Un circuito integrado fotónico ( PIC ) o circuito óptico integrado es un microchip que contiene dos o más componentes fotónicos que forman un circuito funcional. Esta tecnología detecta, genera, transporta y procesa la luz. Los circuitos integrados fotónicos utilizan fotones (o partículas de luz) a diferencia de los electrones que utilizan los circuitos integrados electrónicos . La principal diferencia entre los dos es que un circuito integrado fotónico proporciona funciones para señales de información impuestas en longitudes de onda ópticas típicamente en el espectro visible o infrarrojo cercano (850-1650 nm).
Una de las plataformas de materiales más utilizadas comercialmente para circuitos integrados fotónicos es el fosfuro de indio (InP), que permite la integración de varias funciones ópticamente activas y pasivas en el mismo chip. Los ejemplos iniciales de circuitos integrados fotónicos fueron láseres de reflector Bragg (DBR) distribuidos simples de 2 secciones , que constan de dos secciones de dispositivo controladas independientemente: una sección de ganancia y una sección de espejo DBR. En consecuencia, todos los láseres monolíticos sintonizables modernos, los láseres ampliamente sintonizables, los láseres y transmisores modulados externamente , los receptores integrados, etc. son ejemplos de circuitos integrados fotónicos. A partir de 2012, los dispositivos integran cientos de funciones en un solo chip. [1] Un trabajo pionero en este campo se realizó en los Laboratorios Bell. Los centros académicos de excelencia de circuitos integrados fotónicos más destacados en InP son la Universidad de California en Santa Bárbara, EE. UU., la Universidad Tecnológica de Eindhoven y la Universidad de Twente en los Países Bajos.
Un desarrollo de 2005 [2] demostró que el silicio puede, aunque sea un material de banda prohibida indirecta, seguir utilizándose para generar luz láser mediante la no linealidad Raman. Estos láseres no son accionados eléctricamente sino ópticamente y, por lo tanto, siguen necesitando otra fuente láser de bombeo óptico.
La fotónica es la ciencia detrás de la detección, generación y manipulación de fotones . Según la mecánica cuántica y el concepto de dualidad onda-partícula propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1905, la luz actúa como onda electromagnética y como partícula. Por ejemplo, la reflexión interna total en una fibra óptica le permite actuar como guía de ondas .
Los circuitos integrados que utilizan componentes eléctricos se desarrollaron por primera vez a finales de los años 1940 y principios de los 1950, pero hubo que esperar hasta 1958 para que estuvieran disponibles comercialmente. Cuando se inventaron el láser y el diodo láser en la década de 1960, el término "fotónica" se hizo más común para describir la aplicación de la luz para reemplazar aplicaciones logradas anteriormente mediante el uso de la electrónica.
En la década de 1980, la fotónica ganó fuerza gracias a su papel en la comunicación por fibra óptica. A principios de la década, Meint Smit, asistente de un nuevo grupo de investigación en la Universidad Tecnológica de Delft , comenzó a ser pionero en el campo de la fotónica integrada. Se le atribuye la invención de la rejilla Arrayed Waveguide Grating (AWG) : un componente central de las conexiones digitales modernas para Internet y teléfonos. Smit ha recibido varios premios, incluida una ERC Advanced Grant, un Rank Prize for Optoelectronics y un LEOS Technical Achievement Award. [3]
En octubre de 2022, durante un experimento realizado en la Universidad Técnica de Dinamarca en Copenhague , un chip fotónico transmitió 1,84 petabits por segundo de datos a través de un cable de fibra óptica de más de 7,9 kilómetros de longitud. En primer lugar, el flujo de datos se dividió en 37 secciones, cada una de las cuales se envió a través de un núcleo separado del cable de fibra óptica. A continuación, cada uno de estos canales se dividió en 223 partes correspondientes a picos de luz equidistantes en todo el espectro. [4]
A diferencia de la integración electrónica donde el silicio es el material dominante, los circuitos integrados fotónicos de sistemas se han fabricado a partir de una variedad de sistemas de materiales, incluidos cristales electroópticos como niobato de litio , sílice sobre silicio, silicio sobre aislante , diversos polímeros y materiales semiconductores que se utilizan. para fabricar láseres semiconductores como GaAs e InP . Se utilizan los diferentes sistemas de materiales porque cada uno aporta diferentes ventajas y limitaciones dependiendo de la función a integrar. Por ejemplo, los PIC basados en sílice (dióxido de silicio) tienen propiedades muy deseables para circuitos fotónicos pasivos como los AWG (ver más abajo) debido a sus pérdidas comparativamente bajas y su baja sensibilidad térmica, los PIC basados en GaAs o InP permiten la integración directa de fuentes de luz y silicio. Los PIC permiten la cointegración de la fotónica con la electrónica basada en transistores. [5]
