula nanoITLA. Je le 20 % velikosti modula nanoITLA. Kot je prikazano na sliki 6, je pITLA videti izjemno majhna tudi v primerjavi s standardno vžigalico.

Slika 3: Razvoj faktorja oblike in zmanjšanja velikosti koherentne optike modula ITLA, 2011-2023

Vpliv miniaturiziranih integriranih laserjev daleč presega prednost velikosti; prav tako je ključnega pomena za izboljšanje energetske učinkovitosti. Kompaktnejše laserske zasnove lahko pogosto delujejo pri nižjih napetostih in tokovih, kar pomaga izboljšati toplotno zmogljivost in zmanjšati izgube pri sklopki.
In fotonska integracija je ključni dejavnik pri doseganju teh povečanj zmogljivosti – s kombiniranjem več funkcij na enem čipu je mogoče povečati učinkovitost.
Kompaktne in energetsko učinkovite koherentne vtične naprave velikosti QSFP28-in pripadajoči miniaturni nastavljivi laserji so v velikem povpraševanju, ko napredujemo pri uporabi koherentne tehnologije 100G v dostopovnih omrežjih. Moduli pITLA podjetja EFFECT Photonics so pomemben korak v tem procesu integracije in miniaturizacije.
S samo 20 % velikosti modula nanoITLA pITLA ne le izpolnjuje pričakovanja industrije glede manjše velikosti, ampak tudi dokazuje stalno prizadevanje in prizadevanje za uresničitev kompaktnih, učinkovitih in razširljivih nastavljivih laserjev na robu optičnih omrežij.