Los chips fotónicos, también llamados circuitos fotónicos integrados (en inglés photonic integrated circuits —PIC—), son dispositivos que incorporan electrónica y fotónica. Los chips microelectrónicos procesan información codificada en pequeños voltajes o corrientes eléctricos. Los fotónicos, en cambio, generan, detectan y procesan fotones; es decir, luz. En general, es luz del infrarrojo cercano y, en algunos casos, del espectro visible.
LLUÍS TORNER. Catedrático de la UPC y director fundador del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)
Los chips microelectrónicos se desarrollaron rápidamente a partir de la invención del transistor en materiales semiconductores y del concepto de integración en mitad del siglo pasado, con el objetivo de hacer dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y compactos. En paralelo, poco después de la construcción de los primeros láseres, se propuso la idea de integrar dispositivos fotónicos, también con el objetivo de aumentar el nivel de miniaturización. No obstante, mientras que en el ámbito de la microelectrónica, el progreso, ilustrado por la famosa ley de Moore, ha sido generalizado, en el caso de la fotónica, el avance ha sido diferente. Una de las razones principales de esta diferencia es la naturaleza de los chips y los diferentes usos comerciales: los chips microelectrónicos son universales —en ordenadores, teléfonos, sensores, aparatos industriales y médicos, etc.—, mientras que los chips fotónicos son especializados.
Otra razón es que, mientras que los circuitos microelectrónicos están profundamente estandarizados y se basan esencialmente en silicio y sus diferentes variantes, los diferentes chips fotónicos existentes utilizan una gran variedad de materiales, a menudo con procesos de fabricación incompatibles entre sí en el supuesto de que se tuvieran que integrar en un mismo sustrato. Algunos chips fotónicos se basan en silicio, pero muchos lo hacen en materiales ferroeléctricos como el niobato de litio o el tantalato de litio, en diferentes materiales semiconductores como por ejemplo erbio, indio, fósforo, galio, arsénico, diferentes nitruros, y un largo etcétera, y también en varios polímeros y materiales orgánicos. A la lista se han añadido recientemente los llamados materiales bidimensionales, como el grafeno y todos sus numerosos primos. En general, el ideal que se persigue es empaquetarlo todo en circuitos sofisticados que incluyan toda la electrónica y toda la fotónica en el mismo chip. Queda mucho trabajo por hacer y hay que superar retos tecnológicos formidables.
Una de las líneas de investigación y desarrollo intensas en la actualidad en el sector es el interconexionado de chips microelectrónicos mediante chips fotónicos
Actualmente, los chips fotónicos se utilizan en numerosas aplicaciones, en número e importancia económica fuertemente creciente. El ejemplo más ilustrativo son los chips fotónicos, que son imprescindibles para las modernas redes de telecomunicaciones por fibra óptica, en las que hacen la conexión entre la información aportada por los ordenadores y teléfonos en formato electrónico y los fotones que transportan la información en todo el mundo en formato fotónico mediante enlaces terrestres y submarinos. También se utilizan chips fotónicos para presentar la información en las pantallas de los ordenadores y teléfonos y, cuando se trata de imágenes, para captarla. Asimismo, se utilizan chips fotónicos en la industria de la movilidad, en aparatos médicos, sistemas de visión y seguridad, sensores para todo tipo de aplicaciones y una amplia gama de productos industriales y de consumo.
Igual que los chips microelectrónicos, las tecnologías de chips fotónicos son estratégicas para la soberanía industrial y económica de los países
Con las gigantescas necesidades que está ya generando y que generará todavía más en el futuro el uso de los algoritmos de inteligencia artificial para todo tipo de actividades, una de las líneas de investigación y desarrollo intensas en la actualidad en el sector es el interconexionado de chips microelectrónicos mediante chips fotónicos, así como el posible uso de chips fotónicos para el procesamiento de información, todo ello motivado por la búsqueda de una reducción del gasto energético de los procesadores.
Las posibilidades de creación de valor en el ámbito son inmensas. Por un lado, el mercado global actual de los dispositivos fotónicos es ya significativo (algo más de un billón de euros, con previsio nes de llegar al billón y medio —parecido al PIB total de España— a finales de década), pero solo un pequeño porcentaje se ha integrado en PIC. Mucha fotónica no es integrable, pero hay un gran margen. Por otro lado, las prestaciones y posibilidades que ofrecen los chips fotónicos actualmente en investigación y desarrollo abren un abanico fascinante de posibilidades, en telecomunicaciones avanzadas, automoción sofisticada, nuevos sistemas de seguridad y defensa, nuevos sensores para la medicina, inteligencia artificial y tecnologías cuánticas, entre otras.
Igual que los chips microelectrónicos, las tecnologías de chips fotónicos son estratégicas para la soberanía industrial y económica de los países. Así pues, la Comisión Europea ha aprobado la creación de una línea piloto en chips fotónicos avanzados, denominada PIXEurope, con una dotación económica inicial de 380 millones de euros y el apoyo del PERTE Chip del Ministerio para la Transformación Digital de España, y de la Generalitat de Catalunya. Coordinada globalmente por el Dr. Valerio Pruneri, del ICFO en Barcelona, la línea piloto cuenta con la participación directa de entidades de Austria, Bélgica, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Polonia, Portugal, Países Bajos y Reino Unido. Dentro de España participan Catalunya, Valencia, Madrid y Galicia. La línea piloto consistirá en una cadena de fabricación optimizada para usuarios industriales del ecosistema europeo del sector. La coordinación de la línea piloto desde Barcelona es una gran oportunidad para todas las empresas nacionales, de cualquier sector, interesadas en madurar las tecnologías basadas en chips fotónicos.
