La miniaturizzazione e l'elevata integrazione diventano una proposta chiave nello sviluppo del laser

Per realizzare l’obiettivo dei dispositivi collegabili coerenti di prossima generazione, i laser sintonizzabili di prossima generazione devono raggiungere un livello completamente nuovo di integrazione optoelettronica.
Vale la pena notare che la miniaturizzazione e l’integrazione dei laser non è solo una sfida legata alle dimensioni, ma, cosa ancora più importante, come migliorare l’efficienza energetica di questi laser. Ecco alcuni dei vantaggi offerti dai laser di piccole dimensioni in termini di migliore efficienza energetica:
Innanzitutto, i laser di piccole dimensioni hanno requisiti di tensione operativa e corrente inferiori. Questo perché i progetti laser altamente integrati spesso utilizzano processi e materiali avanzati che consentono tensioni e correnti di soglia molto più basse rispetto ai tradizionali laser di grandi dimensioni.
In secondo luogo, il design compatto contribuisce a migliorare la dissipazione del calore. Nei laser di piccole dimensioni, la distanza percorsa dalla luce all'interno del chip laser è molto più breve, il che aiuta a ridurre al minimo la perdita di luce e i problemi di dissipazione del calore.
Inoltre, i laser altamente integrati possono ridurre le perdite di accoppiamento. Nella fotonica, l'accoppiamento tra l'ottica dello spazio libero e il chip è sempre stata una sfida tecnica. Integrando più funzioni su un singolo chip, i nuovi laser sono in grado di evitare questo accoppiamento e le perdite ad esso associate.
L'integrazione fotonica è essenziale per ridurre le dimensioni e il consumo energetico. Man mano che sempre più componenti vengono integrati su un singolo chip, le perdite vengono gradualmente ridotte e l'efficienza del ricetrasmettitore ottico aumenta di conseguenza.
Successi e sfide nella tecnologia di integrazione laser
La tecnologia di integrazione del laser sintonizzabile è progredita in modo significativo negli ultimi dieci anni, soddisfacendo ampiamente la pressante esigenza del mercato di dimensioni più piccole e maggiore integrazione.
Nel 2011, i laser sintonizzabili hanno seguito le linee guida del Multi-Source Agreement (MSA) per l'integrazione degli assiemi laser sintonizzabili (ITLA), dimostrando inizialmente il loro potenziale di integrazione.
Nel 2015, i laser sintonizzabili sono stati ulteriormente miniaturizzati e immessi sul mercato sotto forma di micro-ITLA compatti che rappresentano solo il 22% delle dimensioni del pacchetto ITLA originale, riducendo significativamente le dimensioni del dispositivo.
Nel 2019 le dimensioni si riducono ulteriormente con l’avvento del nano ITLA, un modulo che costituisce solo il 39% del micro ITLA, a testimonianza della continuità e del costante progresso nello sviluppo tecnologico.

Figura 1: Evoluzione del fattore di forma del laser sintonizzabile dell'ottica coerente 2011-2021
Nonostante questi impressionanti progressi, la tecnologia di integrazione laser deve ancora affrontare ulteriori sfide di integrazione, in particolare nello spazio di accesso coerente 100G ZR, dove esiste una crescente domanda di dispositivi collegabili QSFP28.
I moduli collegabili QSFP28 offrono un consumo energetico inferiore e un ingombro ridotto rispetto ai moduli QSFP-DD, quindi non dovrebbero utilizzare gli stessi laser dei moduli QSFP-DD. Ciò di cui hanno bisogno: soluzioni laser dedicate con ingombro ridotto e consumo energetico ridotto.

Figura 2: Confronto dei fattori di forma QSFP-DD e QSFP-28 per applicazioni 100G
Per raggiungere questo obiettivo diventa fondamentale lo sviluppo di laser monolitici.
Idealmente, un laser di questo tipo sarebbe in grado di integrare tutte le funzioni chiave del laser, inclusi guadagno, cavità laser e blocco della lunghezza d'onda, sullo stesso chip, con conseguente aumento significativo dell'integrazione, riduzione delle dimensioni e riduzione del consumo energetico. La realizzazione di questa tecnologia getterà una solida base per lo sviluppo di dispositivi di comunicazione ottica di prossima generazione.
Promuovere un’ulteriore riduzione delle dimensioni dei laser sintonizzabili
In futuro, per ridurre ulteriormente le dimensioni dei laser accordabili, sarà necessario realizzare un elevato grado di integrazione dei loro componenti interni.
Ad esempio, ciascun laser sintonizzabile si basa su un gruppo di blocco della lunghezza d'onda per garantire la stabilità dell'uscita laser in varie condizioni ambientali come la temperatura.
L'integrazione del gruppo di blocco della lunghezza d'onda direttamente sul chip laser, anziché tramite connessioni esterne, riduce significativamente l'ingombro e il consumo energetico del pacchetto laser.
EFFECT Photonics, leader olandese nella tecnologia di integrazione ottica, ha trovato una soluzione innovativa: ha sviluppato una soluzione a chip singolo compatibile con un'ampia gamma di laser sintonizzabili, che integra tutte le funzioni, compreso il blocco della lunghezza d'onda, su un singolo chip . Questa configurazione è ideale per ridurre il consumo energetico e promuovere la produzione di massa.
Integrando tutte le funzioni laser sintonizzabili su un singolo chip, EFFECT Photonics ha sviluppato con successo il nuovo modulo pico-ITLA (pITLA), che sarà il più piccolo ITLA per applicazioni coerenti in tutto il mondo.
pITLA è un prodotto lungimirante per l'integrazione del laser sintonizzabile che include tutte le funzioni laser in un pacchetto che occupa solo il 20% delle dimensioni di un modulo nanoITLA. Occupa solo il 20% delle dimensioni di un modulo nanoITLA. Come mostrato nella Figura 6, il pITLA appare estremamente piccolo anche se confrontato con un fiammifero standard.

Figura 3: Evoluzione del fattore di forma del modulo ITLA con ottica coerente e riduzione delle dimensioni, 2011-2023

L’impatto dei laser integrati miniaturizzati va ben oltre il vantaggio dimensionale; è altrettanto fondamentale per migliorare l’efficienza energetica. I progetti laser più compatti possono spesso funzionare a tensioni e correnti più basse, il che aiuta a migliorare le prestazioni termiche e a ridurre al minimo le perdite di accoppiamento.
E l'integrazione fotonica è un fattore chiave per ottenere questi miglioramenti prestazionali: combinando più funzioni su un singolo chip, è possibile massimizzare l'efficienza.
I dispositivi collegabili coerenti di dimensioni QSFP28- compatti ed efficienti dal punto di vista energetico e i relativi laser sintonizzabili miniaturizzati sono molto richiesti mentre facciamo avanzare l'uso della tecnologia coerente 100G nelle reti di accesso. I moduli pITLA di EFFECT Photonics rappresentano un passo importante in questo processo di integrazione e miniaturizzazione.
Con solo il 20% delle dimensioni di un modulo nanoITLA, pITLA non solo soddisfa le aspettative del settore per dimensioni più piccole, ma dimostra anche la continua ricerca e spinta verso la realizzazione di laser sintonizzabili compatti, efficienti e scalabili ai margini delle reti ottiche.