소형화 및 고도의 통합이 레이저 개발의 핵심 제안이 됨

차세대 응집성 플러그형 장치의 목표를 실현하려면 차세대 조정 가능 레이저가 완전히 새로운 수준의 광전자 통합에 도달해야 합니다.
레이저의 소형화 및 통합은 단지 크기 문제가 아니라 더 중요한 것은 이러한 레이저의 전력 효율성을 향상시키는 방법이라는 점에 주목할 가치가 있습니다. 향상된 에너지 효율성 측면에서 소형 레이저가 제공하는 몇 가지 이점은 다음과 같습니다.
첫째, 소형 레이저는 작동 전압과 전류 요구 사항이 더 낮습니다. 이는 고도로 통합된 레이저 설계가 기존 대형 레이저보다 훨씬 낮은 임계값 전압 및 전류를 허용하는 고급 프로세스 및 재료를 활용하는 경우가 많기 때문입니다.
둘째, 컴팩트한 디자인으로 방열 성능이 향상되었습니다. 소형 레이저의 경우 레이저 칩 내에서 빛이 이동하는 거리가 훨씬 짧아 빛 손실과 열 방출 문제를 최소화하는 데 도움이 됩니다.
또한 고도로 통합된 레이저는 결합 손실을 줄일 수 있습니다. 포토닉스에서 자유 공간 광학과 칩 간의 결합은 항상 기술적 과제였습니다. 단일 칩에 여러 기능을 통합함으로써 새로운 레이저는 이러한 결합 및 관련 손실을 피할 수 있습니다.
크기와 전력 소비를 줄이려면 광자 통합이 필수적입니다. 점점 더 많은 구성 요소가 단일 칩에 통합됨에 따라 손실이 점차 감소하고 이에 따라 광 트랜시버의 효율성이 향상됩니다.
레이저 통합 기술의 성공과 과제
조정 가능한 레이저 통합 기술은 지난 10년 동안 크게 발전하여 더 작은 크기와 더 높은 통합에 대한 시장의 긴급한 요구를 대부분 충족했습니다.
2011년에 가변 레이저는 가변 레이저 조립품 통합(ITLA)을 위한 다중 소스 계약(MSA)의 지침을 따랐으며 처음에는 통합 잠재력을 입증했습니다.
2015년에는 조정 가능한 레이저가 더욱 소형화되어 원래 ITLA 패키지 크기의 22%에 불과한 소형 마이크로 ITLA 형태로 시장에 출시되어 장치 크기를 크게 줄였습니다.
2019년에는 마이크로 ITLA의 39%에 불과한 모듈인 나노 ITLA의 등장으로 크기를 더욱 줄여 기술 개발의 연속성과 끊임없는 발전을 반영했다.

그림 1: 간섭성 광학 조정 가능 레이저 형상 인자 2011-2021의 진화
이러한 인상적인 발전에도 불구하고 레이저 통합 기술은 특히 QSFP28 플러그형 장치에 대한 수요가 증가하는 100G ZR 일관성 액세스 공간에서 여전히 추가 통합 문제에 직면해 있습니다.
QSFP28 플러그형 모듈은 QSFP-DD 모듈보다 전력 소비가 적고 설치 공간이 작으므로 QSFP-DD 모듈과 동일한 레이저를 사용해서는 안 됩니다. 필요한 것 - 더 작은 설치 공간과 더 낮은 전력 소비를 갖춘 전용 레이저 솔루션입니다.

그림 2: 100G 애플리케이션에 대한 QSFP-DD와 QSFP-28 폼 팩터 비교
이러한 목표를 달성하기 위해서는 모놀리식 레이저의 개발이 중요해졌습니다.
이상적으로 이러한 레이저는 게인, 레이저 캐비티, 파장 로커를 포함한 모든 주요 레이저 기능을 동일한 칩에 통합할 수 있어 통합이 크게 증가하고 크기가 감소하며 전력 소비가 감소합니다. 이 기술의 구현은 차세대 광통신 장치 개발을 위한 견고한 기반을 마련할 것입니다.
파장 가변 레이저의 소형화 촉진
앞으로 파장 가변 레이저의 크기를 더욱 줄이기 위해서는 내부 구성 요소의 높은 통합 수준을 실현해야 합니다.
예를 들어, 각 조정 가능한 레이저는 온도와 같은 다양한 환경 조건에서 레이저 출력의 안정성을 보장하기 위해 파장 로커 어셈블리를 사용합니다.
외부 연결을 통하지 않고 파장 로커 어셈블리를 레이저 칩에 직접 통합하면 레이저 패키지의 공간 면적과 에너지 소비가 크게 줄어듭니다.
광학 통합 기술 분야의 네덜란드 선두주자인 EFFECT Photonics는 혁신적인 솔루션을 내놓았습니다. 파장 로커를 포함한 모든 기능을 단일 칩에 통합하는 광범위한 가변 파장 레이저와 호환되는 단일 칩 솔루션을 개발했습니다. . 이 구성은 전력 소비를 줄이고 대량 생산을 촉진하는 데 이상적입니다.
EFFECT Photonics는 조정 가능한 모든 레이저 기능을 단일 칩에 통합함으로써 전 세계적으로 일관된 애플리케이션을 위한 가장 작은 ITLA가 될 새로운 pico-ITLA(pITLA) 모듈을 성공적으로 개발했습니다.
pITLA는 nanoITLA 모듈 크기의 20%에 불과한 패키지에 모든 레이저 기능을 포함하는 조정 가능한 레이저 통합을 위한 미래 지향적인 제품입니다. 이는 nanoITLA 모듈 크기의 20%에 불과합니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 pITLA는 표준 성냥개비와 비교해도 매우 작게 나타납니다.

그림 3: 코히어런트 옵틱스 ITLA 모듈 폼 팩터 및 크기 감소의 발전, 2011-2023

소형화된 통합 레이저의 영향은 크기 이점을 훨씬 뛰어넘습니다. 이는 전력 효율성을 향상시키는 데에도 똑같이 중요합니다. 보다 컴팩트한 레이저 설계는 종종 더 낮은 전압과 전류에서 작동할 수 있으므로 열 성능을 향상시키고 결합 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
그리고 광자 통합은 이러한 성능 향상을 달성하는 핵심 요소입니다. 단일 칩에 여러 기능을 결합하면 효율성이 극대화될 수 있습니다.
액세스 네트워크에서 100G 코히어런트 기술의 사용이 발전함에 따라 작고 에너지 효율적인 QSFP28-크기의 코히어런트 플러그형 장치와 함께 제공되는 소형 조정 가능 레이저에 대한 수요가 높습니다. EFFECT Photonics의 pITLA 모듈은 이러한 통합 및 소형화 프로세스에서 중요한 단계입니다.
nanoITLA 모듈 크기의 20%에 불과한 pITLA는 더 작은 크기에 대한 업계의 기대를 충족할 뿐만 아니라 광 네트워크 가장자리에서 작고 효율적이며 확장 가능한 조정 가능한 레이저를 실현하기 위한 지속적인 추구와 추진력을 보여줍니다.