מזעור ואינטגרציה גבוהה הופכים להצעה מרכזית בפיתוח לייזר

על מנת לממש את המטרה של הדור הבא של מכשירים ניתנים לחיבור קוהרנטי, הלייזרים הניתנים לכוונון מהדור הבא חייבים להגיע לרמה חדשה לגמרי של אינטגרציה אופטו-אלקטרונית.
ראוי לציין כי מזעור ושילוב של לייזרים אינם רק אתגר גודל, אלא חשוב מכך, כיצד לשפר את יעילות ההספק של לייזרים אלו. להלן כמה מהיתרונות שמציעים לייזרים קטנים במונחים של יעילות אנרגיה משופרת:
ראשית, ללייזרים קטנים יש מתח הפעלה וזרם נמוכים יותר. הסיבה לכך היא שעיצובי לייזר משולבים במיוחד משתמשים בתהליכים ובחומרים מתקדמים המאפשרים מתחי סף וזרמים נמוכים בהרבה מלייזרים גדולים מסורתיים.
שנית, העיצוב הקומפקטי תורם לשיפור פיזור החום. בלייזרים קטנים, המרחק שעובר האור בתוך שבב הלייזר קצר בהרבה, מה שעוזר למזער אובדן אור ופיזור חום.
בנוסף, לייזרים משולבים מאוד יכולים להפחית את הפסדי הצימוד. בפוטוניקה, הצימוד בין אופטיקה של חלל פנוי לשבב תמיד היה אתגר טכני. על ידי שילוב פונקציות מרובות בשבב בודד, הלייזרים החדשים מסוגלים למנוע צימוד זה וההפסדים הנלווים אליו.
אינטגרציה פוטונית חיונית להפחתת הגודל וצריכת החשמל. ככל שיותר ויותר רכיבים משולבים על גבי שבב בודד, הפסדים מצטמצמים בהדרגה והיעילות של מקלט המשדר האופטי עולה בהתאם.
הצלחות ואתגרים בטכנולוגיית אינטגרציה בלייזר
טכנולוגיית שילוב הלייזר הניתן לכוונון התקדמה משמעותית בעשור האחרון, ועונה במידה רבה על הצורך הדוחק של השוק בגודל קטן יותר ואינטגרציה גבוהה יותר.
בשנת 2011, לייזרים ניתנים לכוונון עקבו אחר ההנחיות של הסכם ריבוי מקורות (MSA) לשילוב מכלולי לייזר ניתנים לכוונון (ITLA), והדגימו בתחילה את פוטנציאל האינטגרציה שלהם.
בשנת 2015, הלייזרים הניתנים לכוונון הוזכרו עוד יותר והובאו לשוק בצורה של מיקרו-ITLAs קומפקטיים שהם רק 22% מהגודל של חבילת ITLA המקורית, מה שמפחית משמעותית את גודל המכשיר.
בשנת 2019, הגודל מצטמצם עוד יותר עם הופעת הננו ITLA, מודול המהווה רק 39% מהמיקרו ITLA, המשקף את ההמשכיות וההתקדמות המתמדת בפיתוח הטכנולוגיה.

איור 1: התפתחות של גורם צורת לייזר מתכוונן אופטיקה קוהרנטית 2011-2021
למרות ההתקדמות המרשימה הללו, טכנולוגיית שילוב הלייזר עדיין מתמודדת עם אתגרי אינטגרציה נוספים, במיוחד במרחב הגישה הקוהרנטית של 100G ZR, שבו יש ביקוש הולך וגובר להתקני QSFP28 הניתנים לחיבור.
מודולים הניתנים לחיבור QSFP28 מציעים צריכת חשמל נמוכה יותר וטביעת רגל קטנה יותר ממודולי QSFP-DD, כך שהם לא צריכים להשתמש באותם לייזרים כמו מודולי QSFP-DD. מה שהם צריכים - פתרונות לייזר ייעודיים עם טביעת רגל קטנה יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר.

