Fotónica de silicio y láseres en transceptores ópticos de 100G

La arquitectura de red de 100G se ha convertido paulatinamente en la tendencia dominante en el despliegue de redes de centros de datos actuales, promoviendo la expansión de los transceptores de 100G en el mercado. A largo plazo, la necesidad de actualización de los centros de datos será inminente. En la industria se cree generalmente que la red evolucionará hacia una arquitectura de red de 400G y que impulsará la demanda del mercado y la innovación técnica del módulo óptico de 400G. Al mismo tiempo, la fotónica de silicio, la nueva idea que usaría los principios de la fibra óptica dentro de los dispositivos, se ha ido extendiendo entre los principales competidores del sector, incluyendo Intel, IBM y HP.

El láser del transceptor de fibra óptica

Los láseres son los dispositivos centrales de los transceptores ópticos, los cuales inyectan corriente en los materiales semiconductores e inyectan luz láser a través de las oscilaciones de los fotones y de las ganancias en el resonador. El láser, que representa el 60% del costo del módulo transceptor, está estrechamente relacionado con la distancia de transmisión del transceptor. Los tipos de láser típicos en el mercado incluyen VCSEL, FP, DFB, DML y EML. En la siguiente tabla se indican las longitudes de onda, el patrón de trabajo y las aplicaciones de los mismos.

Transceptor óptico QSFP28 de 100G de láser y fotónica de silicio

El láser VCSEL se caracteriza por su pequeño tamaño, alta tasa de acoplamiento, bajo consumo de energía y un precio bajo, siendo el más favorable para el transceptor óptico 100G-SR4 QSFP28, el cual se despliega principalmente en la red de fibra multimodo de 100G.

El EML tiene menos dispersión de longitud de onda y una longitud de onda estable a alta velocidad. La frecuencia de respuesta del EML depende de la capacidad de la sección EAM, y es capaz de alcanzar altas velocidades de operación incluso por encima de los 40 GHz. A menudo, es adoptado por los transceptores 100G-ER4 y 100G-LR4 QSFP28 que han sido diseñados para aplicaciones sobre fibra monomodo (SMF) con distancias de transmisión de hasta 10 km.

Los DML se utilizan principalmente para velocidades relativamente más bajas (≤25Gbps) y alcances más cortos (2-10km) en aplicaciones de telecomunicaciones y datacom, debido a limitaciones tales como una mayor dispersión cromática, una respuesta de frecuencia más baja y un índice de extinción relativamente bajo, en comparación con los EML. Las ópticas de 100G-CWDM4 QSFP28 para programas CWDM de más de 2km adoptan frecuentemente el láser DML.

Respecto al transceptor 100G-PSM4 QSFP28, Intel ha consolidado un nuevo avance tecnológico en los chips, logrando un volumen de envíos a 100 Gbps con transceptores ópticos PSM4 que aprovechan la tecnología fotónica del silicio. Además, las ventajas competitivas en cuanto a costos hacen que el transceptor ocupe el 80% de la cuota de mercado de los productos PSM4.

Ventajas y desafíos de la fotónica del silicio en la industria de los transceptores ópticos de 100G

En la actualidad, la ruta tecnológica de los productos comerciales de integración óptica se divide principalmente en InP y Si. Los láseres tales como el DFB, el DML y el EML pertenecen a la InP, cuya tecnología se encuentra relativamente consolidada, pero que supone un alto coste, es incompatible con el proceso CMOS, y cuyo material de sustrato sólo se duplica cada 2,6 años. El dispositivo fotónico de silicio de Si puede ser integrado a gran escala por dispositivos optoelectrónicos pasivos y circuitos integrados con el proceso CMOS. Se caracteriza por la alta densidad y el material del sustrato se duplica cada año.

Actualmente, el transceptor de 100G tiene un futuro brillante en la fotónica de silicio debido al debut del transceptor de fotónica de silicio de Intel, sin embargo, se han presentado algunos obstáculos durante su desarrollo.

Es necesario integrar la fotónica con la microelectrónica basada en el silicio. El silicio es un semiconductor indirecto de banda ancha, incapaz de emitir luz de manera eficiente, por lo que se requiere la luz independiente, que, sin embargo, no cumple con la ley de Moore. Cuanto mayor sea la integración acoplada, mayor será el costo, lo que a la larga compensa las ventajas de costo de los materiales de silicio y la integración de los procesos.

Además, el transceptor fotónico de silicio es difícil de ensamblar, siendo de bajo rendimiento. El encapsulado de la interfaz fotónica de silicio está en su etapa incipiente, y el enigma se encuentra en el encapsulado de la interfaz óptica formada por el chip optoelectrónico y el conjunto de fibras ópticas, que requiere una alta precisión pero muestra una baja eficiencia. Con la tecnología actual resulta difícil lograr un encapsulado de alta calidad y de bajo costo. Desafortunadamente, el desempeño del producto impide la producción masiva de un transceptor fotónico de silicio.

¿Podrá la fotónica de silicio controlar el transceptor del centro de datos 400G?

La fotónica de silicio representa una tendencia irrefutable en la industria de los transceptores ópticos de 100G a largo plazo, y puede hacer incursiones en el mercado de los transceptores de 400G.

Ante la demanda de la red de alta velocidad de 400G, aunque la tecnología coherente multicanal propuesta reduce la necesidad de un chip láser, el coste global es mayor. Sin embargo, la tecnología de un solo canal tiene requisitos mucho más altos en cuanto a los chips. En el caso del módulo óptico 100G, el láser tradicional se encuentra cerca del límite del ancho de banda, y el único láser LEM posible tiene un costo relativamente alto. En vista de ello, la fotónica de silicio podría convertirse en la corriente principal en la era de los 400G, si se pueden resolver los problemas anteriormente mencionados.

Conclusión

Aunque la óptica de los transceptores fotónicos de silicio puede convertirse en la corriente principal en la era de los módulos ópticos de 400G, la red de 100G sigue prevaleciendo por el momento. El chip láser del módulo óptico de 100G QSFP28 sigue dominado por los láseres VCSEL, EML y DML. El despliegue del centro de datos Ethernet de 100G ha llamado mucho la atención hacia la fotónica de silicio; gran parte de los módulos transceptores ópticos de 100G están hechos a partir de la tecnología de la fotónica de silicio.