Миниатюризация и высокая интеграция становятся ключевыми предложениями в разработке лазеров

Чтобы реализовать цель создания когерентных подключаемых устройств следующего поколения, перестраиваемые лазеры следующего поколения должны выйти на совершенно новый уровень оптоэлектронной интеграции.
Стоит отметить, что миниатюризация и интеграция лазеров — это не просто проблема размера, но, что более важно, вопрос о том, как повысить энергоэффективность этих лазеров. Вот некоторые преимущества, которые предлагают небольшие лазеры с точки зрения повышения энергоэффективности:
Во-первых, небольшие лазеры имеют более низкие требования к рабочему напряжению и току. Это связано с тем, что в высокоинтегрированных лазерных конструкциях часто используются передовые процессы и материалы, которые обеспечивают гораздо более низкие пороговые напряжения и токи, чем традиционные большие лазеры.
Во-вторых, компактная конструкция способствует улучшению отвода тепла. В небольших лазерах расстояние, которое проходит свет внутри лазерного чипа, намного короче, что помогает минимизировать потери света и проблемы рассеивания тепла.
Кроме того, лазеры с высокой степенью интеграции могут снизить потери связи. В фотонике соединение между оптикой свободного пространства и чипом всегда было технической проблемой. Благодаря интеграции нескольких функций в одном чипе новые лазеры могут избежать этой связи и связанных с ней потерь.
Фотонная интеграция необходима для уменьшения размера и энергопотребления. По мере того, как все больше и больше компонентов интегрируются в один чип, потери постепенно сокращаются и соответственно увеличивается эффективность оптического приемопередатчика.
Успехи и проблемы в технологии лазерной интеграции
Технология интеграции настраиваемых лазеров значительно продвинулась за последнее десятилетие, в значительной степени удовлетворяя острую потребность рынка в меньших размерах и более высокой степени интеграции.
В 2011 году перестраиваемые лазеры следовали рекомендациям Соглашения между несколькими источниками (MSA) об интеграции перестраиваемых лазерных сборок (ITLA), первоначально продемонстрировав свой интеграционный потенциал.
В 2015 году перестраиваемые лазеры были еще больше миниатюризированы и выведены на рынок в виде компактных микро-ITLA, размер которых составляет всего 22% от размера исходного корпуса ITLA, что значительно уменьшило размер устройства.
В 2019 году размер еще больше уменьшился с появлением nano ITLA, модуля, который составляет лишь 39% от микро ITLA, что отражает преемственность и постоянный прогресс в развитии технологий.

Рисунок 1: Эволюция перестраиваемого форм-фактора когерентной оптики 2011-2021
Несмотря на эти впечатляющие достижения, технология лазерной интеграции по-прежнему сталкивается с дальнейшими проблемами интеграции, особенно в пространстве когерентного доступа 100G ZR, где растет спрос на подключаемые устройства QSFP28.
Сменные модули QSFP28 обеспечивают более низкое энергопотребление и меньшую площадь, чем модули QSFP-DD, поэтому в них не следует использовать те же лазеры, что и в модулях QSFP-DD. Что им нужно — специализированные лазерные решения с меньшими размерами и меньшим энергопотреблением.

Рис. 2. Сравнение форм-факторов QSFP-DD и QSFP-28 для приложений 100G.
Для достижения этой цели решающее значение приобретает разработка монолитных лазеров.
В идеале такой лазер должен был бы иметь возможность интегрировать все ключевые функции лазера, включая коэффициент усиления, лазерный резонатор и блокировку длины волны, на одном чипе, что привело бы к значительному увеличению интеграции, уменьшению размера и снижению энергопотребления. Реализация этой технологии заложит прочную основу для разработки устройств оптической связи следующего поколения.
Содействие дальнейшему уменьшению размеров перестраиваемых лазеров
В будущем для дальнейшего уменьшения размеров перестраиваемых лазеров необходимо будет реализовать высокую степень интеграции их внутренних компонентов.
Например, в каждом перестраиваемом лазере используется блок блокировки длины волны, обеспечивающий стабильность выходного сигнала лазера при различных условиях окружающей среды, таких как температура.
Интеграция узла фиксации длины волны непосредственно в лазерный чип, а не через внешние соединения, значительно снижает занимаемую площадь и энергопотребление лазерного блока.
Компания EFFECT Photonics, голландский лидер в области технологий оптической интеграции, предложила инновационное решение: они разработали однокристальное решение, совместимое с широким спектром перестраиваемых лазеров, которое объединяет все функции, включая блокировку длины волны, на одном кристалле. . Эта конфигурация идеально подходит для снижения энергопотребления и стимулирования массового производства.
Объединив все настраиваемые функции лазера на одном чипе, компания EFFECT Photonics успешно разработала новый модуль pico-ITLA (pITLA), который станет самым маленьким ITLA для когерентных приложений во всем мире.
pITLA — это перспективный продукт для интеграции настраиваемых лазеров, который включает в себя все функции лазера в корпусе, размер которого составляет всего 20% от размера модуля nanoITLA. Это всего лишь 20% размера модуля nanoITLA. Как показано на рисунке 6, pITLA кажется чрезвычайно маленьким даже по сравнению со стандартной спичкой.

Рисунок 3. Эволюция форм-фактора модуля когерентной оптики ITLA и уменьшение размера, 2011-2023

Влияние миниатюрных интегрированных лазеров выходит далеко за рамки преимущества в размерах; не менее важно и для повышения энергоэффективности. Более компактные конструкции лазеров часто могут работать при более низких напряжениях и токах, что помогает улучшить тепловые характеристики и минимизировать потери связи.
А фотонная интеграция является ключевым фактором в достижении такого прироста производительности: объединив несколько функций на одном чипе, можно максимизировать эффективность.
Компактные и энергоэффективные когерентные подключаемые устройства размера QSFP28- и сопровождающие их миниатюрные перестраиваемые лазеры пользуются большим спросом по мере того, как мы продвигаем использование когерентной технологии 100G в сетях доступа. Модули pITLA от EFFECT Photonics являются важным шагом в этом процессе интеграции и миниатюризации.
Имея размер всего 20% от размера модуля nanoITLA, pITLA не только соответствует ожиданиям отрасли в отношении меньшего размера, но также демонстрирует постоянное стремление и стремление к созданию компактных, эффективных и масштабируемых перестраиваемых лазеров на границах оптических сетей.