Thu nhỏ và tích hợp cao trở thành đề xuất chính trong phát triển laser

Để hiện thực hóa mục tiêu của các thiết bị có thể cắm kết hợp thế hệ tiếp theo, laser có thể điều chỉnh thế hệ tiếp theo phải đạt đến cấp độ tích hợp quang điện tử hoàn toàn mới.
Điều đáng chú ý là việc thu nhỏ và tích hợp các tia laser không chỉ là thách thức về kích thước mà quan trọng hơn là làm thế nào để cải thiện hiệu suất năng lượng của các tia laser này. Dưới đây là một số lợi ích mà tia laser nhỏ mang lại về mặt cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng:
Đầu tiên, các tia laser nhỏ có yêu cầu về điện áp và dòng điện hoạt động thấp hơn. Điều này là do các thiết kế laser tích hợp cao thường sử dụng các quy trình và vật liệu tiên tiến cho phép điện áp và dòng điện ngưỡng thấp hơn nhiều so với các laser lớn truyền thống.
Thứ hai, thiết kế nhỏ gọn góp phần cải thiện khả năng tản nhiệt. Ở các tia laser nhỏ, khoảng cách ánh sáng truyền trong chip laser ngắn hơn nhiều, giúp giảm thiểu các vấn đề về mất ánh sáng và tản nhiệt.
Ngoài ra, laser tích hợp cao có thể làm giảm tổn thất khớp nối. Trong quang tử học, sự kết hợp giữa quang học không gian tự do và chip luôn là một thách thức kỹ thuật. Bằng cách tích hợp nhiều chức năng trên một con chip, các tia laser mới có thể tránh được sự ghép nối này và những tổn thất liên quan của nó.
Tích hợp quang tử là điều cần thiết để giảm kích thước và mức tiêu thụ điện năng. Khi ngày càng nhiều thành phần được tích hợp vào một con chip, tổn thất giảm dần và hiệu suất của bộ thu phát quang cũng tăng theo.
Thành công và thách thức trong công nghệ tích hợp Laser
Công nghệ tích hợp laser có thể điều chỉnh đã tiến bộ đáng kể trong thập kỷ qua, phần lớn đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thị trường về kích thước nhỏ hơn và khả năng tích hợp cao hơn.
Vào năm 2011, các tia laser có thể điều chỉnh đã tuân theo các hướng dẫn của Thỏa thuận đa nguồn (MSA) về Tích hợp các tổ hợp Laser có thể điều chỉnh (ITLA), bước đầu chứng tỏ tiềm năng tích hợp của chúng.
Vào năm 2015, tia laser có thể điều chỉnh đã được thu nhỏ hơn nữa và đưa ra thị trường dưới dạng ITLA vi mô nhỏ gọn chỉ bằng 22% kích thước của gói ITLA ban đầu, giúp giảm đáng kể kích thước thiết bị.
Năm 2019, quy mô còn giảm hơn nữa với sự ra đời của nano ITLA, một mô-đun chỉ bằng 39% ITLA vi mô, phản ánh tính liên tục và tiến bộ không ngừng trong quá trình phát triển công nghệ.

