La miniaturización y la alta integración se convierten en una propuesta clave en el desarrollo del láser

Para lograr el objetivo de los dispositivos enchufables coherentes de próxima generación, los láseres sintonizables de próxima generación deben alcanzar un nivel completamente nuevo de integración optoelectrónica.
Vale la pena señalar que la miniaturización e integración de láseres no es solo un desafío de tamaño, sino más importante aún, cómo mejorar la eficiencia energética de estos láseres. Estos son algunos de los beneficios que ofrecen los láseres pequeños en términos de mejora de la eficiencia energética:
En primer lugar, los láseres pequeños tienen requisitos de corriente y voltaje operativo más bajos. Esto se debe a que los diseños de láser altamente integrados a menudo utilizan procesos y materiales avanzados que permiten voltajes y corrientes de umbral mucho más bajos que los láseres grandes tradicionales.
En segundo lugar, el diseño compacto contribuye a una mejor disipación del calor. En los láseres pequeños, la distancia que recorre la luz dentro del chip láser es mucho más corta, lo que ayuda a minimizar la pérdida de luz y los problemas de disipación de calor.
Además, los láseres altamente integrados pueden reducir las pérdidas de acoplamiento. En fotónica, el acoplamiento entre la óptica del espacio libre y el chip siempre ha sido un desafío técnico. Al integrar múltiples funciones en un solo chip, los nuevos láseres pueden evitar este acoplamiento y sus pérdidas asociadas.
La integración fotónica es esencial para reducir el tamaño y el consumo de energía. A medida que se integran más y más componentes en un único chip, las pérdidas se reducen gradualmente y la eficiencia del transceptor óptico aumenta en consecuencia.
Éxitos y desafíos en la tecnología de integración láser
La tecnología de integración de láser sintonizable ha avanzado significativamente durante la última década, satisfaciendo en gran medida la necesidad apremiante del mercado de un tamaño más pequeño y una mayor integración.
En 2011, los láseres sintonizables siguieron las directrices del Acuerdo de fuentes múltiples (MSA) para la integración de conjuntos de láseres sintonizables (ITLA), demostrando inicialmente su potencial de integración.
En 2015, los láseres sintonizables se miniaturizaron aún más y se lanzaron al mercado en forma de micro-ITLA compactos que tienen solo el 22 % del tamaño del paquete ITLA original, lo que reduce significativamente el tamaño del dispositivo.
En 2019, el tamaño se reduce aún más con la llegada del nano ITLA, un módulo que representa solo el 39% del micro ITLA, lo que refleja la continuidad y el constante avance en el desarrollo tecnológico.

Figura 1: Evolución del factor de forma del láser sintonizable de óptica coherente 2011-2021
A pesar de estos impresionantes avances, la tecnología de integración láser aún enfrenta más desafíos de integración, especialmente en el espacio de acceso coherente 100G ZR, donde existe una demanda creciente de dispositivos conectables QSFP28.
Los módulos enchufables QSFP28 ofrecen un menor consumo de energía y un tamaño más pequeño que los módulos QSFP-DD, por lo que no deben usar los mismos láseres que los módulos QSFP-DD. Lo que necesitan: soluciones láser dedicadas que ocupen menos espacio y consuman menos energía.

Figura 2: Comparación de los factores de forma QSFP-DD y QSFP-28 para aplicaciones de 100G
Para lograr este objetivo, el desarrollo de láseres monolíticos resulta fundamental.
Idealmente, un láser de este tipo sería capaz de integrar todas las funciones clave del láser, incluida la ganancia, la cavidad del láser y el bloqueador de longitud de onda, en el mismo chip, lo que daría como resultado un aumento significativo en la integración, una reducción del tamaño y una reducción del consumo de energía. La realización de esta tecnología sentará una base sólida para el desarrollo de dispositivos de comunicación óptica de próxima generación.
Promoción de una mayor reducción del tamaño de los láseres sintonizables
En el futuro, para reducir aún más el tamaño de los láseres sintonizables, será necesario lograr un alto grado de integración de sus componentes internos.
Por ejemplo, cada láser sintonizable se basa en un conjunto de bloqueo de longitud de onda para garantizar la estabilidad de la salida del láser en diversas condiciones ambientales, como la temperatura.
La integración del conjunto del casillero de longitud de onda directamente en el chip láser, en lugar de a través de conexiones externas, reduce significativamente la huella de espacio y el consumo de energía del paquete láser.
EFFECT Photonics, líder holandés en tecnología de integración óptica, ha ideado una solución innovadora: ha desarrollado una solución de un solo chip compatible con una amplia gama de láseres sintonizables, que integra todas las funciones, incluido el bloqueador de longitud de onda, en un solo chip. . Esta configuración es ideal para reducir el consumo de energía e impulsar la producción en masa.
Al integrar todas las funciones del láser sintonizable en un solo chip, EFFECT Photonics ha desarrollado con éxito el nuevo módulo pico-ITLA (pITLA), que será el ITLA más pequeño para aplicaciones coherentes en todo el mundo.
pITLA es un producto con visión de futuro para la integración de láser sintonizable que incluye todas las funciones del láser en un paquete que tiene solo el 20% del tamaño de un módulo nanoITLA. Es sólo el 20% del tamaño de un módulo nanoITLA. Como se muestra en la Figura 6, el pITLA parece extremadamente pequeño incluso en comparación con una cerilla estándar.

Figura 3: Evolución del factor de forma y reducción de tamaño del módulo ITLA de óptica coherente, 2011-2023

El impacto de los láseres integrados miniaturizados va mucho más allá de la ventaja del tamaño; es igualmente fundamental para mejorar la eficiencia energética. Los diseños de láser más compactos a menudo pueden funcionar a voltajes y corrientes más bajos, lo que ayuda a mejorar el rendimiento térmico y minimizar las pérdidas de acoplamiento.
Y la integración fotónica es un factor clave para lograr estas mejoras de rendimiento: al combinar múltiples funciones en un solo chip, se puede maximizar la eficiencia.
Los dispositivos enchufables coherentes de tamaño QSFP28- compactos y energéticamente eficientes y los láseres sintonizables miniaturizados que los acompañan tienen una gran demanda a medida que avanzamos en el uso de la tecnología coherente 100G en las redes de acceso. Los módulos pITLA de EFFECT Photonics son un paso importante en este proceso de integración y miniaturización.
Con solo el 20% del tamaño de un módulo nanoITLA, el pITLA no solo cumple con las expectativas de la industria de un tamaño más pequeño, sino que también demuestra la búsqueda y el impulso continuos para crear láseres sintonizables compactos, eficientes y escalables en el borde de las redes ópticas.