A miniatürizálás és a magas szintű integráció kulcsfontosságú javaslata a lézerfejlesztésnek

A következő generációs koherens csatlakoztatható eszközök céljának megvalósítása érdekében a következő generációs hangolható lézereknek az optoelektronikai integráció teljesen új szintjét kell elérniük.
Érdemes megjegyezni, hogy a lézerek miniatürizálása és integrálása nem csak méretbeli kihívás, hanem még fontosabb, hogyan lehet javítani ezeknek a lézereknek az energiahatékonyságát. Íme néhány előny, amelyet a kis lézerek kínálnak a jobb energiahatékonyság tekintetében:
Először is, a kis lézereknek alacsonyabb az üzemi feszültség- és áramigényük. Ennek az az oka, hogy a magasan integrált lézertervek gyakran olyan fejlett eljárásokat és anyagokat használnak, amelyek sokkal alacsonyabb küszöbfeszültséget és áramot tesznek lehetővé, mint a hagyományos nagy lézerek.
Másodszor, a kompakt kialakítás hozzájárul a jobb hőelvezetéshez. Kis lézereknél a fény távolsága a lézerchipen belül sokkal rövidebb, ami segít minimalizálni a fényveszteséget és a hőelvezetési problémákat.
Ezenkívül a magasan integrált lézerek csökkenthetik a csatolási veszteségeket. A fotonikában a szabad tér optika és a chip összekapcsolása mindig is technikai kihívást jelentett. Azáltal, hogy több funkciót integrálnak egyetlen chipbe, az új lézerek képesek elkerülni ezt a csatolást és a kapcsolódó veszteségeket.
A fotonikus integráció elengedhetetlen a méret és az energiafogyasztás csökkentése érdekében. Ahogy egyre több alkatrészt integrálnak egyetlen chipre, a veszteségek fokozatosan csökkennek, és ennek megfelelően nő az optikai adó-vevő hatékonysága.
A lézerintegrációs technológia sikerei és kihívásai
A hangolható lézeres integrációs technológia jelentősen fejlődött az elmúlt évtizedben, nagyrészt kielégítve a piac sürgető igényeit a kisebb méret és a nagyobb integráció iránt.
2011-ben a hangolható lézerek követték a hangolható lézeregységek integrációjára vonatkozó többforrású megállapodás (MSA) irányelveit (ITLA), eleinte demonstrálva integrációs potenciáljukat.
2015-ben a hangolható lézereket tovább miniatürizálták, és kompakt mikro-ITLA-k formájában hozták forgalomba, amelyek csak 22%-a az eredeti ITLA-csomag méretének, jelentősen csökkentve az eszköz méretét.
2019-ben a méret tovább csökkent a nano ITLA megjelenésével, amely modul a mikro ITLA mindössze 39%-át teszi ki, ami a technológiai fejlesztés folytonosságát és folyamatos előrehaladását tükrözi.

1. ábra: A koherens optika hangolható lézeres alaktényezőjének alakulása 2011-2021
E lenyűgöző fejlődés ellenére a lézeres integrációs technológia továbbra is további integrációs kihívásokkal néz szembe, különösen a 100G ZR koherens hozzáférési térben, ahol egyre nagyobb az igény a QSFP28 csatlakoztatható eszközök iránt.
A QSFP28 csatlakoztatható modulok alacsonyabb energiafogyasztást és kisebb helyigényt kínálnak, mint a QSFP-DD modulok, ezért nem használhatják ugyanazokat a lézereket, mint a QSFP-DD modulok. Amire szükségük van – dedikált lézeres megoldások kisebb helyigénnyel és alacsonyabb energiafogyasztással.

2. ábra: A QSFP-DD és a QSFP{2}} alaktényezők összehasonlítása 100G alkalmazásokhoz
A cél elérése érdekében a monolit lézerek fejlesztése kritikussá válik.
Ideális esetben egy ilyen lézer képes lenne integrálni az összes kulcsfontosságú lézerfunkciót, beleértve az erősítést, a lézerüreget és a hullámhossz-tárolót, ugyanazon a chipen, ami az integráció jelentős növekedését, a méret csökkenését és az energiafogyasztás csökkenését eredményezné. Ennek a technológiának a megvalósítása szilárd alapot teremt a következő generációs optikai kommunikációs eszközök fejlesztéséhez.
Hangolható lézerek további méretcsökkentésének elősegítése
A jövőben a hangolható lézerek méretének további csökkentése érdekében belső alkatrészeik magas fokú integrációjára lesz szükség.
Például minden hangolható lézer egy hullámhossz-tároló egységre támaszkodik, amely biztosítja a lézerkimenet stabilitását különféle környezeti feltételek, például hőmérséklet mellett.
A hullámhossz-tároló egység közvetlenül a lézerchipbe történő integrálása külső csatlakozások helyett jelentősen csökkenti a lézercsomag helyigényét és energiafogyasztását.
Az EFFECT Photonics, a holland vezető optikai integrációs technológia innovatív megoldással állt elő: hangolható lézerek széles választékával kompatibilis egychipes megoldást fejlesztettek ki, amely egyetlen chipen integrálja az összes funkciót, beleértve a hullámhossz-tárolót is. . Ez a konfiguráció ideális az energiafogyasztás csökkentésére és a tömegtermelés ösztönzésére.
Az összes hangolható lézerfunkció egyetlen chipre történő integrálásával az EFFECT Photonics sikeresen kifejlesztette az új pico-ITLA (pITLA) modult, amely a legkisebb ITLA lesz a koherens alkalmazásokhoz világszerte.
A pITLA egy előremutató termék a hangolható lézerintegrációhoz, amely az összes lézerfunkciót tartalmazza egy csomagban, amely csak 20%-a a nanoITLA modul méretének. Csak 20%-a egy nanoITLA modul méretének. Ahogy a 6. ábrán látható, a pITLA még egy szabványos gyufaszálhoz képest is rendkívül kicsinek tűnik.

3. ábra: A koherens optika fejlődése ITLA-modul alaktényezője és méretcsökkentése, 2011-2023

A miniatürizált integrált lézerek hatása messze meghaladja a méretbeli előnyt; ugyanilyen fontos az energiahatékonyság javítása szempontjából. A kompaktabb lézerkonstrukciók gyakran alacsonyabb feszültségen és áramerősséggel működnek, ami segít javítani a hőteljesítményt és minimalizálni a csatolási veszteségeket.
A fotonikus integráció pedig kulcsfontosságú tényező e teljesítménynövekedés elérésében – több funkció egyetlen chipen történő kombinálásával maximalizálható a hatékonyság.
A kompakt és energiahatékony QSFP28-méretű koherens dugaszolható eszközök és a hozzájuk tartozó miniatűr hangolható lézerek nagy keresletet mutatnak, mivel előmozdítjuk a 100G koherens technológia alkalmazását a hozzáférési hálózatokban. Az EFFECT Photonics pITLA moduljai fontos lépést jelentenek ebben az integrációs és miniatürizálási folyamatban.
A nanoITLA-modulok méretének mindössze 20%-ával a pITLA nemcsak megfelel a kisebb méretre vonatkozó iparági elvárásoknak, hanem a folyamatos törekvést és törekvést is mutatja kompakt, hatékony és méretezhető hangolható lézerek megvalósítására az optikai hálózatok szélén.