Miniaturisering og høj integration bliver et nøgleforslag i laserudvikling

For at realisere målet om næste generations sammenhængende pluggbare enheder, skal næste generation af afstembare lasere nå et helt nyt niveau af optoelektronisk integration.
Det er værd at bemærke, at miniaturisering og integration af lasere ikke kun er en størrelsesudfordring, men endnu vigtigere, hvordan man forbedrer disse laseres effekteffektivitet. Her er nogle af de fordele, som små lasere tilbyder i form af forbedret energieffektivitet:
For det første har små lasere lavere driftsspænding og strømkrav. Dette skyldes, at højt integrerede laserdesigns ofte anvender avancerede processer og materialer, der giver mulighed for meget lavere tærskelspændinger og strømme end traditionelle store lasere.
For det andet bidrager det kompakte design til forbedret varmeafledning. I små lasere er afstanden, som lyset rejser inden for laserchippen, meget kortere, hvilket hjælper med at minimere lystab og problemer med varmeafledning.
Desuden kan højt integrerede lasere reducere koblingstab. Inden for fotonik har koblingen mellem frirumsoptik og chippen altid været en teknisk udfordring. Ved at integrere flere funktioner på en enkelt chip er de nye lasere i stand til at undgå denne kobling og dens tilhørende tab.
Fotonisk integration er afgørende for at reducere størrelse og strømforbrug. Efterhånden som flere og flere komponenter integreres på en enkelt chip, reduceres tabene gradvist, og effektiviteten af ​​den optiske transceiver øges tilsvarende.
Succeser og udfordringer inden for laserintegrationsteknologi
Afstembar laserintegrationsteknologi har udviklet sig betydeligt i løbet af det sidste årti, hvilket stort set opfylder markedets presserende behov for mindre størrelse og højere integration.
I 2011 fulgte tunbare lasere retningslinjerne i Multi-Source Agreement (MSA) for Integration of Tunable Laser Assemblys (ITLA), hvilket i første omgang demonstrerede deres integrationspotentiale.
I 2015 blev afstembare lasere miniaturiseret yderligere og bragt på markedet i form af kompakte mikro-ITLA'er, der kun er 22% af størrelsen på den originale ITLA-pakke, hvilket reducerer enhedsstørrelsen betydeligt.
I 2019 er størrelsen reduceret yderligere med fremkomsten af ​​nano-ITLA, et modul, der kun udgør 39% af mikro-ITLA, hvilket afspejler kontinuiteten og konstante fremskridt i teknologiudviklingen.

Figur 1: Udvikling af kohærent optik, indstillelig laserformfaktor 2011-2021
På trods af disse imponerende fremskridt står laserintegrationsteknologien stadig over for yderligere integrationsudfordringer, især i det 100G ZR kohærente adgangsområde, hvor der er en stigende efterspørgsel efter QSFP28 pluggbare enheder.
QSFP28 pluggbare moduler tilbyder lavere strømforbrug og et mindre fodaftryk end QSFP-DD-moduler, så de bør ikke bruge de samme lasere som QSFP-DD-moduler. Hvad de har brug for - dedikerede laserløsninger med et mindre fodaftryk og lavere strømforbrug.

Figur 2: Sammenligning af QSFP-DD og QSFP-28 formfaktorer for 100G-applikationer
For at nå dette mål bliver udviklingen af ​​monolitiske lasere kritisk.
Ideelt set ville en sådan laser være i stand til at integrere alle nøglelaserfunktioner, herunder forstærkning, laserhulrum og bølgelængdelås, på den samme chip, hvilket resulterer i en betydelig stigning i integrationen, en reduktion i størrelse og en reduktion i strømforbruget. Realiseringen af ​​denne teknologi vil lægge et solidt grundlag for udviklingen af ​​næste generation af optiske kommunikationsenheder.
Fremme yderligere størrelsesreduktion af afstembare lasere
I fremtiden, for yderligere at reducere størrelsen af ​​afstembare lasere, vil det være nødvendigt at realisere en høj grad af integration af deres interne komponenter.
For eksempel er hver afstembar laser afhængig af en bølgelængdelåsenhed for at sikre stabiliteten af ​​laseroutputtet under forskellige miljøforhold, såsom temperatur.
Integrering af bølgelængdeskabsenheden direkte på laserchippen, snarere end gennem eksterne forbindelser, reducerer laserpakkens pladsaftryk og energiforbrug markant.
EFFECT Photonics, den hollandske førende inden for optisk integrationsteknologi, har fundet frem til en innovativ løsning: de har udviklet en enkelt-chip-løsning, der er kompatibel med en lang række af afstembare lasere, som integrerer alle funktioner, inklusive bølgelængdelåsen, på en enkelt chip . Denne konfiguration er ideel til at reducere strømforbruget og drive masseproduktion.
Ved at integrere alle afstembare laserfunktioner på en enkelt chip har EFFECT Photonics med succes udviklet det nye pico-ITLA (pITLA) modul, som vil være det mindste ITLA til sammenhængende applikationer på verdensplan.
pITLA er et fremadskuende produkt til tunbar laserintegration, der inkluderer alle laserfunktioner i en pakke, der kun er 20 % af størrelsen på et nanoITLA-modul. Det er kun 20 % af størrelsen på et nanoITLA-modul. Som vist i figur 6 virker pITLA ekstremt lille, selv sammenlignet med en standard tændstik.

Figur 3: Udvikling af sammenhængende optik ITLA-modulets formfaktor og størrelsesreduktion, 2011-2023

Effekten af ​​miniaturiserede integrerede lasere går langt ud over størrelsesfordelen; det er lige så vigtigt for at forbedre strømeffektiviteten. Mere kompakte laserdesigns kan ofte fungere ved lavere spændinger og strømme, hvilket hjælper med at forbedre den termiske ydeevne og minimere koblingstab.
Og fotonisk integration er en nøglefaktor for at opnå disse præstationsgevinster - ved at kombinere flere funktioner på en enkelt chip kan effektiviteten maksimeres.
Kompakte og energieffektive QSFP28-sammenhængende enheder, der kan tilsluttes, og deres medfølgende miniaturiserede, justerbare lasere er i høj efterspørgsel, da vi fremmer brugen af ​​100G kohærent teknologi i adgangsnetværk. pITLA-moduler fra EFFECT Photonics er et vigtigt skridt i denne integrations- og miniaturiseringsproces.
Med kun 20 % af størrelsen på et nanoITLA-modul opfylder pITLA ikke kun industriens forventning om mindre størrelse, men demonstrerer også den fortsatte stræben efter og driften af ​​at realisere kompakte, effektive og skalerbare afstembare lasere på kanten af ​​optiske netværk.