Miniaturisierung und hohe Integration werden zu einem Schlüsselthema in der Laserentwicklung

Um das Ziel kohärenter steckbarer Geräte der nächsten Generation zu erreichen, müssen abstimmbare Laser der nächsten Generation ein völlig neues Niveau der optoelektronischen Integration erreichen.
Es ist erwähnenswert, dass die Miniaturisierung und Integration von Lasern nicht nur eine Herausforderung hinsichtlich der Größe darstellt, sondern, was noch wichtiger ist, die Frage stellt, wie die Leistungseffizienz dieser Laser verbessert werden kann. Hier sind einige der Vorteile, die kleine Laser im Hinblick auf eine verbesserte Energieeffizienz bieten:
Erstens haben kleine Laser einen geringeren Betriebsspannungs- und Strombedarf. Dies liegt daran, dass hochintegrierte Laserdesigns häufig fortschrittliche Prozesse und Materialien verwenden, die viel niedrigere Schwellenspannungen und -ströme als herkömmliche große Laser ermöglichen.
Zweitens trägt die kompakte Bauweise zu einer verbesserten Wärmeableitung bei. Bei kleinen Lasern ist die Distanz, die das Licht innerhalb des Laserchips zurücklegt, viel kürzer, was dazu beiträgt, Lichtverluste und Probleme bei der Wärmeableitung zu minimieren.
Darüber hinaus können hochintegrierte Laser Kopplungsverluste reduzieren. In der Photonik ist die Kopplung zwischen Freiraumoptik und Chip seit jeher eine technische Herausforderung. Durch die Integration mehrerer Funktionen auf einem einzigen Chip können die neuen Laser diese Kopplung und die damit verbundenen Verluste vermeiden.
Die photonische Integration ist wichtig, um Größe und Stromverbrauch zu reduzieren. Da immer mehr Komponenten auf einem einzigen Chip integriert werden, werden die Verluste schrittweise reduziert und die Effizienz des optischen Transceivers steigt entsprechend.
Erfolge und Herausforderungen in der Laserintegrationstechnologie
Die Integrationstechnologie abstimmbarer Laser hat sich im letzten Jahrzehnt erheblich weiterentwickelt und erfüllt weitgehend den dringenden Bedarf des Marktes an kleinerer Größe und höherer Integration.
Im Jahr 2011 folgten abstimmbare Laser den Richtlinien des Multi-Source Agreement (MSA) for Integration of Tunable Laser Assemblies (ITLA) und demonstrierten zunächst ihr Integrationspotenzial.
Im Jahr 2015 wurden abstimmbare Laser weiter miniaturisiert und in Form kompakter Mikro-ITLAs auf den Markt gebracht, die nur 22 % der Größe des ursprünglichen ITLA-Gehäuses ausmachen, wodurch die Gerätegröße deutlich reduziert wurde.
Im Jahr 2019 wird die Größe mit der Einführung des Nano-ITLA weiter reduziert, einem Modul, das nur 39 % des Mikro-ITLA ausmacht, was die Kontinuität und den ständigen Fortschritt in der Technologieentwicklung widerspiegelt.

Abbildung 1: Entwicklung des durch kohärente Optik abstimmbaren Laserformfaktors 2011-2021
Trotz dieser beeindruckenden Fortschritte steht die Laserintegrationstechnologie immer noch vor weiteren Integrationsherausforderungen, insbesondere im kohärenten 100G ZR-Zugangsbereich, wo eine wachsende Nachfrage nach steckbaren QSFP28-Geräten besteht.
Steckbare QSFP28-Module bieten einen geringeren Stromverbrauch und einen kleineren Platzbedarf als QSFP-DD-Module, daher sollten sie nicht die gleichen Laser wie QSFP-DD-Module verwenden. Was sie brauchen – dedizierte Laserlösungen mit kleinerem Platzbedarf und geringerem Stromverbrauch.