Las técnicas de fabricación son similares a las utilizadas en los circuitos electrónicos integrados en los que se utiliza la fotolitografía para modelar obleas para el grabado y la deposición de material. A diferencia de la electrónica, donde el dispositivo principal es el transistor , no existe un único dispositivo dominante. La gama de dispositivos necesarios en un chip incluye guías de ondas de interconexión de baja pérdida , divisores de potencia, amplificadores ópticos , moduladores ópticos , filtros, láseres y detectores. Estos dispositivos requieren una variedad de materiales y técnicas de fabricación diferentes, lo que hace difícil realizarlos todos en un solo chip. [ cita necesaria ]
Las técnicas más nuevas que utilizan interferometría fotónica resonante están dando paso al uso de LED UV para requisitos de computación óptica con costos mucho más baratos, lo que abre el camino hacia la electrónica de consumo de petahercios. [ cita necesaria ]
La principal aplicación de los circuitos integrados fotónicos se encuentra en el área de las comunicaciones por fibra óptica, aunque también son posibles aplicaciones en otros campos, como el biomédico [6] y la informática fotónica .
Las rejillas de guía de onda dispuestas (AWG) que se utilizan comúnmente como (de)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación de fibra óptica multiplexados por división de longitud de onda (WDM) son un ejemplo de un circuito integrado fotónico que ha reemplazado los esquemas de multiplexación anteriores que utilizaban múltiples elementos de filtro discretos. Dado que separar los modos ópticos es una necesidad para la computación cuántica , esta tecnología puede ser útil para miniaturizar las computadoras cuánticas (ver computación cuántica óptica lineal ).
Otro ejemplo de chip fotónico integrado de amplio uso hoy en día en sistemas de comunicación de fibra óptica es el láser modulado externamente (EML), que combina un diodo láser de retroalimentación distribuida con un modulador de electroabsorción [7] en un único chip basado en InP .
A medida que aumenta el consumo global de datos y continúa creciendo la demanda de redes más rápidas, el mundo necesita encontrar soluciones más sostenibles a la crisis energética y el cambio climático. Al mismo tiempo, aparecen en el mercado aplicaciones cada vez más innovadoras para la tecnología de sensores, como Lidar en vehículos de conducción autónoma . [8] Es necesario seguir el ritmo de los desafíos tecnológicos.
La expansión de las redes y centros de datos 5G , la conducción autónoma de vehículos más seguros y una producción de alimentos más eficiente no pueden lograrse de manera sostenible únicamente con la tecnología de microchips electrónicos. Sin embargo, combinar dispositivos eléctricos con fotónica integrada proporciona una forma más eficiente desde el punto de vista energético de aumentar la velocidad y la capacidad de las redes de datos, reducir costos y satisfacer una gama cada vez más diversa de necesidades en diversas industrias.
La principal aplicación de los PIC se encuentra en el área de las comunicaciones por fibra óptica . La rejilla de guía de ondas dispuesta (AWG) que se utiliza comúnmente como (de)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación de fibra óptica multiplexados por división de longitud de onda (WDM) es un ejemplo de circuito integrado fotónico. [9] Otro ejemplo en sistemas de comunicación de fibra óptica es el láser modulado externamente (EML) que combina un diodo láser de retroalimentación distribuida con un modulador de electroabsorción .
Los PIC también pueden aumentar el ancho de banda y las velocidades de transferencia de datos mediante el despliegue de guías de ondas ópticas planas de pocos modos. Especialmente, si los modos se pueden convertir fácilmente de guías de onda planas monomodo convencionales a guías de onda de pocos modos y excitar selectivamente los modos deseados. Por ejemplo, se puede utilizar un combinador y segmentador de modos espaciales bidireccional [10] para lograr los modos de orden superior o inferior deseados. Su principio de funcionamiento depende de etapas en cascada de guías de ondas planas de índice gradual en forma de V y/o forma de M.
