Componentes optoelectrónicos

1. Un poco de historia

No podemos empezar este capítulo sin recordar un poco lo que debemos a los descubridores del siglo pasado.

Máser y láser

Maser es el acrónimo de microwave amplification by stimulated emission of radiation, es decir, en español amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación.

La teoría del máser y su invención en 1954 se deben, casi simultáneamente, al estadounidense Charles Townes (Greenville, 1915 - Oakland, 2015) y su equipo y a dos físicos rusos, Alexander Mikhailovich Prokhorov (Atherton, 1916 - Moscú, 2002) y Nikolai Gennadyevich Bassov (Usman, 1922 - Moscú, 2001).

Los tres fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1964: "por sus trabajos fundamentales en electrónica cuántica, que condujeron a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser".

El funcionamiento de los máseres se basa en el fenómeno de la emisión inducida, sugerido por Albert Einstein (Ulm, 1897 - Princeton, 1955) en 1917:

El láser toma su nombre de las siglas en inglés de light amplification by stimulated emission of radiation, es decir, en español amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son una variedad de máseres utilizados como fuentes de luz que producen ondas monocromáticas coherentes.

Los primeros láseres

Fue en 1958 o 1960 (según la publicación) cuando Theodore Maiman (Los Ángeles, 1927 - Vancouver, 2007) desarrolló el primer máser óptico, es decir, el primer láser. Lo fabricó a partir de una barra de rubí sintético, plateada en los extremos. Este cristal se somete a la luz de un destello verde, que mueve los electrones de los átomos de cromo hacia órbitas inestables. Un débil rayo rojo, actuando...

1. Información general sobre receptores optoelectrónicos

La función de un receptor optoelectrónico o fotodetector es transformar una señal óptica en una señal eléctrica.

Función de un receptor optoelectrónico

En el contexto de las comunicaciones ópticas, los fotodetectores deben tener tres cualidades principales:

Existen dos tipos principales de fotodetectores semiconductores utilizados en telecomunicaciones ópticas: los fotodiodos PIN y los fotodiodos de avalancha.

2. Fotodiodos PIN

En primer lugar, un semiconductor "intrínseco" es un sólido cristalino cuya conductividad aumenta con la temperatura. Para mejorar esta conductividad, estos semiconductores se potencian introduciendo impurezas en la red cristalina. Se obtienen así semiconductores extrínsecos. El dopaje con impurezas "donantes" aumenta la densidad de cargas negativas, tipo N; el dopaje con impurezas "aceptoras" aumenta la densidad de cargas positivas, tipo P.

Un fotodiodo...

1. XFP

Definido en 2002 por la asociación industrial XFP-MSA, este módulo óptico XFP (X de 10 en números romanos, F de form-factor y P de pluggable) permite velocidades de datos de hasta 10 Gbit/s, como con Ethernet 10 GbE. Es enchufable mediante conectores LC. La asociación se disolvió en 2009. Fabricantes como Cisco han anunciado que estos productos dejarán de comercializarse a partir de julio de 2024.

2. CXP y CXP2

Creado en 2009, el módulo óptico CXP (C, en hexadecimal, significa 12, X de extended capability y P de pluggable), es una interfaz que ofrece 12 canales a 10 Gbit/s por canal para proporcionar un ancho de banda total de 120 Gbit/s en teoría y 96 Gbit/s en la realidad. Presenta conectividad MPO 12+12 (12 fibras para transmisión y 12 fibras para recepción) y se utiliza para aplicaciones Ethernet de 100 Gbit/s, 100 GbE y protocolo InfiniBand.

La versión CXP2 se desarrolló en 2016 y ofrece una mejora significativa en términos de espacio y velocidad. Puede alcanzar 26 Gbit/s por enlace, es decir, 300 Gbit/s (12 x 25 Gbit/s). Los conectores son MPO 12 + 12, como en el CXP. Estos módulos CXP y CXP+ funcionan con fibras multimodo OMx en distancias cortas.

3. Emisores-receptores SFP y SFP-DD

1. Acopladores ópticos

Un acoplador óptico (en inglés, splitter) es un componente pasivo que no afecta al contenido de la señal luminosa. Su función es simplemente distribuir la potencia de una fibra principal a otra u otras fibras o, a la inversa, devolver las señales de varias fibras para enviarlas a otra.

