El chip óptico más rápido del mundo

En su laboratorio en Sunnyvale, CA, David Welch, cofundador de la startup de telecomunicaciones Infinera, sostiene una tira rígida de dos centímetros de ancho con cuatro rectángulos estampados de color dorado. Está hecho de fosfuro de indio, un semiconductor apreciado por sus propiedades ópticas. La apariencia simple del chip contradice su compleja ingeniería y da pocas pistas de que podría ser la clave para suministrar de forma económica el ancho de banda que demanda un mundo adicto a YouTube.

Aquí se muestran catorce circuitos integrados fotónicos de 100 gigabits colocados en un soporte de plástico para pruebas de rendimiento.

El dispositivo se llama circuito integrado fotónico y representa un importante avance práctico en la transmisión óptica de datos. Desde principios de la década de 1990, dicha transmisión se ha basado cada vez más en una técnica llamada multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Con WDM, los datos se codifican en hasta 80 rayos láser, cada uno con una longitud de onda diferente. Luego, esos rayos se combinan para un viaje por una fibra óptica más delgada que un cabello humano. En un nodo del otro extremo de la fibra, los haces se dividen en sus longitudes de onda constituyentes y la información se convierte en señales eléctricas que llegan a nuestras computadoras.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2007

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El equipo óptico requerido para hacer todo esto incluye láseres que envían luz, multiplexores que la dividen o recombinan, moduladores que la codifican con datos y detectores que la reciben. Tradicionalmente, estos dispositivos se han alojado en sus propios pequeños paquetes, cada uno del tamaño de un paquete de chicle, y las combinaciones de ellos eran voluminosas, caras y, a veces, poco fiables. Infinera, fundada en 2001 por ejecutivos y tecnólogos veteranos de líderes de telecomunicaciones ópticas como Ciena y JDS Uniphase, se propuso colocar docenas de estos componentes en un chip, de la misma manera que los ingenieros eléctricos combinan transistores en un circuito electrónico integrado. Lo que nadie había intentado hacer era esencialmente poner un sistema WDM completo en un par de chips [uno para enviar, el otro para recibir], y nadie había intentado fabricarlo comercialmente, dice Welch. Infinera no solo intentó hacer ambas cosas, sino que lo logró.

En 2004, la empresa introdujo el primer circuito integrado fotónico a gran escala: un chip con 50 componentes ópticos a nanoescala estampados en su superficie. Anteriormente, otros fabricantes de chips ópticos habían logrado integrar solo algunos de estos dispositivos en un solo chip. El primer dispositivo Infinera fue capaz de enviar o recibir 100 gigabits de información por segundo. Ahora la compañía ha demostrado un chip de 400 gigabits y está muy avanzada en el desarrollo de lo que describe como el chip óptico más rápido del mundo, una versión de 1.6 terabits que espera comercializar dentro de varios años. Los cuatro parches dorados del chip en la mano de Welch contienen un asombroso total de 240 componentes ópticos estampados.

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• Una demostración de cómo Infinera fabrica redes ópticas ultrarrápidas

Por supuesto, a pesar de las ventajas teóricas de una Internet totalmente óptica, ninguna red se basa completamente en la óptica. El equipo en los nodos de la red convierte las señales ópticas en eléctricas para poder limpiarlas y amplificarlas, o enviarlas a una computadora. La tecnología de Infinera también hace esto, pasando algunos trabajos a microprocesadores en una placa de circuito que luego los transferirá de regreso.

Pero el circuito integrado fotónico redujo el costo y la complejidad del proceso de conversión. Esta ventaja, a su vez, permitió a Infinera promover una nueva arquitectura de red, esencialmente, una con más nodos de red. Otras empresas habían tratado de mantener bajos los costos reduciendo el número de nodos, con sus dispositivos ópticos tradicionalmente voluminosos.

