Los puertos libres tejieron las primeras redes de comercio internacional hace más de 2000 años. Hoy, uno de sus herederos va camino de convertirse en un laboratorio de chips fotónicos.
Las zonas portuarias libres de pagar algunos tributos, también conocidas como zonas francas, experimentaron diversas configuraciones a lo largo de la historia. Ya en el siglo XX, se establecieron como áreas de desarrollo industrial y comercial. Hoy existen en España siete zonas francas reconocidas por ley. En una de ellas, la de Vigo, se levantará una fábrica de chips fotónicos apoyada en la experiencia de la Universidad de Vigo con esta tecnología y en los fondos europeos NextGeneration.
No es el único proyecto relacionado con esta tecnología que está en marcha en España, ni mucho menos en el mundo. Las promesas de negocio y desarrollo de esta nueva tecnología son enormes. No en vano, el mercado global de la fotónica integrada superó ya el año pasado los 4000 millones de euros de facturación. Y el desarrollo de la industria fotónica es una de las prioridades estratégicas de la Unión Europea para la próxima década.
¿Qué son los chips fotónicos?
La fotónica no es una ciencia nueva. Este campo de trabajo, que estudia cómo detectar, generar y manipular las partículas de luz, empezó a desarrollarse en los años 60 del siglo pasado, tras la invención del láser. Su aplicación al campo de los microprocesadores es, sin embargo, mucho más reciente. De hecho, hasta hace poco la tecnología de los chips fotónicos funcionaba bien en teoría, pero mostraba bastantes limitaciones en la práctica.
Pero en 2019, un equipo internacional de científicos con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) publicó el desarrollo de un nuevo divisor nanofotónico integrado en un chip de silicio que iba a cambiar las cosas. Ese dispositivo óptico de escala nanométrica permite manipular la luz dentro del chip para dividirla en dos caminos diferentes o recombinarla en uno solo, superando así muchas de las limitaciones técnicas que hasta ahora había mostrado la tecnología.
Los chips fotónicos, técnicamente denominados circuitos fotónicos integrados, son un tipo de chip con una estructura similar a los que contienen nuestros smartphones o nuestros ordenadores. Pero, en lugar de estar basado en componentes electrónicos, está construido con componentes fotónicos, elementos que funcionan con luz. Mientras en un chip electrónico los electrones pasan a través de resistencias o transistores, en un chip fotónico los fotones circulan a través de componentes ópticos como guías de ondas, láseres o polarizadores.
¿Cómo funciona un chip fotónico y qué ventajas tiene?
Los chips electrónicos que usamos mayoritariamente hoy en día están basados en silicio. La electrónica del silicio tiene una serie de limitaciones físicas que hacen que cada vez sea más difícil continuar con la miniaturización y los problemas de disipación del calor, consumo de energía y eficiencia sean más y más difíciles de resolver. Muchos chips fotónicos también utilizan silicio (aunque también se están probando otros materiales). Pero para saltarse las limitaciones han dado un pequeño rodeo.
En lugar de funcionar con electricidad, los chips fotónicos funcionan con luz. Utilizan una fuente de láser para inyectar los fotones que impulsan los componentes. Esto permite mejorar la eficiencia, reducir el consumo y aumentar la capacidad de los chips, pero sin cambiar apenas la plataforma y los procesos de fabricación que se usan actualmente en la industria de los microprocesadores. Así, las ventajas de los chips fotónicos frente a los electrónicos son las siguientes:
- Mayores velocidades de transmisión de datos, ya que estos chips aprovechan todo el ancho de banda disponible en una red.
- Mayor velocidad de procesamiento al reducirse la pérdida de energía por disipación de calor.
- Reducción del consumo energético, clave para el desarrollo de internet de las cosas (IoT) y la movilidad autónoma o el despliegue del 5G.
Usos presentes y futuros de los procesadores de luz
No lejos de la primera zona franca de España, en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC, se pone a prueba el futuro de la tecnología. En sus laboratorios se testan desde tecnologías asentadas en el campo de los semiconductores hasta circuitos fotónicos, dispositivos cuánticos, nanohilos de silicio y materiales de una sola capa atómica (los llamados materiales bidimensionales).
Las tecnologías fotónicas no son algo limitado al futuro, ya que hoy se usan a diario en las telecomunicaciones por fibra óptica (que ya son la forma más extendida de transmitir información a nivel global), la impresión láser, los sensores, las pantallas, la iluminación inteligente o los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, es con el desarrollo de la computación cuántica y las comunicaciones cuánticas donde se espera que los chips de luz desplieguen todo su potencial. Entre otras cosas, se está avanzando en el desarrollo de procesadores fotónicos cuánticos que permitan que los ordenadores cuánticos funcionen a temperatura ambiente, lo que reduce el tamaño y el coste de esta tecnología.
Pero más allá de grandes avances futuros, la gran ventaja de los chips fotónicos es que permiten superar las limitaciones de la electrónica del silicio sin tener que cambiar por completo los procesos industriales y permiten procesar la información de forma mucho más precisa y con una mayor tasa de transmisión, pero con un menor consumo y ocupando menos volumen.
Imágenes | Unsplash/Sigmund, Adi Goldstein , CSIC
