Circuitos Fotónicos Integrados (PIC)

Publicado: 10 agosto, 2011 en Tecnología
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Lo de circuito óptico integrado lo mismo te suena a chino mandarín. Si te digo que se conocen por las siglas en inglés, PIC, probablemente te siga sonando a chino cantonés esta vez. Pero seguro que si te digo que un PIC es un chip, la cosa empieza a sonarte.

Un chip es un circuito integrado. Un microchip es un circuito integrado más pequeño, un nanochip más pequeño aún. Un chip es un trozo de un material semiconductor, de pequeño tamaño, o pequeñísismo, sobre el que se fabrican circuitos electrónicos a base de un montón de transistores, algunas resistencias, puñaito de diodos… Vaaaale, eso ya lo sabías.

Los chips normalmente utilizan el Silicio como material semiconductor y los circuitos son electrónicos, es decir, cuando estableces diferencias de potenciales fluye una corriente de electrones por las pistas del circuito que suelen ser de algún material metálico, y los electrones, muy formales ellos, van por sus carreteras sin salirse ni un poquito. Que si, que ya, que esto también lo sabías.

Pues si efectivamente lo sabías, entenderás lo que es un PIC, porque se trata de un chip fotónico, en lugar de electrónico. Lo que circulan por los circuitos no son electrones, sino fotones. Es decir, en lugar de un trozo metálico que sirve de pista de canalización a los electrones, se utilizan otros materiales que sirven como guía de ondas, que serían las carreteras de los fotones. Ya sabes que la luz, compuesta de fotones, no se propaga en línea recta, sino que se dispersa, se refleja y se refracta, de manera que si quieres que todos los fotones vayan más o menos por el mismo sitio, tendrás que utilizar una carretera adecuada. Además, la pastilla sobre la que se construye el circuito integrado, en el caso de PIC no tiene por qué ser de Silicio, sino que se pueden utilizar diversos materiales semiconductores. Eso si, si quieres que sea barata, deberá ser de Silicio.

Dentro de las tecnologías integradas disponibles para la fabricación de PIC destacan las siguientes:

  • Tecnologías de ultra alto contraste de índices, como por ejemplo la tecnología SOI (Silicon on insulator), que sí que usa el silicio para el guiado de la luz, o por ejemplo la tecnología SiN (Nitruro de Silicio). También se está trabajando con otros materiales como el CdTe (Teluro de Cadmio).
  • Tecnologías de alto contraste de índices: Es como la anterior, pero más bruta, ya que se aplica a casos en los que no se requieren altos niveles de integración, y por lo tanto el contraste de índices de las estructuras puede ser menor, se puede utilizar guiado en SiO2 o en polímeros. Adicionalmente, mediante la tecnología de Oxinitruro (SiON) es posible ajustar el contraste de índices desde el alto contraste al ultra alto contraste, es decir, te adaptas a lo que necesites.
  • Metalizaciones: Adicionalmente se trabaja con metalizaciones que permiten introducir electrodos de control eléctricos e implementar estructuras de metamateriales o basadas en resonancias de plasmones superficiales (SPR). A ver, esto no es un insulto. Los metales, además de reflejar la luz tienen una propiedad que no es tan conocida: bajo ciertas condiciones, la luz puede viajar sobre la superficie metálica sin alejarse de ella. Es una propiedad bastante peculiar, porque en condiciones normales la luz viaja por las tres dimensiones del espacio, y no es nada fácil confinarla en un camino determinado. Pero lo interesante de verdad es que esta luz superficial es una onda más complicada que la luz normal, ya que además del campo electromagnético, involucra a una serie de electrones libres que están en los metales. Estas ondas superficiales son lo que se conocen como plasmones superficiales, y pueden jugar un papel clave en los futuros PIC.

Cuando se habla de alta capacidad de integración, lo que significa es que se pueden implementar circuitos relativamente complejos en unas dimensiones muy reducidas. Es decir, la capacidad de miniaturizar las estructuras fotónicas permite realizar funcionalidades complejas en un solo chip, microchip y sobre todo nanochip. Además se espera que en estos circuitos integrados se consiga no sólo una reducción de tamaños, sino también de consumo de potencia. Estas características hacen prever una expansión de los dispositivos fotónicos integrados análoga a la que sucedió con anterioridad en el campo de la microelectrónica; con las grandes mejoras de velocidad y ancho de banda que introduce la tecnología fotónica. Es decir, los PIC serán más rápidos, más baratos y más eficientes que sus antepasados electrónicos.

Una de las capacidades derivadas de la elaboración de estructuras con capacidad de controlar la luz a escalas nanométricas, es que permiten actuar sobre los materiales, tejidos o células de forma más directa. Esto es de gran utilidad de cara a la elaboración de sensores capaces de detectar elementos o procesos que tienen lugar en estas pequeñas escalas. Estas capacidades que caracterizan a las estructuras fotónicas dan lugar a una gran diversidad de aplicaciones en distintos sectores industriales:

  • En Telecomunicaciones, inluidos en dispositivos fotónicos pasivos para la implementación de funcionalidades básicas tales como divisores de potencia, multiplexores, filtros, etc. O Dispositivos de procesado fotónico como líneas de retardo, estructuras de onda lenta y de alta dispersión.
  • En Astronomia, para el conformado óptico de haces en las matrices de Butler, que son dispositivos electrónicos que permiten controlar la dirección de una antena, permitiendo observar en varias direcciones independientes de modo simultáneo.
  • Sensores de alta sensibilidad y selectividad en distintas áreas como defensa o medicina para la detección de explosivos, gases bélicos, elementos químicos o patógenos.

