Minijaturizacija i visoka integracija postaju ključni prijedlog u razvoju lasera

Da bi se ostvario cilj nove generacije koherentnih priključnih uređaja, podesivi laseri nove generacije moraju dostići potpuno novi nivo optoelektronske integracije.
Vrijedi napomenuti da minijaturizacija i integracija lasera nije samo izazov veličine, već, što je još važnije, kako poboljšati energetsku efikasnost ovih lasera. Evo nekih od prednosti koje mali laseri nude u smislu poboljšane energetske efikasnosti:
Prvo, mali laseri imaju niži radni napon i zahtjeve struje. To je zato što visoko integrisani laserski dizajni često koriste napredne procese i materijale koji omogućavaju mnogo niže granične napone i struje od tradicionalnih velikih lasera.
Drugo, kompaktan dizajn doprinosi poboljšanom odvodu topline. U malim laserima, udaljenost koju svjetlost putuje unutar laserskog čipa je mnogo kraća, što pomaže da se minimizira gubitak svjetlosti i problemi sa rasipanjem topline.
Osim toga, visoko integrirani laseri mogu smanjiti gubitke spajanja. U fotonici, spajanje između optike slobodnog prostora i čipa je oduvijek predstavljalo tehnički izazov. Integracijom više funkcija na jednom čipu, novi laseri mogu izbjeći ovo spajanje i povezane gubitke.
Fotonska integracija je neophodna za smanjenje veličine i potrošnje energije. Kako je sve više komponenti integrisano u jedan čip, gubici se postepeno smanjuju i efikasnost optičkog primopredajnika se povećava u skladu s tim.
Uspjesi i izazovi u tehnologiji laserske integracije
Podesiva laserska integracijska tehnologija značajno je napredovala u protekloj deceniji, u velikoj meri zadovoljavajući hitnu potrebu tržišta za manjom veličinom i većom integracijom.
U 2011. godini, podesivi laseri su slijedili smjernice Sporazuma o više izvora (MSA) za integraciju podesivih laserskih sklopova (ITLA), u početku demonstrirajući svoj integracioni potencijal.
U 2015. godini, podesivi laseri su dodatno minijaturizirani i dovedeni na tržište u obliku kompaktnih mikro-ITLA-a koji su samo 22% veličine originalnog ITLA paketa, značajno smanjujući veličinu uređaja.
U 2019., veličina je dodatno smanjena pojavom nano ITLA, modula koji čini samo 39% mikro ITLA, što odražava kontinuitet i stalni napredak u razvoju tehnologije.

Slika 1: Evolucija koherentne optike podesivog laserskog faktora oblika 2011-2021
Uprkos ovim impresivnim napretcima, tehnologija laserske integracije i dalje se suočava sa daljim izazovima integracije, posebno u 100G ZR koherentnom pristupnom prostoru, gde postoji sve veća potražnja za QSFP28 priključnim uređajima.
QSFP28 priključni moduli nude nižu potrošnju energije i manji otisak od QSFP-DD modula, tako da ne bi trebali koristiti iste lasere kao QSFP-DD moduli. Ono što im je potrebno - namjenska laserska rješenja s manjim otiskom i manjom potrošnjom energije.

Slika 2: Poređenje faktora oblika QSFP-DD i QSFP-28 za 100G aplikacije
Da bi se postigao ovaj cilj, razvoj monolitnih lasera postaje kritičan.
U idealnom slučaju, takav laser bi mogao integrirati sve ključne laserske funkcije, uključujući pojačanje, lasersku šupljinu i zaključavanje valne dužine, na istom čipu, što bi rezultiralo značajnim povećanjem integracije, smanjenjem veličine i smanjenjem potrošnje energije. Realizacijom ove tehnologije biće postavljena čvrsta osnova za razvoj optičkih komunikacionih uređaja sledeće generacije.
Promoviranje daljeg smanjenja veličine podesivih lasera
U budućnosti, u cilju daljeg smanjenja veličine podesivih lasera, biće potrebno ostvariti visok stepen integracije njihovih unutrašnjih komponenti.
Na primjer, svaki podesivi laser oslanja se na sklop za zaključavanje valne dužine kako bi se osigurala stabilnost laserskog izlaza u različitim uvjetima okoline kao što je temperatura.
Integracija sklopa za zaključavanje talasne dužine direktno na laserski čip, a ne preko eksternih veza, značajno smanjuje prostorni otisak i potrošnju energije laserskog paketa.
EFFECT Photonics, holandski lider u tehnologiji optičke integracije, došao je do inovativnog rješenja: razvili su rješenje s jednim čipom kompatibilno sa širokim spektrom podesivih lasera, koje integrira sve funkcije, uključujući zaključavanje valne dužine, na jednom čipu . Ova konfiguracija je idealna za smanjenje potrošnje energije i pokretanje masovne proizvodnje.
Integracijom svih podesivih laserskih funkcija na jednom čipu, EFFECT Photonics je uspješno razvio novi pico-ITLA (pITLA) modul, koji će biti najmanji ITLA za koherentne aplikacije širom svijeta.
pITLA je proizvod koji gleda u budućnost za podesivu lasersku integraciju koji uključuje sve laserske funkcije u paketu koji je samo 20% veličine nanoITLA modula. To je samo 20% veličine nanoITLA modula. Kao što je prikazano na slici 6, pITLA se čini izuzetno malim čak i u poređenju sa standardnom šibicom.

Slika 3: Evolucija koherentne optike ITLA modula faktor oblika i smanjenje veličine, 2011-2023

Uticaj minijaturizovanih integrisanih lasera daleko prevazilazi prednost u veličini; podjednako je kritičan za poboljšanje energetske efikasnosti. Kompaktniji laserski dizajni često mogu raditi na nižim naponima i strujama, što pomaže u poboljšanju toplinskih performansi i minimiziranju gubitaka spajanja.
A fotonska integracija je ključni faktor u postizanju ovih poboljšanja performansi – kombinovanjem više funkcija na jednom čipu, efikasnost se može maksimizirati.
Kompaktni i energetski efikasni koherentni uređaji veličine QSFP28- i njihovi prateći minijaturizirani podesivi laseri su u velikoj potražnji jer unapređujemo upotrebu 100G koherentne tehnologije u pristupnim mrežama. pITLA moduli iz EFFECT Photonics su važan korak u ovom procesu integracije i minijaturizacije.
Sa samo 20% veličine nanoITLA modula, pITLA ne samo da ispunjava očekivanja industrije za manju veličinu, već i demonstrira kontinuiranu potragu i nagon za realizacijom kompaktnih, efikasnih i skalabilnih podesivih lasera na rubu optičkih mreža.