Miniaturisatie en hoge integratie worden een sleutelvoorstel in de laserontwikkeling

Om het doel van de volgende generatie coherente plug-in apparaten te realiseren, moeten afstembare lasers van de volgende generatie een geheel nieuw niveau van opto-elektronische integratie bereiken.
Het is vermeldenswaard dat miniaturisatie en integratie van lasers niet alleen een uitdaging is op het gebied van de omvang, maar, nog belangrijker, hoe de energie-efficiëntie van deze lasers kan worden verbeterd. Hier zijn enkele voordelen die kleine lasers bieden in termen van verbeterde energie-efficiëntie:
Ten eerste hebben kleine lasers lagere bedrijfsspannings- en stroomvereisten. Dit komt omdat sterk geïntegreerde laserontwerpen vaak gebruik maken van geavanceerde processen en materialen die veel lagere drempelspanningen en -stromen mogelijk maken dan traditionele grote lasers.
Ten tweede draagt ​​het compacte ontwerp bij aan een betere warmteafvoer. Bij kleine lasers is de afstand die het licht binnen de laserchip aflegt veel korter, waardoor lichtverlies en problemen met warmtedissipatie tot een minimum worden beperkt.
Bovendien kunnen sterk geïntegreerde lasers koppelingsverliezen verminderen. In de fotonica is de koppeling tussen optica in de vrije ruimte en de chip altijd een technische uitdaging geweest. Door meerdere functies op één chip te integreren, kunnen de nieuwe lasers deze koppeling en de daarmee gepaard gaande verliezen vermijden.
Fotonische integratie is essentieel om de omvang en het energieverbruik te verminderen. Naarmate steeds meer componenten op één chip worden geïntegreerd, worden de verliezen geleidelijk verminderd en neemt de efficiëntie van de optische transceiver dienovereenkomstig toe.
Successen en uitdagingen in laserintegratietechnologie
Afstembare laserintegratietechnologie heeft de afgelopen tien jaar aanzienlijke vooruitgang geboekt en voldoet grotendeels aan de dringende behoefte van de markt aan kleinere afmetingen en hogere integratie.
In 2011 volgden afstembare lasers de richtlijnen van de Multi-Source Agreement (MSA) for Integration of Tunable Laser Assemblies (ITLA), waarmee in eerste instantie hun integratiepotentieel werd gedemonstreerd.
In 2015 werden afstembare lasers verder geminiaturiseerd en op de markt gebracht in de vorm van compacte micro-ITLA's die slechts 22% van de grootte van het originele ITLA-pakket beslaan, waardoor de apparaatgrootte aanzienlijk werd verkleind.
In 2019 wordt de omvang verder verkleind met de komst van de nano-ITLA, een module die slechts 39% van de micro-ITLA uitmaakt en de continuïteit en constante vooruitgang in de technologieontwikkeling weerspiegelt.

Figuur 1: Evolutie van de afstembare laservormfactor van coherente optica 2011-2021
Ondanks deze indrukwekkende vooruitgang wordt de laserintegratietechnologie nog steeds geconfronteerd met verdere integratie-uitdagingen, vooral in de 100G ZR coherente toegangsruimte, waar er een groeiende vraag is naar insteekbare QSFP28-apparaten.
QSFP28-inplugbare modules bieden een lager stroomverbruik en een kleinere footprint dan QSFP-DD-modules, dus ze mogen niet dezelfde lasers gebruiken als QSFP-DD-modules. Wat ze nodig hebben: speciale laseroplossingen met een kleinere footprint en een lager energieverbruik.

Figuur 2: Vergelijking van QSFP-DD- en QSFP-28-vormfactoren voor 100G-toepassingen
Om dit doel te bereiken wordt de ontwikkeling van monolithische lasers van cruciaal belang.
Idealiter zou een dergelijke laser alle belangrijke laserfuncties, inclusief versterking, laserholte en golflengte-locker, op dezelfde chip kunnen integreren, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de integratie, een verkleining van de omvang en een vermindering van het energieverbruik. De realisatie van deze technologie zal een solide basis leggen voor de ontwikkeling van optische communicatieapparatuur van de volgende generatie.
Het bevorderen van verdere verkleining van afstembare lasers
Om de omvang van afstembare lasers verder te verkleinen, zal het in de toekomst noodzakelijk zijn om een ​​hoge mate van integratie van hun interne componenten te realiseren.
Elke afstembare laser is bijvoorbeeld afhankelijk van een golflengte-locker-samenstel om de stabiliteit van de laseruitvoer onder verschillende omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur, te garanderen.
Door de golflengte-lockerconstructie rechtstreeks op de laserchip te integreren, in plaats van via externe verbindingen, wordt de ruimtevoetafdruk en het energieverbruik van het laserpakket aanzienlijk verminderd.
EFFECT Photonics, de Nederlandse leider op het gebied van optische integratietechnologie, heeft een innovatieve oplossing bedacht: ze hebben een oplossing met één chip ontwikkeld die compatibel is met een breed scala aan afstembare lasers, die alle functies, inclusief de golflengte-locker, op één chip integreert. . Deze configuratie is ideaal voor het verminderen van het energieverbruik en het stimuleren van massaproductie.
Door alle afstembare laserfuncties op één chip te integreren heeft EFFECT Photonics met succes de nieuwe pico-ITLA (pITLA) module ontwikkeld, die de kleinste ITLA voor samenhangende toepassingen wereldwijd zal zijn.
De pITLA is een toekomstgericht product voor afstembare laserintegratie dat alle laserfuncties omvat in een pakket dat slechts 20% van de grootte van een nanoITLA-module beslaat. Het is slechts 20% van de grootte van een nanoITLA-module. Zoals weergegeven in Figuur 6 lijkt de pITLA extreem klein, zelfs in vergelijking met een standaard luciferstokje.

Figuur 3: Evolutie van coherente optische ITLA-modulevormfactor en verkleining, 2011-2023

De impact van geminiaturiseerde geïntegreerde lasers gaat veel verder dan het formaatvoordeel; het is net zo belangrijk voor het verbeteren van de energie-efficiëntie. Compactere laserontwerpen kunnen vaak werken bij lagere spanningen en stromen, waardoor de thermische prestaties worden verbeterd en koppelingsverliezen worden geminimaliseerd.
En fotonische integratie is een sleutelfactor bij het bereiken van deze prestatiewinst: door meerdere functies op één chip te combineren kan de efficiëntie worden gemaximaliseerd.
Er is veel vraag naar compacte en energiezuinige QSFP28--formaat coherente insteekbare apparaten en de bijbehorende geminiaturiseerde afstembare lasers, nu we het gebruik van 100G coherente technologie in toegangsnetwerken bevorderen. pITLA-modules van EFFECT Photonics zijn een belangrijke stap in dit integratie- en miniaturisatieproces.
Met slechts 20% van de grootte van een nanoITLA-module voldoet de pITLA niet alleen aan de verwachting van de industrie voor kleinere afmetingen, maar demonstreert het ook het voortdurende streven en de drive om compacte, efficiënte en schaalbare afstembare lasers aan de rand van optische netwerken te realiseren.