Los PIC no solo pueden aumentar el ancho de banda y las velocidades de transferencia de datos, sino que también pueden reducir el consumo de energía en los centros de datos , que gastan una gran proporción de energía en enfriar servidores. [11]
Utilizando biosensores avanzados y creando instrumentos biomédicos de diagnóstico más asequibles, la fotónica integrada abre la puerta a la tecnología de laboratorio en un chip (LOC) , reduciendo los tiempos de espera y llevando el diagnóstico de los laboratorios a manos de médicos y pacientes. Basada en un biosensor fotónico ultrasensible, la plataforma de diagnóstico de SurfiX Diagnostics proporciona una variedad de pruebas en el lugar de atención. [12] De manera similar, Amazec Photonics ha desarrollado una tecnología de detección de fibra óptica con chips fotónicos que permite la detección de temperatura de alta resolución (fracciones de 0,1 miliKelvin) sin tener que inyectar el sensor de temperatura dentro del cuerpo. [13] De esta manera, los especialistas médicos pueden medir tanto el gasto cardíaco como el volumen de sangre circulante desde fuera del cuerpo. Otro ejemplo de tecnología de sensores ópticos es el dispositivo 'OptiGrip' de EFI, que ofrece un mayor control sobre la sensación del tejido en cirugía mínimamente invasiva.
Los PIC se pueden aplicar en sistemas de sensores, como Lidar (que significa detección y alcance de luz), para monitorear los alrededores de los vehículos. [14] También se puede implementar conectividad en el automóvil a través de Li-Fi , que es similar al WiFi pero usa luz. Esta tecnología facilita la comunicación entre los vehículos y las infraestructuras urbanas para mejorar la seguridad del conductor. Por ejemplo, algunos vehículos modernos captan las señales de tráfico y recuerdan al conductor el límite de velocidad.
En términos de ingeniería, los sensores de fibra óptica se pueden utilizar para detectar diferentes cantidades, como presión, temperatura, vibraciones, aceleraciones y tensiones mecánicas. [15] La tecnología de detección de PhotonFirst utiliza fotónica integrada para medir cosas como cambios de forma en aviones, temperatura de la batería de vehículos eléctricos y tensión de la infraestructura.
Los sensores desempeñan un papel en las innovaciones en la agricultura y la industria alimentaria para reducir el desperdicio y detectar enfermedades. [16] La tecnología de detección de luz impulsada por PIC puede medir variables más allá del alcance del ojo humano, lo que permite que la cadena de suministro de alimentos detecte enfermedades, madurez y nutrientes en frutas y plantas. También puede ayudar a los productores de alimentos a determinar la calidad del suelo y el crecimiento de las plantas, así como a medir las emisiones de CO 2 . Un nuevo sensor miniaturizado de infrarrojo cercano, desarrollado por MantiSpectra, es lo suficientemente pequeño como para caber en un teléfono inteligente y puede usarse para analizar compuestos químicos de productos como la leche y los plásticos. [17]
Las técnicas de fabricación son similares a las utilizadas en los circuitos electrónicos integrados, en los que se utiliza la fotolitografía para modelar obleas para el grabado y la deposición de material.
Las plataformas consideradas más versátiles son el fosfuro de indio (InP) y la fotónica de silicio (SiPh):
El término "fotónica de silicio" en realidad se refiere a la tecnología más que al material. Combina circuitos integrados fotónicos (PIC) de alta densidad con fabricación de electrónica de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). La plataforma tecnológicamente más madura y más utilizada comercialmente es el silicio sobre aislante (SOI).
Otras plataformas incluyen:
Al combinar y configurar diferentes tipos de chips (incluidos los chips electrónicos existentes) en una integración híbrida o heterogénea , es posible aprovechar las fortalezas de cada uno. Adoptar este enfoque complementario de la integración aborda la demanda de soluciones energéticamente eficientes cada vez más sofisticadas.
Las asociaciones público-privadas , como PhotonDelta en Europa y el Instituto Americano de Fabricación de Fotónica Integrada en Estados Unidos, también proporcionan cadenas de suministro y ecosistemas de extremo a extremo para ayudar a impulsar y escalar empresas que trabajan en fotónica integrada.
Organizaciones especializadas en diferentes tipos de fabricación e I+D:
En 2010, la integración fotónica era un tema activo en los contratos de defensa de Estados Unidos. [20] [21] Fue incluido por el Optical Internetworking Forum para su inclusión en los estándares de redes ópticas de 100 gigahercios. [22]
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