Abbildung 2: Vergleich der Formfaktoren QSFP-DD und QSFP-28 für 100G-Anwendungen
Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Entwicklung monolithischer Laser von entscheidender Bedeutung.
Im Idealfall wäre ein solcher Laser in der Lage, alle wichtigen Laserfunktionen, einschließlich Verstärkung, Laserkavität und Wellenlängensperre, auf demselben Chip zu integrieren, was zu einer erheblichen Steigerung der Integration, einer Verringerung der Größe und einer Reduzierung des Stromverbrauchs führen würde. Die Realisierung dieser Technologie wird eine solide Grundlage für die Entwicklung optischer Kommunikationsgeräte der nächsten Generation legen.
Förderung einer weiteren Größenreduzierung abstimmbarer Laser
Um die Größe abstimmbarer Laser in Zukunft weiter zu reduzieren, wird es notwendig sein, einen hohen Integrationsgrad ihrer internen Komponenten zu realisieren.
Beispielsweise ist jeder abstimmbare Laser auf eine Wellenlängen-Locker-Baugruppe angewiesen, um die Stabilität der Laserleistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie der Temperatur sicherzustellen.
Durch die direkte Integration der Wellenlängen-Locker-Baugruppe auf dem Laserchip und nicht über externe Verbindungen werden der Platzbedarf und der Energieverbrauch des Laserpakets erheblich reduziert.
EFFECT Photonics, der niederländische Marktführer für optische Integrationstechnologie, hat eine innovative Lösung gefunden: Sie haben eine Single-Chip-Lösung entwickelt, die mit einer Vielzahl abstimmbarer Laser kompatibel ist und alle Funktionen, einschließlich der Wellenlängensperre, auf einem einzigen Chip integriert . Diese Konfiguration ist ideal, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Massenproduktion voranzutreiben.
Durch die Integration aller abstimmbaren Laserfunktionen auf einem einzigen Chip ist es EFFECT Photonics gelungen, das neue Pico-ITLA-Modul (pITLA) zu entwickeln, das weltweit das kleinste ITLA für kohärente Anwendungen sein wird.
Der pITLA ist ein zukunftsweisendes Produkt für die abstimmbare Laserintegration, das alle Laserfunktionen in einem Paket umfasst, das nur 20 % der Größe eines nanoITLA-Moduls hat. Es ist nur 20 % der Größe eines nanoITLA-Moduls. Wie in Abbildung 6 dargestellt, erscheint der pITLA selbst im Vergleich zu einem Standard-Streichholz extrem klein.

Abbildung 3: Entwicklung des Formfaktors und der Größenreduzierung kohärenter optischer ITLA-Module, 2011-2023

Die Wirkung miniaturisierter integrierter Laser geht weit über den Größenvorteil hinaus; Es ist ebenso wichtig für die Verbesserung der Energieeffizienz. Kompaktere Laserdesigns können häufig mit niedrigeren Spannungen und Strömen betrieben werden, was zur Verbesserung der thermischen Leistung und zur Minimierung von Kopplungsverlusten beiträgt.
Und die photonische Integration ist ein Schlüsselfaktor für die Erzielung dieser Leistungssteigerungen – durch die Kombination mehrerer Funktionen auf einem einzigen Chip kann die Effizienz maximiert werden.
Kompakte und energieeffiziente kohärente steckbare Geräte in QSFP28--Größe und die dazugehörigen miniaturisierten abstimmbaren Laser sind sehr gefragt, da wir den Einsatz der kohärenten 100G-Technologie in Zugangsnetzwerken vorantreiben. pITLA-Module von EFFECT Photonics sind ein wichtiger Schritt in diesem Integrations- und Miniaturisierungsprozess.
Mit nur 20 % der Größe eines nanoITLA-Moduls erfüllt das pITLA nicht nur die Erwartungen der Industrie an eine kleinere Größe, sondern zeigt auch das anhaltende Streben und Bestreben, kompakte, effiziente und skalierbare abstimmbare Laser am Rande optischer Netzwerke zu realisieren.