Els xips fotònics, també anomenats circuits fotònics integrats (en anglès photonic integrated circuits —PIC—), són dispositius que incorporen electrònica i fotònica. Els xips microelectrònics processen informació codificada en petits voltatges o corrents elèctrics. Els fotònics, en canvi, generen, detecten i processen fotons; és a dir, llum. En general, és llum de l’infraroig proper i, en alguns casos, de l’espectre visible.
LLUÍS TORNER. Catedràtic de la UPC i director fundador de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO).
Els xips microelectrònics es van desenvolupar ràpidament a partir de la invenció del transistor en materials semiconductors i del concepte d’integració a la meitat del segle passat, amb l’objectiu de fer dispositius electrònics cada vegada més petits i compactes. En paral·lel, poc després de la construcció dels primers làsers, es va proposar la idea d’integrar dispositius fotònics, també amb l’objectiu d’augmentar el nivell de miniaturització. Això no obstant, mentre que en la microelectrònica, el progrés, il·lustrat per la famosa llei de Moore, ha estat generalitzat, en el cas de la fotònica, l’avenç ha estat diferent. Una de les raons principals de la diferència és la naturalesa dels xips i els diferents usos comercials: els xips microelectrònics són universals —en ordinadors, telèfons, sensors, aparells industrials i mèdics, etc.—, mentre que els xips fotònics són especialitzats.
Una altra raó és que, mentre que els circuits microelectrònics estan profundament estandarditzats i es basen essencialment en silici i les diferents variants, els diversos xips fotònics existents utilitzen una gran varietat de materials, sovint amb processos de fabricació incompatibles entre si en el cas que s’haguessin d’integrar en un mateix substrat. Alguns xips fotònics es basen en silici, però molts ho fan en materials ferroelèctrics com el niobat de liti o el tantalat de liti, en múltiples materials semiconductors com ara erbi, indi, fòsfor, gal·li, arseni, diversos nitrurs, i un llarg etcètera, i també en diversos polímers i materials orgànics. A la llista s’hi han afegit recentment els anomenats materials bidimensionals, com el grafè i tots els seus nombrosos cosins. En general, l’ideal que es persegueix és empaquetar-ho tot plegat en circuits sofisticats que incloguin tota l’electrònica i tota la fotònica al mateix xip. Queda molta feina per fer i cal superar reptes tecnològics formidables.
Una de les línies de recerca i desenvolupament intenses en l’actualitat en el sector és la interconnexió de xips microelectrònics mitjançant xips fotònics
Actualment, els xips fotònics s’utilitzen en nombroses aplicacions, en nombre i importància econòmica fortament creixent. L’exemple més il·lustratiu són els xips fotònics, que són imprescindibles per a les modernes xarxes de telecomunicacions per fibra òptica, en què fan la connexió entre la informació aportada pels ordinadors i telèfons en format electrònic i els fotons que transporten la informació arreu del món en format fotònic mitjançant enllaços terrestres i submarins. També s’utilitzen xips fotònics per presentar la informació a les pantalles dels ordinadors i telèfons i, quan es tracta d’imatges, per captar-la. Així mateix, s’utilitzen xips fotònics en la indústria de la mobilitat, en aparells mèdics, sistemes de visió i seguretat, sensors per a tota mena d’aplicacions i una àmplia gamma de productes industrials i de consum.
Amb les gegantines necessitats que està ja generant i que generarà encara més en el futur l’ús dels algorismes d’intel·ligència artificial per a tota mena d’activitats, una de les línies de recerca i desenvolupament intenses en l’actualitat en el sector és la interconnexió de xips microelectrònics mitjançant xips fotònics, així com el possible ús de xips fotònics per al processament d’informació, tot plegat motivat per la cerca d’una reducció de la despesa energètica dels processadors.
Igual que los chips microelectrónicos, las tecnologías de chips fotónicos son estratégicas para la soberanía industrial y económica de los países
Les possibilitats de creació de valor en l’àmbit són immenses. Per una banda, el mercat global actual dels dispositius fotònics és ja significatiu (una mica més d’un bilió d’euros, amb previsions d’arribar al bilió i mig —semblant al PIB total d’Espanya— a final de la dècada), però només un petit percentatge s’ha integrat en PIC. Molta fotònica no és integrable, però hi ha un gran marge. Per altra banda, les prestacions i possibilitats que ofereixen els xips fotònics actualment en recerca i desenvolupament obren un ventall fascinant de possibilitats, en telecomunicacions avançades, automoció sofisticada, nous sistemes de seguretat i defensa, nous sensors per medecina, intel·ligència artificial i tecnologies quàntiques, entre d’altres.
Igualment que els xips microelectrònics, les tecnologies de xips fotònics són estratègiques per a la sobirania industrial i econòmica dels països. Així doncs, la Comissió Europea ha aprovat la creació d’una línia pilot en xips fotònics avançats, anomenada PIXEurope, amb una dotació econòmica inicial de 380 milions d’euros i el suport del PERTE Chip del Ministerio para la Transformación Digital de España, i de la Generalitat de Catalunya. Coordinada globalment pel Dr. Valerio Pruneri, de l’ICFO a Barcelona, la línia pilot compta amb la participació directa d’entitats d’Àustria, Bèlgica, Finlàndia, França, Irlanda, Itàlia, Polònia, Portugal, els Països Baixos i el Regne Unit. Dins d’Espanya hi participen Catalunya, València, Madrid i Galícia. La línia pilot consistirà en una cadena de fabricació optimitzada per a usuaris industrials de l’ecosistema europeu del sector. La coordinació de la línia pilot des de Barcelona és una oportunitat de primer ordre per a totes les empreses nacionals, de qualsevol sector, interessades a madurar les tecnologies basades en xips fotònics.
