Miniaturiseerimine ja kõrge integreeritus on laseriarenduses võtmetähtsusega

Järgmise põlvkonna koherentsete ühendatavate seadmete eesmärgi saavutamiseks peavad järgmise põlvkonna häälestatavad laserid jõudma optoelektroonilise integratsiooni täiesti uuele tasemele.
Väärib märkimist, et laserite miniaturiseerimine ja integreerimine ei ole ainult suuruse väljakutse, vaid veelgi olulisem on see, kuidas nende laserite energiatõhusust parandada. Siin on mõned eelised, mida väikesed laserid energiatõhususe parandamisel pakuvad:
Esiteks on väikestel laseritel madalam tööpinge ja vooluvajadus. Selle põhjuseks on asjaolu, et väga integreeritud laserkonstruktsioonides kasutatakse sageli täiustatud protsesse ja materjale, mis võimaldavad palju madalamaid pingeid ja voolusid kui traditsioonilised suured laserid.
Teiseks aitab kompaktne disain kaasa parema soojuse hajumise. Väikeste laserite puhul on valguse laserkiibis palju lühem vahemaa, mis aitab minimeerida valguskadu ja soojuse hajumise probleeme.
Lisaks võivad väga integreeritud laserid vähendada sidestuskadusid. Fotoonikas on vaba ruumi optika ja kiibi ühendamine alati olnud tehniline väljakutse. Integreerides ühele kiibile mitu funktsiooni, suudavad uued laserid seda sidumist ja sellega seotud kadusid vältida.
Fotooniline integreerimine on suuruse ja energiatarbimise vähendamiseks hädavajalik. Kuna üha rohkem komponente integreeritakse ühele kiibile, vähenevad kaod järk-järgult ja optilise transiiveri efektiivsus suureneb vastavalt.
Edu ja väljakutsed laserintegratsioonitehnoloogias
Tuunitava laserintegratsiooni tehnoloogia on viimase kümnendi jooksul märkimisväärselt edasi arenenud, rahuldades suures osas turu tungivat vajadust väiksema suuruse ja suurema integratsiooni järele.
2011. aastal järgisid häälestatavad laserid mitme allika lepingu (MSA) juhiseid häälestatavate laserkoostude integreerimiseks (ITLA), näidates esialgu nende integreerimispotentsiaali.
2015. aastal muudeti häälestatavaid lasereid veelgi miniatuurseks ja toodi turule kompaktsete mikro-ITLA-de kujul, mis on vaid 22% algse ITLA-paketi suurusest, vähendades oluliselt seadme suurust.
2019. aastal väheneb suurus veelgi nano ITLA tulekuga – moodul, mis moodustab vaid 39% mikro-ITLA-st, peegeldades järjepidevust ja pidevat arengut tehnoloogia arenduses.

Joonis 1: koherentse optikaga häälestatava laseri kujuteguri areng 2011-2021
Vaatamata muljetavaldavatele edusammudele seisab laserintegratsioonitehnoloogia ees veel täiendavate integratsiooniprobleemidega, eriti 100G ZR sidusas juurdepääsuruumis, kus kasvab nõudlus QSFP28 ühendatavate seadmete järele.
Ühendatavad QSFP28 moodulid pakuvad väiksemat energiatarbimist ja väiksemat jalajälge kui QSFP-DD moodulid, seega ei tohiks nad kasutada samu lasereid kui QSFP-DD moodulid. Mida nad vajavad – väiksema jalajälje ja väiksema energiatarbimisega spetsiaalsed laserlahendused.

Joonis 2: QSFP-DD ja QSFP-28 vormitegurite võrdlus 100G rakenduste jaoks
Selle eesmärgi saavutamiseks muutub kriitiliseks monoliitlaserite arendamine.
Ideaalis suudaks selline laser integreerida samale kiibile kõik peamised laserfunktsioonid, sealhulgas võimendus, laseri õõnsus ja lainepikkuse lukustus, mille tulemuseks on integreerimine, mõõtmete vähenemine ja energiatarbimise vähenemine. Selle tehnoloogia kasutuselevõtt loob tugeva aluse järgmise põlvkonna optiliste sideseadmete arendamisele.
Häälestatavate laserite suuruse edasise vähendamise edendamine
Tulevikus on häälestatavate laserite mõõtmete edasiseks vähendamiseks vaja realiseerida nende sisemiste komponentide suur integreerimine.
Näiteks iga häälestatav laser tugineb lainepikkusega lukustusseadmele, et tagada laseri väljundi stabiilsus erinevates keskkonnatingimustes, näiteks temperatuuril.
Lainepikkusega lukustusseadme integreerimine otse laserkiibile, mitte väliste ühenduste kaudu, vähendab oluliselt laserpaketi ruumijälge ja energiatarbimist.
Hollandi optilise integratsioonitehnoloogia liider EFFECT Photonics on välja pakkunud uuendusliku lahenduse: nad on välja töötanud ühe kiibiga lahenduse, mis ühildub paljude häälestatavate laseritega ja mis integreerib kõik funktsioonid, sealhulgas lainepikkuse lukustuse, ühele kiibile. . See konfiguratsioon sobib ideaalselt energiatarbimise vähendamiseks ja masstootmise käivitamiseks.
Integreerides kõik häälestatavad laserfunktsioonid ühele kiibile, on EFFECT Photonics edukalt välja töötanud uue pico-ITLA (pITLA) mooduli, mis on väikseim ITLA sidusate rakenduste jaoks kogu maailmas.
pITLA on tulevikku suunatud toode häälestatava laserintegratsiooni jaoks, mis sisaldab kõiki laserfunktsioone pakendis, mis on vaid 20% nanoITLA mooduli suurusest. See on vaid 20% nanoITLA mooduli suurusest. Nagu on näidatud joonisel 6, tundub pITLA äärmiselt väike isegi võrreldes tavalise tikutulega.

Joonis 3: koherentse optika ITLA mooduli kujuteguri ja suuruse vähendamise areng, 2011-2023

Miniatuursete integreeritud laserite mõju ületab suuruse eelise; see on sama oluline energiatõhususe parandamiseks. Kompaktsemad laserkonstruktsioonid võivad sageli töötada madalama pinge ja vooluga, mis aitab parandada soojuslikku jõudlust ja minimeerida sidestuskadusid.
Ja fotooniline integratsioon on nende jõudluse kasvu saavutamise võtmetegur – kombineerides mitu funktsiooni ühel kiibil, saab tõhusust maksimeerida.
Kompaktsed ja energiatõhusad QSFP28-suuruses koherentsed ühendatavad seadmed ja nendega kaasas olevad miniatuursed häälestatavad laserid on suure nõudlusega, kuna edendame 100G koherentse tehnoloogia kasutamist juurdepääsuvõrkudes. EFFECT Photonicsi pITLA moodulid on oluline samm selles integreerimis- ja miniaturiseerimisprotsessis.
Vaid 20% nanoITLA mooduli suurusest pITLA mitte ainult ei vasta tööstuse ootustele väiksema suuruse järele, vaid näitab ka jätkuvat püüdlust ja püüdlust luua optiliste võrkude servades kompaktsed, tõhusad ja skaleeritavad häälestatavad laserid.