Hình 1: Sự phát triển của hệ số hình dạng laser có thể điều chỉnh quang học kết hợp 2011-2021
Bất chấp những tiến bộ ấn tượng này, công nghệ tích hợp laser vẫn phải đối mặt với những thách thức tích hợp hơn nữa, đặc biệt là trong không gian truy cập mạch lạc 100G ZR, nơi có nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị có thể cắm QSFP28.
Các mô-đun có thể cắm QSFP28 cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và chiếm diện tích nhỏ hơn các mô-đun QSFP-DD, do đó chúng không nên sử dụng cùng loại tia laser như các mô-đun QSFP-DD. Những gì họ cần - các giải pháp laser chuyên dụng với diện tích nhỏ hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Hình 2: So sánh các hệ số dạng QSFP-DD và QSFP{2}} cho các ứng dụng 100G
Để đạt được mục tiêu này, việc phát triển laser nguyên khối trở nên quan trọng.
Lý tưởng nhất là tia laser như vậy có thể tích hợp tất cả các chức năng laser quan trọng, bao gồm khuếch đại, khoang laser và khóa bước sóng, trên cùng một con chip, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về khả năng tích hợp, giảm kích thước và giảm mức tiêu thụ điện năng. Việc hiện thực hóa công nghệ này sẽ đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển của các thiết bị truyền thông quang học thế hệ tiếp theo.
Thúc đẩy việc giảm kích thước hơn nữa của laser có thể điều chỉnh được
Trong tương lai, để tiếp tục giảm kích thước của các tia laser có thể điều chỉnh được, cần phải đạt được mức độ tích hợp cao của các bộ phận bên trong của chúng.
Ví dụ, mỗi tia laser có thể điều chỉnh được dựa vào cụm khóa bước sóng để đảm bảo sự ổn định của đầu ra tia laser trong các điều kiện môi trường khác nhau như nhiệt độ.
Việc tích hợp cụm khóa bước sóng trực tiếp vào chip laser, thay vì thông qua các kết nối bên ngoài, giúp giảm đáng kể diện tích không gian và mức tiêu thụ năng lượng của gói laser.
EFFECT Photonics, công ty hàng đầu Hà Lan về công nghệ tích hợp quang học, đã đưa ra một giải pháp đổi mới: họ đã phát triển giải pháp một chip tương thích với nhiều loại laser có thể điều chỉnh, tích hợp tất cả các chức năng, bao gồm cả bộ khóa bước sóng, trên một chip duy nhất . Cấu hình này lý tưởng để giảm mức tiêu thụ điện năng và thúc đẩy sản xuất hàng loạt.
Bằng cách tích hợp tất cả các chức năng laser có thể điều chỉnh trên một chip duy nhất, EFFECT Photonics đã phát triển thành công mô-đun pico-ITLA (pITLA) mới, đây sẽ là ITLA nhỏ nhất dành cho các ứng dụng mạch lạc trên toàn thế giới.
PITLA là một sản phẩm hướng tới tương lai để tích hợp tia laser có thể điều chỉnh, bao gồm tất cả các chức năng laser trong một gói chỉ bằng 20% ​​kích thước của mô-đun nanoITLA. Nó chỉ bằng 20% ​​kích thước của mô-đun nanoITLA. Như được hiển thị trong Hình 6, pITLA xuất hiện cực kỳ nhỏ ngay cả khi so sánh với một que diêm tiêu chuẩn.

Hình 3: Sự phát triển của hệ số dạng mô-đun quang học kết hợp ITLA và việc giảm kích thước, 2011-2023

Tác động của tia laser tích hợp thu nhỏ vượt xa lợi thế về kích thước; nó cũng quan trọng không kém để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng. Các thiết kế laser nhỏ gọn hơn thường có thể hoạt động ở điện áp và dòng điện thấp hơn, giúp cải thiện hiệu suất nhiệt và giảm thiểu tổn thất khớp nối.
Và sự tích hợp quang tử là yếu tố then chốt để đạt được những mức tăng hiệu suất này - bằng cách kết hợp nhiều chức năng trên một con chip, hiệu quả có thể được tối đa hóa.
Các thiết bị có thể cắm kết hợp kích thước QSFP{1}}nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng cũng như các tia laser điều chỉnh thu nhỏ đi kèm của chúng đang có nhu cầu cao khi chúng tôi thúc đẩy việc sử dụng công nghệ kết hợp 100G trong mạng truy cập. Các mô-đun pITLA từ EFFECT Photonics là một bước quan trọng trong quá trình tích hợp và thu nhỏ này.
Với kích thước chỉ bằng 20% ​​kích thước của mô-đun nanoITLA, pITLA không chỉ đáp ứng kỳ vọng của ngành về kích thước nhỏ hơn mà còn thể hiện sự theo đuổi và nỗ lực không ngừng để hiện thực hóa các tia laser điều chỉnh nhỏ gọn, hiệu quả và có thể mở rộng ở rìa mạng quang.