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) en lugar de electrones que utilizan los circuitos integrados electrónicos . La principal diferencia entre ambos es que un circuito integrado fotónico proporciona funciones para señales de información impuestas en longitudes de onda ópticas, normalmente en el espectro visible o en el 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 simples láseres de reflector Bragg distribuido (DBR) de 2 secciones, que constaban de dos secciones de dispositivo controladas independientemente: una sección de ganancia y una sección de espejo DBR. En consecuencia, todos los láseres sintonizables monolíticos 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] El trabajo pionero en este campo se realizó en Bell Laboratories. Los centros académicos de excelencia más notables de circuitos integrados fotónicos 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, a pesar de ser un material de banda prohibida indirecta, puede utilizarse para generar luz láser a través de la no linealidad Raman. Estos láseres no se activan eléctricamente, sino ópticamente, por lo que aún necesitan una fuente láser de bombeo óptico adicional.
La fotónica es la ciencia que se encarga de la detección, generación y manipulación de los 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 fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, pero no estuvieron disponibles comercialmente hasta 1958. Cuando se inventaron el láser y el diodo láser en la década de 1960, el término "fotónica" pasó a usarse más comúnmente para describir la aplicación de la luz para reemplazar las aplicaciones que antes se lograban 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, un asistente de un nuevo grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Delft , Meint Smit, comenzó a ser pionero en el campo de la fotónica integrada. Se le atribuye la invención de la rejilla de guía de ondas en matriz (AWG) , un componente fundamental de las conexiones digitales modernas para Internet y los teléfonos. Smit ha recibido varios premios, entre ellos una beca avanzada del ERC, un premio Rank para optoelectrónica y un premio 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 por 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 a lo largo del espectro. [4]
A diferencia de la integración electrónica, donde el silicio es el material dominante, los circuitos integrados fotónicos de sistema 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 , varios polímeros y materiales semiconductores que se utilizan para hacer láseres semiconductores como GaAs e InP . Los diferentes sistemas de materiales se utilizan porque cada uno proporciona diferentes ventajas y limitaciones según la función que se vaya 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 baja sensibilidad térmica, los PIC basados en GaAs o InP permiten la integración directa de fuentes de luz y los PIC de silicio permiten la cointegración de la fotónica con la electrónica basada en transistores. [5]
Las técnicas de fabricación son similares a las que se utilizan 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 hay 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 dificulta su realización en un solo chip. [ cita requerida ]
Las técnicas más nuevas que utilizan interferometría fotónica resonante están abriendo el camino para que los LED UV se utilicen para los requisitos de computación óptica con costos mucho más económicos, lo que abre el camino hacia la electrónica de consumo en petahercios. [ cita requerida ]
La aplicación principal de los circuitos integrados fotónicos es en el área de comunicación por fibra óptica, aunque también son posibles aplicaciones en otros campos como la biomedicina [6] y la computación fotónica .
Las rejillas de guía de ondas en matriz (AWG), que se utilizan habitualmente como (des)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación por fibra óptica multiplexados por división de longitud de onda (WDM), son un ejemplo de circuito integrado fotónico que ha sustituido a los esquemas de multiplexación anteriores que utilizaban múltiples elementos de filtro discretos. Dado que la separación de modos ópticos es una necesidad para la computación cuántica , esta tecnología puede ser útil para miniaturizar las computadoras cuánticas (véase computación cuántica óptica lineal ).
Otro ejemplo de un chip fotónico integrado de amplio uso hoy en día en sistemas de comunicación por 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 la demanda de redes más rápidas sigue creciendo, el mundo necesita encontrar soluciones más sostenibles a la crisis energética y al cambio climático. Al mismo tiempo, aparecen en el mercado aplicaciones cada vez más innovadoras para la tecnología de sensores, como el lidar en los vehículos de conducción autónoma . [8] Es necesario seguir el ritmo de los desafíos tecnológicos.
La expansión de las redes de datos 5G y los centros de datos, la conducción autónoma más segura de los vehículos y la producción de alimentos más eficiente no se pueden satisfacer de manera sostenible solo con la tecnología de microchips electrónicos. Sin embargo, la combinación de dispositivos eléctricos con fotónica integrada ofrece una forma más eficiente desde el punto de vista energético de aumentar la velocidad y la capacidad de las redes de datos, reducir los 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 comunicación por fibra óptica . Las rejillas de guía de ondas en matriz (AWG), que se utilizan comúnmente como (de)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación por fibra óptica multiplexados por división de longitud de onda (WDM), son un ejemplo de circuito integrado fotónico. [9] Otro ejemplo en sistemas de comunicación por 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 la implementación de guías de onda planas ópticas 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 cortador y combinador de modos espaciales bidireccionales [10] para lograr los modos de orden superior o inferior deseados. Su principio de funcionamiento depende de etapas en cascada de guías de onda planas de índice graduado en forma de V y/o M.
Los PIC no sólo 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]
Mediante el uso de biosensores avanzados y la creación de instrumentos de diagnóstico biomédico más asequibles, la fotónica integrada abre la puerta a la tecnología de laboratorio en un chip (LOC) , reduciendo los tiempos de espera y sacando el diagnóstico de los laboratorios y poniéndolo en 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 punto 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 sensor óptico es el dispositivo "OptiGrip" de EFI, que ofrece un mayor control sobre la sensibilidad del tejido para la cirugía mínimamente invasiva.
Los PIC se pueden aplicar en sistemas de sensores, como el lidar (que significa detección y medición de luz), para monitorear los alrededores de los vehículos. [14] También se puede implementar en la conectividad dentro del automóvil a través de Li-Fi , que es similar al WiFi pero utiliza luz. Esta tecnología facilita la comunicación entre los vehículos y la infraestructura urbana para mejorar la seguridad del conductor. Por ejemplo, algunos vehículos modernos detectan 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 tensión mecánica. [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 en 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 que van más allá del alcance del ojo humano, lo que permite a la cadena de suministro de alimentos detectar 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 CO2 . Un nuevo sensor miniaturizado de infrarrojo cercano, desarrollado por MantiSpectra, es lo suficientemente pequeño como para caber en un teléfono inteligente y se puede utilizar para analizar los 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 fotolitografía para crear patrones en las 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, no al material. Combina circuitos integrados fotónicos de alta densidad (PIC) con fabricación de electrónica de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). La plataforma tecnológicamente más madura y comercialmente utilizada es el silicio sobre aislante (SOI).
Otras plataformas incluyen:
Al combinar y configurar distintos tipos de chips (incluidos los chips electrónicos existentes) en una integración híbrida o heterogénea , es posible aprovechar las ventajas de cada uno. La adopción de este enfoque complementario de la integración responde a la demanda de soluciones cada vez más sofisticadas y energéticamente eficientes.
Las asociaciones público-privadas , como PhotonDelta en Europa y el Instituto Americano de Fabricación de Fotónica Integrada en los Estados Unidos, también proporcionan cadenas de suministro y ecosistemas de extremo a extremo para ayudar a impulsar y escalar empresas que trabajan dentro de la fotónica integrada.
Organizaciones especializadas en diferentes tipos de fabricación e I+D:
A partir de 2010, la integración fotónica fue un tema activo en los contratos de Defensa de EE. UU. [20] [21] Fue incluido por el Foro de Interconexión Óptica para su inclusión en los estándares de redes ópticas de 100 gigahercios. [22]
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