การย่อขนาดและการบูรณาการในระดับสูงกลายเป็นประเด็นสำคัญในการพัฒนาเลเซอร์

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของอุปกรณ์เสียบปลั๊กได้รุ่นต่อไป เลเซอร์แบบปรับได้รุ่นต่อไปจะต้องเข้าถึงการบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในระดับใหม่ทั้งหมด
เป็นที่น่าสังเกตว่าการย่อขนาดและการรวมเลเซอร์เข้าด้วยกันไม่ได้เป็นเพียงความท้าทายด้านขนาด แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือจะปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเลเซอร์เหล่านี้ได้อย่างไร ต่อไปนี้คือข้อดีบางประการที่เลเซอร์ขนาดเล็กมีในแง่ของประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น:
ประการแรก เลเซอร์ขนาดเล็กมีความต้องการแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในการทำงานต่ำกว่า เนื่องจากการออกแบบเลเซอร์ที่มีการบูรณาการสูงมักจะใช้กระบวนการและวัสดุขั้นสูงที่ช่วยให้แรงดันและกระแสเกณฑ์ต่ำกว่าเลเซอร์ขนาดใหญ่แบบดั้งเดิมมาก
ประการที่สอง การออกแบบที่กะทัดรัดช่วยกระจายความร้อนได้ดีขึ้น ในเลเซอร์ขนาดเล็ก ระยะทางที่แสงเดินทางภายในชิปเลเซอร์จะสั้นกว่ามาก ซึ่งช่วยลดปัญหาการสูญเสียแสงและการกระจายความร้อน
นอกจากนี้ เลเซอร์ที่มีการบูรณาการสูงสามารถลดการสูญเสียการมีเพศสัมพันธ์ได้ ในโฟโตนิกส์ การเชื่อมต่อระหว่างออพติกพื้นที่ว่างกับชิปถือเป็นความท้าทายทางเทคนิคมาโดยตลอด ด้วยการรวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้บนชิปตัวเดียว เลเซอร์ใหม่จึงสามารถหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อนี้และการสูญเสียที่เกี่ยวข้องได้
การรวมโฟโตนิกถือเป็นสิ่งสำคัญในการลดขนาดและการใช้พลังงาน เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ ถูกรวมเข้าไว้ในชิปตัวเดียวมากขึ้นเรื่อยๆ การสูญเสียจะค่อยๆ ลดลง และประสิทธิภาพของตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคอลก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย
ความสำเร็จและความท้าทายในเทคโนโลยีการรวมเลเซอร์
เทคโนโลยีการรวมเลเซอร์แบบปรับค่าได้ก้าวหน้าไปอย่างมากในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา โดยส่วนใหญ่ตอบสนองความต้องการเร่งด่วนของตลาดสำหรับขนาดที่เล็กลงและการบูรณาการที่สูงขึ้น
ในปี 2011 เลเซอร์แบบปรับได้ได้ปฏิบัติตามแนวทางของข้อตกลง Multi-Source (MSA) สำหรับการบูรณาการของชิ้นส่วนเลเซอร์แบบปรับได้ (ITLA) ซึ่งเริ่มแรกแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการบูรณาการ
ในปี 2015 เลเซอร์แบบปรับได้ได้รับการย่อขนาดให้เล็กลงและนำออกสู่ตลาดในรูปแบบของ micro-ITLA ขนาดกะทัดรัดซึ่งมีขนาดเพียง 22% ของแพ็คเกจ ITLA ดั้งเดิม ซึ่งลดขนาดอุปกรณ์ลงอย่างมาก
ในปี 2019 ขนาดจะลดลงอีกด้วยการถือกำเนิดของ nano ITLA ซึ่งเป็นโมดูลที่มีขนาดเพียง 39% ของ micro ITLA ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความต่อเนื่องและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการพัฒนาเทคโนโลยี

รูปที่ 1: วิวัฒนาการของปัจจัยรูปร่างเลเซอร์ที่ปรับค่าได้ของเลนส์ที่สอดคล้องกัน 2011-2021
แม้จะมีความก้าวหน้าที่น่าประทับใจเหล่านี้ แต่เทคโนโลยีการรวมเลเซอร์ยังคงเผชิญกับความท้าทายในการบูรณาการเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่การเข้าถึงที่สอดคล้องกัน 100G ZR ซึ่งมีความต้องการอุปกรณ์เสียบได้ QSFP28 เพิ่มขึ้น
โมดูลแบบเสียบได้ QSFP28 ให้การใช้พลังงานที่ต่ำกว่าและมีขนาดเล็กกว่าโมดูล QSFP-DD ดังนั้นจึงไม่ควรใช้เลเซอร์แบบเดียวกับโมดูล QSFP-DD สิ่งที่พวกเขาต้องการ - โซลูชันเลเซอร์เฉพาะที่มีขนาดที่เล็กกว่าและสิ้นเปลืองพลังงานน้อยกว่า

