El caso de la fotónica de silicio frente al láser en el sector 100G

En el desafiante entorno actual, la arquitectura de red 100G se ha convertido en la opción definitiva. Como resultado, se observa un auge continuo en el mercado de transceptores ópticos 100G. Sin embargo, esto no es el final, sino que puede considerarse el principio de una nueva era. En general, se supone que la red evolucionará hacia una arquitectura de red de 400G de nivel superior. En consecuencia, es posible que veamos un desarrollo de los módulos transceptores ópticos de 400G impulsado por el mercado. Por otro lado, podemos observar que muchos grandes actores del mercado, como HP, IBM e Intel, están persiguiendo su interés en la fotónica de silicio.

La fotónica del silicio es una tecnología de vanguardia que utiliza haces ópticos para transferir datos entre distintos dispositivos y componentes digitales. Los haces ópticos pueden proporcionar una mayor velocidad de transmisión de datos que los conductores eléctricos. La fotónica de silicio es una tecnología aún en desarrollo y sólo está en manos de gigantes tecnológicos. Sin embargo, los expertos del sector son muy optimistas respecto a esta tecnología y al potencial impacto revolucionario que puede aportar.

Los láseres pueden considerarse componentes básicos de los dispositivos ópticos de transmisión y recepción. Se calcula que el 60 % del coste del módulo se debe al láser que contiene. Es importante señalar que el láser está estrechamente relacionado con la distancia de transmisión del transceptor óptico. Hoy en día existen diferentes tipos de láser en el mercado, como FP, EML, DML, DFB, VCSEL, etc. La siguiente tabla contiene información resumida sobre los distintos tipos de láser.

Láseres VCSEL

En las redes de fibra multimodo 100G, los láseres 100G-SR4 QSFP28 de tipo VCSEL se utilizan a menudo para controlar los módulos ópticos 100G-SR4 QSFP28. Los láseres VCSEL tienen un bajo consumo de energía, un tamaño pequeño, una alta tasa de acoplamiento y están disponibles a un precio relativamente bajo.

Láseres EML

Gracias a su baja dispersión de longitud de onda, el EML ofrece un funcionamiento estable incluso a altas velocidades. El láser EML de un solo chip consta de un modulador de electroabsorción integrado directamente en el diodo láser. La respuesta en frecuencia de este tipo de láser viene determinada por la capacitancia de la pieza EAM (modulador de electroabsorción), y puede alcanzar velocidades de funcionamiento más altas, de hasta 40 GHz e incluso superiores. Los láseres EML se utilizan ampliamente en el diseño de transceptores 100G-LR4 QSFP28 y 100G-ER4, muy utilizados en redes de fibra monomodo para la transmisión de datos a distancias de hasta 10 km.

Láseres DML

Los láseres DML se prefieren para alcances relativamente cortos (2-10 km) y velocidades más bajas (≤25 Gbps) en comunicaciones de datos y telecomunicaciones. La menor respuesta en frecuencia, la mayor dispersión cromática y la relación de extinción relativamente baja son algunas de las principales diferencias entre los láseres EML y DML. Este tipo de láser se utiliza a menudo en ópticas 100G CWDM4 QSFP28 cuando se desea una conectividad basada en CWDM de hasta 2 kilómetros.

Fotónica de silicio

Como ya hemos comentado, la tecnología de fotónica de silicio es un nuevo avance que se ha convertido en una opción popular, especialmente en el rango 100G. Las principales empresas del sector de las redes se están centrando en desarrollar transceptores avanzados basados en fotónica de silicio para amortiguar el auge de las redes que se espera con la difusión de la tecnología 5G.

En la transmisión 5G, esta avanzada tecnología ayudará a transmitir una gran cantidad de datos a un coste relativamente bajo. Según un estudio, el mercado de la fotónica de silicio crecerá a una tasa anual compuesta (CAGR) de más del 30% entre 2020 y 2026. En la situación actual, los transceptores PSM de 100G basados en fotónica de silicio dominan el sector de 100G con una cuota de mercado de alrededor del 80%. El siguiente gráfico muestra el crecimiento previsto de los módulos ópticos basados en fotónica de silicio en los próximos años.

En el panorama actual, InP y Si son las dos tecnologías disponibles para el desarrollo de productos de integración óptica a escala comercial. Los láseres como EML, DML y DFB pertenecen a la familia InP, cuya tecnología es relativamente madura. Sin embargo, los láseres de InP son más caros y no son compatibles con CMOS. Por otro lado, los dispositivos fotónicos de Si-silicio ofrecen amplias posibilidades de integración con circuitos integrados y dispositivos optoelectrónicos mediante el proceso CMOS.

La gama actual de módulos 100G basados en fotónica de silicio demuestra el potencial de crecimiento de esta tecnología. Sin embargo, dista mucho de ser fácil. Existen ciertos retos relacionados con la integración y el uso eficiente de esta tecnología en la industria de transceptores ópticos, algunos de los cuales analizaremos a continuación.

1. embalaje

El empaquetado de chips ópticos de silicio y otros componentes optoeléctricos para construir un módulo óptico es complicado y difícil. Aunque la tecnología óptica de silicio existe desde hace muchos años y es bastante madura, todavía hay muchos retos técnicos en el proceso de empaquetado del chip de silicio al transceptor óptico. El coste y el rendimiento del embalaje son dos de los principales problemas que hay que optimizar.

2. integración del láser

Como sabemos, el silicio por sí mismo no puede emitir luz, y los módulos basados en esta tecnología requieren una fuente de luz externa que, al igual que los módulos ópticos convencionales, es un láser. Las fuentes de luz han sido fundamentales para la fotónica de silicio desde el principio, y el desarrollo de fuentes de luz prácticas para transceptores ópticos basados en silicio es uno de los focos de la investigación y el desarrollo. Las fuentes de luz fuera del chip pueden considerarse una "fuente de alimentación óptica" o "fuente de fotones" para el chip. En una aplicación determinada, la decisión de colocar la fuente de luz fuera o dentro del chip es situacional y depende de factores como el consumo medio de energía, el disipador de calor, el coste, el tamaño, la disipación de energía, etc.

3. gestión térmica

Los chips ópticos de silicio son sensibles a la temperatura y el impacto térmico sería aún mayor si se utilizara una estructura de rejilla. Por tanto, es necesario seguir optimizando el control del consumo de energía y las características estructurales para lograr un diseño rentable, fiable y eficiente desde el punto de vista energético.

La tecnología fotónica de silicio tiene sin duda el potencial de revolucionar el sector de las redes. Sin embargo, aún se encuentra en fase de desarrollo. Todavía hay que superar muchos retos relacionados con la integración de esta nueva tecnología basada en chips con otros componentes optoeléctricos. Es encomiable que se estén haciendo muchos esfuerzos de investigación y desarrollo en este campo. Según diversos estudios, la tecnología fotónica de silicio ganará una clara cuota en el sector de 400G. Sin embargo, el sector 100G está dominado actualmente por los láseres.