איור 2: השוואה בין גורמי הצורה QSFP-DD ו-QSFP-28 עבור יישומי 100G
על מנת להשיג מטרה זו, הפיתוח של לייזרים מונוליטי הופך להיות קריטי.
באופן אידיאלי, לייזר כזה יוכל לשלב את כל פונקציות הלייזר המרכזיות, לרבות רווח, חלל לייזר, ולוקאר אורך גל, על אותו שבב, וכתוצאה מכך לגידול משמעותי באינטגרציה, הקטנת הגודל והפחתה בצריכת החשמל. מימושה של טכנולוגיה זו יניח בסיס איתן לפיתוח מכשירי תקשורת אופטיים מהדור הבא.
קידום הקטנת גודל נוספת של לייזרים ניתנים לכוונון
בעתיד, על מנת להקטין עוד יותר את גודלם של לייזרים הניתנים לכוונון, יהיה צורך לממש מידה גבוהה של אינטגרציה של המרכיבים הפנימיים שלהם.
לדוגמה, כל לייזר מתכוונן מסתמך על מכלול לוקרים באורך גל כדי להבטיח את יציבות פלט הלייזר בתנאי סביבה שונים כגון טמפרטורה.
שילוב מכלול הארונית באורך הגל ישירות על שבב הלייזר, במקום באמצעות חיבורים חיצוניים, מפחית באופן משמעותי את טביעת הרגל והאנרגיה של חבילת הלייזר.
EFFECT Photonics, המובילה ההולנדית בטכנולוגיית אינטגרציה אופטית, המציאה פתרון חדשני: הם פיתחו פתרון של שבב בודד התואם למגוון רחב של לייזרים ניתנים לכוונון, המשלב את כל הפונקציות, לרבות לוקר אורך הגל, על שבב בודד. . תצורה זו אידיאלית להפחתת צריכת החשמל והנעת ייצור המוני.
על ידי שילוב כל פונקציות הלייזר הניתנות לכוונון בשבב בודד, EFFECT Photonics פיתחה בהצלחה את מודול pico-ITLA (pITLA) החדש, שיהיה ה-ITLA הקטן ביותר עבור יישומים קוהרנטיים ברחבי העולם.
ה-pITLA הוא מוצר צופה פני עתיד לשילוב לייזר מתכוונן הכולל את כל פונקציות הלייזר בחבילה שהיא רק 20% מהגודל של מודול nanoITLA. זה רק 20% מהגודל של מודול nanoITLA. כפי שמוצג באיור 6, ה-pITLA נראה קטן במיוחד גם בהשוואה לגפרור סטנדרטי.

איור 3: התפתחות אופטיקה קוהרנטית של מודול ITLA והקטנת גודל, 2011-2023

ההשפעה של לייזרים משולבים ממוזערים חורגת הרבה מעבר ליתרון הגודל; זה קריטי באותה מידה לשיפור יעילות החשמל. עיצובי לייזר קומפקטיים יותר יכולים לרוב לפעול במתחים וזרמים נמוכים יותר, מה שעוזר לשפר את הביצועים התרמיים ולמזער את הפסדי הצימוד.
ואינטגרציה פוטונית היא גורם מפתח בהשגת רווחי ביצועים אלה - על ידי שילוב של מספר פונקציות בשבב אחד, ניתן למקסם את היעילות.
למכשירים קומפקטיים וחסכוניים באנרגיה QSFP28-ניתנים לחיבור קוהרנטי והלייזרים הממוזערים הנלווים להם, יש ביקוש גבוה מכיוון שאנו מקדמים את השימוש בטכנולוגיה קוהרנטית של 100G ברשתות גישה. מודולי pITLA מבית EFFECT Photonics הם שלב חשוב בתהליך האינטגרציה והמזעור הזה.
ב-20% בלבד מהגודל של מודול nanoITLA, ה-pITLA לא רק עונה על ציפייה של התעשייה לגודל קטן יותר, אלא גם מדגים את המרדף והכונן המתמשכים למימוש לייזרים קומפקטיים, יעילים וניתנים להרחבה בקצה של רשתות אופטיות.