Pero una de las aplicaciones más interesantes para los mortales en general sería un circuito de ordenador óptico, y no electrónico. Sólo hay que buscar una nueva forma de controlar el camino que sigue la luz cuando atraviesa el Silicio, ya que a día de hoy éste es el principal obstáculo. Se trata básicamente de prevenir las reflexiones de la luz, que son las que producen los errores en los circuitos ópticos. Y la industria se está centrando en el Silicio a pesar de los problemas, porque sería la forma más barata de hacer los PIC.

Los físicos llevan mucho tiempo analizando el comportamiento caótico de la luz en el Silicio. En Caltech y UCSD ya han desarrollado una guía de ondas compuesta de silicio que hace que la luz se comporte de forma distinta dependiendo de la dirección en la que viaja. Crearon una guía de ondas de una tira larga y estrecha de Silicio con una anchura de unos 800 nanómetros, con puntos metálicos en los lados, como parachoques. La luz viaja libremente en una dirección por la guía de ondas, pero se tuerce si viaja en la dirección contraria. Pero este tan sólo es un avance, y se necesitan unos cuantos más. Y es un gran avance sobre todo porque se fabricó usando los mismos métodos que la industria de semiconductores, y eso es determinante de cara a la integración a gran escala de la óptica.

A pesar de este gran avance, entre los problemas que restan por solventar, queda uno especialmente importante para la fotónica de Silicio: no hay una buena forma de producir las fuentes de luz necesarias para los procesadores ópticos de Silicio. Un ordenador óptico también necesitará memoria óptica, que tampoco se ha creado aún… Pero bueno, el primer paso ya se ha dado, así que el camino está emprendido y sólo es cuestión de tiempo.

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comentarios
  1. Lorena dice:

    Anda, este post lo he entendido perfeeectamente!

  2. Jose A Leon dice:

    panda frikis

  3. Lorena dice:

    Habló el “normal” q hace comentarios a las 07:02 de la mañana… Mira q os hacen madrugar en Tatooine.

  4. Jose A Leon dice:

    En Tatooine no dormimos… ahora, no podrías negar lo de que eres friki con comentarios como ese… ja ja

  5. Lorena dice:

    Si no existiéramos los frikis, a ver cómo os ibais a comunicar con los humanos si no…

  6. Anónimo dice:

    supeintersante esto de la pic, en el futuro la fotonica desplazara a la electronica.

  7. […] Los PIC aportarían a la ingeniería de los super-canales lo que la integración electrónica aportó en su momento a las CPU multi-core. Los PIC eliminarían las limitaciones de la complejidad de los componentes ópticos y permitiría que la ingeniería correcta fuera aplicada. Si quieres saber algo más sobre los PIC pincha aquí […]

  8. Jesús David dice:

    Me gustaría saber mas acerca de los Photonics Integrated Circuit, pues constituyen la evolución de la electrónica. La información aquí colgada es de 2011, pero hoy por hoy: 17 de noviembre de 2012, ya se habla de empresas que explotan esta asombrosa tecnología. Es evidente que esto debe ser actualizado.

    • Me lo apunto Jesús David.
      Los PIC se usan ya desde hace algunos años. De lo que se trata es de incrementar la integración y combinar óptica y fotónica.
      A ver si preparo algo, y si te lo lees me cuentas.
      Un saludo

  9. Anónimo dice:

    Interesante aporte

  10. Anónimo dice:

    El PIC mas moderno lo acaba de lanzar Infinera es un PIC de 500G con 5 entradas de 100G, pero la portadora hasta ahora utilizada para transmision por fibra es 100G, en el futuro quizas veamos portadoras de 400G o 500G como esta en discusion…alguna nueva?

    • Respecto a los PIC, comercialmente es lo último que se tiene. Para llegar a esto se ha necesitado una tecnología de CMOS de 40 nm que permite mayor integración y menor consumo de potencia. Utiliza una modulación DC PM-QPSK.

      Pero en prototipo ya hay varias empresas que están trabajando en PIC de 1 Tbps, utilizando el concepto de supercanales. El principal reto está en la tecnología CMOS de 20nm.

      A día de hoy se pueden transmitir 200Gbps por portadora utilizando modulación 16 QAM, pero también se trata de soluciones que aún no son comerciales y además utilizan el concepto de rejilla flexible, ocupando 37.5 GHz cada canal.

      Saludos

      • Anónimo dice:

        Infinera menciona tambien que tiene un PIC en 1Tbps en laboratorio, pero al parecer el reto esta planteado en obtener para comercializacion portadoras de mas de 100G, en rejilla de 37.5GHz alli esta el reto, tengo entendido que la modulacion 16QAM puede ayudar mucho, pero con limitaciones de distancia.

        • El objetivo es conseguir portadoras de más de 100G.
          Ya hay prototipos de portadoras a 200G , pero utilizando 16QAM en lugar de QPSK, con lo que efectivamente el alcance se reduce. Sería interesantes para entornos metro y no larga distancia.
          La idea es utilizar rejilla flexible, con granularidad mínima de 12.5 GHz, de manera q según las características de cada portadora utilizará mas o menos rodajas. En el caso de 200G 16 QAM se utilizarían 3 rodajas, es decir, 37.5GHz
          Saludos

  11. Hola a todos,

    Solo deciros que aqui en España tenemos varias empresas trabajando con esta tecnologia ya, entre ellas la nuestra, VLC Photonics, donde nos dedicamos al diseño, fabricacion, testado y encapsulado de estos PICs para varias aplicaciones. Echad un ojo a nuestra web y escribidnos si teneis cualquier duda! Un saludo

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