Miniatiūrizavimas ir didelė integracija tampa pagrindiniu lazerių kūrimo pasiūlymu

Norint įgyvendinti naujos kartos nuoseklių prijungiamų įrenginių tikslą, naujos kartos derinami lazeriai turi pasiekti visiškai naują optoelektroninės integracijos lygį.
Verta paminėti, kad lazerių miniatiūrizavimas ir integravimas yra ne tik dydžio iššūkis, bet dar svarbiau, kaip pagerinti šių lazerių galios efektyvumą. Štai keletas mažų lazerių pranašumų, susijusių su geresniu energijos vartojimo efektyvumu:
Pirma, maži lazeriai turi mažesnius darbinės įtampos ir srovės reikalavimus. Taip yra todėl, kad labai integruotuose lazeriuose dažnai naudojami pažangūs procesai ir medžiagos, leidžiančios pasiekti daug mažesnę slenkstinę įtampą ir srovę nei tradiciniai dideli lazeriai.
Antra, kompaktiškas dizainas prisideda prie geresnio šilumos išsklaidymo. Mažuose lazeriuose atstumas, kurį šviesa nukeliauja per lazerio lustą, yra daug trumpesnis, o tai padeda sumažinti šviesos praradimą ir šilumos išsklaidymo problemas.
Be to, labai integruoti lazeriai gali sumažinti sujungimo nuostolius. Fotonikoje laisvos erdvės optikos ir lusto sujungimas visada buvo techninis iššūkis. Integruodami kelias funkcijas viename luste, naujieji lazeriai gali išvengti šio sujungimo ir su juo susijusių nuostolių.
Fotoninė integracija yra būtina norint sumažinti dydį ir energijos suvartojimą. Kadangi vis daugiau komponentų integruojama į vieną lustą, nuostoliai palaipsniui mažėja ir atitinkamai didėja optinio siųstuvo-imtuvo efektyvumas.
Lazerinės integracijos technologijos sėkmė ir iššūkiai
Derinamo lazerinio integravimo technologija per pastarąjį dešimtmetį labai pažengė į priekį ir iš esmės patenkino neatidėliotiną rinkos poreikį mažinti dydį ir didesnę integraciją.
2011 m. derinami lazeriai laikėsi derinamų lazerinių mazgų integravimo kelių šaltinių susitarimo (MSA) gairių, iš pradžių parodydami jų integravimo galimybes.
2015 m. derinami lazeriai buvo toliau miniatiūrizuoti ir pateikti rinkai kompaktiškų mikro-ITLA pavidalu, kurių dydis yra tik 22% originalaus ITLA paketo dydžio, todėl įrenginio dydis žymiai sumažėjo.
2019 m. dydis dar labiau sumažintas, kai atsirado nano ITLA – modulis, kuris sudaro tik 39 % mikro ITLA, atspindintis tęstinumą ir nuolatinę technologijų plėtros pažangą.

1 pav. koherentinės optikos derinamo lazerio formos faktoriaus raida 2011-2021
Nepaisant šios įspūdingos pažangos, lazerinės integracijos technologija vis dar susiduria su tolesniais integravimo iššūkiais, ypač 100G ZR nuoseklios prieigos erdvėje, kur auga QSFP28 prijungiamų įrenginių paklausa.
QSFP28 prijungiami moduliai sunaudoja mažesnes energijos sąnaudas ir mažesnį plotą nei QSFP-DD moduliai, todėl jie neturėtų naudoti tų pačių lazerių kaip QSFP-DD moduliai. Ko jiems reikia – specialūs lazeriniai sprendimai su mažesniu plotu ir mažesnėmis energijos sąnaudomis.

2 pav. QSFP-DD ir QSFP-28 formos koeficientų palyginimas 100G programoms
Norint pasiekti šį tikslą, monolitinių lazerių kūrimas tampa labai svarbus.
Idealiu atveju toks lazeris į tą patį lustą galėtų integruoti visas pagrindines lazerio funkcijas, įskaitant stiprinimą, lazerio ertmę ir bangos ilgio blokatorių, todėl labai padidėtų integracija, sumažėtų dydis ir sumažėtų energijos suvartojimas. Šios technologijos realizavimas padės tvirtą pagrindą naujos kartos optinio ryšio įrenginių kūrimui.
Skatinti tolesnį derinamų lazerių dydžio mažinimą
Ateityje, norint dar labiau sumažinti derinamų lazerių dydį, reikės realizuoti aukštą jų vidinių komponentų integracijos laipsnį.
Pavyzdžiui, kiekvienas derinamas lazeris remiasi bangos ilgio spintelėmis, kad būtų užtikrintas lazerio išvesties stabilumas įvairiomis aplinkos sąlygomis, pvz., temperatūra.
Integruojant bangos ilgio spintelės mazgą tiesiai į lazerio lustą, o ne per išorines jungtis, žymiai sumažėja lazerinio paketo erdvės pėdsakas ir energijos sąnaudos.
EFFECT Photonics, Olandijos optinio integravimo technologijų lyderis, pasiūlė naujovišką sprendimą: jie sukūrė vieno lusto sprendimą, suderinamą su daugybe derinamų lazerių, kuris sujungia visas funkcijas, įskaitant bangos ilgio blokatorių, viename luste. . Ši konfigūracija idealiai tinka norint sumažinti energijos sąnaudas ir paskatinti masinę gamybą.
Integruodama visas derinamas lazerio funkcijas į vieną lustą, EFFECT Photonics sėkmingai sukūrė naują pico-ITLA (pITLA) modulį, kuris bus mažiausias ITLA suderinamoms programoms visame pasaulyje.
pITLA yra į ateitį orientuotas produktas, skirtas derinamam lazeriniam integravimui, kuris apima visas lazerio funkcijas pakuotėje, kuri sudaro tik 20 % nanoITLA modulio dydžio. Tai tik 20 % nanoITLA modulio dydžio. Kaip parodyta 6 paveiksle, pITLA atrodo labai mažas net lyginant su standartine degtukų lazdele.

3 pav. koherentinės optikos ITLA modulio formos faktoriaus ir dydžio mažinimo raida, 2011-2023

Miniatiūrinių integruotų lazerių poveikis gerokai viršija dydžio pranašumą; tai taip pat labai svarbu siekiant pagerinti energijos vartojimo efektyvumą. Kompaktiškesnės lazerinės konstrukcijos dažnai gali veikti esant žemesnei įtampai ir srovėms, o tai padeda pagerinti šilumines charakteristikas ir sumažinti sujungimo nuostolius.
O fotoninė integracija yra pagrindinis veiksnys siekiant šių našumo padidėjimų – sujungus kelias funkcijas viename luste, galima maksimaliai padidinti efektyvumą.
Kompaktiški ir efektyviai energiją vartojantys QSFP28-dydžio koherentiniai prijungiami įrenginiai ir kartu su jais miniatiūriniai derinami lazeriai yra labai paklausūs, nes tobuliname 100G koherentinės technologijos naudojimą prieigos tinkluose. EFFECT Photonics pITLA moduliai yra svarbus žingsnis šiame integravimo ir miniatiūrizavimo procese.
Tik 20 % nanoITLA modulio dydžio pITLA ne tik atitinka pramonės lūkesčius dėl mažesnio dydžio, bet ir parodo nuolatinį siekį ir siekį sukurti kompaktiškus, efektyvius ir keičiamo dydžio derinamus lazerius optinių tinklų pakraščiuose.