Tener más nodos significa más flexibilidad para agregar puntos de acceso y un mantenimiento y detección de fallas más fáciles. Por tanto, facilita la combinación de los beneficios de la óptica y la electrónica. Y el paquete Infinera, chips y placas de circuito, ocupa una quinta parte del espacio de la tecnología convencional.

A fines del año pasado, el consorcio Internet2, un grupo de más de 300 centros de investigación gubernamentales, universitarios y corporativos de EE. UU. Que necesitan un gran ancho de banda para compartir todo, desde datos de física de partículas hasta imágenes médicas, comenzó a implementar una nueva red óptica que utiliza los sistemas de Infinera. La tecnología de Infinera es única, dice Steve Cotter, director de servicios de red en Internet2. En lugar de intentar evitar las transiciones óptico-eléctricas, las hicieron rentables.

Fabricación fotónica

Hacer los chips Infinera no es una tarea sencilla. Los dispositivos ópticos son estructuras tridimensionales, mucho más difíciles de fabricar que los transistores de silicio bidimensionales. La fabricación de láseres, detectores, moduladores y otros componentes del chip terminado requiere depositar y grabar repetidamente muchas capas delgadas de diferentes materiales, como arseniuro de indio, galio y fosfuro de indio.

El proceso de Infinera comienza con una oblea de fosfuro de indio. La oblea se mueve a lo largo de una línea de ensamblaje, donde se recubre con una sustancia química espesa llamada fotorresistencia. La luz ultravioleta brilla a través de una máscara con diseños en forma de esténcil e irradia el fotorresistente, desarrollando de manera efectiva patrones intrincados que permiten que parte del material semiconductor permanezca en la oblea y que parte se grabe.

En un nivel alto, es lo mismo que la fotolitografía que utilizan empresas como Intel para fabricar microprocesadores de silicio para su PC. Pero hay una diferencia importante. En un chip Intel, todo es silicio. En óptica, se utilizan varios semiconductores con varias funciones, dice Welch. Y las obleas de fosfuro de indio pasan por muchas más rondas de deposición y grabado que las obleas de silicio. Infinera guarda silencio sobre los detalles de su proceso de fabricación, que fue diseñado con la ayuda de ingenieros con experiencia en tareas como la fabricación de microchips de silicio y diodos emisores de luz de producción masiva. Welch dice que la compañía tiene patentes exclusivas sobre aspectos clave de la tecnología para colocar una gran cantidad de dispositivos en obleas de fosfuro de indio.

El chip de 1,6 terabits se diferencia de la versión de 100 gigabits en gran medida en la cantidad de dispositivos que se integran en él. Cada chip de 100 gigabits contiene, entre otros componentes, 10 láseres, 10 detectores, 10 moduladores (que codifican datos encendiendo y apagando la luz) y 10 guías de ondas que dirigen los fotones a un multiplexor. Los 240 componentes del chip de 1,6 terabits incluyen 40 láseres, 40 detectores, 40 moduladores y 40 canales. Y cada modulador codifica datos cuatro veces más rápido.

Una vez que las obleas salen de la línea, se cortan en trozos, varios cientos de ellos. Finalmente, los chips se prueban para detectar posibles fallas, combinados con chips electrónicos construidos por Infinera en un dispositivo llamado tarjeta de línea, y se instalan en unidades de redes ópticas para su envío.

La demanda de servicios de voz y video por Internet está aumentando enormemente, lo que amenaza con abrumar la conexión típica de banda ancha, que transmite entre uno y seis megabits por segundo. Todos pensamos que la gente necesitará 25, 50 o 100 megabits, dice Welch. Para satisfacer esa demanda, las empresas de Internet tendrán que colocar más equipos en estaciones de conmutación que ya están abarrotadas. Dado que el tráfico de Internet crece de un 60 a un 100 por ciento por año, no puede seguir instalando estantes del tamaño de un refrigerador en el sótano, dice Welch. La integración fotónica se convierte en la tecnología que permite que Internet crezca.

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