Миниатюризацията и високата интеграция се превръщат в ключово предложение в лазерното развитие

За да се реализира целта за кохерентни устройства от следващо поколение, регулируемите лазери от следващо поколение трябва да достигнат изцяло ново ниво на оптоелектронна интеграция.
Струва си да се отбележи, че миниатюризирането и интегрирането на лазерите не е просто предизвикателство за размера, но по-важното е как да се подобри енергийната ефективност на тези лазери. Ето някои от предимствата, които малките лазери предлагат по отношение на подобрената енергийна ефективност:
Първо, малките лазери имат по-ниски изисквания за работно напрежение и ток. Това е така, защото силно интегрираните лазерни конструкции често използват усъвършенствани процеси и материали, които позволяват много по-ниски прагови напрежения и токове в сравнение с традиционните големи лазери.
Второ, компактният дизайн допринася за подобрено разсейване на топлината. При малките лазери разстоянието, което светлината изминава в рамките на лазерния чип, е много по-късо, което спомага за минимизиране на загубата на светлина и проблемите с разсейването на топлината.
Освен това силно интегрираните лазери могат да намалят загубите при свързване. Във фотониката връзката между оптиката на свободното пространство и чипа винаги е била техническо предизвикателство. Чрез интегриране на множество функции в един чип, новите лазери са в състояние да избегнат това свързване и свързаните с него загуби.
Фотонната интеграция е от съществено значение за намаляване на размера и консумацията на енергия. Тъй като все повече и повече компоненти се интегрират в един чип, загубите постепенно намаляват и съответно ефективността на оптичния трансивър се увеличава.
Успехи и предизвикателства в технологията за лазерна интеграция
Регулируемата лазерна интеграционна технология напредна значително през последното десетилетие, до голяма степен отговаряйки на належащата нужда на пазара от по-малък размер и по-висока интеграция.
През 2011 г. регулируемите лазери следваха насоките на Споразумението за множество източници (MSA) за интегриране на регулируеми лазерни модули (ITLA), като първоначално демонстрираха техния потенциал за интеграция.
През 2015 г. регулируемите лазери бяха допълнително миниатюризирани и пуснати на пазара под формата на компактни микро-ITLA, които са само 22% от размера на оригиналния пакет ITLA, което значително намалява размера на устройството.
През 2019 г. размерът е допълнително намален с появата на нано ITLA, модул, който е само 39% от микро ITLA, отразявайки приемствеността и постоянния напредък в развитието на технологиите.

Фигура 1: Еволюция на кохерентния оптичен регулируем лазерен фактор на формата 2011-2021
Въпреки тези впечатляващи постижения, технологията за лазерна интеграция все още е изправена пред по-нататъшни предизвикателства за интеграция, особено в пространството за кохерентен достъп 100G ZR, където има нарастващо търсене на QSFP28 щепселни устройства.
Сменяемите модули QSFP28 предлагат по-ниска консумация на енергия и по-малък отпечатък от модулите QSFP-DD, така че не трябва да използват същите лазери като модулите QSFP-DD. Това, от което се нуждаят – специализирани лазерни решения с по-малък отпечатък и по-ниска консумация на енергия.

Фигура 2: Сравнение на QSFP-DD и QSFP-28 форм фактори за 100G приложения
За да се постигне тази цел, разработването на монолитни лазери става критично.
В идеалния случай такъв лазер би могъл да интегрира всички ключови лазерни функции, включително усилване, лазерна кухина и локер за дължина на вълната, на един и същи чип, което води до значително увеличение на интеграцията, намаляване на размера и намаляване на консумацията на енергия. Реализирането на тази технология ще постави солидна основа за разработването на следващо поколение оптични комуникационни устройства.
Насърчаване на по-нататъшно намаляване на размера на регулируемите лазери
В бъдеще, за да се намали допълнително размерът на регулируемите лазери, ще бъде необходимо да се реализира висока степен на интеграция на техните вътрешни компоненти.
Например, всеки регулируем лазер разчита на механизъм за фиксиране на дължината на вълната, за да гарантира стабилността на лазерния изход при различни условия на околната среда, като температура.
Интегрирането на модула за заключване на дължината на вълната директно върху лазерния чип, а не чрез външни връзки, значително намалява пространството и консумацията на енергия на лазерния пакет.
EFFECT Photonics, холандският лидер в технологията за оптична интеграция, предложи иновативно решение: те са разработили едночипово решение, съвместимо с широка гама регулируеми лазери, което интегрира всички функции, включително функцията за фиксиране на дължината на вълната, в един чип . Тази конфигурация е идеална за намаляване на консумацията на енергия и стимулиране на масовото производство.
Чрез интегриране на всички регулируеми лазерни функции в един чип, EFFECT Photonics успешно разработи новия модул pico-ITLA (pITLA), който ще бъде най-малкият ITLA за кохерентни приложения в света.
pITLA е ориентиран към бъдещето продукт за регулируема лазерна интеграция, който включва всички лазерни функции в пакет, който е само 20% от размера на nanoITLA модул. Това е само 20% от размера на nanoITLA модул. Както е показано на фигура 6, pITLA изглежда изключително малък дори в сравнение със стандартна кибритена клечка.

Фигура 3: Еволюция на кохерентната оптика ITLA модул форм фактор и намаляване на размера, 2011-2023

Въздействието на миниатюризираните интегрирани лазери далеч надхвърля предимството на размера; то е също толкова критично за подобряване на енергийната ефективност. По-компактните лазерни конструкции често могат да работят при по-ниски напрежения и токове, което спомага за подобряване на топлинните характеристики и минимизиране на загубите при свързване.
А фотонната интеграция е ключов фактор за постигането на тези подобрения в производителността - чрез комбиниране на множество функции в един чип ефективността може да бъде увеличена максимално.
Компактните и енергийно ефективни QSFP28-кохерентни сменяеми устройства и придружаващите ги миниатюрни регулируеми лазери са в голямо търсене, докато напредваме в използването на 100G кохерентна технология в мрежи за достъп. pITLA модулите от EFFECT Photonics са важна стъпка в този процес на интеграция и миниатюризация.
Със само 20% от размера на nanoITLA модул, pITLA не само отговаря на очакванията на индустрията за по-малък размер, но също така демонстрира непрекъснатото преследване и стремеж за реализиране на компактни, ефективни и мащабируеми регулируеми лазери на ръба на оптичните мрежи.