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบฟอร์มแฟคเตอร์ QSFP-DD และ QSFP-28 สำหรับแอปพลิเคชัน 100G
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ การพัฒนาเลเซอร์เสาหินจึงมีความสำคัญ
ตามหลักการแล้ว เลเซอร์ดังกล่าวจะสามารถรวมฟังก์ชันเลเซอร์หลักทั้งหมดได้ รวมถึงอัตราขยาย ช่องเลเซอร์ และตัวล็อกความยาวคลื่น บนชิปตัวเดียวกัน ส่งผลให้มีการบูรณาการเพิ่มขึ้นอย่างมาก ขนาดลดลง และลดการใช้พลังงาน การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้จริงจะวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์สื่อสารแบบออปติกเจเนอเรชั่นถัดไป
ส่งเสริมการลดขนาดของเลเซอร์ที่ปรับได้เพิ่มเติม
ในอนาคต เพื่อลดขนาดของเลเซอร์แบบปรับได้เพิ่มเติม จำเป็นต้องตระหนักถึงการบูรณาการส่วนประกอบภายในในระดับสูง
ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ที่ปรับค่าได้แต่ละตัวอาศัยชุดล็อกเกอร์ความยาวคลื่นเพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของเอาท์พุตเลเซอร์ภายใต้สภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น อุณหภูมิ
การรวมชุดล็อกเกอร์ความยาวคลื่นเข้ากับชิปเลเซอร์โดยตรง แทนที่จะผ่านการเชื่อมต่อภายนอก จะช่วยลดพื้นที่และการใช้พลังงานของแพ็คเกจเลเซอร์ได้อย่างมาก
EFFECT Photonics ผู้นำด้านเทคโนโลยีการรวมแสงของเนเธอร์แลนด์ได้คิดค้นโซลูชันที่เป็นนวัตกรรม: พวกเขาได้พัฒนาโซลูชันชิปตัวเดียวที่เข้ากันได้กับเลเซอร์ที่ปรับได้หลากหลายประเภท ซึ่งรวมฟังก์ชันทั้งหมด รวมถึงตัวล็อคความยาวคลื่นไว้บนชิปตัวเดียว . การกำหนดค่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลดการใช้พลังงานและขับเคลื่อนการผลิตจำนวนมาก
ด้วยการรวมฟังก์ชันเลเซอร์ที่ปรับแต่งได้ทั้งหมดไว้ในชิปตัวเดียว EFFECT Photonics ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโมดูล pico-ITLA (pITLA) ใหม่ ซึ่งจะเป็น ITLA ที่เล็กที่สุดสำหรับการใช้งานที่สอดคล้องกันทั่วโลก
pITLA เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีการคาดการณ์ล่วงหน้าสำหรับการบูรณาการเลเซอร์แบบปรับได้ ซึ่งรวมถึงฟังก์ชันเลเซอร์ทั้งหมดในแพ็คเกจที่มีขนาดเพียง 20% ของโมดูล nanoITLA มีขนาดเพียง 20% ของโมดูล nanoITLA ดังแสดงในรูปที่ 6 pITLA มีขนาดเล็กมากแม้ว่าจะเปรียบเทียบกับก้านไม้ขีดมาตรฐานก็ตาม

รูปที่ 3: วิวัฒนาการของรูปแบบโมดูล ITLA แบบเชื่อมโยงกันของเลนส์และการลดขนาด 2011-2023

ผลกระทบของเลเซอร์ในตัวขนาดจิ๋วนั้นมีมากกว่าข้อได้เปรียบด้านขนาด การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การออกแบบเลเซอร์ที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นมักจะสามารถทำงานได้ที่แรงดันและกระแสต่ำ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนและลดการสูญเสียข้อต่อให้เหลือน้อยที่สุด
และการบูรณาการโฟโตนิกเป็นปัจจัยสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น - ด้วยการรวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้บนชิปตัวเดียว จึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้สูงสุด
อุปกรณ์แบบเสียบได้แบบเชื่อมต่อกันขนาดกระทัดรัดและประหยัดพลังงาน28- และเลเซอร์ที่ปรับค่าได้ขนาดจิ๋วที่มาพร้อมอุปกรณ์นั้นเป็นที่ต้องการสูง ในขณะที่เราพัฒนาการใช้เทคโนโลยีเชื่อมโยงกัน 100G ในเครือข่ายการเข้าถึง โมดูล pITLA จาก EFFECT Photonics เป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการบูรณาการและการย่อขนาดนี้
ด้วยขนาดเพียง 20% ของโมดูล nanoITLA pITLA ไม่เพียงแต่ตอบสนองความคาดหวังของอุตสาหกรรมสำหรับขนาดที่เล็กลงเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงการแสวงหาและขับเคลื่อนอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างเลเซอร์แบบปรับค่าได้ขนาดกะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และปรับขนาดได้ที่ขอบของเครือข่ายออปติก