Existen varios tipos de acoplador: en forma de X con dos entradas y dos salidas, en forma de Y con una entrada y dos salidas o viceversa, en forma de estrella con n entradas y n o p salidas, etc. Los valores más comunes son 1 x 2, 1 x 8, 1 x 16, 1 x 32 o 1 x 64. Las dimensiones externas de las fibras suelen ser de 250 µm o 900 µm. Hay que tener en cuenta que muchos fabricantes ofrecen acopladores preconectorizados para evitar tener que hacer empalmes in situ.

Otra clasificación considera los acopladores independientes de la polarización y los acopladores dependientes de la polarización, que a su vez se clasifican en acopladores que mantienen la polarización o acopladores que la separan.

Principio y ejemplo de un acoplador óptico

La principal área...

1. ¿Por qué cables ópticos activos?

En los centros informáticos, ya sean centros de datos (data centers), almacenes de datos (data warehouse o mammoth data center) o centros de computación de alto rendimiento (high performance computing - HPC) equipados con superordenadores, los cables que unen las distintas unidades de computación y almacenamiento han experimentado dos grandes cambios:

A modo de ejemplo, el aumento de la potencia de cálculo en los centros de computación de alto rendimiento (HPC) es tal que se denominan ordenadores exescala, es decir, con una potencia de cálculo superior a un exaflop (mil millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo). Estas máquinas se presentan en forma de agrupaciones de varios miles de servidores (computer cluster) que deben estar conectados entre sí y a unidades de almacenamiento y otros equipos.

Fue en noviembre de 2022 cuando se rompió por primera vez la barrera del exaflop. Fue con el superordenador Frontier, basado en la arquitectura HPE Cray EX235a, que utiliza procesadores AMD EPYC 64C a 2 GHz y cuenta con 8.699.904 núcleos.

Puede encontrar más información aquí: https://www.top500.org

Como resultado, las fibras ópticas han encontrado un campo de aplicación clave en los cables ópticos activos (active optical cable - AOC).

2. Visión general de un cable óptico activo

Un cable óptico activo es un enlace de cableado entre equipos eléctricos. Acepta las mismas entradas y salidas eléctricas que un cable de cobre activo, pero su soporte entre conectores es una fibra óptica. Los cables ópticos activos constan de cuatro partes:

1. Historia de los circuitos integrados fotónicos

Para hacer frente al crecimiento casi exponencial de los flujos de información, las redes gigabit de comunicación por fibra óptica, que antes transportaban varios centenares de gigabits por segundo, se están convirtiendo en redes terabit. En otras palabras, son capaces de transportar flujos de información del orden de un terabit por segundo, es decir, un caudal de mil billones de bits binarios de información -0 o 1- transmitidos en un solo segundo, a través de una sola fibra óptica.

¿Cómo se produce este "milagro"? La respuesta se puede resumir en tres palabras: circuito fotónico integrado (photonic integrated circuit - PIC) o dos palabras: optochip y una definición: "Un PIC es un dispositivo sobre un sustrato plano en el que la luz es guiada en el plano del sustrato desde un componente óptico, hasta al menos otro componente óptico".

Aspectos generales

Estos circuitos integrados fotónicos reflejan las tendencias y la evolución que hemos observado en las últimas décadas en el campo de los circuitos y componentes electrónicos: cada vez más pequeños porque cada vez están más condensados, cada vez son más eficientes, cada vez consumen menos energía, etc. En cierto modo, ilustran la continuidad de la aplicación de la ley de Gordon Moore en el campo de la fotónica.

Estos circuitos representan un verdadero avance tecnológico, ya que en un par de PIC se integran varias docenas de funciones: una de transmisión y otra de recepción. Las funciones clave son la modulación de la señal, como QPSK (quadrature phase shift keying), DWDM (dense wavelength division multiplexing), la compensación de la dispersión cromática, el tratamiento de la dispersión en el modo de polarización, la corrección de errores (forward error correction - FEC), etc. Y, sobre todo, la drástica reducción de las conversiones O-E-O (óptico-eléctrico-ópticas) y de los costes asociados.

Año de despegue

En septiembre de 2004, la start-up estadounidense Infinera Corporation provocó el despegue de los chips fotónicos. La empresa presentó un estudio sobre...