Nano-fotónica, una tecnología de presente con mucho futuro

Los chips microelectrónicos de silicio constituyen el núcleo de nuestros ordenadores y teléfonos inteligentes. En los últimos años su desarrollo se ha visto acelerado debido en la capacidad de esta tecnología para integrar cada vez más transistores en una superficie reducida, permitiendo así diseñar ordenadores cada vez más potentes y también más eficientes.

Al igual que la electrónica es la ciencia que permite manipular los electrones, la fótonica es la tecnología que permite manipular los fotones, es decir, la luz. La fotónica ha hecho posible desarrollar, entre otras aplicaciones, los sistemas de comunicaciones ópticas por fibra. Estos constituyen la espina dorsal de internet y sin ellos difícilmente existirían las grandes compañías basadas en el intercambio de información como Google, Facebook o Amazon. Sin embargo, ambos mundos, el fotónico y el electrónico, han vivido separados por una barrera tecnológica, ya que, hasta hace una década, el silicio sobre el que se fundamenta la electrónica actual no era válido para la manipulación fotónica. Afortunadamente, la situación comenzó a cambiar hace unos años con la llamada fotónica de silicio, una tecnología que utiliza las herramientas de fabricación de los chips microelectrónicos de silicio para el procesado fotónico, en el que las señales son haces de luz en lugar de corrientes eléctricas.

Se muestra, en gris, una transición entre una guía nano-fótonica de silicio convencional (a la izquierda) a una guía sub-longitud de onda (a la derecha). El color (verde-morado) ilustra la propagación de una onda luminosa a través de la estructura. Se aprecia que en su propagación la onda se expande lateralmente, y su longitud de onda (la distancia entre dos zonas verdes) aumenta, lo que indica que la estructura se comporta como un material artificial con un índice de refracción menor que el del silicio. / Photonics & RF UMA

El Laboratorio de Fotónica y Radiofrecuencia, integrado en el grupo de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Málaga y en el Centro Andaluz de Nanomedicina y Biotecnología (BIONAND), lleva casi diez años trabajando en el campo de la fotónica del silicio. Concretamente, estudia las estructuras sub-longitud de onda, que son guías de luz realizadas en silicio y estructuradas a escala de la millonésima parte de un milímetro. Recientemente uno de sus miembros, el doctor Robert Halir, ha publicado junto a colegas internacionales de Canadá y Estados Unidos una revisión del pasado, presente y futuro de esta tecnología en Nature. Esta revista científica se considera la más prestigiosa del mundo y el año pasado sólo publicó un artículo de revisión con autoría española. “Las estructuras sub-longitud de onda son un avance que ha abierto la puerta al diseño de materiales artificiales con las propiedades óptimas para cada dispositivo óptico, sin por ello comprometer la sencillez del proceso de fabricación”, afirma Halir.

En el trabajo, los investigadores relatan el desarrollo de este apasionante campo desde sus orígenes, que se remontan a los primeros experimentos con ondas de radio de Heinrich Hertz, hasta sus últimas aplicaciones en dispositivos fotónicos de muy altas prestaciones. La fotónica del silicio, ha permitido, entre otras cosas, el desarrollo a bajo coste de transmisores y receptores de alta velocidad para las redes de comunicaciones ópticas, alcanzando tasas de intercambio de más de 400 Gigabit por segundo en cada canal. Por otro lado, los investigadores también aseguran que en el futuro se podrán fabricar microprocesadores más rápidos para los ordenadores y teléfonos móviles, sustituyendo los enlaces eléctricos que comunican las diferentes partes del chip por enlaces ópticos. De igual manera ocurre en el ámbito del diagnóstico sanitario, donde la fotónica de silicio abriría la puerta a biosensores ópticos de alta sensibilidad. “Sin duda mejorarían y reducirían tanto los tiempos como el coste de la detección y el tratamiento de enfermedades”, añade el investigador de la Universidad de Málaga.

En concreto, las estructuras sub-longitud de onda permiten aumentar en un factor 5 el ancho de banda de los acopladores ópticos, lo que se traduce directamente en un aumento de la velocidad de transmisión de información. También se pueden usar —como ya lo hace IBM— para reducir considerablemente el coste de las estructuras para acoplar luz desde una fibra óptica a un chip fotónico. La misma tecnología también puede aplicarse a biosensores ópticos para mejorar su sensibilidad, con lo que podrían detectarse enfermedades en sus etapas iniciales. Todo ello redundará en chips fotónicos integrados que ofrecerán mayores prestaciones en términos de ancho de banda o sensibilidad, y a precios más reducidos. “De hecho, explica Halir, algunas de las patentes de nuestro grupo han sido ya licenciadas por la empresa Alcyon Photonics”.

Referente en Andalucía

El Laboratorio de Fotónica y Radiofrecuencia está liderado por el catedrático Íñigo Molina Fernández y pertenece al grupo Ingeniería de Comunicaciones, líder en Andalucía en el ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. Así fue reconocido en 2015 con el premio Andalucía de Investigación ‘Juan López de Peñalver’. En los últimos años su capacidad de investigación y transferencia se ha incrementado notablemente en los ámbitos de las comunicaciones por fibra óptica, sistemas de radiofrecuencia, comunicaciones móviles 5G, sistemas de procesado digital de la señal y biosensores fotónicos, entre otras materias. Esto les permite a su vez, ofrecer a sus estudiantes una excelente preparación para los retos tecnológicos del futuro, a través de los títulos de grado y máster y doctorado ofrecidos por la Escuela de Superior de Ingeniería de Telecomunicación.

+info | Laboratorio de Fotónica y Radiofrecuencia

Referencias:

Pavel Cheben, Robert Halir, Jens H. Schmid, Harry A. Atwater y David R. Smith (2018): “Subwavelength integrated photonics”. Nature, vol. 560, pp. 565-572. Disponible en línea: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0421-7